energía solar

Energía solar

La energía solar es cualquier tipo de energía generada por el sol.

La energía solar se produce por fusión nuclear que se produce en el sol. La fusión 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 de PP (protón-protón), emite una enorme cantidad de energía. En su núcleo, el sol derrite alrededor de 620 millones de toneladas de hidrógeno por segundo. La reacción en cadena del PP ocurre en otras estrellas que son aproximadamente del tamaño de nuestro sol y les proporcionan energía y calor continuos. La temperatura de estas estrellas es de aproximadamente 4 millones de grados en la escala Kelvin (aproximadamente 4 millones de grados Celsius, 7 millones de grados Fahrenheit).

En estrellas que son aproximadamente 1.3 veces más grandes que el sol, el ciclo CNO impulsa la creación de energía. El ciclo de CNO también convierte el hidrógeno en helio, pero depende del carbono, nitrógeno y oxígeno (C, N y O) para hacerlo. Actualmente, menos del 2% de la energía solar es creada por el ciclo CNO.

La fusión nuclear que utiliza la reacción en cadena del PP o el ciclo CNO libera enormes cantidades de energía en forma de ondas y partículas. La energía solar fluye constantemente lejos del sol y por todo el sistema solar. La energía solar calienta la Tierra, genera viento y clima, y ​​sustenta la vida vegetal y animal.

La energía, el calor y la luz del sol fluyen en forma de radiación electromagnética.

El espectro electromagnético existe como ondas de diferentes frecuencias y longitudes de onda. La frecuencia de una onda representa cuántas veces se repite la onda en una determinada unidad de tiempo. Las ondas con longitudes de onda muy cortas se repiten varias veces en una unidad de tiempo determinada, por lo que son de alta frecuencia. Por el contrario, las ondas de baja frecuencia tienen longitudes de onda mucho más largas.

La gran mayoría de ondas electromagnéticas son invisibles para nosotros. Las ondas de alta frecuencia que emite el sol son los rayos gamma, los rayos X y la radiación ultravioleta (rayos UV). Los rayos ultravioleta más dañinos son absorbidos casi por completo por la atmósfera terrestre. Los rayos ultravioleta menos potentes viajan a través de la atmósfera y pueden causar quemaduras solares.

El sol también emite radiación infrarroja, cuyas ondas son de frecuencia mucho más baja. La mayor parte del calor del sol viene en forma de energía infrarroja.

Intercalado entre infrarrojos y UV está el espectro visible, que contiene todos los colores que vemos en la Tierra. El rojo tiene las longitudes de onda más largas (la más cercana al infrarrojo) y el violeta (la más cercana a los rayos ultravioleta) la más corta.

Efecto invernadero

Las ondas infrarrojas, visibles y ultravioleta que llegan a la Tierra participan en un proceso de calentamiento del planeta que hace posible la vida, el llamado «efecto invernadero».

Aproximadamente el 30% de la energía solar que llega a la Tierra se refleja en el espacio. El resto se absorbe en la atmósfera terrestre. La radiación calienta la superficie de la tierra y la superficie devuelve parte de la energía en forma de ondas infrarrojas. A medida que ascienden por la atmósfera, son interceptados por gases de efecto invernadero, como el vapor de agua y el dióxido de carbono.
Los gases de efecto invernadero atrapan el calor que se refleja en la atmósfera. De esta forma se comportan como las paredes de cristal de un invernadero. Este efecto invernadero mantiene la Tierra lo suficientemente caliente como para sustentar la vida.

Fotosíntesis

Casi toda la vida en la Tierra depende de la energía solar para alimentarse, directa o indirectamente.

Los fabricantes dependen directamente de la energía solar. Absorben la luz solar y la convierten en nutrientes a través de un proceso llamado fotosíntesis. Los productores, también llamados autótrofos, incluyen plantas, algas, bacterias y hongos. Los autótrofos son la base de la red alimentaria.

Los consumidores dependen de los productores para obtener nutrientes. Los herbívoros, carnívoros, omnívoros y detritívoros dependen indirectamente de la energía solar. Los herbívoros comen plantas y otros productores. Los carnívoros y omnívoros comen tanto productores como herbívoros. Los detritívoros descomponen la materia vegetal y animal al consumirla.

Combustibles fósiles

La fotosíntesis también es responsable de todos los combustibles fósiles de la Tierra. Los científicos estiman que hace unos 3.000 millones de años, los primeros autótrofos evolucionaron en entornos acuáticos. La luz del sol permitió que la vida vegetal prosperara y evolucionara. Después de que los autótrofos murieron, se descompusieron y se adentraron más en la Tierra, a veces miles de metros. Este proceso ha continuado durante millones de años.

Bajo intensa presión y altas temperaturas, estos restos se han convertido en lo que conocemos como combustibles fósiles. Los microorganismos se han convertido en petróleo, gas natural y carbón.

La gente ha desarrollado procesos para extraer estos combustibles fósiles y utilizarlos como energía. Sin embargo, los combustibles fósiles son un recurso no renovable. Se necesitan millones de años para formarse.

Aprovechamiento de la energía solar

La energía solar es un recurso renovable y muchas tecnologías pueden recolectarla directamente para su uso en hogares, empresas, escuelas y hospitales. Algunas tecnologías de energía solar incluyen células y paneles fotovoltaicos, energía solar concentrada y arquitectura solar.

Hay varias formas de capturar la radiación solar y convertirla en energía utilizable. Los métodos utilizan energía solar activa o energía solar pasiva.

Las tecnologías solares activas utilizan dispositivos eléctricos o mecánicos para convertir activamente la energía solar en otra forma de energía, generalmente calor o electricidad. Las tecnologías solares pasivas no utilizan dispositivos externos. En cambio, aprovechan el clima local para calentar las estructuras durante el invierno y reflejar el calor durante el verano.

Fotovoltaica

La energía fotovoltaica es una forma de tecnología solar activa descubierta en 1839 por el físico francés Alexandre-Edmond Becquerel, de 19 años. Becquerel descubrió que cuando ponía cloruro de plata en una solución ácida y lo exponía a la luz solar, los electrodos de platino adheridos generaban una corriente eléctrica. Este proceso de generación de electricidad directamente a partir de la radiación solar se denomina efecto fotovoltaico o fotovoltaico.
Hoy en día, la energía fotovoltaica es probablemente la forma más familiar de aprovechar la energía solar. Las matrices fotovoltaicas generalmente involucran paneles solares, una colección de docenas o incluso cientos de células solares.

Cada celda solar contiene un semiconductor, generalmente silicio. Cuando el semiconductor absorbe la luz solar, libera electrones. Un campo eléctrico dirige estos electrones sueltos hacia una corriente eléctrica, que fluye en una dirección. Contactos de metal en la parte superior e inferior de una celda solar directa a un objeto externo. El objeto externo puede ser tan pequeño como una calculadora con energía solar o tan grande como una planta de energía.

La energía fotovoltaica se utilizó ampliamente por primera vez en naves espaciales. Muchos satélites, incluida la Estación Espacial Internacional, están equipados con grandes «alas» reflectantes de paneles solares. La ISS tiene dos alas de paneles solares (SAW), cada una de las cuales utiliza aproximadamente 33.000 células solares. Estas células fotovoltaicas proporcionan toda la electricidad a la ISS, lo que permite a los astronautas utilizar la estación, vivir de forma segura en el espacio durante meses y realizar experimentos científicos y de ingeniería.

Se han construido plantas de energía fotovoltaica en todo el mundo. Las estaciones más grandes se encuentran en Estados Unidos, India y China. Estas plantas de energía emiten cientos de megavatios de electricidad, que se utilizan para alimentar hogares, empresas, escuelas y hospitales.

La tecnología fotovoltaica también se puede instalar a pequeña escala. Los paneles y células solares se pueden unir a los techos o paredes externas de los edificios, proporcionando electricidad a la estructura. Se pueden colocar a lo largo de carreteras para iluminar carreteras. Las células solares son lo suficientemente pequeñas como para alimentar dispositivos aún más pequeños, como calculadoras, parquímetros, compactadores de basura y bombas de agua.

Energía solar concentrada

Otro tipo de tecnología solar activa es la energía solar concentrada (CSP). La tecnología CSP utiliza lentes y espejos para enfocar (concentrar) la luz solar de un área grande a un área mucho más pequeña. Esta intensa zona de radiación calienta un fluido, que a su vez genera electricidad o alimenta otro proceso.

Los hornos solares son un ejemplo de energía solar concentrada. Hay muchos tipos diferentes de hornos solares, incluidas las torres de energía solar, los colectores cilindro parabólicos y los reflectores de Fresnel. Utilizan el mismo método general de captura y conversión de energía.

Las torres de energía solar utilizan heliostatos, espejos planos que giran para seguir el arco del sol a través del cielo. Los espejos están dispuestos alrededor de una «torre de reunión» central y reflejan la luz solar en un haz de luz concentrado que brilla en un punto focal de la torre.

En diseños anteriores de torres solares, la luz solar concentrada calentaba un recipiente de agua, que producía vapor que alimentaba una turbina. Más recientemente, algunas torres de energía solar utilizan sodio líquido, que tiene una mayor capacidad calorífica y retiene el calor durante un período de tiempo más largo. Esto significa que el fluido no solo alcanza temperaturas de 773 a 1273 K (500 a 1000 ° C o de 932 a 1832 ° F), sino que puede continuar hirviendo agua y generar energía incluso cuando el sol no brilla.

Los canales parabólicos y los reflectores de Fresnel también utilizan CSP, pero sus espejos tienen una forma diferente. Los espejos parabólicos son curvos, con una forma similar a un sillín. Los reflectores Fresnel utilizan tiras de espejo planas y delgadas para capturar la luz solar y dirigirla hacia un tubo de líquido. Los reflectores de Fresnel tienen una superficie más grande que los canales parabólicos y pueden concentrar la energía del sol a unas 30 veces su intensidad normal.

Las plantas de energía solar de concentración se desarrollaron por primera vez en la década de 1980. La estructura más grande del mundo es una serie de plantas en el desierto de Mojave de California. Este sistema de generación de energía solar (SEGS) genera más de 650 gigavatios hora de electricidad cada año. En España e India se han desarrollado otras plantas grandes y eficaces.
La energía solar concentrada también se puede utilizar a pequeña escala. Por ejemplo, puede generar calor para cocinas solares. La gente de los pueblos de todo el mundo utiliza estufas solares para hervir el agua de los inodoros y cocinar los alimentos.

Las cocinas solares ofrecen muchas ventajas sobre las estufas de leña: no son un peligro de incendio, no producen humo, no requieren combustible y reducen la pérdida de hábitat en los bosques donde los árboles se cosecharían como combustible. Las estufas solares también permiten a los aldeanos dedicar tiempo a la educación, los negocios, la salud o la familia durante el tiempo que antes se usaba para recolectar leña. Las cocinas solares se utilizan en áreas tan diversas como Chad, Israel, India y Perú.

Arquitectura solar

Durante el transcurso del día, la energía solar es parte del proceso de convección térmica: el movimiento de calor de un espacio más cálido a uno más frío. Cuando sale el sol, comienza a calentar objetos y material en la Tierra. Durante el día, estos materiales absorben el calor de la radiación solar. Por la noche, cuando el sol se pone y la atmósfera se ha enfriado, los materiales liberan su calor a la atmósfera.

Las técnicas de energía solar pasiva aprovechan este proceso natural de calentamiento y enfriamiento.

Las casas y otros edificios utilizan energía solar pasiva para distribuir el calor de manera eficiente y económica. El cálculo de la «masa térmica» de un edificio es un ejemplo. La masa térmica de un edificio es la mayor parte del material calentado durante el día. Ejemplos de masa térmica de un edificio son madera, metal, hormigón, arcilla, piedra o barro. Por la noche, la masa térmica libera su calor en la habitación. Los sistemas de ventilación efectivos (pasillos, ventanas y conductos de aire) distribuyen el aire caliente y mantienen una temperatura interna moderada y constante.

La tecnología solar pasiva suele estar involucrada en el diseño de un edificio. Por ejemplo, en la etapa de planificación de la construcción, el ingeniero o arquitecto puede alinear el edificio con la trayectoria diaria del sol para recibir cantidades deseables de luz solar. Este método tiene en cuenta la latitud, la altitud y la nubosidad típica de un área específica. Además, los edificios se pueden construir o adaptar para tener aislamiento térmico, masa térmica o sombreado adicional.

Otros ejemplos de arquitectura solar pasiva son los techos fríos, las barreras radiantes y los techos verdes. Los techos fríos están pintados de blanco y reflejan la radiación solar 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 necesaria para enfriar el edificio.

Las barreras radiantes funcionan de manera similar a los techos fríos. Proporcionan aislamiento con materiales altamente reflectantes, como el papel de aluminio. La película refleja en lugar de absorber calor 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.

Los techos verdes son techos que están completamente cubiertos de vegetación. Requieren tierra e irrigación para sostener las plantas y una capa impermeable subyacente. Los techos verdes no solo reducen la cantidad de calor absorbido o perdido, sino que también proporcionan vegetación. Mediante la fotosíntesis, las plantas en los techos verdes absorben dióxido de carbono y emiten oxígeno. Filtran los contaminantes del agua de lluvia y el aire y compensan algunos de los efectos del uso de energía en ese espacio.

Los techos verdes han sido una tradición en Escandinavia durante siglos y recientemente se han vuelto populares en Australia, Europa Occidental, Canadá y Estados Unidos. Por ejemplo, Ford Motor Company cubrió 42,000 pies cuadrados de los techos de sus plantas de ensamblaje en Dearborn, Michigan con vegetación. Además de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, los techos reducen la escorrentía de agua de lluvia al absorber varias pulgadas de lluvia.
Incluso los techos verdes y los techos frescos pueden contrarrestar el efecto de “isla de calor urbano”. En las ciudades concurridas, la temperatura puede ser constantemente más alta que en las áreas circundantes. A ello contribuyen muchos factores: las ciudades se construyen con materiales como asfalto y hormigón que absorben el calor; los edificios altos bloquean el viento y sus efectos refrescantes; y la industria, el tráfico y una gran población generan grandes cantidades de calor residual. Usar el espacio disponible en el techo para plantar árboles o reflejar el calor con techos blancos puede aliviar parcialmente los aumentos de temperatura local en las áreas urbanas.

Ventajas y desventajas de la energía solar

Dado que la luz solar solo brilla durante aproximadamente la mitad del día en la mayor parte del mundo, las tecnologías de energía solar deben incluir métodos para almacenar energía durante las horas de oscuridad.

Los sistemas de masa térmica utilizan parafina o diversas formas de sal para almacenar energía en forma de calor. Los sistemas fotovoltaicos pueden enviar el exceso de electricidad a la red eléctrica local o almacenar la energía en baterías recargables.

Hay muchos pros y contras de utilizar energía solar.

Ventajas

Uno de los principales beneficios del uso de energía solar es que es un recurso renovable. Tendremos un suministro constante e ilimitado de luz solar durante otros 5 mil millones de años. En una hora, la atmósfera de la Tierra recibe suficiente luz solar para alimentar las necesidades eléctricas de cada ser humano en la Tierra durante un año.

La energía solar es limpia. Una vez que se construye e instala el equipo de tecnología solar, la energía solar no necesita combustible para funcionar. Tampoco emite gases de efecto invernadero ni materiales tóxicos. El uso de energía solar puede reducir drásticamente el impacto que tenemos en el medio ambiente.

Hay lugares donde la energía solar es práctica. Las casas y los edificios en áreas con una gran cantidad de luz solar y poca nubosidad tienen la oportunidad de aprovechar la abundante energía del sol.

Las cocinas solares proporcionan una excelente alternativa a cocinar con estufas de leña, de las que todavía dependen 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 complementa otras fuentes de energía renovable, como la eólica o la hidroeléctrica.

Los hogares o empresas que instalan paneles solares con éxito pueden producir un exceso de electricidad. Estos propietarios de viviendas o negocios pueden revender la energía al proveedor de electricidad, reduciendo o incluso eliminando sus facturas de electricidad.

Desventajas

El principal impedimento para el uso de energía solar es el equipo necesario. El equipo de tecnología solar es caro. La compra e instalación del equipo puede costar decenas de miles de euros para viviendas individuales. Si bien el gobierno a menudo ofrece impuestos e incentivos reducidos a las personas y empresas que utilizan energía solar y tecnología que puede eliminar las facturas de electricidad, el costo inicial es demasiado alto para que muchos lo consideren.

Los equipos que funcionan con energía solar también son pesados. Para poder modernizar o instalar paneles solares en el techo de un edificio, el techo debe ser fuerte, ancho y orientado hacia la trayectoria del sol.

Tanto la tecnología solar activa como la pasiva dependen de factores que están fuera de nuestro control, como el clima y la cobertura de nubes. Es necesario estudiar las áreas locales para determinar si la energía solar sería efectiva en esa área.

La luz solar debe ser abundante y constante para que la energía solar sea una opción eficiente. En la mayoría de los lugares de la Tierra, la variabilidad de la luz solar dificulta su implementación como única fuente de energía.

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