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Energía solar

El Sol produce radiación electromagnética que puede aprovecharse como energía útil. La energía solar es la energía radiante de la luz y el calor del Sol , que puede aprovecharse...

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El Sol produce radiación electromagnética que puede aprovecharse como energía útil.

La energía solar es la energía radiante de la luz y el calor del Sol , que puede aprovecharse mediante una variedad de tecnologías como la electricidad solar , la energía solar térmica (incluido el calentamiento solar de agua ) y la arquitectura solar . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Es una fuente esencial de energía renovable , y sus tecnologías se caracterizan ampliamente como solares pasivas o solares activas 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 circulen el aire de forma natural .

En 2011, la Agencia Internacional de Energía afirmó que «el desarrollo de tecnologías de energía solar asequibles, inagotables y limpias tendrá enormes beneficios a largo plazo. Aumentará la seguridad energética de los países al depender de un recurso autóctono, inagotable y en gran medida independiente de las importaciones, mejorará la sostenibilidad , reducirá la contaminación y disminuirá los costos de la mitigación del calentamiento global ... estas ventajas son globales». [ 1 ] [ 4 ]

Potencial

Aproximadamente la mitad de la energía solar que llega a la superficie terrestre lo hace.
Insolación media . La superficie teórica de los pequeños puntos negros es suficiente para cubrir las necesidades energéticas mundiales totales de 18 TW con energía solar.
Mapa global de irradiación horizontal [ 5 ]

La Tierra recibe 174 petavatios (PW) de radiación solar incidente ( insolación ) en la atmósfera superior . [ 6 ] Aproximadamente el 30% se refleja de vuelta al espacio, mientras que el resto, 122 PW, es absorbido por las nubes, los océanos y las masas terrestres. El espectro de la luz solar en la superficie terrestre se extiende principalmente por los rangos visible e infrarrojo cercano, con una pequeña parte en el ultravioleta cercano . [ 7 ] La ​​mayor parte de la población mundial vive en áreas con niveles de insolación de 150–300 vatios/m² , o 3,5–7,0 kWh /m² por día. [ 8 ] 

La radiación solar es absorbida por la superficie terrestre, los océanos (que cubren aproximadamente el 71% del globo) y la atmósfera. El aire caliente que contiene agua evaporada de los océanos asciende, provocando la circulación atmosférica o convección . Cuando el aire alcanza una gran altitud, donde la temperatura es baja, el vapor de agua se condensa en nubes, que caen en forma de lluvia sobre la superficie terrestre, completando así el ciclo del agua . El calor latente de la condensación del agua amplifica la convección, produciendo fenómenos atmosféricos como el viento, los ciclones y los anticiclones . [ 9 ] La luz solar absorbida por los océanos y las masas terrestres mantiene la superficie a una temperatura media de 14  °C. [ 10 ] Mediante la fotosíntesis , las plantas verdes convierten la energía solar en energía almacenada químicamente, que produce alimentos, madera y la biomasa de la que se derivan los combustibles fósiles . [ 11 ]

La energía solar total absorbida por la atmósfera, los océanos y las masas terrestres de la Tierra es aproximadamente 122 PW·año = 3.850.000 exajulios (EJ) por año. [ 12 ] En 2002 (2019), esta energía en una hora (una hora y 25 minutos) era mayor que la que el mundo consumió en un año. [ 13 ] [ 14 ] La fotosíntesis captura aproximadamente 3.000 EJ por año en biomasa. [ 15 ]  

La energía solar potencial que podrían utilizar los humanos difiere de la cantidad de energía solar presente cerca de la superficie del planeta, ya que factores como la geografía, la variación horaria, la nubosidad y la superficie terrestre disponible limitan la cantidad de energía solar que podemos obtener. En 2021, la Iniciativa Carbon Tracker estimó que la superficie terrestre necesaria para generar toda nuestra energía únicamente a partir de energía solar era de 450 000 km² , aproximadamente la misma que la superficie de Suecia , Marruecos o California (0,3 % de la superficie terrestre total de la Tierra). [ 20 ]

Las tecnologías solares se clasifican en pasivas o activas según la forma en que captan, convierten y distribuyen la luz solar, lo que permite aprovechar la energía solar en diferentes zonas del mundo, principalmente en función de la distancia al ecuador. Si bien la energía solar se refiere principalmente al uso de la radiación solar con fines prácticos, todos los tipos de energía renovable, a excepción de la energía geotérmica y la mareomotriz , se derivan directa o indirectamente del Sol.

Las técnicas solares activas utilizan paneles fotovoltaicos, energía solar concentrada , colectores solares térmicos , bombas y ventiladores para convertir la luz solar en energía útil. Las técnicas solares pasivas incluyen la selección de materiales con propiedades térmicas favorables, el diseño de espacios que permitan la circulación natural del aire y la orientación del edificio con respecto al Sol. Las tecnologías solares activas aumentan el suministro de energía y se consideran tecnologías del lado de la oferta , mientras que las tecnologías solares pasivas reducen la necesidad de recursos alternativos y generalmente se consideran tecnologías del lado de la demanda. [ 21 ]

En el año 2000, el Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD) , el Departamento de Asuntos Económicos y Sociales de la ONU y el Consejo Mundial de la Energía publicaron una estimación del potencial de energía solar que los seres humanos podrían utilizar anualmente. Esta estimación tuvo en cuenta factores como la insolación, la nubosidad y la superficie terrestre cultivable. Se afirmó que la energía solar tiene un potencial global de entre 1600 y 49 800 exajulios (de 4,4 × 10¹⁴ a 1,4 × 10¹⁶ kWh ) al año ( véase la tabla a continuación) . [ 22 ] 

energía térmica

Las tecnologías solares térmicas pueden utilizarse para calentar agua, calentar espacios, enfriar espacios y generar calor para procesos. [ 23 ]

Adaptación comercial temprana

En 1878, en la Exposición Universal de París, Augustin Mouchot demostró con éxito una máquina de vapor solar, pero no pudo continuar su desarrollo debido al bajo precio del carbón y otros factores.

Dibujo de patente de 1917 del colector solar de Shuman.

En 1897, Frank Shuman , inventor, ingeniero y pionero de la energía solar estadounidense, construyó un pequeño motor solar de demostración que funcionaba reflejando la energía solar en cajas cuadradas llenas de éter, que tiene un punto de ebullición más bajo que el agua y que estaban equipadas internamente con tuberías negras que, a su vez, alimentaban una máquina de vapor. En 1908, Shuman fundó la Sun Power Company con la intención de construir centrales solares de mayor tamaño. Junto con su asesor técnico ASE Ackermann y el físico británico Sir Charles Vernon Boys , [ 24 ] desarrolló un sistema mejorado que utilizaba espejos para reflejar la energía solar en cajas colectoras, aumentando la capacidad de calentamiento hasta el punto de que ahora se podía usar agua en lugar de éter. Shuman construyó entonces una máquina de vapor a escala real alimentada por agua a baja presión, lo que le permitió patentar todo el sistema del motor solar en 1912.

Shuman construyó la primera central termosolar del mundo en Maadi , Egipto , entre 1912 y 1913. Su planta utilizaba colectores parabólicos para alimentar un motor de 45 a 52 kilovatios (60 a 70 hp ) que bombeaba más de 22 000 litros (4800 galones imperiales ; 5800 galones estadounidenses ) de agua por minuto desde el río Nilo hasta los campos de algodón adyacentes. Aunque el estallido de la Primera Guerra Mundial y el descubrimiento de petróleo barato en la década de 1930 desalentaron el avance de la energía solar, la visión y el diseño básico de Shuman resurgieron en la década de 1970 con una nueva ola de interés en la energía termosolar. [ 25 ] En 1916, Shuman fue citado en los medios de comunicación abogando por la utilización de la energía solar, diciendo:     

Hemos demostrado la rentabilidad comercial de la energía solar en los trópicos y, más concretamente, hemos demostrado que, una vez agotadas nuestras reservas de petróleo y carbón, la humanidad puede obtener energía ilimitada de los rayos del Sol.

— Frank Shuman, New York Times, 2 de julio de 1916 [ 26 ]

Calentamiento de agua

Calentadores solares de agua orientados hacia el sol para maximizar la ganancia.

Los sistemas solares de agua caliente utilizan la luz solar para calentar el agua. En latitudes geográficas medias (entre 40  grados norte y 40  grados sur), entre el 60 y el 70 % del consumo doméstico de agua caliente, con temperaturas de hasta 60 °C (140 °F) , puede ser cubierto por sistemas de calefacción solar. [ 27 ] Los tipos más comunes de calentadores solares de agua son los colectores de tubos de vacío (44 %) y los colectores de placa plana acristalada (34 %), generalmente utilizados para agua caliente sanitaria; y los colectores de plástico sin acristalar (21 %), utilizados principalmente para calentar piscinas. [ 28 ]  

En 2015, la capacidad instalada total de sistemas solares de agua caliente era de aproximadamente 436 gigavatios térmicos (GW th ), y China es el líder mundial en su implementación con 309 GW th instalados, lo que representa el 71% del mercado. [ 29 ] Israel y Chipre son los líderes per cápita en el uso de sistemas solares de agua caliente, con más del 90% de los hogares utilizándolos. [ 30 ] En Estados Unidos, Canadá y Australia, la calefacción de piscinas es la aplicación dominante de los sistemas solares de agua caliente, con una capacidad instalada de 18 GW th en 2005. [ 21 ]  

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 utilizada en edificios comerciales y casi el 50 % (10,1  EJ/año) de la energía utilizada en edificios residenciales. [ 31 ] [ 32 ] Las tecnologías de calefacción, refrigeración y ventilación solar pueden utilizarse para compensar una parte de esta energía. El uso de la energía solar para calefacción puede dividirse, a grandes rasgos, en conceptos solares pasivos y conceptos solares activos , dependiendo de si se utilizan elementos activos como el seguimiento solar y la óptica de concentración solar.

La Casa Solar n.º 1 del MIT , construida en 1939 en Estados Unidos, utilizaba el almacenamiento estacional de energía térmica para la calefacción durante todo el año.

La masa térmica es cualquier material que puede utilizarse para almacenar calor, en este caso, el calor del sol. Entre los materiales comunes para la masa térmica se incluyen la piedra, el cemento y el agua. Históricamente, se han utilizado en climas áridos o regiones templadas cálidas para mantener frescos los edificios, absorbiendo la energía solar durante el día y liberando el calor almacenado a la atmósfera más fría por la noche. Sin embargo, también pueden utilizarse en zonas templadas frías para mantener el calor. El tamaño y la ubicación de la masa térmica dependen de varios factores, como el clima, la iluminación natural y las condiciones de sombra. Cuando se incorpora adecuadamente, la masa térmica mantiene la temperatura de los espacios dentro de un rango confortable y reduce la necesidad de equipos auxiliares de calefacción y refrigeración. [ 33 ]

Una chimenea solar (o chimenea térmica, en este contexto) es un sistema de ventilación solar pasiva compuesto por un conducto vertical que conecta el interior y el exterior de un edificio. A medida que la chimenea se calienta, el aire interior también se calienta, lo que provoca una corriente ascendente que impulsa el aire a través del edificio. Su rendimiento puede mejorarse mediante el uso de acristalamiento y materiales de masa térmica [ 34 ] de forma similar a los invernaderos.

Los árboles y plantas de hoja caduca se han promovido como un medio para controlar la calefacción y la refrigeración solar. Cuando se plantan en el lado sur de un edificio en el hemisferio norte o en el lado norte en el hemisferio sur, sus hojas proporcionan sombra durante el verano, mientras que las ramas desnudas permiten el paso de la luz durante el invierno. [ 35 ] Dado que los árboles sin hojas dan sombra a entre un tercio y la mitad de la radiación solar incidente, existe un equilibrio entre los beneficios de la sombra en verano y la correspondiente pérdida de calefacción en invierno. [ 36 ] En climas con importantes necesidades de calefacción, no se deben plantar árboles de hoja caduca en el lado de un edificio que da al ecuador, ya que interferirán con la disponibilidad solar en invierno. Sin embargo, se pueden utilizar en los lados este y oeste para proporcionar cierto grado de sombra en verano sin afectar apreciablemente la ganancia solar en invierno . [ 37 ]

Cocinando

En Auroville , India, un plato parabólico produce vapor para cocinar .

Las cocinas solares utilizan la luz del sol para cocinar, secar y pasteurizar . Se pueden agrupar en tres grandes categorías: cocinas de caja, cocinas de panel y cocinas reflectoras. [ 38 ] La cocina solar más simple es la cocina de caja, construida por primera vez por Horace de Saussure en 1767. [ 39 ] Una cocina de caja básica consiste en un recipiente aislado con una tapa transparente. Se puede usar eficazmente con cielos parcialmente nublados y normalmente alcanza temperaturas de 90–150 °C (194–302 °F) . [ 40 ] Las cocinas de panel utilizan un panel reflectante para dirigir la luz solar hacia un recipiente aislado y alcanzan temperaturas comparables a las de las cocinas de caja. Las cocinas reflectoras utilizan diversas geometrías de concentración (parabólica, canal, espejos de Fresnel) para enfocar la luz en un recipiente de cocción. Estas cocinas alcanzan temperaturas de 315 °C (599 °F) o más, pero requieren luz directa para funcionar correctamente y deben reposicionarse para seguir al Sol. [ 41 ]    

Calor de proceso

Las tecnologías de concentración solar, como los reflectores parabólicos, de canal y Scheffler, pueden proporcionar calor de proceso para aplicaciones comerciales e industriales. El primer sistema comercial fue el Proyecto de Energía Solar Total (STEP) en Shenandoah, Georgia, EE. UU., donde un campo de 114 reflectores parabólicos proporcionó el 50 % de los requisitos de calefacción, aire acondicionado y electricidad de una fábrica de ropa. Este sistema de cogeneración conectado a la red proporcionó 400  kW de electricidad más energía térmica en forma de 401  kW de vapor y 468  kW de agua fría, y contaba con un almacenamiento térmico de carga máxima de una hora. [ 42 ] Los estanques de evaporación son piscinas poco profundas que concentran sólidos disueltos mediante evaporación . El uso de estanques de evaporación para obtener sal del agua de mar es una de las aplicaciones más antiguas de la energía solar. Los usos modernos incluyen la concentración de soluciones de salmuera utilizadas en la minería por lixiviación y la eliminación de sólidos disueltos de corrientes de residuos. [ 43 ]

Los tendederos , los tendederos de ropa y los percheros secan la ropa mediante la evaporación por el viento y la luz solar sin consumir electricidad ni gas. En algunos estados de los Estados Unidos, la legislación protege el "derecho a secar" la ropa. [ 44 ] Los colectores de aire transpirado sin vidriar (UTC) son paredes perforadas orientadas al sol que se utilizan para precalentar el aire de ventilación. Los UTC pueden elevar la temperatura del aire de entrada hasta 22 °C (40 °F) y proporcionar temperaturas de salida de 45–60 °C (113–140 °F) . [ 45 ] El corto período de recuperación de la inversión de los colectores de aire transpirado (de 3 a 12 años) los convierte en una alternativa más rentable que los sistemas de recolección vidriados. [ 45 ] En 2003, se habían instalado en todo el mundo más de 80 sistemas con un área de colectores combinada de 35 000 metros cuadrados (380 000 pies cuadrados ) , incluyendo un colector de 860 m² (9300 pies cuadrados ) en Costa Rica utilizado para secar granos de café y un colector de 1300 m² (14 000 pies cuadrados ) en Coimbatore , India, utilizado para secar caléndulas. [ 46 ]             

Tratamiento del agua

Desinfección solar del agua en Indonesia

La destilación solar puede utilizarse para potabilizar agua salina o salobre . El primer caso documentado fue el de los alquimistas árabes del siglo XVI. [ 47 ] Un proyecto de destilación solar a gran escala se construyó por primera vez en 1872 en la ciudad minera chilena de Las Salinas. [ 48 ] La planta, que tenía una superficie de captación solar de 4700 m² (51 000 pies²) , podía producir hasta 22 700 L (5000 galones imperiales ; 6000 galones estadounidenses ) por día y funcionar durante 40 años. [ 48 ] Los diseños de destiladores individuales incluyen pendiente simple, pendiente doble (o tipo invernadero), vertical, cónico, absorbedor invertido, de mecha múltiple y de efecto múltiple. Estos destiladores pueden operar en modos pasivo, activo o híbrido. Los destiladores de pendiente doble son los más económicos para usos domésticos descentralizados, mientras que las unidades activas de efecto múltiple son más adecuadas para aplicaciones a gran escala. [ 47 ]         

La desinfección solar del agua (SODIS) consiste en exponer botellas de plástico de tereftalato de polietileno (PET) llenas de agua a la luz solar durante varias horas. [ 49 ] Los tiempos de exposición varían según el clima, desde un mínimo de seis horas hasta dos días en condiciones de cielo completamente nublado. [ 50 ] La Organización Mundial de la Salud la recomienda como un método viable para el tratamiento y almacenamiento seguro del agua en el hogar. [ 51 ] Más de dos millones de personas en países en desarrollo utilizan este método para su agua potable diaria. [ 50 ]

La energía solar puede utilizarse en un estanque de estabilización de agua para tratar aguas residuales sin productos químicos ni electricidad. Otra ventaja ambiental es que en estos estanques crecen algas que consumen dióxido de carbono mediante la fotosíntesis, aunque pueden producir sustancias químicas tóxicas que hacen que el agua sea inutilizable. [ 52 ] [ 53 ]

Tecnología de sales fundidas

La sal fundida puede emplearse como método de almacenamiento de energía térmica para retener la energía térmica captada por una torre solar o un colector solar de una central de energía solar concentrada, de modo que pueda utilizarse para generar electricidad en condiciones climáticas adversas o durante la noche. Esto se demostró en el proyecto Solar Two entre 1995 y 1999. Se prevé que el sistema tenga una eficiencia anual del 99 %, en referencia a la energía retenida mediante el almacenamiento de calor antes de convertirlo en electricidad, en comparación con la conversión directa de calor en electricidad. [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] Las mezclas de sal fundida varían. La mezcla más extendida contiene nitrato de sodio , nitrato de potasio y nitrato de calcio . Es ininflamable y no tóxica, y ya se ha utilizado en las industrias química y metalúrgica como fluido de transporte de calor. Por lo tanto, existe experiencia con estos sistemas en aplicaciones no solares.

La sal se funde a 131 °C (268 °F) . Se mantiene líquida a 288 °C (550 °F) en un tanque de almacenamiento en frío aislado. La sal líquida se bombea a través de paneles en un colector solar donde la irradiancia concentrada la calienta a 566 °C (1051 °F) . Luego se envía a un tanque de almacenamiento en caliente. Este está tan bien aislado que la energía térmica se puede almacenar de forma útil hasta por una semana. [ 57 ]      

Cuando se necesita electricidad, la sal caliente se bombea a un generador de vapor convencional para producir vapor sobrecalentado que alimenta una turbina/generador, como las que se utilizan en cualquier central eléctrica convencional de carbón, petróleo o nuclear. Con este diseño, una turbina de 100 megavatios necesitaría un tanque de aproximadamente 9,1 metros de altura y 24 metros de diámetro para funcionar durante cuatro horas.  

Varias centrales eléctricas de colectores parabólicos en España [ 58 ] y el desarrollador de torres de energía solar SolarReserve utilizan este concepto de almacenamiento de energía térmica. La central eléctrica Solana en EE. UU. tiene seis horas de almacenamiento mediante sales fundidas. En Chile, la central eléctrica Cerro Dominador tiene una  torre solar-térmica de 110 MW, el calor se transfiere a sales fundidas . [ 59 ] Las sales fundidas luego transfieren su calor en un intercambiador de calor al agua, generando vapor sobrecalentado, que alimenta una turbina que transforma la energía cinética del vapor en energía eléctrica utilizando el ciclo Rankine . [ 60 ] De esta manera, la planta Cerro Dominador es capaz de generar alrededor de 110 MW de potencia. [ 61 ] La planta tiene un sistema de almacenamiento avanzado que le permite generar electricidad durante hasta 17,5 horas sin radiación solar directa, lo que le permite proporcionar un suministro eléctrico estable sin interrupciones si es necesario. El proyecto aseguró hasta 950 GW·h por año de venta. Otro proyecto es la planta María Elena [ 62 ]  , un complejo termosolar de 400 MW en la región norte de Chile , Antofagasta, que emplea tecnología de sales fundidas.

Producción de electricidad

Instalación solar de Greencap Energy en un hospital del NHS en Keighley , Inglaterra.

La energía solar , también conocida como electricidad solar, es la conversión de la energía de la luz solar en electricidad , ya sea directamente mediante paneles fotovoltaicos (PV) o indirectamente mediante energía solar concentrada . Los paneles solares utilizan el efecto fotovoltaico para convertir la luz en corriente eléctrica . [ 63 ] Los sistemas de energía solar concentrada utilizan lentes o espejos y sistemas de seguimiento solar para enfocar una gran área de luz solar en un punto caliente, a menudo para accionar una turbina de vapor .

La energía fotovoltaica (FV) se utilizó inicialmente solo como fuente de electricidad para aplicaciones pequeñas y medianas, desde la calculadora alimentada por una sola célula solar hasta hogares remotos alimentados por un sistema fotovoltaico aislado en el tejado. Las centrales solares de concentración comerciales se desarrollaron por primera vez en la década de 1980. Desde entonces, a medida que el coste de los paneles solares ha disminuido, la capacidad y la producción de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red se han duplicado aproximadamente cada tres años . Tres cuartas partes de la nueva capacidad de generación son solares, [ 64 ] y se siguen construyendo millones de instalaciones en tejados y centrales fotovoltaicas a escala de gigavatios .

En 2025, la energía solar generó el 9% de la electricidad mundial. [ 65 ] En 2024, la energía solar generó más del 1% de la energía primaria (2,7% por el método de sustitución ), añadiendo el doble de electricidad nueva que el carbón. [ 66 ] [ 67 ] Junto con la energía eólica terrestre , la energía solar a gran escala es la fuente con el coste nivelado de electricidad más barato para nuevas instalaciones en la mayoría de los países. [ 68 ] [ 69 ] Casi la mitad de la energía solar instalada en 2022 se montó en tejados . [ 70 ] China es actualmente el mayor productor e instalador de capacidad de energía solar; a nivel mundial, produce el 98% de las obleas solares, el 92% de las células solares y el 85% de los paneles solares, y representó más del 55% de la capacidad solar instalada mundial en el primer semestre de 2025. [ 71 ] [ 72 ] [ 73 ]

Se necesita mucha más energía baja en carbono para la electrificación y para limitar el cambio climático . [ 64 ] La Agencia Internacional de Energía dijo en 2022 que se necesitaban más esfuerzos para la integración de la red y la mitigación de los desafíos de política, regulación y financiación. [ 74 ] Sin embargo, la energía solar puede reducir considerablemente el costo de la energía. [ 66 ] La energía solar es importante para la seguridad energética . [ 75 ]

Energía solar concentrada

Los sistemas de energía solar de concentración (CSP) utilizan lentes o espejos y sistemas de seguimiento para enfocar una gran área de luz solar en un haz pequeño. El calor concentrado se utiliza luego como fuente de calor para una central eléctrica convencional. [ 76 ] Existe una amplia gama de tecnologías de concentración; las más desarrolladas son el colector parabólico, los colectores de torre solar, el reflector lineal de Fresnel de concentración y el plato Stirling. Se utilizan diversas técnicas para seguir al Sol y enfocar la luz. En todos estos sistemas, un fluido de trabajo se calienta con la luz solar concentrada y luego se utiliza para la generación de energía o el almacenamiento de energía. [ 76 ] [ 77 ] Los diseños deben tener en cuenta el riesgo de una tormenta de polvo , granizo u otro evento meteorológico extremo que pueda dañar las superficies de vidrio fino de las centrales de energía solar. Las rejillas metálicas permitirían que un alto porcentaje de luz solar entrara en los espejos y paneles solares, evitando al mismo tiempo la mayor parte del daño.

Arquitectura y planificación urbana

La Universidad Tecnológica de Darmstadt , Alemania, ganó el Solar Decathlon 2007 en Washington, DC con esta casa pasiva diseñada para un clima subtropical húmedo y cálido. [ 78 ]

La luz solar ha influido en el diseño de edificios desde los inicios de la historia de la arquitectura. [ 79 ] Los griegos y los chinos fueron los primeros en emplear métodos avanzados de arquitectura solar y planificación urbana , orientando sus edificios hacia el sur para proporcionar luz y calor. [ 80 ]

Las características comunes de la arquitectura solar pasiva son la orientación con respecto al Sol, la proporción compacta (una baja relación superficie/volumen), el sombreado selectivo (voladizos) y la masa térmica . [ 79 ] Cuando estas características se adaptan al clima y entorno local, pueden producir espacios bien iluminados que se mantienen en un rango de temperatura confortable. La Casa Megaron de Sócrates es un ejemplo clásico de diseño solar pasivo. [ 79 ] Los enfoques más recientes para el diseño solar utilizan modelado computacional que vincula sistemas de iluminación , calefacción y ventilación solar en un paquete de diseño solar integrado. [ 81 ] Los equipos solares activos, como bombas, ventiladores y ventanas conmutables, pueden complementar el diseño pasivo y mejorar el rendimiento del sistema.

Las islas de calor urbanas (ICU) son áreas metropolitanas con temperaturas superiores a las del entorno circundante. Estas temperaturas más elevadas se deben a la mayor absorción de energía solar por parte de materiales urbanos como el asfalto y el hormigón, que presentan albedos más bajos y capacidades caloríficas más altas que los del entorno natural. Un método sencillo para contrarrestar el efecto ICU consiste en pintar de blanco los edificios y las carreteras y plantar árboles en la zona. Mediante estos métodos, un hipotético programa de "comunidades frescas" en Los Ángeles ha proyectado que las temperaturas urbanas podrían reducirse aproximadamente 3  °C con un coste estimado de 1.000 millones de dólares estadounidenses  , lo que generaría beneficios anuales totales estimados de 530  millones de dólares estadounidenses gracias a la reducción de los costes de aire acondicionado y al ahorro en atención médica. [ 82 ]

Agricultura y horticultura

En los invernaderos como estos, en el municipio de Westland, en los Países Bajos, se cultivan verduras, frutas y flores.

La agricultura y la horticultura buscan optimizar la captura de energía solar para optimizar la productividad de las plantas. Técnicas como ciclos de siembra programados, orientación de hileras adaptada, alturas escalonadas entre hileras y la mezcla de variedades de plantas pueden mejorar los rendimientos de los cultivos. [ 83 ] [ 84 ] [ 85 ] Si bien la luz solar generalmente se considera un recurso abundante, las excepciones resaltan la importancia de la energía solar para la agricultura. Durante las cortas temporadas de cultivo de la Pequeña Edad de Hielo , los agricultores franceses e ingleses emplearon muros frutales para maximizar la recolección de energía solar. Estos muros actuaban como masas térmicas y aceleraban la maduración al mantener las plantas calientes. Los primeros muros frutales se construían perpendiculares al suelo y orientados al sur, pero con el tiempo, se desarrollaron muros inclinados para aprovechar mejor la luz solar. En 1699, Nicolas Fatio de Duillier incluso sugirió usar un mecanismo de seguimiento que pudiera pivotar para seguir al Sol. [ 86 ] Las aplicaciones de la energía solar en la agricultura, además del cultivo de cosechas, incluyen el bombeo de agua, el secado de cultivos, la cría de pollitos y el secado de estiércol de gallina. [ 46 ] [ 87 ] Más recientemente, la tecnología ha sido adoptada por los viticultores , quienes utilizan la energía generada por los paneles solares para alimentar las prensas de uva. [ 88 ]

Los invernaderos convierten la luz solar en calor, lo que permite la producción durante todo el año y el crecimiento (en ambientes cerrados) de cultivos especiales y otras plantas que no se adaptan naturalmente al clima local. Los invernaderos primitivos se utilizaron por primera vez durante la época romana para producir pepinos durante todo el año para el emperador romano Tiberio . [ 89 ] Los primeros invernaderos modernos se construyeron en Europa en el siglo XVI para mantener plantas exóticas traídas de exploraciones en el extranjero. [ 90 ] Los invernaderos siguen siendo una parte importante de la horticultura actual. Los materiales plásticos transparentes también se han utilizado con un efecto similar en túneles de polietileno y cubiertas para hileras .

Transporte

Ganador del World Solar Challenge 2013 en Australia.
Aviones eléctricos solares que dieron la vuelta al mundo en 2015.

El desarrollo de un automóvil propulsado por energía solar ha sido un objetivo de ingeniería desde la década de 1980. El World Solar Challenge es una carrera bienal de automóviles propulsados ​​por energía solar, donde equipos de universidades y empresas compiten a lo largo de 3021 kilómetros (1877 millas) a través del centro de Australia, desde Darwin hasta Adelaida . En 1987, cuando se fundó, la velocidad promedio del ganador fue de 67 kilómetros por hora (42 mph) y para 2007 la velocidad promedio del ganador había mejorado a 90,87 kilómetros por hora (56,46 mph) . [ 91 ] El North American Solar Challenge y el planeado South African Solar Challenge son competiciones comparables que reflejan un interés internacional en la ingeniería y el desarrollo de vehículos propulsados ​​por energía solar. [ 92 ] [ 93 ]   

Algunos vehículos utilizan paneles solares para obtener energía auxiliar, como para el aire acondicionado, para mantener el interior fresco, reduciendo así el consumo de combustible. [ 94 ] [ 95 ]

En 1975, se construyó en Inglaterra el primer barco solar práctico. [ 96 ] En 1995, comenzaron a aparecer barcos de pasajeros que incorporaban paneles fotovoltaicos y ahora se utilizan ampliamente. [ 97 ] En 1996, Kenichi Horie realizó la primera travesía del Océano Pacífico impulsada por energía solar, y el catamarán Sun21 realizó la primera travesía del Océano Atlántico impulsada por energía solar en el invierno de 2006-2007. [ 98 ] Había planes para circunnavegar el globo en 2010. [ 99 ]

En 1974, el avión no tripulado AstroFlight Sunrise realizó el primer vuelo solar. El 29 de abril de 1979, el Solar Riser realizó el primer vuelo en una máquina voladora tripulada, totalmente controlada y propulsada por energía solar, alcanzando una altitud de 12 metros (40 pies ) . En 1980, el Gossamer Penguin realizó los primeros vuelos tripulados impulsados ​​exclusivamente por energía fotovoltaica. A esto le siguió rápidamente el Solar Challenger , que cruzó el Canal de la Mancha en julio de 1981. En 1990, Eric Scott Raymond voló desde California hasta Carolina del Norte en 21 saltos utilizando energía solar. [ 100 ] Los desarrollos volvieron entonces a los vehículos aéreos no tripulados (UAV) con el Pathfinder (1997) y diseños posteriores, culminando en el Helios que estableció el récord de altitud para una aeronave no propulsada por cohetes a 29.524 metros (96.864 pies) en 2001. [ 101 ] El Zephyr , desarrollado por BAE Systems , es el último de una línea de aeronaves solares que baten récords, realizando un vuelo de 54 horas en 2007, y se preveían vuelos de un mes de duración para 2010. [ 102 ] De marzo de 2015 a julio de 2016, Solar Impulse , una aeronave eléctrica , circunnavegó con éxito el globo. Es un avión monoplaza propulsado por células solares y capaz de despegar por su propia fuerza. El diseño permite que la aeronave permanezca en el aire durante varios días. [ 103 ]   

Un globo solar es un globo negro lleno de aire común. Cuando la luz del sol incide sobre el globo, el aire en su interior se calienta y se expande, generando una fuerza de flotación ascendente , similar a la de un globo aerostático calentado artificialmente . Algunos globos solares son lo suficientemente grandes para el vuelo humano, pero su uso generalmente se limita al mercado de juguetes, ya que la relación entre la superficie y el peso de la carga útil es relativamente alta. [ 104 ]

Vehículo solar de escuadrón

Escuadrón Solar

El Squad Solar es un vehículo eléctrico de barrio que tiene un techo solar y se puede enchufar a una toma de corriente normal de 120 voltios para cargarse. [ 105 ]

Producción de combustible

Los paneles solares de concentración están recibiendo un impulso significativo. El Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) probará un nuevo sistema de energía solar de concentración, capaz de ayudar a las centrales eléctricas de gas natural a reducir su consumo de combustible hasta en un 20 por ciento.

Los procesos químicos solares utilizan la energía solar para impulsar reacciones químicas. Estos procesos compensan la energía que de otro modo provendría de una fuente de combustible fósil y también pueden convertir la energía solar en combustibles almacenables y transportables. Las reacciones químicas inducidas por el sol se pueden dividir en termoquímicas o fotoquímicas . [ 106 ] Se puede producir una variedad de combustibles mediante fotosíntesis artificial . [ 107 ] La química catalítica multielectrónica involucrada en la fabricación de combustibles a base de carbono (como el metanol ) a partir de la reducción de dióxido de carbono es un desafío; una alternativa factible es la producción de hidrógeno a partir de protones, aunque el uso de agua como fuente de electrones (como hacen las plantas) requiere dominar la oxidación multielectrónica de dos moléculas de agua a oxígeno molecular. [ 108 ] Algunos han previsto plantas de combustible solar en funcionamiento en áreas metropolitanas costeras para 2050 : la división del agua de mar proporciona hidrógeno que se utiliza en centrales eléctricas de pilas de combustible adyacentes y el subproducto de agua pura va directamente al sistema de agua municipal. [ 109 ] Además, el almacenamiento de energía química es otra solución al almacenamiento de energía solar. [ 110 ] 

Las tecnologías de producción de hidrógeno han sido un área significativa de investigación en química solar desde la década de 1970. Además de la electrólisis impulsada por células fotovoltaicas o fotoquímicas, también se han explorado varios procesos termoquímicos. Una de estas rutas utiliza concentradores para separar el agua en oxígeno e hidrógeno a altas temperaturas ( 2300–2600 °C o 4200–4700 °F ). [ 111 ] Otro enfoque utiliza el calor de los concentradores solares para impulsar el reformado con vapor de gas natural, aumentando así el rendimiento total de hidrógeno en comparación con los métodos de reformado convencionales. [ 112 ] Los ciclos termoquímicos caracterizados por la descomposición y regeneración de reactivos presentan otra vía para la producción de hidrógeno. El proceso Solzinc en desarrollo en el Instituto Weizmann de Ciencias utiliza un horno solar de 1 MW para descomponer óxido de zinc (ZnO) a temperaturas superiores a 1200 °C (2200 °F) . Esta reacción inicial produce zinc puro, que posteriormente puede reaccionar con agua para producir hidrógeno. [ 113 ]     

métodos de almacenamiento de energía

Almacenamiento de energía térmica . La planta CSP de Andasol utiliza tanques de sales fundidas para almacenar energía solar.

Los sistemas de masa térmica pueden almacenar energía solar en forma de calor a temperaturas útiles para uso doméstico durante periodos diarios o entre estaciones . Estos sistemas suelen utilizar materiales fácilmente disponibles con altas capacidades caloríficas específicas, como agua, tierra y piedra. Los sistemas bien diseñados pueden reducir la demanda máxima , desplazar el tiempo de uso a las horas de menor demanda y disminuir las necesidades generales de calefacción y refrigeración. [ 114 ] [ 115 ]

Los materiales de cambio de fase, como la parafina y la sal de Glauber, son otro medio de almacenamiento térmico. Estos materiales son económicos, fácilmente disponibles y pueden proporcionar temperaturas útiles para uso doméstico (aproximadamente 64 °C o 147 °F ). La "Dover House" (en Dover , Massachusetts) fue la primera en utilizar un sistema de calefacción con sal de Glauber, en 1948. [ 116 ] La energía solar también se puede almacenar a altas temperaturas utilizando sales fundidas . Las sales son un medio de almacenamiento eficaz porque son de bajo costo, tienen una alta capacidad calorífica específica y pueden proporcionar calor a temperaturas compatibles con los sistemas de energía convencionales. El proyecto Solar Two utilizó este método de almacenamiento de energía, lo que le permitió almacenar 1,44 terajulios (400 000 kWh) en su tanque de almacenamiento de 68 m³ con una eficiencia de almacenamiento anual de aproximadamente el 99 %. [ 117 ]   

Los sistemas fotovoltaicos aislados tradicionalmente han utilizado baterías recargables para almacenar el exceso de electricidad. Con los sistemas conectados a la red, el exceso de electricidad se puede enviar a la red de transmisión , mientras que la electricidad estándar de la red se puede utilizar para cubrir los déficits. Los programas de medición neta otorgan a los sistemas domésticos un crédito por la electricidad que suministran a la red. Esto se gestiona "retrocediendo" el contador cuando la vivienda produce más electricidad de la que consume. Si el consumo neto de electricidad es inferior a cero, la compañía eléctrica transfiere el crédito de kilovatios-hora al mes siguiente. [ 118 ] Otros enfoques implican el uso de dos contadores, para medir la electricidad consumida frente a la electricidad producida. Esto es menos común debido al mayor coste de instalación del segundo contador. La mayoría de los contadores estándar miden con precisión en ambas direcciones, lo que hace innecesario un segundo contador.

La energía hidroeléctrica de bombeo almacena energía en forma de agua bombeada desde un embalse de menor altitud a otro de mayor altitud cuando hay energía disponible. La energía se recupera cuando la demanda es alta liberando el agua, y la bomba se convierte en un generador de energía hidroeléctrica. [ 119 ]

Desarrollo, despliegue y aspectos económicos

Los participantes en un taller sobre desarrollo sostenible inspeccionan paneles solares en el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, en la Ciudad de México, ubicados en la azotea de un edificio del campus.
Desarrollo de costes de módulos solares fotovoltaicos por vatio

A partir del auge del uso del carbón , que acompañó a la Revolución Industrial , el consumo de energía pasó progresivamente de la madera y la biomasa a los combustibles fósiles . El desarrollo inicial de las tecnologías solares, que comenzó en la década de 1860, se debió a la expectativa de que el carbón pronto escasearía. Sin embargo, el desarrollo de las tecnologías solares se estancó a principios del  siglo XX ante la creciente disponibilidad, rentabilidad y utilidad del carbón y el petróleo . [ 120 ]

El embargo petrolero de 1973 y la crisis energética de 1979 provocaron una reorganización de las políticas energéticas en todo el mundo. Esto reavivó el interés por el desarrollo de tecnologías solares. [ 121 ] [ 122 ] Las estrategias de implementación se centraron en programas de incentivos como el Programa Federal de Utilización Fotovoltaica en EE. UU. y el Programa Sunshine en Japón. Otros esfuerzos incluyeron la creación de centros de investigación en EE. UU. (SERI, ahora NREL ), Japón ( NEDO ) y Alemania ( Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE ). [ 123 ]

Los calentadores solares de agua comerciales comenzaron a aparecer en Estados Unidos en la década de 1890. [ 124 ] Estos sistemas se utilizaron cada vez más hasta la década de 1920, pero fueron reemplazados gradualmente por combustibles de calefacción más baratos y fiables. [ 125 ] Al igual que con la energía fotovoltaica, el calentamiento solar de agua atrajo una atención renovada como resultado de las crisis del petróleo en la década de 1970, pero el interés disminuyó en la década de 1980 debido a la caída de los precios del petróleo. El desarrollo en el sector del calentamiento solar de agua progresó de manera constante a lo largo de la década de 1990, y las tasas de crecimiento anual han promediado un 20 % desde 1999. [ 126 ] Aunque generalmente subestimada, la calefacción y refrigeración solar de agua es, con mucho, la tecnología solar más extendida, con una capacidad estimada de 154  GW en 2007. [ 126 ]

La Agencia Internacional de Energía ha afirmado que la energía solar puede contribuir considerablemente a la solución de algunos de los problemas más urgentes a los que se enfrenta el mundo actualmente: [ 1 ]

El desarrollo de tecnologías de energía solar asequibles, inagotables y limpias tendrá enormes beneficios a largo plazo. Aumentará la seguridad energética de los países al depender de un recurso autóctono, inagotable y prácticamente independiente de importaciones, mejorará la sostenibilidad, reducirá la contaminación, disminuirá los costos de la mitigación del cambio climático y mantendrá los precios de los combustibles fósiles más bajos. Estas ventajas son globales. Por lo tanto, los costos adicionales de los incentivos para la implementación temprana deben considerarse inversiones en aprendizaje; deben gastarse con prudencia y deben compartirse ampliamente. [ 1 ]

En 2011, un informe de la Agencia Internacional de Energía concluyó que las tecnologías de energía solar, como la fotovoltaica, la energía solar térmica y la energía solar de concentración, podrían proporcionar un tercio de la energía mundial para 2060 si los políticos se comprometen a limitar el cambio climático y a realizar la transición a las energías renovables . La energía del Sol podría desempeñar un papel fundamental en la descarbonización de la economía global, junto con mejoras en la eficiencia energética e imponiendo costos a los emisores de gases de efecto invernadero . «La fortaleza de la energía solar reside en la increíble variedad y flexibilidad de sus aplicaciones, desde pequeña hasta gran escala». [ 127 ]

Hemos demostrado... que una vez agotadas nuestras reservas de petróleo y carbón, la raza humana puede recibir energía ilimitada de los rayos del Sol.

— Frank Shuman , The New York Times , 2 de julio de 1916. [ 26 ]

En 2021, Lazard estimó que el costo nivelado de la electricidad solar a gran escala sin subsidios de nueva construcción era inferior a 37 dólares por MWh, mientras que la energía generada con carbón existente superaba esa cantidad. [ 128 ] [ 129 ] El informe de 2021 también indicó que la energía solar nueva era más barata que la energía generada con gas, pero generalmente no que la energía generada con gas existente. [ 129 ]

Tecnologías emergentes

Eficiencias de células solares de diversas tecnologías (incluidas las de monocristal y película delgada ) según el seguimiento realizado por NREL.

Energía solar experimental

Los sistemas fotovoltaicos de concentración (CPV) utilizan la luz solar concentrada sobre superficies fotovoltaicas para generar electricidad. Los dispositivos termoeléctricos , o termovoltaicos, convierten la diferencia de temperatura entre materiales distintos en corriente eléctrica.

paneles solares flotantes

Sistema fotovoltaico flotante en un estanque de riego.

Los sistemas solares flotantes o fotovoltaicos flotantes (FPV), a veces llamados flotaovoltaicos, son paneles solares montados sobre una estructura flotante. Las estructuras que sostienen los paneles suelen consistir en boyas de plástico y cables. Luego se colocan en una masa de agua (por ejemplo, embalses, lagos de canteras, canales de riego o estanques de remediación y relaves). [ 130 ] [ 131 ] [ 132 ] [ 133 ] [ 134 ]

Los sistemas pueden tener ventajas sobre los sistemas fotovoltaicos (FV) terrestres. Las superficies de agua pueden ser menos costosas que el costo del terreno, y existen menos normas y regulaciones para las estructuras construidas en cuerpos de agua no utilizados para la recreación. El análisis del ciclo de vida indica que los FPV basados ​​en espuma [ 135 ] tienen algunos de los tiempos de recuperación energética más cortos (1,3 años) y la menor relación de emisiones de gases de efecto invernadero por energía (11  kg CO₂ eq /MWh) en tecnologías solares fotovoltaicas de silicio cristalino reportadas. [ 136 ] Los FPV se pueden utilizar para generar electricidad para cualquier aplicación, así como para producir hidrógeno verde mediante electrólisis en la misma agua en la que flotan. [ 137 ]

Los conjuntos flotantes pueden alcanzar mayores eficiencias que los paneles fotovoltaicos terrestres debido a que el agua enfría los paneles. Estos pueden tener un recubrimiento especial para prevenir la oxidación o la corrosión. [ 138 ] Los sistemas fotovoltaicos flotantes también proporcionan sombra, ralentizan la evaporación e inhiben el crecimiento de algas. [ 139 ]

El mercado de esta tecnología de energía renovable ha crecido rápidamente desde 2016. Las primeras 20 plantas con capacidades de unas pocas decenas de kWp se construyeron entre 2007 y 2013. [ 140 ] La potencia instalada creció de 3 GW en 2020 a 13 GW en 2022, [ 141 ] superando una predicción de 10 GW para 2025. [ 142 ] El Banco Mundial estimó que hay 6600 grandes masas de agua aptas para la energía solar flotante, con una capacidad técnica de más de 4000 GW si el 10 % de sus superficies estuvieran cubiertas con paneles. [ 141 ]

Estados Unidos tiene más potencial para energía solar flotante que cualquier otro país del mundo. [ 143 ] Los cuerpos de agua aptos para energía solar flotante están bien distribuidos por todo Estados Unidos. Los estados del sureste y del sur de las llanuras estadounidenses generalmente tienen los embalses con mayor capacidad. [ 143 ]

Bomba de calor con asistencia solar

Una bomba de calor es un dispositivo que proporciona energía térmica desde una fuente de calor a un destino llamado "sumidero de calor". Las bombas de calor están diseñadas para mover energía térmica en dirección opuesta al flujo de calor espontáneo, absorbiendo calor de un espacio frío y liberándolo a uno más cálido. Una bomba de calor asistida por energía solar representa la integración de una bomba de calor y paneles solares térmicos en un único sistema integrado. Normalmente, estas dos tecnologías se utilizan por separado (o solo colocándolas en paralelo) para producir agua caliente . [ 144 ] En este sistema, el panel solar térmico realiza la función de fuente de calor de baja temperatura y el calor producido se utiliza para alimentar el evaporador de la bomba de calor. [ 145 ] El objetivo de este sistema es obtener un COP alto y, por lo tanto, producir energía de una manera más eficiente y menos costosa.

Es posible utilizar cualquier tipo de panel solar térmico (láminas y tubos, laminados, tubos de calor, placas térmicas) o híbrido ( monocristalino / policristalino , de película delgada ) en combinación con la bomba de calor. El uso de un panel híbrido es preferible, ya que permite cubrir parte de la demanda eléctrica de la bomba de calor y reduce el consumo de energía y, por consiguiente, los costes variables del sistema.

Aviones solares

En 2016, el Solar Impulse 2 fue el primer avión propulsado por energía solar en completar una circunnavegación del mundo.

Un avión eléctrico es un avión que funciona con motores eléctricos en lugar de motores de combustión interna , con electricidad proveniente de pilas de combustible , células solares , ultracondensadores , transmisión de energía , [ 146 ] o baterías .

Actualmente, los aviones eléctricos tripulados son en su mayoría demostradores experimentales, aunque muchos vehículos aéreos no tripulados pequeños funcionan con baterías. Los aviones modelo eléctricos se han volado desde la década de 1970, con un informe en 1957. [ 147 ] [ 148 ] Los primeros vuelos tripulados con propulsión eléctrica se realizaron en 1973. [ 149 ] Entre 2015 y 2016, un avión tripulado con energía solar, el Solar Impulse 2 , completó una circunnavegación de la Tierra. [ 150 ]

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

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