La energía solar es cualquier tipo de energía generada por el sol.

La energía solar es creada por la fusión nuclear que tiene lugar al sol. La fusión ocurre cuando los protones de átomos de hidrógeno chocan violentamente en el núcleo del sol y se fusionan para crear un átomo de helio.

Este proceso, conocido como reacción en cadena PP (protón-protón), emite una enorme cantidad de energía. En su núcleo, el sol fusiona alrededor de 620 millones de toneladas métricas de hidrógeno cada segundo. La reacción de la cadena PP ocurre en otras estrellas que tienen aproximadamente el tamaño de nuestro sol y les proporciona energía y calor continuos. La temperatura para estas estrellas es de alrededor de 4 millones de grados en la escala Kelvin (alrededor de 4 millones de grados Celsius, 7 millones de grados Fahrenheit).

En estrellas que son aproximadamente 1.3 veces más grandes que el sol, el ciclo CNO impulsa la creación de energía. El ciclo CNO también convierte el hidrógeno en helio, pero depende del carbono, el nitrógeno y el oxígeno (C, N y O) para hacerlo. Actualmente, menos del dos por ciento de la energía del sol es creada por el ciclo CNO.

La fusión nuclear por la reacción en cadena PP o el ciclo CNO libera enormes cantidades de energía en forma de ondas y partículas. La energía solar fluye constantemente del sol y en todo el sistema solar. La energía solar calienta la tierra, causa viento y clima, y ​​sostiene la vida vegetal y animal.

La energía, el calor y la luz del sol fluyen en forma de radiación electromagnética (EMR).

El espectro electromagnético existe como ondas de diferentes frecuencias y longitudes de onda. La frecuencia de una onda representa cuántas veces la onda se repite en una determinada unidad de tiempo. Las olas con longitudes de onda muy cortas se repiten varias veces en una unidad de tiempo determinada, por lo que son de alta frecuencia. En contraste, las ondas de baja frecuencia tienen longitudes de onda mucho más largas.

La gran mayoría de las ondas electromagnéticas son invisibles para nosotros. Las ondas de mayor frecuencia emitidas por el sol son los rayos gamma, los rayos X y la radiación ultravioleta (rayos UV). Los rayos UV más dañinos están casi completamente absorbidos por la atmósfera de la Tierra. Los rayos UV menos potentes viajan a través de la atmósfera y pueden causar quemaduras solares.

El sol también emite radiación infrarroja, cuyas olas son de gran frecuencia. La mayoría del calor del sol llega como energía infrarroja.

Incadrado entre infrarrojos y UV es el espectro visible, que contiene todos los colores que vemos en la tierra. El color rojo tiene las longitudes de onda más largas (más cercanas al infrarrojo) y la violeta (más cercana a los rayos UV) más cortos.

Energía solar natural

Efecto invernadero
Las ondas infrarrojas, visibles y UV que alcanzan la Tierra participan en un proceso de calentar el planeta y haciendo posible la vida, el llamado "efecto invernadero".

Alrededor del 30 por ciento de la energía solar que llega a la Tierra se refleja en el espacio. El resto se absorbe en la atmósfera de la Tierra. La radiación calienta la superficie de la Tierra, y la superficie irradia parte de la energía en forma de ondas infrarrojas. A medida que se elevan a través de la atmósfera, son interceptados por gases de efecto invernadero, como el vapor de agua y el dióxido de carbono.

Los gases de efecto invernadero atrapan el calor que se refleja en la atmósfera. De esta manera, actúan como las paredes de vidrio de un invernadero. Este efecto invernadero mantiene la tierra lo suficientemente cálida como para mantener la vida.

Fotosíntesis
Casi toda la vida en la Tierra se basa en la energía solar para alimentos, ya sea directa o indirectamente.

Los productores confían directamente en la energía solar. Absorben la luz solar y la convierten en nutrientes a través de un proceso llamado fotosíntesis. Los productores, también llamados autótrofos, incluyen plantas, algas, bacterias y hongos. Los autótrofos son la base de la red alimentaria.

Los consumidores confían en los productores de nutrientes. Los herbívoros, los carnívoros, los omnívoros y los detritívoros dependen de la energía solar indirectamente. Los herbívoros comen plantas y otros productores. Los carnívoros y los omnívoros comen productores y herbívoros. Los detritívoros descomponen la materia vegetal y animal al consumirla.

Combustibles fósiles
La fotosíntesis también es responsable de todos los combustibles fósiles en la Tierra. Los científicos estiman que hace unos tres mil millones de años, los primeros autótrofos evolucionaron en entornos acuáticos. La luz solar permitió que la vida vegetal prosperara y evolucionara. Después de que los autótrofos murieron, se descompusieron y cambiaron más a la tierra, a veces miles de metros. Este proceso continuó durante millones de años.

Bajo una presión intensa y altas temperaturas, estos restos se convirtieron en lo que sabemos como combustibles fósiles. Los microorganismos se convirtieron en petróleo, gas natural y carbón.

Las personas han desarrollado procesos para extraer estos combustibles fósiles y usarlos para obtener energía. Sin embargo, los combustibles fósiles son un recurso no renovable. Toman millones de años en formarse.

Aprovechar la energía solar

La energía solar es un recurso renovable, y muchas tecnologías pueden cosecharlo directamente para su uso en hogares, empresas, escuelas y hospitales. Algunas tecnologías de energía solar incluyen células fotovoltaicas y paneles, energía solar concentrada y arquitectura solar.

Hay diferentes formas de capturar la radiación solar y convertirla en energía utilizable. Los métodos utilizan energía solar activa o energía solar pasiva.

Las tecnologías solares activas utilizan dispositivos eléctricos o mecánicos para convertir activamente la energía solar en otra forma de energía, a menudo calentan o electricidad. Las tecnologías solares pasivas no utilizan ningún dispositivo externo. En cambio, aprovechan el clima local para calentar las estructuras durante el invierno y reflejan el calor durante el verano.

Fotovoltaicos

Photovoltaics es una forma de tecnología solar activa que fue descubierta en 1839 por el físico francés de 19 años Alexandre-Edmond Becquerel. Becquerel descubrió que cuando colocó cloruro de plata en una solución ácida y la expuso a la luz solar, los electrodos de platino unidos a él generaron una corriente eléctrica. Este proceso de generación de electricidad directamente a partir de la radiación solar se llama efecto fotovoltaico o fotovoltaica.

Hoy, los fotovoltaicos son probablemente la forma más familiar de aprovechar la energía solar. Las matrices fotovoltaicas generalmente involucran paneles solares, una colección de docenas o incluso cientos de células solares.

Cada célula solar contiene un semiconductor, generalmente hecho de silicio. Cuando el semiconductor absorbe la luz solar, solta electrones. Un campo eléctrico dirige estos electrones sueltos a una corriente eléctrica, fluyendo en una dirección. Los contactos de metal en la parte superior e inferior de una celda solar dirigen esa corriente a un objeto externo. El objeto externo puede ser tan pequeño como una calculadora con energía solar o tan grande como una central eléctrica.

Los fotovoltaicos se usaron ampliamente ampliamente en la nave espacial. Muchos satélites, incluida la Estación Espacial Internacional (ISS), cuentan con "alas" reflectantes y reflectantes de paneles solares. La ISS tiene dos alas de matriz solar (sierra), cada una utilizando aproximadamente 33,000 células solares. Estas células fotovoltaicas suministran toda electricidad a la ISS, lo que permite a los astronautas operar la estación, vivir de manera segura en el espacio durante meses a la vez y realizar experimentos científicos y de ingeniería.

Las estaciones de alimentación fotovoltaica se han construido en todo el mundo. Las estaciones más grandes se encuentran en los Estados Unidos, India y China. Estas centrales eléctricas emiten cientos de megavatios de electricidad, utilizadas para suministrar hogares, empresas, escuelas y hospitales.

La tecnología fotovoltaica también se puede instalar a menor escala. Los paneles solares y las células se pueden fijar a los techos o paredes exteriores de edificios, suministrando electricidad para la estructura. Se pueden colocar a lo largo de carreteras hasta carreteras ligeras. Las células solares son lo suficientemente pequeñas como para alimentar dispositivos aún más pequeños, como calculadoras, parcheantes, compactadores de basura y bombas de agua.

Energía solar concentrada

Otro tipo de tecnología solar activa es la energía solar concentrada o la energía solar concentrada (CSP). La tecnología CSP utiliza lentes y espejos para enfocar (concentrar) la luz solar de un área grande en un área mucho más pequeña. Esta intensa área de radiación calienta un fluido, que a su vez genera electricidad o alimenta otro proceso.

Los hornos solares son un ejemplo de energía solar concentrada. Hay muchos tipos diferentes de hornos solares, incluidas torres de energía solar, canales parabólicos y reflectores de Fresnel. Utilizan el mismo método general para capturar y convertir energía.

Las torres de energía solar usan heliostatos, espejos planos que se giran para seguir el arco del sol a través del cielo. Los espejos están dispuestos alrededor de una "torre coleccionista" central, y reflejan la luz solar en un rayo de luz concentrado que brilla en un punto focal en la torre.

En diseños anteriores de torres de energía solar, la luz solar concentrada calentaba un recipiente de agua, que producía vapor que impulsaba una turbina. Más recientemente, algunas torres de energía solar usan sodio líquido, que tiene una mayor capacidad de calor y conserva el calor durante un período de tiempo más largo. Esto significa que el fluido no solo alcanza temperaturas de 773 a 1,273k (500 ° a 1,000 ° C o 932 ° a 1,832 ° F), sino que puede continuar hervir agua y generar energía incluso cuando el sol no brilla.

Los canales parabólicos y los reflectores de Fresnel también usan CSP, pero sus espejos tienen forma de manera diferente. Los espejos parabólicos son curvos, con una forma similar a una silla de montar. Los reflectores de Fresnel usan tiras planas y delgadas de espejo para capturar la luz solar y dirigirla a un tubo de líquido. Los reflectores de Fresnel tienen más superficie que los canales parabólicos y pueden concentrar la energía del sol a aproximadamente 30 veces su intensidad normal.

Las plantas de energía solar concentradas se desarrollaron por primera vez en la década de 1980. La instalación más grande del mundo es una serie de plantas en el desierto de Mojave en el estado estadounidense de California. Este sistema generador de energía solar (SEG) genera más de 650 gigavatios-hora de electricidad cada año. Se han desarrollado otras plantas grandes y efectivas en España e India.

La energía solar concentrada también se puede usar a menor escala. Puede generar calor para las cocinas solares, por ejemplo. Las personas en las aldeas de todo el mundo usan ollas solares para hervir agua para el saneamiento y cocinar alimentos.

Las cocinas solares proporcionan muchas ventajas sobre las estufas de leña: no son un peligro de incendio, no producen humo, no requieren combustible y reducen la pérdida de hábitat en los bosques donde los árboles se cosecharían para el combustible. Las olla solar también permiten a los aldeanos dedicar tiempo a la educación, los negocios, la salud o la familia durante el tiempo que se usó anteriormente para recolectar leña. Las cocinas solares se utilizan en áreas tan diversas como Chad, Israel, India y Perú.

Arquitectura solar

A lo largo del día, la energía solar es parte del proceso de convección térmica, o el movimiento de calor de un espacio más cálido a uno más frío. Cuando sale el sol, comienza a calentar objetos y material en la tierra. A lo largo del día, estos materiales absorben el calor de la radiación solar. Por la noche, cuando el sol se pone y la atmósfera se ha enfriado, los materiales liberan su calor nuevamente a la atmósfera.

Las técnicas pasivas de energía solar aprovechan este proceso natural de calefacción y enfriamiento.

Las casas y otros edificios utilizan energía solar pasiva para distribuir el calor de manera eficiente y económica. Calcular la "masa térmica" de un edificio es un ejemplo de esto. La masa térmica de un edificio es la mayor parte del material calentado durante todo el día. Ejemplos de la masa térmica de un edificio son madera, metal, concreto, arcilla, piedra o barro. Por la noche, la masa térmica libera su calor de vuelta a la habitación. Los sistemas de ventilación efectivos, las vías infantiles, las ventanas y los conductos de aire, distribuyen el aire calentado y mantienen una temperatura interior moderada y consistente.

La tecnología solar pasiva a menudo está involucrada en el diseño de un edificio. Por ejemplo, en la etapa de planificación de la construcción, el ingeniero o arquitecto puede alinear el edificio con el camino diario del sol para recibir cantidades deseables de luz solar. Este método tiene en cuenta la latitud, la altitud y la típica cubierta de nubes de un área específica. Además, los edificios pueden construirse o modificarse para tener aislamiento térmico, masa térmica o sombreado adicional.

Otros ejemplos de arquitectura solar pasiva son techos fríos, barreras radiantes y techos verdes. Los techos fríos están pintados de blanco y reflejan la radiación del sol en lugar de absorberla. La superficie blanca reduce la cantidad de calor que alcanza el interior del edificio, lo que a su vez reduce la cantidad de energía que se necesita para enfriar el edificio.

Las barreras radiantes funcionan de manera similar a los techos fríos. Proporcionan aislamiento con materiales altamente reflectantes, como papel de aluminio. La lámina se refleja, en lugar de absorber, calor y puede reducir los costos de enfriamiento hasta un 10 por ciento. Además de los techos y los áticos, las barreras radiantes también se pueden instalar debajo de los pisos.

Los techos verdes son techos que están completamente cubiertos de vegetación. Requieren tierra y riego para apoyar las plantas y una capa impermeable debajo. Los techos verdes no solo reducen la cantidad de calor que se absorbe o se pierde, sino que también proporciona vegetación. A través de la fotosíntesis, las plantas en techos verdes absorben dióxido de carbono y emiten oxígeno. Filtran contaminantes fuera del agua de lluvia y el aire, y compensan algunos de los efectos del uso de energía en ese espacio.

Los techos verdes han sido una tradición en Escandinavia durante siglos, y recientemente se han vuelto populares en Australia, Europa occidental, Canadá y Estados Unidos. Por ejemplo, la Ford Motor Company cubrió 42,000 metros cuadrados (450,000 pies cuadrados) de sus techos de plantas de ensamblaje en Dearborn, Michigan, con vegetación. Además de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, los techos reducen la escorrentía de aguas pluviales al absorber varios centímetros de lluvia.

Los techos verdes y los techos fríos también pueden contrarrestar el efecto "Isla de calor urbano". En las ciudades ocupadas, la temperatura puede ser consistentemente más alta que las áreas circundantes. Muchos factores contribuyen a esto: las ciudades están construidas de materiales como asfalto y concreto que absorben el calor; Los edificios altos bloquean el viento y sus efectos de enfriamiento; y las altas cantidades de calor de los residuos son generados por la industria, el tráfico y las altas poblaciones. El uso del espacio disponible en el techo para plantar árboles, o reflejar el calor con techos blancos, puede aliviar parcialmente los aumentos de temperatura local en las áreas urbanas.

Energía solar y personas

Dado que la luz solar solo brilla durante aproximadamente la mitad del día en la mayoría de las partes del mundo, las tecnologías de energía solar deben incluir métodos para almacenar la energía durante las horas oscuras.

Los sistemas de masa térmica utilizan cera de parafina o varias formas de sal para almacenar la energía en forma de calor. Los sistemas fotovoltaicos pueden enviar un exceso de electricidad a la red eléctrica local o almacenar la energía en baterías recargables.

Hay muchos pros y desventajas para usar energía solar.

Ventajas
Una gran ventaja para usar energía solar es que es un recurso renovable. Tendremos un suministro de luz solar constante e ilimitado por otros cinco mil millones de años. En una hora, la atmósfera de la Tierra recibe suficiente luz solar para alimentar las necesidades de electricidad de cada ser humano en la Tierra durante un año.

La energía solar está limpia. Después de construir y colocar el equipo de tecnología solar, la energía solar no necesita combustible para trabajar. Tampoco emita gases de efecto invernadero ni materiales tóxicos. El uso de energía solar puede reducir drásticamente el impacto que tenemos en el medio ambiente.

Hay lugares donde la energía solar es práctica. Las casas y edificios en áreas con altas cantidades de luz solar y baja cubierta de nubes tienen la oportunidad de aprovechar la abundante energía del sol.

Las cocinas solares proporcionan una excelente alternativa a la cocción con estufas de leña, en la que aún confían dos mil millones de personas. Las cocinas solares proporcionan una forma más limpia y segura de desinfectar agua y cocinar alimentos.

La energía solar complementa otras fuentes de energía renovables, como la energía eólica o hidroeléctrica.

Las casas o empresas que instalan paneles solares exitosos en realidad pueden producir un exceso de electricidad. Estos propietarios o empresarios pueden vender energía al proveedor eléctrico, reduciendo o incluso eliminando las facturas de energía.

Desventajas
El elemento disuasorio principal para usar energía solar es el equipo requerido. El equipo de tecnología solar es costoso. La compra e instalación del equipo puede costar decenas de miles de dólares para casas individuales. Aunque el gobierno a menudo ofrece impuestos reducidos a las personas y las empresas que utilizan energía solar, y la tecnología puede eliminar las facturas de electricidad, el costo inicial es demasiado elevado para muchos de los que se consideran.

El equipo de energía solar también es pesado. Para adaptarse o instalar paneles solares en el techo de un edificio, el techo debe ser fuerte, grande y orientado hacia el camino del sol.

La tecnología solar activa y pasiva depende de los factores que están fuera de nuestro control, como el clima y la cobertura de la nube. Las áreas locales deben estudiarse para determinar si la energía solar sería efectiva o no en esa área.

La luz solar debe ser abundante y consistente para que la energía solar sea una opción eficiente. En la mayoría de los lugares de la Tierra, la variabilidad de la luz solar dificulta la implementación como la única fuente de energía.