Energía solar
Definición
La energía solar es luz radiante y el calor del Sol que se aprovecha con una gama de tecnologías en constante evolución como el calentamiento solar, la energía fotovoltaica, la energía solar térmica, la arquitectura solar, las plantas de energía fundida y la fotosíntesis artificial.
Es una fuente importante de energía renovable y sus tecnologías se caracterizan ampliamente como energía solar pasiva o solar activa dependiendo de cómo capturan y distribuyen energía solar o la convierten en energía solar. Las técnicas solares activas incluyen el uso de sistemas fotovoltaicos, energía solar concentrada y calentamiento de agua solar para aprovechar la energía. Las técnicas solares pasivas incluyen orientar un edificio hacia el Sol, seleccionar materiales con una masa térmica favorable o propiedades de dispersión de la luz y diseñar espacios que circulen el aire de forma natural.
La gran magnitud de la energía solar disponible la convierte en una fuente de electricidad muy atractiva. El Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo en su Evaluación Mundial de la Energía 2000 constató que el potencial anual de la energía solar era de 1.575-49.837 exajulios (EJ). Esto es varias veces más grande que el consumo de energía mundial total, que fue de 559.8 EJ en 2012.
En 2011, la Agencia Internacional de Energía dijo que "el desarrollo de tecnologías de energía solar asequibles, inagotables y limpias tendrá grandes beneficios a largo plazo. Aumentará la seguridad energética de los países al depender de un recurso autóctono, inagotable y en su mayoría independiente de las importaciones, mejorar la sostenibilidad, reducir la contaminación, reducir los costos de mitigación del calentamiento global y mantener bajos los precios de los combustibles fósiles. Estas ventajas son globales. Por lo tanto, los costos adicionales de los incentivos para un despliegue temprano deben considerarse inversiones de aprendizaje; necesitan ser ampliamente compartidos ".
Potencial
La Tierra recibe 174 petavatios (PW) de radiación solar entrante (insolación) en la atmósfera superior. Aproximadamente el 30% se refleja hacia el espacio mientras que el resto es absorbido por las nubes, los océanos y las masas terrestres. El espectro de luz solar en la superficie de la Tierra se distribuye principalmente a través de los rangos visible e infrarrojo cercano con una pequeña parte en el ultravioleta cercano. La mayoría de la población mundial vive en áreas con niveles de insolación de 150-300 watts / m², o 3.5-7.0 kWh / m² por día.
La radiación solar es absorbida por la superficie de la tierra, los océanos, que cubren alrededor del 71% del globo, y la atmósfera. El aire caliente que contiene agua evaporada de los océanos se eleva, lo que provoca la circulación atmosférica o la convección. Cuando el aire alcanza una gran altitud, donde la temperatura es baja, el vapor de agua se condensa en nubes, que caen sobre la superficie de la Tierra, completando el ciclo del agua. El calor latente de la condensación del agua amplifica la convección, produciendo fenómenos atmosféricos como el viento, los ciclones y los anticiclones. La luz solar absorbida por los océanos y las masas de tierra mantiene la superficie a una temperatura promedio de 14 ° C. Mediante la fotosíntesis, las plantas verdes convierten la energía solar en energía almacenada químicamente, que produce alimentos, madera y la biomasa de la cual se derivan los combustibles fósiles.
La energía solar total absorbida por la atmósfera de la Tierra, los océanos y las masas de tierra es aproximadamente de 3,850,000 exajulios (EJ) por año. En 2002, esto fue más energía en una hora que el mundo utilizado en un año. La fotosíntesis captura aproximadamente 3.000 EJ por año en biomasa. La cantidad de energía solar que llega a la superficie del planeta es tan grande que en un año es casi el doble de lo que se obtendrá de todos los recursos no renovables de la Tierra de carbón, petróleo, gas natural y uranio extraído combinados. ,
| Flujos solares anuales y consumo humano | ||
|---|---|---|
| Solar | 3,850,000 | |
| Viento | 2,250 | |
| Potencial de biomasa | ~ 200 | |
| Uso de energía primaria | 539 | |
| Electricidad | ~ 67 | |
| Energía dada en Exajoule (EJ) = 10 J = 278 TWh Consumo a partir del año 2010 | ||
La energía solar potencial que podría ser utilizada por los humanos difiere de la cantidad de energía solar presente cerca de la superficie del planeta porque factores como la geografía, la variación del tiempo, la cobertura de nubes y la tierra disponible para los humanos limitan la cantidad de energía solar que puede adquirir.
La geografía afecta el potencial de energía solar porque las áreas que están más cerca del ecuador tienen una mayor cantidad de radiación solar. Sin embargo, el uso de energía fotovoltaica que puede seguir la posición del sol puede aumentar significativamente el potencial de energía solar en áreas que están más lejos del ecuador. La variación de tiempo afecta el potencial de la energía solar porque durante la noche hay poca radiación solar en la superficie de la Tierra para que los paneles solares la absorban. Esto limita la cantidad de energía que los paneles solares pueden absorber en un día. La cobertura de nubes puede afectar el potencial de los paneles solares porque las nubes bloquean la entrada de luz del sol y reducen la luz disponible para las células solares.
Además, la disponibilidad de la tierra tiene un gran efecto en la energía solar disponible, ya que los paneles solares solo se pueden instalar en terrenos que de lo contrario no se usarán y son aptos para paneles solares. Se ha descubierto que los techos son un lugar adecuado para las células solares, ya que muchas personas han descubierto que pueden recolectar energía directamente de sus hogares de esta manera. Otras áreas que son adecuadas para las células solares son las tierras que no se están utilizando para las empresas donde se pueden establecer plantas solares.
Las tecnologías solares se caracterizan como pasivas o activas dependiendo de la forma en que capturan, convierten y distribuyen la luz solar y permiten que la energía solar se aproveche a diferentes niveles en todo el mundo, dependiendo principalmente de la distancia del ecuador. Aunque la energía solar se refiere principalmente al uso de radiación solar para fines prácticos, todas las energías renovables, además de la energía geotérmica y la energía de las mareas, obtienen su energía directa o indirectamente del sol.
Las técnicas solares activas utilizan energía fotovoltaica, energía solar concentrada, colectores térmicos solares, bombas y ventiladores para convertir la luz solar en resultados útiles. Las técnicas solares pasivas incluyen la selección de materiales con propiedades térmicas favorables, el diseño de espacios que naturalmente hacen circular el aire y la referencia de la posición de un edificio al sol. Las tecnologías solares activas aumentan el suministro de energía y se consideran tecnologías del lado de la oferta, mientras que las tecnologías solares pasivas reducen la necesidad de recursos alternativos y, en general, se consideran tecnologías del lado de la demanda.
En 2000, el Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo, el Departamento de Asuntos Económicos y Sociales de las Naciones Unidas y el Consejo Mundial de la Energía publicaron una estimación de la energía solar potencial que los humanos podrían utilizar cada año y que tuvo en cuenta factores como la insolación, la nubosidad y la la tierra que los humanos pueden usar La estimación encontró que la energía solar tiene un potencial global de 1,575-49,837 EJ por año (ver tabla a continuación) .
| Región | Norteamérica | América Latina y el Caribe | Europa Oriental | Europa central y oriental | Antigua Unión Soviética | Oriente Medio y África del Norte | Africa Sub-sahariana | Asia pacífica | Asia del Sur | Asia centralmente planificada | Pacific OECD |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Mínimo | 181.1 | 112.6 | 25.1 | 4.5 | 199.3 | 412.4 | 371.9 | 41.0 | 38.8 | 115.5 | 72.6 |
| Máximo | 7,410 | 3,385 | 914 | 154 | 8,655 | 11,060 | 9,528 | 994 | 1,339 | 4,135 | 2,263 |
Nota:
Relación cuantitativa del potencial solar global vs. el consumo de energía primaria del mundo:
Fuente: Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo - World Energy Assessment (2000) | |||||||||||
Energía térmica
Las tecnologías solares térmicas se pueden utilizar para el calentamiento de agua, calefacción de espacios, refrigeración de espacios y generación de calor de procesos.
Adaptación comercial temprana
En 1878, en la Exposición Universal de París, Augustin Mouchot demostró con éxito una máquina de vapor solar, pero no pudo continuar el desarrollo debido al carbón barato y otros factores.
En 1897, Frank Shuman, inventor estadounidense, ingeniero y pionero de la energía solar, construyó un pequeño motor solar de demostración que funcionaba reflejando energía solar en cajas cuadradas llenas de éter, que tiene un punto de ebullición más bajo que el agua, y se ajustaban internamente con negro tuberías que a su vez accionaban una máquina de vapor. En 1908, Shuman formó Sun Power Company con la intención de construir plantas de energía solar más grandes. Él, junto con su asesor técnico ASE Ackermann y el físico británico Sir Charles Vernon Boys, desarrollaron un sistema mejorado que utilizaba espejos para reflejar la energía solar en las cajas colectoras, aumentando la capacidad de calentamiento en la medida en que ahora se podía usar agua en lugar de éter. Shuman luego construyó una máquina de vapor a gran escala alimentada por agua a baja presión, lo que le permitió patentar todo el sistema de motor solar en 1912.
Shuman construyó la primera central térmica solar del mundo en Maadi, Egipto, entre 1912 y 1913. Su planta usó canales parabólicos para alimentar un motor de 45-52 kilovatios (60-70 hp) que bombea más de 22,000 litros (4,800 imp gal; 5,800 US gal) de agua por minuto desde el río Nilo a los campos de algodón adyacentes. Aunque el estallido de la Primera Guerra Mundial y el descubrimiento de petróleo barato en la década de 1930 desalentaron el avance de la energía solar, la visión y el diseño básico de Shuman se resucitaron en la década de 1970 con una nueva ola de interés en la energía solar térmica. En 1916, Shuman fue citado en los medios de comunicación abogando por la utilización de la energía solar, diciendo:
Calentamiento de agua
Los sistemas solares de agua caliente usan la luz solar para calentar el agua. En latitudes geográficas bajas (menos de 40 grados), los sistemas de calefacción solar pueden proporcionar de 60 a 70% del uso de agua caliente sanitaria con temperaturas de hasta 60 ° C. Los tipos más comunes de calentadores de agua solares son colectores de tubo de vacío (44%) y colectores de placa plana acristalada (34%) generalmente utilizados para agua caliente sanitaria; y colectores de plástico no vidriados (21%) utilizados principalmente para calentar piscinas.
A partir de 2007, la capacidad instalada total de los sistemas solares de agua caliente fue de aproximadamente 154 gigavatios térmicos (GW th ). China es el líder mundial en su despliegue con 70 GW TH instalado a partir de 2006 y una meta a largo plazo de 210 GW º 2020. Israel y Chipre son los líderes per cápita en el uso de sistemas solares de agua caliente con más del 90% de hogares que los usan. En los Estados Unidos, Canadá y Australia, la calefacción de piscinas es la aplicación predominante de agua caliente solar con una potencia instalada de 18 GW XX a partir de 2005.
Calefacción, refrigeración y ventilación
En los Estados Unidos, los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) representan el 30% (4.65 EJ / año) de la energía utilizada en edificios comerciales y casi el 50% (10.1 EJ / año) de la energía utilizada en edificios residenciales. Las tecnologías de calefacción solar, refrigeración y ventilación se pueden utilizar para compensar una parte de esta energía.
La masa térmica es cualquier material que se puede usar para almacenar calor y calor del Sol en el caso de la energía solar. Los materiales comunes de masa térmica incluyen piedra, cemento y agua. Históricamente se han utilizado en climas áridos o en regiones cálidas y templadas para mantener frescos los edificios al absorber la energía solar durante el día y al irradiar el calor almacenado a la atmósfera más fresca durante la noche. Sin embargo, pueden usarse en áreas templadas frías para mantener el calor también. El tamaño y la ubicación de la masa térmica dependen de varios factores, como el clima, la luz natural y las condiciones de sombreado. Cuando se incorpora correctamente, la masa térmica mantiene las temperaturas espaciales en un rango cómodo y reduce la necesidad de equipos auxiliares de calefacción y enfriamiento.
Una chimenea solar (o chimenea térmica, en este contexto) es un sistema de ventilación solar pasiva compuesto por un eje vertical que conecta el interior y el exterior de un edificio. A medida que la chimenea se calienta, el aire del interior se calienta y provoca una corriente ascendente que impulsa el aire a través del edificio. El rendimiento puede mejorarse mediante el uso de materiales de vidrio y masa térmica de una manera que imita a los invernaderos.
Los árboles y plantas de hoja caduca se han promovido como un medio para controlar la calefacción y la refrigeración solar. Cuando se plantan en el lado sur de un edificio en el hemisferio norte o en el lado norte en el hemisferio sur, sus hojas proporcionan sombra durante el verano, mientras que las ramas desnudas permiten que la luz pase durante el invierno. Como los árboles desnudos y sin hojas dan sombra de 1/3 a 1/2 de la radiación solar incidente, existe un equilibrio entre los beneficios del sombreado de verano y la correspondiente pérdida de calefacción en invierno. En climas con cargas de calefacción significativas, los árboles de hoja caduca no se deben plantar en el lado de un edificio que mira hacia Ecuador porque interferirán con la disponibilidad solar en invierno. Sin embargo, pueden usarse en los lados este y oeste para proporcionar un grado de sombreado de verano sin afectar apreciablemente la ganancia solar de invierno.
Cocina
Las cocinas solares usan la luz solar para cocinar, secar y pasteurizar. Se pueden agrupar en tres amplias categorías: cocinas de caja, cocinas de panel y cocinas reflectoras. La olla solar más simple es la olla de box construida por primera vez por Horace de Saussure en 1767. Una olla de caja básica consiste en un recipiente aislado con una tapa transparente. Se puede usar eficazmente con cielos parcialmente nublados y típicamente alcanzará temperaturas de 90-150 ° C (194-302 ° F). Las cocinas de panel usan un panel reflectante para dirigir la luz del sol sobre un contenedor aislado y alcanzar temperaturas comparables a las de la caja. Las cocinas con reflector usan varias geometrías de concentración (plato, artesa, espejos de Fresnel) para enfocar la luz en un recipiente para cocinar.
Calor de proceso
Las tecnologías de concentración solar, como la antena parabólica, la artesa y los reflectores Scheffler pueden proporcionar calor de proceso para aplicaciones comerciales e industriales. El primer sistema comercial fue Solar Total Energy Project (STEP) en Shenandoah, Georgia, EE. UU., Donde un campo de 114 platos parabólicos proporcionaron el 50% de los requisitos de calefacción, aire acondicionado y electricidad del proceso para una fábrica de ropa. Este sistema de cogeneración conectado a la red proporcionó 400 kW de electricidad más energía térmica en forma de 401 kW de vapor y 468 kW de agua fría, y tuvo una carga máxima de almacenamiento térmico de una hora. Los estanques de evaporación son piscinas poco profundas que concentran los sólidos disueltos por evaporación. El uso de estanques de evaporación para obtener sal del agua de mar es una de las aplicaciones más antiguas de la energía solar. Los usos modernos incluyen concentrar las soluciones de salmuera utilizadas en la extracción de lixiviación y eliminar los sólidos disueltos de las corrientes de desechos. Las líneas de ropa, los tendederos y los bastidores de ropa secan la ropa a través de la evaporación del viento y la luz solar sin consumir electricidad o gas. En algunos estados de los Estados Unidos, la legislación protege el vestuario "derecho a secarse". Los colectores transpirados no vidriados (UTC) son paredes perforadas orientadas al sol que se utilizan para precalentar el aire de ventilación. Los UTC pueden elevar la temperatura del aire entrante hasta 22 ° C (40 ° F) y ofrecer temperaturas de salida de 45-60 ° C (113-140 ° F). El corto período de amortización de los recolectores transpirados (de 3 a 12 años) los convierte en una alternativa más rentable que los sistemas de recolección vidriados. A partir de 2003, se instalaron más de 80 sistemas con un área combinada de colectores de 35,000 metros cuadrados (380,000 pies cuadrados) en todo el mundo,
Tratamiento de aguas
La destilación solar se puede usar para hacer que el agua salobre o salobre sea potable. La primera instancia registrada de esto fue por los alquimistas árabes del siglo XVI. Un proyecto de destilación solar a gran escala se construyó por primera vez en 1872 en el pueblo minero chileno de Las Salinas. La planta, que tenía un área de captación solar de 4.700 m (51.000 pies cuadrados), podría producir hasta 22.700 L (5.000 imp galones) y operar durante 40 años. Los diseños de imágenes individuales incluyen pendiente simple, doble pendiente (o tipo de efecto invernadero), vertical, cónica, absorbente invertido, multi-mecha y efecto múltiple. Estas imágenes fijas pueden operar en modo pasivo, activo o híbrido. Los alambiques de doble pendiente son los más económicos para fines domésticos descentralizados, mientras que las unidades de efectos múltiples activos son más adecuados para aplicaciones a gran escala.
La desinfección solar del agua (SODIS) involucra la exposición de botellas de tereftalato de polietileno (PET) de plástico lleno de agua a la luz solar durante varias horas. Los tiempos de exposición varían dependiendo del clima y clima de un mínimo de seis horas a dos días durante condiciones completamente nubladas. Es recomendado por la Organización Mundial de la Salud como un método viable para el tratamiento de agua en el hogar y el almacenamiento seguro. Más de dos millones de personas en los países en desarrollo usan este método para su agua potable diaria.
La energía solar se puede utilizar en un estanque de estabilización de agua para tratar las aguas residuales sin productos químicos o electricidad. Otra ventaja ambiental es que las algas crecen en esos estanques y consumen dióxido de carbono en la fotosíntesis, aunque las algas pueden producir sustancias químicas tóxicas que hacen que el agua no se pueda utilizar.
Tecnología de sal fundida
sal fundida puede ser empleado como un método de almacenamiento de energía térmica para conservar la energía térmica recogida por una torre solar o colector solar de una planta de energía solar concentrada, de modo que pueda ser utilizado para generar electricidad con mal tiempo o por la noche. Se demostró en el proyecto Solar Two de 1995-1999. Se predice que el sistema tendrá una eficiencia anual del 99%, una referencia a la energía retenida al almacenar calor antes de convertirlo en electricidad, en lugar de convertir el calor directamente en electricidad. Las mezclas de sales fundidas varían. La mezcla más extendida contiene nitrato de sodio, nitrato de potasio y nitrato de calcio. No es inflamable y no es tóxico, y ya se ha utilizado en las industrias química y de metales como fluido de transporte de calor, por lo que la experiencia con tales sistemas existe en aplicaciones no solares.
La sal se derrite a 131 ° C (268 ° F). Se mantiene líquido a 288 ° C (550 ° F) en un tanque de almacenamiento "frío" aislado. La sal líquida se bombea a través de paneles en un colector solar donde el sol enfocado lo calienta a 566 ° C (1.051 ° F). Luego se envía a un tanque de almacenamiento caliente. Esto está tan bien aislado que la energía térmica puede almacenarse útilmente hasta por una semana.
Cuando se necesita electricidad, la sal caliente se bombea a un generador de vapor convencional para producir vapor sobrecalentado para una turbina / generador tal como se usa en cualquier planta convencional de carbón, petróleo o energía nuclear. Una turbina de 100 megavatios necesitaría un tanque de unos 9.1 metros (30 pies) de alto y 24 metros (79 pies) de diámetro para conducirlo durante cuatro horas con este diseño.
Varias plantas de energía cilindroparabólica en España y el desarrollador de torre de energía solar SolarReserve utilizan este concepto de almacenamiento de energía térmica. La estación de generación de Solana en los EE. UU. Tiene seis horas de almacenamiento en sal fundida. La planta María Elena es un complejo termosolar de 400 MW en la región norteña de Chile de Antofagasta que emplea tecnología de sal fundida.
La producción de electricidad
La energía solar es la conversión de la luz solar en electricidad, ya sea directamente usando energía fotovoltaica (PV) o indirectamente usando energía solar concentrada (CSP). Los sistemas CSP usan lentes o espejos y sistemas de seguimiento para enfocar una gran área de luz solar en una pequeña viga. PV convierte la luz en corriente eléctrica utilizando el efecto fotoeléctrico.
Se prevé que la energía solar se convierta en la fuente de electricidad más grande del mundo para el año 2050, con energía solar fotovoltaica y solar concentrada que aportará 16 y 11 por ciento al consumo total mundial, respectivamente. En 2016, después de otro año de rápido crecimiento, la energía solar generó el 1.3% de la potencia global.
Las plantas de energía solar concentrada comercial se desarrollaron por primera vez en la década de 1980. La Instalación de Energía Solar Ivanpah de 392 MW, en el desierto de Mojave en California, es la planta de energía solar más grande del mundo. Otras grandes plantas de energía solar concentrada incluyen la central solar Solnova de 150 MW y la central solar Andasol de 100 MW, ambas en España. El Proyecto Solar Agua Caliente de 250 MW, en los Estados Unidos, y el Parque Solar Charanka de 221 MW en India, son las plantas fotovoltaicas más grandes del mundo. Se están desarrollando proyectos solares de más de 1 GW, pero la mayoría de los paneles fotovoltaicos desplegados se encuentran en pequeños arreglos en la azotea de menos de 5 kW, que están conectados a la red mediante medición neta y / o una tarifa de alimentación.
Fotovoltaica
En las últimas dos décadas, la energía fotovoltaica (PV), también conocida como energía solar fotovoltaica, ha evolucionado desde un nicho de mercado puro de aplicaciones a pequeña escala hasta convertirse en una fuente principal de electricidad. Una célula solar es un dispositivo que convierte la luz directamente en electricidad mediante el efecto fotoeléctrico. La primera célula solar fue construida por Charles Fritts en la década de 1880. En 1931, un ingeniero alemán, el Dr. Bruno Lange, desarrolló una fotocélula utilizando seleniina de plata con óxido de cobre. Aunque el prototipo de las células de selenio convirtió menos del 1% de la luz incidente en electricidad, tanto Ernst Werner von Siemens como James Clerk Maxwell reconocieron la importancia de este descubrimiento. Siguiendo el trabajo de Russell Ohl en la década de 1940, los investigadores Gerald Pearson, Calvin Fuller y Daryl Chapin crearon la célula solar de silicio cristalino en 1954. Estas células solares tempranas cuestan 286 USD / watt y alcanzan eficiencias de 4.5-6%. En 2012, las eficiencias disponibles superaron el 20% y la eficacia máxima de la investigación fotovoltaica superó el 40%.
Energía solar concentrada
Los sistemas de concentración de energía solar (CSP) utilizan lentes o espejos y sistemas de seguimiento para enfocar una gran área de luz solar en un rayo pequeño. El calor concentrado se usa luego como fuente de calor para una planta de energía convencional. Existe una amplia gama de tecnologías de concentración; las más desarrolladas son la artesa parabólica, el reflector fresnel lineal concentrador, el plato Stirling y la torre de energía solar. Se usan varias técnicas para rastrear el Sol y enfocar la luz. En todos estos sistemas, un fluido de trabajo es calentado por la luz solar concentrada, y luego se utiliza para la generación de energía o el almacenamiento de energía.
Arquitectura y planificación urbana
La luz del sol ha influido en el diseño de edificios desde el comienzo de la historia de la arquitectura. Los griegos y los chinos emplearon por primera vez la arquitectura solar avanzada y los métodos de planificación urbana, que orientaron sus edificios hacia el sur para proporcionar luz y calor.
Las características comunes de la arquitectura solar pasiva son la orientación relativa al Sol, la proporción compacta (una baja relación superficie / volumen), el sombreado selectivo (salientes) y la masa térmica. Cuando estas características se adaptan al clima y el entorno local, pueden producir espacios bien iluminados que se mantienen en un rango de temperatura confortable. La casa Megaron de Socrates es un ejemplo clásico de diseño solar pasivo. Los enfoques más recientes del diseño solar utilizan modelos informáticos que unen los sistemas de iluminación solar, calefacción y ventilación en un paquete de diseño solar integrado. Los equipos solares activos como bombas, ventiladores y ventanas intercambiables pueden complementar el diseño pasivo y mejorar el rendimiento del sistema.
Las islas de calor urbano (UHI) son áreas metropolitanas con temperaturas más altas que las del entorno circundante. Las temperaturas más altas son el resultado de una mayor absorción de energía solar por parte de materiales urbanos como el asfalto y el hormigón, que tienen albedos más bajos y capacidades caloríficas más altas que las del entorno natural. Un método sencillo para contrarrestar el efecto UHI es pintar edificios y caminos blancos, y plantar árboles en el área. Usando estos métodos, un hipotético programa de "comunidades frías" en Los Ángeles ha proyectado que las temperaturas urbanas podrían reducirse en aproximadamente 3 ° C a un costo estimado de US $ 1,000 millones, dando beneficios anuales totales estimados de US $ 530 millones a partir de aire acondicionado reducido costos y ahorros de atención médica.
Agricultura y horticultura
La agricultura y la horticultura buscan optimizar la captura de energía solar para optimizar la productividad de las plantas. Las técnicas tales como los ciclos de siembra programados, la orientación de hileras a medida, las alturas escalonadas entre hileras y la mezcla de variedades de plantas pueden mejorar los rendimientos de los cultivos. Mientras que la luz del sol generalmente se considera un recurso abundante, las excepciones resaltan la importancia de la energía solar para la agricultura. Durante las cortas temporadas de crecimiento de la Pequeña Edad de Hielo, los agricultores franceses e ingleses utilizaron paredes de frutas para maximizar la recolección de energía solar. Estas paredes actuaban como masas térmicas y maduración acelerada al mantener las plantas calientes. Las primeras paredes de la fruta se construyeron perpendicularmente al suelo y orientadas al sur, pero con el tiempo se desarrollaron paredes inclinadas para aprovechar mejor la luz solar. En 1699, Nicolas Fatio de Duillier incluso sugirió usar un mecanismo de seguimiento que podría pivotar para seguir al Sol. Las aplicaciones de la energía solar en la agricultura, además de los cultivos en crecimiento, incluyen el bombeo de agua, el secado de cultivos, el cría de pollitos y el secado de estiércol de pollo. Más recientemente, la tecnología ha sido adoptada por los viticultores, que utilizan la energía generada por los paneles solares para impulsar las prensas de uva.
Los invernaderos convierten la luz solar en calor, lo que permite la producción durante todo el año y el crecimiento (en entornos cerrados) de cultivos especializados y otras plantas que no se adaptan naturalmente al clima local. Invernaderos primitivos fueron utilizados por primera vez durante la época romana para producir pepinos durante todo el año para el emperador romano Tiberio. Los primeros invernaderos modernos se construyeron en Europa en el siglo XVI para mantener las plantas exóticas traídas de las exploraciones en el extranjero. Los invernaderos siguen siendo una parte importante de la horticultura en la actualidad, y los materiales transparentes de plástico también se han utilizado para lograr un efecto similar en policultivos y cubiertas de hileras.
Transporte
El desarrollo de un automóvil con energía solar ha sido un objetivo de ingeniería desde la década de 1980. El World Solar Challenge es una carrera bianual impulsada por energía solar, donde equipos de universidades y empresas compiten a lo largo de 3.021 kilómetros (1.877 millas) en el centro de Australia desde Darwin a Adelaide. En 1987, cuando se fundó, la velocidad promedio del ganador era de 67 kilómetros por hora (42 mph) y en 2007 la velocidad promedio del ganador había mejorado a 90.87 kilómetros por hora (56.46 mph). El North American Solar Challenge y el South African Solar Challenge planificado son competencias comparables que reflejan un interés internacional en la ingeniería y el desarrollo de vehículos con energía solar.
Algunos vehículos usan paneles solares para energía auxiliar, como el aire acondicionado, para mantener el interior fresco, lo que reduce el consumo de combustible.
En 1975, se construyó el primer barco solar práctico en Inglaterra. En 1995, comenzaron a aparecer barcos de pasajeros que incorporaban paneles fotovoltaicos y ahora se usan ampliamente. En 1996, Kenichi Horie realizó el primer cruce con energía solar del Océano Pacífico, y el catamarán Sun21 realizó el primer cruce con energía solar del Océano Atlántico en el invierno de 2006-2007. Hubo planes para circunnavegar el globo en 2010.
En 1974, el avión no tripulado AstroFlight Sunrise realizó el primer vuelo solar. El 29 de abril de 1979, el Solar Riser realizó el primer vuelo en una máquina voladora portadora de energía solar, totalmente controlada, que alcanzaba una altura de 40 pies (12 m). En 1980, el Gossamer Penguin realizó los primeros vuelos piloteados exclusivamente con energía fotovoltaica. Esto fue seguido rápidamente por el Solar Challenger que cruzó el Canal de la Mancha en julio de 1981. En 1990 Eric Scott Raymond en 21 saltos voló de California a Carolina del Norte utilizando energía solar. Los desarrollos luego se volvieron a los vehículos aéreos no tripulados (UAV) con el Pathfinder (1997) y los diseños posteriores, que culminaron en el Helios que estableció el récord de altitud para una aeronave no propulsada por cohete a 29,524 metros (96,864 pies) en 2001. El Zephyr , desarrollado por BAE Systems, es el más reciente en una línea de aeronaves solares récord, realizando un vuelo de 54 horas en 2007, y se previeron vuelos de un mes para 2010. A partir de 2016, Solar Impulse, un avión eléctrico, actualmente está circunnavegando el mundo. Es un avión de un solo asiento impulsado por células solares y capaz de despegar por su propia potencia. El diseño permite que la aeronave permanezca en el aire durante varios días.
Un globo solar es un globo negro que se llena con aire ordinario. A medida que la luz del sol brilla sobre el globo, el aire interior se calienta y se expande, provocando una fuerza de flotación hacia arriba, muy similar a un globo de aire caliente calentado artificialmente. Algunos globos solares son lo suficientemente grandes como para volar en humanos, pero el uso generalmente se limita al mercado de juguetes ya que la relación superficie-área a peso-carga es relativamente alta.
Producción de combustible
Los procesos químicos solares usan energía solar para generar reacciones químicas. Estos procesos compensan la energía que de otro modo vendría de una fuente de combustible fósil y también pueden convertir la energía solar en combustibles almacenables y transportables. Las reacciones químicas inducidas por el sol pueden dividirse en termoquímicas o fotoquímicas. Una variedad de combustibles puede ser producida por la fotosíntesis artificial. La química catalítica multielectrón involucrada en la fabricación de combustibles a base de carbono (como el metanol) a partir de la reducción del dióxido de carbono es un desafío; una alternativa factible es la producción de hidrógeno a partir de protones, aunque el uso de agua como fuente de electrones (como lo hacen las plantas) requiere dominar la oxidación multielectrón de dos moléculas de agua a oxígeno molecular. Algunos han previsto plantas de combustible solar en funcionamiento en las áreas metropolitanas costeras para 2050: la división del agua de mar que suministra hidrógeno a través de plantas de energía eléctrica adyacentes y el subproducto de agua pura que va directamente al sistema de agua municipal. Otra visión involucra a todas las estructuras humanas que cubren la superficie de la tierra (es decir, carreteras, vehículos y edificios) haciendo la fotosíntesis de manera más eficiente que las plantas.
Las tecnologías de producción de hidrógeno han sido un área importante de investigación química solar desde la década de 1970. Además de la electrólisis impulsada por células fotovoltaicas o fotoquímicas, también se han explorado varios procesos termoquímicos. Una de estas rutas utiliza concentradores para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno a altas temperaturas (2.300-2.600 ° C o 4.200 a 4.700 ° F). Otro enfoque utiliza el calor de los concentradores solares para impulsar la reforma del vapor de gas natural, aumentando de ese modo el rendimiento total de hidrógeno en comparación con los métodos de reforma convencionales. Los ciclos termoquímicos caracterizados por la descomposición y regeneración de los reactivos presentan otra vía para la producción de hidrógeno. El proceso Solzinc en desarrollo en el Instituto Weizmann de Ciencias utiliza un horno solar de 1 MW para descomponer el óxido de zinc (ZnO) a temperaturas superiores a 1.200 ° C (2, 200 ° F). Esta reacción inicial produce zinc puro, que posteriormente puede reaccionar con agua para producir hidrógeno.
Métodos de almacenamiento de energía
Los sistemas de masa térmica pueden almacenar energía solar en forma de calor a temperaturas domésticas útiles para duraciones diarias o entre estaciones. Los sistemas de almacenamiento térmico generalmente utilizan materiales fácilmente disponibles con altas capacidades de calor específico, como agua, tierra y piedra. Los sistemas bien diseñados pueden reducir la demanda pico, cambiar el tiempo de uso a horas de menor actividad y reducir los requisitos generales de calefacción y refrigeración.
Los materiales de cambio de fase como la cera de parafina y la sal de Glauber son otro medio de almacenamiento térmico. Estos materiales son económicos, fácilmente disponibles y pueden proporcionar temperaturas domésticas útiles (aproximadamente 64 ° C o 147 ° F). La "Dover House" (en Dover, Massachusetts) fue la primera en utilizar un sistema de calentamiento de sal de Glauber en 1948. La energía solar también se puede almacenar a altas temperaturas utilizando sales fundidas. Las sales son un medio de almacenamiento efectivo porque son de bajo costo, tienen una capacidad de calor específica alta y pueden suministrar calor a temperaturas compatibles con los sistemas de energía convencionales. El proyecto Solar Two utilizó este método de almacenamiento de energía, lo que le permitió almacenar 1,44 terajulios (400,000 kWh) en su tanque de almacenamiento de 68 m³ con una eficiencia de almacenamiento anual de aproximadamente 99%.
Los sistemas fotovoltaicos fuera de la red han utilizado tradicionalmente baterías recargables para almacenar el exceso de electricidad. Con los sistemas conectados a la red, el exceso de electricidad puede enviarse a la red de transmisión, mientras que la electricidad de la red estándar se puede utilizar para cubrir las deficiencias. Los programas de medición neta otorgan a los sistemas domésticos un crédito por la electricidad que entregan a la red. Esto se maneja "retrocediendo" el medidor cada vez que el hogar produce más electricidad de la que consume. Si el uso neto de electricidad es inferior a cero, la empresa de servicios transfiere el crédito de kilovatios-hora al mes siguiente. Otros enfoques implican el uso de dos metros, para medir la electricidad consumida frente a la electricidad producida. Esto es menos común debido al mayor costo de instalación del segundo medidor. La mayoría de los medidores estándar miden con precisión en ambas direcciones, haciendo innecesario un segundo medidor.
La hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo almacena energía en forma de agua bombeada cuando hay energía disponible desde un embalse de menor elevación a uno de mayor elevación. La energía se recupera cuando la demanda es alta al liberar el agua, y la bomba se convierte en un generador de energía hidroeléctrica.
Desarrollo, despliegue y economía
Comenzando con el aumento en el uso de carbón que acompañó a la Revolución Industrial, el consumo de energía ha cambiado constantemente de la madera y la biomasa a los combustibles fósiles. El desarrollo inicial de las tecnologías solares a partir de la década de 1860 fue impulsado por la expectativa de que el carbón pronto sería escaso. Sin embargo, el desarrollo de las tecnologías solares se estancó a principios del siglo XX frente a la creciente disponibilidad, economía y utilidad del carbón y el petróleo.
El embargo petrolero de 1973 y la crisis energética de 1979 provocaron una reorganización de las políticas energéticas en todo el mundo y volvieron a prestar atención al desarrollo de las tecnologías solares. Las estrategias de implementación se centraron en programas de incentivos como el Programa Federal de Utilización de Fotovoltaica en los Estados Unidos y el Programa Sunshine en Japón. Otros esfuerzos incluyeron la formación de instalaciones de investigación en los EE. UU. (SERI, ahora NREL), Japón (NEDO) y Alemania (Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar ISE).
Los calentadores de agua solares comerciales comenzaron a aparecer en los Estados Unidos en la década de 1890. Estos sistemas vieron un uso creciente hasta la década de 1920, pero fueron reemplazados gradualmente por combustibles de calefacción más baratos y más confiables. Al igual que con la energía fotovoltaica, el calentamiento solar de agua atrajo una renovada atención como resultado de la crisis del petróleo en la década de 1970, pero el interés disminuyó en la década de 1980 debido a la caída de los precios del petróleo. El desarrollo en el sector de calentamiento de agua solar progresó constantemente durante la década de 1990 y las tasas de crecimiento anual han promediado 20% desde 1999. Aunque generalmente se subestima, la calefacción solar de agua y refrigeración es con mucho la tecnología solar más ampliamente desplegada con una capacidad estimada de 154 GW a partir de 1999. 2007.
La Agencia Internacional de la Energía ha dicho que la energía solar puede hacer considerables contribuciones para resolver algunos de los problemas más urgentes que enfrenta el mundo:
En 2011, un informe de la Agencia Internacional de Energía descubrió que las tecnologías de energía solar como la energía fotovoltaica, solar y la energía solar concentrada podrían proporcionar un tercio de la energía mundial para 2060 si los políticos se comprometen a limitar el cambio climático. La energía del sol podría desempeñar un papel clave en la descorporeización de la economía global junto con las mejoras en la eficiencia energética y la imposición de costos a los emisores de gases de efecto invernadero. "La fuerza de la energía solar es la increíble variedad y flexibilidad de las aplicaciones, desde pequeña escala hasta gran escala".
Estándares ISO
La Organización Internacional de Normalización ha establecido varias normas relacionadas con los equipos de energía solar. Por ejemplo, ISO 9050 se refiere al vidrio en la construcción, mientras que ISO 10217 se refiere a los materiales utilizados en los calentadores de agua solares.