Historia de la Energía Solar
9 junio, 2020
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Introducción
La energía solar ha participado activamente en el desarrollo de la vida en el planeta Tierra, siendo el componente principal de muchos fenómenos tales como la fotosíntesis y el ciclo del agua. De igual manera, esta fuente vital de energía ha funcionado como un eje dinámico en desarrollo de energías “limpias” que se promueven en la actualidad. Antes de llegar a los avances tecnológicos actuales relacionados con el uso de la energía solar, existe una larga historia detrás, donde se incluye un participante fundamental conocido como energía fotovoltaica, quien es la que actualmente mantiene el concepto de inversión de la energía solar.
Uno de los problemas fundamentales del desarrollo e implementación de canales para invertir y usar le energía solar en equipos cotidianos, ha sido el valor monetario del desarrollo de dichas tecnologías, su complejidad, y la eficiencia en cuanto a la recolección, almacenaje y transformación de dicha energía en productividad. Sin embargo, debido a los últimos avances tecnológicos, los costos, eficiencia y usabilidad, han mejorado en la última década.
Pero para comprender el proceso evolutivo de esta tecnología, es importante volver unos siglos atrás, cuando la energía solar fotovoltaica fue analizada por primera vez. Este análisis permitirá una mejor exploración de la historia de la energía y la tecnología que tenemos hoy en día.
Primeros usos de la energía solar
En teoría, la energía solar fue utilizada por la humanidad en el siglo VII a. C. Referentes históricos demuestran que los humanos usaron la luz solar para encender fuegos con materiales translúcidos, como en el caso de las lupas. Más tarde, en el siglo III a. C., se sabía que los griegos y los romanos aprovechaban la energía solar con espejos para encender antorchas para ceremonias religiosas. Estos espejos se convirtieron en una herramienta normalizada denominada «espejos ardientes» (Ilustración 1). La civilización china documentó el uso de espejos con el mismo propósito más adelante en el año 20 d.C. (Sitio Solar, 2013).
Espejos Ardientes de Arquímedes
Otro uso temprano de la energía solar que todavía es popular hoy en día fue el concepto de «cuartos solares» en los edificios. Estas terrazas solares usaban ventanas masivas para dirigir la luz solar hacia un área concentrada. Algunas de las icónicas casas de baños romanas, contenían estos precintos, típicamente situados en el lado sur de los edificios, y funcionaban como terrazas solares. Más tarde, en el año 1200 d.C., los antepasados de los indígenas norteamericanos conocidos como los Anasazi se ubicaban en moradas orientadas al sur en los acantilados para capturar el calor del sol durante los fríos meses de invierno (Sitio Solar, 2013).
A fines de los años 1700 y 1800, investigadores y científicos lograron usar exitosamente la luz solar con el fin de calentar alimentos en hornos solares (Ilustración 2). También aprovecharon el poder del sol para producir barcos de vapor con energía solar. Por lo tanto, está claro que incluso miles de años antes de la era de los paneles solares, el concepto de manipular el poder del sol era una práctica común (Sitio Solar, 2013).
Horno Solar de E. W. Von Txchirnhausen – Dresde (Alemania)
Paneles solares
El desarrollo de la tecnología de paneles solares fue iterativo y requirió varias contribuciones de diferentes científicos. Actualmente, existe cierto debate acerca de cuándo se crearon exactamente y quién debería ser acreditado por la invención. Algunas personas atribuyen la invención de la celda solar al científico francés Edmond Becquerel, quien determinó que la luz podría aumentar la generación de electricidad cuando se colocan dos electrodos metálicos en una solución conductora (Sitio Solar, 2013). Este avance, definido como el «efecto fotovoltaico», influyó en posteriores desarrollos fotovoltaicos con el elemento selenio.
En 1873, Willoughby Smith descubrió que el selenio tenía potencial fotoconductor, lo que condujo al descubrimiento de William Grylls Adams y Richard Evans Day en 1876 de que el selenio genera electricidad cuando se expone a la luz solar. Unos años más tarde, en 1883, Charles Fritts produjo las primeras celdas solares hechas de paneles de selenio, razón por la cual algunos historiadores atribuyen a Fritts la invención real de las celdas solares (Sitio Solar, 2013).
Sin embargo, las celdas solares como las conocemos hoy en día están hechas con silicio en vez de selenio. Por lo tanto, algunos consideran que la verdadera invención de los paneles solares está vinculada a la creación de Daryl Chapin, Calvin Fuller y Gerald Pearson de la célula fotovoltaica de silicio en los Laboratorios Bell en 1954. Muchos sostienen que este evento marca la verdadera invención de la tecnología fotovoltaica porque era la primera instancia de una tecnología solar que en realidad podía alimentar un dispositivo eléctrico durante varias horas al día. La primera celda solar de silicio podría convertir la luz solar con una eficiencia del 4%, menos de una cuarta parte de lo que las células modernas son capaces de hacer (Sitio Solar, 2013).
Celda solar de Litio-Silicio
Los paneles solares como alternativa energética viable.
En la década de 1970, la escasez de petróleo generó conciencia de la dependencia de los Estados Unidos en recursos energéticos extranjeros (ESOMEX, 2020). Fue un momento de alta inflación cuando en el que estadounidenses se vieron presionados económicamente, y la escasez de elementos esenciales hizo evidente la necesidad de una mayor innovación. Fue durante este tiempo que el presidente Jimmy Carter instaló paneles solares en el techo de la Casa Blanca. Esta fue una declaración para hacer que la energía limpia a través de la energía solar sea más tangible para las personas, y para difundir la conciencia.
Incluso con más personas interesadas en la energía solar en las últimas décadas, el costo y la eficiencia han ido mejorando lentamente. A medida que los paneles solares se construyen para ser más eficientes y menos costosos, la energía solar se ha convertido en una forma realista para que la gente común genere energía para sus hogares y negocios. Quizás los avances más importantes para la energía solar, tanto en eficiencia como en precio, hayan sido en los últimos años.
Las mejoras en tecnologías relacionadas con celdas solares basadas en el descubrimiento inicial de Becquerel del efecto fotovoltaico llevaron a los primeros paneles solares, con una eficiencia de aproximadamente 1% y alrededor de $300 por vatio, partiendo de la idea de que costaba alrededor de $2 – $3 por vatio generar electricidad a partir de carbón en ese momento (ESOMEX, 2020).
Las celdas solares de silicio de Bell Labs en 1954 funcionaron con una eficiencia de alrededor del 4%, logrando más adelante, una eficiencia del 11%. Este fue un aumento significativo que permitió alimentar un dispositivo eléctrico durante varias horas por primera vez en la historia. Luego, en 1959, Hoffman Electronics logró una eficiencia del 10%. Poco después, batieron su propio récord con una eficiencia del 14% en 1960 (ESOMEX, 2020).
Estas mejoras de eficiencia ayudaron a impulsar los paneles solares al programa espacial. El uso de paneles solares en el programa espacial durante la década de 1960 aumentó la producción y, lentamente, el precio se redujo a alrededor de $100 por vatio. Exxon financió la investigación del Dr. Elliot Berman en la década de 1970, que produjo una celda solar más económica, reduciendo el costo del panel solar a aproximadamente $20 por vatio. Actualmente, los paneles solares promedian entre 15% y 18% de eficiencia y pueden costar alrededor de $0.50 por vatio. Desde la década de 1980, el costo de los paneles solares ha caído un 10% anual en promedio (Sitio Solar, 2013). Estas mejoras en la tecnología solar y la reducción de costos se deben a los científicos e ingenieros que creen que la energía solar puede convertirse en la fuente líder de electricidad limpia y de bajo costo para la humanidad. En la Ilustración 4 se puede apreciar el decrecimiento del precio de las celdas solares en función de dólar por vatio.
Evolución histórica del precio de las celdas solares de Silicio en $/Vatio
Otros eventos importantes en la historia de la energía solar
Paneles solares en el espacio ultraterrestre
Algunos de los primeros usos de la tecnología solar fueron en realidad en el espacio exterior, donde se utilizó la energía solar para alimentar satélites. En 1958, el satélite Vanguard I (Ilustración 5) utilizó un pequeño panel de un vatio para alimentar sus radios. Más tarde ese año, Vanguard II, Explorer III y Sputnik-3 se lanzaron con tecnología fotovoltaica a bordo. En 1964, la NASA fue responsable del lanzamiento de la primera nave espacial Nimbus, un satélite capaz de funcionar completamente en una matriz solar de 470 vatios. En 1966, la NASA lanzó el primer Observatorio Astronómico en órbita del mundo, impulsado por una matriz de un kilovatio (Acciona, 2020).
Satélite Vanguard I
Primera residencia solar
En 1973, la Universidad de Delaware fue responsable de construir el primer edificio solar, llamado «Solar One». El sistema funcionaba con un suministro híbrido de energía solar térmica y solar fotovoltaica. También fue la primera vez que se construyeron sistemas fotovoltaicos integrados (BIPV): la matriz no usaba paneles solares, sino que tenía energía solar integrada en el techo, similar al diseño del nuevo producto de techo de Tesla (Acciona, 2020).
Logros en eficiencia de conversión solar
Entre 1957 y 1960, Hoffman Electronics realizó una serie de avances con la eficiencia fotovoltaica, mejorando el registro de eficiencia del 8% al 14%. El siguiente gran logro fue en 1985, cuando la Universidad de Gales del Sur logró un 20% de eficiencia para las células de silicio. En 1999, el Laboratorio Nacional de Energía Renovable colaboró con SpectroLab Inc. para crear una célula solar con 33.3% de eficiencia. La Universidad de Gales del Sur volvió a batir ese récord en 2016 cuando los investigadores alcanzaron un 34,5% de eficiencia (Ilustración 6).
Panel Solar de la Universidad de Gales del Sur
Aviones con energía solar
En 1981, Paul MacCready construyó Solar Challenger, el primer avión que funcionaba con energía solar, y lo voló a través del Canal de la Mancha desde Francia hacia el Reino Unido. En 1998, el avión solar con control remoto «Pathfinder» estableció una altitud récord después de llegar a 80,000 pies. La NASA rompió ese récord en 2001 cuando alcanzaron 96,000 pies con su avión. En 2016, Bertrand Piccard completó el primer vuelo de cero emisiones en todo el mundo con Solar Impulse 2, el avión solar más grande y poderoso del mundo en la actualidad (Acciona, 2020).
Presidencias con energía solar
En 1979, el presidente Jimmy Carter instaló paneles solares en la Casa Blanca durante su mandato como presidente (Ilustración 7). Sin embargo, en 1981, el presidente Ronald Reagan ordenó la eliminación de los paneles solares de la Casa Blanca. En 2010, el presidente Barack Obama solicitó la instalación de paneles y un calentador solares de agua en la Casa Blanca. Ambos se instalaron durante el primer mandato de Obama (Acciona, 2020).
Presidente Jimmy Carter informando sobre la inclusión de energía solar en la Casa Blanca
Costo de la energía solar a lo largo del tiempo
Los precios de los paneles solares han disminuido sustancialmente en las últimas décadas, lo que ha provocado un aumento en la demanda de los consumidores que ha producido más de un millón de instalaciones en EE. UU. A principios de 2016. En 1956, los paneles solares costaron aproximadamente $300 por vatio. Para 1975, esa cifra había bajado a poco más de $100 por vatio. Hoy, un panel solar puede costar tan poco como $0.50 por vatio. Es importante considerar que, desde el año 1980, los precios de los paneles solares han caído al menos un 10% cada año (Acciona, 2020). El costo vertiginoso de la energía solar es en gran parte responsable de la creciente popularidad de la energía solar y la legitimidad de la energía fotovoltaica como fuente de energía confiable en la actualidad.
Energía solar en la actualidad
La energía solar guarda una larga lista de significados positivos en la actualidad. Este tipo de energía ha logrado abarcar varias industrias, aportando potencia a cientos de dispositivos y tecnologías diferentes. Se han diseñado tecnologías que no solo han promovido el uso de una energía más limpia, sino que ha permitido la posibilidad de reducir el impacto económico.
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