La energía solar es la luz del sol que se recoge utilizando una variedad de métodos en evolución. Se ha convertido en un tema ampliamente discutido en el desarrollo de las energías renovables. Esta poderosa e interminable fuente de energía solar disponible la convierte en una fuente de electricidad muy prometedora, no solo para el medio ambiente sino también financieramente.
Debido al aumento de la demanda en la última década, la tecnología involucrada en la energía solar ha estado avanzando continuamente. Como resultado, la energía solar se ha convertido en un recurso notablemente eficiente para la energía limpia para edificios residenciales y comerciales, así como para aplicaciones de fabricación industrial. En el futuro, todos podemos cosechar los muchos beneficios de la electricidad alimentada por energía solar de alguna manera.
En este artículo hemos proporcionado una visión general de la energía solar y las formas en que la energía solar afectará todas nuestras vidas. Hemos proporcionado información sobre los últimos avances en la conversión de la energía solar en electricidad y las aplicaciones de esa electricidad que están disponibles en la actualidad. Discutiremos los costos iniciales de recurrir a la energía solar para hogares y negocios y cuáles serán los ahorros a largo plazo y otros beneficios para aquellos que hagan el cambio.
¿Cómo la energía solar puede cambiar nuestro futuro?
El potencial de la energía solar para proporcionar la energía eléctrica que necesitamos en el futuro es innegable. A medida que aprovechamos la energía limpia y libre del sol, reduciremos en gran medida nuestra dependencia de los combustibles fósiles. A pesar de que la tecnología solar aún se encuentra en sus primeras etapas, ha comenzado a ser cada vez más rentable y muchas personas han tomado conciencia de las ventajas que aporta.
La energía solar se ha convertido en un tema importante de discusión en todo el mundo debido a la amenaza del calentamiento global. Muchos científicos están de acuerdo en que para 2030, la energía solar se convertirá en la fuente de energía renovable más importante del mundo. La Asociación de Industrias de Energía Solar (AIES) apunta a que la energía solar represente el 30% de toda la electricidad para 2030, y el 40% para 2035. Además, la industria solar ya ha establecido hojas de ruta de reducción de costos muy claras, que deberían ver los costos solares reducidos a la mitad para 2030.
Hemos comenzado con el creciente cambio hacia vehículos eléctricos que pueden ser alimentados por la electricidad producida a través de la conversión de energía solar en electricidad. La contaminación acústica es otro problema importante que se puede encontrar en la sociedad actual, y avanzar hacia los vehículos eléctricos solares ayudará a mitigar la contaminación acústica. También podríamos ayudar a mejorar nuestros hábitats acuáticos eliminando la necesidad de las turbinas que se utilizan para generar energía eléctrica hidráulica, en su lugar utilizar la energía solar para lograrlo.
La escritura a mano está en la pared: la producción de electricidad mediante la conversión de energía solar será el futuro de los Estados Unidos y de todos los demás países del mundo que dependen de la electricidad para hogares, negocios comerciales, fabricación industrial, necesidades de iluminación de ciudades y más.
¿Qué es la energía solar?
La energía solar es energía, que es generada por el sol. Es necesario para la vida en la Tierra y se puede cosechar para usos humanos como la electricidad. La energía solar es creada por la fusión nuclear que tiene lugar dentro del sol. La fusión nuclear ocurre cuando los protones de los átomos de hidrógeno chocan violentamente en el núcleo del sol y se fusionan para crear un átomo de helio. Este proceso, conocido como reacción en cadena PP (protón-protón), emite una enorme cantidad de energía. El sol fusiona alrededor de 620 millones de toneladas métricas de hidrógeno cada segundo. Esto significa que el sol es como un reactor nuclear, que libera pequeños paquetes de energía llamados fotones. Estos fotones viajan 150 millones de km a la superficie de la tierra en poco más de ocho minutos.
Las tecnologías solares convierten esta luz solar en energía eléctrica ya sea a través de paneles fotovoltaicos (PV) o a través de espejos que concentran la radiación solar. La energía solar que se captura y convierte se puede convertir en electricidad utilizable para hogares, edificios comerciales e instalaciones de fabricación industrial o cualquier otra área donde se necesite energía eléctrica. Según la Oficina de Tecnologías de Energía Solar de los Estados Unidos, la cantidad de luz solar que golpea la superficie de la tierra en noventa minutos es suficiente para proporcionar el consumo de energía del mundo durante un año completo.
Aprovechamiento de la energía solar
Hay varias tecnologías que pueden cosechar energía solar y convertirla en energía eléctrica para su uso en hogares, negocios, escuelas y hospitales, prácticamente en cualquier lugar donde se necesite electricidad. Las tecnologías de energía solar incluyen células y paneles fotovoltaicos, energía solar concentrada y arquitectura solar. Estos métodos utilizan energía solar activa o energía solar pasiva.
Las tecnologías solares activas utilizan dispositivos mecánicos o eléctricos para convertir activamente la energía solar en otra forma de energía, la mayoría de las veces calor o electricidad.
Las tecnologías solares pasivas no utilizan ningún dispositivo externo, en su lugar aprovechan el clima local para calentar las estructuras durante el invierno y reflejar el calor durante el verano.
¿Cómo funcionan los paneles solares?
Cuando los fotones del sol se conectan con las células solares en un panel, los electrones de los átomos se aflojan. Cada célula solar en un panel contiene un semiconductor, generalmente hecho de silicio. Cuando el semiconductor absorbe la luz solar, afloja los electrones. Un campo eléctrico luego dirige estos electrones sueltos a una corriente eléctrica. La corriente fluye en una dirección y los contactos metálicos que provienen de la parte superior e inferior de una célula solar dirigen esa corriente a donde se necesita electricidad.
Hay una gran cantidad de células en un panel solar, y una agrupación de paneles puede formar una matriz solar (SA) cuando se conectan entre sí. La corriente se puede dirigir a algo tan pequeño como una calculadora de energía solar o tan grande como una central eléctrica. Cuantos más paneles se utilicen, más energía se puede generar.
Tecnología solar activa Fotovoltaica
Descubierta en 1839 por un físico francés de 19 años llamado Alexandre-Edmond Becquerel, la fotovoltaica es una forma de tecnología solar activa que Becquerel descubrió cuando colocó cloruro de plata en una solución ácida y la expuso a la luz solar, los electrodos de platino unidos a ella generaron una corriente eléctrica. Este proceso de generación de electricidad directamente a partir de la radiación solar se denomina efecto fotovoltaico, por lo tanto fotovoltaica.
La energía fotovoltaica se utilizó por primera vez en naves espaciales, con muchos satélites, incluida la Estación Espacial Internacional, con "alas" anchas y reflectantes de paneles solares. La ISS tiene dos alas de matriz solar (SAW), cada una de las cuales utiliza alrededor de 33,000 células solares. Estas células fotovoltaicas suministran toda la electricidad a la ISS, lo que permite a los astronautas operar la estación, vivir de manera segura en el espacio durante meses a la vez y realizar numerosos experimentos científicos y de ingeniería.
Hoy en día, la energía fotovoltaica (PV) es el método más reconocido para aprovechar la energía solar. Los paneles fotovoltaicos generalmente involucran paneles solares, una colección de docenas de células solares o incluso cientos. El costo de la energía fotovoltaica ha disminuido drásticamente en los últimos diez años a medida que la industria ha ampliado la fabricación y mejorado gradualmente la tecnología con nuevos materiales. Los costos de instalación también han disminuido con instaladores más experimentados y capacitados disponibles. A nivel mundial, Estados Unidos tiene el tercer mercado más grande para instalaciones fotovoltaicas y continúa creciendo rápidamente.
La mayoría de las células solares actuales están hechas de silicio cristalino o material semiconductor de película delgada. Las células de silicio son más eficientes en la conversión de la luz solar en electricidad, pero generalmente tienen costos de fabricación más altos. Los materiales de película delgada suelen tener eficiencias más bajas, pero pueden ser más simples y menos costosos de fabricar.
Todos los tipos de sistemas PV son ampliamente utilizados en una variedad de aplicaciones. Hay miles de modelos de paneles fotovoltaicos individuales disponibles hoy en día de cientos de empresas. Una comparación de paneles solares debe incluir su eficiencia, potencia de salida y garantías.
Las centrales fotovoltaicas se han construido en todo el mundo, con las estaciones más grandes ubicadas en los Estados Unidos, China e India. Emitiendo cientos de megavatios de electricidad, estas centrales eléctricas se utilizan para abastecer hogares, escuelas, hospitales y empresas.
La tecnología fotovoltaica también se puede utilizar en áreas más pequeñas. Los paneles y células solares se pueden montar en paredes exteriores o en un área abierta adyacente a los edificios para ser suministrados con electricidad. Se pueden utilizar para alimentar la iluminación a lo largo de carreteras y autopistas. Las células solares también son lo suficientemente pequeñas como para alimentar dispositivos más pequeños, como relojes, calculadoras, linternas, iluminación residencial al aire libre, parquímetros y compactadores de basura.
Energía solar térmica concentrada (CSP)
Otro tipo de tecnología solar activa es la energía solar térmica de concentración o energía solar térmica concentrada (CSP), desarrollada por primera vez en la década de 1980. La tecnología CSP utiliza lentes y espejos para enfocar la luz solar concentrada de un área grande en un área mucho más pequeña. Esta intensa área de radiación calienta un fluido, que a su vez genera electricidad o alimenta otro proceso. La CSP es un suministro renovable que será una fuente de energía sostenible para ayudar a reducir la huella de carbono.
La instalación más grande del mundo es una serie de plantas ubicadas en el desierto de Mojave en California. Este Sistema de Generación de Energía Solar (SEGS) genera más de 650 gigavatios-hora de electricidad cada año. También se han construido grandes centrales eléctricas similares en España e India.
Las plantas de energía de torre CSP están compuestas por una torre alta que soporta un receptor de calor rodeado por un campo de helióstatos, espejos planos que giran para seguir el arco del sol a través del cielo y enfocar sus rayos en el receptor. Los helióstatos están equipados con un sistema de seguimiento solar para que puedan rastrear el sol a través del cielo. Estas centrales eléctricas pueden lograr una mayor relación de concentración que permite que el colector alcance una temperatura de trabajo más alta con una pérdida térmica mínima.
Las cocinas solares CSP se utilizan a menor escala, y pueden ser utilizadas por personas en aldeas de todo el mundo que no tienen acceso a la electricidad. El uso de cocinas solares para hervir agua para el saneamiento y para cocinar alimentos puede mejorar la vida de muchas personas. Las cocinas solares proporcionan muchas ventajas sobre las estufas de leña: no hay peligro de incendio, no hay humo y no se requiere combustible. El uso de una cocina solar reduce la pérdida de hábitat en los bosques donde los árboles se cosechan como combustible. Las cocinas solares se utilizan actualmente en muchas áreas remotas del mundo.
Los sistemas de platos parabólicos CSP utilizan espejos que se montan sobre un plato de forma parabólica para enfocar los rayos del sol en un receptor. El receptor se coloca en el punto focal en una estructura cercana junto con un motor térmico, que tiene tubos delgados en su interior. Los tubos contienen un gas, como helio o hidrógeno, o incluso aire. El sistema, que puede alcanzar temperaturas muy altas, está equipado con un sistema de seguimiento que sigue el arco del sol.
El cilindro parabólico CSP es un tipo de colector solar térmico que es recto en una dimensión, curvado como una parábola en los otros dos, y forrado con un espejo de metal pulido. Con un sistema cilindro parabólico, la energía solar se concentra en los reflectores de metal pulido curvos en forma de canal, que se enfocan en una tubería receptora. La tubería generalmente contiene aceite térmico, que se calienta y luego se usa en el bloque de energía térmica para generar electricidad en un generador de vapor.
Los reflectores Fresnel CSP utilizan tiras planas y delgadas de espejo para capturar la luz solar y dirigir los rayos concentrados a un tubo de líquido térmico. El líquido luego pasa a través de un intercambiador de calor para alimentar un generador de vapor. Los reflectores Fresnel tienen más área de superficie que los canales parabólicos y pueden concentrar la energía del sol a aproximadamente 30 veces su intensidad normal. Esta tecnología es mucho más barata de instalar pero tiene menor eficiencia.
Arquitectura solar pasiva
Durante el transcurso de un día, la energía solar es parte del proceso de convección térmica, o el movimiento del calor de un espacio más cálido a uno más frío. A medida que el sol sale, comienza a calentar objetos y materiales en la Tierra. A lo largo del día, estos materiales absorben el calor de la radiación solar. Por la noche, cuando el sol se pone y la atmósfera se enfría, los materiales liberan su calor de nuevo a la atmósfera. Las técnicas de energía solar pasiva aprovechan este proceso natural de calentamiento y enfriamiento.
Los hogares y otros edificios utilizan energía solar pasiva para distribuir el calor de manera eficiente y económica. Calcular la "masa térmica" de un edificio es un ejemplo de esto. La masa térmica de un edificio es la mayor parte de los materiales calentados durante todo el día. Ejemplos de la masa térmica de un edificio son la madera, el metal, el hormigón, la arcilla, la piedra o el barro. Por la noche, la masa térmica libera su calor de nuevo en la habitación. Los sistemas de ventilación efectivos, incluidos pasillos, ventanas y conductos de aire, distribuyen el aire caliente y mantienen una temperatura interior moderada y constante.
La tecnología solar pasiva a menudo está involucrada en el diseño de un edificio. Por ejemplo, en la etapa de planificación de la construcción, el diseñador o arquitecto puede alinear el edificio con el camino diario del sol para recibir cantidades deseables de luz solar. Este método considera la latitud, la altitud y la cubierta de nubes típica de un área específica. Además, los edificios se pueden construir o modernizar para tener aislamiento térmico, aumentar la masa térmica o agregar sombra exterior adicional.
A medida que la tecnología solar pasiva ha evolucionado, otros tipos de estructuras han demostrado ser efectivas para reducir la energía requerida para enfriar edificios. Obviamente, estos desarrollos han demostrado ser de importancia crítica en climas más cálidos, ya que los requisitos de energía para el enfriamiento superan la necesidad de calor.
Techos frios
Los techos fríos están pintados de blanco y reflejan la radiación del sol en lugar de absorberla. La superficie blanca reduce la cantidad de calor que llega al interior del edificio, lo que a su vez reduce la cantidad de energía que se necesita para enfriar el edificio.
Techos verdes
Los techos verdes están completamente cubiertos de vegetación, lo que requiere suelo y riego para soportar las plantas, con una capa impermeable debajo. Los techos verdes no solo reducen la cantidad de calor que se absorbe o se pierde, sino que también proporcionan vegetación. A través de la fotosíntesis, las plantas en techos verdes absorben dióxido de carbono y emiten oxígeno. También filtran los contaminantes del agua de lluvia y el aire, compensando algunos de los efectos del uso de energía en ese edificio.
Los techos verdes y los techos fríos también pueden contrarrestar el efecto "isla de calor urbana". En las ciudades ocupadas, la temperatura puede ser consistentemente más alta que en las áreas que la rodean. Muchos factores contribuyen a esto, incluidos los materiales utilizados para construir ciudades como el asfalto y el hormigón que absorben el calor. Además, los edificios altos bloquean el viento y sus efectos de enfriamiento, y los negocios, el tráfico y la población densa generan una gran cantidad de calor. El uso del espacio disponible en el techo para plantar árboles, o reflejar el calor con techos blancos, puede aliviar parcialmente los aumentos de temperatura locales en las áreas urbanas.
Barreras radiantes
Al igual que los techos fríos, las barreras radiantes proporcionan aislamiento cubierto con un material altamente reflectante, como el papel de aluminio frente a la fuente de calor. En lugar de absorber el calor, la lámina lo refleja y puede reducir los costos de enfriamiento hasta en un 10%. Además de techos y áticos, también se pueden instalar barreras radiantes debajo de los pisos
Energía solar ayudando a enfriar y calentar
Dado que la luz solar solo brilla durante aproximadamente la mitad del día en la mayor parte del mundo, las tecnologías de energía solar tienen que incluir métodos para almacenar la energía durante las horas oscuras. Como se discutió anteriormente, la masa térmica de un edificio se calienta durante todo el día; luego, por la noche, la masa térmica libera su calor de nuevo en la habitación. Los sistemas fotovoltaicos pueden enviar el exceso de electricidad a la red eléctrica local o almacenar la energía en baterías recargables.
Estas tecnologías de almacenamiento han aumentado la viabilidad de aumentar la dependencia del país de la energía solar, pero todavía hay pros y contras para abordar a medida que trabajamos con este fin.
Ventajas
Una gran ventaja del uso de la energía solar es que es un recurso renovable. Tendremos un suministro constante e ilimitado de luz solar durante otros 5 mil millones de años.
No se necesita combustible, lo que significa que el equipo de tecnología solar es limpio. No hay emisión de gases de efecto invernadero ni materiales tóxicos. El uso de energía solar puede reducir drásticamente nuestro impacto en el medio ambiente y ahorrar dinero.
Hay lugares prácticos donde la energía solar es una opción atractiva. Las casas y edificios en áreas con altas cantidades de luz solar y baja cobertura de nubes tienen la oportunidad de aprovechar la abundante energía del sol.
Las cocinas solares proporcionan una excelente alternativa a la cocina con estufas de leña para 2 mil millones de personas. Las cocinas solares proporcionan una forma más limpia y segura de desinfectar el agua y cocinar los alimentos.
La energía solar es una gran adición a la lista de otras fuentes de energía renovables como la energía eólica o hidroeléctrica.
Los hogares o negocios que instalan paneles solares en realidad pueden producir exceso de electricidad. Estos propietarios de viviendas o dueños de negocios pueden vender energía al proveedor de electricidad, reduciendo o incluso eliminando las facturas de energía.
Desventajas
Aunque los costos de los equipos de tecnología solar han disminuido en la última década, todavía son caros. Actualmente, el costo promedio de comprar e instalar el equipo es de casi $20,000 dólares para hogares individuales e incluso más para empresas dependiendo del tamaño de la instalación.
A pesar de eliminar las facturas de electricidad, y el gobierno a menudo ofreciendo impuestos reducidos a las personas y empresas que usan energía solar, el costo inicial sigue siendo demasiado alto para que muchos lo consideren.
El equipo de energía solar es extremadamente pesado. Para modernizar o instalar paneles solares en el techo de un edificio, el techo debe ser fuerte, grande y orientado hacia el camino del sol, lo que a menudo significa altos costos de remodelación.
Tanto la tecnología solar activa como la pasiva dependen de la luz solar abundante y constante. Las áreas locales deben ser estudiadas para determinar si la energía solar sería efectiva o no en esa área.
Controles de máquinas eléctricas durante más de cuatro décadas
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