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Aprovechamiento de la energía solar

24 de septiembre de 2018

La radiación solar es el origen principal de todos los tipos de energías que se conocen actualmente, tanto naturales como artificiales.

Centrándonos estrictamente en el aprovechamiento de la energía solar, hay que decir que no toda energía que llega desde el Sol hacia la Tierra es aprovechable. Únicamente un 47% de la energía solar logra alcanzar la superficie terrestre, siendo una proporción menor evidentemente que aquella energía disponible en el exterior de la atmósfera. ¿Y por qué no llega el 100% de la energía? ¿En qué trabas del camino perdemos esa energía tan valiosa? Hay que tener en cuenta en primer lugar que es un proceso natural y en segundo lugar que dadas las cantidades que se producen, energía “sobraría”, luego la cuestión no es centrarse en “esa pérdida”.

La energía solar es sometida a tres efectos y/o procesos antes, durante, y al atravesar la atmósfera.

  1. Difusión

  2. Absorción

  3. Reflexión

Prestando atención inicialmente a la energía que logra alcanzar suelo físico, ese 47%, hay que decir que es absorbida por la superficie terrestre y entonces se produce el calentamiento de esta.

Este calentamiento es responsable por ejemplo de la evaporación del agua de océanos, lagos, ríos, así como del resto del ciclo hidrológico. Hay un tanto por ciento ínfimo de esta energía, tan solo el 0,2%, que provoca los movimientos atmosféricos y las corrientes marinas.

En comparación, la energía cinética del viento es convertida en electricidad en los parques eólicos. Idéntica cifra, el 0,2%, se utiliza en la producción de la materia viva. Se trata del principal proceso natural capaz de aprovechar la energía solar de forma directa. Tenemos entonces un reparto entre la energía directa que incide en la superficie terrestre, un 31%, y una energía difusa que incide igualmente en la superficie terrestre, el 16%.

 

 

Hasta aquí la energía solar aprovechable. El restante, un 53%, no llega hasta la superficie terrestre debido a que un 30% es reflejado de nuevo hacia el espacio exterior, o un 23% que es absorbido por la propia atmósfera produciendo su calentamiento. El cambio de dirección se produce al reflejarse con las nubes, el suelo o por una transformación difusa que se dirige de nuevo la energía al espacio exterior.

La energía solar que llega a la superficie terrestre precisa ser transformada en otro tipo de energía útil que, en la mayoría de los casos es energía eléctrica o térmica. De acuerdo con esto, los procesos de aprovechamiento artificiales de la energía solar pueden ser procesos directos o indirectos.

El primero realiza un único proceso de transformación de energía para que sea utilizable, caso de la obtención de energía térmica, así como el efecto fotovoltaico y fotoeléctrico.

Sin embargo, en los procesos indirectos es cuando la energía solar es transformada sucesivamente en varios tipos de energía hasta conseguirla en el modo necesario para poder ser aplicada. El ejemplo más representativo de este proceso indirecto es la energía eólica. En primer lugar, la energía solar produce las diferencias térmicas en la atmósfera que originan el viento, cuya energía cinética mueve los generadores, donde la energía mecánica se transforma en eléctrica.

Por último, tenemos dos procesos de conversión: la energía térmica y eléctrica.

En el primer caso la energía solar es absorbida y convertida en calor, debido a la capacidad de reflexión de la superficie del cuerpo, (cuando menos reflectante sea dicha superficie, mayor será la energía absorbida y mayor será el calentamiento que producirá. En cuanto a la capacidad de absorción, depende fundamentalmente del color de la superficie, (los cuerpos negros absorben toda la radiación visible y por eso se calientan más rápido). Y por último está la radiación incidente, puede ser incrementada, por ejemplo, utilizando sistemas de seguimiento solar o mediante reflectores parabólicos.

La tecnología que actualmente se emplea requiere el uso de unos dispositivos artificiales llamados colectores solares. Se trata de dispositivos diseñado para recoger la energía recibida del sol y elevar la temperatura (el nivel térmico) de un fluido con vistas a su aprovechamiento.
Los colectores se dividen en dos grandes grupos: los captadores de baja temperatura, utilizados fundamentalmente en sistemas domésticos de calefacción, agua caliente sanitaria, climatización de piscinas, fundamentalmente, y los colectores de alta temperatura, conformados mediante espejos y utilizados generalmente para producir vapor que mueve una turbina que generará energía eléctrica. A colación de estos datos se puede ver el artículo: Estado actual de la energía Termosolar (CSP) a nivel global 24 de julio de 2018

En cuanto a la conversión a energía eléctrica hay que decir que son dos los procesos tecnológicos que permiten la obtención directa de energía eléctrica a partir de la energía electromagnética de los fotones. Por un lado, está el efecto fotoeléctrico, que consiste en la generación de una corriente eléctrica mediante la liberación de electrones de la superficie de los metales, al chocar con ella fotones de suficiente energía, y por otro está el efecto fotovoltaico, el cual se basa en la propiedad de determinados materiales que son capaces de generar una pequeña diferencia de potencial (voltaje).

A modo de glosario dejamos algunos términos de relevancia: Pueden contrastar en este enlace.  

RADIACIÓN SOLAR (Irradiancia solar) es la suma de dos irradiancias (radiación directa + radiación difusa).

Radiación directa es la irradiancia que alcanza la superficie en un plano horizontal procedente únicamente del disco solar, sin haber sufrido ningún proceso de dispersión atmosférica.

Radiación difusa es la que incide igualmente en un plano horizontal, pero procedente –en este caso- del resto del cielo debido a los procesos de dispersión que se producen en la atmósfera. Se refiere a la radiación que llega a la superficie tras ser dispersada en la atmósfera por las nubes, partículas en suspensión y moléculas que constituyen los gases atmosféricos (y que a su vez) constituye en promedio -en condiciones de cielo despejado, entre el 15 y el 20% de la radiación total incidente en superficie o radiación global.

IRRADIANCIA: potencia de la radiación incidente sobre una superficie.

Se emplea para definir la cantidad de energía que cae sobre un área. Aplicada a la energía solar, sería la cantidad de radiación solar (ondas electromagnéticas) que cae sobre la superficie terrestre.

Se expresa en unidad de energía/unidad de superficie. Por ejemplo KW/m2

No confundir con la Radiancia que es una unidad de potencia (utilizada en Radiometría) y que se define como el flujo radiante emitido por unidad de superficie y por ángulo sólido.

IRRADIACIÓN: energía por unidad de superficie a lo largo de un tiempo.

Se expresa en unidad de energía/unidad de tiempo/unidad de superficie. Por ejemplo: KW/h/m2. La irradiación es una irradiancia en función de un tiempo.

Irradiación solar es la densidad de energía solar que cae sobre una unidad de superficie terrestre durante un tiempo determinado. Se suele expresar en KW/m2/día.

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