Energía Solar: fundamentos, beneficios y aplicaciones

El cambio climático y sus consecuencias medioambientales están impulsando el uso y la transición energética de los combustibles fósiles a las fuentes de energía alternativas.

Quizá tu eres una de esas personas que esté pensando en usar energía solar en su hogar para ahorrar en el consumo eléctrico y, quizá, te estés preguntando ¿Qué es la energía solar?, ¿Qué beneficios y aplicaciones tiene?, en este artículo trato de darte respuesta a esas cuestiones.

La energía que recibimos del sol:

Para que tengas una visión de cuánta es la energía que recibe la tierra procedente del sol, piensa que cantidad de luz solar que incide en la superficie de la Tierra en solamente una hora y media, sería suficiente para cubrir el consumo energético de todo el planeta durante un año.

¿Qué es la energía solar?

Funcionamiento de la energía solar

La energía solar es una fuente de energía renovable que llega hasta nuestro planeta en forma de calor y de radiación electromagnética (fotones) procedente del Sol.

Esta energía puede emplearse de forma activa, para generar electricidad (energía fotovoltaica con paneles solares) o para elevar temperatura de fluidos (energía solar térmica con captadores térmicos y termosolar), o pasiva (orientación de viviendas, uso de galerías...).

Hay, por lo tanto, dos tipos principales de aprovechamiento de la energía solar, una sería la tecnología solar fotovoltaica y otra la tecnología solar térmica, que analizamos a continuación, además de la pasiva y la de concentración.

Energía solar térmica frente a fotovoltaica

Energía solar Fotovoltaica:

Una de las opciones de energía limpia que se está imponiendo en todo el planeta es la energía fotovoltaica que procede de la conversión de la energía procedente del Sol en electricidad, gracias al efecto fotoeléctrico que se produce gracias al silicio que compone las células solares.

Por tanto, la energía solar es una fuente de energía 100% renovable, limpia e inagotable que esta cambiando nuestras vidas y que forma parte de la transición energética que vive todo el planeta para dejar atrás los combustibles fósiles y reducir nuestro consumo energético con fuentes de energía contaminantes.

Hoy en día, es ya muy frecuente poner paneles solares para tener energía solar para una casa o en una empresa e industria.

¿Cómo funciona la energía fotovoltaica?

La clave está en el silicio:

El silicio de grado solar, de máxima pureza, tiene la propiedad de transformar la energía solar que recibe, en electricidad.

La célula solar:

La célula solar que incorporan todos los paneles solares, es, gracias al silicio del que están compuestas, donde se genera el efecto fotovoltaico .

Aunque ya hemos hablado en numerosas ocasiones sobre la células solares, recordamos que es un dispositivo electrónico con la facultad de convertir la radiación solar en energía eléctrica, o dicho de un modo más coloquial: es capaz de convertir energía solar en electricidad.

 

Célula solar SunPower
Ejemplo de una célula solar sin contactos delanteros fabricada por SunPower

 

La luz del sol, y la luz en general, está compuesta por unas partículas llamadas fotones. Estos fotones se comportan como una partícula cuando interactúa con materia, como puede ser una célula solar, a la que transfiere su energía.

Esta energía que pasa del fotón a la célula fotovoltaica, provoca que se genere en bornes de la célula solar, y de los paneles solares, una corriente eléctrica.

Un ejemplo:

Para tratar de comprenderlo mejor, podemos imaginar que una célula solar se comporta, cuando recibe la radiación del sol, de una forma similar a una pequeña pila, por lo que puede suministrar una corriente continua a los dispositivos conectados a ella mientras mantiene entre sus polos un voltaje determinado.

Por supuesto, si la energía generada por sol cesa, es decir, si deja de recibir radiación solar, la energía renovable solar producida por la célula y las placas solares fotovoltaicas que integran, también cesa.

Es decir, el fundamento de la tecnología fotovoltaica es que se necesita de la luz solar como materia prima.

¿Qué es el efecto fotovoltaico?

El efecto fotovoltaico se conoce desde finales del siglo XIX cuando Heinrich Hertz se percató que el arco voltaico que se origina entre dos electrodos conectados a alta tensión alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad.

Pero fue Albert Einstein quién años más tarde formuló la explicación teórica de dicho efecto, dando lugar a las bases tal como lo conocemos hoy en día.

Fue más tarde, en la década de los 50 del siglo XX, cuando se consiguieron realizar las primeras células solares con eficiencias de conversión apreciables y a partir de los años 70 comienza a comercializarse de un modo incipiente.

Tipos de aplicaciones:

Algunas aplicaciones típicas en el sector fotovoltaico:

  • Grandes Huertas Solares: Son centrales fotovoltaicas diseñadas para una gran capacidad de producir electricidad, estas instalaciones, con conexión a red, pueden abastecer poblaciones enteras conectadas a la red eléctrica o aisladas de la misma.
  • Instalaciones de autoconsumo fotovoltaico: En pleno desarrollo a nivel mundial, emplean la generación distribuida a partir de la energía solar, para abastecer a pequeñas poblaciones, empresas y para viviendas, provocando un importante ahorro energético. También son instalaciones con conexión a red.
  • Instalaciones autónomas (aisladas): Un tipo de sistema fotovoltaico donde, por motivos de no poder acceder a la red eléctrica, se utilizan baterías para poder abastecerse de energía. También existen kits de energía solar aunque no sean la opción más óptima.
  • Bombeo solar: Otra de las aplicaciones más habituales. Gracias a ella, se eleva el agua desde pozos para su posterior uso a nivel de regadíos y consumo humano.
  • Transporte marítimo: Muy frecuente el uso para barcos que necesitan un aporte extra de electricidad en sus travesías marítimas y con la energía solar logran ese cometido.
  • Para Autocaravanas: Al igual que los barcos, el uso de paneles solares para caravanas, es algo muy frecuente y que da un aporte extra de carga de baterías cuando el vehículo está parado.

Potencia nominal y Potencia pico en fotovoltaica:

En este tipo de instalaciones, se suele diferenciar entre potencia nominal y potencia pico:

  • La potencia pico hace referencia a la cantidad de kW que suman los paneles fotovoltaicos instalados.
  • La potencia nominal alude a la potencia del inversor, que siempre será igual o inferior a la pico.

Lo habitual es que la potencia instalada en paneles (potencia pico) sea entre un 10 y un 15% superior a la nominal del inversor, que es quien marca la potencia de la instalación.

El autoconsumo y la energía solar:

El autoconsumo es una de las formas de uso de la energía solar que más ventajas puede aportar a quien lo incorpore a su vivienda o empresa.

Debes tener en cuenta que el uso de la energía solar, en su formato de autoconsumo, implica que reducirás el consumo eléctrico de la red, ahorrarás en la factura eléctrica a final de mes e incluso puedes acogerte al balance neto.

Además, el gobierno español y las comunidades autónomas están siendo muy proactivas para fomento de este tipo de aplicación de la energía solar. Para ello, existen multitud de ayudas y subvenciones para la implantación de energía solar para autoconsumo en todo tipo de viviendas, edificios, comunidades energéticas, empresas .... etc.

¿Qué equipos que forman parte de una planta fotovoltaica?

Todas las instalaciones fotovoltaicas que funcionan con energía solar fotovoltaica estará compuesta por:

  • Paneles fotovoltaicos: También llamado campo de captación, pues es en ellas donde se capta la energía solar y se transforma en energía eléctrica.
  • Inversores solares: Su misión es transformar la corriente continua que proviene de las placas solares, en corriente alterna para su posterior uso.
  • Soportes de montaje: Para fijar los paneles en el tejado o en suelo.
  • Baterías: Para sistemas aislados de la red eléctrica o que necesitan acumular energía para horas que no hay sol y reducir el consumo.
  • Regulador de carga: Necesario para controlar la carga y descarga de las baterías en instalaciones aisladas (sin conexión a red).

Crecimiento Mundial:

La energía solar fotovoltaica ha experimentado un crecimiento exponencial en la última década. Junto a la eólica, son las fuentes de energía más baratas que existen y su penetración en el sector de generación eléctrica es ya un hecho imparable.

Como dato, la potencia fotovoltaica instalada en el mundo a final de 2018 se situaba en 495 GW, la Agencia Internacional de la Energía prevé que para 2040 se haya multiplicado por seis, hasta superar los 3000 GW (e incluso los 4.800 MW en su escenario más sostenible).

Energía solar Térmica:

La energía solar térmica es, al igual que la energía eólica, la fotovoltaica o la biomasa, una fuente de energía renovable y se utiliza generalmente para calentar agua (ACS y calefacción), es por lo tanto, lo que se podría denominar un calentador solar. Es de aplicación tanto en viviendas como en empresas.

Funcionamiento:

Partes de un panel solar térmico

Un panel solar térmico tiene en su interior un tubo que lo recorre y por el que circula agua con anticongelante o algún fluido portador de calor, al recibir la radiación solar, el líquido se calienta y puede utilizar esa energía (calor) para diferentes aplicaciones.

Ventajas:

  • La energía solar térmica es más eficiente que la energía solar fotovoltaica y, de hecho, pueden tener una eficiencia del 70% mientras que en la fotovoltaica rara vez encontramos paneles solares de más eficiencia que 21-22%.
  • La tecnología es menos compleja que la fotovoltaica.
  • Es una solución óptima para el calentamiento de agua (agua caliente solar).

Desventajas:

  • La energía solar térmica posee menos aplicaciones que la fotovoltaica. Generalmente son placas solares para calentar agua, bien para "agua caliente sanitaria (o ACS)" y calefacción solar.
  • Su mantenimiento es más complejo que los fotovoltaicos, entre otras cosas, por su exposición a la corrosión implícita a su funcionamiento.
  • Otra consecuencia de su uso para agua caliente solar es que, debido también a la corrosión, su esperanza de vida no suele superar los 10 años.

Situación actual:

Debido a la expansión fotovoltaica, a su reducido precio y su multitud de aplicaciones (incluido calentar agua), la térmica está perdiendo aplicación en favor de su hermana fotovoltaica.

¿Qué dice el código técnico de la edificación?

El Código Técnico de la Edificación, Real Decreto 314/2006, contiene un documento dedicado expresamente al ahorro de energía.

En dicho documento, su parte 4 ha estado dedicada desde un principio a la implementación de la energía solar térmica en la edificación, denominándose “DB-HE4 Contribución solar mínima de agua caliente sanitaria”, aunque en la última edición ha adoptado el nombre de “Contribución mínima de energía renovable para cubrir la demanda de agua caliente sanitaria”.

Anteriormente, se exigía “una contribución mínima de energía solar térmica en función de la zona climática y de la demanda de ACS”; pero, ahora es posible justificarlo “empleando en gran medida energía procedente de fuentes renovables o procesos de cogeneración renovables; bien generada en el propio edifico o bien a través de la conexión a un sistema urbano de calefacción”.

Por lo que no especifica que sea necesariamente con el uso de captador solar térmico y deja abierta la puerta a otras fuentes de origen renovable, como la fotovoltaica, y que de hecho es lo que más se está haciendo. Recuerda las diferencias entre panel solar térmico y panel solar fotovoltaico.

Más información relacionada:

Puede que también te resulte de interés conocer otros aspectos como cuanta energía produce un panel solar, que curso de energía solar es más recomendable, o que empresas de energía solar puedes encontrar:

Energía solar de concentración (CSP) o Termosolar:

ejemplo de central de energía solar de concentración
Ejemplo de central de energía solar de concentración

Las plantas de energía de concentración se implantan en grandes superficies de terreno y utilizan espejos para concentrar la energía del sol en una torre principal, donde, por la concentración del calor generado por la luz solar proyectado desde los espejos, se accionan turbinas o motores de vapor que crean electricidad.

Se puede entender como un "híbrido" entre solar térmica (por que usa el calor para activar las turbinas) y solar eléctrica (por qué esas turbinas generan a su vez electricidad).

Una gran ventaja es que la energía térmica concentrada en una central termosolar puede almacenarse, durante un tiempo, y utilizarse para producir electricidad cuando se necesite, de día o de noche.

Son, como ya he explicado, grandes plantas de generación de electricidad, no instalar en para casas o empresas, puesto que las dimensiones que se necesitan para su funcionamiento son muy importantes, de, por ejemplo 60 hectáreas o más.

Energía solar Pasiva:

Resumen de una casa solar pasiva

La arquitectura basada en el uso de la energía solar pasiva aprovecha el emplazamiento, el clima y los materiales de un edificio para minimizar el uso de energía. Una casa solar pasiva bien diseñada, reduce los consumos de calefacción y refrigeración de la vivienda mediante estrategias de eficiencia energética con energía solar.

Aún teniendo muchas ventajas, es muy importante evitar el sobredimensionamiento de los ventanales orientados al sur y asegurarse de que éstos estén debidamente sombreados en primavera y verano para evitar el sobrecalentamiento y el aumento de las cargas de refrigeración en dichas estaciones.

La eficiencia energética es lo primero:

Antes de añadir elementos solares al diseño de una nueva casa o a una existente, hay que recordar que la eficiencia energética es la estrategia más rentable para reducir las facturas de calefacción y refrigeración.

Es un hecho que soluciones como la energía solar pasiva ayudan mucho a reducir el consumo energético de la vivienda, pero siempre debe analizarse y dimensionarse en su justa medida.

Por ese motivo, recomendamos siempre elegir profesionales con experiencia en el diseño y la construcción de casas energéticamente eficientes y trabajar activamente con ellos para optimizar la eficiencia energética de su casa.

Si lo que nos planteamos es remodelar una casa ya existente, el primer paso es realizar una auditoría energética de la casa para priorizar las mejoras de eficiencia energética más rentables.

Selección del emplazamiento:

Si estás pensando en construir una nueva casa con energía solar pasiva, la fachada sur de tu casa debe tener una "vista" sin obstáculos del sol.

Hay que visualizar bien los posibles futuros usos que pueden obstaculizar esa fachada al sur, como por ejemplo:

  • Los árboles que ahora son pequeños se convierten en árboles altos en unos años.
  • Un futuro edificio de varios pisos puede bloquear el acceso de su casa al sol.

Cómo funciona un diseño de casa solar pasiva:

En términos sencillos, una casa solar pasiva recoge el calor cuando el sol brilla a través de las ventanas orientadas al sur y lo retiene en materiales que almacenan el calor, conocidos como masa térmica.

La parte del consumo de calefacción de la casa que el diseño solar pasivo puede cubrir se denomina fracción solar pasiva, y depende de la superficie de acristalamiento y de la cantidad de masa térmica. Como es lógico, la proporción ideal entre masa térmica y acristalamiento varía según el clima y el emplazamiento de la vivienda.

Elementos básicos de una casa con energía solar pasiva:

Para tener éxito en el diseño de una casa con energía solar pasiva, esta debe incluir algunos elementos básicos que funcionen juntos:

  • Ventanas bien orientadas: Normalmente, lo recomendable es que las ventanas deben estar orientadas a menos de 30 grados de desviación respecto al Sur y no deben recibir la sombra de otros edificios o árboles durante la temporada de necesidades de calefacción, desde las 9 de la mañana hasta las 3-4 de la tarde cada día. Durante la primavera y el verano, las ventanas deben estar a la sombra para evitar el sobrecalentamiento. También es importante mantener limpios los cristales de las ventanas.
  • Masa térmica. La masa térmica de una casa solar pasiva -por lo general, hormigón, ladrillo, piedra y baldosas- absorbe el calor de la luz solar durante la temporada de necesidades de calefacción y absorbe el calor del aire caliente de la casa durante la temporada de refrigeración. Debemos siempre de asegurarnos de que los objetos no bloquean la luz solar sobre los materiales que actúan como masa térmica.
  • Mecanismos de distribución. El calor solar se transfiere, desde el lugar donde se recoge y almacena, a las distintas zonas de la casa por conducción, convección y radiación. En algunas casas, podemos encontrar incluso pequeños ventiladores que ayudan a distribuir el calor aunque no es la solución más eficiente. La conducción se produce cuando el calor se mueve entre dos objetos que están en contacto directo, como cuando un suelo calentado por el sol calienta los pies. La convección es la transferencia de calor a través de un fluido, como el aire o el agua, y las casas solares pasivas suelen utilizar la convección para trasladar el aire de las zonas más cálidas al resto de la casa. La radiación es lo que se siente cuando se está junto a una estufa de leña o una ventana soleada y podemos sentir el calor. Los colores más oscuros absorben más calor que los claros (como cuando vestimos ropas oscuras y notamos más calor), y son una mejor opción para la masa térmica en las casas solares pasivas.
  • Estrategias de control. Los voladizos del tejado de tamaño adecuado pueden dar sombra a las ventanas verticales del sur durante los meses de verano. Otros métodos de control son los dispositivos electrónicos de detección, como un termostato diferencial que indique el encendido de un ventilador, las rejillas de ventilación, las persianas de baja emisividad, las persianas aislantes y los toldos.

Perfeccionar el diseño:

Aunque sea conceptualmente simple, el éxito de una casa solar pasiva requiere que se equilibren una serie de detalles y variables.

Un instalador experimentado puede utilizar un modelo informático para simular los detalles de una casa solar pasiva en diferentes configuraciones hasta que el diseño se adapte al emplazamiento, así como al presupuesto, las preferencias estéticas y los requisitos de rendimiento del propietario.

Algunos de los elementos que un diseñador de casas solares pasivas serían:

  • Aislamiento y sellado del aire
  • Ubicación de las ventanas, tipo de acristalamiento y sombreado de las mismas
  • Ubicación y tipo de masa térmica.
  • Sistemas auxiliares de calefacción y refrigeración.

El instalador encargado del diseño de la vivienda, tendrá que aplicar estos elementos utilizando técnicas de diseño solar pasivo que incluyen ganancia directa, ganancia indirecta y ganancia aislada.

Ganancia directa

En un diseño de ganancia directa, la luz solar entra en la casa a través de las ventanas orientadas al sur e incide en los suelos y/o paredes, que absorben y almacenan el calor solar. Cuando la habitación se enfría durante la noche, la masa térmica libera el calor en la casa.

Existen otras opciones, menos frecuentes, como por ejemplo la colocación de recipientes llenos de agua situados en el interior de la vivienda para absorber y almacenar el calor solar.

Aunque el agua almacena el doble de calor que los materiales de mampostería por pie cúbico de volumen, el almacenamiento térmico de agua requiere un soporte estructural cuidadosamente diseñado. Una ventaja del almacenamiento térmico de agua es que puede instalarse en una vivienda existente si la estructura puede soportar el peso.

Ganancia indirecta (muro Trombe):

Ejemplo Muro Trombe

Una casa de ganancia indirecta tiene su almacenamiento térmico entre las ventanas orientadas al sur y los espacios habitables. El método de ganancia indirecta más común es el muro Trombe.

El muro trombe consiste en una pared de mampostería  en el lado sur de una casa y, una capa simple o doble de vidrio montada delante del muro de color oscuro que absorbe el calor solar, y que se almacena en la masa del muro. El calor circula a través de la pared y se irradia al espacio habitable.

Ganancia aislada (espacios solares):

El diseño más común de una casa solar pasiva con ganancia aislada es un espacio solar, que puede cerrarse, de la casa con puertas y ventanas. También conocido como cuarto de sol, habitación solar o solárium, un espacio solar puede incluirse en el diseño de una casa nueva o añadirse a una casa existente.

Los espacios solares no deben confundirse con los invernaderos, diseñados para cultivar plantas. Los espacios solares cumplen tres funciones principales: proporcionan calor auxiliar, un espacio soleado para cultivar plantas y una agradable zona de estar dentro de la vivienda.

Conclusiones sobre la energía solar pasiva:

Una casa solar pasiva es una excelente solución para un ahorro energético y uso eficiente de los recursos energéticos afines a una vivienda.

Pero siempre debe ser realizado por diseñadores especializados en técnicas solares pasivas, debido a que requiere un estudio concienzudo de cada caso y con soluciones también particulares dependiendo si se trata de viviendas nuevas o remodelaciones.

¿Qué ventajas tiene utilizar la energía solar?

Aunque son muchos, vamos a resumir algunos de los beneficios del uso de la energía solar:

  • Es de origen natural y renovable, por lo que no contamina y no emite CO2 a la atmósfera.
  • Es, en la actualidad, la fuente de energía más barata que existe.
  • Sirve para proporcionar calor (solar térmica) y electricidad (fotovoltaica).
  • Disponibilidad en cualquier momento, durante las horas de sol, o también, si se ha almacenado en baterías, a cualquier hora del día.
  • Es modular y fácil de instalar en cualquier tejado o en grandes plantas fotovoltaicas.
  • No produce ruidos y su impacto visual es mínimo (si se ha hecho una buena integración arquitectónica).
  • El mantenimiento de instalaciones solares es barato y sencillo.
  • Ayuda a preservar el medio ambiente y a la transición energética por un futuro verde.
  • Genera riqueza local y puestos de trabajo para profesionales instaladores, fabricantes y mantenedores de instalaciones.
  • No produce emisiones de efecto invernadero, por lo que es una de las soluciones contra el calentamiento global.

Sobre Nosotros:

SunFields es una empresa de energía solar con más de 10 años de experiencia en la distribución de equipos fotovoltaicos.

Autor / Redactor:

José Alfonso Alonso Lorenzo

José Alfonso Alonso Lorenzo

Profesional Fotovoltaico desde 2006.

  • Ingeniero técnico Industrial por la Escuela Politécnica de Ferrol.
  • Experto en Solar Fotovoltaica por el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas de Madrid en 2009-2010.
  • Experto Profesional en Energía Fotovoltaica, por la UNED 2010-2011.
  • Gerente y Responsable de Compras en SunFields Europe desde 2010.
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