Energía solar: cómo aprovechar eficazmente la energía del sol

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Updated on: 14 Dec 2020

En tan solo 2 horas, el sol golpea a la Tierra con tanta energía como la que usamos globalmente en todo un año .

Hablemos rápidamente de la luz antes de adentrarnos en cómo los paneles solares la convierten en energía utilizable.

¿Qué es la luz realmente?

Podemos conceptualizar la luz como una onda. La distancia entre cada pico de la onda es llamada longitud de onda. La luz roja tiene una longitud de onda de alrededor 700 nanómetros (700 milésimas de un metro) mientras que la luz azul tiene una longitud de onda de alrededor de 450 nanómetros :

Image of Longitudes de onda — Longitudes de onda

La gama entera de longitudes de onda se llama espectro electromagnético . Solo una pequeña parte de él es la luz que podemos ver:

Image of Espectro electromagnético — Espectro electromagnético

La luz lleva energía - mientras más corta la longitud de onda, más es la energía que lleva .

Image of Espectro de radiación solar — Espectro de radiación solar

La energía solar térmica es la forma más intuitiva de energía, así que comencemos con ella.

Energía solar térmica

En un día soleado, te sientes más cálido a la luz del sol que en la sombra, ¿cierto? Esto es porque cuando tu piel absorbe la luz solar convierte parte de ella en energía térmica. ¡Podemos utilizar este calor!

La Energía Termosolar por Concentración (CSP por sus siglas en inglés) utiliza un gran número de espejos para concentrar la luz solar en una pequeña área. La luz concentrada es usada para calentar un fluido (agua, aceite o sal fundida) a temperaturas muy altas. Este calor puede entonces

ser utilizado para la calefacción,
almacenado para más tarde,
o ser convertido en electricidad generando vapor de agua, que es utilizado para hacer girar una turbina. Esto funciona como la mayoría de las centrales eléctricas. En esta image se aprecia el proceso completo:

Image of Energía Termosolar de Concentración (CSP) — Energía Termosolar de Concentración (CSP)

Hoy en día, la electricidad de la CSP es costosa , pero tiene algunos beneficios únicos :

Puede ser integrada con almacenamiento térmico para entregar electricidad bajo demanda.
Contribuye a la estabilidad y flexibilidad del sistema de energía.

La energía solar térmica también puede ser utilizada para calentar hogares . Los paneles solares térmicos o colectores térmicos solares absorben la energía luminosa del sol para calentar un fluido que pasa a través del panel. El cual se utiliza para calentar agua que sirve en diversas aplicaciones domésticas.

La bombilla inversa: ¿convertir luz en electricidad?

Image of Celda, módulo y panel solar — Celda, módulo y panel solar

Con tecnología solar fotovoltaica (Solar FV), la luz se convierte directamente en electricidad . El precio promedio de la electricidad generada de esta manera ya es similar al que se paga por los combustibles fósiles ,¡suena prometedor! ¿Cómo funciona? La mayoría de las celda solares están hechas de silicio. El silicio posee 4 electrones en su capa de valencia (última capa de distribución de electrones). Cuando muchos átomos de silicio se juntan, forman un entramado cristalino, debido a lo que se conoce en química como enlaces covalentes. Esto se vería de la siguiente manera:

Image of Estructura del silicio — Estructura del silicio

Si le agregamos un pequeño número de átomos que tengan 5 electrones en su capa exterior (como el fósforo), el compuesto seguirá formando cristales. Sin embargo, habrá algunos electrones sueltos flotando alrededor, simplemente porque no caben en la estructura de cristal .

Por otro lado, si le agregamos un elemento con solo 3 electrones en su capa valenciana (como el boro), tendremos un inoportuno hueco de electrones en la estructura.

Image of Semiconductor tipo n y tipo p — Semiconductor tipo n y tipo p

Entonces, ¿cómo le llamamos a estos diferentes materiales?

El silicio más un elemento con 5 electrones de valencia resulta en un semiconductor tipo n (n de negativo). Esto se debe a que el silicio usualmente tiene 4 electrones exteriores. Con 5 electrones exteriores, el conjunto tiene un exceso de electrones, haciéndolo negativo.
El silicio más un elemento con 3 electrones de valencia crea un semiconductor tipo p (p de positivo).

¡Estos nombres pueden ser un poco engañosos! Tanto los materiales tipo n como tipo p tienen una carga neutra (ni positiva ni negativa). Entonces, ¿por qué se les llama positivos o negativos? Revisemos las estructuras mostradas anteriormente. El material tipo n tiene un electrón extra (cargado negativamente), mientras que el material tipo p tiene un hueco sin electrón, positivamente cargado.

Cuando un electrón libre de la mitad tipo n llega a la mitad tipo p, rellena uno de los agujeros.

El relleno de agujeros sucede en una pequeña franja en donde las mitades tipo n y p se tocan. Este espacio se llama región de agotamiento porque esta área se ha ’agotado’ de huecos.

Esto está bien por un rato. Sin embargo, una vez que muchos huecos han sido rellenados, la carga negativa se vuelve fuerte. Esto produce lo que se conoce como barrera de campo eléctrico. En este punto, los electrones son alejados de la región de agotamiento por el campo eléctrico y no se llenan más huecos.

Image of Repulsión de electrones hacia el tipo n — Repulsión de electrones hacia el tipo n

¿Cuándo entra en juego la luz solar?

La luz lleva energía. Cuando la luz toca la región de agotamiento, puede provocar que los electrones abandonen los huecos que han rellenado .

Image of Cómo se movilizan los electrones cuando la luz toca la región de agotamiento — Cómo se movilizan los electrones cuando la luz toca la región de agotamiento

Los iones negativos alrededor del electrón expulsado lo repelen de vuelta hacia el material tipo n. ¡Con un electrón menos rellenando un hueco, hay espacio (electromagnético) para uno nuevo!

¿Electrones moviéndose por un cable? ¡Eso es una corriente eléctrica! Y así es como obtenemos electricidad usando energía solar fotovoltaica.

Image of Proceso de la energía solar fotovoltaica — Proceso de la energía solar fotovoltaica

Cuando el electrón vuelve al lado tipo p, la celda solar vuelve a su estado original y el proceso se repite hasta que el sol deja de brillar . ¡Encantador!

En resumen, el siguiente ciclo pasa una y otra vez:

Un electrón dentro de un hueco es ’golpeado’ por la luz. La energía de la luz causa la expulsión del electrón.
El campo eléctrico creado por los iones en la región de agotamiento empuja el electrón hacia el lado tipo n.
Ahora hay un hueco adicional en la región del lado p. Este hueco quiere ser rellenado.
Un electrón pasa por la puerta trasera a través del ’cable’ o circuito para rellenar ese espacio.

¿La energía solar es sostenible?

Image of Tiempo de recuperación de la energía solar — Tiempo de recuperación de la energía solar

¿Pero qué pasa después de esos 25-30 años cuando el panel deja de funcionar? Tristemente, esa es en gran medida una cuestión pendiente . Para prepararnos para cuando los paneles solares construidos hoy en día dejen de funcionar, necesitamos desarrollar métodos de reciclaje económicos a gran escala .

¿Cuánto terreno se necesita para producir toda la energía con energía solar fotovoltaica?

Necesitaremos de tres números para realizar un cálculo aproximado:

La humanidad utiliza 157 000 TWh de energía al año .
Estados Unidos recibe alrededor de 250 MW de potencia por km² .
Los paneles solares fotovoltaicos modernos operan con una eficiencia de alrededor del 20% , lo que significa que pueden convertir el 20% de la energía lumínica en electricidad.

Debido al 20% de eficiencia, cubrir 1 km² con paneles solares provee 50 MW de potencia. ¿Recuerdas que potencia = energía x unidad de tiempo? Así que la cantidad de energía que es producida por estos paneles en un año será de 50 MW x 365 días x 24 horas = 438 GW/h. Esto es igual a 0,438 TW/h.

Para cubrir los 157 000 TW/h que la humanidad utiliza, necesitaremos entonces 157 000 / 0,438 = 358 500 km² de paneles solares. En términos simples, el área de Alemania .

Image of Área de paneles solares para abastecer al mundo entero con energía — Área de paneles solares para abastecer al mundo entero con energía

Eso es mucho, pero no irrazonable. Cubrimos el 34% de la Tierra con cultivos y ganado para alimentarnos , así que una granja solar FV del tamaño de Alemania (0,3% de la superficie terrestre ) no es gran cosa en comparación.

Sin embargo, implementar la energía solar en una escala extremadamente grande trae problemas que son ignorados por el cálculo precedente. El más destacado de estos problemas es la variabilidad del suministro de energía solar: no podemos hacer energía en la noche, aunque cuando el sol brilla, ¡hacemos demasiada! Veremos formas de resolver esto más tarde.

¿Podemos mejorar la energía solar FV y la solar térmica?

Hay muchas formas de hacer energía solar FV. El silicio cristalino FV (la tecnología que acabamos de discutir) absorbe alrededor del 20% de la energía solar que le llega . Otras tecnologías solares muestran un 40% de eficiencia, pero a costos más altos .

Las denominadas técnicas ’películas finas’ podrían volverse aún más baratas y amigables con el medio ambiente . Para darte una idea de la rapidez de su desarrollo, observa este gráfico:

Image of Eficiencia de los tipos de energía solar FV a través del tiempo — Eficiencia de los tipos de energía solar FV a través del tiempo

Los sistemas de la energía termosolar de concentración (CSP) podrían ser implementados hoy en día a gran escala - tenemos la materia prima para construirlos . Aunque la CSP es actualmente más costosa que los combustibles fósiles, tiene el potencial de volverse más viable cuando se expanda .

Una tecnología mucho menos explorada y aún así prometedora es la fotosíntesis artificial . Si podemos hacer que esto funcione a escala, resolvería muchos problemas a la vez - más sobre esto en el capítulo ‘Hidrógeno’. ¡Pero no te adelantes! Los capítulos intermedios cubren tecnologías que son igual de emocionantes e importantes.

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