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Energía solar


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Origen

Los Recursos Energéticos como el carbón y el petroleo son cada vez menores. Si a esto le sumamos su alto grado de contaminación ambiental y la dependencia que de ellos poseemos nos vemos obligados a pensar en cambiar rápidamente hacia formas de energía menos contaminantes y con recursos renovables.

El Sol nos brinda una alternativa que, de ser aprovechada, provocaría grandes cambios en nuestra forma de vida.

Se calcula que el Sol tiene unos 5.000 millones de años y que se formó a partir de una gran nube de gas y polvo, de la cual también se originaron la Tierra y los otros planetas. La atracción gravitatoria liberó energía y calentó el primitivo Sol. 

El calor es producido por el movimiento de los átomos y de las moléculas: cuanto mayor es la temperatura, mayor es su velocidad y sus colisiones son más violentas. Cuando la temperatura en el centro del Sol recién formado se elevó lo suficiente como para que las colisiones entre los núcleos venciesen a su repulsión eléctrica, los núcleos empezaron a  juntarse y los protones se combinaron en helio, durante este proceso algunos protones se convirtieron en neutrones (más los positrones, electrones positivos, que se combinan con los electrones y se destruyen). Esto  libera energía nuclear y mantiene la alta temperatura del centro del Sol; el calor también mantiene alta la presión del gas, manteniendo el Sol hinchado y neutralizando la atracción gravitatoria que no lo concentra más.

En términos muy simples este es el tipo de proceso que tiene lugar dentro del Sol. Predominan diferentes reacciones nucleares durante las diferentes etapas, incluyendo la reacción protón-protón y el ciclo carbón-nitrógeno que implica a los núcleos pesados, pero cuyo producto final sigue siendo la combinación de protones para formar helio. 

Una rama de la física, el estudio de la "fusión nuclear controlada", ha intentado desde 1950 obtener potencia útil de las reacciones de "fusión nuclear" combinando núcleos pequeños para formar otros mayores, potencia que calentará unas calderas, cuyo vapor podrá hacer girar turbinas que produzcan electricidad. Desgraciadamente, los laboratorios terrestres no pueden compararse con la potencia solar, la gran masa solar cuyo peso mantiene el plasma caliente comprimido y confinado en el "horno nuclear" del centro del Sol.. En su lugar, los físicos usan potentes campos magnéticos para confinar el plasma y como combustible usan formas pesadas de hidrógeno, que se "quema" más fácilmente. Aún así, las trampas magnéticas son más bien inestables y el plasma suficientemente caliente y denso para experimentar la fusión nuclear, tiende a deslizarse fuera de ellas después de un corto período de tiempo. Aún con artilugios ingeniosos, el confinamiento, en la mayoría de los casos, dura una pequeña fracción de segundo. 

El Sol actual se compone mayoritariamente de hidrógeno. El suministro de combustible que duró los primeros 15.000 millones de años, durará otros tantos más. 

La evolución de las estrellas

Cada estrella que vemos en el cielo nocturno es un sol: algunas son mayores que el nuestro, otras son menores, algunas están en los comienzos de su evolución, otras al final y otras han evolucionado completamente diferente, por una variedad de razones. El telescopio permite a los astrónomos observar y comparar las estrellas de tamaños diferentes, en etapas diferentes de su evolución. Su espectro liso nos habla de sus temperaturas, sus líneas espectrales nos revelan algo de su composición y basado en esto se ha formulado una teoría general de su "evolución estelar", que se aplica también a nuestro Sol, una estrella típica de "secuencia principal". 

Todas estas estrellas queman hidrógeno para formar helio, donde "quemar" significa el proceso nuclear, no el proceso químico (completamente inadecuado) del fuego. Las estrellas pequeñas duran más y muchas son oscuras; pero cualquiera que sea el tamaño de la estrella, finalmente se le acaba el hidrógeno. Pueden liberar energía "quemando" núcleos pesados y combinándolos en otros mayores, hasta el hierro: la teoría sugiere que ocurre esto, pero proporciona mucha menos energía y lo alarga mucho la vida de la estrella. Cuando se consume todo su combustible, la gravedad se vuelve de nuevo la forma de energía dominante y la estrella comienza su colapso hacia dentro.

La Tierra mantiene su tamaño porque su gravedad no es lo suficientemente fuerte para aplastar los minerales de que consiste. No es así en una estrella lo suficiente masiva como para mantener su "quemado" nuclear. Una estrella pequeña puede aplastar sus átomos juntos, creándose una "enana blanca", p.e. con la mitad de la masa del Sol, pero solo tan grande como la Tierra. Continúa liberando algo de energía (por eso es "blanca"), pero finalmente, la estrella probablemente se convierte en una ceniza oscura. 

Supernovas

Las estrellas tan grandes como el Sol tienen suficiente energía como para aplastar no solo los átomos sino también los núcleos, comprimiendo toda su materia en una esfera de quizás 15 kilómetros de diámetro. Después de su colapso se convierten en "estrellas de neutrones" y constan solo de neutrones (cambian de forma todos los protones), núcleos gigantes tan densos como los de los átomos. Se libera una gigantesca cantidad de energía en el colapso final que es muy rápido, lanzando las capas superiores de la estrella y produciendo elementos más pesados. 

Este evento catastrófico se conoce como una explosión supernova (técnicamente, una "supernova tipo 2 "). Tycho Brahe fue afortunado por ver una que ocurrió en nuestra galaxia, brillando más que Venus y visible hasta de día. Los chinos observaron una en el año 1054, en la constelación de Cáncer del zodíaco y también otra ocurrida en tiempos de Kepler. Desde entonces, no obstante, no se ha visto ninguna que haya ocurrido cerca de la Tierra. La más notable de este tipo se observó (muy extensamente) en 1987 en la Gran Nube de Magallanes, una pequeña galaxia cercana a nosotros (vea la imagen superior; la nube interior es la producida por la explosión, los anillos parecen más viejos). 

El material lanzado por la explosión de una supernova finalmente se esparce por el espacio y algo de él se concentra en nubes de polvo y gas que posteriormente forma nuevos soles y planetas. Todos los elementos sobre la Tierra más pesados que el helio (excepto, posiblemente, una pequeña cantidad de litio) debieron de llegar de esta forma: productos del "quemado" nuclear en algunas estrellas pre-solares, liberados o creados en la explosión de acompañó a su colapso final. Nuestros cuerpos están hechos de restos estelares, el carbón, el oxígeno, el nitrógeno, y los demás han sido producidos por fusión nuclear. 

Al igual que los "restos de la supernova" liberados en el colapso, la suerte de una supernova depende de su masa. Una estrella algo mayor que el Sol (y posiblemente el Sol, también) puede producir una estrella de neutrones residual y si giraba originalmente alrededor de su eje, esa rotación aumentará enormemente; la supernova restante del año 1054 (su nube eyectada, la nebulosa del Cangrejo, se ve a la izquierda) gira a unas ¡30 revoluciones por segundo! El campo magnético de la estrella original también se amplificará enormemente y los fenómenos asociados pueden emitir ondas de radio. Los Pulsares, fuentes de radio pulsantes con períodos de pulsación muy estables, se producen de esta forma. 

Una estrella mucho mayor que el Sol se colapsará aún más y se convertirá en un agujero negro. Solo se puede adivinar y calcular lo que ocurre allí, ya que no se puede observar: su gravedad en el estado de colapso es tan grande que no emite luz ni ninguna información hacia el espacio exterior. Aunque los astrónomos no pueden ver estos objetos, tienen evidencias considerables de que existen, al menos en algunos lugares, incluyendo quizás un agujero negro muy masivo en el centro de nuestra galaxia, y probablemente en el centro de otras galaxias, ayudando a mantenerlas unidas.

Usos posibles de la energía solar

    • Calefacción domestica

    • Refrigeración

    • Calentamiento de agua

    • Destilación

    • Generación de energía

    • Fotosíntesis

    • Hornos solares

    • Cocinas

    • Evaporación

    • Acondicionamiento de aire

    • Control de heladas

    • Secado

Se han ensayado todos los usos citados de la energía solar en escala de laboratorio, pero no se han llevado a la escala industrial. En muchos casos, el costo de la realización de estas operaciones con energía solar no pueden competir con el costo cuando se usan otras fuentes de energía por la gran inversión inicial que es necesaria para que funcionen con energía solar y por ello la mayor parte de los estudios de los problemas de utilización de esta energía esta relacionado con problemas económicos.

Las instalaciones solares pueden considerarase clasificadas por tres tipos de aplicación. Primero, hornos solares, usados como medio de laboratorio para obtener altas temperaturas en diversos estudios y propuestos para usos semi industriales. En segundo lugar los usos potenciales de disposiciones solares sencillas, como cocinas, refrigerantes y bombas de irrigación en regiones no industrializadas, con radiación segura y en donde los actuales recursos de energía no son satisfactorios o resulten caros. Un tercer grupo de aplicación de energía solar podrá competir en el futuro económicamente con otras fuentes de energía en algunas zonas de países industrializados, como los EE.UU., si los adelantos técnicos en este campo o los cambios en el costo de la energía de otras fuentes llegan a alterar su costo relativo.

Los problemas con que se tropieza para recoger la energía solar, almacenarla y usar la energía resultante, son los mismos para numerosos usos potenciales de esta fuente de energía y se estudian uno por uno en lo que sigue. la discusión acerca de los usos posibles se estudia mas adelante.

Aplicaciones de la energía solar

En lo que sigue se discuten mas detalladamente los principios expuestos en relación con las diferentes aplicaciones de la energía solar para calefacción, enfriamiento y refrigeración de recintos, evaporación y destilación, generación de energía, hornos solares y diferentes usos.

Calefacción solar como medio de bienestar

La calefacción solar tiene interés principalmente por dos razones; en primer lugar, la calefacción para bienestar importa en los EE.UU. aproximadamente un tercio de las demandas totales de energía para calefacción, y en segundo lugar, las módicas temperaturas empleadas para calefaccionar recintos permiten uso de colectores de plancha plana que funcionan a temperaturas relativamente bajas y con rendimiento razonablemente bueno. Los estudios de calefacción domestica indican que el colector de plancha plana orientado en la posición indicada e incluido en la estructura del edificio como parte integrante de ella, es el tipo de colector para esta aplicación. El almacenamiento de calor por transiciones de fase en productos químicos, por calentamiento de lechos de guijarros, con colectores de aire o mediante tanques de agua con colectores calentadores de agua.

El tamaño del colector y el numero de unidades de almacenamiento se determinan por la carga de calefacción del edificio, el análisis del tiempo solar y los costos de combustible. Un simple análisis indica el almacenamiento de calor suficiente que se requiere para satisfacer las demandas calorificas del edificio durante el periodo nublado mas largo previsto, basado en el registro de datos meteorológicos, si la carga de calefacción ha de provenir totalmente de la energía solar. En el norte de los EE.UU., por ser los ciclos del tiempo muy variables, no es económicamente practico confiar en la energía solar para toda la carga de calefacción; los análisis indican que deben utilizarse fuentes de calor auxiliares. Estudios detallados del tiempo solar y de los factores económicos, realizados por Hottel y sus colaboradores en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, indican que en Cambridge el sistema de calefacción solar mas económico es el que proporciona dos tercios de la carga de calefacción.

Enfriamiento y refrigeración

El uso de energía solar para enfriamiento de recintos o acondicionamiento de aire tiene atractivo porque hay una buena relación entre el suministro de energía y la demanda de enfriamiento y por la posibilidad de usar una parte de todo el sistema de calentamiento solar para el acondicionamiento del aire. Se han propuesto varios sistemas básicos para el acondicionamiento de aire por energía solar, entre ellos los sistemas de deshumectacion y de enfriamiento por absorción de calentados por el sol.

Un esquema de deshumectador activado por el sol, en el cual como desecante se usa trietilenglicol, es el que la figura 4. El aire que ha de circular en el espacio acondicionado se deshumedece en una cámara de rociado donde se pone en contacto con el trietilenglicol concentrado y frío.

La solución de glicol absorbe humedad del aire y vuelve a circular por cambiadores temidos adecuados hasta una cámara de rociado y despojo donde se pone en contacto con el aire calentado por el sol y se seca para volver a circular hacia el absorbedor de la corriente de aire que circula hacia la casa y se devuelve a la atmósfera en el aire calentado por el sol que atraviesa la cámara de despojo. Puede usarse un refrigerante de evaporación para enfriar el aire seco. Este tipo de unidad seria útil e regiones de humedad relativamente alta.

Se ha propuesto el uso de un sistema de refrigeración mecánico en el que trabajo de compresión se hace por un motor que funciona por la energía del sol, y en el cual el acondicionamiento del aire o del refrigerante seria de diseño convencional. Estos sistemas tiene el inconveniente de que se necesita conversión de energía calórica a mecánica. Otro método es el uso de calor en los refrigerantes de tipo de absorción. La figura 5 es un diagrama de un ciclo posible para refrigeración por absorción de un sistema de tipo solar. la energía del sol se usa para calentar un fluido que circula por un generador o rehervidor de la unidad de refrigeración por absorción. La unidad de absorción funciona de modo corriente, como en acondicionador de aire por gas de Servel, con las modificaciones necesarias en el diseño según el nivel de temperatura de que se puede disponer con los colectores que se usan. También seria posible usar el colector solar como rehervidor o generador y evitar de este modo el uso de un fluido intermedio para la transferencia de calor y de un cambiador térmico.

 

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