La energía solar es la luz radiante y el calor del Sol que se aprovecha mediante una variedad de tecnologías, como la energía solar para generar electricidad , la energía solar térmica (incluido el calentamiento solar de agua ) y la arquitectura solar . [1] [2] [3] Es una fuente esencial de energía renovable y sus tecnologías se caracterizan ampliamente como solares pasivas o solares activas dependiendo de cómo capturen y distribuyan la energía solar o la conviertan en energía solar. Las técnicas solares activas incluyen el uso de sistemas fotovoltaicos , energía solar concentrada y calentamiento solar de agua para aprovechar la energía. Las técnicas solares pasivas incluyen orientar un edificio hacia el Sol, seleccionar materiales con masa térmica favorable o propiedades de dispersión de luz y diseñar espacios que circulen el aire de forma natural .
En 2011, la Agencia Internacional de Energía afirmó que "el desarrollo de tecnologías de energía solar asequibles, inagotables y limpias tendrá enormes beneficios a largo plazo. Aumentará la seguridad energética de los países al depender de un recurso autóctono, inagotable y en gran medida independiente de las importaciones, mejorará la sostenibilidad , reducirá la contaminación , disminuirá los costos de mitigación del calentamiento global ... estas ventajas son globales". [1] [4]
La Tierra recibe 174 petavatios (PW) de radiación solar entrante ( insolación ) en la atmósfera superior . [6] Aproximadamente el 30% se refleja de vuelta al espacio mientras que el resto, 122 PW, es absorbido por las nubes, los océanos y las masas terrestres. El espectro de la luz solar en la superficie de la Tierra se distribuye principalmente en los rangos visible e infrarrojo cercano con una pequeña parte en el ultravioleta cercano . [7] La mayor parte de la población mundial vive en áreas con niveles de insolación de 150-300 vatios/m 2 , o 3,5-7,0 kWh /m 2 por día. [8]
La radiación solar es absorbida por la superficie terrestre, los océanos –que cubren alrededor del 71% del globo– y la atmósfera. El aire cálido que contiene agua evaporada de los océanos asciende, provocando la circulación atmosférica o convección . Cuando el aire alcanza una gran altitud, donde la temperatura es baja, el vapor de agua se condensa en nubes, que llueven 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 . [9] La luz solar absorbida por los océanos y las masas terrestres mantiene la superficie a una temperatura media de 14 °C. [10] Mediante la fotosíntesis , las plantas verdes convierten la energía solar en energía almacenada químicamente, que produce alimentos, madera y la biomasa de la que se derivan los combustibles fósiles . [11]
La energía solar total absorbida por la atmósfera, los océanos y las masas terrestres de la Tierra es de aproximadamente 122 PW·año = 3.850.000 exajulios (EJ) por año. [12] En 2002 (2019), esto fue más energía en una hora (una hora y 25 minutos) de la que el mundo utilizó en un año. [13] [14] La fotosíntesis captura aproximadamente 3.000 EJ por año en biomasa. [15]
La energía solar potencial que podrían utilizar los seres humanos difiere de la cantidad de energía solar presente cerca de la superficie del planeta porque factores como la geografía, la variación horaria, la cobertura de nubes y la tierra disponible para los seres humanos limitan la cantidad de energía solar que podemos adquirir. En 2021, Carbon Tracker Initiative estimó que la superficie terrestre necesaria para generar toda nuestra energía a partir de energía solar únicamente era de 450.000 km2 , o aproximadamente la misma superficie que la de Suecia , la de Marruecos o la de California (el 0,3 % de la superficie terrestre total de la Tierra). [20]
Las tecnologías solares se clasifican como pasivas o activas según la forma en que captan, convierten y distribuyen la luz solar y permiten aprovechar la energía solar en diferentes niveles en todo el mundo, en función principalmente de la distancia al ecuador. Aunque la energía solar se refiere principalmente al uso de la radiación solar con fines prácticos, todos los tipos de energía renovable, excepto la energía geotérmica y la energía maremotriz , se derivan directa o indirectamente del sol.
Las técnicas solares activas utilizan energía fotovoltaica, energía solar concentrada , colectores solares térmicos , bombas y ventiladores para convertir la luz solar en energía útil. Las técnicas solares pasivas incluyen la selección de materiales con propiedades térmicas favorables, el diseño de espacios que hacen circular el aire de forma natural y la referencia [ aclaración necesaria ] a la posición de un edificio respecto del 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. [21]
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 Energía publicaron una estimación de la energía solar potencial que los seres humanos podrían utilizar cada año. En ella se tuvieron en cuenta factores como la insolación, la cobertura de nubes y la tierra utilizable por los seres humanos. Se afirmó que la energía solar tiene un potencial global de 1.600 a 49.800 exajulios (4,4 × 10 14 a 1,4 × 10 16 kWh) al año (véase la tabla siguiente) . [22]
Las tecnologías solares térmicas se pueden utilizar para calentar agua, calentar espacios, enfriar espacios y generar calor para procesos. [23]
En 1878, en la Exposición Universal de París, Augustin Mouchot demostró con éxito una máquina de vapor solar, pero no pudo continuar con el desarrollo debido al barato carbón y otros factores.
En 1897, Frank Shuman , inventor, ingeniero y pionero de la energía solar de Estados Unidos, construyó un pequeño motor solar de demostración que funcionaba reflejando la energía solar sobre cajas cuadradas llenas de éter, que tiene un punto de ebullición más bajo que el agua y que estaban equipadas internamente con tubos negros que a su vez impulsaban una máquina de vapor. En 1908, Shuman formó la 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 , [24] desarrolló un sistema mejorado que utiliza espejos para reflejar la energía solar sobre las cajas colectoras, aumentando la capacidad de calentamiento hasta el punto de que ahora se podía utilizar agua en lugar de éter. Shuman luego construyó una máquina de vapor a escala real impulsada por agua a baja presión, lo que le permitió patentar todo el sistema de motor solar en 1912.
Shuman construyó la primera central solar térmica del mundo en Maadi , Egipto , entre 1912 y 1913. Su planta utilizaba colectores parabólicos para alimentar un motor de 45-52 kilovatios (60-70 hp ) que bombeaba más de 22.000 litros (4.800 imp gal; 5.800 US gal) de agua por minuto desde el río Nilo hasta 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 resucitaron en la década de 1970 con una nueva ola de interés en la energía solar térmica. [25] En 1916, Shuman fue citado en los medios abogando por la utilización de la energía solar, diciendo:
Hemos demostrado el beneficio comercial de la energía solar en los trópicos y, más particularmente, hemos demostrado que, una vez agotadas nuestras reservas de petróleo y carbón, la raza humana podrá recibir energía ilimitada de los rayos del sol.
— Frank Shuman, New York Times, 2 de julio de 1916 [26]
Los sistemas de agua caliente solar utilizan la luz solar para calentar el agua. En latitudes geográficas medias (entre 40 grados norte y 40 grados sur), entre el 60 y el 70% del agua caliente sanitaria que se utiliza, con temperaturas de hasta 60 °C (140 °F), se puede obtener mediante sistemas de calefacción solar. [27] Los tipos más comunes de calentadores solares de agua son los colectores de tubos de vacío (44%) y los colectores de placa plana vidriada (34%) que se utilizan generalmente para agua caliente sanitaria; y los colectores de plástico no vidriados (21%) que se utilizan principalmente para calentar piscinas. [28]
En 2015, la capacidad instalada total de sistemas de agua caliente solar era de aproximadamente 436 gigavatios térmicos (GW th ), y China es el líder mundial en su implementación con 309 GW th instalados, que ocupan el 71% del mercado. [29] Israel y Chipre son los líderes per cápita en el uso de sistemas de agua caliente solar con más del 90% de los hogares que los utilizan. [30] En los Estados Unidos, Canadá y Australia, calentar piscinas es la aplicación dominante de agua caliente solar con una capacidad instalada de 18 GW th en 2005. [21]
En 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. [31] [32] Las tecnologías de calefacción, refrigeración y ventilación solares se pueden utilizar para compensar una parte de esta energía. El uso de energía solar para calefacción se puede dividir aproximadamente en conceptos solares pasivos y conceptos solares activos , dependiendo de si se utilizan elementos activos como el seguimiento solar y la óptica de concentración solar.
La masa térmica es cualquier material que se pueda utilizar para almacenar calor (el calor del sol, en el caso de la energía solar). Los materiales de masa térmica más comunes son la piedra, el cemento y el agua. Históricamente, se han utilizado en climas áridos o regiones templadas cálidas para mantener frescos los edificios mediante la absorción de energía solar durante el día y la radiación del calor almacenado a la atmósfera más fría durante la noche. Sin embargo, también se pueden utilizar en zonas templadas frías para mantener el calor. El tamaño y la ubicación de la masa térmica dependen de varios factores, como el clima, la luz natural y las condiciones de sombra. Cuando se incorpora debidamente, la masa térmica mantiene las temperaturas del espacio en un rango confortable y reduce la necesidad de equipos auxiliares de calefacción y refrigeración. [33]
Una chimenea solar (o chimenea térmica, en este contexto) es un sistema pasivo de ventilación solar compuesto por un conducto vertical que conecta el interior y el exterior de un edificio. A medida que la chimenea se calienta, el aire del interior se calienta, lo que provoca una corriente ascendente que hace circular el aire por el edificio. El rendimiento se puede mejorar utilizando vidrios y materiales de masa térmica [34] de forma que imite a los invernaderos.
Los árboles y plantas de hoja caduca se han promovido como un medio para controlar la calefacción y 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 el paso de la luz durante el invierno. [35] Dado que los árboles desnudos y sin hojas dan sombra entre 1/3 y 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. [36] En climas con cargas de calefacción significativas, los árboles de hoja caduca no deben plantarse en el lado de un edificio que mira al ecuador porque interferirán con la disponibilidad solar en invierno. Sin embargo, se pueden utilizar en los lados este y oeste para proporcionar un grado de sombreado en verano sin afectar apreciablemente la ganancia solar en invierno . [37]
Las cocinas solares utilizan la luz solar para cocinar, secar y pasteurizar . Se pueden agrupar en tres grandes categorías: cocinas de caja, cocinas de panel y cocinas reflectoras. [38] La cocina solar más simple es la cocina de caja construida por primera vez por Horace de Saussure en 1767. [39] Una cocina de caja básica consiste en un recipiente aislado con una tapa transparente. Se puede utilizar de manera efectiva con cielos parcialmente nublados y normalmente alcanzará temperaturas de 90 a 150 °C (194 a 302 °F). [40] Las cocinas de panel utilizan un panel reflectante para dirigir la luz solar sobre un recipiente aislado y alcanzar temperaturas comparables a las de las cocinas de caja. Las cocinas reflectoras utilizan varias geometrías de concentración (plato, canal, espejos de Fresnel) para enfocar la luz en un recipiente de cocción. Estas cocinas alcanzan temperaturas de 315 °C (599 °F) y más, pero requieren luz directa para funcionar correctamente y deben reposicionarse para seguir el sol. [41]
Las tecnologías de concentración solar, como los reflectores parabólicos, de canal y de Scheffler, pueden proporcionar calor de proceso para aplicaciones comerciales e industriales. El primer sistema comercial fue el Proyecto de Energía Solar Total (STEP) en Shenandoah, Georgia, EE. UU., donde un campo de 114 platos parabólicos proporcionó el 50% de los requisitos de calefacción, aire acondicionado y electricidad de 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 tenía un almacenamiento térmico de carga máxima de una hora. [42] Los estanques de evaporación son piscinas poco profundas que concentran sólidos disueltos a través de la 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 la concentración de soluciones de salmuera utilizadas en la minería de lixiviación y la eliminación de sólidos disueltos de las corrientes de desechos. [43]
Los tendederos , tendederos y percheros secan la ropa mediante la evaporación por el viento y la luz solar sin consumir electricidad ni gas. En algunos estados de los Estados Unidos la legislación protege el "derecho a secar" la ropa. [44] 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 proporcionar temperaturas de salida de 45–60 °C (113–140 °F). [45] El corto período de recuperación de la inversión de los colectores transpirados (de 3 a 12 años) los convierte en una alternativa más rentable que los sistemas de recolección vidriados. [45] En 2003, se habían instalado en todo el mundo más de 80 sistemas con una superficie colectora combinada de 35.000 metros cuadrados (380.000 pies cuadrados), incluido un colector de 860 m2 ( 9.300 pies cuadrados) en Costa Rica utilizado para secar granos de café y un colector de 1.300 m2 ( 14.000 pies cuadrados) en Coimbatore , India, utilizado para secar flores de caléndula. [46] [ necesita actualización ]
La destilación solar se puede utilizar para hacer potable el agua salina o salobre . El primer ejemplo registrado de esto fue por alquimistas árabes del siglo XVI. [47] Un proyecto de destilación solar a gran escala se construyó por primera vez en 1872 en la ciudad minera chilena de Las Salinas. [48] La planta, que tenía un área de recolección solar de 4.700 m2 ( 51.000 pies cuadrados), podía producir hasta 22.700 L (5.000 gal imp; 6.000 gal EE. UU.) por día y operar durante 40 años. [48] Los diseños de alambiques individuales incluyen de una sola pendiente, de doble pendiente (o tipo invernadero), verticales, cónicos, absorbentes invertidos, de mecha múltiple y de efecto múltiple. Estos alambiques 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 efecto múltiple activas son más adecuadas para aplicaciones a gran escala. [47]
La desinfección solar del agua (SODIS) implica exponer botellas de plástico de tereftalato de polietileno (PET) llenas de agua a la luz solar durante varias horas. [49] Los tiempos de exposición varían según el clima y el tiempo, desde un mínimo de seis horas hasta dos días en condiciones completamente nubladas. [50] La Organización Mundial de la Salud lo recomienda como un método viable para el tratamiento y almacenamiento seguro del agua en el hogar. [51] Más de dos millones de personas en países en desarrollo utilizan este método para su agua potable diaria. [50]
La energía solar puede utilizarse en un estanque de estabilización de agua para tratar las aguas residuales sin necesidad de productos químicos ni electricidad. Otra ventaja medioambiental es que en estos estanques crecen algas que consumen dióxido de carbono en la fotosíntesis, aunque pueden producir sustancias químicas tóxicas que inutilizan el agua. [52] [53]
La sal fundida se puede emplear como un método de almacenamiento de energía térmica para retener la energía térmica recogida por una torre solar o canal solar de una planta de energía solar concentrada para que pueda usarse para generar electricidad en mal tiempo o por la noche. Se demostró en el proyecto Solar Two de 1995 a 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 comparación con la conversión directa del calor en electricidad. [54] [55] [56] Las mezclas de sales fundidas varían. La mezcla más extendida contiene nitrato de sodio , nitrato de potasio y nitrato de calcio . No es inflamable ni tóxica, y ya se ha utilizado en las industrias química y metalúrgica como fluido de transporte de calor. Por lo tanto, existe experiencia con tales sistemas en aplicaciones no solares.
La sal se funde a 131 °C (268 °F) y se mantiene líquida 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 la irradiancia enfocada la calienta a 566 °C (1051 °F). Luego se envía a un tanque de almacenamiento caliente. Este está tan bien aislado que la energía térmica se puede almacenar de manera útil durante hasta una semana. [57]
Cuando se necesita electricidad, la sal caliente se bombea a un generador de vapor convencional para producir vapor sobrecalentado para una turbina/generador como los que se utilizan en cualquier planta de energía convencional a carbón, petróleo o nuclear. Una turbina de 100 megavatios necesitaría un tanque de aproximadamente 9,1 metros (30 pies) de alto y 24 metros (79 pies) de diámetro para hacerla funcionar durante cuatro horas con este diseño.
Varias plantas de energía de canal parabólico en España [58] y el desarrollador de torres de energía solar SolarReserve utilizan este concepto de almacenamiento de energía térmica. La estación generadora Solana en los EE. UU. Tiene seis horas de almacenamiento mediante sales fundidas. En Chile, la planta de energía Cerro Dominador tiene una torre solar térmica de 110 MW, el calor se transfiere a sales fundidas . [59] Las sales fundidas luego transfieren su calor en un intercambiador de calor al agua, generando vapor sobrecalentado, que alimenta una turbina que transforma la energía cinética del vapor en energía eléctrica utilizando el ciclo Rankine . [60] De esta manera, la planta Cerro Dominador es capaz de generar alrededor de 110 MW de potencia. [61] La planta tiene un sistema de almacenamiento avanzado que le permite generar electricidad hasta 17,5 horas sin radiación solar directa, lo que le permite proporcionar un suministro eléctrico estable sin interrupciones si es necesario. El proyecto aseguró la venta de hasta 950 GW·h por año. Otro proyecto es la planta María Elena [62] , un complejo termosolar de 400 MW en la región de Antofagasta, en el norte de Chile, que emplea tecnología de sales fundidas.
La energía solar , también conocida como electricidad solar, es la conversión de energía de la luz solar en electricidad , ya sea directamente mediante energía fotovoltaica (PV) o indirectamente mediante energía solar concentrada . Los paneles solares utilizan el efecto fotovoltaico para convertir la luz en una corriente eléctrica . [63] Los sistemas de energía solar concentrada utilizan lentes o espejos y sistemas de seguimiento solar para enfocar una gran área de luz solar a un punto caliente, a menudo para impulsar una turbina de vapor .
La energía fotovoltaica (FV) se utilizó inicialmente únicamente como fuente de electricidad para aplicaciones de tamaño pequeño y mediano, desde la calculadora alimentada por una sola célula solar hasta hogares remotos alimentados por un sistema fotovoltaico en el tejado fuera de la red . Las plantas de energía solar concentrada comerciales se desarrollaron por primera vez en la década de 1980. Desde entonces, a medida que el costo de los paneles solares ha disminuido, la capacidad y la producción de los sistemas solares fotovoltaicos conectados a la red se han duplicado aproximadamente cada tres años . Tres cuartas partes de la nueva capacidad de generación es solar, [64] y se siguen construyendo millones de instalaciones en tejados y centrales eléctricas fotovoltaicas a escala de gigavatios .
En 2023, la energía solar generó el 5,5% (1.631 TWh) de la electricidad mundial y más del 1% de la energía primaria , añadiendo el doble de electricidad nueva que el carbón. [65] [66] Junto con la energía eólica terrestre , la energía solar a escala de servicios públicos es la fuente con el coste nivelado de electricidad más barato para nuevas instalaciones en la mayoría de los países. [67] [68] En 2023, 33 países generaron más de una décima parte de su electricidad a partir de energía solar, y China representó más de la mitad del crecimiento solar. [69] Casi la mitad de la energía solar instalada en 2022 se montó en tejados . [70]
Se necesita mucha más energía baja en carbono para la electrificación y para limitar el cambio climático . [64] La Agencia Internacional de Energía dijo en 2022 que se necesitaba un mayor esfuerzo para la integración de la red y la mitigación de los desafíos de política, regulación y financiación. [71] No obstante, la energía solar puede reducir en gran medida el costo de la energía. [66]Los sistemas de energía solar de concentración (CSP) utilizan lentes o espejos y sistemas de seguimiento para enfocar una gran área de luz solar en un pequeño haz. Luego, el calor concentrado se utiliza como fuente de calor para una planta de energía convencional. Existe una amplia gama de tecnologías de concentración; las más desarrolladas son el canal parabólico, los colectores solares de torre, el reflector Fresnel lineal de concentración y el plato Stirling. Se utilizan varias técnicas para rastrear al Sol y enfocar la luz. En todos estos sistemas, un fluido de trabajo se calienta con la luz solar concentrada y luego se utiliza para la generación de energía o el almacenamiento de energía. [72] Los diseños deben tener en cuenta el riesgo de una tormenta de polvo , granizo u otro evento climático extremo que pueda dañar las superficies de vidrio fino de las plantas de energía solar. Las rejillas de metal permitirían que un alto porcentaje de la luz solar ingrese a los espejos y paneles solares y, al mismo tiempo, evitarían la mayoría de los daños.
La luz del sol ha influido en el diseño de edificios desde el comienzo de la historia de la arquitectura. [74] Los métodos avanzados de arquitectura solar y planificación urbana fueron empleados por primera vez por los griegos y los chinos , quienes orientaron sus edificios hacia el sur para proporcionar luz y calidez. [75]
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 (aleros) y la masa térmica . [74] Cuando estas características se adaptan al clima y al entorno local, pueden producir espacios bien iluminados que se mantienen en un rango de temperatura confortable. La Casa Megaron de Sócrates es un ejemplo clásico de diseño solar pasivo. [74] Los enfoques más recientes para el diseño solar utilizan modelos informáticos que unen los sistemas de iluminación solar , calefacción y ventilación en un paquete de diseño solar integrado . [76] Los equipos solares activos, como bombas, ventiladores y ventanas conmutables, pueden complementar el diseño pasivo y mejorar el rendimiento del sistema.
Las islas de calor urbanas (ICU) son áreas metropolitanas con temperaturas más altas que las del entorno circundante. Las temperaturas más altas son 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 térmicas más altas que los del entorno natural. Un método sencillo para contrarrestar el efecto ICU es pintar los edificios y las carreteras de blanco y plantar árboles en la zona. Utilizando estos métodos, un programa hipotético de "comunidades frescas" en Los Ángeles ha proyectado que las temperaturas urbanas podrían reducirse en aproximadamente 3 °C a un costo estimado de 1.000 millones de dólares, lo que daría unos beneficios anuales totales estimados de 530 millones de dólares por la reducción de los costos de aire acondicionado y ahorros en atención sanitaria. [77]
La agricultura y la horticultura buscan optimizar la captura de energía solar para optimizar la productividad de las plantas. Técnicas como ciclos de plantación cronometrados, orientación de hileras a medida, alturas escalonadas entre hileras y la mezcla de variedades de plantas pueden mejorar el rendimiento de los cultivos. [78] [79] [80] Si bien la luz solar 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 emplearon muros de frutas para maximizar la recolección de energía solar. Estos muros actuaron como masas térmicas y aceleraron la maduración al mantener las plantas calientes. Los primeros muros de frutas se construyeron perpendiculares al suelo y orientados al sur, pero con el tiempo, se desarrollaron muros inclinados para aprovechar mejor la luz solar. En 1699, Nicolas Fatio de Duillier incluso sugirió usar un mecanismo de seguimiento que pudiera pivotar para seguir al Sol . [81] Las aplicaciones de la energía solar en la agricultura además del cultivo de cultivos incluyen bombear agua, secar cultivos, criar polluelos y secar estiércol de pollo. [46] [82] Más recientemente, la tecnología ha sido adoptada por los viticultores , que utilizan la energía generada por paneles solares para alimentar prensas de uva. [83]
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 especiales y otras plantas que no se adaptan naturalmente al clima local. Los invernaderos primitivos se utilizaron por primera vez durante la época romana para producir pepinos durante todo el año para el emperador romano Tiberio . [84] Los primeros invernaderos modernos se construyeron en Europa en el siglo XVI para guardar plantas exóticas traídas de las exploraciones en el extranjero. [85] Los invernaderos siguen siendo una parte importante de la horticultura en la actualidad. También se han utilizado materiales plásticos transparentes con un efecto similar en los politúneles y las cubiertas de hileras .
El desarrollo de un coche alimentado con energía solar ha sido un objetivo de la ingeniería desde la década de 1980. El World Solar Challenge es una carrera de coches alimentados con energía solar que se celebra cada dos años, en la que equipos de universidades y empresas compiten a lo largo de 3.021 kilómetros (1.877 millas) a través del centro de Australia, desde Darwin hasta Adelaida . En 1987, cuando se fundó, la velocidad media del ganador era de 67 kilómetros por hora (42 mph) y en 2007 la velocidad media del ganador había mejorado a 90,87 kilómetros por hora (56,46 mph). [86] El North American Solar Challenge y el South African Solar Challenge , que está previsto que se celebren , son competiciones comparables que reflejan un interés internacional en la ingeniería y el desarrollo de vehículos alimentados con energía solar. [87] [88]
Algunos vehículos utilizan paneles solares para energía auxiliar, como para el aire acondicionado, para mantener el interior fresco, reduciendo así el consumo de combustible. [89] [90]
En 1975 se construyó en Inglaterra el primer barco solar funcional. [91] En 1995, empezaron a aparecer barcos de pasajeros con paneles fotovoltaicos, que ahora se utilizan ampliamente. [92] En 1996, Kenichi Horie realizó la primera travesía del océano Pacífico con energía solar, y el catamarán Sun21 realizó la primera travesía del océano Atlántico con energía solar en el invierno de 2006-2007. [93] Había planes para circunnavegar el mundo en 2010. [94]
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 con energía solar, totalmente controlada y con capacidad para transportar personas, alcanzando una altitud de 40 pies (12 m). En 1980, el Gossamer Penguin realizó los primeros vuelos tripulados impulsados únicamente por energía fotovoltaica. A este le siguió rápidamente el Solar Challenger , que cruzó el Canal de la Mancha en julio de 1981. En 1990, Eric Scott Raymond voló en 21 vuelos desde California a Carolina del Norte utilizando energía solar. [95] Los desarrollos luego volvieron a los vehículos aéreos no tripulados (UAV) con el Pathfinder (1997) y diseños posteriores, culminando en el Helios que estableció el récord de altitud para una aeronave no propulsada por cohetes a 29,524 metros (96,864 pies) en 2001. [96] El Zephyr , desarrollado por BAE Systems , es el último de una línea de aeronaves solares que rompen récords, realizando un vuelo de 54 horas en 2007, y se imaginaron vuelos de un mes para 2010. [97] De marzo de 2015 a julio de 2016, Solar Impulse , una aeronave eléctrica , circunnavegó con éxito el globo. Es un avión monoplaza propulsado por células solares y capaz de despegar por sus propios medios. El diseño permite que la aeronave permanezca en el aire durante varios días. [98]
Un globo solar es un globo negro que se llena con aire normal. Cuando la luz del sol brilla sobre el globo, el aire en su interior se calienta y se expande, lo que provoca una fuerza de flotabilidad ascendente , muy similar a la de un globo aerostático calentado artificialmente . Algunos globos solares son lo suficientemente grandes para el vuelo humano, pero su uso se limita generalmente al mercado de los juguetes, ya que la relación entre la superficie y el peso de la carga útil es relativamente alta. [99]
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El Squad Solar es un vehículo eléctrico de barrio que tiene un techo solar y se puede enchufar a un tomacorriente normal de 120 voltios para cargarse. [100]
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Los procesos químicos solares utilizan la energía solar para impulsar reacciones químicas. Estos procesos compensan la energía que de otro modo provendría 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 se pueden dividir en termoquímicas o fotoquímicas . [101] Se puede producir una variedad de combustibles mediante la fotosíntesis artificial . [102] La química catalítica multielectrónica involucrada en la fabricación de combustibles basados en 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 del agua como fuente de electrones (como lo hacen las plantas) requiere dominar la oxidación multielectrónica de dos moléculas de agua a oxígeno molecular. [103] Algunos han previsto el funcionamiento de plantas de combustible solar en áreas metropolitanas costeras para 2050: la división del agua de mar que proporciona hidrógeno para que funcione en plantas de energía eléctrica de celdas de combustible adyacentes y el subproducto de agua pura vaya directamente al sistema de agua municipal. [104] Además, el almacenamiento de energía química es otra solución al almacenamiento de energía solar. [105]
Las tecnologías de producción de hidrógeno han sido un área importante de la 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 (2300–2600 °C o 4200–4700 °F). [106] Otro enfoque utiliza el calor de los concentradores solares para impulsar la reformación con vapor del gas natural, lo que aumenta el rendimiento general de hidrógeno en comparación con los métodos de reformación convencionales. [107] Los ciclos termoquímicos caracterizados por la descomposición y regeneración de reactivos presentan otra vía para la producción de hidrógeno. El proceso Solzinc en desarrollo en el Instituto de Ciencias Weizmann utiliza un horno solar de 1 MW para descomponer el óxido de zinc (ZnO) a temperaturas superiores a 1200 °C (2200 °F). Esta reacción inicial produce zinc puro, que posteriormente puede reaccionar con agua para producir hidrógeno. [108]
Los sistemas de almacenamiento térmico pueden almacenar energía solar en forma de calor a temperaturas útiles para uso doméstico durante períodos diarios o interestacionales . Los sistemas de almacenamiento térmico generalmente utilizan materiales fácilmente disponibles con capacidades térmicas específicas elevadas , como agua, tierra y piedra. Los sistemas bien diseñados pueden reducir la demanda máxima , trasladar el tiempo de uso a horas de menor demanda y reducir los requisitos generales de calefacción y refrigeración. [109] [110]
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, se consiguen fácilmente y pueden proporcionar temperaturas útiles para el hogar (aproximadamente 64 °C o 147 °F). La "Casa Dover" (en Dover, Massachusetts ) fue la primera en utilizar un sistema de calefacción con sal de Glauber, en 1948. [111] La energía solar también se puede almacenar a altas temperaturas utilizando sales fundidas . Las sales son un medio de almacenamiento eficaz porque son de bajo coste, tienen una alta capacidad calorífica específica y pueden proporcionar 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 m 3 con una eficiencia de almacenamiento anual de aproximadamente el 99%. [112]
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 se puede enviar a la red de transmisión , mientras que la electricidad de la red estándar se puede utilizar para cubrir los déficits. Los programas de medición neta otorgan a los sistemas domésticos crédito por cualquier electricidad que entreguen a la red. Esto se maneja "retrocediendo" el medidor cada vez que la casa produce más electricidad de la que consume. Si el uso neto de electricidad es inferior a cero, la empresa de servicios públicos transfiere el crédito por kilovatio-hora al mes siguiente. [113] Otros enfoques implican el uso de dos medidores, para medir la electricidad consumida frente a la electricidad producida. Esto es menos común debido al aumento del costo de instalación del segundo medidor. La mayoría de los medidores estándar miden con precisión en ambas direcciones, lo que hace innecesario un segundo medidor.
La energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo almacena la energía en forma de agua bombeada cuando hay energía disponible desde un embalse de menor altitud a uno de mayor altitud. La energía se recupera cuando la demanda es alta liberando el agua, y la bomba se convierte en un generador de energía hidroeléctrica. [114]
A partir del aumento del uso del carbón , que acompañó a la Revolución Industrial , el consumo de energía pasó de la madera y la biomasa a los combustibles fósiles . El desarrollo temprano de las tecnologías solares a partir de la década de 1860 estuvo impulsado por la expectativa de que el carbón pronto escasearía. 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 . [115]
El embargo petrolero de 1973 y la crisis energética de 1979 provocaron una reorganización de las políticas energéticas en todo el mundo y renovaron la atención hacia el desarrollo de tecnologías solares. [116] [117] Las estrategias de implementación se centraron en programas de incentivos como el Programa Federal de Utilización Fotovoltaica en los EE. UU. 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 ( Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE ). [118]
Los calentadores solares de agua comerciales comenzaron a aparecer en los Estados Unidos en la década de 1890. [119] Estos sistemas se utilizaron cada vez más hasta la década de 1920, pero gradualmente fueron reemplazados por combustibles para calefacción más baratos y confiables. [120] Al igual que con la energía fotovoltaica, el calentamiento solar de agua atrajo una renovada atención como resultado de las 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 del calentamiento solar de agua progresó de manera constante durante la década de 1990, y las tasas de crecimiento anual han promediado el 20% desde 1999. [121] Aunque generalmente se subestima, el calentamiento y enfriamiento solar de agua es, con mucho, la tecnología solar más ampliamente implementada, con una capacidad estimada de 154 GW en 2007. [121]
La Agencia Internacional de Energía ha afirmado que la energía solar puede hacer contribuciones considerables a la solución de algunos de los problemas más urgentes que enfrenta actualmente el mundo: [1]
El desarrollo de tecnologías de energía solar asequibles, inagotables y limpias tendrá enormes beneficios a largo plazo. Aumentará la seguridad energética de los países al depender de un recurso autóctono, inagotable y en gran medida independiente de las importaciones, mejorará la sostenibilidad, reducirá la contaminación, disminuirá los costos de mitigación del cambio climático y mantendrá los precios de los combustibles fósiles más bajos que de otro modo. Estas ventajas son globales. Por lo tanto, los costos adicionales de los incentivos para la implementación temprana deben considerarse inversiones de aprendizaje; deben gastarse sabiamente y deben compartirse ampliamente. [1]
En 2011, un informe de la Agencia Internacional de Energía concluyó que las tecnologías de energía solar, como la fotovoltaica, el agua caliente 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 y a realizar la transición a la energía renovable . La energía del sol podría desempeñar un papel clave en la descarbonización de la economía mundial junto con mejoras en la eficiencia energética y la imposición de costos a los emisores de gases de efecto invernadero . "La fortaleza de la energía solar es la increíble variedad y flexibilidad de aplicaciones, desde pequeña a gran escala". [122]
Hemos demostrado... que después de que se agoten nuestras reservas de petróleo y carbón, la raza humana puede recibir energía ilimitada de los rayos del sol.
— Frank Shuman , The New York Times , 2 de julio de 1916. [26]
En 2021, Lazard estimó que el costo nivelado de la nueva generación de energía solar a gran escala sin subsidios era inferior a 37 dólares por MWh y el de la energía a carbón existente era superior a esa cantidad. [123] [124] El informe de 2021 también decía que la nueva energía solar también era más barata que la nueva energía a gas, pero no la energía a gas en general existente. [124]
Los sistemas fotovoltaicos concentrados (CPV) utilizan la luz solar concentrada sobre superficies fotovoltaicas con el fin de generar electricidad. Los dispositivos termoeléctricos o "termovoltaicos" convierten una diferencia de temperatura entre materiales diferentes en una corriente eléctrica.
La energía solar flotante o fotovoltaica flotante (FPV), a veces llamada floatovoltaica, son paneles solares montados en una estructura que flota en un cuerpo de agua, típicamente un embalse o un lago como embalses de agua potable, lagos de canteras, canales de irrigación o estanques de remediación y relaves. [125] [126] [127] [128] [129]
Los sistemas pueden tener ventajas sobre la energía fotovoltaica (FV) en tierra. Las superficies de agua pueden ser menos costosas que el costo de la tierra, y hay menos reglas y regulaciones para las estructuras construidas en cuerpos de agua que no se utilizan para recreación. El análisis del ciclo de vida indica que el FPV basado en espuma [130] tiene algunos de los tiempos de recuperación de energía más cortos (1,3 años) y la relación más baja de emisiones de gases de efecto invernadero a energía (11 kg de CO 2 eq/MWh) en las tecnologías solares fotovoltaicas de silicio cristalino registradas. [131]
Los paneles flotantes pueden lograr una mayor eficiencia que los paneles fotovoltaicos en tierra porque el agua los enfría. Los paneles pueden tener un revestimiento especial para evitar la oxidación o la corrosión. [132]
El mercado de esta tecnología de energía renovable ha crecido rápidamente desde 2016. Las primeras 20 plantas con capacidades de unas pocas docenas de kWp se construyeron entre 2007 y 2013. [133] La potencia instalada creció de 3 GW en 2020 a 13 GW en 2022, [134] superando una predicción de 10 GW para 2025. [135] El Banco Mundial estimó que hay 6.600 grandes masas de agua aptas para la energía solar flotante, con una capacidad técnica de más de 4.000 GW si el 10% de sus superficies estuvieran cubiertas con paneles solares. [134]
Los costes de un sistema flotante son aproximadamente entre un 10 y un 20% más elevados que los de los sistemas montados en el suelo. [136] [137] [138] Según un investigador del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL), este aumento se debe principalmente a la necesidad de sistemas de anclaje para asegurar los paneles en el agua, lo que contribuye a que las instalaciones solares flotantes sean aproximadamente un 25% más caras que las de la tierra. [139]Una bomba de calor es un dispositivo que proporciona energía térmica desde una fuente de calor a un destino llamado "sumidero de calor". Las bombas de calor están diseñadas para mover energía térmica en dirección opuesta a la del flujo de calor espontáneo absorbiendo calor de un espacio frío y liberándolo a uno más cálido. Una bomba de calor asistida por energía solar representa la integración de una bomba de calor y paneles solares térmicos en un solo sistema integrado. Normalmente, estas dos tecnologías se utilizan por separado (o solo colocándolas en paralelo) para producir agua caliente . [140] En este sistema, el panel solar térmico realiza la función de fuente de calor de baja temperatura y el calor producido se utiliza para alimentar el evaporador de la bomba de calor. [141] El objetivo de este sistema es obtener un COP alto y luego producir energía de una manera más eficiente y menos costosa.
Es posible utilizar cualquier tipo de panel solar térmico (chapa y tubos, roll-bond, heat pipe, placas térmicas) o híbrido ( mono / policristalino , capa fina ) en combinación con la bomba de calor. El uso de un panel híbrido es preferible porque permite cubrir una parte de la demanda eléctrica de la bomba de calor y reduce el consumo eléctrico y en consecuencia los costes variables del sistema.
Un avión eléctrico es un avión que funciona con motores eléctricos en lugar de motores de combustión interna , y la electricidad proviene de pilas de combustible , células solares , ultracondensadores , transmisión de energía [ 142] o baterías .
En la actualidad, los aviones eléctricos tripulados son en su mayoría demostradores experimentales, aunque muchos vehículos aéreos no tripulados pequeños funcionan con baterías. Los aviones modelo propulsados eléctricamente se han utilizado desde la década de 1970, con un informe en 1957. [143] [144] Los primeros vuelos eléctricos con transporte de personas se realizaron en 1973. [145] Entre 2015 y 2016, un avión tripulado propulsado por energía solar, Solar Impulse 2 , completó una circunnavegación de la Tierra. [146]
Günter Rochelt fue el diseñador y constructor de Solair I, un avión solar de 16 m de envergadura... El 21 de agosto de 1983 voló en Solair I, principalmente con energía solar y también térmica, durante 5 horas y 41 minutos.
