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El Sol es un gigantesco reactor nuclear. En efecto es una enorme esfera gaseosa (con una masa 330.000 veces
mayor que la de la Tierra), formado fundamentalmente por Helio, Hidrógeno y Carbono, en el seno de la cual se producen
continuas reacciones nucleares de fusión, es decir, reacciones mediante las cuales se unen los núcleos
de dos átomos de hidrógeno para formar un núcleo de helio, liberando en dicho proceso una gran cantidad de energía.
De la enorme cantidad de energía que emite constantemente el Sol, una parte llega a la atmósfera terrestre en forma de radiación solar. De ella, un tercio es enviada de nuevo al espacio a consecuencia de los procesos de refracción y reflexión que tienen lugar en la atmósfera de la Tierra. De los dos tercios restantes, una parte es absorbida por las distintas capas atmosférica que rodean el globo terráqueo. El resto llega efectivamente a la superficie de la Tierra por dos vías: directamente, es decir, incidiendo sobre los objetivos iluminados por el Sol; e indirectamente, como reflejo de la radiación solar que es absorbida por el polvo y el aire. La primera recibe el nombre de radiación directa y a la segunda se le llama radiación difusa.
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Conviene tener en cuenta, por otro lado, que la energía solar tiene una importancia directa y esencial en la generación de diversas energía renovables. Así, la absorción de la energía solar por parte de las plantas -el proceso fotosintético- da lugar a la biomasa. La energía eólica, la energía mareomotriz, etc., tienen también su origen en los efectos de la radiación solar sobre la Tierra. Por otro lado la energía solar es incluso la causa última que explica la presencia de carbón, petróleo o gas natural en la corteza terrestre. No obstante, lo que nos interesa tratar en estas páginas son otras vías de aprovechamiento de la energía solar.
Su utilización presenta una serie de características muy particulares. Ante todo, se trata de una energía procedente de una fiente gratuita (la radiación solar) e inagotable a escala humana (se calcula que el Sol tiene unos 6.000 millones de años de existencia y que ésta se prolongará por otros tantos millones de años más).
Pero, aparte de estas dos características bien conocidas, la energía solar presenta la ventaja de que posee, además, una alta calidad energética, ya que mediante la concentración de la radiación solar pueden alcanzarse temperaturas de hasta 3.000ºC, que permiten en principio poner en marcha ciclos termodinámicos con rendimientos superiores a los que presentan los ciclos de las centrales convencionales (de carbón o fuel).
Frente a estas grandes ventajas, la energía solar plantea algunos serios inconvenientes para su aprovechamiento. Por un lado, es una energía que llega a la Tierra de manera semialeatroia y dispersa. Por otro, no puede ser almacenada directamente, sino que exige ser transformada de inmediato en otra forma de energía (calor, electricidad).
Pero posiblemente sus inconvenientes principales vengan por el lado económico y tecnológico. Para poder aprovechar a gran escala la energía solar es preciso utilizar sistemas de captación de grandes superficies por lo que la inversión inicial en un aprovechamiento de energía solar resulta aún muy elevada y costosa.
Los sistemas basados en la vía térmica también pueden hacer posible el aprovechamiento de la energía solar
en forma de energía eléctrica, pero siguinedo un método que podriamos llamar "indirecto". En efecto,
algunos de estos sistemas absorben la energía solar en forma de calor mediante un captor térmico
y después la transforman en electricidad mediante una máquina termodinámica.
La utilización de la energía solar a baja y media temperatura
Los Sistemas de Aprovechamiento de la Energía Solar
En la actualidad, la energía solar está siendo aprovechada para fines energéticos a través de dos vías
basadas en principios físicos diferentes.
Por un lado la vía térmica. Los sistemas que adoptan esta vía absorben la energía solar y la transforman en calor.
Por otro lado, la vía fotovoltaica. Este permite la transformación directa de la energía solar en energía eléctrica mediante las llamadas
"células solares" o "células fotovotaicas". Dichas células hacen posible la producción de electricidad a partir de la radiación solar merced al efecto fotovoltaico, un efecto
por el que se transforma directamente la energía luminosa en energía eléctrica y que se produce cuando la radiación solar entra en contacto con un material semiconductor cristalino.La Vía Térmica
Habitualmente, se suele dividir a los sistemas de aprovechamiento de energía solar por vía térmica en dos grupos.
La utilización de energía solar a alta temperatura
Los sistemas de aprovechamiento a baja y media temperatura.
Son los que ofrecen posibilidades más interesantes a corto plazo, utilizándose de cara a servicios de tipo domésticos, tales como la producción de agua caliente sanitaria, calefacción, climatización
de piscinas, invernaderos, secaderos, etc.
Normalmente, resulta conveniente en estos casos disponer de sistemas solares con apoyo de algún sistema convencional
de producción de energía, para garantizar que el suministro energético es el adecuado, ya que, -como señalabamos anteriormente-
la energía solar tiene un carácter disperso y semialeatorio, y, por lo tanto, pudiera suceder en un momento dado que la ausencia de
una radiación solar suficiente hiciera imposible la cobertura de las necesidades energéticas mediante el sistema solar.
Por otro lado, intentar basar un servicio exclusivamente en aportaciones energéticas de origen solar implicaría tener que instalar sistemas solares de grandes dimensiones y a precios aún prohibitivos, por lo que los sistemas mixtos
solar-convencional resultan más racionales por el momento.
El aprovechamiento de energía solar a baja temperatura se puede realizar a partir de varias vías diferentes.
En efecto, arquitectos, promotores y constructores comienzan a ser sensibles ante las posibilidades que ofrecen la energía solar, por lo que intentan cada vez más que las viviendas que construyen se adapten adecuadamente al entorno
y al clima en el que se encuentran localizados, evitando proyectos irracionales desde el punto de vista energético.
Estas casas, por ejemplo tienen amplios ventanales orientados hacia el sur para calentar el interior en invierno y unas persianas diseñadas para generar un espacio refrigerado en el interior en verano. Además las paredes se construyen de maateriales cerámicos
que en invierno guardan el calor y en verano lo expulsan además de utilizar depósitos de agua para guardar el calor para la noche de invierno.
Un colector o captor es un instrumento que absorbe el calor proporcionado por el Sol con un mínimo de pérdidas y los transmite a un fluido (aire o más frecuentemente, agua).
Generalmente se emplea para producir agua caliente de uso doméstico o para hacer funcionar sistemas de calefacción.
Los hay de dos tipos:los sistemas de colecotres planos y los sistemas de colectores de concentración
Uno de los inconvenientes de la mayoría de los colectores de concentración (y entre ellos, del cilídrico parabólico) es
que sólo aprovechan la radiación directa del Sol, es decir, que sólo aprovechan los rayos solares que realmente inciden sobre su superficie.
No son capaces, por el contrario, de captar la radiación solar difusa. Por ello, no resultan convenientes en zonas climáticas que, aunque reciben una aceptable cantidad de radiación solar, son relativamente nubosas.
Sólo resultan realmente eficaces en zonas auténticamente soleadas.
Esquema de una central eléctrica solar con colectores cilindro-parabólicos
El aprovechamiento de energía solar, a alta temperatura, para producir electricidad mediante vía termodinámica se basa en principios análogos
a los que pueden contemplarse en una central eléctrica convencional que quema carbón o petróleo.
Se consigue que la radiación solar caliente a alta temperatura un fluido primario (el fluido caloportador).
Este fluido transmite el calor a un circuito secundario por el que circula un segundo fluido que,
tras transformarse en vapor por la acción del calor, pone en marcha una trubina acoplada a un alternador.
En algunos casos, es el propio fluido primario el que, convertido en vapor, acciona la turbina.
Generalmente, todas estas instalaciones solares tienen incorporado un dispositivo que permite almacenar una cierta cantidad de enrgía en forma de calor para paliar en lo posible
las fluctuaciones que puede presentar la radiación solar.
Hay diversos tipos de centrales solares basadas en este principio. Las hay de caldera única, de receptores distribuidos, de discos parabólicos, etc.
No obstante, las más extendidas son las centrales solares termoeléctricas de receptor central.
En ellas, la radiación solar incide en un "campo de heliostatos".
Este es una amplia superficie cubierta de grandes espejos (heliostatos) que concentran la radiación solar
captada en un receptor.
Los sistemas más comunes de este tipo tienen el receptor instalado en una torre, por lo que reciben el nombre de centrales solares de tipo torre central.
Los heliostatos constan de una estructura soporte y de una superficie reflectante. Asimismo, tienen incorporados
unos mecanismos que permiten que la superficie reflectante se mueva según dos ejes de giro, de modo que pueda captar
de la mejor forma y en cada momento la radiación solar y concentrarla en el receptor instalado en la torre.
Para mover los heliostatos, se utilizan medios electrónicos: cada espejo recibe periódicamente las órdenes que emite un programa
incorporado a un ordenador central. El receptor tiene una serie de tubos por los que circula un fluido primario (agua,
sodio, sales fundidas, aire,..., depende de la instalación) que transmite la energía recibida a un fluidosecundario que, convertido en vapor, acciona una trubina.
En algunas instalaciones, es el propio fluido primario quien, converitdo en vapor por efecto de la radiación solar,
acciona directamente la turbina, sin necesidad del fluido secundario. En determinadas centrales, el fluido primario transmite la energía previamente al dispositivo de almacenamiento, y luego se sigue el ciclo termodinámico.
habitual.
Heliostato
Plataforma Solar de Almería, con las centrales DCS (colectores cilídricos-parabólicos) y CRS (tipo torre central), al fondo la CESA-1, también de torre central.
Torre central de la CESA-1 y plano parcial del campo de heliostatos
Esquema de una Central Eléctrica Solar con Heliostatos
La Vía Fotovoltaica
Según se ha señalado más arriba, los sistemas fotovoltaicos se basan en un conjunto de "células solares o fotovoltaicas"
fabricadas de un material semiconductor cristalino, que, al ser incididas por la luz del sol, producen una corriente eléctrica por efecto fotovoltaico.
Para construir las células fotovoltaicas, se utilizan compuestos que son capaces de suministrar una cantidad apreciable
de energía al recibir la radiación solar. Normalmente, la casi totalidad de las pilas fotovoltaicas que se producen en el mundo se fabrican a base de silicio.
Cristales de silicio
El rendimiento de estas células viene a ser de entre un 15% y un 25%, es decir, que sólo una pequeña parte de la energía lumínica se aprovecha
realmente en forma de energía eléctrica. este rendimiento es menor cuanto más alta es la temperatura.
El problema fundamental que presentan las células fotovoltaicas es su alto coste. Aunque las investigaciones recientes
están logrando abaratar a un ritmo apreciable su coste de producción, en la actualidad puede estimarse que cada vatio de potencia que se consigue
merced a las pilas fotovoltaicas cuesta alrededor de 10 dolares, lo cual es excesivo.
Hay otras pilas fotovoltaicas más baratas, que se fabrican a base de sulfuro de cadmio, pero su rendimiento es tres veces menor que el de las células de silicio.
Aun cuando las perspectivas de utilización de pilas fotovoltaicas para producir electricidad son muy esperanzadoras a largo plazo
su desarrollo está aun comenzando y no puede esperarse una auténtica extensión de su utilización a los costes actuales.
Por el momento, su uso más eficaz consiste en su aplicación para instalaciones de baja potencia en lugares cuya lejanía respecto de las redes de transporte y distribución de electricidad puede hacer rentable la puesta
en marcha de este tipo de sistema a pesar de su elevado coste.
Panel de células fotovoltaicas instalados en una caseta de control de tráfico de una autovía
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