¿Qué es la energía solar?
La energía solar consiste en aprovechar la energía del sol que llega a la superficie terrestre directamente en forma de calor o convertirla en electricidad a través de células fotovoltaicas. La célula fotovoltaica estándar es el medio más eficiente para aprovechar la energía del sol. Cuando se utiliza la energía solar directamente como calor del sol, un reflector solar concentra la energía térmica del sol en un punto. Puede utilizarse para hacer funcionar turbinas de vapor y generar electricidad.
La energía solar se considera una de las fuentes de energía más limpias. A lo largo de los años, el aprovechamiento de la energía solar ha crecido para aumentar la autosuficiencia, reducir el uso de combustibles fósiles y mejorar la sostenibilidad del ecosistema global.
- ¿Cómo funciona la energía solar?
- Conceptos básicos de las células fotovoltaicas
- ¿Qué tan eficientes son los paneles solares?
- Conceptos básicos del diseño de sistemas fotovoltaicos solares
- Energía solar-térmica concentrada
- Resumen
¿Cómo funciona la energía solar?
La energía de la luz solar que llega a la Tierra en una hora y media es suficiente para abastecer de energía a todo el planeta durante un año. La tecnología solar se utiliza para aprovechar esta energía y convertirla en una forma de energía utilizable. La electricidad solar generada puede almacenarse en baterías o en almacenamiento térmico.
Toda la energía solar procede de la radiación solar emitida por el sol. Aunque todos los lugares de la Tierra reciben algo de luz solar, la cantidad de radiación solar varía en todo el mundo. La tecnología solar se utiliza para convertir esta radiación en energía útil. Puede aprovecharse mediante células fotovoltaicas en convertidores solares-térmicos.
Conceptos básicos de las células fotovoltaicas
Las células fotovoltaicas son el método más común para aprovechar la energía solar. Cuando el sol incide sobre un panel solar, las células fotovoltaicas lo absorben y lo convierten en electricidad. Una sola célula fotovoltaica puede generar aproximadamente 1 vatio de potencia. Estas células suelen tener un grosor inferior al de un cabello humano. Se colocan entre una cubierta de cristal y una base de plástico para hacerlas duraderas para uso exterior.
Las células fotovoltaicas se combinan en una cadena para formar un único panel solar. Estos paneles pueden utilizarse individualmente o conectarse para formar un conjunto solar. Un conjunto solar puede conectarse a la red como sistema fotovoltaico. Dado que es modular, un sistema fotovoltaico puede ampliarse para satisfacer las demandas de cualquier hogar, por grande o pequeño que sea.
Los paneles fotovoltaicos y los conjuntos solares son una parte de un sistema fotovoltaico. Un sistema completo incluirá soportes para los paneles y otros componentes que convierten la energía solar de CC a CA utilizada por los electrodomésticos del hogar.
En EE. UU., los mayores sistemas fotovoltaicos se encuentran en el estado de California. Esto se debe a que el estado tiene abundante sol y una política favorable a la energía solar. En consecuencia, tiene una de las industrias solares más desarrolladas de EE. UU. Por ejemplo, la central fotovoltaica Solar Star de California produce 579 MW de energía, mientras que la granja solar Topaz produce 550 MW de energía.
¿Qué tan eficientes son los paneles solares?
La eficiencia de una celda fotovoltaica es la cantidad de energía solar que puede convertir en energía utilizable. Mejorar la eficiencia de las celdas fotovoltaicas es un objetivo principal de los investigadores de todo el mundo. Esto mejorará la competitividad de costos de la energía solar en comparación con las fuentes de energía convencionales. Varios factores afectan la eficiencia de las celdas fotovoltaicas solares. Ellos son:
- Longitud de onda
La luz se compone de fotones; paquetes de energía que existen en diferentes longitudes de onda. La luz solar tiene longitudes de onda variables que van desde el UV a lo visible y al infrarrojo. Cuando la luz llega a la superficie de una célula solar, algunos de los fotones la atraviesan, mientras que otros se reflejan. Solo una parte de los fotones se absorbe para crear electricidad.
- Recombinación
La corriente fluye a través de los semiconductores cuando los electrones fluyen a través de ellos. Sin embargo, dentro de un semiconductor, existen huecos, que son la ausencia de electrones. A veces, los huecos y los electrones se encuentran y se anulan. A veces, se anulan entre sí y generan un fotón, y a veces, se encuentran con una impureza que interfiere con el flujo de corriente, generando calor en su lugar.
- Temperatura
Las células solares funcionan mejor a temperaturas más bajas. A altas temperaturas, las propiedades de los semiconductores cambian, lo que provoca un ligero aumento de la corriente y una menor tensión. Los cambios extremos de temperatura pueden dañar las células y otros materiales.
- Reflexión
El silicio sin tratar refleja más del 30% de toda la luz incidente. Una forma de mitigar este problema es el uso de recubrimientos antirreflectantes y superficies texturizadas.
Conceptos básicos del diseño de sistemas fotovoltaicos solares
Un sistema fotovoltaico solar se compone de varios componentes además de los paneles solares. Estos componentes son:
Estructura de montaje
La estructura de montaje o bastidor es donde se colocan los paneles solares. Tiene que ser estable, duradero y ligero, para facilitar su colocación en un tejado. Además, tiene que ser resistente a la corrosión y soportar los elementos durante décadas.
El bastidor inclina los paneles solares en la dirección más eficiente para maximizar la cantidad de energía solar que reciben. Se utilizan varios cálculos como la elevación, la latitud, los requisitos de carga y la topografía para determinar la dirección óptima. Por ejemplo, en el hemisferio norte, los conjuntos solares se orientan hacia el sur para maximizar la energía solar recibida.
Los conjuntos solares también pueden montarse en el suelo. Cuando se utiliza el montaje en el suelo, se puede añadir un mecanismo de seguimiento que girará los paneles para seguir al sol a través del cielo, lo que aumenta la eficiencia de todo el sistema. Puede ser un seguidor de un eje que se mueve de este a oeste o un sistema de dos ejes que apunta directamente al sol a todas las horas del día. Un sistema de seguimiento, naturalmente, costará más.
Sistemas solares integrados
Se puede integrar un conjunto solar en el edificio sin necesidad de usar bastidores. Por ejemplo, podría formar parte del tejado, las ventanas o la fachada del edificio. El objetivo es mejorar la eficiencia de la cadena de suministro utilizando las estructuras de construcción existentes para reducir los costos. Un conjunto solar de este tipo puede alimentar las luces, los motores y los sensores de un edificio. Sin embargo, todavía existen barreras técnicas y comerciales para la adopción generalizada de sistemas solares integrados.
Inversores
Los inversores convierten la corriente continua de los paneles solares en corriente alterna, que se utiliza para la transmisión local. La corriente alterna también es la energía que utilizan la mayoría de los electrodomésticos en los hogares. Un sistema fotovoltaico puede tener un único inversor que convierte la energía del conjunto solar o microinversores debajo de cada panel solar. Un único inversor cuesta menos. Sin embargo, los microinversores pueden ser más eficientes, especialmente si existe el riesgo de que uno de los paneles solares quede sombreado. Los inversores tienen una vida útil de unos diez años. Después de eso, deben reemplazarse.
Los inversores inteligentes permiten la comunicación bidireccional entre los inversores y la empresa de servicios públicos. Esto puede ayudar a equilibrar la oferta y la demanda, proporcionando a la empresa de servicios públicos información sobre la oferta y la demanda de sus clientes. Como resultado, podría ayudar a aumentar la estabilidad de la red y reducir la aparición de apagones.
Almacenamiento
Las baterías permiten almacenar la energía solar fotovoltaica, de modo que la energía pueda utilizarse en el hogar cuando no haya luz solar. Las empresas de servicios públicos también utilizan baterías para almacenar energía. A medida que los clientes suministran energía solar a la red, las baterías almacenan parte de ella para enviársela a los clientes más tarde. El uso de baterías podría ayudar a estabilizar y modernizar las redes eléctricas.
Energía solar-térmica concentrada
La energía solar térmica concentrada (CSP) es un sistema que se basa en espejos para concentrar la energía solar en un punto donde se convierte en calor. El calor se utiliza para producir vapor que puede impulsar turbinas para generar electricidad.
La energía solar térmica puede utilizarse para diversas aplicaciones industriales además de la generación de electricidad. Por ejemplo, puede utilizarse para la desalinización de agua, la recuperación mejorada de petróleo, la producción de productos químicos, el procesamiento de minerales y el procesamiento de alimentos.
Los sistemas CSP se utilizan para generar energía para proyectos a escala de servicios públicos. Las plantas se pueden construir en varias configuraciones. La torre de energía es el sistema más común. Implica la construcción de espejos que rodean una torre central, que recibe energía solar. También existe un sistema lineal donde los espejos concentran el calor en receptores de tubos paralelos sobre ellos.
También se puede instalar un pequeño sistema CSP donde se necesite la energía. Por ejemplo, un solo plato puede producir hasta 25 KW de potencia para aplicaciones distribuidas.
Resumen
La energía solar ha crecido en popularidad en todo el mundo en los últimos años. Se estima que se han instalado más de 109 GW de capacidad solar en EE. UU., lo que puede abastecer a 18,9 millones de hogares. En la última década, la industria solar de EE. UU. ha experimentado un crecimiento de alrededor del 42% anual. Con más empresas que ofrecen soluciones de energía solar a hogares y negocios, la instalación de energía solar nunca ha sido tan fácil y asequible.
