La energía solar es luz radiante y 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] Es una fuente esencial de energía renovable , y sus tecnologías se caracterizan en términos generales como solar pasiva o solar activa dependiendo de cómo capturan y distribuyen la energía solar o la convierten 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 en los que el aire circule de forma natural .
En 2011, la Agencia Internacional de Energía dijo 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 su mayor parte independiente de las importaciones". , mejorar la sostenibilidad , reducir la contaminación , bajar los costes de mitigar el calentamiento global ....estas ventajas son globales". [1]
La Tierra recibe 174 petavatios (PW) de radiación solar entrante ( insolación ) en la atmósfera superior . [4] Aproximadamente el 30% se refleja de regreso 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 . [5] La mayor parte de la población mundial vive en áreas con niveles de insolación de 150 a 300 vatios/m 2 , o 3,5 a 7,0 kWh /m 2 por día. [6]
La radiación solar es absorbida por la superficie terrestre, los océanos (que cubren aproximadamente el 71% del planeta) y la atmósfera. El aire caliente que contiene agua evaporada de los océanos se eleva, provocando circulación o convección atmosférica . 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 terrestre, completando el ciclo del agua . El calor latente de la condensación del agua amplifica la convección, produciendo fenómenos atmosféricos como viento, ciclones y anticiclones . [7] La luz solar absorbida por los océanos y las masas terrestres mantiene la superficie a una temperatura promedio de 14 °C. [8] Mediante la fotosíntesis , las plantas verdes convierten la energía solar en energía almacenada químicamente, que produce alimentos, madera y biomasa de la que se derivan los combustibles fósiles . [9]
La energía solar total absorbida por la atmósfera, los océanos y las masas terrestres de la Tierra es aproximadamente 122 PW·año = 3.850.000 exajulios (EJ) por año. [10] En 2002 (2019), esto fue más energía en una hora (una hora y 25 minutos) de la que el mundo usó en un año. [11] [12] La fotosíntesis captura aproximadamente 3000 EJ por año en biomasa. [13]
La energía solar potencial que podrían utilizar los 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 humanos limitan la cantidad de energía solar que podemos utilizar. puede adquirir. En 2021, la Iniciativa Carbon Tracker estimó que la superficie terrestre necesaria para generar toda nuestra energía a partir de energía solar únicamente era de 450.000 km 2 , o aproximadamente lo mismo que el área de Suecia , o el área de Marruecos , o el área de California (0,3% del superficie terrestre total de la Tierra). [18]
Las tecnologías solares se clasifican en pasivas o activas según la forma en que capturan, convierten y distribuyen la luz solar y permiten aprovechar la energía solar en diferentes niveles en todo el mundo, principalmente dependiendo 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 mareomotriz , 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 producción útil. Las técnicas solares pasivas incluyen la selección de materiales con propiedades térmicas favorables, el diseño de espacios en los que el aire circule naturalmente y la referencia [ se necesita aclaración ] de la posición de un edificio con respecto 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 generalmente se consideran tecnologías del lado de la demanda. [19]
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 del potencial de energía solar que los seres humanos podrían utilizar cada año. Esto tuvo en cuenta factores como la insolación, la nubosidad y la tierra utilizable por los 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) por año (véase el cuadro siguiente) . [20]
Las tecnologías solares térmicas se pueden utilizar para calentar agua, calentar y enfriar espacios y generar calor para procesos. [21]
En 1878, en la Exposición Universal de París, Augustin Mouchot demostró con éxito una máquina de vapor solar, pero no pudo continuar su desarrollo debido al carbón barato y otros factores.
En 1897, Frank Shuman , inventor, ingeniero y pionero de la energía solar estadounidense, construyó un pequeño motor solar de demostración que funcionaba reflejando la energía solar en 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 impulsaba 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 , [22] desarrolló un sistema mejorado que utiliza espejos para reflejar la energía solar en las cajas colectoras, aumentando la capacidad de calefacción hasta el punto de que ahora se podría utilizar agua en lugar de éter. Luego, Shuman construyó una máquina de vapor a gran escala 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 cilindros parabólicos para alimentar un motor de 45 a 52 kilovatios (60 a 70 hp ) que bombeaba más de 22 000 litros (4800 imp gal; 5800 Galones estadounidenses) 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. [23] En 1916, Shuman fue citado en los medios de comunicación defendiendo la utilización de la energía solar, diciendo:
Hemos demostrado los beneficios comerciales de la energía solar en los trópicos y, más concretamente, hemos demostrado que una vez agotadas nuestras reservas de petróleo y carbón, la raza humana puede recibir energía ilimitada de los rayos del sol.
— Frank Shuman, New York Times, 2 de julio de 1916 [24]
Los sistemas solares de agua caliente 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 uso de agua caliente sanitaria, con temperaturas del agua de hasta 60 °C (140 °F), pueden proporcionarse mediante sistemas de calefacción solar. [25] Los tipos más comunes de calentadores de agua solares 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 colectores de plástico no vidriados (21%) utilizados principalmente para calentar piscinas. [26]
En 2015, la capacidad total instalada de sistemas solares de agua caliente era de aproximadamente 436 gigavatios térmicos (GWth ) , y China es el líder mundial en su implementación con 309 GWth instalados , lo que representa el 71% del mercado. [27] Israel y Chipre son los líderes per cápita en el uso de sistemas solares de agua caliente, con más del 90% de los hogares usándolos. [28] En los Estados Unidos, Canadá y Australia, la calefacción de piscinas es la aplicación dominante del agua caliente solar con una capacidad instalada de 18 GW en 2005. [19]
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. [29] [30] Las tecnologías de calefacción, refrigeración y ventilación solares se pueden utilizar para compensar una parte de esta energía. El uso de la energía solar para calefacción se puede dividir a grandes rasgos en conceptos solares pasivos y conceptos solares activos , dependiendo de si se utilizan elementos activos como el seguimiento del sol y la óptica del concentrador solar.
La masa térmica es cualquier material que pueda usarse para almacenar calor (calor del Sol en el caso de la energía solar). Los materiales de masa térmica comunes incluyen piedra, cemento y agua. Históricamente se han utilizado en climas áridos o regiones templadas cálidas para mantener frescos los edificios absorbiendo la energía solar durante el día e irradiando el calor almacenado a la atmósfera más fría durante la noche. Sin embargo, también se pueden utilizar en zonas frías y templadas para mantener el calor. El tamaño y la ubicación de la masa térmica dependen de varios factores, como el clima, la iluminación natural y las condiciones de sombra. Cuando se incorpora debidamente, la masa térmica mantiene la temperatura del espacio en un rango confortable y reduce la necesidad de equipos auxiliares de calefacción y refrigeración. [31]
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, lo que provoca una corriente ascendente que empuja el aire a través del edificio. El rendimiento se puede mejorar mediante el uso de vidriados y materiales de masa térmica [32] de una manera que imite a los invernaderos.
Se han promovido los árboles y plantas de hoja caduca como 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 brindan sombra durante el verano, mientras que las ramas desnudas dejan pasar la luz durante el invierno. [33] Dado que los árboles desnudos y sin hojas dan sombra a entre 1/3 y 1/2 de la radiación solar incidente, existe un equilibrio entre los beneficios de la sombra en verano y la correspondiente pérdida de calefacción en invierno. [34] En climas con cargas de calefacción significativas, los árboles de hoja caduca no deben plantarse en el lado de un edificio que mira hacia el ecuador porque interferirán con la disponibilidad solar en invierno. Sin embargo, se pueden utilizar en los lados este y oeste para proporcionar cierto grado de sombra en verano sin afectar apreciablemente la ganancia solar en invierno . [35]
Las cocinas solares utilizan la luz solar para cocinar, secar y pasteurizar . Se pueden agrupar en tres categorías amplias: cocinas de caja, cocinas de panel y cocinas reflectoras. [36] La cocina solar más simple es la cocina de caja construida por primera vez por Horace de Saussure en 1767. [37] Una cocina de caja básica consiste en un recipiente aislado con una tapa transparente. Se puede utilizar eficazmente con cielos parcialmente nublados y normalmente alcanzará temperaturas de 90 a 150 °C (194 a 302 °F). [38] Las cocinas de panel utilizan un panel reflectante para dirigir la luz solar hacia un recipiente aislado y alcanzar temperaturas comparables a las de las cocinas de caja. Las cocinas reflectoras utilizan diversas geometrías de concentración (plato, cubeta, espejos Fresnel) para enfocar la luz sobre un recipiente de cocción. Estas cocinas alcanzan temperaturas de 315 °C (599 °F) y superiores, pero requieren luz directa para funcionar correctamente y deben reposicionarse para seguir la trayectoria del sol. [39]
Las tecnologías de concentración solar, como el plato parabólico, el canal y los reflectores 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 antenas parabólicas proporcionó el 50% de los requisitos eléctricos, de aire acondicionado y de calefacción 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 enfriada y tenía un almacenamiento térmico de carga máxima de una hora. [40] 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. [41]
Los tendederos , tendederos y percheros secan la ropa mediante evaporación por el viento y la luz solar sin consumir electricidad ni gas. En algunos estados de Estados Unidos la legislación protege el "derecho a secar" la ropa. [42] Los colectores transpirados sin vidriar (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 generar temperaturas de salida de 45 a 60 °C (113 a 140 °F). [43] El corto período de recuperación de la inversión de los colectores (de 3 a 12 años) los convierte en una alternativa más rentable que los sistemas de recogida acristalados. [43] Hasta 2003, se habían instalado en todo el mundo más de 80 sistemas con un área combinada de colectores de 35.000 metros cuadrados (380.000 pies cuadrados), incluido un colector de 860 m 2 (9.300 pies cuadrados) en Costa Rica utilizado para secar granos de café y un Colector de 1.300 m 2 (14.000 pies cuadrados) en Coimbatore , India, utilizado para secar caléndulas. [44] [ necesita actualización ]
La destilación solar se puede utilizar para potabilizar agua salina o salobre . El primer ejemplo registrado de esto fue el de los alquimistas árabes del siglo XVI. [45] Un proyecto de destilación solar a gran escala se construyó por primera vez en 1872 en la ciudad minera chilena de Las Salinas. [46] La planta, que tenía un área de recolección solar de 4.700 m 2 (51.000 pies cuadrados), podía producir hasta 22.700 L (5.000 imp gal; 6.000 gal EE.UU.) por día y operar durante 40 años. [46] Los diseños de alambiques individuales incluyen pendiente simple, pendiente doble (o tipo invernadero), vertical, cónico, absorbente invertido, de mecha múltiple y de efecto múltiple. Estas imágenes fijas pueden funcionar en modo pasivo, activo o híbrido. Los destiladores de doble pendiente son los más económicos para fines domésticos descentralizados, mientras que las unidades activas de efectos múltiples son más adecuadas para aplicaciones a gran escala. [45]
La desinfección solar del agua (SODIS) implica exponer botellas plásticas de tereftalato de polietileno (PET) llenas de agua a la luz solar durante varias horas. [47] Los tiempos de exposición varían según el tiempo y el clima, desde un mínimo de seis horas hasta dos días en condiciones completamente nubladas. [48] Es recomendado por la Organización Mundial de la Salud como un método viable para el tratamiento y almacenamiento seguro del agua en el hogar. [49] Más de dos millones de personas en los países en desarrollo utilizan este método para su agua potable diaria. [48]
La energía solar se puede utilizar en un estanque de estabilización de agua para tratar aguas residuales sin productos químicos ni electricidad. Otra ventaja medioambiental es que en estos estanques crecen algas que consumen dióxido de carbono durante la fotosíntesis, aunque pueden producir sustancias químicas tóxicas que inutilizan el agua. [50] [51]
La sal fundida se puede emplear como método de almacenamiento de energía térmica para retener la energía térmica recolectada por una torre solar o un colector solar de una planta de energía solar concentrada para que pueda usarse para generar electricidad en caso de mal tiempo o de noche. Esto quedó demostrado en el proyecto Solar Two de 1995 a 1999. Se prevé que el sistema tenga una eficiencia anual del 99%, una referencia a la energía retenida al almacenar calor antes de convertirlo en electricidad, en comparación con la conversión del calor directamente en electricidad. [52] [53] [54] 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 tóxico y ya se ha utilizado en la industria química y metalúrgica como fluido de transporte de calor. Por tanto, existe experiencia con tales sistemas 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 la irradiancia enfocada la calienta a 566 °C (1051 °F). Luego se envía a un tanque de almacenamiento caliente. Está tan bien aislado que la energía térmica se puede almacenar de forma útil durante hasta una semana. [55]
Cuando se necesita electricidad, la sal caliente se bombea a un generador de vapor convencional para producir vapor sobrecalentado para una turbina/generador como el que se utiliza en cualquier central convencional de carbón, petróleo o energía nuclear. Una turbina de 100 megavatios necesitaría un tanque de unos 9,1 metros (30 pies) de altura y 24 metros (79 pies) de diámetro para funcionar durante cuatro horas con este diseño.
Varias centrales cilindroparabólicas en España [56] y el desarrollador de torres solares SolarReserve utilizan este concepto de almacenamiento de energía térmica. La Central Generadora Solana en EE.UU. tiene seis horas de almacenamiento mediante sales fundidas. En Chile, la central Cerro Dominador cuenta con una torre termosolar de 110 MW, el calor se transfiere a sales fundidas . [57] 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 mediante el ciclo de Rankine . [58] De esta manera, la central Cerro Dominador es capaz de generar alrededor de 110 MW de potencia. [59] La planta cuenta con un avanzado sistema de almacenamiento que le permite generar electricidad durante 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 [60] , 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 la energía de la luz solar en electricidad , ya sea directamente mediante energía fotovoltaica (PV) o indirectamente utilizando energía solar concentrada . Los paneles solares utilizan el efecto fotovoltaico para convertir la luz en corriente eléctrica . [61] Los sistemas de energía solar concentrada utilizan lentes o espejos y sistemas de seguimiento solar para enfocar una gran área de luz solar en un punto caliente, a menudo para impulsar una turbina de vapor .
Inicialmente, la energía fotovoltaica se utilizaba únicamente como fuente de electricidad para aplicaciones pequeñas y medianas, desde calculadoras alimentadas por una sola célula solar hasta hogares remotos alimentados por un sistema fotovoltaico en el tejado fuera de la red . Las plantas comerciales de energía solar concentrada 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, [62] y se siguen construyendo millones de instalaciones en tejados y centrales fotovoltaicas a escala de gigavatios.
En 2023, la energía solar generó el 5% de la electricidad mundial, [63] en comparación con el 1% en 2015, cuando se firmó el Acuerdo de París para limitar el cambio climático . [64] Junto con la energía eólica terrestre , en la mayoría de los países, el costo nivelado más barato de la electricidad para nuevas instalaciones es la energía solar a escala de servicios públicos . [65] [66]
Casi la mitad de la energía solar instalada en 2022 se produjo en tejados . [67] Se necesita mucha más energía baja en carbono para la electrificación y para limitar el cambio climático . [62] La Agencia Internacional de Energía dijo en 2022 que se necesitaban más esfuerzos para la integración de la red y la mitigación de los desafíos políticos, regulatorios y financieros. [68]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 haz pequeño. El calor concentrado se utiliza luego como fuente de calor para una central eléctrica convencional. Existe una amplia gama de tecnologías de concentración; los más desarrollados son los cilindroparabólicos, los colectores de torre solar, el reflector lineal de concentración de Fresnel y el plato Stirling. Se utilizan varias técnicas para seguir el Sol y enfocar la luz. En todos estos sistemas, la luz solar concentrada calienta un fluido de trabajo y luego se utiliza para generar o almacenar energía. [69] Los diseños deben tener en cuenta el riesgo de una tormenta de polvo , granizo u otro evento climático extremo que pueda dañar las finas superficies de vidrio de las plantas de energía solar. Las rejillas metálicas permitirían que un alto porcentaje de luz solar ingresara 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 los edificios desde el comienzo de la historia de la arquitectura. [71] Los griegos y los chinos emplearon por primera vez métodos avanzados de arquitectura solar y planificación urbana , quienes orientaron sus edificios hacia el sur para proporcionar luz y calidez. [72]
Las características comunes de la arquitectura solar pasiva son la orientación relativa al Sol, la proporción compacta (una baja relación entre superficie y volumen), sombreado selectivo (voladizos) y masa térmica . [71] Cuando estas características se adaptan al clima y al medio ambiente 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. [71] Los enfoques más recientes para el diseño solar utilizan modelos informáticos que unen los sistemas de iluminación , calefacción y ventilación solares en un paquete de diseño solar integrado . [73] 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 (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 materiales urbanos como el asfalto y el hormigón, que tienen albedos más bajos y capacidades caloríficas más altas que los del entorno natural. Un método sencillo para contrarrestar el efecto UHI es pintar edificios y 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 mil millones de dólares, lo que arrojaría beneficios anuales totales estimados en 530 millones de dólares gracias a la reducción del uso del aire acondicionado. costes y ahorro en atención sanitaria. [74]
La agricultura y la horticultura buscan optimizar la captación de energía solar para optimizar la productividad de las plantas. Técnicas como ciclos de siembra programados, orientación de hileras adaptada, alturas escalonadas entre hileras y la mezcla de variedades de plantas pueden mejorar el rendimiento de los cultivos. [75] [76] 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 del Hielo , los agricultores franceses e ingleses emplearon paredes frutales para maximizar la recolección de energía solar. Estas paredes actuaron como masas térmicas y aceleraron la maduración manteniendo calientes las plantas. Los primeros muros frutales 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 utilizar un mecanismo de seguimiento que pudiera girar para seguir al Sol. [77] Las aplicaciones de la energía solar en la agricultura, además del cultivo, incluyen el bombeo de agua, el secado de cultivos, la crianza de pollitos y el secado de estiércol de pollo. [44] [78] Más recientemente, la tecnología ha sido adoptada por los viticultores , que utilizan la energía generada por paneles solares para alimentar prensas de uva. [79]
Los invernaderos convierten la luz solar en calor, lo que permite la producción durante todo el año y el crecimiento (en ambientes 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 . [80] Los primeros invernaderos modernos se construyeron en Europa en el siglo XVI para conservar las plantas exóticas traídas de exploraciones en el extranjero. [81] Los invernaderos siguen siendo una parte importante de la horticultura en la actualidad. Los materiales plásticos transparentes también se han utilizado con efectos similares en politúneles y cubiertas de hileras .
El desarrollo de un automóvil impulsado por energía solar ha sido un objetivo de la ingeniería desde los años 1980. El World Solar Challenge es una carrera bianual de autos impulsados por energía solar, donde 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 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). [82] El North American Solar Challenge y el planeado South African Solar Challenge son competiciones comparables que reflejan un interés internacional en la ingeniería y el desarrollo de vehículos propulsados por energía solar. [83] [84]
Algunos vehículos utilizan paneles solares como energía auxiliar, como el aire acondicionado, para mantener fresco el interior y reducir así el consumo de combustible. [85] [86]
En 1975 se construyó en Inglaterra el primer barco solar práctico. [87] En 1995, empezaron a aparecer barcos de pasajeros que incorporaban paneles fotovoltaicos y ahora se utilizan ampliamente. [88] En 1996, Kenichi Horie realizó el primer cruce del Océano Pacífico con energía solar, y el catamarán Sun21 realizó el primer cruce del Océano Atlántico con energía solar en el invierno de 2006-2007. [89] Había planes para circunnavegar el mundo en 2010. [90]
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 totalmente controlada y propulsada por energía solar, alcanzando una altitud de 12 m (40 pies). En 1980, el Gossamer Penguin realizó los primeros vuelos pilotados propulsados únicamente por energía fotovoltaica. A éste 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 saltos desde California a Carolina del Norte utilizando energía solar. [91] Luego, los desarrollos volvieron a los vehículos aéreos no tripulados (UAV) con el Pathfinder (1997) y diseños posteriores, que culminaron con el Helios , que estableció el récord de altitud para un avión no propulsado por cohetes a 29.524 metros (96.864 pies) en 2001. [92] El Zephyr , desarrollado por BAE Systems , es el último de una línea de aviones solares que baten récords y realizó un vuelo de 54 horas en 2007, y se previeron vuelos de un mes de duración para 2010. [93] Desde marzo de 2015 Hasta julio de 2016, el Solar Impulse , un avión eléctrico , dio la vuelta al mundo con éxito. Se trata de un avión monoplaza propulsado por células solares y capaz de despegar por sus propios medios. El diseño permite que el avión permanezca en el aire durante varios días. [94]
Un globo solar es un globo negro lleno de aire ordinario. A medida que la luz del sol incide sobre el globo, el aire del interior se calienta y se expande, provocando una fuerza de flotabilidad hacia arriba , muy parecida a un globo de aire caliente calentado artificialmente . Algunos globos solares son lo suficientemente grandes para el vuelo humano, pero su uso generalmente se limita al mercado de juguetes, ya que la relación superficie-carga útil-peso es relativamente alta. [95]
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El Squad Solar es un vehículo eléctrico vecinal que tiene un techo solar y se puede enchufar a un tomacorriente normal de 120 voltios para cargarlo. [96]
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Los procesos químicos solares utilizan 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 . [97] Se puede producir una variedad de combustibles mediante la fotosíntesis artificial . [98] La química catalítica multielectrónica involucrada en la fabricación de combustibles a base de carbono (como el metanol ) a partir de la reducción de dióxido de carbono es un desafío; una alternativa viable 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 multielectrónica de dos moléculas de agua a oxígeno molecular. [99] Algunos han previsto plantas de combustible solar en funcionamiento en áreas metropolitanas costeras para 2050: la división del agua de mar que proporciona hidrógeno para que funcione a través de plantas de energía eléctrica de celdas de combustible adyacentes y el subproducto de agua pura que vaya directamente al sistema de agua municipal. [100] Además, el almacenamiento de energía química es otra solución al almacenamiento de energía solar. [101]
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 esas rutas utiliza concentradores para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno a altas temperaturas (2300 a 2600 °C o 4200 a 4700 °F). [102] Otro enfoque utiliza el calor de los concentradores solares para impulsar la reformación con vapor de gas natural, aumentando así el rendimiento general de hidrógeno en comparación con los métodos de reformación convencionales. [103] Los ciclos termoquímicos caracterizados por la descomposición y regeneración de reactivos presentan otra vía para la producción de hidrógeno. El proceso Solzinc que se está desarrollando en el Instituto Weizmann de Ciencias 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. [104]
Los sistemas de masa térmica pueden almacenar energía solar en forma de calor a temperaturas domésticas útiles durante períodos diarios o entre estaciones . Los sistemas de almacenamiento térmico generalmente utilizan materiales fácilmente disponibles con altas capacidades caloríficas específicas , como agua, tierra y piedra. Los sistemas bien diseñados pueden reducir la demanda máxima , cambiar el tiempo de uso a horas de menor actividad y reducir los requisitos generales de calefacción y refrigeración. [105] [106]
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 ofrecer temperaturas útiles a nivel nacional (aproximadamente 64 °C o 147 °F). La "Casa Dover" (en Dover, Massachusetts ) fue la primera en utilizar un sistema de calentamiento con sal de Glauber, en 1948. [107] 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 costo, tienen una alta capacidad calorífica específica 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 el 99%. [108]
Los sistemas fotovoltaicos aislados 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 crédito a los sistemas domésticos por cualquier electricidad que entreguen a la red. Esto se gestiona "haciendo retroceder" el contador 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 de kilovatios-hora al mes siguiente. [109] Otros enfoques implican el uso de dos medidores 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, lo que hace 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 liberando el agua, convirtiéndose la bomba en un generador de energía hidroeléctrica. [110]
A partir del aumento del uso del carbón , que acompañó a la Revolución Industrial , el consumo de energía pasó de manera constante 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 escasearía. Sin embargo, el desarrollo de tecnologías solares se estancó a principios del siglo XX ante la creciente disponibilidad, economía y utilidad del carbón y el petróleo . [111]
El embargo petrolero de 1973 y la crisis energética de 1979 provocaron una reorganización de las políticas energéticas en todo el mundo. Atrajo una renovada atención al desarrollo de tecnologías solares. [112] [113] 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 EE. UU. (SERI, ahora NREL ), Japón ( NEDO ) y Alemania ( Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar ISE ). [114]
Los calentadores de agua solares comerciales comenzaron a aparecer en los Estados Unidos en la década de 1890. [115] Estos sistemas tuvieron un uso cada vez mayor hasta la década de 1920, pero fueron reemplazados gradualmente por combustibles de calefacción más baratos y confiables. [116] Al igual que con la energía fotovoltaica, el calentamiento solar de agua atrajo una atención renovada 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 a lo largo de la década de 1990, y las tasas de crecimiento anual han promediado el 20% desde 1999. [117] Aunque generalmente se subestima, el calentamiento y enfriamiento solar de agua es, con diferencia, la tecnología solar más ampliamente implementada, con una capacidad estimada de 154 GW en 2007. [117]
La Agencia Internacional de Energía ha dicho que la energía solar puede hacer contribuciones considerables para resolver algunos de los problemas más urgentes que enfrenta el mundo actualmente: [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 mediante la dependencia de un recurso autóctono, inagotable y en su mayor parte independiente de las importaciones, mejorará la sostenibilidad, reducirá la contaminación, reducirá los costos de mitigar el 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 el despliegue temprano deberían considerarse inversiones en aprendizaje; deben gastarse sabiamente y compartirse ampliamente. [1]
En 2011, un informe de la Agencia Internacional de Energía encontró 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 hacer la transición a energías renovables . La energía del Sol podría desempeñar un papel clave en la descarbonización de la economía global junto con mejoras en la eficiencia energética y la imposición de costos a los emisores de gases de efecto invernadero . "El punto fuerte de la energía solar es la increíble variedad y flexibilidad de aplicaciones, desde la pequeña hasta la gran escala". [118]
Hemos demostrado... que una vez agotadas 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. [24]
En 2021, Lazard estimó el costo nivelado de la electricidad solar a escala de servicios públicos no subsidiada de nueva construcción en menos de 37 dólares por MWh y la energía de carbón existente por encima de esa cantidad. [119] [120] El informe de 2021 también decía que la nueva energía solar también era más barata que la nueva energía alimentada por gas, pero no la energía de gas existente en general. [120]
Los sistemas fotovoltaicos concentrados (CPV) emplean luz solar concentrada en 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 denominada flotatovoltaica, son paneles solares montados en una estructura que flota sobre una masa de agua, normalmente un embalse o un lago, como depósitos de agua potable, lagos de cantera, canales de riego o estanques de remediación y relaves. . Existe un número creciente de sistemas de este tipo en China , Francia , Indonesia , India , Japón , Corea del Sur , el Reino Unido , Singapur y Estados Unidos . [121] [122] [123] [124] [125]
Los sistemas pueden tener ventajas sobre la energía fotovoltaica (PV) en tierra. Las superficies de agua pueden ser menos costosas que el costo del terreno, y existen 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 los FPV basados en espuma [126] tienen algunos de los tiempos de recuperación de energía más bajos (1,3 años) y la relación más baja entre emisiones de gases de efecto invernadero y energía (11 kg CO 2 eq/MWh) en las tecnologías solares fotovoltaicas de silicio cristalino reportadas. [127]
Los paneles flotantes pueden lograr mayores eficiencias que los paneles fotovoltaicos en tierra porque el agua enfría los paneles. Los paneles pueden tener un revestimiento especial para evitar la oxidación o la corrosión. [128]
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. [129] La potencia instalada creció de 3 GW en 2020 a 13 GW en 2022, [ 130] superando una predicción de 10 GW para 2025. [131] El Banco Mundial estimó que hay 6.600 grandes masas de agua aptas para energía solar flotante, con una capacidad técnica de más de 4.000 GW si el 10% de sus superficies estuvieran cubiertas con paneles solares. [130]
Los costes de un sistema flotante son entre un 10 y un 20 % más elevados que los de los sistemas montados en el suelo. [132] [133]Una bomba de calor es un dispositivo que proporciona energía térmica desde una fuente de calor a un destino llamado "disipador de calor". Las bombas de calor están diseñadas para mover energía térmica en dirección opuesta a la dirección del flujo de calor espontáneo absorbiendo calor de un espacio frío y liberándolo a uno más cálido. Una bomba de calor asistida solar representa la integración de una bomba de calor y paneles solares térmicos en un único sistema integrado. Normalmente estas dos tecnologías se utilizan por separado (o sólo colocándolas en paralelo) para producir agua caliente . [134] 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. [135] El objetivo de este sistema es obtener un alto COP y luego producir energía de una manera más eficiente y menos costosa.
Es posible utilizar cualquier tipo de panel solar térmico (láminas y tubos, roll-bond, heatpipe, placas térmicas) o híbrido ( mono / policristalino , película delgada ) en combinación con la bomba de calor. Es preferible el uso de un panel híbrido 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 , rayos de energía , [136] o baterías .
Actualmente, los aviones eléctricos tripulados que vuelan son en su mayoría demostradores experimentales, aunque muchos vehículos aéreos pequeños no tripulados funcionan con baterías. Los modelos de aviones propulsados eléctricamente se han volado desde la década de 1970, con un informe en 1957. [137] [138] Los primeros vuelos propulsados eléctricamente con un hombre se realizaron en 1973. [139] Entre 2015 y 2016, un avión tripulado propulsado por energía solar El avión Solar Impulse 2 completó una circunnavegación de la Tierra. [140]
{{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)Günter Rochelt fue el diseñador y constructor del Solair I, un avión solar de 16 m de envergadura... El 21 de agosto de 1983 voló en el Solair I, principalmente con energía solar y también térmica, durante 5 horas y 41 minutos.
