Energía Solar: qué es, usos y cómo se transforma

Fernando Melendez
Ingeniero Electronica
Publicación: 12/09/2021

Introducción

La energía solar es una de las fuentes de energías renovables más utilizadas por sus beneficios de conservación ambiental y por su fácil implementación en la producción de energía eléctrica, ya que utiliza como fuente principal la radiación solar emitida por el Sol, estrella que estará en nuestra órbita terrestre unos millones de años.

En virtud y gracias a la energía solar se puede reducir y quizás en un futuro no muy lejano, eliminar por completo el consumo de fuentes de energías fósiles (carbón,petróleo y gas),que con el tiempo son agotables y que han traído como consecuencias en su uso (o mal uso) un aumento considerable de la contaminación de mares, ríos, zonas forestales y principalmente la debilitación de nuestra capa protectora de ozono ante los efectos de la radiación solar.

Energía Solar

¿Qué es la energía solar?

La energía solar es la que llega a la tierra en forma de radiación electromagnética procedente del sol, como resultado de las constantes reacciones de fusión nuclear que ocurren internamente. Esta energía puede usarse como dos posibles fuentes para la generación de energía eléctrica, ya sea por la utilización de la luz o por la del calor.

Cuando se habla de energía solar se trata de una energía renovable porque se obtiene de una fuente natural e inagotable, en este caso el Sol. Para entender su importancia, es necesario conocer primero cuáles son las fuentes principales de energía que se pueden utilizar en nuestro planeta.

Energía Solar

Estas se encuentran clasificadas en dos tipos:

  • Energías no renovables
  • Energías renovables

Las energías no renovables son aquellas en que la fuente primaria de energía se agota al transformar su energía en energía útil.Recordando que la energía se transforma, no se crea, se puede decir que sus principales fuentes son:

  • Energías basadas en lo combustibles fósiles: carbón, petróleo, gas natural
  • Energía nuclear, basada en materiales radiactivos como el Uranio.

Las energías renovables son aquellas en que la fuente primaria de energía la produce la naturaleza sin ningún tratamiento previo realizado por el hombre, las principales fuentes de energías que se pueden utilizar son:

  • Energía Geotérmica
  • Energía Solar
  • Energía Eólica
  • Energía Biomasa
  • Energía Hidráulica
  • Energía en el Mar

Energía Solar
Energía Solar

Figura 1: Industria de energías no renovables


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Figura 2: Tipos de energías no renovables


La energía solar es una de las principales y más populares fuentes de transformación de energía natural a eléctrica utilizadas hoy en día, que resuelven parcialmente los principales problemas energéticos mundiales como son el gran crecimiento de consumo, la dependencia de energéticas exteriores y los recursos limitados.
A su vez evita la problemática medio ambiental ocasionada por las energías no renovables como son las emisiones de C02, efecto invernadero y lluvias ácidas, que como alguna de las consecuencias más alarmantes, provocan mayor debilitamiento en la capa de ozono protectora de la atmósfera de la tierra, ocasionando que se caliente por la mayor incidencia de radiación solar y trayendo como consecuencia, enfermedades en la piel, cáncer en las personas y con el tiempo, la quema interna del planeta y la muerte de todos los seres vivos en él.

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Tipos de Energía Solar para transformar en Energía eléctrica

Existen dos maneras de aprovechar la energía solar que llega a la tierra con el fin de ser transformada en energía eléctrica:la Luz y el calor. Por lo que se puede clasificar en dos tipos posibles para la generación de energía eléctrica a través de la energía solar:

  1. Energía solar térmica
  2. Energía Fotovoltaica

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Energía Solar Térmica

En este tipo de energía solar o método indirecto, se utiliza la radiación electromagnética en forma de calor, donde se aprovecha para calentar un fluido (que puede ser agua, sodio, sales fundidas entre otras) y convertirlo en vapor con el fin de producir electricidad mediante el movimiento de un alternador.

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La producción de electricidad se realiza mediante un ciclo termodinámico convencional, como se haría en una central térmica de combustible fósil.

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Figura 3: Energía solar térmica

Figura 4: Funcionamiento de energía solar térmica

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Energía Solar Fotovoltaica

Los métodos directos son aquellos donde la luz del sol es convertida directamente a electricidad mediante el uso de las células solares integradas y agrupadas que se conocen como paneles solares.
Este método de utilización de la energía solar se entiende como “Energía solar fotovoltaica” y es una de las más utilizadas hoy en día para múltiples aplicaciones industriales o domésticas para producir energía eléctrica.

Existen dos formas de diseñar e instalar estos sistemas fotovoltaicos, estos son:

  1. Sistemas conectados a red o "On grid"
  2. Sistemas aislados ó "Off grid"
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Sistema fotovoltaicos conectados a red (ON GRID)

Los sistemas fotovoltaicos de tipo "conectado a red u On grid" están constituidos por paneles solares los cuales mediante el efecto fotovoltaico de las

células solares que los conforman, toman la energía solar y la transforman en energía eléctrica de corriente continua (DC).

Luego un dispositivo electrónico conocido como inversor transforma esa corriente DC en corriente alterna AC, que es la utilizada por los equipos electrodomésticos de un hogar.

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Figura 5: Funcionamiento de energía solar fotovoltaica conectada a red

A su vez esa energía AC, que no está siendo utilizada en su totalidad por el hogar, puede ser suministrada a la red eléctrica de distribución, contribuyendo así y minimizando el esfuerzo de generación eléctrica global del sistema de una ciudad.


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Ejemplo de aplicaciones de sistemas fotovoltaicos on grid:

  • Huertos solares

  • Energía Solar

    Figura 6: Energía solar- Huerto Solar; Potencia Instalada: 3 MW Parque Solar Monovar- España


  • Edificios fotovoltaicos

  • Energía Solar

    Figura 7: energía solar- Edificio fotovoltaico Acciona, Potencia Instalada: 48.3 KW -España

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Sistema fotovoltaicos aislados (Off GRID)

Los sistemas fotovoltaicos de tipo “aislado ó off grid ”, son similares en funcionamiento a los sistemas conectados a red (on grid). Es decir, están constituidos por paneles solares los cuales mediante el efecto fotovoltaico de las células solares que los conforman, toman la energía solar y la transforman en energía eléctrica de corriente continua (DC).

Luego mediante un sistema conformado por un controlador de carga y un arreglo de baterías, almacena esa energía generada por los paneles, para luego ser utilizado por un dispositivo electrónico inversor DC/AC y alimentar los equipos eléctricos de un hogar cuando sea necesario.

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Figura 8: Funcionamiento de energía solar fotovoltaica aisladas y autónomas

Generalmente este tipo de sistema es usado cuando la distribución de red eléctrica no llega a zonas muy remotas o cuando existe alguna emergencia que requiera utilizar esa energía. También, ayuda a minimizar el consumo eléctrico general de la red eléctrica, ya que puede ser usada durante la noche y recargar las baterías durante el día, minimizando el costo de factura eléctrica de un hogar.

Ejemplo de aplicaciones:

  1. Aplicaciones espaciales
  2. Elecomunicaciones
  3. Electrificación de zonas rurales y aisladas
  4. Señalización
  5. Alumbrado público
  6. Bombeo de agua
  7. Redes VSAT
  8. Telemetría
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Figura 9: Energía solar- Sistemas fotovoltaicos aislados- alumbrado público


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Figura 10: Energía solar- Sistemas fotovoltaicos aislados- Bombeo solar

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¿Cuáles son los beneficios de la energía solar?

Ya se sabe que hay otros tipos de energías renovables (como la eólica, hidráulica o geotérmica), la energía solar se ha popularizado como una de las energías renovables más fáciles de producir y de instalación de sistemas eléctricos no tan complejos dando así acceso a fuentes de energía limpia.

Algunas de ventajas y beneficios de este tipo de energía son:

  • La energía solar es ecológica y es una fuente inagotable (el Sol estará con nosotros durante los próximos millones de años) y su transformación en energía térmica o fotovoltaica no produce residuos contaminantes como el caso de la energía nuclear o las energías fósiles.
  • Es fácil de usar y alcanzable para todos los usuarios. La instalación de los paneles solares para usar la energía solar ha bajado su precio paulatinamente y mejorado su tecnología de fabricación y transformación entre energías, por lo que casi todo el mundo puede acceder al autoconsumo solar con placas solares propias en su hogar o edificios residenciales o industriales.
    Una manera de autoabastecimiento incluso para núcleos aislados de la red.
  • Es reutilizable. Uno de los problemas de las energías renovables es que son irregulares, dependen de que sople el viento, baje el río, suba la marea o que el cielo se encuentre totalmente despejado de nubes. Pero gracias al progreso tecnológico se puede almacenar la energía solar para transformarla en electricidad según demanda o aprovechar los excedentes generados. Las Nuevas tecnologías permiten aprovechar la energía de manera más eficiente durante días nublados o incluso durante la noche.
  • Menor impacto en el medio ambiente. Aunque otras energías renovables son también inagotables y sin residuos, el impacto de la solar es menor. Por ejemplo, los generadores eólicos tienen un impacto negativo en las aves, igual que las instalaciones hidráulicas en los peces de los ríos. Esto no sucede con las instalaciones solares.
  • Reduce el uso de combustibles fósiles, por lo tanto, de importaciones energéticas de petróleo y gas (sobretodo en países que no poseen esos recursos para generar energía); además permite a ser más autosuficientes como sociedad en general.
  • Es adaptable. Desde instalaciones particulares de pocos metros cuadrados a grandes zonas de producción de energía ubicadas en plantas solares. La energía solar se adapta a todo tipo de necesidades, terrenos y sociedades.
  • Genera riqueza, empleo y contribuye al desarrollo sostenible. La reconversión del sector y el desarrollo de carreras relacionadas con la energía solar son cada vez más importantes, abarcando sectores que van desde ingenierías, instalación y operatividad.
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¿Cómo llega la energía solar a la tierra?

El Sol es una fuente de energía de 3,8.1020 MW, lo que equivale a una densidad de energía por cada metro cuadrado de superficie solar de 62,5 MW. Sin embargo, como consecuencia de la distancia que nos separa, solo una pequeña parte de la energía solar, aproximadamente 1367 W/m2 , llega a la superficie de la Tierra. Esa potencia radiante de es denominada constante solar.

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El sol produce una cantidad de radiación constante, que al momento de incidir sobre la superficie terrestre pierde parte de su potencia debido a la influencia de los fenómenos atmosféricos, la actividad humana, la forma propia de la Tierra, el ciclo día/noche y la órbita elíptica de la Tierra.

Se puede asumir que en buenas condiciones de irradiación el valor es de aproximadamente 1000 W/m2 en la superficie terrestre.A esta potencia se la conoce como irradiancia, y es utilizada para el estudio y cálculo de sistemas fotovoltaicos.

Por ejemplo, en la Figura 11 podemos ver el comportamiento de la órbita de la tierra alrededor del sol, por lo que se puede ver que la radiación que alcanza la atmósfera es mayor en los meses de invierno que en los meses de verano, pues, como decimos, debido a la órbita elíptica, la Tierra está más próxima a sol en esos meses.

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Figura 11: Comportamiento de la órbita de la tierra con respecto a la distancia del sol


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Figura 12: Radiación solar mensual durante el año


La potencia radiante de la energía solar que alcanza a nuestro planeta es atenuada por diferentes fenómenos en la atmósfera. Estos fenómenos son conocidos como:

  • Reflexión. Propiciada por la propia atmósfera.
  • Absorción. Debido a las moléculas que componen la misma: O3, H2O, O2, CO2, etc.
  • Difusión. Originada por los componentes atmosféricos.
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Figura 13: Efectos de la atmósfera en la radiación solar


En función de cómo reciben la radiación solar los objetos situados en la superficie terrestre se pueden distinguir los siguientes tipos de radiación:


  • Directa: Es aquella que llega directamente del Sol sin haber sufrido cambio alguno en su dirección. Se caracteriza por proyectar una sombra definida de los objetos opacos que la interceptan.
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Figura 14: Radiación solar sobre objectos de recepción en la superficie terrestre

  • Difusa: Parte de la radiación que atraviesa la atmósfera es reflejada por las nubes o absorbida por estas. Esta radiación se orienta en todas las direcciones, como consecuencia de las absorciones y reflexiones sucesivas, no solo de las nubes, sino de las partículas de polvo atmosférico, montañas, árboles, edificios, el propio suelo,etc. Se caracteriza por no producir sombra alguna respecto a los objetos opacos interpuestos.
  • Reflejada o albedo: La radiación reflejada también conocida como radiación de albedo, es aquel porcentaje de radiación solar que incide en los objetos que se encuentran en la superficie terrestre y que son reflejados de vuelta a la atmósfera. Este porcentaje de reflexión dependerá de las características reflexivas de la superficie, ejemplo, las superficies claras son más reflexivas que las oscuras.

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Distribución Espectral de la Radiación Solar

La energía solar llega en forma de radiación electromagnética o en forma de luz. Esta radiación electromagnética son ondas producidas por la oscilación de una carga eléctrica es emitida sobre un espectro de longitud de onda que tiene una energía específica para cada una de esas longitudes.

La longitud de onda se suele expresar en nanómetros (nm) o micrómetros (µm), donde la radiación electromagnética se puede ordenar o clasificar en diferentes longitudes de onda, donde se puede observar y clasificar de la siguiente manera:

  • Longitudes de onda corta (frecuencias muy altas), como los rayos gama, rayos x, UV
  • Longitudes de onda larga de muchos kilómetros (frecuencias muy bajas) como las ondas de radio y microondas.

El espectro electromagnético no tiene límites superior ni inferior y la energía de una fracción diminuta de radiación, llamada fotón, es inversamente proporcional a su longitud de onda, entonces a menor longitud de onda mayor contenido energético.


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Figura 15: Energía solar- espectro electromagnético solar


Esta energía solar que emite el sol en forma de radiación de onda corta, principalmente en la banda del ultravioleta, visible y el infrarrojo cercano, es de longitudes de onda entre 0,2 y 3,0 nm, mientras que la mayor parte de la radiación terrestre de onda larga está contenida en la región entre 3,5 -50 µm.

Las ondas en el intervalo de 0,25 µm a 4,0 µm se denominan espectro de onda corta, para muchos propósitos como en aplicaciones de celdas solares (instalaciones fotovoltaicas) y en el proceso de la fotosíntesis.

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Figura 16: Energía solar- irradiación espectral en la superficie terrestre


  • La región visible (400 - 700 nm) corresponde a la radiación que puede percibir la sensibilidad del ojo humano e incluye los colores: violeta, azul, verde, amarillo, naranja y rojo. La luz de color violeta es más energética que la luz de color rojo, porque tiene una longitud de onda más pequeña. También los distintos colores de luz tienen en común el ser radiaciones electromagnéticas que se desplazan con la misma velocidad. Se diferencian en su frecuencia y longitud de onda. Dos rayos de luz con la misma longitud de onda tienen la misma frecuencia y el mismo color.
  • La radiación con las longitudes de onda más corta que la correspondiente a la luz de color violeta es denominada radiación ultravioleta UV, donde esta región ultravioleta está entre los 100 - 400 nanómetros.
  • La región del infrarrojo cercano está entre los 700 - 4000 nanómetros.
  • A cada región le corresponde una fracción de la energía total incidente en la parte superior de la atmósfera (denominada radiación solar extraterrestre
    distribuida así: 7,2% al ultravioleta; 47,2% al visible y 45,6% al infrarrojo cercano.

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Instrumentos utilizados para medición de la energía solar

Existen una variedad de instrumentos que sirven para medir estas distintas ondas o regiones electromagnéticas, como son:

Cada espectro tiene una influencia en distintas aplicaciones, tanto en la energía solar como en la meteorología e hidrología.

Por ejemplo, las ondas cortas en el intervalo de 0,25 - 4,0 µm son estudiadas y medidas por instrumentos como los piranómetros que son utilizados en las instalaciones fotovoltaicas, ya que su medición contribuye a que el proceso de transformación de energía solar a energía eléctrica sea lo más eficiente, al determinar la cantidad de radiación solar que incide en los paneles solares.

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