I. EL HILO DORADO: LA ENERG�A SOLAR

Al golpe del oro solar, estalla en astillas, el vidrio del mar.

J.J. Tablada

 

I. 1. INTRODUCCI�N

DURANTE siglos, tanto el hombre como los dem�s seres vivos han aprovechado la energ�a solar, no s�lo como una opci�n energ�tica sino como fuente de vida, pues sin esa estrella no habr�a vida en la Tierra. El cuerpo humano produce vitamina D cuando los rayos ultravioleta provenientes del Sol llegan a la piel. La vitamina D es esencial para el crecimiento de los huesos. Nuestro organismo, como necesita alimentos, depende indirectamente de la energ�a solar, pues �sta es indispensable para que se lleven a cabo las reacciones de la fotos�ntesis. De hecho, las plantas pueden almacenar 1% de la radiaci�n solar que les llega. Debido a que todos los seres vivos se alimentan unos de otros, formando una gran cadena alimenticia, toda la flora y la fauna terrestre vive gracias al aprovechamiento directo o indirecto de la energ�a solar. Prueba de esto es que m�s de 90% del material org�nico que permite la vida marina, llamado fitoplancton, se halla precisamente en aquellas capas del oc�ano donde llega la luz del Sol.

Sin embargo, tal parece que no sabemos aprovechar las ventajas que nos brinda la naturaleza. �C�mo ser�a la vida sin el Sol? La respuesta inmediata es: no habr�a vida. El invierno nuclear ser�a poca cosa comparado con un planeta que no recibiera la energ�a solar.

Si queremos mantener las condiciones naturales de vida es necesario que no alteremos mucho el medio, pues dichos cambios pueden volverse en nuestra contra. Entre los casos m�s conocidos se encuentran los da�os provocados por las explosiones nucleares, los materiales no degradables, los contaminantes qu�micos, los desechos industriales, los cambios en la capa de ozono de nuestra atm�sfera, etc�tera. Pero esos da�os, de los cuales nos mantiene al tanto la ecolog�a, no preocupaban a los hombres del pasado.

�Hasta qu� punto el avance tecnol�gico se convierte, en algunos casos, en retroceso? La respuesta a esta pregunta depende de muchos factores y mejor la dejaremos abierta, pues aunque por un lado los avances tecnol�gicos han permitido mejorar las condiciones de vida de la poblaci�n en general, tambi�n han acentuado la pobreza de algunos pa�ses. La dependencia tecnol�gica y la imposici�n de modelos t�cnicos importados ocasionan saltos tecnol�gicos con grandes huecos y deficiencias. Si se quiere satisfacer la demanda de energ�a que requiere cada habitante del planeta es indispensable buscar fuentes de energ�a que se puedan mantener a largo plazo. Esa necesidad existe y debe satisfacerse; es necesario solucionar problemas como el pron�stico sobre el agotamiento del petr�leo, que comenzara a sentirse a mediados del siglo XXI, cuando las reservas de crudo ser�n insuficientes para satisfacer la demanda mundial.

La acci�n de una fuente de energ�a pr�cticamente inagotable como el Sol se aprecia en muchos fen�menos cotidianos. Si dejamos una manguera expuesta a los rayos solares, al abrir la llave, el agua saldr� en un principio caliente. De hecho, �ste es el sistema que emplean los australianos para facilitar el trabajo de lavar los platos despu�s de comer. Otro ejemplo muy conocido es cuando intentamos sentarnos en los asientos de pl�stico negro de un autom�vil que ha estado expuesto a la luz del Sol. �Cu�ntas veces se ha quemado usted?

Un experimento sencillo pero ilustrativo para observar el aprovechamiento de la energ�a solar consiste en concentrar los rayos del Sol en un punto para producir fuego. Esto lo podemos hacer con una lupa, cuando no tengamos a mano cerillos. El punto donde se concentran los rayos de luz se llama foco de la lupa. Pero el experimento podr�a hacerse m�s interesante si utiliz�ramos una lupa de hielo; de esta forma estar�amos produciendo fuego a partir del agua.

En las �ltimas d�cadas, la energ�a solar ha cobrado importancia como fuente energ�tica, puesto que las reservas de combustibles f�siles no son eternas. Esto ha ocasionado que, por ejemplo, sean parecidos los precios de un calentador solar y de uno de gas, lo que no suced�a hace 60 a�os. As�, con respecto a los costos, los sistemas solares son cada vez m�s baratos, con la gran ventaja de que el combustible, la luz del Sol, aparece todas las ma�anas sin cobrar.

Debe quedar claro que la energ�a solar no constituye ninguna panacea universal de la cual los hombres obtendr�n todo lo que necesitan. La energ�a solar contribuye modestamente como otra posibilidad energ�tica y no se trata de defenderla a ultranza como la �nica fuente de energ�a. Un planteamiento realista ser�a considerarla seriamente como una opci�n energ�tica con sus deficiencias tecnol�gicas, sus desventajas econ�micas actuales y sus ventajas a largo plazo.

En nuestro pa�s, que posee regiones con el promedio mundial de insolaci�n o soleamiento anual m�s alto, el aprovechamiento de la energ�a solar constituye, sin lugar a dudas, una buena opci�n. El que esta fuente de energ�a sea rentable depende de las investigaciones que se realicen, de los recursos econ�micos destinados a su estudio y del inter�s que se preste a su desarrollo. Por lo pronto, ya satisface las necesidades energ�ticas de muchas viviendas, se ha empleado en algunas comunidades que carecen de electricidad y tambi�n se han construido algunas plantas de prueba. Pese a lo anterior, actualmente la energ�a solar no contribuye con ning�n porcentaje al consumo energ�tico nacional, aunque ya empieza a contar y es deseable impulsarla.

I.2. UN FOCO CELESTE

El Sol es una estrella com�n y corriente. Esto quiere decir que en el Universo existen millones de estrellas como �sta. Sin embargo, aqu�llas se localizan a miles de millones de kil�metros de nuestro planeta y por esta raz�n, para nosotros no son m�s que d�biles puntos de luz en el firmamento. La estrella m�s cercana a la Tierra es el Sol, que se encuentra a 149 450 000 km de distancia; nuestra estrella tiene un di�metro de 1 391 000 km, aunque para nosotros no es m�s que un plato amarillo de unos cuantos cent�metros de di�metro. Tiene una masa de 2 X 10³⁰ kilogramos (un dos con treinta ceros), cifra dif�cil de imaginar para nosotros, que estamos acostumbrados a las masas de los objetos terrestres, pero es 333 veces m�s pesado que la Tierra.

El n�cleo del Sol tiene una temperatura de 15 millones de grados Celsius y �sta va disminuyendo hasta llegar a la superficie solar, donde la temperatura promedio es de 5 770�C, m�s que suficiente para derretir un autom�vil.

En el interior del Sol, como en todas las estrellas, se llevan a cabo reacciones de fusi�n nuclear. En este tipo de reacciones se unen los n�cleos de �tomos ligeros, como el hidr�geno y el helio, para formar �tomos m�s pesados y en el proceso se liberan grandes cantidades de energ�a; la energ�a que nos env�a el Sol es, por lo tanto, de origen nuclear. Dos n�cleos de deuterio (is�topo del hidr�geno) se fusionan y transforman en helio; los n�cleos de helio, en carbono, y as� sucesivamente hasta constituir elementos cada vez m�s pesados. Actualmente, el Sol est� compuesto de 73.46% de hidr�geno y 24.85% de helio (el resto son elementos m�s pesados).

Durante las reacciones nucleares, parte de la masa de las part�culas que intervienen se convierte en energ�a, la cual se puede calcular empleando la f�rmula de Einstein E=mc² (donde E equivale a la energ�a, m a la masa y c a la velocidad de la luz, que es igual a 300 000 km/s). De esta forma, el Sol irradia la energ�a proveniente de la fusi�n de los n�cleos at�micos que lo componen y como lo hace en todas direcciones, una parte nos llega a la Tierra. El Sol existe desde hace 4 600 millones de a�os y se cree que seguir� viviendo durante un periodo similar; por lo tanto, para cualquier fin pr�ctico, el Sol es una fuente inagotable de energ�a.

La radiaci�n que emite el Sol en todas direcciones, producto de las reacciones nucleares, corresponde a una parte del llamado espectro electromagn�tico. Cada cuerpo, seg�n sus caracter�sticas intr�nsecas, emite un patr�n de radiaci�n electromagn�tica (una forma de radiaci�n caracter�stica) que puede identificarse en el espectro electromagn�tico. En la figura 8 pueden apreciarse las diferentes formas de radiaci�n electromagn�tica, que dependen de la cantidad de energ�a que �sta posea. Para nosotros la m�s com�n es la luz visible, pero tambi�n los rayos X o los rayos infrarrojos constituyen otras formas de radiaci�n electromagn�tica.

Figura 3. Espectro electromagn�tico.

La radiaci�n electromagn�tica no es otra cosa que el tipo de part�culas o de ondas (en el sentido f�sico) que nos llega de un cuerpo, en este caso del Sol. Los rayos del Sol est�n compuestos por diminutas part�culas, llamadas fotones que viajan a la velocidad de la luz.

En 1905 Albert Einstein propuso una teor�a corpuscular en la que se�alaba que la luz estaba compuesta de paquetes de energ�a radiante llamados fotones, t�rmino acu�ado por G. N. Lewis en 1926. Posteriormente, varios experimentos demostraron que las part�culas at�micas, incluidos los fotones, pod�an presentar patrones de interferencia y difracci�n, caracter�sticas que corresponden a una onda y no a una part�cula. Sin embargo, �la luz est� compuesta de ondas o de part�culas? A finales de la d�cada de los veinte la respuesta la dio la mec�nica cu�ntica, teor�a que se�ala que la luz tiene manifestaciones de part�cula y de onda, es decir, tiene una naturaleza dual, de dos; no se pueden excluir ambos conceptos. La luz se comporta como onda o como part�cula, seg�n el instrumento que se use para analizarla.

En la figura 4 pueden apreciarse las caracter�sticas f�sicas de una onda de luz. Un ejemplo cotidiano de una onda lo podemos observar en el movimiento que se produce en el agua de un estanque cuando se tira una piedra al centro de �ste; se formar�n una serie de anillos conc�ntricos que se har�n cada vez m�s grandes, hasta llegar al borde del estanque. Aqu� debe se�alarse que las ondas de luz, a diferencia de las de un estanque, se pueden propagar en el vac�o, cosa que no sucede con las ondas de un estanque, porque requieren de un medio para propagarse. La luz se comporta como una serie de part�culas en movimiento o como una onda transversal que se propaga en diferentes materiales o en el vac�o.

T -	periodo = tiempo en que la onda completa un ciclo
v -	frecuencia = = número de ciclos por segundo
l -	longitud de onda =	distancia que hay al completar
		un ciclo o entre cresta y cresta
		o entre valle y valle
C -	lv
C -	Velocidad de la luz = 300 000 km/s.
l -	longitud de la onda de luz
v -	frecuencia de la onda de luz

Figura 4. Caracter�sticas f�sicas de una onda de luz.

El tipo de radiaci�n electromagn�tica depender� de las caracter�sticas f�sicas que posean los fotones. La energ�a contenida en los rayos del Sol se calcula a partir de la f�rmula de Planck, E= hv, donde E es la energ�a de los fotones, h es la constante de Planck, que equivale a 6.625 x 10^-34 Js, y la letra griega v es la frecuencia a la que oscilan los fotones o la frecuencia de las ondas de luz.

De esta f�rmula se desprende que hay fotones que poseen gran cantidad de energ�a (como los rayos gamma) y otros que son menos energ�ticos (los rayos infrarrojos, por ejemplo). Esto se traduce en que hay fotones que ni siquiera pueden atravesar la atm�sfera terrestre, mientras que otros cruzan los tejidos blandos del cuerpo y chocan �nicamente con los huesos: estos �ltimos constituyen los rayos X, que se utilizan para tomar radiograf�as.

Una caracter�stica com�n que comparten todos los fotones es que viajan a una velocidad constante en el vac�o: a la velocidad de la luz, que es la m�s alta que existe en el Universo. Una propiedad curiosa de estas part�culas es que un fot�n en reposo tiene una masa igual a cero.

A pesar de que la velocidad de la luz es muy grande, un rayo del Sol tarda aproximadamente ocho minutos en llegar a la Tierra. En la vida cotidiana, sin embargo, la luz de un foco parece que nos llega instant�neamente. (Por ejemplo, la luz de un foco colocado a 1 m de distancia, tarda 0.33X10^-8 s.)

Los rayos que provienen del Sol traen consigo fotones de caracter�sticas diferentes (rayos gamma, rayos ultravioleta, luz visible, rayos infrarrojos y ondas de radio) y estos constituyen el espectro del Sol.

En la figura 5 puede apreciarse c�mo gran parte de la radiaci�n solar (el 90% aproximadamente) est� constituida por rayos infrarrojos y luz visible.

Figura 5. Espectro del Sol. Fuera de la atm�sfera, la radiaci�n solar est� constituida por 7% de rayos ultravioleta, 47% de radicaci�n visible y 46% de rayos infrarrojos. En la superficie, en condiciones ideales (cielo despejado y a nivel del mar) los porcentajes son: 4% de ultravioleta, 46% de visible y 50% de infrarroja. La curva corresponde a la radiaci�n de cuerpo negro a aproximadamente 6 000� K.

1.3. DE LOS ESPEJOS DE ARQU�MEDES A LOS HORNOS SOLARES

Seg�n narran los antiguos historiadores, en el a�o 212 a. C., a petici�n del rey Her�n, Arqu�medes quem� las naves romanas que sitiaban la ciudad de Siracusa. Para llevar a cabo tal haza�a, Arqu�medes utiliz� varios espejos planos o tal vez escudos reflejantes que en conjunto formaban un gran espejo c�ncavo, pues en esa �poca ya se utilizaban espejos pulidos de plata y cobre para concentrar la luz del Sol. Un espejo c�ncavo ser�a, por ejemplo, el que tiene el faro de un autom�vil. Este tipo de espejo, cuando posee la forma de un paraboloide de revoluci�n, tiene la propiedad de que todos los rayos luminosos que inciden sobre �l desde cualquier direcci�n se concentran en un punto: el foco del espejo. De esta forma, mediante la concentraci�n de la energ�a de los rayos solares se logra alcanzar altas temperaturas y, quiz�, como Arqu�medes, incendiar grandes objetos. Tambi�n Euclides, en sus trabajos de �ptica, menciona que es posible obtener temperaturas elevadas mediante un espejo c�ncavo, y Fil�n de Bizancio aprovech� el calor del Sol en un termoscopio (antecedente del term�metro), que consiste en un term�metro rudimentario, que indica la diferencia de temperatura sin precisar su magnitud.

Durante el Renacimiento, el ingeniero franc�s Salom�n de Caus construy� una bomba de agua con un motor inventado por �l, cuya fuerza motriz proven�a de vapor calentado por los rayos solares. En un texto, escrito en 1615, describe dos sistemas que funcionaban con energ�a solar: una fuente y una estatua sonora. Esta �ltima estaba hueca y conten�a dos tubos de �rgano; cuando el aire se expand�a debido al calor solar, la estatua empezaba a cantar.

En los siglos XVII y XVIII se construyeron los primeros hornos solares; aproximadamente en 1690, en Dresde, Alemania, E.W. von Tschirnhausen construy� un horno solar con un espejo c�ncavo parab�lico de 1.6 m de di�metro para cocer el barro utilizado en la producci�n de objetos de cer�mica. Tambi�n construyeron hornos solares Jorge Luis Leclerc, conde de Buffon, escritor y naturalista franc�s, y los �pticos franceses A. J. Fresnell y Villette.

En 1774, el cient�fico ingl�s Joseph Priestley descubri� nada menos que el ox�geno (aunque no le dio ese nombre), concentrando los rayos solares sobre lo que llamaba cal de mercurio (hoy �xido de mercurio), con una lente de 0.30 m de di�metro; al gas desprendido lo llam� aire desflogisticado. Posteriormente, A. L. de Lavoisier, a partir de este hallazgo dio el nombre de ox�geno a ese gas y formul� la teor�a de la combusti�n, demostrando que el ox�geno es un componente del aire. Adem�s, construy� un horno solar con una lente de m�s de 1 m de di�metro que alcanzaba temperaturas de 1 700� C, en el que se pod�a fundir platino.

El primer dise�o de un colector plano para aprovechar el calor solar fue concebido en la segunda mitad del siglo XVII por el naturalista suizo Horace de Saussure. �ste consist�a en una caja perfectamente sellada con varias capas de vidrio. Los astr�nomos J. Herschel y J. Langley, as� como el ingeniero C. Tellier tambi�n fabricaron varios colectores, en los cuales trataron de perfeccionar el dise�o de Saussure.

En el siglo XIX, el cl�rigo escoc�s Robert Stirling construy� un motor de aire caliente con un pist�n que, acoplado a un espejo parab�lico, empezaba a girar cuando los rayos solares se concentraban en el extremo exterior del pist�n y se alcanzaba una temperatura adecuada. Otro gran pionero de la energ�a solar fue el inventor sueco John Ericsson, quien tambi�n construy� un motor de aire caliente. El inter�s de Ericsson por la energ�a solar lo llev� a instalar un laboratorio dedicado a la investigaci�n solar en la ciudad de Nueva York. En 1868 dise�� un espejo rectangular de 2X3.5 m de secci�n parab�lica y sobre la l�nea focal de la par�bola coloc� un tubo por el que circulaba aire; al concentrar los rayos solares en la l�nea focal, el aire se calentaba y proporcionaba el calor necesario para que trabajara una m�quina de vapor. Ericsson hab�a construido un motor solar. Adem�s, dise�� varios instrumentos para medir la radiaci�n y otras propiedades f�sicas del Sol, �tiles para el aprovechamiento de este tipo de energ�a. Un detalle curioso es que Ericsson no quiso patentar ni comercializar sus motores solares hasta que no se hubieran perfeccionado, por lo cual dej� muchos inventos sin patente.

En 1860, con el apoyo de Napole�n III, Augusto Mouchot construy� un colector solar en forma de cono truncado de 2.2 m de di�metro, que se utiliz� primero en una caldera y posteriormente en una planta para bombear agua. En la Exposici�n Mundial de Par�s, celebrada en 1878, Mouchot exhibi� una estufa solar y un motor solar que empleaba su colector. Tambi�n en la Exposici�n Mundial que se realiz� en el Palacio de las Tuller�as, Mouchot y Abel Pifre llevaron un motor solar integrado a la prensa de una imprenta. M�s tarde, en esta imprenta se editar�a la revista Le Journal du Soleil.

Hasta entonces se hab�a probado que cualquier m�quina t�rmica pod�a funcionar mediante la energ�a solar; sin embargo, �pod�a convertirse directamente esta energ�a en electricidad?

En 1839, Edmund Becquerel (abuelo de Henry Becquerel, el descubridor de la radiactividad natural) mientras trabajaba con celdas electrol�ticas observ� que al iluminar uno de los electrodos se produc�a un voltaje y as� descubri� el efecto fotovoltaico, es decir, la conversi�n directa de luz en electricidad. Cincuenta a�os despu�s, W. Smith encontr� que el selenio (elemento derivado del mineral de cobre) ten�a propiedades fotovoltaicas; Charles Fritts construy� las primeras celdas solares de selenio, y en 1878 G. W. Adams y R. E. Day observaron el efecto fotovoltaico en un semiconductor de selenio. En 1905, Albert Einstein, partiendo del concepto de cuanto, propuesto en 1900 por Max Planck, propuso que la luz est� compuesta de cuantos o paquetes de energ�a y explic� satisfactoriamente otro efecto, llamado fotoel�ctrico, que se presenta en los metales. Con esto, se daban las bases que llevar�an a Niels Bohr, Max Born, Louis de Broglie, Werner Heisenberg, Edwin Schr�dinger, P.A.M. Dirac y Wolfang Pauli, entre otros, a establecer alrededor de 1930 la mec�nica cu�ntica. En el efecto fotoel�ctrico, cuando la luz llega a metales como el platino o el cesio, los electrones pueden empezar a moverse, y si los fotones de los rayos de luz tienen frecuencias y energ�a apropiadas, hacen saltar a los electrones de la superficie iluminada y se genera una corriente el�ctrica.

Sin embargo, durante muchos a�os nadie se ocup� de mejorar las celdas solares. Tuvieron que pasar casi ochenta a�os para que Gordon Pearson, Darryl Chapin y Calvin Fuller, investigadores de los Laboratorios Telef�nicos Bell, utilizaran silicio con impurezas en lugar de selenio para fabricar las celdas solares como una soluci�n para tener una fuente de energ�a en las instalaciones telef�nicas de las �reas rurales. As� surgieron las primeras celdas solares que ten�an una eficiencia de 15%. Una de las desventajas era su costo, que las hac�a inaccesibles. Por esto, cuando se empezaban a olvidar las celdas solares, a la NASA se le ocurri� que la fuente m�s indicada para los sat�lites espaciales ser�an las celdas solares y dedic� mucho tiempo y dinero para perfeccionarlas y producirlas. Las celdas solares est�n constituidas de una uni�n de materiales semiconductores tipo n y tipo p, en las que se presenta el efecto fotovoltaico.

La primera aplicaci�n a mediana escala de la energ�a solar se dio en una planta desalinizadora, construida en el desierto de Atacama, en Las Salinas, Chile. �sta ten�a un �rea de captaci�n de media hect�rea; proporcionaba 20 mil litros de agua potable al d�a para una mina de nitrato de sodio y funcion� ininterrumpidamente de 1872 a 1912.

A principios de este siglo se construyeron varias plantas solares de baja potencia. En 1913, Franck Shuman y C. V. Boys hicieron una m�quina termosolar de 50 caballos de vapor, que se usaba en la planta de El Cairo, para extraer agua del r�o Nilo e irrigar la zona.

A pesar de estas contribuciones, durante la primera mitad del siglo XX, el aprovechamiento de la energ�a solar permaneci� en el desv�n del olvido debido a que, entre otras razones, los dispositivos solares no pod�an competir con las m�quinas que empleaban combustibles f�siles como el petr�leo, el gas y el carb�n.

En 1949 las actividades en torno al aprovechamiento de la energ�a solar empezaron nuevamente a prosperar. Se construy� el primer gran horno solar en Mont Louis, cerca de Odeillo, Francia, bajo la direcci�n de F�lix Trombe y en la d�cada de los a�os sesenta se fabric� el famoso horno solar de Odeillo, que aprovechaba la fachada de un edificio para formar un gran espejo parab�lico para concentrar los rayos solares en otra construcci�n cercana. En el foco de esta original construcci�n se alcanzan temperaturas de 4 000� C.

En Natick, Massachusetts se construy� en la d�cada de los cincuenta un espejo de grandes dimensiones que concentra los rayos solares en el foco de la par�bola y que alcanza temperaturas de 4 400� C, suficiente para derretir acero. En este espejo se hacen pruebas de calor para conocer las resistencias de diversos materiales destinados a proteger al ej�rcito estadounidense. En Baristow, California, se tiene una planta con 1 800 espejos que concentran el calor del Sol en una torre central de 90 m de altura. Ah�, un fluido como el agua, el aceite o las sales fundidas se emplea para producir vapor de agua y mover un turbogenerador. La central solar de Baristow produce 10 MW (megawatts). En Francia se encuentra la central electrosolar Themis, que genera 2.5 MW. Esta planta tiene 201 heliostatos o espejos de 53 m² orientados a una torre de 101 m que en la parte superior posee una caldera en la que se funden sales, mismas que se aprovechan para generar vapor, como se hab�a mencionado anteriormente, y producir energ�a el�ctrica. Las sales tienen la ventaja de que almacenan el calor. Finalmente, el Instituto de Ingenier�a de la UNAM tiene una peque�a planta solar con colectores cil�ndrico-parab�licos que siguen el movimiento del Sol, con una capacidad de 10 a 15 kilowatts; en esta planta se emplea aceite como fluido de trabajo para calentar agua y producir vapor.

I.4 �O SOLE MIO!

Antes de tratar lo referente al aprovechamiento de la energ�a solar se deben entender algunos conceptos fundamentales; en primer lugar, �qu� se entiende por energ�a?

La energ�a puede definirse como la capacidad que tiene un cuerpo o sistema de realizar trabajo; entendido este �ltimo como producto de la fuerza que se ejerce sobre un cuerpo, multiplicada por la distancia que se recorre aplicando dicha fuerza. Esta relaci�n se expresa matem�ticamente de la siguiente manera: W = F·d (donde W = trabajo, F = fuerza y d = distancia). Dicha definici�n de trabajo s�lo es v�lida cuando la fuerza aplicada y la distancia recorrida est�n en la misma direcci�n; cuando no es as�, el trabajo es igual al producto de la componente o proyecci�n de la fuerza sobre la direcci�n en la que se mueve el objeto por la distancia recorrida. Matem�ticamente esto equivale a W = F·d·cos q (donde q es el �ngulo que forman la fuerza con la direcci�n de movimiento del objeto).

Si elevamos a una persona que pesa 60 kg en condiciones ideales (esto es, sin fricci�n) a una altura de 10 m, y aplicamos la fuerza en la misma direcci�n en la que movemos a la persona, el trabajo realizado ser�: W F·d = m·g·d = (60) (9.8) (10)= 5 800 joules (donde m es la masa y g la aceleraci�n de la gravedad, que en nuestro planeta es igual a 9.8 m/s²).

Por tanto, para elevar a una persona con una masa de 60 kg a una altura de 10 m se necesita una energ�a de 5 880 joules. Pero si quisi�ramos elevarla a una altura de 20 m se necesitar�a el doble de energ�a para realizar ese trabajo.

En nuestro ejemplo, el trabajo lo realiza una persona; sin embargo, el desarrollo de la tecnolog�a ha permitido que sea una m�quina la que lo lleve a cabo. Primero fue una carreta y un caballo, despu�s el ferrocarril, el autom�vil, el cami�n, el avi�n, etc�tera. El desarrollo tecnol�gico ha permitido que el hombre descargue cada vez m�s trabajo en las m�quinas; sin embargo, al igual que el hombre, las m�quinas requieren de una fuente que proporcione la energ�a necesaria para realizar cualquier tipo de trabajo. En el ser humano, la fuente de energ�a son los alimentos; en el caso de las m�quinas existen diferentes fuentes de energ�a, entre las que se encuentra el Sol.

Est� claro que el hombre y cualquier m�quina requieren de una fuente de energ�a para realizar cualquier trabajo. Sin embargo, la eficiencia con la que se realiza �ste nunca podr� ser de 100%, dado que la naturaleza ha impuesto su ley: todo sistema que realice un trabajo siempre tendr� p�rdidas de energ�a calor�fica, que se manifiestan de diversas formas: por ejemplo, la fricci�n de las ruedas en el pavimento, el rozamiento de un pist�n en un motor, la transpiraci�n del cuerpo humano, etc�tera. Por lo tanto, una parte de la energ�a empleada para realizar un trabajo se transforma inevitablemente en energ�a calor�fica y por ello la eficiencia de cualquier m�quina t�rmica nunca ser� de 100 por ciento.

En los sistemas de conversi�n de energ�a, por ejemplo en una presa, la eficiencia se define como el cociente de la energ�a �til que se extrae del sistema, dividida entre la energ�a que entra al mismo. Como la primera siempre ser� menor que la segunda, la eficiencia de conversi�n de cualquier m�quina, planta, central o dispositivo siempre ser� menor que 1 o, expresado en porcentajes, menor que el 100 por ciento.

Otro concepto fundamental que ya hab�amos mencionado es el de potencia, que se define como la rapidez con la que se realiza un trabajo; o en otras palabras, la energ�a consumida por unidad de tiempo.

La figura 6 muestra la potencia m�xima que pueden desarrollar diferentes m�quinas utilizadas durante los �ltimos 200 a�os. Como puede apreciarse, en este sentido el buey es superior al hombre.

Figura 6. Potencia m�xima de diferentes m�quinas. (Tomado y adaptado de Scientific American, La energ�a, Alianza Editorial, num. 561, Madrid, 1975.)

Ya mencionamos que las unidades de energ�a que se utilizan com�nmente son los kilowatts-hora; asimismo, las de potencia son los kilowatts. Los rayos del Sol proporcionan energ�a radiante o radiaci�n y como se hab�a explicado antes, no es otra cosa que una onda electromagn�tica o millones de fotones de diferentes frecuencias.

Para medir la cantidad de energ�a que llega del Sol se emplea como unidad el watt-hora y para conocer la potencia de dicha radiaci�n se usa el watt. Sin embargo, en el caso del aprovechamiento de la energ�a solar, lo que interesa es la cantidad de energ�a por unidad de tiempo y por unidad de �rea que llega perpendicularmente a la superficie terrestre. Esta cantidad se denomina irradiancia, intensidad de la radiaci�n, soleamiento o insolaci�n y las unidades para medirla son los watts/m² y el langley/d�a.

La Tierra gira alrededor del Sol en un movimiento que se denomina traslaci�n y que realiza durante un a�o. La trayectoria que describe nuestro planeta es una elipse que se acerca a una trayectoria circular; el Sol se encuentra en uno de los dos centros de esta elipse, denominados focos. El movimiento de la Tierra y de la mayor parte de los planetas tiene lugar en un plano, llamado ecl�ptica. Como el Sol est� en uno de los focos de la elipse, nuestro planeta est� m�s cerca del Sol en una �poca y m�s lejos en otra. La Tierra alcanza su m�xima aproximaci�n al Sol cuando se encuentra a 1.45 x 10⁸ km, posici�n llamada perihelio, a la que llega hacia el 4 de enero de cada a�o.

A partir de ese punto se va alejando del Sol, hasta que, hacia el 5 de julio de cada a�o, alcanza la posici�n m�s separada, su afelio, a 1.54 x 10⁸ km de distancia.

Pero nuestro planeta no s�lo se mueve alrededor del Sol, sino que gira en torno a un eje imaginario, en un movimiento que se llama rotaci�n. El eje de rotaci�n de la Tierra no es perpendicular al plano de la ecl�ptica, sino que forma un �ngulo de 23.45�.

Si medimos el �ngulo que forman los tr�picos de C�ncer y de Capricornio con respecto al ecuador, desde el centro de la Tierra, el primero ser� de + 23.45� y el segundo de - 23.45�. Esta inclinaci�n del eje de la Tierra con respecto al plano de la ecl�ptica es lo que ocasiona fundamentalmente las estaciones y, por lo tanto, la cantidad de radiaci�n que recibimos del Sol, en cada caso.

En el solsticio de invierno, el 21 de diciembre⁴, los rayos solares llegan al Hemisferio Norte durante menos tiempo, porque es el d�a m�s corto del a�o, y el Sol se encuentra al mediod�a en el punto m�s bajo del cielo; en consecuencia, en el d�a el soleamiento es m�nimo. En el Hemisferio Sur ocurre lo contrario. Posteriormente, el 21 de marzo, en el equinoccio de primavera, cuando el d�a y la noche duran lo mismo, el soleamiento es igual en ambos hemisferios y el Sol al mediod�a cae verticalmente sobre el ecuador, pero el eje de rotaci�n de la Tierra forma un �ngulo de 23.45� con respecto a la perpendicular del plano de la ecl�ptica y, por lo tanto, este plano imaginario corta a la Tierra formando un �ngulo tambi�n de 23.45� respecto al ecuador. En el solsticio de verano, que ocurre el 22 de junio, los rayos solares llegan al Hemisferio Norte durante m�s tiempo, porque es el d�a m�s largo del a�o y el Sol alcanza el punto m�s alto en el cielo; �ste es el caso M�xico. Por lo tanto, en el Hemisferio Norte en ese d�a ocurre el soleamiento m�ximo. En el Hemisferio Sur ocurre lo opuesto. Finalmente, el 22 o 23 de septiembre, en el equinoccio de oto�o, se repite la misma situaci�n que en el equinoccio de primavera, d�a y noche duran lo mismo en ambos hemisferios y el soleamiento es intermedio entre los puntos m�ximo y m�nimo (solsticios de verano e invierno en el Hemisferio Norte, o al contrario en el Sur) y el eje de la Tierra forma un �ngulo de -23.45� con respecto al ecuador. En la figura 7 se muestra en forma gr�fica cada uno de los cuatro casos.

Figura 7. Radiaci�n solar durante los solsticios y los equinoccios.

Para comprender mejor c�mo llegan los rayos solares en los equinoccios y los solsticios, en la figura 8 se muestra la trayectoria aparente del Sol en las cuatro situaciones, vista desde la latitud de la ciudad de M�xico o de Colima.

Figura 8. Trayectoria del Sol desde una latitud de 16� N como la de la ciudad de M�xico o la de Colima, durante los solsticios y los equinoccios. (Tomado de: Everardo Hern�ndez et al., Atlas de la Rep�blica Mexicana, Universidad Veracruzana, 1991.)

Cuando los rayos de Sol llegan perpendicularmente a una superficie es cuando puede aprovecharse la mayor cantidad de radiaci�n; por eso, la cantidad de radiaci�n que recibe nuestro planeta depende de la inclinaci�n de los rayos solares.

La radiaci�n que llega a la Tierra es variable y dichos cambios deben conocerse para saber la cantidad de radiaci�n que puede aprovecharse en cada lugar del planeta. En otras palabras, la radiaci�n solar no es constante sino que cambia seg�n las estaciones del a�o, las condiciones atmosf�ricas y la latitud de cada regi�n.

Pese a lo anterior, para todo fin pr�ctico se considera que en el l�mite superior de nuestra atm�sfera llega una cantidad de radiaci�n promedio por unidad de tiempo por cada m², que se denomina constante solar. El valor de esta constante es igual a 1367 watts/m². Esto quiere decir que en el borde de la atm�sfera, a cada m² le llegan 1 367 watts de potencia solar. Si consideramos la mitad de la superficie de la Tierra (debido a la noche) se tendr�a una energ�a de 1.7 X 10¹⁷ watts-hora cada 60 minutos de Sol, cantidad muy superior a la energ�a el�ctrica que se genera en todo el mundo a lo largo de un a�o (7 X 10¹⁵ Wh). Sin embargo, la atm�sfera y la eficiencia de los sistemas solares ocasionan que esta cantidad sea mucho menor (2.16 X 10²⁰ Wh/ a�o).

La Tierra tiene una atm�sfera cuyo l�mite se fija convencionalmente a 2 000 km de altura sobre la superficie y est� compuesta de las siguientes capas: troposfera, estratosfera, ionosfera y exosfera. �sta funciona como un gran invernadero, que guarda parte del calor proveniente del Sol; el efecto de invernadero permite que la temperatura terrestre no sea la de un t�mpano de hielo. Sin embargo, el efecto invernadero tambi�n puede provocar un calentamiento global del planeta, lo cual ocasionar�a da�os ecol�gicos. Para entenderlo se debe mencionar que cuando la radiaci�n llega a un objeto, �ste la absorbe y a su vez emite una radiaci�n en forma de ondas electromagn�ticas que no necesariamente tiene la misma longitud de onda.

El Sol emite una radiaci�n caracterizada por el espectro solar. Esa radiaci�n es absorbida por el sistema atm�sfera-Tierra. Dicho sistema atm�sfera-Tierra se calienta y a su vez emite una radiaci�n de caracter�sticas diferentes a la absorbida.

A peque�a escala, si los rayos solares llegan a un invernadero, el vidrio o los vidrios dejan pasar la longitud de onda corta, y el suelo y las plantas absorben esa radiaci�n, pero, a su vez, emiten una radiaci�n de longitud de onda larga. Esta radiaci�n de onda larga no puede salir porque el vidrio no deja pasar esa radiaci�n. As�, como el calor no puede salir se eleva la temperatura en el interior del invernadero. En nuestra atm�sfera ocurre un efecto similar.

Para saber cu�l es la cantidad de radiaci�n que llega a la superficie de nuestro planeta y no s�lo a la frontera de la atm�sfera, debe hacerse un an�lisis global de los diferentes procesos f�sicos y qu�micos que tienen lugar desde que la radiaci�n solar atraviesa la atm�sfera hasta que llega a la superficie terrestre. Este proceso global se llama balance energ�tico de la radiaci�n solar.

Hacer un balance preciso de la radiaci�n solar resulta una tarea compleja. Hasta ahora s�lo se han hecho aproximaciones. Por otro lado, la radiaci�n solar que recibe cada punto de la Tierra var�a, dependiendo de la radiaci�n directa y difusa que reciba. Por ello, hablar de un balance global resulta una aproximaci�n de la radiaci�n promedio anual que recibe la superficie terrestre, aunque permite darse una idea de lo que sucede.

Solamente 47% de la radiaci�n solar que absorbe nuestra atm�sfera llega a la superficie terrestre; 31% directa y 16% indirectamente, como radiaci�n que se difunde en la atm�sfera y se denomina, por ello, radiaci�n difusa.

Por otro lado, la radiaci�n solar que se desaprovecha se divide en los siguientes porcentajes: 28% se va al espacio exterior por reflexi�n en la capa superior de la atm�sfera, 6% se pierde por difusi�n de aerosoles⁵, 7 % se refleja en el suelo terrestre y 17% lo absorben las distintas capas de la atm�sfera. La suma de estas p�rdidas da un total de 53 por ciento (v�ase figura 9).

Figura 9. Balance energ�tico de la radiaci�n solar para longitudes de onda corta (< 4 µm).

Por lo tanto, en los diferentes dispositivos solares se puede aprovechar, en promedio, 47% de la radiaci�n que llega fuera de la atm�sfera. Pero esto s�lo ocurre con la radiaci�n solar de onda corta (menor de 4 micr�metros). La Tierra absorbe esa radiaci�n (47%), pero a su vez emite radiaci�n de onda larga, tal y como ocurre en un invernadero. Posteriormente, de esa radiaci�n de onda larga (mayor de 4 micr�metros) que emite nuestro planeta, 18% sale de la atm�sfera. De esa manera, �nicamente 29% (47-18=29%) de la radiaci�n total absorbida queda en nuestro planeta. En la figura 9 se muestra este balance energ�tico.

El aprovechamiento de la energ�a solar se refiere a la conversi�n directa de la radiaci�n solar en calor y en electricidad, llamadas conversi�n fotot�rmica y fotovoltaica, respectivamente. La energ�a solar es la causa indirecta de que pueda aprovecharse la energ�a que proporcionan las plantas y los animales, mejor conocida como biomasa. Tambi�n al Sol se deben los movimientos de las diferentes masas de aire que ocasionan los vientos; as�, la energ�a e�lica o de los vientos es indirectamente energ�a solar. Adem�s, el dep�sito de organismos que alguna vez estuvieron vivos en las capas de la corteza terrestre no es otra cosa que los componentes del petr�leo y el carb�n. De esa manera, los combustibles f�siles son tambi�n indirectamente producto de la energ�a solar. Finalmente, la energ�a hidroel�ctrica proviene de una enorme m�quina t�rmica, cuyo combustible es precisamente la energ�a solar. Cuando los rayos del Sol calientan el agua de la Tierra se produce vapor de agua; �ste se eleva formando nubes; ah�, el vapor de agua se condensa y se precipita, lo que aumenta el nivel de agua de, por ejemplo, una presa.

Como se mencion� antes, los movimientos de rotaci�n y traslaci�n de la Tierra hacen que var�e la cantidad de radiaci�n que recibe el planeta. As�, para conocer la radiaci�n por unidad de tiempo por unidad de superficie que recibe un lugar determinado de la Tierra, deben conocerse varios par�metros como la latitud y la longitud geogr�ficas, la altura sobre el nivel del mar, la concentraci�n de vapor de agua y la concentraci�n de bi�xido de carbono en la atm�sfera. La medici�n de estas variaciones ha permitido hacer un mapa mundial de la radiaci�n mensual que reciben diferentes lugares de la Tierra (v�ase figura 10). Por ejemplo, la latitud y la longitud de Ciudad Universitaria en el Distrito Federal, es 19�20' Norte y 99�11' Oeste y el promedio de radiaci�n anual por d�a en el a�o de 1966 fue de 5.278 kWh/ m². Esto quiere decir que en promedio cada m² de Ciudad Universitaria recibi� ese a�o 5.278 kWh por d�a. Si esa energ�a pudiera aprovecharse ser�a suficiente para satisfacer el consumo de electricidad de un departamento com�n.

Figura 10. Radiaci�n total mundial (durante el mes de julio de 1966.) (Tomado y adaptado del Solar Energy, Universidad de Wisconsin, julio, 1966.)

En la figura 11 se muestra un mapa de soleamiento o insolaci�n para la Rep�blica Mexicana y cada una de las l�neas corresponde a los lugares que reciben la misma cantidad de radiaci�n. Como puede apreciarse, los estados de Sonora y Baja California son los que reciben anualmente mayor cantidad de Sol. Por otro lado, cabe se�alar que la ciudad de M�xico se encuentra entre las cinco ciudades del mundo que reciben mayor cantidad de radiaci�n solar.

Figura 11. Radiaci�n solar en la Republica Mexicana. (Tomado y adaptado de Alternativas Energeticas, Alonso C., A y Rodr�guez V., L; datos de Galindo, I. Y Ch�vez A.)

1.5. �C�MO SE APROVECHA TANTO SOL?

Los principales sistemas y dispositivos solares pueden clasificarse no s�lo como fotot�rmicos y fotovoltaicos, sino tambi�n conforme a su temperatura de operaci�n. En los fotot�rmicos, la temperatura puede ser baja, intermedia o alta. Tambi�n pueden clasificarse de acuerdo con su uso en viviendas, industrias, en el campo o en la ciudad, para satisfacer la demanda de energ�a del pa�s o en comunidades rurales (sistemas de generaci�n de energ�a centralizados o descentralizados).

En la figura 12 se muestran algunos de los sistemas y dispositivos solares m�s utilizados de acuerdo con la clasificaci�n anterior.

Figura 12. Diferentes dispositivos y tipos de sistemas solares.

1.6. COLECTORES PLANOS Y TUBULARES

El calor se transmite siempre de los cuerpos calientes a los fr�os, y nunca de manera inversa. Existen tres formas de transmitir el calor: por radiaci�n, por convecci�n y por conducci�n.

Para comprender mejor las diferentes formas de transmisi�n del calor, veamos un ejemplo cotidiano. Si tomamos el Sol en la playa y pasan algunas horas observamos que nuestra piel se quem�; el Sol emite energ�a radiante compuesta de fotones u ondas electromagn�ticas. Dicha radiaci�n atraviesa la atm�sfera y llega —en un d�a despejado al nivel del mar— a la superficie como 4% de rayos ultravioleta, 46% de radiaci�n visible y 50% de rayos infrarrojos. Cualquier cuerpo al que le llegue radiaci�n tiene la propiedad de absorberla, produciendo calor que a su vez ocasiona que se eleve la temperatura. Volviendo al caso de nuestro cuerpo, �ste absorbe la radiaci�n solar y una de las formas en que �sta se manifiesta es en los rayos ultravioleta que queman la piel. Si nos levantamos r�pidamente, huyendo del calor excesivo, notaremos que una brisa nos refresca un poco. Los vientos se originan por las diferencias de temperatura que existen entre distintas capas de la atm�sfera y por la rotaci�n de la Tierra, y as� se crean corrientes de aire llamadas de convecci�n, a trav�s de las cuales el calor se distribuye en la atm�sfera terrestre. La transmisi�n por convecci�n ocurre tambi�n en l�quidos, por ejemplo cuando hervimos agua.

Por lo tanto, si seguimos con el ejemplo anterior, nuestro cuerpo (que est� m�s caliente) habr� transmitido parte de su calor a la corriente de convecci�n de la brisa y como resultado final percibimos menos calor. Si caminamos descalzos sobre la arena nos percataremos r�pidamente de la conducci�n del calor: tendremos que correr para no quemarnos las plantas de los pies, debido a la transmisi�n de calor por conducci�n de la arena a nuestros pies.

En los sistemas solares fotot�rmicos se deben aprovechar al m�ximo estas formas de transmisi�n de calor o, visto de otra manera, tienen que evitarse las p�rdidas de calor por estas tres formas de transmisi�n.

Entre los sistemas que convierten la energ�a solar en calor aprovechable se encuentran los colectores planos y tubulares, que se utilizan principalmente para el calentamiento de agua o aire.

El principio general de funcionamiento de un colector es el llamado efecto invernadero; aqu� hay que recalcar que nuestra atm�sfera opera como un gran invernadero. Como se dijo anteriormente, cuando la luz pasa a trav�s de una o varias capas de vidrio u otro material transparente se transmite la radiaci�n que tiene una longitud de onda corta. Si en el interior de un sistema con un vidrio perfectamente aislado del exterior se coloca un material pintado de negro (el color que absorbe mayor cantidad de radiaci�n) para que absorba al m�ximo la radiaci�n, el material absorber� la radiaci�n solar, se calentar� y se elevar� la temperatura; posteriormente, ese material emitir� a su vez radiaci�n de longitud de onda larga, como los rayos infrarrojos lejanos a la parte visible del espectro. La radiaci�n emitida depender� de la temperatura que posea el material.⁶ Pero como la radiaci�n es ahora de longitud de onda larga no podr� atravesar la capa de vidrio, quedar� atrapada en el interior y, en consecuencia, provocar� que la parte interna del colector est� a una temperatura m�s elevada que el exterior, tal y como sucede al entrar a un invernadero.

Si en el interior de una caja, con uno de sus lados de vidrio, se coloca una serie de tubos que conduzcan adecuadamente el calor y por los que circule agua, se obtendr� agua calentada por el Sol.

Asimismo, el color que poseen los objetos est� directamente relacionado con la absorci�n, reflexi�n y transmisi�n de la radiaci�n solar. Por ejemplo, las hojas son verdes porque de todos los rayos que reciben, �nicamente reflejan aquellos cuya longitud de onda corresponde al color verde; el resto de radiaci�n visible que tiene otras longitudes de onda es absorbida por la hoja. Una hoja de papel blanco, en cambio, refleja la radiaci�n de todas las longitudes de onda que le llegan y por eso la vemos blanca. En contraposici�n con el blanco, el color negro absorbe todas las longitudes de onda.

En la Parte I del Libro III de la �ptica, Newton se refiere a dicho fen�meno como sigue: "�Acaso la luz no engendra calor en los cuerpos negros con mayor facilidad que con los de otros colores, debido a que al incidir sobre ellos no se refleja hacia afuera, sino que, penetrando en ellos, se refracta y refleja muchas veces en su interior hasta que se absorbe y pierde? [se refiere a la emisi�n de calor]".

La combinaci�n del efecto invernadero, la absorci�n de radiaci�n de los objetos negros y el aislamiento para evitar las p�rdidas de calor constituyen los principios f�sicos fundamentales para comprender el funcionamiento de un colector plano o tubular.

Existen tres tipos de colectores: planos, tubulares y de concentraci�n. Los colectores planos funcionan a bajas temperaturas, entre 80 y 60�C, y se utilizan principalmente para calentar o enfriar agua y aire en las casas, pero tambi�n para secar granos, obtener agua potable, en albercas, lavander�as, ba�os p�blicos, embotelladoras, refrigeraci�n, etc�tera. Los colectores planos tienen una eficiencia del 40 al 65% y hasta ahora son los dispositivos solares m�s desarrollados y utilizados en el mundo. Sin embargo, para obtener temperaturas m�s altas, entre 60 y 165�C, se utilizan los colectores tubulares. �stos consisten en dos o tres tubos, dos interiores de metal y uno exterior de vidrio, generalmente conc�ntricos. Entre el tubo de vidrio y el tubo met�lico externo, que debe ser negro (y puede ser de cobre) se hace el vac�o (v�ase figura 13), ya que la forma tubular permite que los tubos soporten grandes presiones, as� como captar la mayor cantidad de radiaci�n solar. Debe se�alarse que se hace el vac�o para reducir las p�rdidas de calor por conducci�n y convecci�n, con lo cual se consiguen temperaturas m�s elevadas. El resultado final es que en los colectores tubulares la p�rdida de calor por convecci�n y conducci�n se reduce considerablemente, la temperatura de operaci�n aumenta y su eficiencia real oscila entre 60 y 70%. Los colectores planos y tubulares tienen la ventaja de que funcionan tanto con radiaci�n difusa como directa. Los colectores de concentraci�n, por su parte, re�nen la radiaci�n solar en un punto o una l�nea y permiten alcanzar altas temperaturas; pueden estar fijos o seguir el movimiento del Sol (�stos se describir�n m�s adelante).

Figura 13. Colectores tubulares.

I.7. EL CALENTADOR SOLAR

Tal vez la aplicaci�n m�s sencilla y econ�mica que tienen los colectores planos sea el calentador solar con tanque de almacenamiento.

Los colectores planos deben orientarse hacia el sur en el Hemisferio Norte (como es el caso de M�xico). A partir de c�lculos complejos de la radiaci�n m�xima que recibe una superficie inclinada, en los que intervienen consideraciones te�ricas y emp�ricas, la m�xima captaci�n de un colector plano se logra cuando el �ngulo de inclinaci�n es aproximadamente igual a la latitud geogr�fica del lugar. Esto permite lograr una incidencia m�xima en todas las �pocas del a�o. En el caso de la ciudad de M�xico, un colector debe tener una inclinaci�n de 19�. Una segunda aproximaci�n demuestra que en verano la inclinaci�n del colector debe ser igual a la latitud del lugar menos 10� y, en invierno, la latitud del lugar m�s 10�. Para la capital esto equivale a 9� en verano y 29� en invierno.

Para construir un colector plano puede usarse una caja de aluminio anodizado (para reducir costos, la tapa posterior de la caja puede ser de aluminio com�n). La caja del colector debe tener una superficie aproximada de 1.5 m² y 10 cm de espesor (v�ase la figura 14).

Figura 14. Colector plano para un calentador solar.

La tapa superior del colector, por donde llegan los rayos solares, puede ser de vidrio o de fibra de vidrio y tener una segunda capa de vidrio, colocada aproximadamente a 7.5 cm de la base. La caja debe estar perfectamente sellada para evitar p�rdidas de calor y el deterioro de los materiales, y tener dos salidas de agua. En el interior lleva una l�mina con tubos soldados pintados de negro (por ejemplo, cromo negro electrodepositado sobre un recubrimiento de n�quel) para que absorba y transmita la mayor cantidad de radiaci�n. Los tubos pueden ser de cobre y deben estar uniformemente repartidos en forma de peine para que circule el agua por toda el �rea del colector.

La siguiente capa debe ser aislante (espuma de poliuretano r�gida, por ejemplo) para impedir que el calor fluya hacia la parte posterior del colector.

Hasta ahora se ha descrito una parte del calentador, la otra es el sistema de almacenamiento. Como el Sol es una fuente de energ�a intermitente, se requiere un tanque para que el calentador solar d� servicio continuo. La ventaja de los colectores planos es que funcionan con la radiaci�n difusa, esto es, incluso cuando el cielo est� nublado, aunque obviamente la potencia disminuye

Como sistema de almacenamiento de un calentador solar sencillo puede utilizarse un tanque cil�ndrico de acero con una capacidad aproximada de 200 litros. El tanque debe colocarse arriba del colector (con 1 m de altura de diferencia para fines pr�cticos); debe tener dos salidas y dos entradas de agua, para que dos de ellas vayan al colector y el flujo de agua viaje continuamente debido al efecto de termosif�n.

El tanque tiene dos tubos en la parte superior; por uno entra el agua fr�a, que va hasta el fondo del mismo, y por el otro sale el agua caliente. Como el agua fr�a es m�s densa que la caliente, al llegar a la parte inferior del colector, y que es donde se calienta, tender� a subir para salir y almacenarse en el tanque. Este ciclo se realiza sin necesidad de bombear agua debido al efecto termosif�n antes mencionado. La diferencia de densidad entre las capas de agua crea una fuerza que induce una corriente, la cual hace que el agua circule continuamente (v�ase figura 14).

Con un colector solar de este tipo pueden calentarse 200 litros de agua a una temperatura de 30 a 60� C; incorporado a una vivienda puede resolver el abastecimiento de agua caliente y su costo, para cuatro personas, es de aproximadamente 350 nuevos pesos (adem�s, no hay que olvidar el ahorro de gas).

Existen otros tipos de colectores planos que tienen otros dise�os y sistemas de almacenamiento, en algunos casos m�s eficientes, pero m�s costosos y complejos.

1.8. EL SOL EN UN PUNTO O EN UNA L�NEA

Cuando se desea calentar a temperaturas elevadas un l�quido, s�lido o gas se emplean los llamados colectores de concentraci�n, que aprovechan la radiaci�n solar directa. Para lograr un aprovechamiento m�ximo, estos colectores deben tener un mecanismo que les permita seguir el movimiento del Sol a lo largo del d�a, con el objeto de que sea mayor la intensidad de la radiaci�n. Esto se puede lograr manualmente o con un peque�o motor unido al colector. Este tipo de colectores se denomina de seguimiento.

Existen tambi�n los colectores est�ticos que, aunque poseen una forma geom�trica m�s adecuada para que permanezcan inm�viles, son menos eficientes (v�ase figuras 15 y 16).

Figura 15. Colectores solares de concentraci�n con seguimiento del Sol. (Tomado y adaptado de Alonso C., A y Rodr�guez V., L., Alternativas energéticas, FCE-CONACYT, M�xico, 1985.)

Figura 16. Colectores solares de concentraci�n est�ticos o sin seguimiento del Sol. (Tomado y adaptado de Alonso C., A y Rodr�guez V., L., Alternativas energéticas, FCE-CONACYT, M�xico, 1985.)

En las figuras 15 y 16 se muestran algunas de las formas t�picas de ambos tipos de colectores.

Los rayos solares se concentran en un punto o a lo largo de una l�nea, dependiendo de la forma que tenga el colector. Si utilizamos una lupa para concentrar la luz del Sol, se observa f�cilmente que a cierta distancia, llamada distancia focal, los rayos solares se concentran en un punto denominado foco de la lente. Si en ese punto colocamos por ejemplo, un trocito de papel celof�n, �ste arder� r�pidamente. Pero si en lugar de una lupa, usamos un espejo c�ncavo cuya forma sea un paraboloide de revoluci�n (v�ase la figura 17), se logra tambi�n la concentraci�n de los rayos solares en un punto, con la gran ventaja de que es mucho m�s econ�mico hacer un espejo c�ncavo que una lente. Com�nmente se utilizan acr�licos aluminizados por electrodepositado. Estos colectores tienen una eficiencia de 40 a 60% y cuando son de peque�as dimensiones alcanzan temperaturas de 100 a 300�C.

Figura 17. Espejo c�ncavo en forma de paraboloide de revoluci�n. �ste concentra los rayos solares en un punto y puede alcanzar temperaturas elevadas.

Las antenas parab�licas instaladas en las azoteas de algunas casas tienen la forma de paraboloide de revoluci�n. As� que dichas antenas tambi�n podr�an utilizarse como bases para hornos solares, siempre y cuando tuvieran un espejo (y tal vez ser�an m�s �tiles).

Para concentrar los rayos solares en una l�nea pueden emplearse varias configuraciones de espejos. La m�s com�n es un cilindro parab�lico y el casquete de esfera (v�ase la figura 18).

Figura 18. Concentraci�n de los rayos solares en una l�nea.

Los colectores de concentraci�n tienen diversas aplicaciones, entre las que se encuentran las estufas o cocinas solares. Basta colocar el sart�n en el foco del espejo concentrador para preparar cualquier platillo y calcular que la curvatura del colector sea la adecuada para que el punto donde se concentran los rayos solares no est� alejado del colector. Aqu� debe aclararse que como el Sol no es un punto, en realidad se trata de una zona alrededor del foco del espejo, en la cual la temperatura es m�xima. Los colectores de concentraci�n pueden emplearse como hornos solares, para fundir cualquier material o adaptarse a un motor Stirling para el bombeo de agua o en la ventilaci�n. En regiones con insolaci�n intensa pueden emplearse a mediana escala para la generaci�n de energ�a el�ctrica en plantas de potencia de 1 a 100 MW.

La cantidad de energ�a captada en el colector depende del tama�o de la superficie expuesta a los rayos del Sol, mientras mayor sea la superficie de captaci�n la temperatura focal ser� m�s alta. Los heliostatos se utilizan para aprovechar una gran extensi�n. �stos consisten en un espejo c�ncavo, formado por muchos espejos planos, en cuyo centro hay una torre central, en la cual se concentra la energ�a solar. Dichos colectores pueden estar fijos o puede ser que cada uno de los espejos que constituyen el heliostato tenga un motor programado para seguir el movimiento aparente del Sol (v�ase la figura 19).

Figura 19. Heliostatos. Conjunto de espejos que concentran los rayos solares en una o varias l�neas o en una zona peque�a. Con los heliostatos se consiguen temperaturas muy elevadas y se pueden utilizar para generar energ�a el�ctrica.

I.9. ESTANQUES SOLARES

El aprovechamiento del calor solar a trav�s de estanques con agua salada se origin� en 1901 cuando A. V. Kalecsinsky se percat� de que en el lago de Medve, en Hungr�a, la temperatura que alcanzaba el agua en verano a una proflindidad de 1.32 m era de 72�C; m�s que suficiente para un buen ba�o de agua caliente.

El mismo fen�meno ocurre en diferentes lagos del mundo. En M�xico existen varios estanques solares naturales, entre los que se encuentran los de Guerrero Negro y Texcoco. En 1954, en Israel se empez� a experimentar con estanques solares artificiales para aprovechar el calor solar almacenado en el fondo (los pioneros fueron Rudolph Broch y Harry Tabor) y la experiencia israel� culmin� en el a�o de 1979 con la construcci�n de la primera planta termoel�ctrica que utiliza un estanque solar y tiene una potencia de 150 kW.

Los estanques solares son dep�sitos de agua con sal, en los cuales la concentraci�n de esta �ltima aumenta con la profundidad. Este fen�meno se presenta en forma natural, debido a que la sal del agua, por ser m�s densa, tiende a irse al fondo del estanque. Si se tienen tres capas de agua con diferentes concentraciones de sal, ocurre lo siguiente: los rayos solares calientan la capa superficial, pero como �sta se encuentra en contacto con el ambiente, su temperatura depender� de la temperatura del ambiente en las distintas �pocas del a�o; en la segunda capa, que tiene una mayor concentraci�n de sal, la temperatura aumentar� gradualmente, y en la tercera y m�s profunda, donde la concentraci�n de sal es m�s alta, la temperatura ser� igual a la m�xima temperatura de la segunda capa, con la gran diferencia de que ser� muy superior a la temperatura ambiente y permanecer� m�s o menos constante. Las sales tienen la propiedad de almacenar el calor. Por esta raz�n, la capa m�s profunda del estanque tiene una temperatura mayor. En consecuencia, aparentemente la densidad tendr�a que ser menor. Si calentamos agua com�n habr� evaporaci�n, convecci�n y radiaci�n y al cabo de un tiempo el agua ceder� su calor al medio. En un estanque solar, la primera capa tiene sal en una concentraci�n constante; en la segunda, la concentraci�n de sales aumenta gradualmente o, en t�rminos cient�ficos, se establece un gradiente de sales, y al cambiar la temperatura tambi�n se presenta un gradiente de temperatura, cuyo m�ximo valor ocurre en la tercera capa. En esta �ltima, el gradiente de sales ocasiona que la densidad sea mayor que en la segunda y con ello se evita la convecci�n de calor, lo cual ocasionar�a que el agua se enfriara r�pidamente. Por eso, la �nica p�rdida de calor entre las capas es por conducci�n de calor y como �sta es lenta, la temperatura de la capa profunda es elevada (v�ase la figura 20). As�, en el lago Medve de Hungr�a, se llegan a alcanzar en forma natural temperaturas de 72�C.

Figura 20. Diagrama de un estanque solar. En A se tiene una concentraci�n de sal constante. Cuando se est� a una profundidad entre 40 y 110 cm, la concentraci�n de sal empieza a aumentar linealmente y en la capa C es donde la concentraci�n de sal es m�s alta.

Otro tipo de estanque solar que s� permite la conducci�n del calor por convecci�n en todas las capas de agua u otro l�quido se puede construir empleando un material que sea a la vez transparente y aislante para que no haya transferencia de calor a la superficie que est� en contacto con el ambiente. Este sistema se utiliza en las albercas, para mantener el agua templada. Con frecuencia se emplea un pl�stico grueso con burbujas de aire que cubre completamente la superficie de la alberca.

1.10. CELDAS SOLARES

Las celdas solares convierten directamente la luz solar en electricidad, debido al efecto fotovoltaico. La luz est� compuesta de fotones con diferentes energ�as. Cuando un fot�n con energ�a suficiente choca con un �tomo de alg�n material, por ejemplo el silicio, el �tomo absorbe la energ�a del fot�n y un electr�n del material queda en un estado excitado por la energ�a absorbida, lo que permite, en algunos casos, que se mueva libremente. Si en lugar de uno son varios los electrones que circulan libremente, puede producirse una corriente el�ctrica bajo ciertas condiciones y, por lo tanto, generarse electricidad a partir de energ�a solar.

Para imaginarnos c�mo es un �tomo supongamos que el n�cleo de �ste es el Sol y los planetas son los electrones que giran a su alrededor. Para comprender lo que ocurre cuando llega un fot�n, pensemos que �ste es un cometa. Si el cometa choca con Plut�n, a nivel at�mico este �ltimo adquirir�a una energ�a que le permitir�a salir del Sistema Solar. La regla del mundo at�mico establecer�a que todos los planetas �nicamente pueden estar en la �rbita de algunos otros pero no permanecer en estados intermedios. Si un planeta pasa a una �rbita inferior producir� un cometa y si �ste choca con un planeta, este �ltimo pasar� a la �rbita inmediata superior. Por lo tanto, si queremos producir un efecto cometo-planetario, es decir, una corriente de planetas, siguiendo las reglas del mundo at�mico, se necesitar�a que los cometas poseyeran la energ�a suficiente para que los planetas salieran del Sistema Solar.

Para producir el efecto fotovoltaico se utilizan materiales semiconductores, es decir, aquellos que no son buenos conductores de la electricidad, como el cobre y la plata, y que tampoco sean buenos aislantes, como el corcho o la cer�mica. Un ejemplo de semiconductor son los materiales que se emplean en los transistores que posee cualquier radio. El silicio, por ejemplo, es un material semiconductor.

En los materiales semiconductores existe una regi�n que separa a la banda de valencia, en la cual los electrones est�n ligados al n�cleo at�mico, de la banda de conducci�n, en la que los electrones pueden circular libremente. Dicha regi�n se denomina banda prohibida. En los materiales aislantes �sta es mayor de 5 eV (electr�n-volt) y en los semiconductores, como el silicio es de 1.1 eV. Para lograr la conducci�n se requiere que los electrones de la banda de valencia pasen a la de conducci�n, y una forma de lograrlo es que los fotones de los rayos solares proporcionen la energ�a que se requiere para que los electrones salten la banda prohibida.

Si a un material semiconductor se le introduce una peque�a proporci�n de otro material, lo cual se denomina una impureza, se puede conseguir que se tenga un electr�n de m�s o de menos en la banda prohibida. Si esto ocurre cerca de la banda de conducci�n, el material se denomina tipo n (por negativo). Y si el electr�n de m�s o de menos est� cerca de la banda de valencia, el material se llama tipo p (por positivo).

Al juntar un semiconductor tipo n con uno tipo p, se presenta el efecto fotovoltaico, es decir, habr� un flujo de huecos (falta de electrones) hacia el lado del semiconductor n y uno de electrones hacia el lado del semiconductor p. Los fotones provenientes del Sol llegan a la celda solar y la radiaci�n absorbida generar� electrones en la banda de conducci�n y huecos en la de valencia. Con ello, se generar� una corriente el�ctrica del lado p al n y habr� un voltaje. De esta forma, si se conecta una resistencia entre los dos electrodos (positivo y negativo) se presentar� un flujo de corriente.

En resumen, cada celda solar tiene tres capas y dos electrodos (v�ase la figura 21). La capa que est� expuesta al Sol debe aprovechar al m�ximo la radiaci�n solar por unidad de �rea y por esta raz�n el electrodo negativo est� formado por peque�as tiritas de un material conductor. Las celdas de uni�n p-n se descubrieron en 1954, en los Laboratorios Telef�nicos Bell de Estados Unidos y se utilizaron como una fuente de energ�a en los tel�fonos rurales, y posteriormente se emplearon para cubrir las necesidades de energ�a el�ctrica de los sat�lites artificiales, aunque el principio de operaci�n lo descubrieron Adams y Day en 1878, utilizando selenio, y las primeras celdas las construy� Charles Fritts, en 1879.

Figura 21. Esquema de una celda solar. Al unir un material semiconductor tipo n con uno tipo p e iluminarlo con fotones de energ�a adecuada, provenientes del Sol, se producen en la banda prohibida (la que est� entre la banda de valencia y la de conducci�n) pares electr�n-hueco que generan una corriente el�ctrica.

Las celdas solares tienen la ventaja de aprovechar tanto la radiaci�n directa como la difusa, poseen una larga vida y convierten directamente la energ�a solar en electricidad. Por otro lado, no se han usado ampliamente porque hasta ahora son demasiado costosas y, por lo tanto, no pueden competir con otras fuentes de energ�a como el petr�leo y el gas. Adem�s, su eficiencia de operaci�n es baja, normalmente de 10%. Sin embargo, desde el descubrimiento de las celdas de silicio amorfo hidrogenado, en los �ltimos a�os han disminuido considerablemente los costos, aunque la eficiencia m�xima (8%) que se obtiene con este material es menor que la que se consigue con otros. En el cuadro V aparecen algunos materiales con los que est�n hechas las celdas solares que se fabrican o se estudian en M�xico, sus eficiencias m�ximas y el �rea de captaci�n de cada una de ellas.

CUADRO V. Materiales de algunas celdas solares: eficiencia y �rea

	Eficiencia máxima (%)		Área (cm2)
Silicio amorfo	8		0.04
Sulfuro de cadmio	10		1.00
Silicio monocristalino	18		2.00
Silicio policristalino	7-14		2-3
Arsenuro de galio	22		0.10
Teluro de cadmio	8-9		0.02
Fuente: Alonso C., Antonio y Luis Rodr�guez Viqueira, Alternativas energ�ticas, CONACYT, 1985.

Como cada celda genera corrientes entre 10 y 40 miliamperes (mA) por cm² y voltajes de 0.4 a 1 volt, se tienen que unir varias celdas en serie o en paralelo, para formar p�neles con potencias de 2 a 60 watts-pico que sean �tiles para satisfacer diferentes necesidades de energ�a el�ctrica; �stos deben estar cubiertos para evitar el deterioro. Mediante la uni�n de varios p�neles puede abarcarse una �rea adecuada para satisfacer cierta demanda y, al igual que en los colectores planos, las celdas deben orientarse hacia el sur, con una inclinaci�n adecuada.

Por ejemplo, si se quiere tener una potencia de 100 watts, se requerir�an 120 V (volts) y 0.8 A (amperes). Para ello, se necesitar�a un pánel que tuviera 300 celdas solares en serie (0.4x300=120 V) y 20 celdas solares colocadas en paralelo (0.040x20=0.8 A).

I.11. Y EN LAS NOCHES, �QU�?

Hasta ahora se han mencionado varios sistemas que convierten la energ�a solar en calor o en electricidad, pero nuestro planeta gira sobre su propio eje en un ciclo de 24 horas y, en consecuencia, cuando anochece no puede aprovecharse la energ�a solar. Si nuestras necesidades de energ�a pudieran satisfacerse durante el d�a no habr�a ning�n problema; sin embargo, nuestras costumbres vampirescas nos han hecho depender cada vez m�s de la luz artificial, a tal grado que en las ciudades resulta ca�tica la falta de electricidad durante la noche. Las necesidades del consumo de energ�a est�n dirigidas cada vez m�s a que las personas realicen sus actividades a cualquier hora del d�a. Aunque debe recalcarse que la demanda de energ�a siempre ser� mayor durante el d�a.

Como nuestro planeta no recibe la luz del Sol a todas horas, se dice que la energ�a solar es una fuente intermitente, dado que no es posible aprovechar la radiaci�n solar en forma continua.

Para resolver este problema se ha propuesto utilizar los sistemas de almacenamiento de energ�a, de tal forma que la energ�a que no se consume cuando hay Sol se guarde en un sistema de almacenamiento para utilizarla durante la noche. As� se lograr�a tener energ�a en forma continua, pero a cambio aumentar�a el costo de los dispositivos solares ya que se necesitar�an sistemas que almacenen la energ�a.

Existen dos tipos de sistemas de almacenamiento de energ�a: los qu�micos y los f�sicos.

En el apartado IX de la segunda parte se describen los sistemas de almacenamiento de energ�a.

I.12. LA INVESTIGACI�N SOLAR EN M�XICO

Nuestro pa�s tiene algunas regiones (Sonora y Baja California) con el promedio de radiaci�n m�s alto del planeta. Estas zonas coinciden con los desiertos que se hallan alrededor de los tr�picos de C�ncer y de Capricornio, y en ellas pueden construirse centrales de energ�a solar para satisfacer la demanda que requiere nuestro pa�s. Adem�s, como en las zonas des�rticas el suelo es poco productivo y el clima contribuye a que no se habiten, son las m�s apropiadas para construir plantas solares de varias decenas de megawatts de potencia.

Hoy en d�a, la energ�a solar no contribuye significativamente a satisfacer las necesidades nacionales de energ�a. Seg�n algunas fuentes, en 1985 el petr�leo y el gas natural ocupaban el primer lugar, con el 90.46% del total de la demanda de energ�a. En segundo lugar se encontraba la biomasa, con el 4.6%; la energ�a hidroel�ctrica contribu�a con el 3.3%; despu�s segu�a el carb�n, con el 1.5% y, finalmente, la energ�a geot�rmica con el 0.2%. Por otro lado, cabe mencionar que m�s de 20% de la poblaci�n rural no tiene acceso a la energ�a el�ctrica.

El promedio diario de energ�a solar que llega a la Rep�blica Mexicana es 5.5 kWh/m². La utilizaci�n de la energ�a solar se ha probado con �xito como alternativa para satisfacer las necesidades de electricidad en las comunidades rurales. Tambi�n se ha usado ampliamente en la vivienda. Cabe destacar el hecho de que una casa puede ser autosuficiente, en lo que respecta al consumo externo de energ�a, si se emplean algunos dispositivos solares y si la arquitectura de la vivienda est� dise�ada para que el clima est� controlado naturalmente con diversos sistemas solares llamados pasivos. De lo anterior se desprende que el uso de la energ�a solar contribuye a eliminar nuestra dependencia de los energ�ticos y a la descentralizaci�n energ�tica.

Las dos principales desventajas del uso de la energ�a solar son, en primer lugar, el costo elevado de los sistemas solares, en comparaci�n con los convencionales y, en segundo lugar, el mantenimiento de los sistemas solares. Es necesario crear sistemas de almacenamiento de energ�a solar que sean poco costosos, sencillos, eficientes y duraderos.

Sin embargo, estas desventajas pueden ser controladas por la investigaci�n b�sica y aplicada que se realice en M�xico. En el cuadro VI se resume la investigaci�n solar que se lleva a cabo en nuestro pa�s. El futuro de la energ�a solar depende de estas investigaciones; por mencionar s�lo un ejemplo del avance logrado, en los �ltimos seis a�os el costo de las celdas solares ha disminuido en un factor de diez.

CUADRO VI. Investigaci�n solar en M�xico.

Sistema	Lugar donde se investiga
Colectores planos	Instituto de Ingeniería de la UNAM, Instituto dde Investigaciones en Materiales de la UNAM7, Instituto Politécnico Nacional; Instituto dde Investigaciones Eléctricas; varias universidades e institutos en toda la República; fábricas de calentadores solares en el D.F., Guadalajara, Cuernavaca y Sinaloa, CFE y la Secretaría de Agricultura y Recursos Hidráulicos.
Colectores evacuados	Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM.
Colectores de concentración	Instituto de Ingeniería de la UNAM e Instituto de Investigaciones Eléctricas.
Estanques solares	Instituto de Investigaciones Eléctricas (en Palmira, Morelos); Sosa-Texcoco;Fertimex e Instituto de Ingeniería de la UNAM.
Celdas solares	Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM, Centro de Investigación y estudios Avanzados del IPN, el IPN y el IIE.