Introducción:

        En la actualidad las emisiones de humos contaminantes siguen aumentando, los árboles se siguen talando sin discriminación y los animales y plantas se extinguen a la velocidad de 5.000 ezºspecies por año, 10.000 veces superior a la natural. Éstas son sólo algunas de las razones por las que el hombre busca aprovechar al máximo lo que se conoce como “las energías renovables”: aquellas que no producen contaminación y que se renuevan.

    Los orígenes del problema energético se podrían resumir en dos:

Por un lado hay que tener claro que los recursos de la Tierra son limitados, a lo que se une el hecho de que vivimos en una sociedad de consumo que obliga a ser cada vez más consumistas para mantener la propia sociedad.

    Éstas pueden ser algunas de las causas del problema medioambiental, para el que todavía no hay soluciones definitivas. Sin embargo, ante la realidad de que el planeta Tierra es limitado en cuanto a los recursos que el hombre necesita para obtener energía y construir su mundo, podemos apuntar ciertas alternativas.

Entre ellas estaría la sustitución de los recursos que se agotan por otros inagotables, como los de la energía renovable, que no contaminan y se renuevan.

    El problema de la actual sociedad de consumo no tiene fácil solución. Desde que se conoce la existencia del hombre, éste utiliza los recursos de su entorno para vivir de una forma más cómoda. Cuanto más consume de estos recursos, mejor es su confortabilidad. De hecho, los habitantes de los países industrializados consumen 10 veces más energía que un habitante de un país en proceso de desarrollo.

    La sociedad de consumo se ha convertido de esta manera en un círculo vicioso. Cuando se empieza ya no se puede parar, el consumo es la fórmula para que la sociedad funcione y no desaparezca. Pero con un agravante: para que esta maquinaria siga funcionando hay que consumir cada vez más.

    El peligro que todo ello conlleva es evidente. A la naturaleza le es imposible reponerse a la velocidad con la que se le extraen los recursos naturales, base de la vida y del sistema económico. Hay que ver la calidad de vida de forma diferente a como la vemos ahora. Se trata de un paso lógico para no hacer desaparecer nuestros recursos naturales ni nuestras fuentes de energía no renovables.

    Un proceso lento, pero necesario, en el que la energía solar, eólica, minihidráulica, de la biomasa, geotérmica y del mar son algo más que una alternativa a tener en cuenta.

A continuación haré hincapié en la primera de ellas, la energía solar, detallando componentes de su instalación, funcionamiento y definición, de la misma.

Energía Solar: Limpia y gratuita

El Sol es la estrella que domina el sistema planetario que incluye a la Tierra. Mediante la radiación de su energía electromagnética aporta, directa o indirectamente, toda la energía que mantiene la vida en nuestro planeta.

   El interés general por la energía solar se ha acrecentado en los últimos años. Se trata de la más atractiva de las fuentes energéticas alternativas del futuro, no solo por ser limpia y gratuita, sino también por su abundancia y su carácter inagotable a escala humana.

    La energía del Sol es eternamente renovable y fácilmente almacenable. Cuando el cielo está claro y el Sol cae verticalmente sobre la tierra, llega un promedio diario de 870 vatios por cada metro cuadrado en forma de radiaciones electromagnéticas. Esta cantidad equivale al consumo diario medio del habitante de un país desarrollado.

    Para cubrir los requerimientos de energía de la humanidad en el año 2000 bastaría con cubrir una zona propicia de 100.000 kilómetros cuadrados de extensión, es decir, 1/8 parte de la superficie del desierto de Sahara. El 0,4 por mil de la energía que recibimos diariamente del Sol sería suficiente.

La energía liberada del Sol tiene multitud de aplicaciones:

La gran variedad de formas de almacenamiento y características particulares de cada una de ellas permiten su utilización con gran versatilidad, desde la pequeña escala de una granja hasta la interconexión con redes nacionales de energía eléctrica.  

    Los sistemas de energía solar convierten la luz del sol en electricidad sin contaminar el medio ambiente. Su operación depende básicamente de dos recursos naturales comunes y abundantes: arena (los paneles están fabricados a partir de ésta) y sol.

    Desde hace más de un cuarto de siglo, los paneles solares han provisto de electricidad a satélites, naves espaciales (antigua MIR), con enorme éxito ya que éstos han dependido de su producción de energía eléctrica. Por tanto la energía solar resulta una alternativa viable para usos cotidianos en viviendas o industrias.

    Técnicamente la energía solar se denomina sistema fotovoltaico, cuando se utiliza para la producción de electricidad.

    Las características de un sistema fotovoltaico va a depender de las necesidades que demande cada usuario en particular, o sea a la potencia eléctrica requerida.

UN POCO DE HISTORIA:

    A lo largo del pasado siglo la percepción de la problemática de la energía ha sido muy diferente de la que tenemos actualmente. Así, el hecho de disponer de grandes cantidades de energía a bajo precio ha sido una condición necesaria para acceder a un cierto nivel de calidad de vida. Desde los inicios de siglo hasta principio de los setenta, le crecimiento económico de los países industrializados se fundamentó en la disponibilidad de una fuente de energía barata y abundante: el petróleo.
    A partir de la Segunda Guerra Mundial, tanto la producción mundial de petróleo como la demanda industrial de energía se han duplicado cada diez años, las previsiones sobre la evolución del consumo de energía en el mundo, muestran un crecimiento similar en los próximos años. Aunque al final de los sesenta despuntaron voces críticas de que el crecimiento energético no se podía mantener indefinidamente, no fue hasta la primera Crisis del Petróleo que la sociedad empezó a concienciarse del problema de la limitación de las reservas de combustibles fósiles, de las cuales sólo hay para 50 años de petróleo y 200 años de carbón (al ritmo de consumo actual).

    Otra problemática que se extendió rápidamente fue lo nocivas que eran las energías utilizadas hasta el momento, para el medio ambiente.
    Las únicas posibilidades de mantener un crecimiento económico sostenible garantizando un suministro energético a largo plazo, la conservación del medio ambiente, son el incremento de la eficiencia y la búsqueda de energías alternativas al petróleo.
   Entre las opciones para sustituir progresivamente la utilización masiva del petróleo se encuentra el aprovechamiento de los recursos energéticos renovables: Energía solar, eólica, hidráulica, biomasa y residuos, geotérmica y la de los océanos.

¿Cómo funciona la energía solar?

Los sistemas de calefacción solar activa incluyen equipos especiales que utilizan la energía del sol para calentar o enfriar estructuras existentes. Los sistemas pasivos implican diseños de estructuras que utilizan la energía solar para enfriar y calentar. Por ejemplo, en esta casa, un espacio solar sirve de colector en invierno cuando las persianas están abiertas y de refrigerador o nevera en verano cuando están cerradas. Muros gruesos de hormigón permiten oscilaciones de temperatura ya que absorben calor en invierno y aíslan en verano. Los depósitos de agua proporcionan una masa térmica para almacenar calor durante el día y liberarlo durante la noche.

¿Qué es la energía solar?

La energía solar es la energía radiante producida en el Sol como resultado de reacciones nucleares de fusión; Llega a la Tierra a través del espacio en cuantos de energía llamados fotones, que interactúan con la atmósfera y la superficie terrestres. La intensidad de la radiación solar en el borde exterior de la atmósfera, si se considera que la Tierra está a su distancia promedio del Sol, se llama constante solar, y su valor medio es 1,37 × 106 erg/s/cm2, o unas 2 cal/min/cm2. Sin embargo, esta cantidad no es constante, ya que parece ser que varía un 0,2% en un periodo de 30 años. La intensidad de energía real disponible en la superficie terrestre es menor que la constante solar debido a la absorción y a la dispersión de la radiación que origina la interacción de los fotones con la atmósfera.

La intensidad de energía solar disponible en un punto determinado de la Tierra depende, de forma complicada pero predecible, del día del año, de la hora y de la latitud. Además, la cantidad de energía solar que puede recogerse depende de la orientación del dispositivo receptor.

Transformación natural de la energía solar

La recogida natural de energía solar se produce en la atmósfera, los océanos y las plantas de la Tierra. Las interacciones de la energía del Sol, los océanos y la atmósfera, por ejemplo, producen vientos, utilizados durante siglos para hacer girar los molinos. Los sistemas modernos de energía eólica utilizan hélices fuertes, ligeras, resistentes a la intemperie y con diseño aerodinámico que, cuando se unen a generadores, producen electricidad para usos locales y especializados o para alimentar la red eléctrica de una región o comunidad.

Casi el 30% de la energía solar que alcanza el borde exterior de la atmósfera se consume en el ciclo del agua, que produce la lluvia y la energía potencial de las corrientes de montaña y de los ríos. La energía que generan estas aguas en movimiento al pasar por las turbinas modernas se llama energía hidroeléctrica.

Gracias al proceso de fotosíntesis, la energía solar contribuye al crecimiento de la vida vegetal (biomasa) que, junto con la madera y los combustibles fósiles que desde el punto de vista geológico derivan de plantas antiguas, puede ser utilizada como combustible. Otros combustibles como el alcohol y el metano también pueden extraerse de la biomasa.

Asimismo, los océanos representan un tipo natural de recogida de energía solar. Como resultado de su absorción por los océanos y por las corrientes oceánicas, se producen gradientes de temperatura. En algunos lugares, estas variaciones verticales alcanzan 20 °C en distancias de algunos cientos de metros. Cuando hay grandes masas a distintas temperaturas, los principios termodinámicos predicen que se puede crear un ciclo generador de energía que extrae energía de la masa con mayor temperatura y transferir una cantidad a la masa con temperatura menor. La diferencia entre estas energías se manifiesta como energía mecánica (para mover una turbina, por ejemplo), que puede conectarse a un generador, para producir electricidad. Estos sistemas, llamados sistemas de conversión de energía térmica oceánica (CETO), requieren enormes intercambiadores de energía y otros aparatos en el océano para producir potencias del orden de megavatios.

Recogida directa de energía solar

La recogida directa de energía solar requiere dispositivos artificiales llamados colectores solares, diseñados para recoger energía, a veces después de concentrar los rayos del Sol. La energía, una vez recogida, se emplea en procesos térmicos o fotoeléctricos, o fotovoltaicos. En los procesos térmicos, la energía solar se utiliza para calentar un gas o un líquido que luego se almacena o se distribuye. En los procesos fotovoltaicos, la energía solar se convierte en energía eléctrica sin ningún dispositivo mecánico intermedio. Los colectores solares pueden ser de dos tipos principales: los de placa plana y los de concentración.

Colectores de placa plana

En los procesos térmicos los colectores de placa plana interceptan la radiación solar en una placa de absorción por la que pasa el llamado fluido portador. Éste, en estado líquido o gaseoso, se calienta al atravesar los canales por transferencia de calor desde la placa de absorción. La energía transferida por el fluido portador, dividida entre la energía solar que incide sobre el colector y expresada en porcentaje, se llama eficiencia instantánea del colector. Los colectores de placa plana tienen, en general, una o más placas cobertoras transparentes para intentar minimizar las pérdidas de calor de la placa de absorción en un esfuerzo para maximizar la eficiencia. Son capaces de calentar fluidos portadores hasta 82 °C y obtener entre el 40 y el 80% de eficiencia.

Los colectores de placa plana se han usado de forma eficaz para calentar agua y para calefacción. Los sistemas típicos para casa-habitación emplean colectores fijos, montados sobre el tejado. En el hemisferio norte se orientan hacia el Sur y en el hemisferio sur hacia el Norte. El ángulo de inclinación óptimo para montar los colectores depende de la latitud. En general, para sistemas que se usan durante todo el año, como los que producen agua caliente, los colectores se inclinan (respecto al plano horizontal) un ángulo igual a los 15° de latitud y se orientan unos 20° latitud S o 20° de latitud N.

Además de los colectores de placa plana, los sistemas típicos de agua caliente y calefacción están constituidos por bombas de circulación, sensores de temperatura, controladores automáticos para activar el bombeo y un dispositivo de almacenamiento. El fluido puede ser tanto el aire como un líquido (agua o agua mezclada con anticongelante), mientras que un lecho de roca o un tanque aislado sirven como medio de almacenamiento de energía.

Colectores de concentración

Para aplicaciones como el aire acondicionado y la generación central de energía y de calor para cubrir las grandes necesidades industriales, los colectores de placa plana no suministran, en términos generales, fluidos con temperaturas bastante elevadas como para ser eficaces. Se pueden usar en una primera fase, y después el fluido se trata con medios convencionales de calentamiento. Como alternativa, se pueden utilizar colectores de concentración más complejos y costosos. Son dispositivos que reflejan y concentran la energía solar incidente sobre una zona receptora pequeña. Como resultado de esta concentración, la intensidad de la energía solar se incrementa y las temperaturas del receptor (llamado `blanco') pueden acercarse a varios cientos, o incluso miles, de grados Celsius. Los concentradores deben moverse para seguir al Sol si se quiere que actúen con eficacia; los dispositivos utilizados para ello se llaman helióstatos.

Hornos solares

Los hornos solares son una aplicación importante de los concentradores de alta temperatura. El mayor, situado en Odeillo, en la parte francesa de los Pirineos, tiene 9.600 reflectores con una superficie total de unos 1.900 m2 para producir temperaturas de hasta 4.000 °C. Estos hornos son ideales para investigaciones, por ejemplo, en la investigación de materiales, que requieren temperaturas altas en entornos libres de contaminantes.

Receptores centrales

La generación centralizada de electricidad a partir de energía solar está en desarrollo. En el concepto de receptor central, o de torre de potencia, una matriz de reflectores montados sobre helióstatos controlados por computadora refleja y concentran los rayos del Sol sobre una caldera de agua situada sobre la torre. El vapor generado puede usarse en los ciclos convencionales de las plantas de energía y generar electricidad.

Enfriamiento solar

Se puede producir frío con el uso de energía solar como fuente de calor en un ciclo de enfriamiento por absorción. Uno de los componentes de los sistemas estándar de enfriamiento por absorción, llamado generador, necesita una fuente de calor. Puesto que, en general, se requieren temperaturas superiores a 150 °C para que los dispositivos de absorción trabajen con eficacia, los colectores de concentración son más apropiados que los de placa plana.

Electricidad fotovoltaica

Las células solares hechas con obleas finas de silicio, arseniuro de galio u otro material semiconductor  en estado cristalino, convierten la radiación en electricidad de forma directa. Ahora se dispone de células con eficiencias de conversión superiores al 30%. Por medio de la conexión de muchas de estas células en módulos, el coste de la electricidad fotovoltaica se ha reducido mucho. El uso actual de las células solares se limita a dispositivos de baja potencia, remotos y sin mantenimiento, como boyas y equipamiento de naves espaciales.

Energía solar en el espacio

Un proyecto futurista propuesto para producir energía a gran escala propone situar módulos solares en órbita alrededor de la Tierra. En ellos la energía concentrada de la luz solar se convertiría en microondas que se emitirían hacia antenas terrestres para su conversión en energía eléctrica. Para producir tanta potencia como cinco plantas grandes de energía nuclear (de mil millones de vatios cada una), tendrían que ser ensamblados en órbita varios kilómetros cuadrados de colectores, con un peso de más de 4000 t; se necesitaría una antena en tierra de 8 m de diámetro. Se podrían construir sistemas más pequeños para islas remotas, pero la economía de escala supone ventajas para un único sistema de gran capacidad.

Dispositivos de almacenamiento de energía solar

Debido a la naturaleza intermitente de la radiación solar como fuente energética durante los periodos de baja demanda debe almacenarse el sobrante de energía solar para cubrir las necesidades cuando la disponibilidad sea insuficiente. Además de los sistemas sencillos de almacenamiento como el agua y la roca, se pueden usar, en particular en las aplicaciones de refrigeración, dispositivos más compactos que se basan en los cambios de fase característicos de las sales eutécticas (sales que se funden a bajas temperaturas). Los acumuladores pueden servir para almacenar el excedente de energía eléctrica producida por dispositivos eólicos o fotovoltaicos. Un concepto más global es la entrega del excedente de energía eléctrica a las redes existentes y el uso de éstas como fuentes suplementarias si la disponibilidad solar es insuficiente. Sin embargo, la economía y la fiabilidad de este proyecto plantean límites a esta alternativa.

Ventajas y desventajas de la energía solar:

Componentes de la instalación:

Cable a utilizar:

     Lo recomendable es utilizar solamente cables de cobre en la instalación de energía solar fotovoltaica, éstos se pueden dividir en rígido y flexible. Se recomienda el uso del cable flexible por su manejo a la hora de la instalación.

    La elección correcta del tipo de cable  va a garantizar un uso seguro y eficiente de su sistema, un cable demasiado delgado causa una perdida de potencia, además puede sufrir un calentamiento excesivo y llegar a producir un incendio. Un cable excesivamente grueso solamente va a repercutir en el tema económico, ya que el cable correcto será más barato.

Arrancador:

     La función principal del arrancador es la de apagar el inversor cuando no haya demanda de energía y arrancarlo cuando exista, con ello va alargar la vida útil del inversor.

Inversor u Ondulador:

La función principal del inversor es la de convertir una corriente continua, procedente de baterías o de la célula fotovoltaica, en una corriente alterna. El inversor fabricará una salida de corriente, normalmente a 220V (aunque también los hay a 380V), con una frecuencia de 50Hz. Esta forma de onda de salida podrá ser senoidal pura, senoidal modificada o cuadrada.

    Los onduladores senoidales sirven para alimentar todo tipo de cargas, mientras que otros onduladores con otra forma de onda tienen ciertas limitaciones dado su efecto en cargas inductivas o capacitivas, también se debe destacar los ruidos o interferencias, que pueden causar un mal funcionamiento con equipos de telecomunicaciones y otros electrodomésticos. La ventaja que ofrecen estos onduladores es más bien económica ya que pueden ser la mitad de baratos que los onduladores senoidales ofreciendo una potencia similar.

Baterías

     Las baterías son elementos indispensables de un sistema fotovoltaico debido al requerimiento de electricidad durante la noche y días nublados. Estos dispositivos tienen la función de almacenar la corriente suministrada por los paneles fotovoltaicos a lo largo del día y suministrar energía  en las horas de ausencia de luz solar.

    El almacenaje de las baterías difiere de las convencionales automotrices, ya que éstas últimas no están diseñadas para un sistema fotovoltaico. Si usa una batería de automoción en un sistema fotovoltaico, la capacidad de almacenaje se vería disminuida en los primeros 20 ciclos de carga y descarga, incluso la mejor no superaría los 50 ciclos. Una batería automotriz está diseñada para dar arranques cortos y soportar un consumo muy alto en un espacio de tiempo muy corto. Las baterías de ciclo profundo son las más indicadas para este uso ya que soportan multitud de cargas y descargas. Estas mantienen una potencia estabilizada de 300 a 1500 ciclos de carga y descarga. Es la manera más eficiente para almacenar y suministrar energía en un sistema fotovoltaico. 

    La capacidad de las baterías o "días de autonomía" es un término usado para indicar el número de días en que el sistema puede seguir suministrando energía, debido a las inclemencias del tiempo (niebla, lluvia, etc.) que causan poca o nula actividad solar. Una autonomía normal se considera tres días con un consumo normal de la instalación.

    Para calcular los días de autonomía, estime cuantos días continuos de lluvia, nieve o nublados hay en su área de ubicación, por ejemplo usted necesitará un sistema con una autonomía máxima según la estimación de días no soleados continuos, aunque también es necesario tener en cuenta el aporte en amperios que necesita la instalación.

    Para una estimación aproximada de la capacidad de la batería se necesita seguir los siguientes cálculos:

Cálculo 1: Presupuesto de la energía requerida por la instalación con los días de autonomía. Ejemplo: si 1000 vatios hora fuera la energía demandada por la instalación y 3 días de ausencia de días solares entonces sería 1000 X 3 = 3000 w por hora en su estimación.

Cálculo 2: Capacidad útil medida en vatio hora. Como al descargar sus baterías siempre existe una perdida en su rendimiento debido a su ciclo de vida, utilizaremos un rendimiento del 70% y continuando con el mismo ejemplo sería : 3000/0,7 = 4286 vatios por hora de batería útil.

Cálculo 3: Ahora deberemos convertir la medida de la capacidad útil en amperios hora debido a que el almacenaje de energía en las baterías está especificada en estos valores y no en vatios hora. Entonces utilizaremos  la formula vatios hora dividido por el voltaje DC del sistema nos darán la medida de capacidad requerida por la batería en amperios hora. Siguiendo el ejemplo 4286/12=357 amperios hora sería la capacidad de las baterías.

Las baterías son el corazón del sistema fotovoltaico, se recomienda adquirir la mejor batería adecuada a sus necesidades. Las baterías deben ser del mismo tipo, capacidad y misma fecha de fabricación. Elija sus baterías cuidadosamente y le dará a su sistema una gran y eficiente vida. 

Placas fotovoltaicas:

(Células fotovoltaicas) En una célula fotovoltaica, la luz excita electrones entre capas de materiales semiconductores de silicio. Esto produce corrientes eléctricas.

 Es una de las partes fundamentales, ya que es la encargada de captar y transformar la energía solar en energía eléctrica.

    Para que una célula solar expuesta al sol produzca energía eléctrica debe reunir las tres siguientes características esenciales:

a) Ser capaz de absorber una fracción importante de la radiación solar para que la generación de pares electrón-hueco sea eficiente.

b) Tener un campo eléctrico interno que separe las dos cargas impidiendo su posterior recombinación.

c) Finalmente, las cargas separadas deben ser capaces de viajar a través de la oblea hasta los electrodos superficiales desde donde pasan al circuito exterior.

Aunque en la práctica las células solares de mayor utilización son las de Silicio monocristalino, desde 1954 a la fecha se han ensayado y desarrollado una gran variedad de nuevos tipos, modelos y conceptos de células solares. Estas se pueden fabricar de diferentes geometrías según las necesidades.

    Debido a que una célula solar genera corrientes y tensiones pequeñas, éstas no son los elementos que se utilizan en las aplicaciones prácticas, sino que, con objeto de lograr potencias mayores, se acoplan en serie o en paralelo para obtener mayores tensiones y corrientes formando lo que se denomina módulo fotovoltaico, que es el elemento que se comercializa. A la vez, estos módulos se conectan en serie o en paralelo para obtener las tensiones y corrientes que nos den la potencia deseada. Módulos en serie aumentan el voltaje y conservan la misma corriente, mientras que módulos en paralelo aumentan la corriente, conservando el mismo voltaje. Los módulos generalmente se fabrican para tener una salida de 12 V (corriente continua).

Aspectos a tener en cuenta:

a). Un módulo fotovoltaico puede generar energía en días nublados, aunque su rendimiento baja con respecto a un día soleado.

b). La elevación del lugar donde se instala no tiene ninguna relación con la eficiencia del sistema, es decir que la altura a la que van a ser instalados la células fotovoltaicas no va a influir en el rendimiento. Los paneles se instalan a cierta altura para salvar sombras y tener así un contacto directo con el sol. Si usted escoge un lugar para los módulos, asegúrese que tiene la luz directa a las superficies de los módulos. La luz filtrada como por ejemplo a través del follaje de los árboles va a disminuir mucho el rendimiento del módulo. La instalación de los módulos se hace con preferencia en una zona fuera del camino principal, como en el techo o una pared expuesta al sol. Si su casa recibe mucha sombra se pueden montar los módulos a cierta distancia de la vivienda, como en un poste. Es también importante mantener un espacio de  2,5 cm entre el módulo y el soporte para que se mantenga un flujo de aire.

c). Otro factor importante es la inclinación del panel fotovoltaico, éste debe tener una inclinación de 15º en verano y 60º en invierno con respecto a la horizontal. Esto es debido a que captar los rayos solares perpendiculares a la placa fotovoltaica nos dará un rendimiento óptimo al sistema. Ajuste su módulo directamente al sol. Incline el módulo de tal manera que el ángulo de inclinación este correctamente en la hora del mediodía. Si no quiere ajustar la instalación cada estación del año, use el ángulo de inclinación de invierno.

Esquema de un sistema fotovoltáico Autónomo, y uno conectado a la red como productor de energía:

- ES LIMPIA.

- TIENE UN GRAN MERCADO.

- NO GENERA RUIDO.

- ES MUY CARA.

- SOLO SE OBTIENE CUANDO HAY SOL.

- BAJA TENSION.

- POCA CORRIENTE.

- HAY QUE TENER BATERIAS U OTRO

GENERADOR PARA CUANDO EL SISTEMA DE

ENERGÍA SOLAR NO FUNCIONE