La energía solar es una fuente de energía renovable que se deriva de los rayos del sol. Se convierte directamente en electricidad a través de paneles solares fotovoltaicos. Los rayos solares, recolectados en superficies reflectantes, calientan un objeto en un proceso que crea energía solar térmica. La energía solar ha ganado popularidad desde la crisis del petróleo de la década de 1970 y los consumidores continúan confiando en los paneles solares para diversos fines en los Estados Unidos hoy en día.
Tipos de tecnologías de energía solar
Existen dos tipos de tecnologías de energía solar que tienen diferentes potenciales de éxito. Los paneles térmicos reflectantes, que concentran los rayos del sol para calentar un objeto, necesitan luz solar directa para funcionar correctamente. Los paneles solares fotovoltaicos planos pueden convertir la luz solar reflejada en superficies, como el suelo o las nubes, necesitando poca luz solar directa para funcionar correctamente.
Flujo de energía solar
A una distancia de la órbita de la Tierra desde el sol, un flujo promedio de 1,358 vatios de energía solar llena cada metro cuadrado de espacio sobre la atmósfera terrestre. En la superficie terrestre, este flujo solar se reduce a aproximadamente 990 vatios por metro cuadrado. La cantidad total de energía recibida por la Tierra del sol diariamente es de aproximadamente 18,000 teravatios, mientras que la demanda de energía mundial en la actualidad es de solo aproximadamente 9 teravatios.
Desafortunadamente, este flujo de energía no es tan útil como podría parecer a primera vista. En primer lugar, gran parte de este flujo solar cae sobre los océanos que cubren aproximadamente tres cuartas partes de la superficie del planeta. Los colectores de energía solar más eficientes disponibles comercialmente solo tienen una eficiencia del 25% en la producción de energía eléctrica de CC, por lo que un colector solar de este tipo basado en el espacio solo puede recolectar 380 vatios de energía, y cuando se monta en la superficie de la Tierra, un arreglo solar similar solo puede recolectar aproximadamente 280 vatios de energía. Estas células colectoras de energía solar altamente eficientes dependen de semiconductores costosos que utilizan germanio, arseniuro de galio e indio de fosfuro de galio, cada uno de los cuales absorbe energía solar a conjuntos específicos de longitudes de onda.
Una nueva tecnología llamada quantum dot promete aumentar la eficiencia al crear un semiconductor de cristal único que contiene cobre, indio y selenio, que algún día podría alcanzar una eficiencia de hasta el 65%. Desafortunadamente, la mayoría de los colectores solares económicos utilizados en la actualidad aún emplean silicio policristalino que solo ofrece eficiencias del 10% al 15%. Además, estos paneles solares terrestres solo pueden recolectar energía solar durante el día y tienen su eficiencia considerablemente reducida por la cobertura de nubes y el ángulo bajo del sol.
Aplicaciones de la energía solar
Hace aproximadamente cuarenta años, los físicos de la Universidad de Princeton comenzaron a diseñar arquitecturas para una red de satélites de energía solar basados en el espacio que recolectarían energía solar en el vacío del espacio exterior y la convertirían en energía de microondas que se transmitiría a rectenas en la superficie de la Tierra, donde se podría usar para alimentar la red eléctrica existente o para electrolizar agua de mar de manera económica para producir hidrógeno y oxígeno en celdas de combustible verdes para alimentar automóviles. Hoy en día, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) en el Pentágono continúa investigando la viabilidad de utilizar este método para proporcionar energía eléctrica económica y confiable para operaciones militares en todo el entorno.
En la actualidad, el hogar promedio en los Estados Unidos utiliza un poco más de 10 kilovatios en demanda máxima. Si fuera posible convertir el flujo solar que llega a la superficie de la Tierra en electricidad con una eficiencia del 63% utilizando la tecnología de quantum dot, cada hogar estadounidense podría ser alimentado por una matriz solar que mide no más de aproximadamente 25 metros cuadrados. Una red de satélites de energía solar basados en el espacio podría proporcionar cantidades aún mayores de energía solar para alimentar la red eléctrica existente o para permitir una economía de energía basada en el hidrógeno.
También se han hecho propuestas para cubrir los desiertos del suroeste de los Estados Unidos con colectores de energía solar a escala comercial, aunque esto conlleva el riesgo de impactos ambientales significativos en los frágiles ecosistemas desérticos. Por el momento, en la mayoría de las latitudes fuera del suroeste de los Estados Unidos, la energía solar sigue siendo una fuente de energía complementaria que espera inversiones en tecnologías y arquitecturas más eficientes.