La conversión de energía solar describe tecnologías dedicadas a la transformación de la energía solar en otras formas (útiles) de energía, incluida la electricidad, el combustible y el calor. [1] Cubre tecnologías de recolección de luz, incluidos los dispositivos fotovoltaicos (PV) semiconductores tradicionales , la energía fotovoltaica emergente, [2] [3] [4] la generación de combustible solar mediante electrólisis , la fotosíntesis artificial y formas relacionadas de fotocatálisis dirigidas a la generación de energía. moléculas ricas. [5]
Los aspectos electroópticos fundamentales en varias tecnologías emergentes de conversión de energía solar para la generación de electricidad (fotovoltaica) y combustibles solares constituyen un área activa de investigación actual. [6]
Las células solares comenzaron en 1876 con William Grylls Adams junto con un estudiante suyo. Un científico francés, llamado Edmond Becquerel , descubrió por primera vez el efecto fotovoltaico en el verano de 1839. [7] Teorizó que ciertos elementos de la tabla periódica, como el silicio, reaccionaban a la exposición a la luz solar de formas muy inusuales. La energía solar se crea cuando la radiación solar se convierte en calor o electricidad. El ingeniero eléctrico inglés Willoughby Smith , entre 1873 y 1876, descubrió que cuando el selenio se expone a la luz, producía una gran cantidad de electricidad. El uso de selenio fue muy ineficiente, pero demostró la teoría de Becquerel de que la luz podía convertirse en electricidad mediante el uso de varios semimetales de la tabla periódica, que luego fueron etiquetados como materiales fotoconductores . En 1953, Calvin Fuller, Gerald Pearson y Daryl Chapin descubrieron que el uso de silicio para producir células solares era extremadamente eficiente y producía una carga neta que excedía con creces la del selenio. Hoy en día, la energía solar tiene muchos usos, desde calefacción, producción eléctrica, procesos térmicos, tratamiento de agua y almacenamiento de energía que es muy frecuente en el mundo de las energías renovables.
En la década de 1960, la energía solar era el estándar para alimentar los satélites espaciales. A principios de la década de 1970, la tecnología de células solares se volvió más barata y más disponible ($20/vatio). Entre 1970 y 1990, la energía solar se volvió más comercial. Cruces de ferrocarril, plataformas petrolíferas, estaciones espaciales, torres de microondas, aviones, etc. Ahora, hogares y empresas de todo el mundo utilizan células solares para alimentar dispositivos eléctricos con una amplia variedad de usos. La energía solar es la tecnología dominante en el campo de las energías renovables, principalmente debido a su alta eficiencia y rentabilidad. A principios de la década de 1990, la conversión fotovoltaica había alcanzado un nivel sin precedentes. Los científicos utilizaron células solares construidas con materiales fotovoltaicos altamente conductores como galio, indio, fosfuro y arseniuro de galio que aumentaron la eficiencia total en más del 30%. A finales de siglo, los científicos crearon un tipo especial de células solares que convertían más del 36% de la luz solar recogida en energía utilizable. Estos avances generaron un enorme impulso no sólo para la energía solar, sino también para las tecnologías de energía renovable en todo el mundo.
La energía fotovoltaica (PV) utiliza células solares de silicio para convertir la energía de la luz solar en electricidad. Opera bajo el efecto fotoeléctrico que resulta en la emisión de electrones. [8] Energía solar concentrada (CSP) Utiliza lentes o espejos y dispositivos de seguimiento para enfocar una gran área de luz solar en un haz pequeño. Se prevé que la energía solar será la mayor fuente de electricidad del mundo para 2050. Las plantas de energía solar, como la instalación de energía solar Ivanpah en el desierto de Mojave, producen más de 392 MW de energía. Se están desarrollando proyectos solares que superan 1 GW (mil millones de vatios) y se prevé que serán el futuro de la energía solar en Estados Unidos. [ cita necesaria ]
El sol bombardea la Tierra con miles de millones de nanopartículas cargadas que contienen una inmensa cantidad de energía almacenada. Esta energía se puede utilizar para calentar agua, calentar y enfriar espacios y generar calor para procesos. Muchos sistemas de generación de vapor se han adaptado al uso de la luz solar como fuente principal para calentar el agua de alimentación, un desarrollo que ha aumentado considerablemente la eficiencia general de las calderas y muchos otros tipos de sistemas de recuperación de calor residual. Las cocinas solares utilizan la luz solar para cocinar, secar y pasteurizar . La destilación solar se utiliza en procesos de tratamiento de agua para crear agua potable, lo que ha sido un actor extremadamente poderoso a la hora de brindar a los países necesitados esfuerzos de ayuda mediante el uso de tecnología avanzada.
La conversión de energía solar tiene el potencial de ser una tecnología muy rentable. Es más económico en comparación con las fuentes de energía no convencionales. El uso de energía solar ayuda a aumentar el empleo y el desarrollo del sector del transporte y la agricultura. Las instalaciones solares son cada vez más baratas y están más disponibles en países donde la demanda de energía es alta, pero la oferta es baja debido a circunstancias económicas. Una planta de energía solar de 1 GW puede producir casi 10 veces más energía que una planta de energía que quema combustibles fósiles, cuya instalación costaría el doble. Se prevé que las plantas de energía solar serán líderes en producción de energía para el año 2050. [9]
La conversión de energía solar tiene el potencial de generar muchos impactos sociales positivos, especialmente en áreas rurales que antes no tenían acceso a energía basada en la red. En muchas zonas fuera de la red, la conversión solar-eléctrica es la forma de adquisición de energía de más rápido crecimiento. Esto es especialmente cierto en latitudes dentro de los 45° al norte o al sur del ecuador, donde la irradiancia solar es más constante durante todo el año y donde vive la mayor parte de la población del mundo en desarrollo. Desde una perspectiva de salud, los sistemas solares domésticos pueden reemplazar las lámparas de queroseno (frecuentemente encontradas en zonas rurales), que pueden provocar incendios y emitir contaminantes como monóxido de carbono (CO), óxidos nítricos (NOx) y dióxido de azufre (SO2) que afectan negativamente al aire. calidad y puede causar deterioro de la función pulmonar y aumentar los riesgos de tuberculosis, asma y cáncer. En esas zonas, se ha demostrado que el acceso a la energía solar ahorra a los residentes rurales el tiempo y el dinero necesarios para comprar y transportar queroseno, aumentando así la productividad y alargando el horario comercial. [10]
Además del acceso a la energía, estas comunidades obtienen independencia energética, lo que significa que no dependen de un proveedor de electricidad externo. El concepto de independencia energética es relativamente nuevo; Durante la gran mayor parte del siglo XX, los análisis energéticos fueron puramente técnicos o financieros y no incluyeron análisis de impacto social. Un estudio de 1980 concluyó que el acceso a la energía renovable promovería valores conducentes a un mayor beneficio social en lugar de la promoción personal. [11] Si bien algunos académicos sostienen que históricamente los partidos que controlan las fuentes de energía son aquellos que crean jerarquías sociales, [12] este tipo de análisis se volvió menos “radical” y más común después de la introducción de tecnologías que permitieron la conversión de energía solar. [ cita necesaria ]
La conversión de energía solar puede afectar no sólo a clientes individuales sino a comunidades enteras. En un número cada vez mayor de vecindarios en todo Estados Unidos, el modelo convencional de instalaciones en tejados independientes y no conectadas está siendo reemplazado por microrredes solares de tamaño comunitario. La idea de “ solar comunitaria ” se hizo popular por primera vez debido a problemas relacionados con el almacenamiento de energía. [13] Debido a que a partir de 2018 la producción a gran escala de baterías de iones de litio y otras tecnologías de almacenamiento va por detrás del progreso de las instalaciones fotovoltaicas en tejados, un problema principal que impide un cambio a nivel nacional hacia la generación de energía solar en tejados es la falta de un sistema único y fiable. sistema de almacenamiento doméstico que proporcionaría contingencias por uso nocturno de energía, nubosidad, cortes y apagones. Además, la financiación de instalaciones solares para viviendas unifamiliares puede ser más difícil de conseguir dado el alcance más pequeño del proyecto y la falta de acceso a fondos. Una alternativa viable es conectar bloques de viviendas en una microrred comunitaria, utilizando grandes instalaciones de almacenamiento más comprobadas, reduciendo así las barreras a la adopción de la energía solar. En algunos casos, se crea una “red” de microrred conectando cada casa fotovoltaica independiente en la azotea a una instalación de almacenamiento mayor. Otros diseños, principalmente donde no es posible realizar instalaciones en los tejados, cuentan con una gran instalación combinada de paneles solares + almacenamiento ubicada en un campo adyacente. Como impacto social adicional, esta forma de instalación hace que la energía solar sea económicamente viable para viviendas multifamiliares y vecindarios históricamente de bajos ingresos. [14]
Un posible inconveniente socioeconómico asociado con la conversión de energía solar es una interrupción del modelo de negocio de las empresas de servicios eléctricos. En Estados Unidos, la viabilidad económica de las empresas de servicios públicos “monopolísticas” regionales se basa en la gran agregación de clientes locales que equilibran la carga variable de cada uno. Por lo tanto, la instalación generalizada de sistemas solares en tejados que no están conectados a la red supone una amenaza para la estabilidad del mercado de servicios públicos. Este fenómeno se conoce como deserción de red. [15] La presión sobre las empresas eléctricas se ve exacerbada por una infraestructura de red obsoleta que aún tiene que adaptarse a los nuevos desafíos que plantean las energías renovables (principalmente en lo que respecta a la inercia, el flujo inverso de energía y los esquemas de protección de relés). Sin embargo, algunos analistas sostienen que, con el aumento constante de los desastres naturales (que destruyen la infraestructura vital de la red), puede ser necesaria la instalación de microrredes solares para garantizar el acceso de emergencia a la energía. [16] Este énfasis en la preparación para contingencias ha ampliado dramáticamente el mercado de energía fuera de la red en los últimos años, especialmente en áreas propensas a desastres naturales. [ cita necesaria ]
Las instalaciones pueden destruir y/o reubicar hábitats ecológicos al cubrir grandes extensiones de tierra y promover la fragmentación del hábitat . Las instalaciones solares construidas en reservas de nativos americanos han interrumpido las prácticas tradicionales y también han tenido un impacto negativo en la ecosfera local. [9] [17]