Imagine colocar una sartén negra en el desierto de Mojave durante el día. Esta se calienta gradualmente al tacto hasta que su temperatura supera los 90 °C (195 °F). Eche un huevo en la sartén y en minutos está totalmente cocido. Puede que no se de cuenta, pero este simple experimento es una ilustración de la recolección de energía solar.
La recolección de energía solar se asocia más comúnmente con los paneles solares que se ven en los techos de las casas. Sin embargo, la adopción comercial de la recolección de energía solar abarca una variedad de aplicaciones que proporcionan cantidades sorprendentes de energía al mundo. Veamos cinco tecnologías innovadoras de recolección de energía solar.
1) Paneles solares fotovoltaicos
Los paneles solares fotovoltaicos (PV) utilizan la energía del sol para crear un flujo de electricidad. Este es el método más ampliamente adoptado para la recolección de la energía solar hoy en día. Estos paneles, cuyo tamaño oscila entre unos pocos centímetros cuadrados y unos pocos metros cuadrados, están construidos a partir de muchas celdas fotovoltaicas dispuestas en una intrincada matriz. Intuitivamente, cuanto mayor sea la superficie disponible para que la luz solar penetre en las celdas fotovoltaicas, más energía solar se recolecta.
Cada celda solar fotovoltaica por lo general está formada por una estructura de placas solares semiconductoras compuestas, que puede ser monocristalina o policristalina. Las dos finas placas solares semiconductoras de la estructura, una de tipo P y otra de tipo N, se desarrollan por separado. Las dos placas se colocan una encima de la otra, y la reacción natural que se produce entre los dos tipos de semiconductores crea una zona de empobrecimiento que alcanza un punto de equilibrio, sin generar nada de electricidad. Debido a la celda fotovoltaica, cuando los fotones de luz pasan y se conectan con las placas solares semiconductoras, su interacción libera suficiente energía para crear una interrupción del equilibrio en la zona de empobrecimiento. Esa acción posteriormente crea un breve flujo de electricidad. Sin embargo, debido a la constante presencia de luz, esta interacción ocurre de manera continua y puede producir cantidades masivas de energía eléctrica.
La energía que se produce por la interacción de un solo fotón se replica en toda la superficie de la celda fotovoltaica. Está compuesta de un panel completo de celdas solares y luego de una amplia matriz de paneles fotovoltaicos. Esta interacción menor en la zona de empobrecimiento puede repetirse y multiplicarse, lo que tiene como resultado una cantidad significativa de electricidad. Las matrices solares fotovoltaicas, sin embargo, producen energía de corriente continua (CC). Para integrarse con la tecnología moderna de transmisión de energía, como los enchufes de su casa, esta energía de corriente continua debe convertirse en energía de corriente alterna a través de un inversor. Existe una variedad de iteraciones patentadas de esta tecnología esencial que busca optimizar la eficiencia de cada celda fotovoltaica a nivel molecular, el montaje del panel y la capacidad de este para integrarse en una matriz solar más grande.
2) Recolección de energía térmica: energía de radiación electromagnética
El sol produce un amplio espectro de radiación de muchas longitudes de onda distintas, incluido el infrarrojo. Este espectro transfiere de manera eficiente la energía térmica a los cuerpos que pueden absorberla. Los elementos que pueden absorber eficazmente esta energía electromagnética térmica se denominan “cuerpos negros“, ya que el color negro absorbe todas las longitudes de onda de radiación que son visibles para el ojo humano. Un cuerpo negro ideal puede absorber y emitir correctamente todas las longitudes de onda del espectro de radiación electromagnética.
La radiación electromagnética se ha utilizado durante mucho tiempo para calefaccionar en muchos sistemas pasivos de calefacción, por ejemplo en la cocción de huevos, en los baños romanos y en los hogares del Antiguo Egipto, y en soluciones modernas como los paneles solares térmicos y los termosifones. Estas estrategias de recolección de energía solar térmica dependen en gran medida de la física de la radiación del cuerpo negro y su capacidad para absorber y transferir radiación electromagnética. A nivel residencial, la energía térmica se recolecta con mayor frecuencia para su uso en sistemas de calentamiento de agua. Sin embargo, estas soluciones son menos adecuadas para la generación de energía a escala industrial.
3) Calentadores de agua solares
Un gran ejemplo de una aplicación de recolección de energía solar térmica que se aplica comúnmente en climas soleados de todo el mundo es un calentador de agua solar. La versión más simple de un sistema de calentador de agua solar utiliza una bomba para hacer circular agua fría a través de un panel de cuerpo negro. Esto se asemeja visualmente a un panel solar fotovoltaico, donde la superficie negra absorbe de manera eficiente la energía térmica, que se enfría con el agua que circula, calentando así el agua. El agua viaja de manera continua a través de este bucle, lo que genera agua caliente durante toda la actividad solar. Algunos sistemas pueden prescindir de bombas mediante la flotabilidad creada por el agua que se calienta. El agua más caliente “flota“ y el agua más fría se hunde, lo que produce bajas cantidades de flujo en el sistema, al crear un termosifón. Estos sistemas requieren que el tanque de almacenamiento esté por encima de la fuente de absorción solar, como aquí se muestra.
4) Calentador de agua solar de tubo al vacío
Los sistemas solares de calentamiento de agua más avanzados y eficientes utilizan tubos al vacío y conductos de calor independientes para transferir la energía térmica a un tanque secundario. El tubo al vacío asegura que la energía radiante pueda entrar al sistema, pero toda la energía que se convierte en energía térmica se contiene en el tubo. El conducto de calor absorbe esta energía y posteriormente la transfiere al tanque grande de agua. Estos sistemas son significativamente más eficientes en el calentamiento del agua durante los meses fríos, ya que cantidades mínimas de energía térmica escapan del tubo al vacío, lo que permite que casi toda la energía radiante se convierta en energía térmica.
5) Energía solar de sal fundida
Los avances relativamente recientes en los sistemas de sal fundida impulsan los límites de la generación de electricidad con el uso de la energía solar. Sin embargo, al igual que los sistemas de calentamiento del agua alimentados por energía solar anteriormente mencionados, las centrales eléctricas de sal fundida utilizan la radiación electromagnética para fundir la sal. Esta sal fundida se transfiere a un intercambiador de calor, que calienta el agua que a su vez se convierte en vapor, que luego se impulsa a través de una turbina de vapor para generar electricidad. Las centrales eléctricas de sal fundida, como la Planta solar de Ivanpah, dependen de una extensa red de espejos helióstatos para redirigir la luz solar a un único punto, que con mayor frecuencia se denomina torre de energía o torre central. Esta torre recolecta la energía de todos los helióstatos circundantes, que es suficiente para derretir la sal a casi 816 °C (1500 °F). Esta sal fundida se almacena en tanques aislados, lo que permite que la energía se utilice incluso cuando el sol ya no brilla.
El futuro de la energía solar
La tecnología de recolección de la energía solar se utiliza cada vez más como una alternativa a la electricidad generada por los combustibles fósiles. Aunque existen varios métodos de recolección de energía solar, todos utilizan esencialmente el sol para realizar el trabajo de una manera específica deseada, algo para lo que de manera habitual dependemos de la electricidad. El aumento de la eficiencia y la optimización de los procesos seguirán revelando la productividad de los esfuerzos de recolección de energía solar y pueden eliminar por completo la necesidad de utilizar combustibles fósiles.