LA ENERGÍA SOLAR. 1 La energía solar

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1 LA ENERGÍA SOLAR Educadores Contenidos 1. La energía solar Un vistazo a las centrales solares térmicas Energía solar fotovoltaica La energía solar en la red eléctrica Otras aplicaciones de la energía solar Aparatos electrónicos Transformación en electricidad Centrales solares térmicas Energía solar qué es? la energía luminosa proveniente del Sol cómo se usa? Centrales fotovoltaicas Usos puntuales (ej. cocinas solares) Directamente Edificación (agua caliente sanitaria) Altas temperaturas (ej. investigación) 1 La energía solar Usamos el nombre de energía solar para dos cosas. Propiamente, la energía solar es ener- DEF. energía gía que llega del Sol en forma de luz. No obstante, también es frecuente llamar energía solar a la energía eléctrica que generamos a partir de ella en las centrales solares. Concentrémonos en la energía que llega del Sol. Lo que llamamos luz en realidad es radiación. La radiación incluye tanto la luz visible como la que no se puede ver, y que llamamos solar

2 LA ENERGÍA SOLAR 2 rayos infrarrojos y rayos ultravioleta. Todos los cuerpos absorben y emiten radiación y por tanto, energía, a través de su superficie. Se puede saber cuánta energía emiten o absorben exactamente, calculando el área de su superficie exterior, la temperatura a la que se encuentran y conociendo algunas propiedades del material de que están hechos. Cuanto más alta sea la temperatura del cuerpo, más energía emite. La energía solar es la energía que el Sol nos hace llegar por radiación desde su superficie, que está a unos 6000 K. La Tierra y los cuerpos que estamos en ella absorbemos parte de esta energía a través de nuestra superficie. La capacidad de los cuerpos de absorber la radiación es la que nos permite aprovechar la energía solar. Podemos decir que la energía solar se suele usar de dos maneras: para producir electricidad (centrales solares, ver secciones 2 y 3) o bien directamente para calentar cosas (como en los paneles de agua caliente de los edificios, ver sección 5). Dentro de las centrales solares, hay dos familias. Las centrales solares térmicas usan la radiación para calentar una sustancia, y transforman esta energía interna en eléctrica. Las centrales solares fotovoltaicas convierten la radiación solar directamente en electricidad. 2 Un vistazo a las centrales solares térmicas A la Tierra nos llega mucha energía del Sol, pero nos llega dispersa sobre mucha superficie. Para aprovechar bien la energía del Sol, primero es necesario concentrarla mediante algún dispositivo. Un ejemplo típico es usar las lupas para hacer fuego, como hacen los boy scouts o los exploradores.

3 LA ENERGÍA SOLAR 3 Las centrales solares usan espejos con formas especiales, y con ellos la concentran o bien sobre un punto o bien sobre una línea. Por eso a veces se habla de energía solar de concentración, Concentrated Solar Power (CSP) en inglés. Esta energía concentrada es la que transforman en electricidad. Lo hacen en varios pasos. Primero, con los espejos calientan un fluido hasta una cierta temperatura, lo más alta posible. A este fluido se le llama fluido caloportador. La energía, almacenada así en forma térmica, se lleva por tuberías hasta la central propiamente dicha. Allí se transforma de nuevo, primero en energía mecánica y finalmente en electricidad mediante un generador. Dentro de las centrales solares térmicas hay muchos tipos de central. Las diferencias principales vienen dadas por el fluido caloportador que utilizan: agua, aceite, aire, etc. Es muy importante, porque es uno de los factores que determinan a qué temperatura máxima puede funcionar la central, que a su vez determina si será más o menos eficiente. Normalmente, los espejos que se pueden encontrar en las centrales solares son de tres tipos, y cada uno de ellos da lugar a una familia de centrales. En la figura se pueden ver diagramas esquemáticos de estos tipos de centrales: 1. Disco parabólico: El espejo parece un trozo de esfera, pero en realidad no es esférico sino parabólico, y concentra los rayos de luz sobre un punto en el que hay instalado un motor Stirling y un generador. 2. Colector cilindroparabólico: Estos son espejos alargados semejantes a cilindros seccionados longitudinalmente, pero su sección es en realidad parabólica. Estas centrales suelen tener muchos de estos espejos diseminados por el llamado campo de colectores. Concentran los rayos de luz sobre un tubo por el que circula el fluido caloportador que luego se circula a una central. 3. Torre central: Este tipo de centrales también tiene un campo de colectores que se extiende al pie de la torre. Los colectores están orientados de modo que reflejen la luz sobre un punto en la torre, en el que quedan al descubierto los tubos por los que circula el fluido caloportador. Existen otros tipos de espejos y de centrales, pero aún son minoritarios. 3 Energía solar fotovoltaica La energía proveniente del Sol puede convertirse en electricidad directamente utilizando paneles solares fotovoltaicos.

4 LA ENERGÍA SOLAR 4 Figura 1: Diagrama de los tipos de centrales solares según tecnología solar/fotovoltaica y según el tipo de colector.

5 LA ENERGÍA SOLAR 5 Estos paneles tienen una forma plana y una superficie muy oscura y brillante, que son las células fotovoltaicas. Estas células son las que realmente transforman la radiación solar en electricidad. Las células están hechas de material semiconductor, en el que aparece una tensión eléctrica cuando recibe luz. Esta tensión suele ser de unos pocos voltios. El panel se construye uniendo células en serie para aumentar el voltaje, y muchas veces, uniendo varios conjuntos serie en paralelo, para aumentar la potencia del panel. Se distinguen tipos de paneles dependiendo de cómo estén construidas las células fotovoltaicas que lo forman. Los más comunes son: Silicio monocristalino, Silicio policristalino y Silicio amorfo. Las últimas son las más comunes en las calculadoras y pequeños aparatos. Las centrales solares fotovoltaicas suelen consistir en un gran número de paneles repartidos por una extensión de terreno, y una pequeña instalación auxiliar. Generalmente los paneles no están en una posición fija, sino que van instalados sobre seguidores, que son unos soportes orientables que se van moviendo de forma que el panel siempre esté mirando al Sol directamente. Los paneles solares suelen diseñarse para que funcionen a una tensión eléctrica de decenas de voltios. Además, producen corriente continua, por lo que no pueden acoplarse directamente a la red eléctrica. Por ello, es necesario adaptar la electricidad de los paneles antes de inyectarla a la red mediante unos aparatos llamados inversores. 4 La energía solar en la red eléctrica Las centrales solares solamente producen electricidad cuando hay radiación solar, o como solemos decir: cuando hace sol. En otras palabras: solamente está disponible durante las horas de día, y dentro de eso, solamente cuando se dan unas ciertas condiciones climáticas. Por otra parte, no en todos los lugares la radiación llega ni con la misma intensidad ni de forma igualmente adecuada para poder usarse. Como resultado de todo esto, las centrales solares solamente tendrán sentido en regiones que reúnan unas características mínimas de radiación solar a lo largo del año. Por ello, para decidir el emplazamiento de una central solar se consultan lo que se conoce como mapas de radiación solar, que indican la irradiancia directa media por día y metro cuadrado en una determinada región. 1 1 Para el caso de España, puede consultarse el Atlas de Radiación Solar en la página web de la Agencia Estatal de Meteorología:

6 LA ENERGÍA SOLAR 6 Una vez construida una central solar, ésta solo funcionará algunos días y durante algunas horas. Para que pueda producirse electricidad a partir de la energía del Sol, es necesario que ésta tenga suficiente intensidad. Normalmente, esto viene dado por la cantidad de energía solar que se recibe en un metro cuadrado durante un segundo (W/m 2 ). Por las noches y durante algunas horas del día, por tanto, es imposible aprovechar la energía solar. Por otra parte, algunos días puede ocurrir que haya tanta radiación solar (tanto sol) durante las horas centrales del día, que la central solar no tenga capacidad para transformarla toda en electricidad. Normalmente esta energía se desperdicia haciendo que parte de los espejos dejen de orientarse hacia el Sol. Pero hay algunos sistemas, que se llaman sistemas de almacenamiento, que pueden recogerla y almacenarla para convertirla en electricidad más adelante. De esta forma, se consigue que las centrales puedan funcionar durante más tiempo. Qué ocurre cuando se necesita electricidad a horas o en días en los que las centrales solares no pueden funcionar? Que hay que producirla a partir de otras fuentes. La energía de la red eléctrica viene de muchas fuentes distintas: nuclear, carbón, gas natural, hidroeléctrica, eólica y solar son las principales. Por cómo se organiza la generación de electricidad en la mayoría de los países, cuando hay suficiente sol para hacer funcionar las centrales solares o suficiente viento para las eólicas, se produce menos energía de las otras fuentes, llegando incluso a apagar centrales de gas natural, por ejemplo. 5 Otras aplicaciones de la energía solar Como decíamos en la sección 1, la energía solar propiamente dicha es la energía que llega del Sol en forma de luz. Una de las maneras de aprovechar la energía solar es generar energía eléctrica, pero no es la única. Es muy interesante usarla directamente para calentar. Los edificios modernos suelen incorporar en los tejados paneles solares para producir agua caliente sanitaria. 2 Estos paneles funcionan de forma parecida a los colectores de las ley. 2 En España, la mayoría de los edificios de nueva construcción están obligados a incorporar estos paneles por

7 LA ENERGÍA SOLAR 7 centrales solares térmicas (ver sección 2): consisten en un conjunto de tubos instalados con orientación aproximadamente sur, a través de los cuales se circula agua que se calienta al pasar. Estas instalaciones están combinadas con instalaciones de agua caliente sanitaria convencional (electricidad, gas) para poder disponer de agua caliente cuando no hay suficiente radiación solar. Otra aplicación interesante son los hornos solares. Aunque hay mucha variedad de diseños, la filosofía siempre es la misma: concentrar la energía solar en el recipiente que se desea calentar. Se puede construir hornos solares fácilmente con materiales domésticos, incluso hay modelos comerciales, y la mayoría de ellos sirven para cocinar o calentar alimentos. Hay hornos solares que se usan para investigación, ya que permiten calentar materiales hasta temperaturas altísimas y ver cómo se comportan. Por supuesto, la energía solar es utilizada de forma cada vez más extendida para hacer funcionar pequeños aparatos con paneles fotovoltaicos. Desde hace años se usan en calculadoras y relojes y otras aplicaciones de muy baja potencia. Sin embargo, la mejora tecnológica de los últimos años ha permitido obtener mejores prestaciones a menor coste. Hoy se pueden ver paneles solares en elementos de mobiliario urbano tales como parquímetros, así como en otras aplicaciones como señalización de carreteras, iluminación, etc.