HISTORIA DE LA ENERGÍA SOLAR
Mencionaremos dos tipos de aprovechamiento de la Energía Solar; la Térmica, que se utiliza básicamente para agua caliente sanitaria (ACS), calefacción o atemperamiento de piscinas y la Fotovoltaica, que convierte la radiación solar en energía eléctrica.
Consideraremos también la arquitectura bioclimática, que tiene en cuenta las condiciones climatológicas de cada lugar donde se construirá una nueva vivienda, como así también la luz natural.
Es imposible determinar cuando el hombre comenzó a aprovechar los beneficios de la energía solar térmica. Desde la prehistoria, por el solo hecho de calentarse exponiéndose a los rayos solares, o de la misma forma deshidratar vegetales y hortalizas para conservarlas por más tiempo, implica que supo aprovechar la energía solar térmica.
Avancemos en el tiempo hasta el momento en que el hombre se valió de distintos elementos para lograr una mayor intensidad de los rayos solares y así mejorar su aprovechamiento.
Por algunas tablillas de arcilla halladas en Mesopotamia, se sabe que hacia el año 2000 antes de J.C. las sacerdotisas encendían el fuego sagrado de los altares mediante espejos curvados de oro pulido.
En Egipto, hacia el año 1450 antes de J.C., existían unas estatuas sonoras del faraón Amenhotep III. El sonido producido por estas estatuas era consecuencia del aire calentado en sus enormes pedestales, que eran huecos, y que comunicaban con el exterior por un orificio muy pequeño.
La gran mayoría de nosotros hemos utilizado una lupa para concentrar los rayos solares en un punto y así encender fuego. Los griegos del siglo lll A.C. fabricaron una parábola de metal pulido llamada Skaphia. En esa época no entendían la naturaleza de la radiación solar, es por ello que ese artefacto se exponía al sol en días soleados en que practicaban rituales religiosos y el fuego obtenido se consideraba un prodigio de los Dioses.
En la actualidad y en conmemoración de los orígenes griegos de la celebración de las olimpíadas, se utiliza una Skaphia moderna para encender la antorcha olímpica que luego se lleva a la ciudad sede de dichos juegos.
Entre los años 213-211 A.C. los romanos sitiaron la ciudad griega de Siracusa. La historia cuenta como el primer uso militar de la energía solar para destruir las naves atacantes con el llamado “rayo de calor”. El sabio Arquímedes, dispuso una serie de espejos (posiblemente a partir de los escudos de bronce) sobre las murallas de la ciudad, que orientados adecuadamente concentraban el calor del sol en las naves romanas. Esta concentración solar provoco que dichas naves se incendiaran y fueran destruidas en poco tiempo. Se dice que gracias a este “rayo” se logró repeler el ataque romano.
El vidrio coloreado se había usado durante siglos, pero recién en el siglo I se produjo el vidrio transparente, que los romanos comenzaron a utilizar para permitir la entrada del sol y así templar sus casas, para construir invernaderos para tener más cosechas en el año o para cultivar plantas exóticas traídas de los confines del imperio.
El interés por la capacidad calorífica del sol también fue demostrado por Leonardo Da Vinci. Comenzó uno de sus más grandes proyectos para producir calor industrial y vapor partiendo del calor del sol. Fue solo un proyecto ya que nunca lo termino y solo se conoce por sus notas donde proyectaba un gran concentrador de 6 km de diámetro con espejos cóncavos.
Ehrenfried Von Tschirnhaus (1651-1700), que era miembro de la Academia Nacional Francesa de la Ciencia, logró fundir materiales cerámicos mediante la utilización de una lente de 76 cm. de diámetro.
George Louis Leclerc (1707-1788) fabricó un horno solar compuesto por 360 espejos con un foco común e hizo una demostración en los jardines del Palacio de Versalles, encendiendo una pila de leña a 60 m.
En el año 1767, el científico suizo Horace de Saussure, conocedor del efecto invernadero, que se produce en todo espacio cerrado que cuenta con una apertura acristalada que permite el paso de la radiación solar, fabrica lo que denomina “caja caliente” con todo su interior pintado de negro y recubierta con una capa aislante para retener el calor de su interior. Como resultado logró alcanzar los 160ºC. Había construido el primer colector solar, a partir del cual surgieron todos los desarrollos posteriores de colectores o calentadores solares de placa plana, que hoy le permiten tener agua caliente a millones de personas en todo el mundo, como así también las cocinas u hornos solares.
Antoine Lavoisier (1743-1794), célebre químico francés descubridor del oxígeno experimentó con lentes de 130 cm. de diámetro y fundió el platino, cuyo punto de fusión es de 1768ºC.
En el año 1792, el químico francés Lavoisier crea su “horno solar”, que consistía en dos poderosas lentes que concentraban los rayos solares en un punto, alcanzando altas temperaturas para fundir metales.
Durante su estancia en el Cabo de Buena Esperanza en Sudáfrica en el año 1830, el astrónomo inglés Sir John Herschel fabricó una “caja caliente” y al observar las altas temperaturas que superaban el punto de ebullición, colocó en su interior huevos, carne, comida diversa, comprobando que todo quedaba perfectamente cocinado una vez transcurrido el tiempo necesario.
John Herschell, hijo del célebre astrónomo británico William Herschell, descubridor del planeta Urano, utilizó colectores solares de dos cubiertas también para cocinar alimentos, obteniendo en 1837 un prototipo que alcanzaba los 1160ºC.
También hizo un importante aporte a la energía solar térmica el ingeniero francés Auguste Mouchot. En el año 1861 creó un nuevo modelo de cocina solar consistente en un depósito negro cubierto de vidrio, el cual era expuesto al sol. Para lograr una mayor concentración de la radiación solar le agrego un espejo cilindro parabólico que reflejaba la radiación solar hacia el lado no expuesto del depósito. De esta forma alcanzó elevadas temperaturas que le permitieron cocinar.
Mouchot, convencido que el carbón no podría sostener el desarrollo industrial de la época, se dedicó a investigar las aplicaciones industriales de la energía solar, comprendiendo que esta era abundante y gratis.
Es así que desarrolló y fabricó una máquina de vapor alimentada por energía solar. Consistía en una gran pantalla parabólica recubierta de espejos que concentraban la radiación solar en un solo punto, generando calor suficiente para activar un motor a vapor. Debido al éxito de su invento fue contratado para instalar varias turbinas en la Argelia francesa.
Abel Pifre, que durante años fue pupilo de Mouchot, utilizando un sistema de captación similar a los realizados con su maestro, desarrolló la primera imprenta accionada gracias a la energía solar.
Por esos años, la extracción del carbón se perfeccionó y se abarató, como consecuencia la fuente de energía solar se consideró cara y fue abandonada para fines industriales.
En el año 1874, el inglés Charles Wilson diseñó y dirigió la construcción en el desierto de Atacama en Chile, de una planta para la destilación del agua marina. Esta instalación de la Salitrera Lastenia Salinas producía 22.500 litros diarios y funcionó hasta el año 1907. Es la primera central de estas características en el mundo, cubriendo una superficie de 4000 m².
El primer colector cilíndrico-parabólico fue ideado por el norteamericano John Ericsson en 1883.
A lo largo del siglo XIX, para el calentamiento del agua de baño se utilizaban sistemas a carbón o gas, resultando ser costosos y peligrosos. Surge en EEUU la idea de dejar contenedores pintados de negro, expuestos al sol para calentar agua, tarea que requería de varios días y por la noche se enfriaba. Es así que se siguieron perfeccionando los sistemas hasta que, en el año 1891, Clarence Kemps, patenta y saca al mercado estadounidense el calentador de agua “Clímax”, combinando el principio de la caja caliente con los tanques expuestos al sol, logrando mayor cantidad de agua caliente a mayor temperatura y que se conservaba por mayor tiempo.
Hacia finales del siglo antepasado existía ya un cierto interés por la energía solar, puesto de manifiesto por las diversas revistas científicas de la época.
A principios del siglo pasado la utilización de la energía solar tuvo especial Interés en Estados Unidos, principalmente en California, donde se hicieron algunos trabajos y estudios en colaboración con astrónomos, construyéndose algunos prototipos de grandes dimensiones. El abaratamiento de los combustibles, como consecuencia de la I Guerra Mundial, dio al traste con todos estos trabajos.
Un ejemplo de los aludidos fue el colector del portugués Himilaya en San Louis (Missisipi) del año 1904, con un factor de concentración de 2000, destinado a fundir metales, así como un colector cónico realizado por el norteamericano Eneas, contemporáneo del anterior.
En 1913, los también norteamericanos Shuman y Boys Instalaron, primero en Filadelfia (USA) y luego en Egipto, colectores cilíndricos que producían vapor para el accionamiento mecánico de bombas hidráulicas destinadas a irrigación. El colector de Egipto proporcionaba una potencia de 37 a 45 Kw. durante un período de cinco horas.
En la década de los años 30 de nuestro siglo se popularizaron en Japón equipos de circulación natural para obtener agua caliente sanitaria con una capacidad de almacenamiento de 100-200 litros.
Después de la II Guerra Mundial este tipo de sistemas se extendió también en Israel, pero debido al bajo precio de los combustibles convencionales, el uso de la energía solar quedó relegado a un segundo plano.
El resurgimiento de la energía solar como una disciplina científica se produce en 1953, cuando Farrington Daniels organiza en la Universidad de Wisconsin un Simposio Internacional sobre la utilización de la Energía Solar, auspiciado por la National Science Foundation de Estados Unidos. Dos años más tarde, en Tucson (Arizona), se celebró otro simposio y se formó la Asociación para la Aplicación de la Energía Solar.
Como consecuencia de estos simposios se creó la revista “Solar Energy”, de muy alto nivel científico, que edita la Sociedad internacional de la Energía Solar con sede en Australia, entidad que sucedió a la asociación para la aplicación de la energía solar.
En esta misma época (1954) se descubrió la fotopila de silicio en los laboratorios de la Bell Telephone, los cuales recibieron por ello un fuerte impulso debido a las inminentes necesidades de fotopilas para actividades espaciales.
En la década de los años 60, el excesivo abaratamiento de los combustibles convencionales hizo que se dedicase poca atención al tema de la energía solar, si bien en esta época se construyó el horno solar de Font Romeu (Francia).
Fue en 1973 cuando, como consecuencia de la cuarta guerra árabe-israelí, la OPEP decidió elevar enormemente los precios del petróleo y se produjo un fuerte resurgimiento mundial de la energía solar, al poder ser ya competitiva con los nuevos y altos precios del petróleo y de los productos energéticos en general.
En este contexto se prevé, pasados ya muchos años desde aquella fecha crucial, un crecimiento moderado pero sostenido de las aplicaciones de la energía solar y de otras fuentes de energía renovables en todo el mundo.
La recogida natural de energía solar se produce en la atmósfera, los océanos y las plantas de la Tierra. Las interacciones de la energía del Sol, los océanos y la atmósfera, por ejemplo, producen vientos, utilizados durante siglos para hacer girar los molinos. Los sistemas modernos de energía eólica utilizan hélices fuertes, ligeras, resistentes a la intemperie y con diseño aerodinámico que, cuando se unen a generadores, producen electricidad para usos locales y especializados o para alimentar la red eléctrica de una región o comunidad.
Casi el 30% de la energía solar que alcanza el borde exterior de la atmósfera se consume en el ciclo del agua, que produce la lluvia y la energía potencial de las corrientes de montaña y de los ríos. La energía que generan estas aguas en movimiento al pasar por las turbinas modernas se llama energía hidroeléctrica.
Gracias al proceso de fotosíntesis, la energía solar contribuye al crecimiento de la vida vegetal (biomasa) que, junto con la madera y los combustibles fósiles que desde el punto de vista geológico derivan de plantas antiguas, puede ser utilizada como combustible. Otros combustibles como el alcohol y el metano también pueden extraerse de la biomasa.
Asimismo, los océanos representan un tipo natural de recogida de energía solar. Como resultado de su absorción por los océanos y por las corrientes oceánicas, se producen gradientes de temperatura. En algunos lugares, estas variaciones verticales alcanzan 20 °C en distancias de algunos cientos de metros. Cuando hay grandes masas a distintas temperaturas, los principios termodinámicos predicen que se puede crear un ciclo generador de energía que extrae energía de la masa con mayor temperatura y transferir una cantidad a la masa con temperatura menor. La diferencia entre estas energías se manifiesta como energía mecánica (para mover una turbina, por ejemplo), que puede conectarse a un generador, para producir electricidad. Estos sistemas, llamados sistemas de conversión de energía térmica oceánica, requieren enormes intercambiadores de energía y otros aparatos en el océano para producir potencias del orden de megavatios.
La recogida directa de energía solar requiere dispositivos artificiales llamados colectores solares, diseñados para recoger energía, a veces después de concentrar los rayos del Sol. La energía, una vez recogida, se emplea en procesos térmicos o fotoeléctricos, o fotovoltaicos. En los procesos térmicos, la energía solar se utiliza para calentar un gas o un líquido que luego se almacena o se distribuye. En los procesos fotovoltaicos, la energía solar se convierte en energía eléctrica sin ningún dispositivo mecánico intermedio. Los colectores solares pueden ser de dos tipos principales: los de placa plana y los de concentración.
En los procesos térmicos los colectores de placa plana interceptan la radiación solar en una placa de absorción por la que pasa el llamado fluido portador. Éste, en estado líquido o gaseoso, se calienta al atravesar los canales por transferencia de calor desde la placa de absorción. La energía transferida por el fluido portador, dividida entre la energía solar que incide sobre el colector y expresada en porcentaje, se llama eficiencia instantánea del colector. Los colectores de placa plana tienen, en general, una o más placas cobertoras transparentes para intentar minimizar las pérdidas de calor de la placa de absorción en un esfuerzo para maximizar la eficiencia. Son capaces de calentar fluidos portadores hasta 82 °C y obtener entre el 40 y el 80% de eficiencia.
Los colectores de placa plana se han usado de forma eficaz para calentar agua y para calefacción. Los sistemas típicos para casa-habitación emplean colectores fijos, montados sobre el tejado. En el hemisferio norte se orientan hacia el Sur y en el hemisferio sur hacia el Norte. El ángulo de inclinación óptimo para montar los colectores depende de la latitud. En general, para sistemas que se usan durante todo el año, como los que producen agua caliente, los colectores se inclinan (respecto al plano horizontal) un ángulo igual a los 15° de latitud y se orientan unos 20° latitud S o 20° de latitud N.
Además de los colectores de placa plana, los sistemas típicos de agua caliente y calefacción están constituidos por bombas de circulación, sensores de temperatura, controladores automáticos para activar el bombeo y un dispositivo de almacenamiento. El fluido puede ser tanto el aire como un líquido (agua o agua mezclada con anticongelante), mientras que un lecho de roca o un tanque aislado sirven como medio de almacenamiento de energía.
Para aplicaciones como el aire acondicionado y la generación central de energía y de calor para cubrir las grandes necesidades industriales, los colectores de placa plana no suministran, en términos generales, fluidos con temperaturas bastante elevadas como para ser eficaces. Se pueden usar en una primera fase, y después el fluido se trata con medios convencionales de calentamiento. Como alternativa, se pueden utilizar colectores de concentración más complejos y costosos. Son dispositivos que reflejan y concentran la energía solar incidente sobre una zona receptora pequeña. Como resultado de esta concentración, la intensidad de la energía solar se incrementa y las temperaturas del receptor (llamado `blanco’) pueden acercarse a varios cientos, o incluso miles, de grados Celsius. Los concentradores deben moverse para seguir al Sol si se quiere que actúen con eficacia; los dispositivos utilizados para ello se llaman helióstatos.