Energía Solar: Aplicaciones e Impacto Ambiental

Energía Solar

El sol proporciona luz y calor, y su actividad es fundamental para el desarrollo de la vida.

El 90% de la energía del Sol se produce en el núcleo (H y He). Las reacciones de fusión transforman el hidrógeno en helio. Estas reacciones generan 3,6 · 10²⁶ J.

Esta energía se transforma en forma de radiación.

De ella, solo dos millonésimas partes inciden sobre la atmósfera terrestre en forma de ondas electromagnéticas: rayos gamma, rayos ultravioleta, luz visible y rayos infrarrojos.

No toda esta energía llega a la superficie terrestre, ya que la atmósfera actúa como filtro: por reflexión, otra parte es absorbida y otra pequeña parte se considera radiación neta.

Densidad de radiación: es la energía que nos proporciona el sol (W/m²).

La tecnología actual permite la utilización de la energía solar de dos maneras:

• Aprovechamiento fototérmico: consiste en la absorción de la energía solar y su transformación en calor.
• Conversión fotovoltaica: permite transformar directamente la energía solar en energía eléctrica.

Aprovechamiento Fototérmico

Consiste en utilizar la energía que se recibe en la superficie terrestre para calentar un fluido, que se emplea para producir agua caliente, vapor de agua o energía eléctrica.

Un colector es un dispositivo capaz de absorber la radiación solar y transmitirla a un fluido, de modo que este aumente sensiblemente su temperatura.

Según el rendimiento térmico, se utilizan:

• Colectores planos solares, formados por una caja recubierta de material aislante cuya parte superior es de vidrio transparente. En su interior se sitúa una placa absorbente de color negro, por la que circula el fluido encargado de absorber el calor.

El funcionamiento se basa en el fenómeno conocido como efecto invernadero: el cristal permite el paso de la radiación solar, pero impide que la radiación emitida por la placa caliente escape.

Con este tipo de colectores se consigue elevar la temperatura de 60ºC a 100ºC.

• Colectores de concentración: dispositivos que concentran la radiación solar sobre una superficie reducida; se consiguen temperaturas medias de hasta 300ºC.

Centrales Heliotérmicas o Termoeléctricas

Convierten la energía solar en energía térmica que aumenta la temperatura del fluido y esta se transforma en energía eléctrica.

Presentan un funcionamiento parecido al de las centrales térmicas convencionales: la energía calorífica producida es transformada en energía mecánica mediante una turbina y, posteriormente, en energía eléctrica mediante un alternador.

La transformación energética:

• La radiación solar calienta el fluido.
• El fluido pasa por una caldera donde intercambia el calor acumulado y así produce vapor a alta presión.
• El vapor acciona la turbina-alternador y produce electricidad.
• El fluido, una vez enfriado y licuado en un condensador, retorna a los colectores para repetir el proceso. Su rendimiento es muy bajo (20%).

Hay dos tipos de centrales:

• Central de colectores distribuidos: el fluido suele ser sales minerales. Aumenta la temperatura del fluido para conseguir vapor de agua.
• Central de torre: dispone de una gran superficie de espejos sostenidos por soportes que se denomina campo de heliostatos direccionales, cuya función es concentrar la radiación en el punto receptor situado en lo alto de la torre (donde se encuentran unos colectores).

Conversión Fotovoltaica

Transformación directa de la energía luminosa en energía eléctrica.

Una célula fotovoltaica está constituida por una plaquita de material semiconductor de gran pureza, provista de electrodos de entrada y salida. Cuando la luz incide sobre ella, se origina una serie de fenómenos a escala atómica que generan una fuerza electromotriz capaz de producir corriente eléctrica.

Este material semiconductor puede ser Silicio o Germanio. Pongamos el ejemplo del Silicio:

• Su número atómico es 14, por lo que su configuración electrónica es la siguiente: Si¹⁴: 1s²2s²p⁶3s²p²
• Tiene 4 electrones de valencia, por lo que necesita otros 4 para completar el orbital y ser más estable.

Le podemos añadir impurezas, es decir, átomos de otros elementos. Según los electrones de valencia que tengan estos elementos, podemos conseguir dos tipos de cristales: cristales N y cristales P.

• Si añadimos un átomo con 5 electrones de valencia, conseguimos cristales P: 4 de estos electrones completan el orbital, quedando un electrón suelto.
• Si añadimos un átomo con 3 electrones de valencia, conseguimos cristales N: todos estos electrones ocupan los huecos del orbital, quedando un hueco libre.

Si unimos un cristal P con otro N, los electrones libres del cristal P ocupan los huecos del cristal N. Esto provoca un movimiento de electrones y, por tanto, corriente eléctrica.

Las células se montan sobre paneles que tienen forma circular y un diámetro de 100 m. Las células se conectan en serie-paralelo.

Las condiciones de funcionamiento de los paneles solares se determinan disponiendo condiciones estándar, es decir, 1000 W/m² de densidad de radiación y 25ºC de temperatura. Las variaciones en la densidad de radiación y en la temperatura influyen en el rendimiento de los paneles de forma diversa.

• El rendimiento del panel es directamente proporcional a la densidad de radiación solar.
• Un aumento de temperatura de funcionamiento determina una disminución de su rendimiento.

En la actualidad se utiliza silicio monocristalino para hacer las células fotovoltaicas y su rendimiento es muy bajo (15% y 25%).

La energía eléctrica puede consumirse de inmediato o ser acumulada.

Impacto Medioambiental

Ventajas: es una fuente de energía inagotable, gratuita, no contamina, etc.

Inconvenientes: son muy caros, no se puede almacenar fácilmente, produce impacto paisajístico, existe un alto índice de variabilidad (dependiendo de las condiciones meteorológicas).