Energía solar
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La energía solar, radiante de luz y el calor del sol , ha sido aprovechada por los seres humanos desde tiempos remotos que utilizan una variedad de tecnologías en constante evolución. Tecnologías de energía solar incluyen calefacción solar, la energía solar fotovoltaica, electricidad solar térmica y arquitectura solar, que pueden hacer contribuciones considerables a resolver algunos de los problemas energéticos más urgentes del mundo ahora enfrenta.
Tecnologías solares se caracterizan en general, ya sea como solar pasiva o solar activa en función de la forma en que se capturan, transforman y distribuyen la energía solar. Técnicas solares activos incluyen el uso de paneles fotovoltaicos y colectores térmicos solares para aprovechar la energía. Técnicas solares pasivas incluyen orientar un edificio al Sol, la selección de materiales con favorable masa térmica o luz propiedades de dispersión, y el diseño de espacios que naturalmente circular el aire.
En 2011, el Agencia Internacional de Energía dijo que "el desarrollo de tecnologías de energía solar asequible, inagotables y limpias tendrá enormes beneficios a largo plazo. Se aumentará la seguridad energética de los países a través de la dependencia de un recurso autóctono, inagotable y sobre todo de importación-independiente, mejorar sostenibilidad, reducir la contaminación, reducir los costos de mitigar el cambio climático , y mantener los combustibles fósiles precios más bajos que lo contrario. Estas ventajas son globales. De ahí que los costos adicionales de los incentivos para la implementación temprana se deben considerar las inversiones de aprendizaje; deben ser sabiamente gastado y necesitan ser ampliamente compartida ".
La energía del Sol
La Tierra recibe 174 petawatts (PW) de la radiación solar entrante ( insolación) en la parte superior atmósfera . Aproximadamente el 30% es reflejada de vuelta al espacio, mientras que el resto es absorbido por las nubes, océanos y masas de tierra. La espectro de la luz solar en la superficie de la Tierra se propaga principalmente a través de la visible y rangos infrarrojo cercano con una pequeña parte en el ultravioleta cercano .
La tierra de la superficie de la Tierra, los océanos y la atmósfera absorben la radiación solar, y esto eleva su temperatura. El aire caliente que contiene agua evaporada de los océanos aumenta, causando circulación atmosférica o convección. Cuando el aire alcanza una gran altura, donde la temperatura es baja, el vapor de agua se condensa formando nubes que producen lluvia sobre la superficie de la Tierra, que completan el ciclo del agua . La calor latente de condensación de agua amplifica la convección, produciendo fenómenos atmosféricos como el viento , los ciclones y anticiclones. La luz solar absorbida por los océanos y las masas de tierra mantiene la superficie a una temperatura media de 14 ° C. Por la fotosíntesis las plantas verdes convierten la energía solar en energía química, que produce alimentos, madera y la biomasa a partir de la cual se derivan los combustibles fósiles.
| Anuales flujos solares y humana el consumo de energía | |
|---|---|
| Solar | 3850000 EJ |
| Viento | 2250 EJ |
| Potencial de biomasa | 100-300 EJ |
| El consumo de energía primaria (2009) | 510 EJ |
| Electricidad (2009) | 62.5 EJ |
La energía solar total absorbida por la atmósfera, los océanos de la Tierra y las masas de tierra es de aproximadamente 3.850.000 exajulios (EJ) por año. En 2002, fue la más energía en una hora que el mundo se utiliza en un año. La fotosíntesis captura aproximadamente 3.000 EJ por año en biomasa. El potencial técnico disponible a partir de biomasa es 100 a 300 EJ / año. La cantidad de energía solar que llega a la superficie del planeta es tan grande que en un año es aproximadamente el doble que jamás se obtuvo de todos los recursos no renovables de la Tierra de carbón, petróleo, gas natural y uranio extraído combinado ,
La energía solar puede ser aprovechada en los diferentes niveles en todo el mundo, sobre todo en función de la distancia del ecuador.
Aplicaciones de la tecnología solar
La energía solar se refiere principalmente a la utilización de la radiación solar para fines prácticos. Sin embargo, todas las energías renovables, que no sea geotérmica y mareas, derivan su energía del sol.
Tecnologías solares se caracterizan en general, ya sea como pasivo o activo dependiendo de la forma en que se capturan, transforman y distribuyen la luz del sol. Técnicas solares activos usan paneles fotovoltaicos, bombas y ventiladores para convertir la luz solar en productos útiles. Técnicas solares pasivas incluyen la selección de materiales con propiedades térmicas favorables, diseñando espacios que naturalmente hacen circular el aire, y haciendo referencia a la posición de un edificio al Sol Tecnologías solares activos aumentan el suministro de energía y se consideran tecnologías de la oferta, mientras que las tecnologías solares pasivas reducen la necesidad de recursos alternos y en general se consideran tecnologías del lado de la demanda.
Arquitectura y urbanismo
La luz del sol ha influido en el diseño de edificios desde el comienzo de la historia de la arquitectura. Métodos de arquitectura solar avanzada y planificación urbana se emplearon por primera vez por los griegos y Chino, que orienta sus edificios hacia el sur para proporcionar luz y calor.
Las características comunes de arquitectura solar pasiva son orientación con respecto al Sol, proporción compacto (un área de baja superficie de volumen), sombreado selectivos (aleros) y masa térmica. Cuando estas características se adaptan al clima local y el medio ambiente que pueden producir espacios bien iluminados que se mantienen en un rango de temperatura agradable. Sócrates Megaron House es un ejemplo clásico de diseño solar pasivo. Los enfoques más recientes en el uso del diseño solar modelado por computadora atando iluminación solar, calefacción y sistemas de ventilación de forma integrada paquete de diseño solar. Equipos de energía solar activa, como bombas, ventiladores y ventanas conmutables puede complementar diseño pasivo y mejorar el rendimiento del sistema.
Las islas de calor urbanas (UHI) son áreas metropolitanas con temperaturas más altas que la del medio ambiente circundante. Las temperaturas más altas son el resultado de una mayor absorción de la luz solar por materiales urbanos, tales como asfalto y concreto, que tienen menores albedos y superior capacidades caloríficas que aquellos en el entorno natural. Un método sencillo de contrarrestar el efecto UHI es pintar edificios y caminos blancos y plantar árboles. El uso de estos métodos, un programa hipotético "comunidades fresco" en Los Angeles ha proyectado que las temperaturas urbanas podrían reducirse en aproximadamente 3 ° C con un costo estimado de US $ 1 mil millones, dando estima beneficios anuales totales de US $ 530 millones por la reducción de aire acondicionado costos y ahorros para atención médica.
Agricultura y horticultura
Agricultura y horticultura buscan optimizar la captación de energía solar con el fin de optimizar la productividad de las plantas. Técnicas tales como ciclos de siembra cronometrados, orientación fila adaptada, alturas escalonadas entre filas y la mezcla de las variedades vegetales pueden mejorar los rendimientos de los cultivos. Mientras que la luz solar es generalmente considerado un recurso abundante, las excepciones destacan la importancia de la energía solar para la agricultura. Durante el corto estaciones de crecimiento de la Pequeña Edad de Hielo , francés e Agricultores emplean inglés paredes de frutas para maximizar la captación de energía solar. Estas paredes actuaron como masas térmicas y maduración acelerada por mantener las plantas caliente. Paredes de frutas tempranas fueron construidas perpendiculares al suelo y mirando al sur, pero con el tiempo, las paredes inclinadas fueron desarrollados para hacer un mejor uso de la luz solar. En 1699, Nicolas Fatio de Duillier incluso sugirió el uso de un mecanismo de seguimiento que podría pivotar a seguir el dom Las aplicaciones de la energía solar en la agricultura a un lado de los cultivos incluyen el bombeo de agua, secar cultivos, meditando polluelos y secar estiércol de pollo. Más recientemente, la tecnología ha sido adoptada por vinters, que utilizan la energía generada por los paneles solares para alimentar prensas de uva.
Invernaderos convierten la luz solar en calor, lo que permite la producción durante todo el año y el crecimiento (en ambientes cerrados) de los cultivos especializados y otras plantas no especialmente adaptadas a las condiciones climáticas locales. Invernaderos primitivos fueron utilizados por primera vez durante la época romana para producir pepinos durante todo el año para el emperador romano Tiberio. Los primeros invernaderos modernos fueron construidos en Europa en el siglo 16 para mantener las plantas exóticas traídas de exploraciones en el extranjero. Invernaderos siguen siendo una parte importante de la horticultura hoy, y materiales transparentes de plástico también se han utilizado para efecto similar en polytunnels y fila cubre.
Transporte y reconocimiento
Desarrollo de un coche alimentado por energía solar ha sido un objetivo ingeniería desde la década de 1980. La World Solar Challenge es una carrera de coches de energía solar bianual, donde los equipos de las universidades y las empresas compiten sobre 3.021 kilometros (1.877 millas) a través del centro de Australia Darwin a Adelaida . En 1987, cuando fue fundada, la velocidad media del ganador fue de 67 kilómetros por hora (42 mph), y en 2007 la velocidad media del ganador había mejorado a 90,87 kilometros por hora (56,46 mph). La North American Solar Challenge y el previsto Sudáfrica Solar Challenge son competiciones comparables que reflejan un interés internacional en la ingeniería y el desarrollo de vehículos con energía solar.
Algunos vehículos utilizan paneles solares para la alimentación auxiliar, como para el aire acondicionado, para mantener fresco el interior, reduciendo así el consumo de combustible.
En 1975, el primer barco solar práctico fue construido en Inglaterra. Para 1995, los barcos de pasajeros que incorporan paneles fotovoltaicos comenzaron a aparecer y ahora se utilizan ampliamente. En 1996, Kenichi Horie hizo la primera travesía de energía solar del Océano Pacífico, y el catamarán sun21 hizo la primera travesía de energía solar del Océano Atlántico en el invierno de 2006-2007. Hay planes para la vuelta al mundo en 2010.
En 1974, el no tripulado AstroFlight Amanecer avión hizo el primer vuelo solar. El 29 de abril de 1979, el Riser Solar realizó el primer vuelo en un solar potencia, totalmente controlada, hombre que lleva máquina voladora, alcanzando una altura de 40 pies (12 m). En 1980, la Gossamer pingüino hizo que los primeros vuelos pilotados solamente con potencia de energía fotovoltaica. Esto fue seguido rápidamente por el Solar Challenger que cruzó el Canal Inglés en julio de 1981. En 1990, Eric Scott Raymond en 21 saltos voló de California a Carolina del Norte el uso de la energía solar. Desarrollos luego se volvió de nuevo a los vehículos aéreos no tripulados (UAV) con el Diseños Pathfinder (1997) y posteriores, que culminaron en la Helios que estableció el récord de altitud para una aeronave no propulsada por cohete a 29.524 metros (96.864 pies) en 2001. El Zephyr, desarrollado por BAE Systems , es el último de una línea de aeronaves solar sin precedentes, haciendo un vuelo de 54 horas en 2007, y los vuelos de un mes de duración se prevén para el año 2010.
La globo solar es un globo negro que se llena con aire ordinario. Como la luz del sol brilla en el globo, el aire del interior se calienta y se expande causando un alza fuerza de flotación, al igual que un calentada artificialmente globo de aire caliente . Algunos globos solares son lo suficientemente grandes para el vuelo humano, pero el uso se limita generalmente al mercado de los juguetes que la superficie del área de relación de carga-peso es relativamente alto.
La luz del día
La historia de la iluminación está dominado por el uso de la luz natural. Los romanos reconocieron un derecho a la luz ya en el Siglo sexto y el Derecho Inglés se hicieron eco de estas sentencias con la Ley de Prescripción de 1832. En el siglo 20 artificial la iluminación se convirtió en la principal fuente de iluminación de luz natural, pero las técnicas interiores y soluciones de iluminación solar híbridos son formas de reducir el consumo de energía.
Sistemas de iluminación natural recaudan y distribuyen la luz solar para proporcionar iluminación interior. Esta tecnología pasiva compensa directamente el uso de la energía mediante la sustitución de la iluminación artificial, e indirectamente compensa el uso de energía no solar mediante la reducción de la necesidad de aire acondicionado. Aunque es difícil de cuantificar, el uso de la iluminación natural también ofrece beneficios fisiológicos y psicológicos en comparación con iluminación artificial. Diseño de iluminación natural implica una cuidadosa selección de los tipos de ventanas, tamaños y orientación; dispositivos de sombreado exteriores pueden ser considerados así. Árboles de hoja caduca en los extremos este y oeste de los edificios ofrecen sombra en el verano y no bloquean el sol en el invierno. Características individuales incluyen techos de diente de sierra, ventanas del triforio, estantes de luz, claraboyas y tubos de luz. Ellos se pueden incorporar en las estructuras existentes, pero son más eficaces cuando se integran en una paquete de diseño solar que da cuenta de factores tales como deslumbramiento, el flujo de calor y tiempo de uso. Cuando las funciones de la luz del día se implementan adecuadamente, pueden reducir los requisitos relacionados con la energía de iluminación en un 25%.
Iluminación solar híbrida (HSL) es un método solar activa de proporcionar iluminación interior. Sistemas HSL recogen la luz solar mediante espejos de enfoque que realizar el seguimiento del sol y usar fibras ópticas para transmitir que el interior del edificio para complementar la iluminación convencional. En las aplicaciones de un solo piso estos sistemas son capaces de transmitir el 50% de la luz del sol directa recibida.
Las luces solares que cargan durante el día y se encienden al atardecer son una vista común en los pasillos. Linternas solares cargadas se han hecho populares en los países en desarrollo en las que proporcionan una alternativa más segura y más barato para las lámparas de queroseno.
Aunque horario de verano se promueve como una manera de utilizar la luz solar para ahorrar energía, la investigación reciente reporta resultados contradictorios: varios estudios reportan ahorros, pero al igual que muchos sugieren ningún efecto o incluso una pérdida neta, en particular cuando el consumo de gasolina se tiene en cuenta. El consumo de electricidad se ve muy afectada por la geografía, el clima y la economía, por lo que es difícil generalizar a partir de los estudios individuales.
Solar térmica
Tecnologías térmicas solares se pueden utilizar para calentar el agua, la calefacción, la refrigeración de locales y la generación de calor de proceso.
Calentamiento de agua
Sistemas de agua caliente solares utilizan la luz solar para calentar el agua. En latitudes geográficas bajas (por debajo de 40 grados) de 60 a 70% del uso de agua caliente sanitaria con temperaturas de hasta 60 ° C puede ser proporcionado por los sistemas de calefacción solar. Los tipos más comunes de los calentadores de agua solares son evacuados colectores de tubos (44%) y los colectores planos vidriados placa (34%) que se utilizan generalmente para el agua caliente sanitaria; y colectores de plástico sin esmaltar (21%) utilizan principalmente para calentar piscinas.
A partir de 2007, la capacidad total instalada de sistemas solares de agua caliente es de aproximadamente 154 GW. China es el líder mundial en su despliegue con 70 GW instalados a partir de 2006 y un objetivo a largo plazo de los 210 GW en 2020. Israel y Chipre son los líderes por habitante en el uso de sistemas solares de agua caliente con más del 90% de los hogares que utilizan ellos . En los Estados Unidos, Canadá y Australia calentar piscinas es la aplicación dominante de agua caliente solar con una capacidad instalada de 18 GW en 2005.
Calefacción, ventilación y refrigeración
En los Estados Unidos, sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) representan el 30% (4,65 EJ) de la energía utilizada en los edificios comerciales y cerca del 50% (10,1 EJ) de la energía utilizada en los edificios residenciales. Tecnologías de calefacción, refrigeración y ventilación solares pueden ser utilizados para compensar una parte de esta energía.
La masa térmica es cualquier material que se puede utilizar para almacenar el calor por el calor del sol en el caso de la energía solar. Materiales de masa térmica comunes incluyen piedra, cemento y agua. Históricamente se han utilizado en climas áridos o regiones templadas cálidas a mantener los edificios frescos mediante la absorción de la energía solar durante el día y que irradia calor almacenado a la atmósfera más fría por la noche. Sin embargo, pueden ser utilizados en las zonas templadas frías para mantener el calor también. El tamaño y la colocación de la masa térmica dependen de varios factores, como las condiciones climáticas, de iluminación natural y el sombreado. Cuando se incorpora adecuadamente, masa térmica mantiene temperaturas de espacio en un rango cómodo y reduce la necesidad de calefacción y equipos de refrigeración.
Una chimenea solar (o chimenea térmica, en este contexto) es un sistema de ventilación pasiva solar compuesto por un eje vertical que conecta el interior y el exterior de un edificio. Como la chimenea se calienta, el aire del interior se calienta causando una corriente ascendente que empuja el aire a través del edificio. El rendimiento puede mejorarse mediante el uso de materiales de acristalamiento y masa térmica de una manera que imita invernaderos.
Árboles y plantas de hoja caduca se han promovido como un medio de controlar la calefacción y refrigeración solar. Cuando se planta en el lado sur del edificio, sus hojas proporcionan sombra durante el verano, mientras que las ramas desnudas dejan pasar la luz durante el invierno. Desde, los árboles sin hojas desnudas sombra de 1/3 a 1/2 de la radiación solar incidente, hay un equilibrio entre los beneficios de sombreado de verano y la correspondiente pérdida de calefacción de invierno. En climas con cargas de calefacción significativos, árboles de hoja caduca no se deben plantar en el lado sur del edificio, ya que interferirán con el invierno disponibilidad solar. Pueden, sin embargo, ser utilizados en los lados este y oeste para proporcionar un grado de sombreado verano sin afectar sensiblemente la captación solar en invierno.
Tratamiento de aguas
La destilación solar puede ser utilizado para hacer solución salina o potable de agua salobre. La instancia primero registrado de esto fue por los alquimistas árabes del siglo 16o. Un proyecto de destilación solar a gran escala fue construido en 1872 en la chilena ciudad minera de Las Salinas. La planta, que tenía área de captación solar de 4.700 m 2, podría producir hasta 22.700 L por día y operado durante 40 años. Individual todavía diseños incluyen una sola pendiente, de doble pendiente (o el tipo de efecto invernadero), vertical, cónica, absorbedor invertida, multi-mecha, y el efecto múltiple. Estos alambiques pueden operar en modos pasivos, activos, o híbridos. Alambiques doble de pendiente son los más económicos para fines domésticos descentralizados, mientras que varias unidades de efectos activos son más adecuados para aplicaciones a gran escala.
Solar de agua desinfección (SODIS) consiste en exponer de plástico lleno de agua tereftalato de polietileno (PET) a la luz del sol durante varias horas. Los tiempos de exposición varían según el tiempo y el clima de un mínimo de seis horas a dos días durante condiciones totalmente nublados. Es recomendado por la Organización Mundial de la Salud como un método viable para el tratamiento del agua doméstica y el almacenamiento seguro. Más de dos millones de personas en países en desarrollo utilizan este método para su agua potable al día.
La energía solar se puede utilizar en un estanque de estabilización de agua para tratar desperdiciar agua sin productos químicos o la electricidad. Una ventaja ambiental adicional es que las algas crecen en este tipo de estanques y consumen dióxido de carbono en la fotosíntesis, aunque las algas pueden producir productos químicos tóxicos que hacen que el agua inutilizable.
Cocina
Las cocinas solares utilizan la luz solar para cocinar, secado y pasteurización. Se pueden agrupar en tres grandes categorías: las cocinas, cocinas de panel y cocinas reflector. La cocina solar más simple es el fogón de la caja primero construido por Horace de Saussure en 1767. Una cocina de caja básico consiste en un recipiente aislado con una tapa transparente. Se puede utilizar eficazmente con cielos parcialmente nublados y típicamente alcanzar temperaturas de 90-150 ° C. Cocinas de panel utilizan un panel reflectante para dirigir la luz solar en un recipiente aislado y alcanzar temperaturas comparables a las cocinas. Cocinas reflectores utilizan diversas geometrías de concentración (plato, Comedero, espejos de Fresnel) para enfocar la luz en un recipiente de cocción. Estas cocinas alcanzan temperaturas de 315 ° C y por encima, pero requieren la luz directa para funcionar correctamente y deben volver a colocarse para seguir el dom
La tazón solar es una tecnología de concentración empleada por la cocina solar en Auroville, en Tamil Nadu, India , donde un reflector esférico estacionaria enfoca la luz a lo largo de una línea perpendicular a la superficie interior de la esfera, y un sistema de control por ordenador mueve el receptor para intersectar esta línea. El vapor se produce en el receptor a temperaturas que alcanzan los 150 ° C y luego se usa para el calor de proceso en la cocina.
Un reflector desarrollado por Wolfgang Scheffler en 1986 se utiliza en muchas cocinas solares. Reflectores Scheffler son platos parabólicos flexibles que combinan aspectos de valle y de torre concentradores. El rastreo polar se utiliza para seguir el curso diario del Sol y la curvatura del reflector se ajusta a las variaciones estacionales en el ángulo de incidencia de la luz solar. Estos reflectores pueden alcanzar temperaturas de 450 a 650 ° C y tienen un punto focal fija, lo que simplifica la cocción. Sistema reflector más grande del mundo Scheffler en Abu Road, Rajasthan, India es capaz de cocinar hasta 35.000 comidas al día. A partir de 2008, más de 2.000 grandes cocinas Scheffler se han construido en todo el mundo.
Calor de procesos
Tecnologías de concentración solar como plato parabólico, comedero y reflectores Scheffler pueden proporcionar calor de proceso para aplicaciones comerciales e industriales. El primer sistema comercial fue el Proyecto Solar Energía Total (STEP) en Shenandoah, Georgia, EE.UU., donde un campo de 114 platos parabólicos proporciona el 50% del calor de proceso, el aire acondicionado y los requisitos eléctricos para una fábrica de ropa. Este sistema de cogeneración conectada a la red proporcionado 400 kW de electricidad más la energía térmica en forma de vapor de 401 kW y 468 kW de agua fría, y tenía un pico de carga de almacenamiento térmico de una hora.
Estanques de evaporación son piscinas de poca profundidad que se concentran los sólidos disueltos a través evaporación. El uso de estanques de evaporación para obtener la sal del agua de mar es una de las aplicaciones más antiguas de la energía solar. Usos modernos incluyen la concentración de soluciones de salmuera utilizados en la minería por lixiviación y extracción de sólidos disueltos de los flujos de residuos.
Ropa líneas, clotheshorses y percheros ropa seca por evaporación por el viento y la luz solar sin consumir electricidad o gas. En algunos estados de la legislación de los Estados Unidos protege el "derecho a secar" ropa.
Coleccionistas transcurrido sin esmaltar (UTC) son paredes sol frente perforadas utilizadas para precalentar el aire de ventilación. UTCs pueden elevar la temperatura del aire de entrada de hasta 22 ° C y entregar las temperaturas de salida de 45 a 60 ° C. El corto periodo de recuperación de coleccionistas transpirado (3 a 12 años) en una alternativa más rentable que los sistemas de recogida acristalamiento hace. A partir de 2003, más de 80 sistemas con una superficie de colector combinado de 35.000 m 2 se había instalado en todo el mundo, incluyendo un 860 m 2 colector en Costa Rica utiliza para el secado de los granos de café y un colector de 1.300 m 2 en Coimbatore, India utiliza para el secado de las maravillas.
La producción de electricidad
La energía solar es la conversión de la luz solar en electricidad , ya sea directamente a través de la energía fotovoltaica (PV), o indirectamente usando energía solar concentrada (CSP). Sistemas CSP utilizan lentes o espejos y sistemas de rastreo para enfocar un área grande de la luz solar en una viga pequeña. PV convierte la luz en corriente eléctrica utilizando el efecto fotoeléctrico.
Plantas termosolares comerciales se desarrollaron por primera vez en la década de 1980. Desde 1985, el eventual 354 MW Instalación SEGS CSP, en el desierto de Mojave de California, es la mayor planta de energía solar en el mundo. Otras plantas de CSP grandes incluyen el 150 MW Central eléctrica solar Solnova y los 100 MW Estación de energía solar Andasol, tanto en España. Los 250 MW Agua Caliente Solar Project, en los Estados Unidos, y el 214 MW Charanka Parque Solar en la India , son los más grande del mundo plantas fotovoltaicas. Se están desarrollando proyectos solares superiores a 1 GW, pero la mayoría de los sistemas fotovoltaicos son desplegados en pequeñas matrices de las azoteas de menos de 5 kW, que son conectadas a la red mediante la medición neta y / o un sistema de primas.
La energía solar concentrada
Sistemas de energía solar por concentración (CSP) utilizan lentes o espejos y sistemas de rastreo para enfocar un área grande de la luz solar en una viga pequeña. El calor concentrado se utiliza entonces como una fuente de calor para una planta de energía convencional. Existe una amplia gama de tecnologías de concentración; los más desarrollados son los colectores cilindro-parabólicos, el reflector Fresnel lineal para concentrarse, el disco Stirling y la torre de energía solar. Varias técnicas se utilizan para realizar el seguimiento del Sol y enfocar la luz. En todos estos sistemas una fluido de trabajo es calentado por la luz solar concentrada, y entonces se utiliza para la generación de energía o de almacenamiento de energía.
La energía fotovoltaica
La célula solar o célula fotovoltaica (PV), es un dispositivo que convierte la luz en corriente eléctrica utilizando el efecto fotoeléctrico. La primera célula solar fue construido por Charles Fritts en la década de 1880. En 1931 un ingeniero alemán, el Dr. Bruno Lange, desarrolló una célula foto usando seleniuro de plata en lugar de óxido de cobre. Aunque el prototipo de selenio células convierten menos de 1% de la luz incidente en electricidad, tanto Ernst Werner von Siemens y James Clerk Maxwell reconocieron la importancia de este descubrimiento. Siguiendo el trabajo de Russell Ohl en la década de 1940, investigadores Gerald Pearson, Calvin Fuller y Daryl Chapin crearon el silicio de células solares en 1954. Estas células solares primeras cuestan 286 USD / watt y alcanzaron eficiencias de 4,5-6%. Para el año 2012 las eficiencias disponibles superan el 20% y la máxima eficiencia de la energía fotovoltaica de investigación es más del 40%.
Otros
Además de poder y la energía fotovoltaica solar concentrada, hay algunas otras técnicas utilizadas para la electricidad generada a partir de energía solar. Éstas incluyen:
- Dye-sensitized_solar_cells,
- Concentradores solares luminiscentes (un tipo de energía fotovoltaica concentrada o tecnología CPV),
- Células solares biohíbridos,
- Sistemas Lámparas de emisión de fotón mejorada
La producción de combustible
Procesos químicos solares utilizan la energía solar para conducir las reacciones químicas. Estos procesos compensan la energía que de otro modo provenir de una fuente de combustible fósil y también se puede convertir la energía solar en combustibles almacenables y transportables. Reacciones químicas inducidas solares se pueden dividir en termoquímica o fotoquímica. Una variedad de combustibles puede ser producido por fotosíntesis artificial. La química catalítica multielectrónicos involucrados en la fabricación de combustibles a base de carbono (tales como metanol ) de la reducción de dióxido de carbono es un reto; una alternativa factible es hidrógeno producción de protones, aunque el uso de agua como la fuente de electrones (como lo hacen las plantas) requiere el dominio de la oxidación multielectrónicos de dos moléculas de agua al oxígeno molecular. Algunos han previsto trabajar las plantas de combustibles solares en las áreas metropolitanas costeras por 2050- la división de agua de mar que proporciona hidrógeno que se ejecute a través de plantas de celdas de combustible eléctricas de potencia adyacentes y el agua pura subproducto de ir directamente a la red de agua municipal.
Tecnologías de producción de hidrógeno ha sido un área importante de la investigación química solar desde la década de 1970. Aparte de la electrólisis impulsado por células fotovoltaicas o fotoquímicos, varios procesos termoquímicos también han sido exploradas. Una de esas rutas utiliza concentradores para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno a altas temperaturas (2300-2600 ° C). Otro enfoque utiliza el calor de concentradores solares para conducir el reformación de vapor de gas natural aumentando así el rendimiento de hidrógeno general en comparación con los métodos convencionales de reformado. Ciclos termoquímicos caracterizadas por la descomposición y la regeneración de los reactivos presentan otra vía para la producción de hidrógeno. El proceso SOLZINC en fase de desarrollo en la Weizmann Institute utiliza un horno solar de 1 MW para descomponer óxido de zinc (ZnO) a temperaturas superiores a 1200 ° C. Esta reacción inicial produce zinc puro, que posteriormente puede hacerse reaccionar con agua para producir hidrógeno.
Métodos de almacenamiento de energía
Sistemas de masa térmica pueden almacenar la energía solar en forma de calor a temperaturas nacional útiles para diario o duraciones de temporada. Sistemas de almacenamiento térmico suelen utilizar materiales fácilmente disponibles con alta capacidades caloríficas específicas, tales como agua, tierra y piedra. Los sistemas bien diseñados pueden reducir la demanda máxima, cambiar la hora del uso de fuera de las horas punta y reducir los requisitos generales de calefacción y refrigeración.
Los materiales de cambio de fase tal como cera de parafina y sal de Glauber son otro medio de almacenamiento térmico. Estos materiales son de bajo costo, de fácil acceso, y pueden entregar las temperaturas a nivel nacional útiles (aproximadamente 64 ° C). El "Dover House" (en Dover, Massachusetts) fue el primero en utilizar el sistema de calefacción de una sal de Glauber, en 1948.
La energía solar puede ser almacenado a altas temperaturas utilizando sales fundidas. Las sales son un medio de almacenamiento eficaces porque son de bajo coste, tiene una alta capacidad de calor específico y puede entregar calor a temperaturas compatibles con los sistemas de energía convencionales. La Solar Two utiliza este método de almacenamiento de energía, lo que le permite almacenar 1.44 TJ en su 68 m 3 tanque de almacenamiento con una eficiencia de almacenamiento anual de alrededor del 99%.
Fuera de la red de sistemas fotovoltaicos han utilizado tradicionalmente baterías recargables para almacenar el exceso de electricidad. Con los sistemas conectados a la red, el exceso de electricidad puede ser enviado a la transmisión rejilla, mientras que la red eléctrica estándar se puede utilizar para cubrir el déficit. Programas de medición neta dan los sistemas domésticos de un crédito por cualquier electricidad que suministran a la red. Esto es a menudo legalmente a cargo de "reducción" del metro siempre que la casa produce más electricidad de la que consume. Si el uso de electricidad neta es inferior a cero, se requiere la utilidad para pagar el suplemento a la misma velocidad, ya que cobran los consumidores. Otros enfoques legales implican el uso de dos metros, para medir la electricidad consumida vs. electricidad producida. Esto es menos común debido al aumento de coste de la instalación de la segunda metros.
-Acumulación por bombeo tiendas hidroeléctricas energía en forma de agua bombeada cuando la energía está disponible a partir de un depósito de elevación más baja a una elevación más alta. La energía se recupera cuando la demanda es alta soltando el agua para funcionar a través de un generador de energía hidroeléctrica.
Desarrollo, implementación y economía
Comenzando con el aumento de carbón uso que acompañó a la revolución industrial , el consumo de energía ha hecho la transición de manera constante de madera y biomasa a los combustibles fósiles . El desarrollo temprano de tecnologías solares a partir de la década de 1860 se vio impulsado por la expectativa de que el carbón se convertiría pronto en escasos. Sin embargo el desarrollo de las tecnologías solares se estancó en el siglo 20 en la cara de la creciente disponibilidad, la economía, y la utilidad de carbón y petróleo .
El embargo petrolero de 1973 y Crisis del petróleo de 1979 provocó una reorganización de las políticas energéticas de todo el mundo y trajo renovada atención al desarrollo de las tecnologías solares. Estrategias de implementación se centraron en los programas de incentivos como el Programa de Utilización Federal Fotovoltaica en el Programa de Sol en Japón y Estados Unidos. Otros esfuerzos incluyen la formación de centros de investigación en los EE.UU. (SERI, ahora NREL), Japón ( NEDO), y Alemania ( Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar ISE).
Calentadores de agua solares comerciales comenzaron a aparecer en los Estados Unidos en la década de 1890. Estos sistemas vieron aumentar su uso hasta la década de 1920, pero fueron reemplazados gradualmente por los combustibles para calefacción más baratas y más fiables. Al igual que con la energía fotovoltaica, calentamiento solar de agua atrajo renovada atención como consecuencia de las crisis del petróleo en la década de 1970, pero el interés amainado en el 1980 debido a la caída de los precios del petróleo. Desarrollo en el sector de la calefacción de agua solar progresó de manera constante a lo largo de la década de 1990 y las tasas de crecimiento han promediado 20% por año desde 1999. Aunque generalmente subestimado, calentamiento solar de agua y la refrigeración es por lejos la tecnología solar de mayor despliegue con una capacidad estimada de 154 GW como de 2007.
La Agencia Internacional de la Energía ha dicho que la energía solar puede hacer contribuciones importantes a resolver algunos de los problemas más urgentes que enfrenta el mundo hoy:
El desarrollo de tecnologías de energía solar asequible, inagotables y limpias tendrá enormes beneficios a largo plazo. Se aumentará la seguridad energética de los países a través de la dependencia de un recurso autóctono, inagotable y sobre todo de importación-independiente, mejorar la sostenibilidad, reducir la contaminación, reducir los costos de la mitigación del cambio climático y mantener los precios de los combustibles fósiles más baja que otra cosa. Estas ventajas son globales. De ahí que los costos adicionales de los incentivos para la implementación temprana se deben considerar las inversiones de aprendizaje; deben ser sabiamente gastado y necesitan ser ampliamente compartida.
En 2011, el Agencia Internacional de Energía dijo que las tecnologías de energía solar, tales como paneles fotovoltaicos, calentadores de agua solares y centrales eléctricas construidas con espejos podrían proporcionar una tercera parte de la energía del mundo para el año 2060 si los políticos se comprometen a limitar el cambio climático . La energía del sol podría jugar un papel clave en la de-carbonización de la economía mundial junto con las mejoras en la eficiencia energética y la imposición de costos sobre gases de efecto invernadero emisores. "La fuerza de la energía solar es la increíble variedad y flexibilidad de aplicaciones, desde la pequeña escala a gran escala".
Hemos demostrado ... que después se agotan nuestras reservas de petróleo y carbón a la raza humana puede recibir un poder ilimitado de los rayos del sol.- Frank Shuman,New York Times, 02 de julio 1916
Normas ISO
La Organización Internacional de Normalización ha establecido una serie de normas relativas a los equipos de energía solar. Por ejemplo, ISO 9050 se refiere a vidrio en la construcción mientras que ISO 10217 se refiere a los materiales utilizados en los calentadores de agua solares.
