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El sol provee: Una introducción sencilla a la energía solar

¿Dónde quedaron las buenas costumbres de adorar la energía solar?

Creo yo que los egipcios, los mesopotámicos, y los incas tenían la idea correcta al venerar, de alguna forma u otra, al sol.

Honestamente, es gracias a este astro que estamos vivos. El sol nos otorga una infinidad de recursos:

  • Luz
  • Calor
  • Alimenta a las plantas y, en consecuencia, al resto del mundo.
  • Permite que la tierra tenga una temperatura perfecta para la vida como la conocemos.
  • Estimula nuestro metabolismo, mejora la circulación, y a nuestro sistema inmune.

Todas estas son grandes razones para que el sol tenga un lugar importante en nuestro corazón, ¿No lo crees?

Y, claro está, aún ni siquiera mencionamos que podemos utilizar su radiación para producir energía eléctrica. 

Aunque ahí parte del crédito nos toca a los humanos.

La tierra pone los recursos, pero fuimos nosotros los que ideamos la forma de aprovecharlos y combinarlos para crear nueva tecnología con el fin de cubrir nuestras necesidades.

Y esto no se limita a la energía solar, pues podemos utilizar una gran variedad de energías renovables a lo largo y ancho del planeta.

Pero, hablando específicamente del sol, es necesario agradecer a Edmond Becquerel, descubridor del efecto fotovoltaico. Sin él, ¿Cómo nos hubiéramos dado cuenta que los rayos del sol pueden crear electricidad

Bueno, eso tal vez sea sobre simplificarlo, pero, de forma abstracta, es lo que sucede dentro de los paneles solares: Reciben luz solar, y como resultado generan electricidad.

¿No es eso increíble?

Ah, pero esa no es la única aplicación tecnológica que hemos descubierto para la energía solar, sino que también podemos recolectarla para calentar agua y utilizarla en nuestra vida diaria.

Piénsalo, la frase bañarse a los rayos del sol adquiere ahora un nuevo significado.

Pero bueno, vayamos al grano… 

¿Qué es la energía solar?

Es el tipo de energía que es generada… Claramente…¡En el sol!. 

Lógico, ¿Cierto? 

¡Pero espera! Resulta más interesante cuando se sabe que el sol, la gran estrella que gobierna nuestro sistema de planetas, es prácticamente una central nuclear.

Sin embargo, esta central gigante no funciona como las que tenemos aquí en la tierra, pues el sol utiliza la fusión nuclear, mientras que nosotros todavía no contamos con tanto avance tecnológico, y seguimos limitados a la fisión.

Hay algunas diferencias fundamentales entre ambas formas de generación, pero sería mejor dejarlas para otra entrada, pues aquí lo que nos interesa es cómo podemos aprovechar los rayos solares cuando llegan a nuestro planeta.

Toda la energía generada dentro del sol viaja a través del espacio en forma de ondas electromagnéticas, recorre unos 152 millones de kilómetros y, después de 8 minutos con 19 segundos, llega a la tierra.

Una vez que está en nuestro planeta, nosotros hemos ideado dos formas principales de aprovecharla:

  • Energía solar fotovoltaica
  • Energía solar térmica

 Las primeras dos se encuentran íntimamente relacionadas con dispositivos tecnológicos que toman los rayos solares y los transforman en electricidad, o en calor, respectivamente.

Aunque ambas formas de energía solar tienen aplicaciones distintas, cada una de ellas representa una oportunidad para que nosotros tomemos acción en contra de la contaminación y el cambio climático.

Si tienes la posibilidad, instalar paneles o colectores solares reducen la huella de carbono que tú, como individuo, generas al utilizar energía.

A continuación te explicamos de forma sencilla cómo funciona cada una de ellas.

Energía Solar Fotovoltaica

Si le pidieran a alguien diseñar el dispositivo de conversión de energía perfecto, resultaría increíblemente difícil crear algo mejor que la tecnología fotovoltaica.

La razón es muy simple: Los paneles solares pueden aprovechar el recurso más abundante de la tierra (la luz solar) y convertirla directamente a la forma de energía más utilizada en el mundo: Electricidad.

Esto es posible gracias al efecto fotovoltaico.

En las siguientes secciones voy a explicar brevemente algunos conceptos un poco más técnicos relacionados con la energía solar. 

Si te interesa conocer la razón física que los hace trabajar, los materiales que les permiten funcionar, y la estructura general de un panel solar, esto será perfecto para ti.

Si en cambio, prefieres la versión corta, puedes dar click aquí para saltar directamente al resumen.

El efecto fotovoltaico

Fotovoltaico significa que genera una fuerza electromotriz cuando se expone a la luz

Esta es la clave cuando hablamos de paneles solares.

La definición puede resultar un poco redundante, ya que únicamente describe lo que la palabra misma nos está diciendo: Donde haya luz, podemos crear electricidad.

Los términos técnicos en ocasiones pueden resultar un poco confusos, sobre todo cuando recién aprendemos de un tema nuevo.

Por fortuna, en este caso el término más raro con el que nos encontraremos es el de Fuerza Electromotriz. 

Para efectos prácticos, la Fuerza Electromotriz (o FEM, en corto), puede considerarse sinónimo de una diferencia de potencial. 

¿Qué es entonces una diferencia de potencial?

Comparémoslo con un ejemplo de la vida cotidiana, para que sea más sencillo visualizar a qué nos referimos:

Las pilas que utilizamos en los juguetes, los controles de la televisión, y los ratones de la computadora, tienen un voltaje, también llamado diferencia de potencial: Son dos formas distintas de nombrar a lo mismo.

Normalmente conocemos a las pilas por nombres como “AA”, “AAA”, “C”, o “D”, y las principales diferencias entre ellas son su capacidad de almacenamiento, y el voltaje que tienen. 

Revisemos por ahora únicamente la parte del voltaje:

  • AA. Voltaje de 1.5 V
  • D. Voltaje de 9 V

De estas, la pila tipo D tiene una mayor diferencia de potencial que todas las demás, por lo tanto, puede realizar un mayor trabajo eléctrico que las pilas de 1.5 V.

¿A qué nos referimos con esto?

Imagina una situación completamente hipotética, en la que tienes 1 foco que necesite 1.5 Volts para encender. Tu pila AA, es de 1.5 V.

¡Perfecto!

Una pila de 1.5 V alcanza para alimentar un foco de 1.5 volts

Ahora, si conectas 6 focos iguales, la pila de 1.5 V no bastaría para alimentarlos a todos. Para solucionarlo, pudieras conectar también 6 pilas AA, o utilizar una única pila de 9 volts.

Una pila de 9 volts alcanza para alimentar hasta 6 focos de 1.5 volts

Entonces, entre mayor sea el voltaje, mayor el efecto que puede generar.

Una comparación común es imaginar que el voltaje es equiparable a la altura a la que colocas un recipiente con agua conectado a través de una manguera hasta el suelo. Entre más alto sitúes el agua (mayor voltaje), habrá mayor presión en la salida de la manguera.

Aquí te dejamos un video que explica el ejemplo anterior de una forma muy amena.

Ahora que sabes lo que es una diferencia de potencial (también llamada Fuerza Electromotriz), será más sencillo entender el efecto fotovoltaico.

Imagina que un panel solar es como una batería que únicamente se prende cuando recibe luz, pero en vez de tener 1.5, ó 9 volts, genera un voltaje de 12, 36, 48, o incluso más volts.

Cada panel tiene un voltaje máximo que puede generar, pero el voltaje real que esté generando en un momento determinado depende de cuánta luz le esté llegando.

Esto sucede gracias a que los paneles solares utilizan materiales conocidos como semiconductores.

A continuación te hablo de ellos.

Materiales semiconductores

Dentro del ámbito de la energía solar, el material semiconductor más común es, sin lugar a dudas, el silicio.

Pero, ¿por qué se llaman semiconductores?

Esto en realidad es sencillo. Se les conoce de esta forma porque, dependiendo de las condiciones bajo las que se encuentre, puede actuar como conductor, o como aislante.

  • Conductor: El mejor ejemplo son los metales. Permiten que la electricidad fluya a través de ellos.
  • Aislante: Algunos ejemplos son la madera, los plásticos, el vidrio. Estos materiales se oponen fuertemente a que la electricidad los atraviese.

Es por esto que el silicio (un material semiconductor), es un elemento tan importante en la construcción de paneles solares.

El silicio tiene la característica de que tiene electrones prácticamente libres. Sólo necesitan un empujoncito para poder romper las ataduras que los mantienen unidos al átomo.

Esta energía la proporciona la luz solar.

La energía que nos manda el sol viaja en forma de fotones, los cuales, si caen sobre un panel solar, pueden “soltar” los electrones en el silicio. Estos, al verse libres, fluyen a través de las conexiones del panel solar, creando electricidad en corriente directa.

Esta corriente directa es la que es utilizada en muchas aplicaciones finales, como para cargar un celular o una computadora.

Sin embargo, si la electricidad debe viajar distancias muy largas, es mejor convertir la corriente directa en corriente alterna.

Paneles solares: Corriente directa vs alterna

Como información previa, lo más importante es que sepas lo siguiente:

 

  • Corriente directa: Es la que suele utilizarse en la mayoría de las aplicaciones residenciales: Cargar dispositivos electrónicos, alimentar un control remoto, o un ratón de computadora inalámbrico.
  • Corriente alterna: Salvo algunas excepciones en el ámbito residencial, este tipo de corriente es mayormente utilizada para la distribución de electricidad a través de largas distancias. Esto se debe a que la corriente alterna genera menos pérdidas en su transporte, comparado con la corriente directa.

 

Por esto, aún cuando los paneles solares generan naturalmente corriente directa, lo más común es que cada sistema solar incluya un inversor.

Este dispositivo se encarga de recibir la corriente directa que generan los paneles, y transformarla a corriente alterna para mover la electricidad del punto en que fue generada, al lugar donde será usada.

Estructura básica de un panel solar

Las partes de un panel solar

Los paneles solares son como un sándwich que consta de varias capas. Cada una de ellas cumple con una función especial y, en conjunto, forman un módulo compacto que nos permite aprovechar la energía solar de la forma que la conocemos hoy en día.

Las partes están acomodadas en este orden:

  • Marco de aluminio: Esta primera capa sirve para mantener unidas a todas las demás. Su función es estructural, pues son el marco y la cubierta posterior los que mantienen unido al módulo.
  • Capa de vidrio: Sirve como tapa del panel, protegiendo así a los módulos fotovoltaicos, impidiendo que entre polvo, lluvia, u otros elementos ajenos. Esta parte debe ser transparente para que los rayos solares puedan entrar y generar electricidad.
  • Encapsulante: Asegura que haya adhesión entre los módulos solares y la superficie protectora (la capa de vidrio)
  • Celdas solares: Aquí es donde sucede la magia. Como ya hemos explicado, reciben luz solar y la transforman en electricidad.
  • Encapsulante: Cumple la misma función que el encapsulante anterior, pero esta vez busca que los módulos se adhieran a la cubierta posterior.
  • Cubierta posterior: Existe para mantener sellado el panel, protegiéndolo de polvo, agua, y elementos contaminantes.
  • Caja de conexiones: Los módulos fotovoltaicos terminan conectados aquí. De esta caja salen los cables de donde se puede obtener la energía eléctrica.

Últimos detalles: Transmitiendo la energía

Como revisamos más arriba, los paneles solares generan electricidad en forma de corriente directa. 

Esto es genial si planeas utilizar esta energía exactamente en el sitio donde es generado. Sin embargo, esto normalmente no sucede, sino que la electricidad debe viajar cierta distancia hasta llegar al lugar donde será usada.

Para poder transportar la electricidad de forma eficiente, se utiliza un inversor.

Este dispositivo es vital en cualquier sistema solar, ya recibe la energía de todos los paneles solares en corriente directa, y la convierte en corriente alterna.

Es importante el uso de un inversor tanto para granjas solares en el medio del desierto, como para instalaciones domésticas en el techo de tu casa.

Solo así puedes asegurar que recibes tu energía solar de la forma más eficiente y efectiva posible.

En resumen: Energía solar fotovoltaica

Para cerrar esta sección, les resumimos los puntos claves de la energía solar fotovoltaica:

  • Un panel solar recibe energía solar en forma de luz y, la convierte en electricidad que se encuentra en corriente directa.
  • Esta transformación es posible gracias al uso de materiales semiconductores, como el silicio.
  • Ciertos materiales semiconductores aprovechan el efecto fotovoltaico: Usan la energía contenida en los rayos de sol para liberar algunos de sus electrones, que son los que generan la corriente eléctrica del panel.
  • La corriente directa es introducida a un inversor, el cual la transforma en corriente alterna para poder transportarla de forma eficiente.

Energía solar térmica

¿Alguna vez has vivido un día realmente frío, en el que tu único consuelo era ponerse bajo al sol esperando calentarte?

Si tu respuesta fue afirmativa, entonces eres consciente de la capacidad que tienen los rayos de luz para proveer energía calorífica.

Este calor puede ser aprovechado de varias maneras, pero se pueden clasificar en dos grandes grupos, dependiendo la temperatura con la que se desea trabajar.

Veamos un poco sobre cada uno de ellos.

Alta temperatura

Dentro de este rango se utilizan temperaturas a partir de 200 °C, llegando en ocasiones a superar los 1 500 °C.

¿Para qué se requiere que sean tan altas?

Existen dos usos principales para este rango de temperaturas:

  • Procesos industriales
  • Generación de energía eléctrica

Al hablar de procesos industriales, se suele utilizar la energía solar para generar vapor de agua de alta temperatura que, una vez generado, puede ser usado realmente para varias situaciones distintas.

La aplicación específica dependerá de la industria que lo esté utilizando.

Por otro lado, la generación de energía eléctrica se puede lograr también usando vapor de agua, pero en ocasiones resulta más eficiente calentar otro tipo de gas o, incluso, mezclas de líquidos con sales.

Estos últimos son los que logran alcanzar las temperaturas más altas.

Dejando de lado el uso final de esta tecnología, resulta realmente interesante descubrir cómo se hace para alcanzar temperaturas tan, tan altas.

Estamos de acuerdo en que ningún lugar del mundo, por caliente que sea, alcanza naturalmente temperaturas en exceso de 1 000 °C, ¿No?

Esto es porque la energía solar que cae sobre la tierra se encuentra muy dispersa. La solución para esto es concentrarla en un solo punto.

¿Cómo se logra esto? Muy sencillo.

Con espejos.

Hay muchas configuraciones distintas para la energía termosolar de alta temperatura, pero la característica común entre todas ellas es la misma:

Usan espejos distribuidos sobre un área de tierra extensa, y hacen que todos concentren la energía solar en un mismo punto. 

Puede ser una torre central, una tubería, o algún otro elemento que soporte la temperatura deseada, el cual luego será usado para calentar un fluido de trabajo.

Lo que se haga después que se calienta el fluido, o se genera vapor, depende de cada sistema en particular, pero lo que les acabo de mencionar es el esquema general de trabajo de estas plantas.

Baja temperatura

Alcanzando temperaturas menores a los 90 °C, la energía termosolar de rango bajo puede ser utilizada en hogares, comercios, e industrias por igual.

Si lo que se desea es agua caliente para bañarse, lavarse las manos, o algún proceso que no necesite altas temperaturas, la solución ideal son los colectores solares.

Por otro lado, se puede aprovechar el calor del sol de forma pasiva, manteniendo temperaturas confortables dentro de los edificios.

En estos casos, no se requieren grandes inventos, ni tecnología de punta, sino que resulta más importante un diseño adecuado, así como seleccionar los materiales correctos.

Veamos con más detalle cada uno de estas aplicaciones.

Colectores solares

La principal función de estos dispositivos es muy sencilla:

Calentar agua.

Una vez que este líquido se encuentra caliente, puede ser utilizado dentro de tu casa de la misma forma que el agua que sale de una caldera convencional.

Abres la llave para lavarte las manos, y automáticamente obtienes agua caliente, cortesía de tu amigo el sol.

¿Cómo se logra esto?

La forma más sencilla, utilizada hace muchos años, es simplemente tener un tanque de agua detrás de una ventana. Esto cumple dos funciones:

  • Permite que entren los rayos solares, los cuales traen consigo la energía térmica que queremos aprovechar.
  • Evita que se escape el calor, creando así una reserva de agua a una temperatura mayor a la del ambiente.

Hoy, existen dispositivos especializados para cumplir esta función. Añaden algunos otros detalles y son un poco más técnicos, pero el principio básico es el mismo.

Se llaman colectores solares.

Existen, principalmente, dos tipos de colectores, los de placa plana, y los de tubos al vacío.

Colectores de placa plana

Componentes de un colector solar de placa plana

Componentes de un colector solar de placa plana:

  • Cubierta transparente. Permite que entre la radiación solar, y mantiene atrapado el calor.
  • Placa negra absorbedora. Es usada para capturar toda la radiación solar posible. Los colores oscuros son mejores para esta función, por eso se utiliza una placa de color negro.
  • Aislante. Evita pérdidas de calor en la parte posterior del colector solar.
  • Flujo de agua. Es un sistema de tuberías por donde entra agua fría, y absorbe el calor almacenado. A la salida se obtiene agua caliente.
  • Caja. Simplemente es la estructura que contiene al resto de los elementos.

Colectores de tubos al vacío

Componentes de un colector de tubos de vacío

Estos colectores alcanzan temperaturas más altas, porque disminuyen al máximos las pérdidas de calor.

Componentes de un colector con tubos al vacío:

  • Tubo de cristal al vacío. Como no tiene aire dentro de él, minimiza las pérdidas, porque el calor se mueve más rápido cuando hay algo de masa que lo ayude.
  • Lámina absorbedora con cubierta selectiva. Esta cubierta especial logra distinguir entre los distintos componentes de las ondas electromagnéticas: Permite que entre la radiación solar, pero bloquea la salida del calor infrarrojo, manteniendo caliente el sistema por más tiempo.
  • Tubería evaporadora. Contiene un líquido a una presión tal que hierva y se evapore gracias al calor absorbido, pero que se condense cuando transfiera calor al flujo de agua.
  • Condensador. Es el punto donde se almacena el vapor generado en la tubería. Esta es la parte que está en contacto con el agua, calentándola.
  • Flujo de agua. Es el líquido que entra frío y absorbe calor cuando toca los condensadores. Al final sale con una temperatura mayor.
  • Tapa. Sella el sistema para que se mantenga al vacío.

 

Calefacción solar pasiva

La última forma de aprovechar el calor del sol, como ya hemos mencionado, no utiliza ni tecnología fotovoltaica, ni tubos al vacío.

En lugar de esto, se basa en técnicas de construcción que aprovechan al máximo el calor solar en las temporadas que hace frío, y lo rechazan cuando haga calor.

Hay que mencionar que la calefacción solar pasiva es utilizada principalmente en edificios, con el único propósito de mantener una temperatura adecuada para sus usuarios.

Esto permite que haya un clima agradable durante todo el año, sin necesidad de utilizar climatización artificial.

Para que te des una idea de como funciona, es importante conocer algunos puntos que se toman en cuenta para aprovechar efectivamente el sol de forma pasiva:

  • Ubicación del edificio
  • Inclinación del sol a lo largo del año
  • Temperaturas máximas y mínimas
  • Usar materiales que cambien lentamente su temperatura
  • Instalación de un aislante térmico mejor que el promedio
  • Utilizar ventanas de doble capa y, si es necesario, triple capa.
Ejemplo de energía solar pasiva

Si juntas los elementos anteriores, y los interpretas correctamente, puedes crear un diseño que aproveche el calor solar en las temporadas más frías del año, y que a la vez se mantenga fresco en los meses cálidos.

En conclusión...

El sol es una fuente de energía muy diversa. 

Los seres humanos hemos descubierto varias formas de aprovecharla para obtener energía eléctrica: Utilizando el efecto fotovoltaico, y concentrando el calor para alcanzar muy altas temperaturas, las cuales permiten impulsar plantas generadoras similares a las de combustibles fósiles.

También podemos utilizar el calor del sol en aplicaciones de baja temperatura, sobretodo para obtener agua caliente, aunque también hemos creado técnicas para usarlo de forma pasiva en la climatización de espacios.

Esto viene a demostrar la gran versatilidad que tienen las energías renovables, y abre la puerta a nuevos avances y descubrimientos que impulsarán a la sociedad a la vez que cuidan el medio ambiente.

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