Historia de la enegía solar
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TEMA: EnergÃ−a Solar Historia de la energia solar Introducción: El sol, es la estrella que, por el efecto gravitacional de su masa, domina el sistema planetario que incluye a la Tierra. Mediante la radiación de su energÃ−a electromagnética, aporta directa o indirectamente toda la energÃ−a que mantiene la vida en la Tierra, porque todo el alimento y el combustible procede en última instancia de las plantas que utilizan la energÃ−a de la luz del Sol. La recogida natural de energÃ−a solar se produce en la atmósfera, los océanos y las plantas de la Tierra. Las interacciones de la energÃ−a del Sol, los océanos y la atmósfera, por ejemplo, producen vientos, utilizados durante siglos para hacer girar los molinos. Gracias al proceso de fotosÃ−ntesis, la energÃ−a 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. El uso de la energÃ−a solar se puede remontar a épocas muy antiguas donde por sÃ− misma la agricultura no podrÃ−a concebirse sin la utilización constante la energÃ−a emanada del sol, pero siendo más especÃ−ficos y considerando el uso de la energÃ−a solar mediante mecanismos más elaborados podrÃ−amos remontarnos a el año 212 A.C. cuando ArquÃ−medes ataco mediante un rayo de luz a una flota romana en Siracusa quemando algunas de sus naves. También se puede hacer referencia al uso de la energÃ−a o luz solar en calendarios, o instrumento para calcular el tiempo. Fue el fÃ−sico francés Edmond Becquerel el descubridor del llamado efecto fotovoltaico en 1839, aunque este importante descubrimiento se mantuvo inexplorado en el olvido por los siguientes 75 años. A la edad de sólo 19 años Becquerel descubrió que algunos materiales generaban pequeñas cantidades de corriente eléctrica cuando se exponÃ−an a la luz. Después fue Heinrich Hertz quien estudió el efecto en los sólidos en 1870, fabricando celdas fotovoltaicas que transformaban la luz en electricidad con una eficiencia de 1% al 2%. Una de las consecuencias de la I y II Guerra Mundial, fue el abaratamiento del precio de los combustibles convencionales, el uso de la energÃ−a solar quedó entonces relegado a un segundo plano. El resurgimiento de la energÃ−a solar como una disciplina cientÃ−fica se produce en 1953, cuando Farrington Daniels organiza en la Universidad de Wisconsin un Simposio Internacional sobre la utilización de la EnergÃ−a Solar, auspiciado por la National Science Foundation de Estados Unidos. Dos años más tarde, en Tucson (Arizona), se celebró otro simposio y se formó la Asociación para la Aplicación de la EnergÃ−a Solar. Como consecuencia de estos simposios se creó la revista “Solar Energy”, de muy alto nivel cientÃ−fico, que edita la Sociedad internacional de la EnergÃ−a Solar con sede en Australia, entidad que sucedió a la asociación para la aplicación de la energÃ−a solar. En esta misma época (1954) se descubrió la celda (fotopila) de silicio en los laboratorios de la Bell 1 Telephone, los cuales recibieron por ello un fuerte impulso debido a las inminentes necesidades de fotopilas para actividades espaciales. Estos usaron una nueva técnica de producir cristales para fabricar una celda de silicio con un 4% de eficiencia. Fue en 1973 cuando, como consecuencia de la cuarta guerra árabe-israelÃ−, que la OPEP (Organización de PaÃ−ses Exportadores de Petróleo) decidió elevar enormemente los precios del petróleo y se produjo un fuerte resurgimiento mundial de la energÃ−a solar, al poder ser ya competitiva con los nuevos y altos precios del petróleo y de los productos energéticos en general. Existen además otras técnicas de generación de energÃ−a solar que no implica la generación fotovoltaica, es decir la generación de energÃ−a eléctrica a partir del calor o la luz. Existen sistemas donde los colectores solares son dispuestos para usar concentradores y espejos con lentes para enfocar los rayos del sol, para concentrar el calor que luego será transmitido a una máquina de vapor donde se utilizara el principio básico de generación de electricidad. Fechas y hechos importantes en el desarrollo de la energÃ−a solar: 1839 Edmund Bacquerel, descubre el efecto Fotovoltaivo: en una celda electrolÃ−tica compuesta de 2 electrodos metálicos sumergidos en una solución conductora, la generación de energÃ−a aumentaba el exponer la solución a la luz. 1873 Willoughby Smith descubre la fotoconductividad de selenio. (Fotoconductividad: es el incremento de la conductividad eléctrica de la materia o en diodos propiciado por la luz). 1877 W.G. Adams y R.E. Day observan el efecto fotovoltaico en selenio sólido. Construyen la primera celda de selenio. 1904 Albert Einstein publica su trabajo acerca del efecto fotovoltaico. 1940 se desarrolló el procedimiento Czochralski que permitió generar cristales de silicio de alta pureza. 1953 se organiza en la Universidad de Wisconsin un Simposio Internacional sobre la utilización de la EnergÃ−a Solar, auspiciado por la National Science Foundation de Estados Unidos. 1954 Los investigadores de los Laboratorios Bell (Murray Hill, NJ) D.M. Chapin, C.S. Fuller, y G.L. Pearson publican los resultados de su descubrimiento celdas solares de silicio con una eficiencia del 4,5%. 1955 Se comercializa el primer producto fotovoltaico, con una eficiencia del 2% al precio de $25 cada celda de 14 mW. 1958 El 17 de marzo se lanza el Vanguard I, el primer satélite artificial alimentado parcialmente con energÃ−a fotovoltaica. El sistema FV de 0,1 W duró 8 años. 1963 En Japón se instala un sistema fotovoltaico de 242 W en un faro. 1973 La Universidad de Delaware construye "Solar One", una de las primeras viviendas con EFV. Las placas fotovoltaicas instaladas en el techo tienen un doble efecto: generar energÃ−a eléctrica y actuar de colector solar (calentado el aire bajo ellas, el aire era llevado a un intercambiador de calor para acumularlo). 1974-1977 Se fundan las primeras compañÃ−as de energÃ−a solar. El Lewis Research Center (LeRC) de la NASA coloca las primeras aplicaciones en lugares aislados. La potencia instalada de EFV supera los 500 kW. 2 1978 El NASA LeRC instala un sistema FV de 3.5-kWp en la reserva india Papago (Arizona). Es utilizado para bombear agua y abastecer 15 casas (iluminación, bombeo de agua, refrigeración, lavadora, ...). Es utilizado hasta la llegada de las lÃ−neas eléctricas en 1983, y partir de entonces se dedica exclusivamente al bombeo de agua. 1980 La empresa ARCO Solar es la primera en producir más de 1 MW en módulos Fotovoltaicos en un año. 1981 Se instala en Jeddah, Arabia Saudita, una planta desalinizadora por ósmosis-inversa abastecida por un sistema Fotovoltaico de 8-kW. 1982 La producción mundial de EFV supera los 9.3 MW. Entra en funcionamiento la planta ARCO Solar Hisperia en California de 1-MW. 1983 La producción mundial de EFV supera los 21.3 MW, y las ventas superan los 250 millones de dolares. El Solar Trek, un vehÃ−culo alimentado por EFV con 1 kW atraviesa Australia; 4000 km en menos de 27 dÃ−as. La velocidad máx es 72 km/h, y la media 24 km/h. ARCO Solar construye una planta de EFV de 6-MW en California, en una extensión de 120 acres; conectado a la red eléctrica general suministra energÃ−a para 2000-2500 casas. EnergÃ−a proveniente del Sol La cantidad de energÃ−a solar recibida anual es tan vasta que equivale aproximadamente al doble de toda la energÃ−a producida jamás por otras fuentes de energÃ−a no renovable como son el petróleo, el carbón, el uranio y el gas natural. Algunas aplicaciones potenciales de la energÃ−a solar: • Calentamiento de agua • Generación de energÃ−a eléctrica • Iluminación • Calefacción domestica • Cocinas y hornos solares • Destilación (desalinizacion) • Potabilización de agua • Evaporación • Acondicionamiento de aire • Refrigeración • Secado • Acondicionamiento y ahorro de energÃ−a en edificaciones Mecanismos para su aprovechamiento: La energÃ−a solar tiene tres campos de aplicación: • conversión en energÃ−a térmica • conversión en energÃ−a eléctrica • energÃ−a solar pasiva La recogida directa de energÃ−a solar requiere dispositivos artificiales llamados colectores solares, diseñados para recoger energÃ−a, a veces después de concentrar los rayos del Sol. La energÃ−a, una vez recogida, se emplea en procesos térmicos o fotoeléctricos, o fotovoltaicos. En los procesos térmicos, 3 la energÃ−a solar se utiliza para calentar un gas o un lÃ−quido que luego se almacena o se distribuye. En los procesos fotovoltaicos, la energÃ−a solar se convierte en energÃ−a eléctrica sin ningún dispositivo mecánico intermedio. Los colectores solares pueden ser de dos tipos principales: los de placa plana y los de concentración. • CONVERSIà N EN ENERGà A Tà RMICA Consiste en la utilización de la energÃ−a para obtener calor. Todo cuerpo expuesto al Sol absorbe una parte de los rayos solares que sobre él inciden. Esto da lugar a que el material se caliente y adquiera un cierto calor. Los sistemas fototérmicos convierten la radiación solar en calor y lo transfieren a un fluido de trabajo. El calor se usa entonces para calentar edificios, agua, mover turbinas para generar electricidad, secar granos o destruir desechos peligrosos. Para captar de manera directa la energÃ−a solar se necesita utilizar dispositivos como paneles o colectores solares. El colector solar plano, está formado por una superficie metálica plana que lleva adherida a ella una serie de tuberÃ−as de cobre, estando todo el conjunto revestido de pintura negra absorbente selectiva. Por las tuberÃ−as circula el agua o gas, a ser calentado por la radiación solar. Para evitar las pérdidas de calor por conducción, el conjunto lleva en su parte posterior una capa de material aislante térmico que puede ser: poliuretano expandido, lana de vidrio, fiberglass, etc. Y tienen, en general, una o más placas de vidrio transparente 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. Los colectores de placa plana se han usado de forma eficaz para calentar agua y para calefacción. Los sistemas tÃ−picos 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. Además de los colectores de placa plana, los sistemas tÃ−picos 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 lÃ−quido (agua o agua mezclada con anticongelante), mientras que un lecho de roca o un tanque aislado sirven como medio de almacenamiento de energÃ−a. Para aplicaciones como el aire acondicionado y la generación central de energÃ−a 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 energÃ−a solar incidente sobre una zona receptora pequeña. Como resultado de esta concentración, la intensidad de la energÃ−a 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. à stos colectores se dividen en dos tipos: • De alta concentración: mediante dispositivos especiales y precisos de enfoque y seguimiento del sol, logran en el receptor una alta densidad de energÃ−a. • De baja y media concentración: no requieren dispositivos especiales de enfoque y tampoco un 4 seguimiento permanente del sol, sino la modificación de su posición algunas veces por año. En los hornos solares se utilizan reflectores parabólicos o lentes diseñados para enfocar la radiación del sol en placas pequeñas para poder aumentar su temperatura de manera eficiente. Se han diseñado hornos solares que pueden alcanzar hasta 3500ºC. Actualmente se fabrican hornos solares de hasta 3 metros de diámetro con espejos de una sola pieza de aluminio o de otros elementos, y existen aún hornos más grandes. Se pueden dividir los sistemas de aprovechamiento de energÃ−a solar por vÃ−a térmica en tres grupos: • Conversión térmica a baja temperatura (<90º) Son aquellos sistemas que captan la energÃ−a solar por medio de unos paneles solares planos En éste tipo de conversión térmica se necesita un sistema de almacenaje de la energÃ−a, en éste caso en forma de agua caliente, para cuando sea de noche o esté nublado. à til para aplicaciones tales como calentamiento de piscinas, calentamiento doméstico de agua para baño y, en general, para todas aquellas actividades industriales en las que el calor de proceso no es mayor de a 90 ºC. • Conversión térmica a media temperatura (90-200º) Se utilizan espejos y lupas, concentradores solares, para concentrar la radiación solar sobre una superficie mucho menor que la de los paneles planos. La concentración de la radiación solar sobre superficies reducidas produce una mayor temperatura, y en definitiva mayor energÃ−a calorÃ−fica. La eficacia de los concentradores solares depende de un sistema de orientación que las mueva para seguir la trayectoria solar. Necesitan tomar directamente la radiación del Sol, por lo que su utilización queda restringida a zonas de alta insolación. • Conversión térmica a altas temperaturas (+200º) Se utilizan más espejos y de mayor tamaño para concentrar aún más la radiación. à stos enormes espejos, llamados heliostatos, son orientables para seguir la luz del Sol. Su mayor aprovechamiento, se produce mediante una alta torre con una caldera, hacia donde confluyen los rayos solares. Operan a temperaturas superiores a los 200 ºC. El vapor que se consigue se usa para la generación convencional de electricidad y es transmitida a la red eléctrica. En algunos paÃ−ses estos sistemas son operados por productores independientes y se instalan en regiones donde las posibilidades de dÃ−as nublados son remotas. • CONVERSIà N EN ENERGà A ELà CTRICA Consiste en la utilización de la energÃ−a solar para producir directamente electricidad. Para ésta aplicación se utilizan las células solares o fotovoltaicas. Los sistemas fotovoltaicos permiten la transformación de la luz solar en energÃ−a eléctrica, es decir, la conversión de una partÃ−cula luminosa con energÃ−a (fotón) en una energÃ−a electromotriz. Cuando la energÃ−a luminosa incide en la célula fotoeléctrica, existe un desprendimiento de electrones de los átomos que comienzan a circular libremente en el material. Si medimos el voltaje existente entre los dos extremos del material, observamos que existe una diferencia de potencial entre 0,5 y 0,6 voltios. 5 Pero ésta cantidad de energÃ−a es insuficiente si no somos capaces de obtener mayores voltajes y corrientes que permitan aplicaciones prácticas. Para ello, se diseñan en cada oblea cientos de celulas, los cuales son capaces de suministrar tensiones de varios voltios. Los paneles solares pueden acoplarse en forma modular, lo que permite que puedan pasar de un sistema doméstico de generación de energÃ−a, a otro más potente para industrias o instalaciones de gran consumo. Para la instalación de un sistema solar fotovoltaico, es necesario realizar un dimensionado o cálculo de las necesidades y confort que uno requiere. Con ello podemos calcular los vatios que se necesitan en cada momento según la radiación del sol en cada lugar. El elemento principal de un sistema de energÃ−a fotovoltaica es la célula fotoeléctrica. Los paneles solares están constituidos por cientos de éstas células, que conexionadas adecuadamente, suministran voltajes suficientes para, por ejemplo, la recarga de una baterÃ−a. Para su construcción, de la arena común (con alto contenido en silicio), una vez separados sus dos componentes básicos, que acoge gran cantidad de impurezas, se obtiene inicialmente una barra de silicio sin estructura cristalina (amorfo). Mediante un proceso electrónico, que también permite eliminar las impurezas, la barra de silicio amorfo es transformada en una estructura monocristalina, la cual posee caracterÃ−sticas de aislante eléctrico, al estar formada por una red de uniones atómicas altamente estables. A continuación, con el material ausente totalmente de impurezas (una pequeña impureza lo hace inservible), es cortado en obleas (finas láminas de sólo una décima de milÃ−metro). Las obleas, son entonces fotograbadas en celdillas con polaridades positiva y negativa; la polaridad positiva se consigue a base de introducir o que electrónicamente hablando se denominan huecos, es decir, impurezas que están compuestas por átomos que en su capa de valencia sólo tienen tres electrones (les falta uno para estar estables). Por su parte, en la zona negativa se sigue un proceso similar al de la zona positiva, pero en éste caso las impurezas que se inyectan son átomos que en su capa de valencia tienen cinco electrones, es decir, en la estructura de cristal sobra un electrón (sobra un electrón, por eso se dice que tiene carga negativa). El conjunto de ambos materiales (positivos y negativos) forman un diodo; éste dispositivo tiene la caracterÃ−stica de dejar pasar la corriente eléctrica en un sentido pero en el otro no, y aunque los diodos son utilizados para rectificar la corriente eléctrica, en éste caso, permitiendo la entrada de luz en la estructura cristalina, permitiremos que se produzca movimiento de electrones dentro del material, por eso éste diodo es denominado “fotodiodo” o “célula fotoeléctrica”. Los rendimientos tÃ−picos de una célula fotovoltaica (aislada) de silicio policristalina oscilan alrededor del 10%. Para células de silicio monocristalino, los valores oscilan en el 15%. à ste mecanismo, tiene ventajas e inconvenientes. -VENTAJAS: La energÃ−a solar fotovoltaica es una de las fuentes más prometedora de energÃ−a renovable en el mundo. Comparada con las fuentes no renovables, las ventajas son claras: es totalmente no contaminante, no tiene partes móviles que analizar y no requiere de mucho mantenimiento. No requiere de una extensa instalación para operar. Los generadores de energÃ−a pueden ser instalados de una forma distribuida en la cual, los edificios ya construÃ−dos, pueden generar su propia energÃ−a de forma segura y silenciosa. Aún cuando la energÃ−a fotovoltaica es comparada con otras fuentes de energÃ−a renovables, tales como la eólica, hidraúlica y la solar térmica, hay algunas ventajas obvias. Primero, la energÃ−a producida por el viento y el agua, dependen de turbinas para lograr que los generadores produzcan energÃ−a. Las turbinas y generadores tienen partes móviles que se pueden dañar, que requieren mantenimiento y que son ruidosas. 6 La energÃ−a solar térmica, necesita una turbina para que el generador produzca energÃ−a eléctrica. En resumen, la energÃ−a fotovoltaica es generada directamente del sol. Los sistemas fotovoltaicos no tienen partes que se muevan, por lo tanto no requieren mantenimiento y sus celdas duran décadas. -INCONVENIENTES: Los inconvenientes de éste sistema de generación de energÃ−a, no es tanto el origen de esa energÃ−a, el Sol, que excede nuestras necesidades, ni tampoco la materia prima de donde se extrae el silicio, consistente en arena común muy abundante en nuestras playas; se trata de la técnica de construcción de las obleas, excesivamente compleja y cara. Un segundo motivo, es el rendimiento obtenido y el espacio de terreno ocupado por los elementos captadores; el rendimiento final se estima en solo un 13%. Dispositivos de almacenamiento de energÃ−a solar: Debido a la naturaleza intermitente de la radiación solar como fuente energética durante los perÃ−odos de baja demanda debe almacenarse el sobrante de energÃ−a solar para cubrir las necesidades cuando la disponibilidad sea insuficiente. Los acumuladores pueden servir para almacenar el excedente de energÃ−a eléctrica producida por dispositivos fotovoltaicos. Un concepto más global es la entrega del excedente de energÃ−a eléctrica a las redes existentes y el uso de éstas como fuentes suplementarias si la disponibilidad solar es insuficiente. Los conectados a la red están integrados por los siguientes elementos: • Placas solares: al capta los rayos del sol, y tiene la función de un generador. • Reguladores de carga: previenen que se genere una sobrecarga en los acumuladores. • Acumuladores: los proveedores de la energÃ−a que consumimos. • Inversor: que transforma la electricidad acumulada en corriente alterna. • Dos contadores: uno de ellos para contabilizar la energÃ−a que se aporta a la red y otro para medir nuestro propio consumo. Actualmente, las células fotovoltaicas se aplican en: Centrales solares de células fotovoltaicas Pequeñas instalaciones (faros, balizas…) Satélites lanzados al espacio Automóviles Viviendas C) ENERGà A SOLAR PASIVA Sus principios están basados en las caracterÃ−sticas de los materiales empleados en la construcción y en la utilización de los fenómenos naturales de circulación de aire. Por tanto, se establece una interrelación entre energÃ−a solar pasiva y arquitectura, ya que éstos sistemas se construyen sobre la estructura del edificio. Una de las grandes ventajas de los sistemas pasivos, frente a los activos, es su gran durabilidad ya que su vida es análoga a la del edificio. Los sistemas de calefacción solar activa incluyen equipos especiales que utilizan la energÃ−a del Sol para calentar o enfriar estructuras existentes. Los sistemas pasivos 7 implican diseños de estructuras que utilizan la energÃ−a solar para enfriar y calentar. En una 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 aÃ−slan en verano. Los depósitos de agua proporcionan una masa térmica para almacenar calor durante el dÃ−a y liberarlo durante la noche. La repercusión en el medio ambiente de éste aprovechamiento de energÃ−a solar es nula, ya que no se produce ningún tipo de impacto sobre la atmósfera, el agua o el suelo, ni tampoco otro tipo de efectos como ruido, alteraciones de ecosistemas, efectos paisajÃ−sticos particulares, etc. Su aplicación resulta favorable por el impacto evitado y desde el punto de vista arquitectónico. La incorporación de elementos de la arquitectura solar pasiva debe conducir a producir dos efectos sobre las edificaciones que permitan el acondicionamiento técnico de las mismas durante todas las épocas del año. Otra forma de aprovechar ésta energÃ−a es: Mediante cristales que aÃ−slan el recinto del exterior, dejando pasar los rayos solares. Mediante acumuladores térmicos, que retienen ese calor y lo van disipando poco a poco, por lo que se asegura calor durante más tiempo, por ejemplo durante la noche. BibliografÃ−a http://www.suministrosolar.com/historiadelaenergiasolar http://www.suministrosolar.com/usosdelaneergiasolar http://www.dforcesolar.com/energia-solar/historia-de-la-energia-solar/ http://html.rincondelvago.com/energia-solar_8.html http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar Fecha de consultas: 24/10/2011 8