Lo prometedor de la energía solar
Una serie de espejos se enfocan en un solo punto en una “torre de energía” de 61 metros de altura. Ésta puede producir el calor de más de 1.000 soles, al alcanzar temperaturas de 2300 grados C
EN UNA ERA de escasez de energía, no ha pasado inadvertido el hecho de que el Sol es una fuente de energía inagotable, que derrama luz y calor benéficos sobre toda la tierra habitada. Mantiene la Tierra a una temperatura media agradable. Suministra la energía que se necesita para el crecimiento de las plantas, y de esa manera la energía para todas las cosas vivas. Tan obvios son esos beneficios que muchas personas los dan por sentados.
Pero, para muchos usos en los que no se puede usar directamente la energía del Sol, hemos llegado a confiar en otras formas de energía. Si otras fuentes de energía disminuyeran y se acabaran, ¿sería posible calentar nuestros hogares y fábricas con los rayos solares? ¿Podríamos valernos de algún artificio para transformar los rayos solares de manera que pudiéramos proveer electricidad para nuestras luces, para hacer funcionar nuestros motores y nuestros aparatos de radio y televisión? ¿Podríamos embotellar la energía del Sol en tanques a fin de abastecer de combustible a nuestros automóviles y aviones?
En la actualidad se está dando seria consideración a esas posibilidades. En muchos laboratorios los científicos están llevando a cabo una investigación básica en cuanto a las maneras de utilizar la energía del Sol. No hay duda de que la potencialidad existe. La radiación solar que cae sobre una zona de solo 663 kilómetros cuadrados en Arizona lleva una cantidad de energía igual a la que se genera en todas las plantas de energía eléctrica de los E.U.A. Entonces, ¿qué problemas existen?
El primer problema al que nos encaramos es que la luz solar es difusa por naturaleza. Cualquier colector de tamaño limitado recibe una cantidad de energía relativamente pequeña. Pero hasta esa energía difusa es suficiente para algunos usos. Los edificios que se diseñan de modo que admitan la luz solar pueden captar suficiente calor como para ahorrar mucho del combustible que se necesita para la calefacción. El agua de tanques situados sobre el tejado se puede calentar lo suficiente como para tomar baños con ella, lavar los platos, o lavar la ropa.
Otra limitación inherente a la energía solar es el hecho de que no siempre está allí cuando la deseamos. Se apaga cuando se pone el Sol. Las nubes también apagan la energía solar. La intensidad de la luz solar, el número de horas de luz del día y la cantidad de tiempo nublado varían con la latitud y las temporadas. Para muchos usos, el que se acepte la energía solar dependerá de que se hallen modos de almacenar energía mientras el Sol brilla y usarla durante la noche, o en los días nublados.
Una manera sencilla de almacenar energía solar es por medio de calentar agua durante el día y mantenerla en tanques provistos de aislación para usarla durante la noche. También se puede circular agua caliente por radiadores para calentar la casa. Durante el mal tiempo, sería preciso complementar un sistema de esa índole con otra fuente de energía. Pero como sistema de calefacción auxiliar ya se está usando para reducir la necesidad de gas o electricidad.
Más allá de esta aplicación elemental, encontramos maneras más refinadas de usar el calor del Sol. Por medio de concentrar los rayos del Sol, es posible alcanzar temperaturas mucho más altas. ¿Quién hay que no haya hecho el experimento de poner un pedazo de papel bajo un cristal de aumento y enfocar los rayos del Sol sobre él a fin de observar como empieza a humear y al fin estalla en llamas? Este principio se aplica en gran escala, por medio de usar espejos curvos para concentrar los rayos del Sol en una pequeña zona hasta que se alcanza un deslumbrante calor blanco, lo suficientemente caliente como para derretir los materiales más refractarios. En un horno solar de esta índole instalado en la parte sur de Francia, una caldera que se ha montado en el punto focal se usa para generar electricidad que se suministra al sistema de energía nacional. El fabricante ofrece a la venta centrales de energía solar con capacidad de 1.000 kilovatios.
Cerca de Albuquerque, Nuevo México, se ha construido un sistema de esta clase, aunque más complejo, para estudiar su potencial económico con relación a centrales de energía de tamaño natural. En este sistema una serie de espejos se enfocan en un solo punto en una “torre de energía” de 61 metros de altura. Cada espejo es cuadrado, con lados que miden 1,2 metros, y se han montado 25 de éstos en patrón o arreglo cuadrado sobre un “helióstato.” A medida que el Sol se mueve en el cielo, es preciso inclinar el helióstato en sincronización con el movimiento del Sol a fin de lograr que el haz continúe reflejándose sobre el blanco. Al norte de la torre se han situado 222 helióstatos en un campo de forma triangular. Por medio de una computadora u ordenador se guía a cada uno de esos espejos de manera separada, según la distancia y dirección particular de ellos.
Cuando todos se enfocan sobre la torre, toda la luz solar que cae sobre una zona de menos de una hectárea se concentra en un área de aproximadamente medio metro cuadrado. El calor de más de mil soles alcanza una temperatura de 2.300 grados centígrados. En las primeras pruebas, rápidamente los rayos del helióstato hicieron un hoyo a través de una lámina de acero.
Después que se hagan pruebas con un caldero de agua situado en la torre, hay planes de construir una estación de energía solar de 10.000 kilovatios en Barstow, California, donde se puede enlazar con la red de energía del sur de California, tal vez tan pronto como en 1981.
Electricidad solar
Mientras tanto, otros científicos trabajan con la mira de largo alcance de transformar directamente en electricidad la luz solar. El principio mismo no es nuevo. Por años se han estado usando aparatos basados en el efecto fotoeléctrico. Por ejemplo, una célula fotoeléctrica de la cámara dice qué apertura de lente es la que debe usarse para la cantidad de luz de la escena que está delante de ella. La luz genera una pequeña corriente eléctrica, que mueve una aguja a lo largo de un cuadrante. Para aumentar esto de modo que la corriente sea lo suficientemente fuerte como para efectuar trabajo útil, se requiere una empresa formidable, una que, sin embargo, ofrece grandes recompensas.
¿Cómo puede la luz generar electricidad en una célula fotoeléctrica? El secreto está en el uso de un elemento semiconductor. En el elemento que es buen conductor, como lo son la mayoría de los metales, los electrones están sumamente sueltos en los átomos. Se mueven libremente de un lado a otro para transportar la corriente. En los aisladores, los electrones están firmemente fijos en sus órbitas, y no pueden moverse de un lado a otro. Los materiales semiconductores se encuentran en el medio de esos dos extremos; los electrones están fijos, pero no tan firmemente, de modo que basta un pequeño impulso para liberarlos y permitirles moverse de un lado a otro.
El silicio puro es mal conductor. Sin embargo, cuando contiene pequeñas cantidades de impurezas es mucho mejor a ese respecto. Por ejemplo, una pequeña cantidad de un elemento como el arsénico, que tiene cinco electrones exteriores, uno más que los cuatro del silicio, suministra electrones libres a este cristal. O un poco de boro, que solo tiene tres electrones exteriores, causa una deficiencia. A los electrones que faltan se les llama hoyos. Otro electrón puede saltar fácilmente en el hoyo desde un átomo adyacente, y el efecto que se produce es como si el hoyo se estuviera moviendo, y hubiera un flujo de corriente positiva.
A la primera clase de silicio impuro se le llama silicio compuesto-n, porque tiene un exceso de electrones (negativo). A la segunda clase se le llama compuesto-p, porque tiene un exceso de hoyos (positivo). Si se ponen estas dos clases de silicio frente a frente, forman una unión n-p. Los electrones fluyen en una sola dirección de un lado a otro de esta conexión. Esa es la base del transistor, el cual ha reemplazado los voluminosos tubos de vacío de ayer con las pastillas de silicio de hoy.
Ahora imagínese que usted toma dos láminas, una de silicio n y otra de silicio p, y las coloca juntas. En vez de una pastilla de transistor, ahora tenemos una célula voltaica solar. Si se le expone al Sol, la energía de los fotones, los paquetes de luz solar individuales, es absorbida y sirve para liberar electrones de los átomos de silicio. Si se conectan los dos lados de la célula para formar un circuito, los electrones fluyen del lado n al lado p. Se puede poner a trabajar esa corriente eléctrica. Es electricidad producida por luz solar.
No toda la energía de la luz solar se puede recuperar en forma de electricidad. La energía de un fotón de luz solar varía de 1,5 a 3 electronvoltios, a medida que el color pasa del rojo al violeta. Pero solo se requiere aproximadamente 1 electronvoltio para liberar el electrón del cristal de silicio, de modo que el resto de la energía se pierde en calor. La eficacia teórica máxima de una sola célula de silicio es de aproximadamente 22 por ciento. En realidad las células más eficaces que se han hecho hasta ahora tienen una eficacia de más o menos 15 por ciento. Se espera que por medio de combinar varios tipos elementales de semiconductores en varias capas se pueda lograr hasta un 50 por ciento de conversión de la energía de la luz solar.
Aplicaciones de las células solares
Las células eléctricas solares ya han hallado un nicho importante en la tecnología moderna, pues se les usa para suministrar energía a los vehículos espaciales. Son ideales para esa aplicación. En el viaje interplanetario están expuestas durante todo el tiempo a luz solar plena (en órbita, durante más de la mitad del tiempo). No hay nubes que se interpongan, y no son golpeadas por la lluvia o el viento. Los presupuestos de la investigación espacial cubren el costo de ellas.
De modo que hallamos que el rasgo más sobresaliente de la silueta del Skylab o de las naves Vikingos que se enviaron a Marte son los grandes paneles solares que se extienden de ellos. Las células de energía solar han resultado confiables y durables. La central de energía del orbitador Vikingo todavía estaba produciendo 600 vatios dos años después de haber llegado a Marte. Su funcionamiento en esa tarea tan exigente ciertamente la recomienda. No es difícil ver que el meticuloso cuidado y el costo extravagante envueltos en la fabricación de células solares para garantizar esta perfección bien se pueden prodigar en un Vikingo. Pero sería preciso reducir el costo actual de ellas a menos de una veintava parte a fin de hacerlas atractivas desde el punto de vista económico para producir energía eléctrica en la Tierra. Eso parece poner la expectativa de energía eléctrica solar muy distante en el futuro, pero las tremendas reducciones de costo que se han visto en otros aparatos semiconductores ofrecen esperanza de que se alcance éxito más temprano. Los técnicos de muchos laboratorios están enfrascados en la investigación de procesos automáticos que pudieran abaratar las células solares. Los apoyadores entusiásticos afirman que para el año 2000 el Sol podría estar supliendo 20 por ciento de toda la energía que se necesita en los E.U.A.
La energía eléctrica solar tiene un rasgo que resalta en agudo contraste con muchos otros métodos de producir electricidad. Es modular por naturaleza. Es decir, la unidad básica de producción es un solo módulo pequeño. A fin de obtener más energía, todo lo que hay que hacer es reunir mayor cantidad de módulos. Eso no es cierto de la electricidad generada por vapor. Se requiere una central de gran tamaño para obtener energía barata por medio de quemar petróleo o carbón. Eso también es cierto de la energía nuclear, y será abrumadoramente cierto de la energía de fusión. Pero la electricidad generada por el Sol promete ser barata, sea que venga de una central pequeña o una grande.
Esto hace surgir una pregunta provocativa: ¿Sería posible deshacerse de las extensas redes de energía que son esenciales en el sistema actual? Tal vez la central de energía del futuro será más bien un proyecto de comunidad o de vecindario, o tal vez hasta se pueda adaptar a moradas individuales en sitios aislados. Esa idea perturba a los que han organizado la producción de electricidad alrededor de inmensas redes regionales, o hasta redes nacionales. Se comprende que los líderes industriales que percibieran una amenaza a las vastas inversiones que han hecho en el sistema actual quizás no apoyarían con entusiasmo una innovación tan radical. Hay quienes afirman que si ellos no estuvieran prolongando innecesariamente la cuestión, la energía solar se podría desarrollar más rápidamente.
Otras ventajas de la electricidad producida directamente de la energía solar son claramente atractivas. Será limpia, silenciosa y confiable. No hay partes movibles y nada se gasta. Se puede usar con facilidad. No ocasiona contaminación alguna. Su suministro de energía es gratuito y tan renovable como la luz solar lo es de un día a otro. ¿Se pregunta usted por qué la promesa de tal fuente de energía impulsa a los apoyadores de ella a exigir que se haga todo esfuerzo por lograr su temprana realización?
[Comentario en la página 6]
La radiación solar que cae sobre una zona de 663 kilómetros cuadrados en Arizona lleva una cantidad de energía igual a la que se genera en todas las plantas de energía eléctrica de los E.U.A.
[Comentario en la página 7]
Los apoyadores entusiásticos afirman que para el año 2000 el Sol podría estar supliendo 20 por ciento de toda la energía que se necesita en los E.U.A.
[Comentario en la página 7]
Ventajas de la electricidad producida directamente de la energía solar: no ocasiona contaminación, ni ruido, nada se gasta, y su suministro de energía es gratuito y tan renovable como la luz solar lo es de un día a otro
[Recuadro en la página 8]
Energía solar desde el espacio
La idea más increíble de todas para derivar energía eléctrica de la luz solar parece haber salido de una película de fantasía científica. Se ensamblaría en el espacio una inmensa serie de paneles solares, que podrían tener un área total de 50 kilómetros cuadrados. Esa estación colectora de energía se pondría en órbita a una altura de 36.000 kilómetros, y allí permanecería estacionaria sobre un punto elegido en el ecuador. La energía generada sería enviada por medio de microondas a una antena receptora parabólica en tierra, de 10 kilómetros de diámetro. Los cinco millones de kilovatios que se producirían serían lo suficiente como para abastecer de energía a la ciudad de Nueva York. Esta propuesta ofrece una ventaja clara sobre los colectores solares fijos en la Tierra. La central de energía espacial funcionaría 24 horas al día, y el tiempo nublado no interferiría con la colección de energía ni con su transmisión por medio de las microondas.
Pero una construcción tan enorme no está al alcance de la tecnología espacial actual. El desarrollo y perfeccionamiento de los cohetes y el transporte de los materiales y los obreros al espacio costaría muchos miles de millones de dólares. Y uno se pregunta si las microondas que se desvíen presentarían un peligro para los que vivan cerca de la estación receptora. Además, ¿qué efecto podrían tener en la ionosfera y en el clima, en la radio y la televisión? Los astrónomos se quejan de que esos objetos brillantes en el cielo pondrían un fin permanente a la exploración del espacio sideral que ellos llevan a cabo, porque para esto ellos necesitan un cielo oscuro. Los ejecutivos de los servicios públicos quizás favorezcan ese proyecto, porque todavía se tendría que depender del sistema de distribución de ellos.
Pero si uno pudiera almacenar energía para la noche, quizás preferiría tomar su energía solar directamente del Sol a medida que éste brilla sobre su casa, y así evitar este desvío complicadamente planeado. Después de todo, para cuando los satélites solares se conviertan en realidad, uno quizás pueda obtener suficiente energía solar para el uso de su familia con solo un área de 3 metros cuadrados de células solares situadas en su techo.