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LA ENERGÍA SOLAR: DATOS TÉCNICOS

 

I. 1. INTRODUCCIÓN

DURANTE siglos, tanto el hombre como los demás seres vivos han aprovechado la energía solar, no sólo como una opción energética sino como fuente de vida, pues sin esa estrella no habría vida en la Tierra. El cuerpo humano produce vitamina D cuando los rayos ultravioleta provenientes del Sol llegan a la piel. La vitamina D es esencial para el crecimiento de los huesos. Nuestro organismo, como necesita alimentos, depende indirectamente de la energía solar, pues ésta es indispensable para que se lleven a cabo las reacciones de la fotosíntesis. De hecho, las plantas pueden almacenar 1% de la radiación solar que les llega. Debido a que todos los seres vivos se alimentan unos de otros, formando una gran cadena alimenticia, toda la flora y la fauna terrestre vive gracias al aprovechamiento directo o indirecto de la energía solar. Prueba de esto es que más de 90% del material orgánico que permite la vida marina, llamado fitoplancton, se halla precisamente en aquellas capas del océano donde llega la luz del Sol.

Sin embargo, tal parece que no sabemos aprovechar las ventajas que nos brinda la naturaleza. ¿Cómo sería la vida sin el Sol? La respuesta inmediata es: no habría vida. El invierno nuclear sería poca cosa comparado con un planeta que no recibiera la energía solar.

Si queremos mantener las condiciones naturales de vida es necesario que no alteremos mucho el medio, pues dichos cambios pueden volverse en nuestra contra. Entre los casos más conocidos se encuentran los daños provocados por las explosiones nucleares, los materiales no degradables, los contaminantes químicos, los desechos industriales, los cambios en la capa de ozono de nuestra atmósfera, etcétera. Pero esos daños, de los cuales nos mantiene al tanto la ecología, no preocupaban a los hombres del pasado.

¿Hasta qué punto el avance tecnológico se convierte, en algunos casos, en retroceso? La respuesta a esta pregunta depende de muchos factores y mejor la dejaremos abierta, pues aunque por un lado los avances tecnológicos han permitido mejorar las condiciones de vida de la población en general, también han acentuado la pobreza de algunos países. La dependencia tecnológica y la imposición de modelos técnicos importados ocasionan saltos tecnológicos con grandes huecos y deficiencias. Si se quiere satisfacer la demanda de energía que requiere cada habitante del planeta es indispensable buscar fuentes de energía que se puedan mantener a largo plazo. Esa necesidad existe y debe satisfacerse; es necesario solucionar problemas como el pronóstico sobre el agotamiento del petróleo, que comenzara a sentirse a mediados del siglo XXI, cuando las reservas de crudo serán insuficientes para satisfacer la demanda mundial.

La acción de una fuente de energía prácticamente inagotable como el Sol se aprecia en muchos fenómenos cotidianos. Si dejamos una manguera expuesta a los rayos solares, al abrir la llave, el agua saldrá en un principio caliente. De hecho, éste es el sistema que emplean los australianos para facilitar el trabajo de lavar los platos después de comer. Otro ejemplo muy conocido es cuando intentamos sentarnos en los asientos de plástico negro de un automóvil que ha estado expuesto a la luz del Sol. ¿Cuántas veces se ha quemado usted?

Un experimento sencillo pero ilustrativo para observar el aprovechamiento de la energía solar consiste en concentrar los rayos del Sol en un punto para producir fuego. Esto lo podemos hacer con una lupa, cuando no tengamos a mano cerillos. El punto donde se concentran los rayos de luz se llama foco de la lupa. Pero el experimento podría hacerse más interesante si utilizáramos una lupa de hielo; de esta forma estaríamos produciendo fuego a partir del agua.

En las últimas décadas, la energía solar ha cobrado importancia como fuente energética, puesto que las reservas de combustibles fósiles no son eternas. Esto ha ocasionado que, por ejemplo, sean parecidos los precios de un calentador solar y de uno de gas, lo que no sucedía hace 60 años. Así, con respecto a los costos, los sistemas solares son cada vez más baratos, con la gran ventaja de que el combustible, la luz del Sol, aparece todas las mañanas sin cobrar.

Debe quedar claro que la energía solar no constituye ninguna panacea universal de la cual los hombres obtendrán todo lo que necesitan. La energía solar contribuye modestamente como otra posibilidad energética y no se trata de defenderla a ultranza como la única fuente de energía. Un planteamiento realista sería considerarla seriamente como una opción energética con sus deficiencias tecnológicas, sus desventajas económicas actuales y sus ventajas a largo plazo.

En nuestro país, que posee regiones con el promedio mundial de insolación o soleamiento anual más alto, el aprovechamiento de la energía solar constituye, sin lugar a dudas, una buena opción. El que esta fuente de energía sea rentable depende de las investigaciones que se realicen, de los recursos económicos destinados a su estudio y del interés que se preste a su desarrollo. Por lo pronto, ya satisface las necesidades energéticas de muchas viviendas, se ha empleado en algunas comunidades que carecen de electricidad y también se han construido algunas plantas de prueba. Pese a lo anterior, actualmente la energía solar no contribuye con ningún porcentaje al consumo energético nacional, aunque ya empieza a contar y es deseable impulsarla.

I.2. UN FOCO CELESTE

El Sol es una estrella común y corriente. Esto quiere decir que en el Universo existen millones de estrellas como ésta. Sin embargo, aquéllas se localizan a miles de millones de kilómetros de nuestro planeta y por esta razón, para nosotros no son más que débiles puntos de luz en el firmamento. La estrella más cercana a la Tierra es el Sol, que se encuentra a 149 450 000 km de distancia; nuestra estrella tiene un diámetro de 1 391 000 km, aunque para nosotros no es más que un plato amarillo de unos cuantos centímetros de diámetro. Tiene una masa de 2 X 1030 kilogramos (un dos con treinta ceros), cifra difícil de imaginar para nosotros, que estamos acostumbrados a las masas de los objetos terrestres, pero es 333 veces más pesado que la Tierra.

El núcleo del Sol tiene una temperatura de 15 millones de grados Celsius y ésta va disminuyendo hasta llegar a la superficie solar, donde la temperatura promedio es de 5 770ºC, más que suficiente para derretir un automóvil.

En el interior del Sol, como en todas las estrellas, se llevan a cabo reacciones de fusión nuclear. En este tipo de reacciones se unen los núcleos de átomos ligeros, como el hidrógeno y el helio, para formar átomos más pesados y en el proceso se liberan grandes cantidades de energía; la energía que nos envía el Sol es, por lo tanto, de origen nuclear. Dos núcleos de deuterio (isótopo del hidrógeno) se fusionan y transforman en helio; los núcleos de helio, en carbono, y así sucesivamente hasta constituir elementos cada vez más pesados. Actualmente, el Sol está compuesto de 73.46% de hidrógeno y 24.85% de helio (el resto son elementos más pesados).

Durante las reacciones nucleares, parte de la masa de las partículas que intervienen se convierte en energía, la cual se puede calcular empleando la fórmula de Einstein E=mc2 (donde E equivale a la energía, m a la masa y c a la velocidad de la luz, que es igual a 300 000 km/s). De esta forma, el Sol irradia la energía proveniente de la fusión de los núcleos atómicos que lo componen y como lo hace en todas direcciones, una parte nos llega a la Tierra. El Sol existe desde hace 4 600 millones de años y se cree que seguirá viviendo durante un periodo similar; por lo tanto, para cualquier fin práctico, el Sol es una fuente inagotable de energía.

La radiación que emite el Sol en todas direcciones, producto de las reacciones nucleares, corresponde a una parte del llamado espectro electromagnético. Cada cuerpo, según sus características intrínsecas, emite un patrón de radiación electromagnética (una forma de radiación característica) que puede identificarse en el espectro electromagnético. En la figura 8 pueden apreciarse las diferentes formas de radiación electromagnética, que dependen de la cantidad de energía que ésta posea. Para nosotros la más común es la luz visible, pero también los rayos X o los rayos infrarrojos constituyen otras formas de radiación electromagnética.

Figura 3. Espectro electromagnético.

La radiación electromagnética no es otra cosa que el tipo de partículas o de ondas (en el sentido físico) que nos llega de un cuerpo, en este caso del Sol. Los rayos del Sol están compuestos por diminutas partículas, llamadas fotones que viajan a la velocidad de la luz.

En 1905 Albert Einstein propuso una teoría corpuscular en la que señalaba que la luz estaba compuesta de paquetes de energía radiante llamados fotones, término acuñado por G. N. Lewis en 1926. Posteriormente, varios experimentos demostraron que las partículas atómicas, incluidos los fotones, podían presentar patrones de interferencia y difracción, características que corresponden a una onda y no a una partícula. Sin embargo, ¿la luz está compuesta de ondas o de partículas? A finales de la década de los veinte la respuesta la dio la mecánica cuántica, teoría que señala que la luz tiene manifestaciones de partícula y de onda, es decir, tiene una naturaleza dual, de dos; no se pueden excluir ambos conceptos. La luz se comporta como onda o como partícula, según el instrumento que se use para analizarla.

En la figura 4 pueden apreciarse las características físicas de una onda de luz. Un ejemplo cotidiano de una onda lo podemos observar en el movimiento que se produce en el agua de un estanque cuando se tira una piedra al centro de éste; se formarán una serie de anillos concéntricos que se harán cada vez más grandes, hasta llegar al borde del estanque. Aquí debe señalarse que las ondas de luz, a diferencia de las de un estanque, se pueden propagar en el vacío, cosa que no sucede con las ondas de un estanque, porque requieren de un medio para propagarse. La luz se comporta como una serie de partículas en movimiento o como una onda transversal que se propaga en diferentes materiales o en el vacío.

T - periodo = tiempo en que la onda completa un ciclo
v - frecuencia = = número de ciclos por segundo
l - longitud de onda = distancia que hay al completar
    un ciclo o entre cresta y cresta
    o entre valle y valle
C - lv
C - Velocidad de la luz = 300 000 km/s.
l - longitud de la onda de luz
v - frecuencia de la onda de luz

Figura 4. Características físicas de una onda de luz.

El tipo de radiación electromagnética dependerá de las características físicas que posean los fotones. La energía contenida en los rayos del Sol se calcula a partir de la fórmula de Planck, E= hv, donde E es la energía de los fotones, h es la constante de Planck, que equivale a 6.625 x 10-34 Js, y la letra griega v es la frecuencia a la que oscilan los fotones o la frecuencia de las ondas de luz.

De esta fórmula se desprende que hay fotones que poseen gran cantidad de energía (como los rayos gamma) y otros que son menos energéticos (los rayos infrarrojos, por ejemplo). Esto se traduce en que hay fotones que ni siquiera pueden atravesar la atmósfera terrestre, mientras que otros cruzan los tejidos blandos del cuerpo y chocan únicamente con los huesos: estos últimos constituyen los rayos X, que se utilizan para tomar radiografías.

Una característica común que comparten todos los fotones es que viajan a una velocidad constante en el vacío: a la velocidad de la luz, que es la más alta que existe en el Universo. Una propiedad curiosa de estas partículas es que un fotón en reposo tiene una masa igual a cero.

A pesar de que la velocidad de la luz es muy grande, un rayo del Sol tarda aproximadamente ocho minutos en llegar a la Tierra. En la vida cotidiana, sin embargo, la luz de un foco parece que nos llega instantáneamente. (Por ejemplo, la luz de un foco colocado a 1 m de distancia, tarda 0.33X10-8 s.)

Los rayos que provienen del Sol traen consigo fotones de características diferentes (rayos gamma, rayos ultravioleta, luz visible, rayos infrarrojos y ondas de radio) y estos constituyen el espectro del Sol.

En la figura 5 puede apreciarse cómo gran parte de la radiación solar (el 90% aproximadamente) está constituida por rayos infrarrojos y luz visible.

Figura 5. Espectro del Sol. Fuera de la atmósfera, la radiación solar está constituida por 7% de rayos ultravioleta, 47% de radicación visible y 46% de rayos infrarrojos. En la superficie, en condiciones ideales (cielo despejado y a nivel del mar) los porcentajes son: 4% de ultravioleta, 46% de visible y 50% de infrarroja. La curva corresponde a la radiación de cuerpo negro a aproximadamente 6 000º K.

1.3. DE LOS ESPEJOS DE ARQUÍMEDES A LOS HORNOS SOLARES

Según narran los antiguos historiadores, en el año 212 a. C., a petición del rey Herón, Arquímedes quemó las naves romanas que sitiaban la ciudad de Siracusa. Para llevar a cabo tal hazaña, Arquímedes utilizó varios espejos planos o tal vez escudos reflejantes que en conjunto formaban un gran espejo cóncavo, pues en esa época ya se utilizaban espejos pulidos de plata y cobre para concentrar la luz del Sol. Un espejo cóncavo sería, por ejemplo, el que tiene el faro de un automóvil. Este tipo de espejo, cuando posee la forma de un paraboloide de revolución, tiene la propiedad de que todos los rayos luminosos que inciden sobre él desde cualquier dirección se concentran en un punto: el foco del espejo. De esta forma, mediante la concentración de la energía de los rayos solares se logra alcanzar altas temperaturas y, quizá, como Arquímedes, incendiar grandes objetos. También Euclides, en sus trabajos de óptica, menciona que es posible obtener temperaturas elevadas mediante un espejo cóncavo, y Filón de Bizancio aprovechó el calor del Sol en un termoscopio (antecedente del termómetro), que consiste en un termómetro rudimentario, que indica la diferencia de temperatura sin precisar su magnitud.

Durante el Renacimiento, el ingeniero francés Salomón de Caus construyó una bomba de agua con un motor inventado por él, cuya fuerza motriz provenía de vapor calentado por los rayos solares. En un texto, escrito en 1615, describe dos sistemas que funcionaban con energía solar: una fuente y una estatua sonora. Esta última estaba hueca y contenía dos tubos de órgano; cuando el aire se expandía debido al calor solar, la estatua empezaba a cantar.

En los siglos XVII y XVIII se construyeron los primeros hornos solares; aproximadamente en 1690, en Dresde, Alemania, E.W. von Tschirnhausen construyó un horno solar con un espejo cóncavo parabólico de 1.6 m de diámetro para cocer el barro utilizado en la producción de objetos de cerámica. También construyeron hornos solares Jorge Luis Leclerc, conde de Buffon, escritor y naturalista francés, y los ópticos franceses A. J. Fresnell y Villette.

En 1774, el científico inglés Joseph Priestley descubrió nada menos que el oxígeno (aunque no le dio ese nombre), concentrando los rayos solares sobre lo que llamaba cal de mercurio (hoy óxido de mercurio), con una lente de 0.30 m de diámetro; al gas desprendido lo llamó aire desflogisticado. Posteriormente, A. L. de Lavoisier, a partir de este hallazgo dio el nombre de oxígeno a ese gas y formuló la teoría de la combustión, demostrando que el oxígeno es un componente del aire. Además, construyó un horno solar con una lente de más de 1 m de diámetro que alcanzaba temperaturas de 1 700º C, en el que se podía fundir platino.

El primer diseño de un colector plano para aprovechar el calor solar fue concebido en la segunda mitad del siglo XVII por el naturalista suizo Horace de Saussure. Éste consistía en una caja perfectamente sellada con varias capas de vidrio. Los astrónomos J. Herschel y J. Langley, así como el ingeniero C. Tellier también fabricaron varios colectores, en los cuales trataron de perfeccionar el diseño de Saussure.

En el siglo XIX, el clérigo escocés Robert Stirling construyó un motor de aire caliente con un pistón que, acoplado a un espejo parabólico, empezaba a girar cuando los rayos solares se concentraban en el extremo exterior del pistón y se alcanzaba una temperatura adecuada. Otro gran pionero de la energía solar fue el inventor sueco John Ericsson, quien también construyó un motor de aire caliente. El interés de Ericsson por la energía solar lo llevó a instalar un laboratorio dedicado a la investigación solar en la ciudad de Nueva York. En 1868 diseñó un espejo rectangular de 2X3.5 m de sección parabólica y sobre la línea focal de la parábola colocó un tubo por el que circulaba aire; al concentrar los rayos solares en la línea focal, el aire se calentaba y proporcionaba el calor necesario para que trabajara una máquina de vapor. Ericsson había construido un motor solar. Además, diseñó varios instrumentos para medir la radiación y otras propiedades físicas del Sol, útiles para el aprovechamiento de este tipo de energía. Un detalle curioso es que Ericsson no quiso patentar ni comercializar sus motores solares hasta que no se hubieran perfeccionado, por lo cual dejó muchos inventos sin patente.

En 1860, con el apoyo de Napoleón III, Augusto Mouchot construyó un colector solar en forma de cono truncado de 2.2 m de diámetro, que se utilizó primero en una caldera y posteriormente en una planta para bombear agua. En la Exposición Mundial de París, celebrada en 1878, Mouchot exhibió una estufa solar y un motor solar que empleaba su colector. También en la Exposición Mundial que se realizó en el Palacio de las Tullerías, Mouchot y Abel Pifre llevaron un motor solar integrado a la prensa de una imprenta. Más tarde, en esta imprenta se editaría la revista Le Journal du Soleil.

Hasta entonces se había probado que cualquier máquina térmica podía funcionar mediante la energía solar; sin embargo, ¿podía convertirse directamente esta energía en electricidad?

En 1839, Edmund Becquerel (abuelo de Henry Becquerel, el descubridor de la radiactividad natural) mientras trabajaba con celdas electrolíticas observó que al iluminar uno de los electrodos se producía un voltaje y así descubrió el efecto fotovoltaico, es decir, la conversión directa de luz en electricidad. Cincuenta años después, W. Smith encontró que el selenio (elemento derivado del mineral de cobre) tenía propiedades fotovoltaicas; Charles Fritts construyó las primeras celdas solares de selenio, y en 1878 G. W. Adams y R. E. Day observaron el efecto fotovoltaico en un semiconductor de selenio. En 1905, Albert Einstein, partiendo del concepto de cuanto, propuesto en 1900 por Max Planck, propuso que la luz está compuesta de cuantos o paquetes de energía y explicó satisfactoriamente otro efecto, llamado fotoeléctrico, que se presenta en los metales. Con esto, se daban las bases que llevarían a Niels Bohr, Max Born, Louis de Broglie, Werner Heisenberg, Edwin Schrödinger, P.A.M. Dirac y Wolfang Pauli, entre otros, a establecer alrededor de 1930 la mecánica cuántica. En el efecto fotoeléctrico, cuando la luz llega a metales como el platino o el cesio, los electrones pueden empezar a moverse, y si los fotones de los rayos de luz tienen frecuencias y energía apropiadas, hacen saltar a los electrones de la superficie iluminada y se genera una corriente eléctrica.

Sin embargo, durante muchos años nadie se ocupó de mejorar las celdas solares. Tuvieron que pasar casi ochenta años para que Gordon Pearson, Darryl Chapin y Calvin Fuller, investigadores de los Laboratorios Telefónicos Bell, utilizaran silicio con impurezas en lugar de selenio para fabricar las celdas solares como una solución para tener una fuente de energía en las instalaciones telefónicas de las áreas rurales. Así surgieron las primeras celdas solares que tenían una eficiencia de 15%. Una de las desventajas era su costo, que las hacía inaccesibles. Por esto, cuando se empezaban a olvidar las celdas solares, a la NASA se le ocurrió que la fuente más indicada para los satélites espaciales serían las celdas solares y dedicó mucho tiempo y dinero para perfeccionarlas y producirlas. Las celdas solares están constituidas de una unión de materiales semiconductores tipo n y tipo p, en las que se presenta el efecto fotovoltaico.

La primera aplicación a mediana escala de la energía solar se dio en una planta desalinizadora, construida en el desierto de Atacama, en Las Salinas, Chile. Ésta tenía un área de captación de media hectárea; proporcionaba 20 mil litros de agua potable al día para una mina de nitrato de sodio y funcionó ininterrumpidamente de 1872 a 1912.

A principios de este siglo se construyeron varias plantas solares de baja potencia. En 1913, Franck Shuman y C. V. Boys hicieron una máquina termosolar de 50 caballos de vapor, que se usaba en la planta de El Cairo, para extraer agua del río Nilo e irrigar la zona.

A pesar de estas contribuciones, durante la primera mitad del siglo XX, el aprovechamiento de la energía solar permaneció en el desván del olvido debido a que, entre otras razones, los dispositivos solares no podían competir con las máquinas que empleaban combustibles fósiles como el petróleo, el gas y el carbón.

En 1949 las actividades en torno al aprovechamiento de la energía solar empezaron nuevamente a prosperar. Se construyó el primer gran horno solar en Mont Louis, cerca de Odeillo, Francia, bajo la dirección de Félix Trombe y en la década de los años sesenta se fabricó el famoso horno solar de Odeillo, que aprovechaba la fachada de un edificio para formar un gran espejo parabólico para concentrar los rayos solares en otra construcción cercana. En el foco de esta original construcción se alcanzan temperaturas de 4 000º C.

En Natick, Massachusetts se construyó en la década de los cincuenta un espejo de grandes dimensiones que concentra los rayos solares en el foco de la parábola y que alcanza temperaturas de 4 400º C, suficiente para derretir acero. En este espejo se hacen pruebas de calor para conocer las resistencias de diversos materiales destinados a proteger al ejército estadounidense. En Baristow, California, se tiene una planta con 1 800 espejos que concentran el calor del Sol en una torre central de 90 m de altura. Ahí, un fluido como el agua, el aceite o las sales fundidas se emplea para producir vapor de agua y mover un turbogenerador. La central solar de Baristow produce 10 MW (megawatts). En Francia se encuentra la central electrosolar Themis, que genera 2.5 MW. Esta planta tiene 201 heliostatos o espejos de 53 m² orientados a una torre de 101 m que en la parte superior posee una caldera en la que se funden sales, mismas que se aprovechan para generar vapor, como se había mencionado anteriormente, y producir energía eléctrica. Las sales tienen la ventaja de que almacenan el calor. Finalmente, el Instituto de Ingeniería de la UNAM tiene una pequeña planta solar con colectores cilíndrico-parabólicos que siguen el movimiento del Sol, con una capacidad de 10 a 15 kilowatts; en esta planta se emplea aceite como fluido de trabajo para calentar agua y producir vapor.

I.4 ¡O SOLE MIO!

Antes de tratar lo referente al aprovechamiento de la energía solar se deben entender algunos conceptos fundamentales; en primer lugar, ¿qué se entiende por energía?

La energía puede definirse como la capacidad que tiene un cuerpo o sistema de realizar trabajo; entendido este último como producto de la fuerza que se ejerce sobre un cuerpo, multiplicada por la distancia que se recorre aplicando dicha fuerza. Esta relación se expresa matemáticamente de la siguiente manera: W = F·d (donde W = trabajo, F = fuerza y d = distancia). Dicha definición de trabajo sólo es válida cuando la fuerza aplicada y la distancia recorrida están en la misma dirección; cuando no es así, el trabajo es igual al producto de la componente o proyección de la fuerza sobre la dirección en la que se mueve el objeto por la distancia recorrida. Matemáticamente esto equivale a W = F·d·cos q (donde q es el ángulo que forman la fuerza con la dirección de movimiento del objeto).

Si elevamos a una persona que pesa 60 kg en condiciones ideales (esto es, sin fricción) a una altura de 10 m, y aplicamos la fuerza en la misma dirección en la que movemos a la persona, el trabajo realizado será: W F·d = m·g·d = (60) (9.8) (10)= 5 800 joules (donde m es la masa y g la aceleración de la gravedad, que en nuestro planeta es igual a 9.8 m/s²).

Por tanto, para elevar a una persona con una masa de 60 kg a una altura de 10 m se necesita una energía de 5 880 joules. Pero si quisiéramos elevarla a una altura de 20 m se necesitaría el doble de energía para realizar ese trabajo.

En nuestro ejemplo, el trabajo lo realiza una persona; sin embargo, el desarrollo de la tecnología ha permitido que sea una máquina la que lo lleve a cabo. Primero fue una carreta y un caballo, después el ferrocarril, el automóvil, el camión, el avión, etcétera. El desarrollo tecnológico ha permitido que el hombre descargue cada vez más trabajo en las máquinas; sin embargo, al igual que el hombre, las máquinas requieren de una fuente que proporcione la energía necesaria para realizar cualquier tipo de trabajo. En el ser humano, la fuente de energía son los alimentos; en el caso de las máquinas existen diferentes fuentes de energía, entre las que se encuentra el Sol.

Está claro que el hombre y cualquier máquina requieren de una fuente de energía para realizar cualquier trabajo. Sin embargo, la eficiencia con la que se realiza éste nunca podrá ser de 100%, dado que la naturaleza ha impuesto su ley: todo sistema que realice un trabajo siempre tendrá pérdidas de energía calorífica, que se manifiestan de diversas formas: por ejemplo, la fricción de las ruedas en el pavimento, el rozamiento de un pistón en un motor, la transpiración del cuerpo humano, etcétera. Por lo tanto, una parte de la energía empleada para realizar un trabajo se transforma inevitablemente en energía calorífica y por ello la eficiencia de cualquier máquina térmica nunca será de 100 por ciento.

En los sistemas de conversión de energía, por ejemplo en una presa, la eficiencia se define como el cociente de la energía útil que se extrae del sistema, dividida entre la energía que entra al mismo. Como la primera siempre será menor que la segunda, la eficiencia de conversión de cualquier máquina, planta, central o dispositivo siempre será menor que 1 o, expresado en porcentajes, menor que el 100 por ciento.

Otro concepto fundamental que ya habíamos mencionado es el de potencia, que se define como la rapidez con la que se realiza un trabajo; o en otras palabras, la energía consumida por unidad de tiempo.

La figura 6 muestra la potencia máxima que pueden desarrollar diferentes máquinas utilizadas durante los últimos 200 años. Como puede apreciarse, en este sentido el buey es superior al hombre.

Figura 6. Potencia máxima de diferentes máquinas. (Tomado y adaptado de Scientific American, La energía, Alianza Editorial, num. 561, Madrid, 1975.)

Ya mencionamos que las unidades de energía que se utilizan comúnmente son los kilowatts-hora; asimismo, las de potencia son los kilowatts. Los rayos del Sol proporcionan energía radiante o radiación y como se había explicado antes, no es otra cosa que una onda electromagnética o millones de fotones de diferentes frecuencias.

Para medir la cantidad de energía que llega del Sol se emplea como unidad el watt-hora y para conocer la potencia de dicha radiación se usa el watt. Sin embargo, en el caso del aprovechamiento de la energía solar, lo que interesa es la cantidad de energía por unidad de tiempo y por unidad de área que llega perpendicularmente a la superficie terrestre. Esta cantidad se denomina irradiancia, intensidad de la radiación, soleamiento o insolación y las unidades para medirla son los watts/m² y el langley/día.

La Tierra gira alrededor del Sol en un movimiento que se denomina traslación y que realiza durante un año. La trayectoria que describe nuestro planeta es una elipse que se acerca a una trayectoria circular; el Sol se encuentra en uno de los dos centros de esta elipse, denominados focos. El movimiento de la Tierra y de la mayor parte de los planetas tiene lugar en un plano, llamado eclíptica. Como el Sol está en uno de los focos de la elipse, nuestro planeta está más cerca del Sol en una época y más lejos en otra. La Tierra alcanza su máxima aproximación al Sol cuando se encuentra a 1.45 x 108 km, posición llamada perihelio, a la que llega hacia el 4 de enero de cada año.

A partir de ese punto se va alejando del Sol, hasta que, hacia el 5 de julio de cada año, alcanza la posición más separada, su afelio, a 1.54 x 108 km de distancia.

Pero nuestro planeta no sólo se mueve alrededor del Sol, sino que gira en torno a un eje imaginario, en un movimiento que se llama rotación. El eje de rotación de la Tierra no es perpendicular al plano de la eclíptica, sino que forma un ángulo de 23.45º.

Si medimos el ángulo que forman los trópicos de Cáncer y de Capricornio con respecto al ecuador, desde el centro de la Tierra, el primero será de + 23.45º y el segundo de - 23.45º. Esta inclinación del eje de la Tierra con respecto al plano de la eclíptica es lo que ocasiona fundamentalmente las estaciones y, por lo tanto, la cantidad de radiación que recibimos del Sol, en cada caso.

En el solsticio de invierno, el 21 de diciembre4, los rayos solares llegan al Hemisferio Norte durante menos tiempo, porque es el día más corto del año, y el Sol se encuentra al mediodía en el punto más bajo del cielo; en consecuencia, en el día el soleamiento es mínimo. En el Hemisferio Sur ocurre lo contrario. Posteriormente, el 21 de marzo, en el equinoccio de primavera, cuando el día y la noche duran lo mismo, el soleamiento es igual en ambos hemisferios y el Sol al mediodía cae verticalmente sobre el ecuador, pero el eje de rotación de la Tierra forma un ángulo de 23.45º con respecto a la perpendicular del plano de la eclíptica y, por lo tanto, este plano imaginario corta a la Tierra formando un ángulo también de 23.45º respecto al ecuador. En el solsticio de verano, que ocurre el 22 de junio, los rayos solares llegan al Hemisferio Norte durante más tiempo, porque es el día más largo del año y el Sol alcanza el punto más alto en el cielo; éste es el caso México. Por lo tanto, en el Hemisferio Norte en ese día ocurre el soleamiento máximo. En el Hemisferio Sur ocurre lo opuesto. Finalmente, el 22 o 23 de septiembre, en el equinoccio de otoño, se repite la misma situación que en el equinoccio de primavera, día y noche duran lo mismo en ambos hemisferios y el soleamiento es intermedio entre los puntos máximo y mínimo (solsticios de verano e invierno en el Hemisferio Norte, o al contrario en el Sur) y el eje de la Tierra forma un ángulo de -23.45º con respecto al ecuador. En la figura 7 se muestra en forma gráfica cada uno de los cuatro casos.

Figura 7. Radiación solar durante los solsticios y los equinoccios.

Para comprender mejor cómo llegan los rayos solares en los equinoccios y los solsticios, en la figura 8 se muestra la trayectoria aparente del Sol en las cuatro situaciones, vista desde la latitud de la ciudad de México o de Colima.

Figura 8. Trayectoria del Sol desde una latitud de 16º N como la de la ciudad de México o la de Colima, durante los solsticios y los equinoccios. (Tomado de: Everardo Hernández et al., Atlas de la República Mexicana, Universidad Veracruzana, 1991.)

Cuando los rayos de Sol llegan perpendicularmente a una superficie es cuando puede aprovecharse la mayor cantidad de radiación; por eso, la cantidad de radiación que recibe nuestro planeta depende de la inclinación de los rayos solares.

La radiación que llega a la Tierra es variable y dichos cambios deben conocerse para saber la cantidad de radiación que puede aprovecharse en cada lugar del planeta. En otras palabras, la radiación solar no es constante sino que cambia según las estaciones del año, las condiciones atmosféricas y la latitud de cada región.

Pese a lo anterior, para todo fin práctico se considera que en el límite superior de nuestra atmósfera llega una cantidad de radiación promedio por unidad de tiempo por cada m², que se denomina constante solar. El valor de esta constante es igual a 1367 watts/m². Esto quiere decir que en el borde de la atmósfera, a cada m² le llegan 1 367 watts de potencia solar. Si consideramos la mitad de la superficie de la Tierra (debido a la noche) se tendría una energía de 1.7 X 1017 watts-hora cada 60 minutos de Sol, cantidad muy superior a la energía eléctrica que se genera en todo el mundo a lo largo de un año (7 X 1015 Wh). Sin embargo, la atmósfera y la eficiencia de los sistemas solares ocasionan que esta cantidad sea mucho menor (2.16 X 1020 Wh/ año).

La Tierra tiene una atmósfera cuyo límite se fija convencionalmente a 2 000 km de altura sobre la superficie y está compuesta de las siguientes capas: troposfera, estratosfera, ionosfera y exosfera. Ésta funciona como un gran invernadero, que guarda parte del calor proveniente del Sol; el efecto de invernadero permite que la temperatura terrestre no sea la de un témpano de hielo. Sin embargo, el efecto invernadero también puede provocar un calentamiento global del planeta, lo cual ocasionaría daños ecológicos. Para entenderlo se debe mencionar que cuando la radiación llega a un objeto, éste la absorbe y a su vez emite una radiación en forma de ondas electromagnéticas que no necesariamente tiene la misma longitud de onda.

El Sol emite una radiación caracterizada por el espectro solar. Esa radiación es absorbida por el sistema atmósfera-Tierra. Dicho sistema atmósfera-Tierra se calienta y a su vez emite una radiación de características diferentes a la absorbida.

A pequeña escala, si los rayos solares llegan a un invernadero, el vidrio o los vidrios dejan pasar la longitud de onda corta, y el suelo y las plantas absorben esa radiación, pero, a su vez, emiten una radiación de longitud de onda larga. Esta radiación de onda larga no puede salir porque el vidrio no deja pasar esa radiación. Así, como el calor no puede salir se eleva la temperatura en el interior del invernadero. En nuestra atmósfera ocurre un efecto similar.

Para saber cuál es la cantidad de radiación que llega a la superficie de nuestro planeta y no sólo a la frontera de la atmósfera, debe hacerse un análisis global de los diferentes procesos físicos y químicos que tienen lugar desde que la radiación solar atraviesa la atmósfera hasta que llega a la superficie terrestre. Este proceso global se llama balance energético de la radiación solar.

Hacer un balance preciso de la radiación solar resulta una tarea compleja. Hasta ahora sólo se han hecho aproximaciones. Por otro lado, la radiación solar que recibe cada punto de la Tierra varía, dependiendo de la radiación directa y difusa que reciba. Por ello, hablar de un balance global resulta una aproximación de la radiación promedio anual que recibe la superficie terrestre, aunque permite darse una idea de lo que sucede.

Solamente 47% de la radiación solar que absorbe nuestra atmósfera llega a la superficie terrestre; 31% directa y 16% indirectamente, como radiación que se difunde en la atmósfera y se denomina, por ello, radiación difusa.

Por otro lado, la radiación solar que se desaprovecha se divide en los siguientes porcentajes: 28% se va al espacio exterior por reflexión en la capa superior de la atmósfera, 6% se pierde por difusión de aerosoles5, 7 % se refleja en el suelo terrestre y 17% lo absorben las distintas capas de la atmósfera. La suma de estas pérdidas da un total de 53 por ciento (véase figura 9).

Figura 9. Balance energético de la radiación solar para longitudes de onda corta (< 4 µm).

Por lo tanto, en los diferentes dispositivos solares se puede aprovechar, en promedio, 47% de la radiación que llega fuera de la atmósfera. Pero esto sólo ocurre con la radiación solar de onda corta (menor de 4 micrómetros). La Tierra absorbe esa radiación (47%), pero a su vez emite radiación de onda larga, tal y como ocurre en un invernadero. Posteriormente, de esa radiación de onda larga (mayor de 4 micrómetros) que emite nuestro planeta, 18% sale de la atmósfera. De esa manera, únicamente 29% (47-18=29%) de la radiación total absorbida queda en nuestro planeta. En la figura 9 se muestra este balance energético.

El aprovechamiento de la energía solar se refiere a la conversión directa de la radiación solar en calor y en electricidad, llamadas conversión fototérmica y fotovoltaica, respectivamente. La energía solar es la causa indirecta de que pueda aprovecharse la energía que proporcionan las plantas y los animales, mejor conocida como biomasa. También al Sol se deben los movimientos de las diferentes masas de aire que ocasionan los vientos; así, la energía eólica o de los vientos es indirectamente energía solar. Además, el depósito de organismos que alguna vez estuvieron vivos en las capas de la corteza terrestre no es otra cosa que los componentes del petróleo y el carbón. De esa manera, los combustibles fósiles son también indirectamente producto de la energía solar. Finalmente, la energía hidroeléctrica proviene de una enorme máquina térmica, cuyo combustible es precisamente la energía solar. Cuando los rayos del Sol calientan el agua de la Tierra se produce vapor de agua; éste se eleva formando nubes; ahí, el vapor de agua se condensa y se precipita, lo que aumenta el nivel de agua de, por ejemplo, una presa.

Como se mencionó antes, los movimientos de rotación y traslación de la Tierra hacen que varíe la cantidad de radiación que recibe el planeta. Así, para conocer la radiación por unidad de tiempo por unidad de superficie que recibe un lugar determinado de la Tierra, deben conocerse varios parámetros como la latitud y la longitud geográficas, la altura sobre el nivel del mar, la concentración de vapor de agua y la concentración de bióxido de carbono en la atmósfera. La medición de estas variaciones ha permitido hacer un mapa mundial de la radiación mensual que reciben diferentes lugares de la Tierra (véase figura 10). Por ejemplo, la latitud y la longitud de Ciudad Universitaria en el Distrito Federal, es 19º20' Norte y 99º11' Oeste y el promedio de radiación anual por día en el año de 1966 fue de 5.278 kWh/ m². Esto quiere decir que en promedio cada m² de Ciudad Universitaria recibió ese año 5.278 kWh por día. Si esa energía pudiera aprovecharse sería suficiente para satisfacer el consumo de electricidad de un departamento común.

Figura 10. Radiación total mundial (durante el mes de julio de 1966.) (Tomado y adaptado del Solar Energy, Universidad de Wisconsin, julio, 1966.)

En la figura 11 se muestra un mapa de soleamiento o insolación para la República Mexicana y cada una de las líneas corresponde a los lugares que reciben la misma cantidad de radiación. Como puede apreciarse, los estados de Sonora y Baja California son los que reciben anualmente mayor cantidad de Sol. Por otro lado, cabe señalar que la ciudad de México se encuentra entre las cinco ciudades del mundo que reciben mayor cantidad de radiación solar.

Figura 11. Radiación solar en la Republica Mexicana. (Tomado y adaptado de Alternativas Energeticas, Alonso C., A y Rodríguez V., L; datos de Galindo, I. Y Chávez A.)

1.5. ¿CÓMO SE APROVECHA TANTO SOL?

Los principales sistemas y dispositivos solares pueden clasificarse no sólo como fototérmicos y fotovoltaicos, sino también conforme a su temperatura de operación. En los fototérmicos, la temperatura puede ser baja, intermedia o alta. También pueden clasificarse de acuerdo con su uso en viviendas, industrias, en el campo o en la ciudad, para satisfacer la demanda de energía del país o en comunidades rurales (sistemas de generación de energía centralizados o descentralizados).

En la figura 12 se muestran algunos de los sistemas y dispositivos solares más utilizados de acuerdo con la clasificación anterior.

Figura 12. Diferentes dispositivos y tipos de sistemas solares.

1.6. COLECTORES PLANOS Y TUBULARES

El calor se transmite siempre de los cuerpos calientes a los fríos, y nunca de manera inversa. Existen tres formas de transmitir el calor: por radiación, por convección y por conducción.

Para comprender mejor las diferentes formas de transmisión del calor, veamos un ejemplo cotidiano. Si tomamos el Sol en la playa y pasan algunas horas observamos que nuestra piel se quemó; el Sol emite energía radiante compuesta de fotones u ondas electromagnéticas. Dicha radiación atraviesa la atmósfera y llega —en un día despejado al nivel del mar— a la superficie como 4% de rayos ultravioleta, 46% de radiación visible y 50% de rayos infrarrojos. Cualquier cuerpo al que le llegue radiación tiene la propiedad de absorberla, produciendo calor que a su vez ocasiona que se eleve la temperatura. Volviendo al caso de nuestro cuerpo, éste absorbe la radiación solar y una de las formas en que ésta se manifiesta es en los rayos ultravioleta que queman la piel. Si nos levantamos rápidamente, huyendo del calor excesivo, notaremos que una brisa nos refresca un poco. Los vientos se originan por las diferencias de temperatura que existen entre distintas capas de la atmósfera y por la rotación de la Tierra, y así se crean corrientes de aire llamadas de convección, a través de las cuales el calor se distribuye en la atmósfera terrestre. La transmisión por convección ocurre también en líquidos, por ejemplo cuando hervimos agua.

Por lo tanto, si seguimos con el ejemplo anterior, nuestro cuerpo (que está más caliente) habrá transmitido parte de su calor a la corriente de convección de la brisa y como resultado final percibimos menos calor. Si caminamos descalzos sobre la arena nos percataremos rápidamente de la conducción del calor: tendremos que correr para no quemarnos las plantas de los pies, debido a la transmisión de calor por conducción de la arena a nuestros pies.

En los sistemas solares fototérmicos se deben aprovechar al máximo estas formas de transmisión de calor o, visto de otra manera, tienen que evitarse las pérdidas de calor por estas tres formas de transmisión.

Entre los sistemas que convierten la energía solar en calor aprovechable se encuentran los colectores planos y tubulares, que se utilizan principalmente para el calentamiento de agua o aire.

El principio general de funcionamiento de un colector es el llamado efecto invernadero; aquí hay que recalcar que nuestra atmósfera opera como un gran invernadero. Como se dijo anteriormente, cuando la luz pasa a través de una o varias capas de vidrio u otro material transparente se transmite la radiación que tiene una longitud de onda corta. Si en el interior de un sistema con un vidrio perfectamente aislado del exterior se coloca un material pintado de negro (el color que absorbe mayor cantidad de radiación) para que absorba al máximo la radiación, el material absorberá la radiación solar, se calentará y se elevará la temperatura; posteriormente, ese material emitirá a su vez radiación de longitud de onda larga, como los rayos infrarrojos lejanos a la parte visible del espectro. La radiación emitida dependerá de la temperatura que posea el material.6 Pero como la radiación es ahora de longitud de onda larga no podrá atravesar la capa de vidrio, quedará atrapada en el interior y, en consecuencia, provocará que la parte interna del colector esté a una temperatura más elevada que el exterior, tal y como sucede al entrar a un invernadero.

Si en el interior de una caja, con uno de sus lados de vidrio, se coloca una serie de tubos que conduzcan adecuadamente el calor y por los que circule agua, se obtendrá agua calentada por el Sol.

Asimismo, el color que poseen los objetos está directamente relacionado con la absorción, reflexión y transmisión de la radiación solar. Por ejemplo, las hojas son verdes porque de todos los rayos que reciben, únicamente reflejan aquellos cuya longitud de onda corresponde al color verde; el resto de radiación visible que tiene otras longitudes de onda es absorbida por la hoja. Una hoja de papel blanco, en cambio, refleja la radiación de todas las longitudes de onda que le llegan y por eso la vemos blanca. En contraposición con el blanco, el color negro absorbe todas las longitudes de onda.

En la Parte I del Libro III de la Óptica, Newton se refiere a dicho fenómeno como sigue: "¿Acaso la luz no engendra calor en los cuerpos negros con mayor facilidad que con los de otros colores, debido a que al incidir sobre ellos no se refleja hacia afuera, sino que, penetrando en ellos, se refracta y refleja muchas veces en su interior hasta que se absorbe y pierde? [se refiere a la emisión de calor]".

La combinación del efecto invernadero, la absorción de radiación de los objetos negros y el aislamiento para evitar las pérdidas de calor constituyen los principios físicos fundamentales para comprender el funcionamiento de un colector plano o tubular.

Existen tres tipos de colectores: planos, tubulares y de concentración. Los colectores planos funcionan a bajas temperaturas, entre 80 y 60ºC, y se utilizan principalmente para calentar o enfriar agua y aire en las casas, pero también para secar granos, obtener agua potable, en albercas, lavanderías, baños públicos, embotelladoras, refrigeración, etcétera. Los colectores planos tienen una eficiencia del 40 al 65% y hasta ahora son los dispositivos solares más desarrollados y utilizados en el mundo. Sin embargo, para obtener temperaturas más altas, entre 60 y 165ºC, se utilizan los colectores tubulares. Éstos consisten en dos o tres tubos, dos interiores de metal y uno exterior de vidrio, generalmente concéntricos. Entre el tubo de vidrio y el tubo metálico externo, que debe ser negro (y puede ser de cobre) se hace el vacío (véase figura 13), ya que la forma tubular permite que los tubos soporten grandes presiones, así como captar la mayor cantidad de radiación solar. Debe señalarse que se hace el vacío para reducir las pérdidas de calor por conducción y convección, con lo cual se consiguen temperaturas más elevadas. El resultado final es que en los colectores tubulares la pérdida de calor por convección y conducción se reduce considerablemente, la temperatura de operación aumenta y su eficiencia real oscila entre 60 y 70%. Los colectores planos y tubulares tienen la ventaja de que funcionan tanto con radiación difusa como directa. Los colectores de concentración, por su parte, reúnen la radiación solar en un punto o una línea y permiten alcanzar altas temperaturas; pueden estar fijos o seguir el movimiento del Sol (éstos se describirán más adelante).

Figura 13. Colectores tubulares.

I.7. EL CALENTADOR SOLAR

Tal vez la aplicación más sencilla y económica que tienen los colectores planos sea el calentador solar con tanque de almacenamiento.

Los colectores planos deben orientarse hacia el sur en el Hemisferio Norte (como es el caso de México). A partir de cálculos complejos de la radiación máxima que recibe una superficie inclinada, en los que intervienen consideraciones teóricas y empíricas, la máxima captación de un colector plano se logra cuando el ángulo de inclinación es aproximadamente igual a la latitud geográfica del lugar. Esto permite lograr una incidencia máxima en todas las épocas del año. En el caso de la ciudad de México, un colector debe tener una inclinación de 19º. Una segunda aproximación demuestra que en verano la inclinación del colector debe ser igual a la latitud del lugar menos 10º y, en invierno, la latitud del lugar más 10º. Para la capital esto equivale a 9º en verano y 29º en invierno.

Para construir un colector plano puede usarse una caja de aluminio anodizado (para reducir costos, la tapa posterior de la caja puede ser de aluminio común). La caja del colector debe tener una superficie aproximada de 1.5 m² y 10 cm de espesor (véase la figura 14).

Figura 14. Colector plano para un calentador solar.

La tapa superior del colector, por donde llegan los rayos solares, puede ser de vidrio o de fibra de vidrio y tener una segunda capa de vidrio, colocada aproximadamente a 7.5 cm de la base. La caja debe estar perfectamente sellada para evitar pérdidas de calor y el deterioro de los materiales, y tener dos salidas de agua. En el interior lleva una lámina con tubos soldados pintados de negro (por ejemplo, cromo negro electrodepositado sobre un recubrimiento de níquel) para que absorba y transmita la mayor cantidad de radiación. Los tubos pueden ser de cobre y deben estar uniformemente repartidos en forma de peine para que circule el agua por toda el área del colector.

La siguiente capa debe ser aislante (espuma de poliuretano rígida, por ejemplo) para impedir que el calor fluya hacia la parte posterior del colector.

Hasta ahora se ha descrito una parte del calentador, la otra es el sistema de almacenamiento. Como el Sol es una fuente de energía intermitente, se requiere un tanque para que el calentador solar dé servicio continuo. La ventaja de los colectores planos es que funcionan con la radiación difusa, esto es, incluso cuando el cielo está nublado, aunque obviamente la potencia disminuye

Como sistema de almacenamiento de un calentador solar sencillo puede utilizarse un tanque cilíndrico de acero con una capacidad aproximada de 200 litros. El tanque debe colocarse arriba del colector (con 1 m de altura de diferencia para fines prácticos); debe tener dos salidas y dos entradas de agua, para que dos de ellas vayan al colector y el flujo de agua viaje continuamente debido al efecto de termosifón.

El tanque tiene dos tubos en la parte superior; por uno entra el agua fría, que va hasta el fondo del mismo, y por el otro sale el agua caliente. Como el agua fría es más densa que la caliente, al llegar a la parte inferior del colector, y que es donde se calienta, tenderá a subir para salir y almacenarse en el tanque. Este ciclo se realiza sin necesidad de bombear agua debido al efecto termosifón antes mencionado. La diferencia de densidad entre las capas de agua crea una fuerza que induce una corriente, la cual hace que el agua circule continuamente (véase figura 14).

Con un colector solar de este tipo pueden calentarse 200 litros de agua a una temperatura de 30 a 60º C; incorporado a una vivienda puede resolver el abastecimiento de agua caliente y su costo, para cuatro personas, es de aproximadamente 350 nuevos pesos (además, no hay que olvidar el ahorro de gas).

Existen otros tipos de colectores planos que tienen otros diseños y sistemas de almacenamiento, en algunos casos más eficientes, pero más costosos y complejos.

1.8. EL SOL EN UN PUNTO O EN UNA LÍNEA

Cuando se desea calentar a temperaturas elevadas un líquido, sólido o gas se emplean los llamados colectores de concentración, que aprovechan la radiación solar directa. Para lograr un aprovechamiento máximo, estos colectores deben tener un mecanismo que les permita seguir el movimiento del Sol a lo largo del día, con el objeto de que sea mayor la intensidad de la radiación. Esto se puede lograr manualmente o con un pequeño motor unido al colector. Este tipo de colectores se denomina de seguimiento.

Existen también los colectores estáticos que, aunque poseen una forma geométrica más adecuada para que permanezcan inmóviles, son menos eficientes (véase figuras 15 y 16).

Figura 15. Colectores solares de concentración con seguimiento del Sol. (Tomado y adaptado de Alonso C., A y Rodríguez V., L., Alternativas energéticas, FCE-CONACYT, México, 1985.)

Figura 16. Colectores solares de concentración estáticos o sin seguimiento del Sol. (Tomado y adaptado de Alonso C., A y Rodríguez V., L., Alternativas energéticas, FCE-CONACYT, México, 1985.)

En las figuras 15 y 16 se muestran algunas de las formas típicas de ambos tipos de colectores.

Los rayos solares se concentran en un punto o a lo largo de una línea, dependiendo de la forma que tenga el colector. Si utilizamos una lupa para concentrar la luz del Sol, se observa fácilmente que a cierta distancia, llamada distancia focal, los rayos solares se concentran en un punto denominado foco de la lente. Si en ese punto colocamos por ejemplo, un trocito de papel celofán, éste arderá rápidamente. Pero si en lugar de una lupa, usamos un espejo cóncavo cuya forma sea un paraboloide de revolución (véase la figura 17), se logra también la concentración de los rayos solares en un punto, con la gran ventaja de que es mucho más económico hacer un espejo cóncavo que una lente. Comúnmente se utilizan acrílicos aluminizados por electrodepositado. Estos colectores tienen una eficiencia de 40 a 60% y cuando son de pequeñas dimensiones alcanzan temperaturas de 100 a 300ºC.

Figura 17. Espejo cóncavo en forma de paraboloide de revolución. Éste concentra los rayos solares en un punto y puede alcanzar temperaturas elevadas.

Las antenas parabólicas instaladas en las azoteas de algunas casas tienen la forma de paraboloide de revolución. Así que dichas antenas también podrían utilizarse como bases para hornos solares, siempre y cuando tuvieran un espejo (y tal vez serían más útiles).

Para concentrar los rayos solares en una línea pueden emplearse varias configuraciones de espejos. La más común es un cilindro parabólico y el casquete de esfera (véase la figura 18).

Figura 18. Concentración de los rayos solares en una línea.

Los colectores de concentración tienen diversas aplicaciones, entre las que se encuentran las estufas o cocinas solares. Basta colocar el sartén en el foco del espejo concentrador para preparar cualquier platillo y calcular que la curvatura del colector sea la adecuada para que el punto donde se concentran los rayos solares no esté alejado del colector. Aquí debe aclararse que como el Sol no es un punto, en realidad se trata de una zona alrededor del foco del espejo, en la cual la temperatura es máxima. Los colectores de concentración pueden emplearse como hornos solares, para fundir cualquier material o adaptarse a un motor Stirling para el bombeo de agua o en la ventilación. En regiones con insolación intensa pueden emplearse a mediana escala para la generación de energía eléctrica en plantas de potencia de 1 a 100 MW.

La cantidad de energía captada en el colector depende del tamaño de la superficie expuesta a los rayos del Sol, mientras mayor sea la superficie de captación la temperatura focal será más alta. Los heliostatos se utilizan para aprovechar una gran extensión. Éstos consisten en un espejo cóncavo, formado por muchos espejos planos, en cuyo centro hay una torre central, en la cual se concentra la energía solar. Dichos colectores pueden estar fijos o puede ser que cada uno de los espejos que constituyen el heliostato tenga un motor programado para seguir el movimiento aparente del Sol (véase la figura 19).

Figura 19. Heliostatos. Conjunto de espejos que concentran los rayos solares en una o varias líneas o en una zona pequeña. Con los heliostatos se consiguen temperaturas muy elevadas y se pueden utilizar para generar energía eléctrica.

I.9. ESTANQUES SOLARES

El aprovechamiento del calor solar a través de estanques con agua salada se originó en 1901 cuando A. V. Kalecsinsky se percató de que en el lago de Medve, en Hungría, la temperatura que alcanzaba el agua en verano a una proflindidad de 1.32 m era de 72ºC; más que suficiente para un buen baño de agua caliente.

El mismo fenómeno ocurre en diferentes lagos del mundo. En México existen varios estanques solares naturales, entre los que se encuentran los de Guerrero Negro y Texcoco. En 1954, en Israel se empezó a experimentar con estanques solares artificiales para aprovechar el calor solar almacenado en el fondo (los pioneros fueron Rudolph Broch y Harry Tabor) y la experiencia israelí culminó en el año de 1979 con la construcción de la primera planta termoeléctrica que utiliza un estanque solar y tiene una potencia de 150 kW.

Los estanques solares son depósitos de agua con sal, en los cuales la concentración de esta última aumenta con la profundidad. Este fenómeno se presenta en forma natural, debido a que la sal del agua, por ser más densa, tiende a irse al fondo del estanque. Si se tienen tres capas de agua con diferentes concentraciones de sal, ocurre lo siguiente: los rayos solares calientan la capa superficial, pero como ésta se encuentra en contacto con el ambiente, su temperatura dependerá de la temperatura del ambiente en las distintas épocas del año; en la segunda capa, que tiene una mayor concentración de sal, la temperatura aumentará gradualmente, y en la tercera y más profunda, donde la concentración de sal es más alta, la temperatura será igual a la máxima temperatura de la segunda capa, con la gran diferencia de que será muy superior a la temperatura ambiente y permanecerá más o menos constante. Las sales tienen la propiedad de almacenar el calor. Por esta razón, la capa más profunda del estanque tiene una temperatura mayor. En consecuencia, aparentemente la densidad tendría que ser menor. Si calentamos agua común habrá evaporación, convección y radiación y al cabo de un tiempo el agua cederá su calor al medio. En un estanque solar, la primera capa tiene sal en una concentración constante; en la segunda, la concentración de sales aumenta gradualmente o, en términos científicos, se establece un gradiente de sales, y al cambiar la temperatura también se presenta un gradiente de temperatura, cuyo máximo valor ocurre en la tercera capa. En esta última, el gradiente de sales ocasiona que la densidad sea mayor que en la segunda y con ello se evita la convección de calor, lo cual ocasionaría que el agua se enfriara rápidamente. Por eso, la única pérdida de calor entre las capas es por conducción de calor y como ésta es lenta, la temperatura de la capa profunda es elevada (véase la figura 20). Así, en el lago Medve de Hungría, se llegan a alcanzar en forma natural temperaturas de 72ºC.

Figura 20. Diagrama de un estanque solar. En A se tiene una concentración de sal constante. Cuando se está a una profundidad entre 40 y 110 cm, la concentración de sal empieza a aumentar linealmente y en la capa C es donde la concentración de sal es más alta.

Otro tipo de estanque solar que sí permite la conducción del calor por convección en todas las capas de agua u otro líquido se puede construir empleando un material que sea a la vez transparente y aislante para que no haya transferencia de calor a la superficie que está en contacto con el ambiente. Este sistema se utiliza en las albercas, para mantener el agua templada. Con frecuencia se emplea un plástico grueso con burbujas de aire que cubre completamente la superficie de la alberca.

1.10. CELDAS SOLARES

Las celdas solares convierten directamente la luz solar en electricidad, debido al efecto fotovoltaico. La luz está compuesta de fotones con diferentes energías. Cuando un fotón con energía suficiente choca con un átomo de algún material, por ejemplo el silicio, el átomo absorbe la energía del fotón y un electrón del material queda en un estado excitado por la energía absorbida, lo que permite, en algunos casos, que se mueva libremente. Si en lugar de uno son varios los electrones que circulan libremente, puede producirse una corriente eléctrica bajo ciertas condiciones y, por lo tanto, generarse electricidad a partir de energía solar.

Para imaginarnos cómo es un átomo supongamos que el núcleo de éste es el Sol y los planetas son los electrones que giran a su alrededor. Para comprender lo que ocurre cuando llega un fotón, pensemos que éste es un cometa. Si el cometa choca con Plutón, a nivel atómico este último adquiriría una energía que le permitiría salir del Sistema Solar. La regla del mundo atómico establecería que todos los planetas únicamente pueden estar en la órbita de algunos otros pero no permanecer en estados intermedios. Si un planeta pasa a una órbita inferior producirá un cometa y si éste choca con un planeta, este último pasará a la órbita inmediata superior. Por lo tanto, si queremos producir un efecto cometo-planetario, es decir, una corriente de planetas, siguiendo las reglas del mundo atómico, se necesitaría que los cometas poseyeran la energía suficiente para que los planetas salieran del Sistema Solar.

Para producir el efecto fotovoltaico se utilizan materiales semiconductores, es decir, aquellos que no son buenos conductores de la electricidad, como el cobre y la plata, y que tampoco sean buenos aislantes, como el corcho o la cerámica. Un ejemplo de semiconductor son los materiales que se emplean en los transistores que posee cualquier radio. El silicio, por ejemplo, es un material semiconductor.

En los materiales semiconductores existe una región que separa a la banda de valencia, en la cual los electrones están ligados al núcleo atómico, de la banda de conducción, en la que los electrones pueden circular libremente. Dicha región se denomina banda prohibida. En los materiales aislantes ésta es mayor de 5 eV (electrón-volt) y en los semiconductores, como el silicio es de 1.1 eV. Para lograr la conducción se requiere que los electrones de la banda de valencia pasen a la de conducción, y una forma de lograrlo es que los fotones de los rayos solares proporcionen la energía que se requiere para que los electrones salten la banda prohibida.

Si a un material semiconductor se le introduce una pequeña proporción de otro material, lo cual se denomina una impureza, se puede conseguir que se tenga un electrón de más o de menos en la banda prohibida. Si esto ocurre cerca de la banda de conducción, el material se denomina tipo n (por negativo). Y si el electrón de más o de menos está cerca de la banda de valencia, el material se llama tipo p (por positivo).

Al juntar un semiconductor tipo n con uno tipo p, se presenta el efecto fotovoltaico, es decir, habrá un flujo de huecos (falta de electrones) hacia el lado del semiconductor n y uno de electrones hacia el lado del semiconductor p. Los fotones provenientes del Sol llegan a la celda solar y la radiación absorbida generará electrones en la banda de conducción y huecos en la de valencia. Con ello, se generará una corriente eléctrica del lado p al n y habrá un voltaje. De esta forma, si se conecta una resistencia entre los dos electrodos (positivo y negativo) se presentará un flujo de corriente.

En resumen, cada celda solar tiene tres capas y dos electrodos (véase la figura 21). La capa que está expuesta al Sol debe aprovechar al máximo la radiación solar por unidad de área y por esta razón el electrodo negativo está formado por pequeñas tiritas de un material conductor. Las celdas de unión p-n se descubrieron en 1954, en los Laboratorios Telefónicos Bell de Estados Unidos y se utilizaron como una fuente de energía en los teléfonos rurales, y posteriormente se emplearon para cubrir las necesidades de energía eléctrica de los satélites artificiales, aunque el principio de operación lo descubrieron Adams y Day en 1878, utilizando selenio, y las primeras celdas las construyó Charles Fritts, en 1879.

Figura 21. Esquema de una celda solar. Al unir un material semiconductor tipo n con uno tipo p e iluminarlo con fotones de energía adecuada, provenientes del Sol, se producen en la banda prohibida (la que está entre la banda de valencia y la de conducción) pares electrón-hueco que generan una corriente eléctrica.

Las celdas solares tienen la ventaja de aprovechar tanto la radiación directa como la difusa, poseen una larga vida y convierten directamente la energía solar en electricidad. Por otro lado, no se han usado ampliamente porque hasta ahora son demasiado costosas y, por lo tanto, no pueden competir con otras fuentes de energía como el petróleo y el gas. Además, su eficiencia de operación es baja, normalmente de 10%. Sin embargo, desde el descubrimiento de las celdas de silicio amorfo hidrogenado, en los últimos años han disminuido considerablemente los costos, aunque la eficiencia máxima (8%) que se obtiene con este material es menor que la que se consigue con otros. En el cuadro V aparecen algunos materiales con los que están hechas las celdas solares que se fabrican o se estudian en México, sus eficiencias máximas y el área de captación de cada una de ellas.

CUADRO V. Materiales de algunas celdas solares: eficiencia y área


 
Eficiencia máxima (%)
Área (cm2)

Silicio amorfo
8
 
0.04
Sulfuro de cadmio
10
 
1.00
Silicio monocristalino
18
 
2.00
Silicio policristalino
7-14
 
2-3
Arsenuro de galio
22
 
0.10
Teluro de cadmio
8-9
 
0.02

Fuente: Alonso C., Antonio y Luis Rodríguez Viqueira, Alternativas energéticas, CONACYT, 1985.

Como cada celda genera corrientes entre 10 y 40 miliamperes (mA) por cm² y voltajes de 0.4 a 1 volt, se tienen que unir varias celdas en serie o en paralelo, para formar páneles con potencias de 2 a 60 watts-pico que sean útiles para satisfacer diferentes necesidades de energía eléctrica; éstos deben estar cubiertos para evitar el deterioro. Mediante la unión de varios páneles puede abarcarse una área adecuada para satisfacer cierta demanda y, al igual que en los colectores planos, las celdas deben orientarse hacia el sur, con una inclinación adecuada.

Por ejemplo, si se quiere tener una potencia de 100 watts, se requerirían 120 V (volts) y 0.8 A (amperes). Para ello, se necesitaría un pánel que tuviera 300 celdas solares en serie (0.4x300=120 V) y 20 celdas solares colocadas en paralelo (0.040x20=0.8 A).

I.11. Y EN LAS NOCHES, ¿QUÉ?

Hasta ahora se han mencionado varios sistemas que convierten la energía solar en calor o en electricidad, pero nuestro planeta gira sobre su propio eje en un ciclo de 24 horas y, en consecuencia, cuando anochece no puede aprovecharse la energía solar. Si nuestras necesidades de energía pudieran satisfacerse durante el día no habría ningún problema; sin embargo, nuestras costumbres vampirescas nos han hecho depender cada vez más de la luz artificial, a tal grado que en las ciudades resulta caótica la falta de electricidad durante la noche. Las necesidades del consumo de energía están dirigidas cada vez más a que las personas realicen sus actividades a cualquier hora del día. Aunque debe recalcarse que la demanda de energía siempre será mayor durante el día.

Como nuestro planeta no recibe la luz del Sol a todas horas, se dice que la energía solar es una fuente intermitente, dado que no es posible aprovechar la radiación solar en forma continua.

Para resolver este problema se ha propuesto utilizar los sistemas de almacenamiento de energía, de tal forma que la energía que no se consume cuando hay Sol se guarde en un sistema de almacenamiento para utilizarla durante la noche. Así se lograría tener energía en forma continua, pero a cambio aumentaría el costo de los dispositivos solares ya que se necesitarían sistemas que almacenen la energía.

Existen dos tipos de sistemas de almacenamiento de energía: los químicos y los físicos.

En el apartado IX de la segunda parte se describen los sistemas de almacenamiento de energía.

I.12. LA INVESTIGACIÓN SOLAR EN MÉXICO
La Energía Solar en México

Nuestro país tiene algunas regiones (Sonora y Baja California) con el promedio de radiación más alto del planeta. Estas zonas coinciden con los desiertos que se hallan alrededor de los trópicos de Cáncer y de Capricornio, y en ellas pueden construirse centrales de energía solar para satisfacer la demanda que requiere México. Además, como en las zonas desérticas el suelo es poco productivo y el clima contribuye a que no se habiten, son las más apropiadas para construir plantas solares de varias decenas de megawatts de potencia.

Hoy en día, la energía solar en México, no contribuye significativamente a satisfacer las necesidades nacionales de energía. Según algunas fuentes, en 1985 el petróleo y el gas natural ocupaban el primer lugar, con el 90.46% del total de la demanda de energía. En segundo lugar se encontraba la biomasa, con el 4.6%; la energía hidroeléctrica contribuía con el 3.3%; después seguía el carbón, con el 1.5% y, finalmente, la energía geotérmica con el 0.2%. Por otro lado, cabe mencionar que más de 20% de la población rural no tiene acceso a la energía eléctrica.

El promedio diario de energía solar que llega a la República Mexicana es 5.5 kWh/m². La utilización de la energía solar se ha probado con éxito como alternativa para satisfacer las necesidades de electricidad en las comunidades rurales. También se ha usado ampliamente en la vivienda. Cabe destacar el hecho de que una casa puede ser autosuficiente, en lo que respecta al consumo externo de energía, si se emplean algunos dispositivos solares y si la arquitectura de la vivienda está diseñada para que el clima esté controlado naturalmente con diversos sistemas solares llamados pasivos. De lo anterior se desprende que el uso de la energía solar contribuye a eliminar nuestra dependencia de los energéticos y a la descentralización energética.

Las dos principales desventajas del uso de la energía solar son, en primer lugar, el costo elevado de los sistemas solares, en comparación con los convencionales y, en segundo lugar, el mantenimiento de los sistemas solares. Es necesario crear sistemas de almacenamiento de energía solar que sean poco costosos, sencillos, eficientes y duraderos.

Sin embargo, estas desventajas pueden ser controladas por la investigación básica y aplicada que se realice en México. En el cuadro VI se resume la investigación de la energía solar que se lleva a cabo en nuestro pais. El futuro de la energía solar en México depende de estas investigaciones; por mencionar sólo un ejemplo del avance logrado, en los últimos seis años el costo de las celdas solares ha disminuido en un factor de diez.



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