La transformación de energía solar en electricidad
Por Luis Bérriz

Es conocido que la disponibilidad potencial de la energía solar es muy superior a las necesidades energéticas de la humanidad y que, además, es prácticamente inagotable y no contaminante.


Por ejemplo, en sólo un metro cuadrado de una azotea soleada de una casa cubana, se recibe como promedio, la cantidad de 150 kWh al mes en energía solar, lo que equivale a la energía eléctrica que consume un hogar normal.

Como se sabe, cada transformación energética, ya sea natural o artificial, implica pérdidas de energía, por lo que no es correcto hacer transformaciones que no sean necesarias. Por ejemplo, no es correcto, en la mayoría de los casos, producir electricidad para calentar agua, cuando se puede hacer directamente de la radiación solar con el uso de un calentador, tampoco secar productos agrícolas e industriales con electricidad si se puede utilizar un secador solar, bombear agua con electricidad donde se pueda instalar un molino de viento o un ariete hidráulico. Por esta razón es conveniente en muchos casos hablar de energización y no de electrificación.

No obstante, sin dudas, la electricidad desempeña un papel muy importante en el desarrollo de la humanidad. Por eso es útil conocer todos los medios posibles de generación de electricidad a partir de la energía solar como fuente primaria, o sea, la “electricidad solar”.
El bagazo es un residuo de la producción azucarera. Ingenio en la Universidad Central de Las Villas.
El bagazo es un residuo de la producción azucarera.
Ingenio en la Universidad Central de Las Villas.

Conversión de la energía solar en electricidad

Existen varias formas de convertir la energía que proviene del Sol en electricidad, y casi todas se caracterizan por aprovechar ciclos naturales, aunque hay algunas que no.

Ejemplos de estos procesos de obtención de electricidad son:

Energía hidráulica

El ciclo del agua consume casi 30 % de la energía solar que llega a la Tierra.

Se conoce como energía hidráulica a la energía adquirida por el agua en el proceso natural de evaporación-lluvia provocado por la energía solar y se manifiesta en forma de energía cinética y/o potencial en ríos y embalses. Con esta energía se puede mover una turbina acoplada a un generador, produciendo así la electricidad. En Cuba existen cientos de minihidroeléctricas en funcionamiento que dan servicio a la población en zonas rurales y pueden construirse varios cientos más, si se aprovechan los embalses ya construidos.

Energía de la biomasa

Gracias al proceso de fotosíntesis, la energía solar contribuye al crecimiento de la vida vegetal, la biomasa, de la cual pueden extraerse combustibles tales como el alcohol y el metano o utilizarse en la combustión directa.

La forma más generalizada, en Cuba, de obtener electricidad solar es por medio de la biomasa cañera. A través de la fotosíntesis, la caña fija el carbón del aire para su crecimiento, En el proceso de producción de azúcar parte de la masa de la caña resulta en bagazo. La combustión del bagazo se produce vapor en las calderas y éste se utiliza para generar electricidad por medio de turbinas y generadores, así como en el proceso de fabricación del azúcar. La cogeneración de vapor y electricidad en los centrales azucareros, es una práctica de uso común tanto en Cuba como en el resto de los países productores de azúcar de caña.

Con tecnologías modernas es posible generar unos 200 kWh por cada tonelada de caña molida. En una zafra mediana en Cuba, con una molienda de 50 000 000 t de caña, se podrían producir 10 TWh, o sea, casi toda la electricidad necesaria para el país.

También puede generarse electricidad a partir de la biomasa al producir primero biogás y alimentar con éste un motogenerador. Este sistema es muy beneficioso con el uso de la cachaza de los centrales azucareros o los residuales sólidos de las despulpadoras de café, ya que además de obtenerse electricidad, ayuda a la descontaminación ambiental y a la producción de biofertilizantes.

La biomasa puede utilizarse también para mover un motor de combustión externa (ciclo Stirling) y con éste, generar electricidad. Este sistema puede ser empleado, por ejemplo, en los centros de acopio de la caña de azúcar y producir toda la electricidad necesaria para el centro y las casas vecinas.

El motor de combustión externa puede accionarse también, directamente, con la radiación solar concentrada por medio de espejos paraboloides. Con estos espejos se pueden lograr sin dificultad, temperaturas de 600°C y más.

Concentradores solares

Otra forma de generar electricidad es mediante la producción de vapor por concentración de la radiación solar por medio de grandes espejos helióstatos.

Un campo de helióstatos consiste en muchos espejos que siguen la trayectoria del Sol, de tal forma que concentran todos los rayos solares hacia una caldera central situada sobre una torre, para alcanzar temperaturas de 800 ºC y más.

  Central concentradora solar campo de heliostatos en la región de Almería, España.
Central concentradora solar campo de heliostatos en la región de Almería, España.

Existen en el mundo varias instalaciones de este tipo en funcionamiento y prueba de 1 a 5 MWe de potencia y algunos proyectos de instalaciones de 200 MWe.

Gradientes oceánicos

Las grandes masas de los océanos, funcionan como un acumulador gigante de la energía solar, donde las aguas superficiales se mantienen calientes y las profundas, frías.

Para las condiciones de Cuba, es importante el estudio del aprovechamiento de este gradiente térmico oceánico en los mares que la rodean. Debido a la gran inercia térmica de estos mares, la temperatura de sus aguas se mantiene con valores poco variables durante todo el año con un gradiente estable de 20 ºC entre la superficie y el fondo con solo 800 m de profundidad.
Este gradiente térmico puede utilizarse para la producción de electricidad. Tiene la desventaja de tener una eficiencia térmica muy baja, pero con la ventaja de ser inagotable en la práctica. Además, las aguas frías de las profundidades pueden ser utilizadas directamente en la refrigeración o climatización de locales.

Energía eólica

Cuando la radiación solar llega a la Tierra e interactúa con los océanos, los continentes y la atmósfera, produce los vientos. La energía de los vientos es conocida como energía eólica y se ha utilizado durante siglos para hacer girar los molinos.

Los equipos eólicos han tenido un avance extraordinario en estos últimos años, principalmente para la producción de electricidad. Existen en la actualidad parques eólicos (muchos molinos o aerogeneradores juntos en un mismo terreno) de 100 MW y más de potencia insladada.
La energía eólica se obtiene a traves de aerogeneradores como los instalados en el Parque Eólico de Turiguanó.
La energía eólica se obtiene a traves de aerogeneradores
como los instalados en el Parque Eólico de Turiguanó.

En Cuba existe un incipiente parque eólico de 450 kW, con dos aerogeneradores de 225 kW cada uno situado en la Isla de Turiguanó, en la provincia de Ciego de Ávila. El desarrollo del uso de la energía eólica tiene gran perspectiva también en Cuba.

Hidrógeno

Un método muy prometedo para la producción de electricidad solar es mediante el uso de las celdas combustibles de hidrógeno obtenido a partir de microalgas.

Es conocido que ciertas algas producen hidrógeno, pero sólo en pequeñísimas cantidades. Investigaciones realizadas con diferentes tipos de microalgas, como la clamidomona (Chlamydomonas reinhardtii), permiten predecir resultados muy satisfactorios en la producción a gran escala de hidrógeno solar, como portador energético limpio, con aplicaciones en la industria, el transporte y principalmente en la producción de electricidad.

El hidrógeno se convertirá algún día en el principal portador de energía renovable, al reemplazar a los combustibles fósiles gracias a que no es agresivo con el medio ambiente, pues el resultado de su combustión es agua pura. En una celda combustible, la energía de la combustión del hidrógeno se transforma directamente en electricidad.

Solar Fotovoltaica

Existe otro método que cada día se desarrolla más y que tiene grandes perspectivas en la era solar: la conversión directa de la luz solar en electricidad por medio del uso de las celdas solares, llamada comúnmente conversión fotovoltaica de la radiación solar.

Las células solares hechas con materiales semiconductores en estado cristalino como silicio, arseniuro de galio u otros, convierten la radiación solar directamente en electricidad. Las instalaciones fotovoltaicas son ampliamente utilizadas en Cuba en la electrificación de escuelas, consultorios médicos y círculos sociales en las montañas.
La electricidad solar es la única que puede lograr el verdadero desarrollo sostenible.