La energía solar se refiere a la energía radiante derivada de la luz y el calor del Sol, que se puede capturar mediante diversas tecnologías, incluida la generación de electricidad solar, sistemas solares térmicos (como el calentamiento solar de agua) y diseño arquitectónico solar. Como fuente vital de energía renovable, las tecnologías solares generalmente se clasifican en categorías pasivas o activas, según sus métodos para capturar, distribuir o convertir la energía solar en energía utilizable. Los enfoques solares activos abarcan la utilización de sistemas fotovoltaicos (PV), energía solar concentrada (CSP) y calentamiento solar de agua para aprovechar eficazmente esta energía. Por el contrario, las estrategias solares pasivas implican elementos de diseño arquitectónico como la optimización de los edificios para mejorar la iluminación natural, el empleo de materiales con masa térmica ventajosa o características de dispersión de la luz y la configuración de espacios para facilitar la circulación natural del aire.
La energía solar es la energía radiante procedente de la luz y el calor del Sol, que se puede aprovechar mediante una variedad de tecnologías como la electricidad solar, la energía solar térmica (incluido el calentamiento solar de agua) y la arquitectura solar. Es una fuente esencial de energía renovable y sus tecnologías se caracterizan en términos generales como solar pasiva o solar activa dependiendo de cómo capturan y distribuyen la energía solar o la convierten en energía solar. Las técnicas solares activas incluyen el uso de sistemas fotovoltaicos, energía solar concentrada y calentamiento solar de agua para aprovechar la energía. Las técnicas solares pasivas incluyen diseñar un edificio para una mejor iluminación natural, seleccionar materiales con masa térmica favorable o propiedades de dispersión de la luz y organizar espacios que hagan circular el aire de forma natural.
En 2011, la Agencia Internacional de Energía (AIE) destacó las importantes ventajas a largo plazo del desarrollo de tecnologías de energía solar asequibles, inagotables y limpias. La agencia afirmó que tales avances "aumentarían la seguridad energética de los países a través de la dependencia de un recurso autóctono, inagotable y en su mayoría independiente de las importaciones, mejorarían la sostenibilidad, reducirían la contaminación, reducirían los costos de mitigar el calentamiento global... estas ventajas son globales".
Potencial
La atmósfera superior de la Tierra intercepta aproximadamente 174 petavatios (PW) de radiación solar entrante, comúnmente conocida como insolación. De este total, aproximadamente el 30% se refleja de regreso al espacio, y los 122 PW restantes son absorbidos por las nubes atmosféricas, los océanos y las masas terrestres. El espectro de luz solar que llega a la superficie de la Tierra abarca predominantemente las regiones visible y del infrarrojo cercano, con un componente menor en el ultravioleta cercano. Una parte importante de la población mundial reside en regiones que experimentan niveles de insolación que oscilan entre 150 y 300 vatios/m2, equivalentes a 3,5 y 7,0 kWh/m2 diarios.
La radiación solar es absorbida por la superficie terrestre de la Tierra, sus océanos (que abarcan aproximadamente el 71 % del planeta) y su atmósfera. Esta absorción impulsa la evaporación del agua de los océanos, lo que provoca el ascenso de aire cálido y cargado de humedad, que inicia la circulación y la convección atmosférica. Al alcanzar altitudes mayores donde las temperaturas son más bajas, este vapor de agua se condensa formando nubes, que posteriormente precipitan en forma de lluvia sobre la superficie terrestre, completando así el ciclo hidrológico. El calor latente liberado durante la condensación del agua intensifica aún más la convección, contribuyendo a la formación de diversos fenómenos atmosféricos, incluidos viento, ciclones y anticiclones. La absorción de la luz solar por los océanos y las masas terrestres mantiene la superficie de la Tierra a una temperatura media de 14 °C. A través de la fotosíntesis, las plantas verdes convierten la energía solar en energía almacenada químicamente, formando la base para los alimentos, la madera y la biomasa de la que se originan los combustibles fósiles.
La atmósfera, los océanos y las masas terrestres de la Tierra absorben colectivamente aproximadamente 122 PW·año, equivalente a 3.850.000 exajulios (EJ), anualmente. Comparativamente, en 2002, la energía absorbida en una hora superó el consumo energético anual total del mundo; en 2019, esta duración había aumentado a una hora y 25 minutos para igualar el uso global anual. La fotosíntesis, a su vez, captura aproximadamente 3.000 EJ al año, convirtiéndolos en biomasa.
El potencial práctico para la utilización humana de la energía solar difiere de la energía solar total disponible en la superficie de la Tierra, principalmente debido a factores limitantes como limitaciones geográficas, variaciones temporales, cobertura de nubes y la disponibilidad de tierra adecuada. En 2021, la Iniciativa Carbon Tracker proyectó que generar toda la energía global únicamente a partir de fuentes solares requeriría una superficie terrestre de 450.000 km2, que es comparable a la superficie terrestre de Suecia, Marruecos o California, que representa aproximadamente el 0,3 % de la superficie terrestre total de la Tierra.
Las tecnologías solares se clasifican como pasivas o activas según sus métodos para capturar, convertir y distribuir la luz solar, lo que permite que la energía solar se aprovechados con diferentes eficiencias a nivel mundial, influenciados en gran medida por la proximidad al ecuador. Si bien el término "energía solar" denota predominantemente la aplicación práctica de la radiación solar, cabe señalar que todas las formas de energía renovable, con excepción de la energía geotérmica y mareomotriz, se originan directa o indirectamente en el Sol.
Las técnicas solares activas aprovechan la luz solar a través de energía fotovoltaica, energía solar concentrada, colectores solares térmicos, bombas y ventiladores para generar energía utilizable. Por el contrario, las técnicas solares pasivas implican seleccionar materiales con características térmicas ventajosas, diseñar espacios para la circulación natural del aire y orientar los edificios de manera óptima en relación con el sol. Las tecnologías solares activas aumentan el suministro de energía y, por lo tanto, se clasifican como soluciones del lado de la oferta, mientras que las tecnologías solares pasivas disminuyen la dependencia de fuentes de energía alternativas, clasificándolas como soluciones del lado de la demanda.
En 2000, el Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo, el Departamento de Asuntos Económicos y Sociales de las Naciones Unidas y el Consejo Mundial de la Energía estimaron conjuntamente el potencial global anual de energía solar disponible para el uso humano. Esta evaluación consideró variables como la insolación, la nubosidad y la superficie terrestre accesible. Los hallazgos indicaron un potencial de energía solar global que oscila entre 1.600 y 49.800 exajulios (4,4×1014 a 1,4×1016 kWh) al año.
Energía Térmica
Las tecnologías solares térmicas encuentran aplicación en el calentamiento de agua, la calefacción y la refrigeración de espacios y la generación de calor para procesos industriales.
Adopción comercial temprana
Durante la Exposición Universal de 1878 en París, Augustin Mouchot exhibió con éxito una máquina de vapor solar; sin embargo, su desarrollo posterior se vio obstaculizado por la disponibilidad de carbón barato y otros factores contribuyentes.
En 1897, el inventor, ingeniero y pionero de la energía solar estadounidense Frank Shuman construyó un motor solar de demostración a pequeña escala. Este dispositivo funcionaba concentrando energía solar en cajas cuadradas que contenían éter, una sustancia con un punto de ebullición más bajo que el agua, que estaban equipadas internamente con tubos negros que posteriormente impulsaban una máquina de vapor. En 1908, Shuman fundó Sun Power Company, con el objetivo de desarrollar instalaciones de energía solar más grandes. Colaborando con su asesor técnico A.S.E. Ackermann y el físico británico Sir Charles Vernon Boys, ideó un sistema mejorado que utiliza espejos para reflejar la energía solar en cajas colectoras. Esta innovación aumentó significativamente la capacidad de calefacción, lo que permitió utilizar agua en lugar de éter. Posteriormente, Shuman construyó una máquina de vapor a gran escala impulsada por agua a baja presión, obteniendo una patente para el sistema completo de motor solar en 1912.
Entre 1912 y 1913, Shuman estableció la primera central de energía solar térmica del mundo en Maadi, Egipto. Esta instalación empleó cilindros parabólicos para energizar un motor de 45 a 52 kilovatios (60 a 70 hp), que extraía más de 22 000 litros (4800 imp gal; 5800 US gal) de agua por minuto del río Nilo para irrigar los campos de algodón cercanos. A pesar de los impedimentos planteados por la Primera Guerra Mundial y el posterior descubrimiento de petróleo barato en la década de 1930, que limitó el desarrollo de la energía solar, el diseño fundacional y la previsión de Shuman experimentaron un resurgimiento en la década de 1970 en medio de un renovado interés en la tecnología solar térmica. En 1916, Shuman fue citado en los medios promoviendo el uso de la energía solar, afirmando:
Hemos demostrado el beneficio comercial de la energía solar en los trópicos y, más concretamente, hemos demostrado que una vez agotadas nuestras reservas de petróleo y carbón, la raza humana puede recibir energía ilimitada de los rayos del sol.
Calentamiento de agua
Los sistemas solares de agua caliente utilizan la radiación solar para calentar el agua. En las regiones de latitud media (entre 40° norte y 40° sur), los sistemas de calefacción solar pueden suministrar entre el 60% y el 70% de las necesidades de agua caliente sanitaria, alcanzando temperaturas del agua de hasta 60 °C (140 °F). Los tipos predominantes de calentadores de agua solares incluyen colectores de tubos de vacío (44%) y colectores de placa plana vidriada (34%), empleados principalmente para agua caliente sanitaria, junto con colectores de plástico no vidriados (21%), utilizados principalmente para calentar piscinas.
En 2015, la capacidad instalada mundial de sistemas solares de agua caliente alcanzó aproximadamente 436 gigavatios térmicos (GWth). China lidera a nivel mundial este despliegue, con 309 GWth instalados, lo que representa el 71% de la cuota de mercado. En términos per cápita, Israel y Chipre son los principales adoptantes, y más del 90% de los hogares utilizan sistemas solares de agua caliente. En Estados Unidos, Canadá y Australia, la aplicación principal de la tecnología solar de agua caliente es para calentar piscinas, con una capacidad instalada de 18 GWth reportada en 2005.
Calefacción, refrigeración y ventilación
En Estados Unidos, los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) representan el 30 % (4,65 EJ/año) de la energía consumida en edificios comerciales y casi el 50 % (10,1 EJ/año) de la energía utilizada en estructuras residenciales. Las tecnologías de calefacción, refrigeración y ventilación solares ofrecen un medio para mitigar una parte de esta demanda de energía. Las aplicaciones de calefacción solar se clasifican ampliamente en conceptos solares pasivos y conceptos solares activos, que se distinguen por la incorporación de elementos activos como el seguimiento del sol y la óptica del concentrador solar.
La masa térmica se refiere a cualquier material capaz de almacenar energía térmica, específicamente calor solar en el contexto de aplicaciones solares. Los materiales de masa térmica comunes incluyen piedra, cemento y agua. Históricamente, estos materiales se empleaban en regiones áridas o templadas cálidas para mantener frescos los interiores de los edificios absorbiendo la energía solar durante el día e irradiando el calor almacenado a la atmósfera más fría durante la noche. Sin embargo, también son eficaces en zonas frías y templadas para retener el calor. El tamaño y la ubicación óptimos de la masa térmica dependen de varios factores, incluido el clima, las condiciones de iluminación natural y la sombra. Cuando se integra estratégicamente, la masa térmica ayuda a mantener temperaturas interiores cómodas y disminuye la dependencia de equipos auxiliares de calefacción y refrigeración.
Una chimenea solar, también conocida como chimenea térmica en este contexto, constituye un sistema de ventilación solar pasiva caracterizado por un eje vertical que conecta el interior y el exterior de un edificio. A medida que la chimenea se calienta, el aire que contiene se calienta, generando una corriente ascendente que facilita la circulación del aire por todo el edificio. El rendimiento se puede mejorar mediante la incorporación de vidriados y materiales de masa térmica, emulando los principios de los invernaderos.
Los árboles y plantas de hoja caduca son reconocidos por su utilidad para regular la calefacción y la refrigeración solar. Cuando se colocan en el lado sur de un edificio en el hemisferio norte o en el lado norte en el hemisferio sur, su follaje proporciona sombra durante el verano, mientras que sus ramas desnudas permiten la penetración del sol en invierno. Dado que los árboles desnudos y sin hojas dan sombra a entre 1/3 y 1/2 de la radiación solar incidente, existe un equilibrio entre las ventajas de la sombra en verano y la correspondiente reducción de la calefacción en invierno. En climas que experimentan cargas de calefacción sustanciales, los árboles de hoja caduca no deben plantarse en el lado de un edificio que mira hacia el ecuador, ya que impedirán la disponibilidad de energía solar en invierno. Sin embargo, se pueden utilizar eficazmente en los lados este y oeste para ofrecer cierto grado de sombra en verano sin afectar significativamente la ganancia solar en invierno.
Aplicaciones culinarias
Las cocinas solares aprovechan la radiación solar para cocinar, secar y pasteurizar. En términos generales, se clasifican en tres categorías principales: cocinas de caja, cocinas de panel y cocinas reflectoras. La cocina solar más sencilla es la cocina de caja, construida inicialmente por Horace de Saussure en 1767. Una cocina de caja básica se compone de un recipiente aislado con una tapa transparente. Funciona eficazmente bajo cielos parcialmente nublados y normalmente alcanza temperaturas que oscilan entre 90 y 150 °C (194 y 302 °F). Las cocinas de panel emplean un panel reflectante para dirigir la luz solar hacia un recipiente aislado, logrando temperaturas comparables a las de las cocinas de caja. Las cocinas reflectoras utilizan diversas geometrías de concentración, como platos, comederos o espejos Fresnel, para enfocar la luz sobre un recipiente de cocción. Estas cocinas pueden alcanzar temperaturas de 315 °C (599 °F) y superiores, pero necesitan luz solar directa para funcionar correctamente y requieren reposicionarse para seguir la trayectoria del sol.
Calor de procesos industriales
Las tecnologías de concentración solar, incluidos los reflectores Scheffler, de plato parabólico y de canal parabólico, son capaces de suministrar calor de proceso para aplicaciones comerciales e industriales. El sistema comercial inaugural fue el Proyecto de Energía Solar Total (STEP) en Shenandoah, Georgia, EE. UU., donde un campo de 114 platos parabólicos cumplía el 50% de los requisitos eléctricos, de aire acondicionado y de calefacción del proceso para una fábrica de ropa. Este sistema de cogeneración conectado a la red generó 400 kW de electricidad, además de energía térmica en forma de 401 kW de vapor y 468 kW de agua enfriada, e incorporó una capacidad de almacenamiento térmico de carga máxima de una hora. Los estanques de evaporación son cuencas poco profundas diseñadas para concentrar sólidos disueltos mediante la evaporación. La utilización de estanques de evaporación para extraer sal del agua de mar representa una de las primeras aplicaciones de la energía solar. Los usos contemporáneos incluyen la concentración de soluciones de salmuera empleadas en la minería de lixiviación y la eliminación de sólidos disueltos de los flujos de desechos.
Los tendederos, tendederos y percheros facilitan el secado de las prendas mediante evaporación, utilizando el viento y la luz solar sin necesidad de electricidad ni gas. La legislación en ciertos estados de EE.UU. salvaguarda el "derecho a secar" la ropa. Los colectores transpirados sin vidriar (UTC) son paredes perforadas expuestas al sol diseñadas para precalentar el aire de ventilación. Estos UTC pueden elevar la temperatura del aire entrante hasta 22 °C (40 °F), logrando temperaturas de salida que oscilan entre 45 y 60 °C (113 y 140 °F). Con un rápido período de recuperación de la inversión de 3 a 12 años, los colectores de residuos presentan una opción económicamente más viable en comparación con los sistemas de recogida acristalados. En 2003, se habían implementado en todo el mundo más de 80 sistemas de este tipo, que abarcaban un área total de colectores de 35.000 metros cuadrados (380.000 pies cuadrados). Las instalaciones notables incluyen un recolector de 860 m2 (9,300 pies cuadrados) en Costa Rica, utilizado para secar granos de café, y un recolector de 1,300 m2 (14,000 pies cuadrados) en Coimbatore, India, empleado para secar caléndulas.
Tratamiento de agua
La destilación solar ofrece un método para hacer potable el agua salina o salobre. La primera aplicación documentada de esta tecnología se remonta a los alquimistas árabes del siglo XVI. La instalación inaugural de destilación solar a gran escala se estableció en 1872 en Las Salinas, un pueblo minero chileno. Esta planta, con un área de recolección solar de 4.700 m2 (51.000 pies cuadrados), era capaz de producir hasta 22.700 L (5.000 imp gal; 6.000 US gal) diarios y permaneció operativa durante cuatro décadas. Existen varios diseños de destiladores, que incluyen configuraciones de pendiente única, de doble pendiente (o tipo invernadero), verticales, cónicas, de absorción invertida, de mecha múltiple y de efectos múltiples. Estas unidades de destilación pueden funcionar en modos operativos pasivos, activos o híbridos. Los alambiques de doble pendiente son generalmente los más rentables para uso doméstico descentralizado, mientras que las unidades activas de efectos múltiples son más adecuadas para aplicaciones industriales extensas.
La desinfección solar del agua (SODIS) es un proceso que implica exponer botellas de plástico de tereftalato de polietileno (PET) llenas de agua a la luz solar directa durante varias horas. La duración de exposición requerida depende del tiempo y las condiciones climáticas, que van desde un mínimo de seis horas hasta dos días bajo cielos completamente nublados. La Organización Mundial de la Salud respalda a SODIS como una estrategia eficaz para el tratamiento y almacenamiento seguro del agua en los hogares. Actualmente, más de dos millones de personas en los países en desarrollo dependen de esta técnica para su suministro diario de agua potable.
La energía solar se puede aprovechar en estanques de estabilización de agua para el tratamiento de aguas residuales sin químicos y sin electricidad. Un beneficio ecológico adicional es la proliferación de algas en estos estanques, que asimilan dióxido de carbono mediante la fotosíntesis. Sin embargo, un posible inconveniente es que ciertas especies de algas pueden generar compuestos tóxicos, lo que hace que el agua tratada no sea apta para el consumo.
Tecnología de sales fundidas
Las sales fundidas sirven como un medio eficaz de almacenamiento de energía térmica, permitiendo la retención del calor recolectado por torres solares o colectores solares dentro de plantas de energía solar concentrada (CSP). Esta energía almacenada se puede utilizar posteriormente para generar electricidad durante períodos de inclemencias del tiempo o durante la noche. La eficacia de esta tecnología se validó empíricamente durante el proyecto Solar Two, llevado a cabo de 1995 a 1999. Se prevé que el sistema alcance una eficiencia anual del 99%, lo que refleja la alta proporción de energía retenida mediante el almacenamiento de calor antes de la conversión de electricidad, a diferencia de la conversión directa de calor en electricidad. Las composiciones de las sales fundidas varían, prevaleciendo una mezcla que comprende nitrato de sodio, nitrato de potasio y nitrato de calcio. Esta mezcla se caracteriza por sus propiedades no inflamables y no tóxicas y tiene un historial de aplicación como fluido transportador de calor en la industria química y metalúrgica. En consecuencia, una experiencia operativa sustancial con tales sistemas es anterior a su adopción en aplicaciones de energía solar.
La sal exhibe un punto de fusión de 131 °C (268 °F). Se mantiene en estado líquido a 288 °C (550 °F) dentro de un tanque de almacenamiento "frío" aislado. Posteriormente, la sal líquida circula a través de paneles dentro de un colector solar, donde la irradiancia concentrada eleva su temperatura a 566 °C (1051 °F). Luego, la sal sobrecalentada se transfiere a un tanque de almacenamiento caliente, que está diseñado con suficiente aislamiento para preservar la energía térmica de manera efectiva durante hasta una semana.
Cuando se demanda electricidad, la sal fundida caliente se dirige a un generador de vapor convencional, donde produce vapor sobrecalentado para alimentar una turbina/generador, reflejando el proceso empleado en las instalaciones tradicionales de carbón, petróleo o energía nuclear. Por ejemplo, una turbina de 100 megavatios que funcione durante cuatro horas necesitaría un tanque de almacenamiento de aproximadamente 9,1 metros (30 pies) de altura y 24 metros (79 pies) de diámetro, según este diseño.
Varias centrales de cilindro-parabólicos en España y el desarrollador de torres solares SolarReserve utilizan este concepto de almacenamiento de energía térmica. La Central Generadora de Solana en EE.UU. incorpora una capacidad de almacenamiento de sales fundidas de seis horas. En Chile, la central Cerro Dominador cuenta con una torre termosolar de 110 MW donde se transfiere calor a sales fundidas. Posteriormente, estas sales fundidas transmiten su energía térmica al agua a través de un intercambiador de calor, produciendo vapor sobrecalentado, que luego impulsa una turbina para convertir su energía cinética en energía eléctrica a través del ciclo Rankine. En consecuencia, la central Cerro Dominador es capaz de generar aproximadamente 110 MW de electricidad. Su avanzado sistema de almacenamiento facilita la producción de electricidad hasta 17,5 horas sin radiación solar directa, asegurando un suministro eléctrico estable e ininterrumpido cuando sea necesario. El proyecto aseguró con éxito ventas anuales de electricidad de hasta 950 GW·h. Otra iniciativa significativa es la planta María Elena, un complejo termosolar de 400 MW situado en la región de Antofagasta, al norte de Chile, que también emplea tecnología de sales fundidas.
Generación de Electricidad
Energía solar concentrada
Los sistemas de energía solar de concentración (CSP) emplean lentes o espejos junto con mecanismos de seguimiento para hacer converger un área sustancial de luz solar en un haz enfocado. Esta energía térmica concentrada sirve posteriormente como fuente de calor para instalaciones de generación de energía convencionales. Está disponible una amplia gama de tecnologías de concentración, y las más avanzadas incluyen el cilindro-parabólico, los colectores de torre solar, el reflector de Fresnel lineal de concentración y el plato Stirling. Estos sistemas utilizan varios métodos para el seguimiento solar y el enfoque de la luz. En todas las configuraciones de CSP, la luz solar concentrada calienta un fluido de trabajo, que luego se utiliza para generar electricidad o almacenar energía. Los diseños de sistemas deben incorporar consideraciones sobre posibles daños a las delicadas superficies de vidrio de las plantas de energía solar debido a fenómenos climáticos extremos, como tormentas de polvo o granizo. La integración de rejillas metálicas podría permitir que una alta proporción de luz solar llegue a los espejos y paneles solares y, al mismo tiempo, mitigaría la mayoría de las formas de daño físico.
Arquitectura y Urbanismo
La luz del sol ha influido profundamente en el diseño de los edificios a lo largo de toda la historia de la arquitectura. Los griegos y los chinos adoptaron inicialmente sofisticadas metodologías de planificación urbana y arquitectónica solar, quienes orientaron estratégicamente sus estructuras hacia el sur para optimizar la iluminación natural y el confort térmico.
Las características clave de la arquitectura solar pasiva incluyen orientación solar, una proporción de edificio compacto (caracterizada por una baja relación superficie-volumen), elementos de sombreado selectivos (como voladizos) y la incorporación de masa térmica. Cuando estos atributos se adaptan meticulosamente al clima y las condiciones ambientales locales específicas, facilitan la creación de espacios brillantemente iluminados que mantienen un rango de temperatura confortable. La Casa Megaron de Sócrates ejemplifica una aplicación clásica de los principios del diseño solar pasivo. Los enfoques contemporáneos del diseño solar frecuentemente aprovechan el modelado por computadora para integrar sistemas de iluminación, calefacción y ventilación solares en un paquete de diseño solar cohesivo. Además, los equipos solares activos, incluidas bombas, ventiladores y ventanas conmutables, pueden aumentar las estrategias de diseño pasivo y mejorar el rendimiento general del sistema.
Las islas de calor urbano (UHI) se definen como regiones metropolitanas que exhiben temperaturas elevadas en comparación con los entornos naturales circundantes. Este aumento de temperaturas surge de la mayor absorción de energía solar por parte de los materiales urbanos predominantes, como el asfalto y el hormigón, que poseen albedos más bajos y capacidades caloríficas más altas que las superficies naturales. Una estrategia directa para mitigar el efecto UHI implica pintar edificios y carreteras de blanco e implementar una extensa plantación de árboles en las áreas urbanas. Empleando estas técnicas, una iniciativa hipotética de "comunidades frescas" en Los Ángeles ha estimado una reducción potencial de las temperaturas urbanas de aproximadamente 3 °C, a un costo proyectado de mil millones de dólares. Se prevé que esta iniciativa genere beneficios anuales totales de 530 millones de dólares, principalmente a través de menores gastos en aire acondicionado y ahorros en atención médica.
Agricultura y Horticultura
La agricultura y la horticultura tienen como objetivo optimizar la captura de energía solar para mejorar la productividad de las plantas. Técnicas como ciclos de siembra precisos, orientación optimizada de las hileras, alturas de hilera escalonadas y la integración de diversas variedades de plantas pueden mejorar significativamente el rendimiento de los cultivos. Aunque la luz solar generalmente se considera un recurso abundante, casos históricos específicos subrayan su importancia crítica para las prácticas agrícolas. Durante las breves temporadas de crecimiento de la Pequeña Edad del Hielo, los agricultores franceses e ingleses utilizaron paredes de frutas para maximizar la recolección de energía solar. Estas estructuras funcionaban como masas térmicas, reteniendo el calor y acelerando así la maduración de las plantas. Inicialmente, los muros frutales se construyeron perpendiculares al suelo y orientados al sur; sin embargo, con el tiempo, se desarrollaron diseños inclinados para aprovechar más eficazmente la luz solar. En 1699, Nicolas Fatio de Duillier incluso propuso un mecanismo de seguimiento capaz de girar para seguir la trayectoria del sol. Más allá del cultivo de cultivos, las aplicaciones de la energía solar en la agricultura incluyen el bombeo de agua, el secado de cultivos, la crianza de polluelos y la desecación del estiércol de pollo. Más recientemente, los viticultores han adoptado esta tecnología, empleando paneles solares para alimentar prensas de uva.
Los invernaderos convierten la luz solar en calor, lo que facilita la producción durante todo el año y permite el cultivo de cultivos especiales y otras plantas que no se adaptan naturalmente al clima local en ambientes cerrados. Los invernaderos primitivos se utilizaron por primera vez durante la época romana para garantizar un suministro continuo de pepinos para el emperador Tiberio. Los primeros invernaderos modernos surgieron en Europa durante el siglo XVI, principalmente para albergar plantas exóticas adquiridas en exploraciones internacionales. Hoy en día, los invernaderos siguen siendo un componente vital de la horticultura. Los materiales plásticos transparentes también se emplean eficazmente en politúneles y cubiertas de hileras para lograr un control ambiental similar.
Transporte
El desarrollo de automóviles impulsados por energía solar ha sido un importante objetivo de ingeniería desde la década de 1980. El World Solar Challenge, una carrera de autos impulsada por energía solar que se realiza cada dos años, presenta equipos de universidades y corporaciones que compiten a lo largo de 3.021 kilómetros (1.877 millas) del centro de Australia, desde Darwin hasta Adelaida. Desde su creación en 1987, el vehículo ganador alcanzó una velocidad promedio de 67 kilómetros por hora (42 mph); en 2007, esto había mejorado a 90,87 kilómetros por hora (56,46 mph). El North American Solar Challenge y el propuesto South African Solar Challenge representan competencias comparables, lo que refleja un interés global en la ingeniería y el avance de los vehículos impulsados por energía solar.
Ciertos vehículos incorporan paneles solares para energía auxiliar, como sistemas operativos de aire acondicionado para mantener un interior fresco, lo que contribuye a reducir el consumo de combustible.
En 1975, se construyó en Inglaterra el primer barco solar práctico. En 1995, comenzaron a aparecer buques de pasajeros equipados con paneles fotovoltaicos (PV), que ahora se utilizan ampliamente. Kenichi Horie realizó la primera travesía del Océano Pacífico con energía solar en 1996, seguido por el catamarán Sun21, que completó la primera travesía del Océano Atlántico con energía solar durante el invierno de 2006-2007. Se proyectaron planes para una circunnavegación global para 2010.
El avión no tripulado AstroFlight Sunrise completó el primer vuelo solar en 1974. El 29 de abril de 1979, el Solar Riser logró el primer vuelo de un avión totalmente controlado y propulsado por energía solar, alcanzando una altitud de 40 pies (12 m). En 1980, el Pingüino Gossamer realizó los primeros vuelos pilotados propulsados exclusivamente por energía fotovoltaica. Este logro fue seguido rápidamente por el Solar Challenger, que atravesó con éxito el Canal de la Mancha en julio de 1981. En 1990, Eric Scott Raymond completó un vuelo de California a Carolina del Norte en 21 etapas, utilizando energía solar. Los desarrollos posteriores se inclinaron hacia los vehículos aéreos no tripulados (UAV), ejemplificados por el Pathfinder (1997) y sus diseños sucesores, culminando en el Helios, que estableció un récord de altitud para un avión no propulsado por cohetes a 29.524 metros (96.864 pies) en 2001. El Zephyr, desarrollado por BAE Systems, representa el último de una serie de aviones solares que batieron récords, logrando un vuelo de 54 horas en 2007, y se prevén vuelos de un mes de duración para 2010. De marzo de 2015 a julio de 2016, Solar Impulse, un avión eléctrico, circunnavegó con éxito el mundo. Este avión monoplaza funciona con células solares y posee la capacidad de despegar de forma independiente, y su diseño permite una operación aérea sostenida durante varios días.
Un globo solar, típicamente negro, contiene aire ambiental. Cuando se expone a la luz solar, el aire interno se calienta y se expande, generando una fuerza de flotación hacia arriba análoga a la de un globo de aire caliente calentado convencionalmente. Si bien ciertos globos solares poseen suficiente sustentación para el transporte de personas, su aplicación se limita predominantemente al sector del juguete debido a su relación comparativamente alta entre superficie y peso de carga útil.
Vehículo solar del escuadrón
El Squad Solar es un vehículo eléctrico vecinal (NEV) equipado con un techo solar y capaz de cargarse a través de un tomacorriente eléctrico estándar de 120 voltios.
Producción de combustible
Los procesos químicos solares aprovechan la energía solar para facilitar las reacciones químicas. Estos métodos sirven para mitigar la dependencia de fuentes de combustibles fósiles y permiten la conversión de energía solar en combustibles que sean almacenables y transportables. Las reacciones químicas impulsadas por el sol se clasifican en términos generales como termoquímicas o fotoquímicas. La fotosíntesis artificial ofrece una vía para producir diversos combustibles. La compleja química catalítica multielectrónica necesaria para sintetizar combustibles a base de carbono, como el metanol, mediante la reducción de dióxido de carbono presenta desafíos importantes. Una alternativa viable implica generar hidrógeno a partir de protones, aunque utilizar agua como fuente de electrones, similar a la fotosíntesis natural, requiere dominar la oxidación multielectrónica de dos moléculas de agua en oxígeno molecular. Las proyecciones sugieren el posible establecimiento de plantas operativas de combustible solar en regiones metropolitanas costeras para 2050, donde la división del agua de mar podría producir hidrógeno para plantas de energía eléctrica de celdas de combustible adyacentes, con el subproducto de agua pura integrado directamente en los sistemas de agua municipales. Además, el almacenamiento de energía química representa una estrategia adicional para la gestión de la energía solar.
Desde la década de 1970, las tecnologías de producción de hidrógeno han constituido un foco destacado dentro de la investigación química solar. Más allá de la electrólisis alimentada por células fotovoltaicas o fotoquímicas, se han investigado diversos procesos termoquímicos. Un método emplea concentradores solares para disociar el agua en oxígeno e hidrógeno a temperaturas elevadas, que oscilan entre 2300 y 2600 °C (4200 y 4700 °F). Otra estrategia utiliza el calor de los concentradores solares para facilitar la reforma con vapor del gas natural, mejorando así el rendimiento total de hidrógeno en comparación con las técnicas de reforma tradicionales. Los ciclos termoquímicos, definidos por la descomposición y posterior regeneración de reactivos, ofrecen una vía adicional para la generación de hidrógeno. Por ejemplo, el proceso Solzinc, actualmente en desarrollo en el Instituto Weizmann de Ciencias, emplea un horno solar de 1 MW para descomponer el óxido de zinc (ZnO) a temperaturas superiores a 1200 °C (2200 °F). Esta reacción primaria produce zinc puro, que luego puede reaccionar con agua para producir hidrógeno.
Métodos de almacenamiento de energía
Los sistemas de masa térmica son capaces de almacenar energía solar en forma de calor a temperaturas adecuadas para aplicaciones domésticas, abarcando períodos diarios o interestacionales. Estos sistemas de almacenamiento suelen incorporar materiales de fácil acceso que poseen altas capacidades caloríficas específicas, incluidos agua, tierra y piedra. Los sistemas con una ingeniería óptima pueden mitigar eficazmente los picos de demanda, reasignar el consumo de energía a intervalos de menor actividad y disminuir las cargas generales de calefacción y refrigeración.
Los materiales de cambio de fase (PCM), como la cera de parafina y la sal de Glauber, representan un medio alternativo para el almacenamiento de energía térmica. Estos materiales se caracterizan por su asequibilidad, amplia disponibilidad y capacidad de proporcionar temperaturas adecuadas para uso doméstico (aproximadamente 64 °C o 147 °F). La "Casa Dover" en Dover, Massachusetts, fue pionera en la aplicación de un sistema de calefacción con sal de Glauber en 1948. Además, la energía solar se puede almacenar a temperaturas elevadas mediante la utilización de sales fundidas. Las sales demuestran ser un medio de almacenamiento eficiente debido a su bajo costo, alta capacidad calorífica específica y capacidad para suministrar calor a temperaturas compatibles con los sistemas de generación de energía convencionales. El proyecto Solar Two ejemplificó esta metodología de almacenamiento de energía, almacenando con éxito 1,44 terajulios (400.000 kWh) dentro de su tanque de almacenamiento de 68 m3, logrando una eficiencia de almacenamiento anual aproximada del 99 %.
Históricamente, los sistemas fotovoltaicos (PV) autónomos han dependido de baterías recargables para almacenar el excedente de energía. Por el contrario, los sistemas conectados a la red permiten exportar el excedente de electricidad a la red de transmisión, mientras que la energía de la red convencional puede compensar los déficits. Los sistemas de medición neta proporcionan a las instalaciones residenciales créditos por la electricidad suministrada a la red. Este proceso generalmente implica que el medidor se invierta cuando la generación de electricidad de un hogar supera su consumo. Si el consumo neto de electricidad es negativo, la empresa de servicios públicos traslada el crédito de kilovatios-hora al siguiente ciclo de facturación. Los métodos alternativos incluyen el empleo de dos medidores separados para cuantificar el consumo de electricidad versus la producción. Sin embargo, este enfoque es menos frecuente debido a los elevados gastos de instalación asociados con un segundo medidor. La mayoría de los medidores estándar contemporáneos registran con precisión el flujo de energía bidireccional, eliminando así la necesidad de un medidor adicional.
La hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo (PSH) facilita el almacenamiento de energía elevando el agua de un depósito de nivel inferior a uno de nivel superior durante los períodos de excedente de energía. Esta energía almacenada se recupera posteriormente durante los picos de demanda liberando el agua, momento en el que la bomba funciona como un generador de energía hidroeléctrica.
Desarrollo, despliegue y consideraciones económicas
Tras el aumento sustancial en la utilización del carbón durante la Revolución Industrial, el consumo mundial de energía pasó progresivamente de la madera y la biomasa a los combustibles fósiles. Los avances iniciales en las tecnologías solares, que comenzaron en la década de 1860, fueron motivados por proyecciones de una inminente escasez de carbón. Sin embargo, la proliferación de tecnologías solares experimentó un período de estancamiento a principios del siglo XX, principalmente debido a la creciente accesibilidad, viabilidad económica y aplicación generalizada del carbón y el petróleo.
El embargo petrolero de 1973 y la crisis energética de 1979 precipitaron una reestructuración global de las políticas energéticas. Estos eventos revitalizaron el interés en el avance de las tecnologías solares. Posteriormente, las estrategias de implementación enfatizaron los esquemas de incentivos, ejemplificados por el Programa Federal de Utilización Fotovoltaica en los Estados Unidos y el Programa Sunshine en Japón. Iniciativas adicionales implicaron el establecimiento de instituciones de investigación dedicadas, incluida SERI (ahora NREL) en los EE. UU., NEDO en Japón y el Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar ISE en Alemania.
Los sistemas solares comerciales de calentamiento de agua surgieron por primera vez en los Estados Unidos durante la década de 1890. Su adopción se expandió hasta la década de 1920, después de lo cual fueron reemplazados progresivamente por combustibles de calefacción más económicos y confiables. Al igual que la energía fotovoltaica, el calentamiento solar de agua generó un renovado interés tras la crisis del petróleo de la década de 1970; sin embargo, este entusiasmo se desvaneció en la década de 1980 en medio de la caída de los costos del petróleo. Sin embargo, el sector del calentamiento solar de agua experimentó un desarrollo constante a lo largo de la década de 1990, alcanzando tasas de crecimiento anual promedio del 20% desde 1999. A pesar de que a menudo se subestima, el calentamiento y enfriamiento solar de agua representa la tecnología solar más ampliamente implementada, con una capacidad estimada de 154 GW en 2007.
La Agencia Internacional de Energía (AIE) ha afirmado que la energía solar posee el potencial de contribuir significativamente a abordar varios de los problemas contemporáneos más apremiantes del mundo. desafíos:
El desarrollo de tecnologías de energía solar asequibles, inagotables y limpias tendrá enormes beneficios a largo plazo. Aumentará la seguridad energética de los países mediante la dependencia de un recurso autóctono, inagotable y en su mayoría independiente de las importaciones, mejorará la sostenibilidad, reducirá la contaminación, reducirá los costos de mitigar el cambio climático y mantendrá los precios de los combustibles fósiles más bajos que de otro modo. Estas ventajas son globales. Por lo tanto, los costos adicionales de los incentivos para el despliegue temprano deberían considerarse inversiones en aprendizaje; deben gastarse sabiamente y compartirse ampliamente.
Un informe de 2011 de la Agencia Internacional de Energía proyectó que las tecnologías de energía solar, incluidas la fotovoltaica, el agua caliente solar y la energía solar concentrada, podrían satisfacer un tercio de la demanda mundial de energía para 2060, siempre que los responsables políticos se comprometan con la mitigación del cambio climático y una transición a fuentes de energía renovables. La energía solar está preparada para desempeñar un papel fundamental en la descarbonización de la economía global, complementada con avances en la eficiencia energética y la implementación de mecanismos de fijación de precios del carbono para los emisores de gases de efecto invernadero. El informe destaca que "el punto fuerte de la energía solar es la increíble variedad y flexibilidad de aplicaciones, desde la pequeña hasta la gran escala".
Hemos demostrado... que después de que se agoten nuestras reservas de petróleo y carbón, la raza humana puede recibir energía ilimitada de los rayos del sol.
En 2021, Lazard estimó que el costo nivelado de la electricidad solar a escala comercial no subsidiada y de nueva construcción estaba por debajo de los 37 dólares por MWh, mientras que la energía existente a carbón excedía esta cifra. El informe de 2021 indicó además que las nuevas instalaciones solares también eran más económicas que la nueva energía alimentada por gas, aunque en general no eran más baratas que la energía de gas existente.
Tecnologías emergentes
Sistemas experimentales de energía solar
Los sistemas fotovoltaicos concentrados (CPV) utilizan luz solar enfocada dirigida a superficies fotovoltaicas para generar electricidad. Los dispositivos termoeléctricos o "termovoltaicos" convierten las diferencias de temperatura entre materiales dispares en una corriente eléctrica.
Matrices solares flotantes
Bombas de calor asistidas por energía solar
Una bomba de calor funciona como un dispositivo que transfiere energía térmica desde una fuente de calor a un disipador de calor designado. Estos sistemas están diseñados para mover la energía térmica en contra de la dirección natural del flujo de calor espontáneo, absorbiendo calor de un ambiente más frío y liberándolo en uno más cálido. Una bomba de calor asistida por energía solar integra una bomba de calor con paneles solares térmicos en un sistema único y cohesivo. Tradicionalmente, estas dos tecnologías se emplean de forma independiente o simplemente en paralelo para la producción de agua caliente. En esta configuración integrada, el panel solar térmico sirve como fuente de calor de baja temperatura, y el calor generado alimenta el evaporador de la bomba de calor. El objetivo principal de dicho sistema es lograr un alto coeficiente de rendimiento (COP), permitiendo así una producción de energía más eficiente y rentable.
Cualquier tipo de panel solar térmico, incluidos diseños de láminas y tubos, rollos, tubos de calor o placas térmicas, o paneles híbridos (mono/policristalinos, de película delgada), se puede combinar con una bomba de calor. A menudo se prefiere el uso de un panel híbrido, ya que puede satisfacer parcialmente la demanda de electricidad de la bomba de calor, reduciendo en consecuencia el consumo de energía y los costos operativos variables del sistema.
Aviones solares
Un avión eléctrico funciona con motores eléctricos en lugar de motores de combustión interna, y extrae electricidad de diversas fuentes, como pilas de combustible, células solares, ultracondensadores, rayos de energía o baterías.
Actualmente, la mayoría de los aviones eléctricos tripulados son demostradores experimentales, aunque numerosos vehículos aéreos pequeños no tripulados funcionan con baterías. Los modelos de aviones propulsados eléctricamente han estado en vuelo desde la década de 1970, con un informe inicial que se remonta a 1957. Los primeros vuelos tripulados propulsados por electricidad se produjeron en 1973. Entre 2015 y 2016, el avión tripulado propulsado por energía solar, Solar Impulse 2, completó con éxito una circunnavegación de la Tierra.