AnAãÆAílisis-termodinAãÆAímico-de-una-estufa-solar-con-concentradores-de-espejos-planos

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
 
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN 
 
LABORATORIO DE INGENIERÍA TÉRMICA E HIDRÁULICA APLICADA 
 
 
 
 
 
 
“ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE UNA ESTUFA SOLAR CON 
CONCENTRADORES DE ESPEJOS PLANOS” 
 
 
 
 
 
T E S I S 
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: 
 
MAESTRO EN CIENCIAS 
EN INGENIERÍA MECÁNICA 
 
 
P R E S E N T A 
 
 
Ing. Jorge Moisés Murillo Nateras 
 
DIRECTOR DE TESIS: DR. PEDRO QUINTO DIEZ 
 
 
 
 
 
MEXICO, D.F. MAYO DEL 2002 
 
 
 
 
Dedicatorias 
 
A Dios: 
Por todo lo que tengo y lo que soy, porque me ha dado la oportunidad de vivir, de desarrollarme, de 
tener una familia y porque en ningún momento me ha dejado solo, pongo a sus pies todo mi esfuerzo y 
mi sacrificio. 
 
 
 
A mis padres: 
Jorge Murillo Espíritu y Maria Ana Nateras Soto, por su apoyo incondicional, por su presencia y por 
todo su amor, por sus consejos y su aliento en todo momento. Gracias papás. 
 
 
 
A mis hermanos: 
Raúl y Chari, por todo su apoyo, por su alegría y su entusiasmo el cual ha sido fundamental para 
lograrlo. Los quiero y les dedico este trabajo. 
 
 
 
A Adriana: 
Por tu compañía, tu ayuda y tu comprensión. Tu amor y paciencia ha sido el impulso para llegar hasta 
aquí, sin ti no hubiera sido posible. 
 
 
 
 
 
También a: 
Fany, Yoya, Velázquez, Fabricio, Luis, 
Juliana, Fredy, Sra. Estela, Sr. Estévez, 
Carmelita, Saúl Panchi 
y Cindy. 
 
Agradecimientos 
 
 
A los profesores del Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada de la Sección de 
Estudios de Posgrado e Investigación de la E.S.I.M.E. del Instituto Politécnico Nacional por todo su 
apoyo y por haber realizado los cursos de posgrado en convenio con el Instituto Tecnológico de 
Acapulco: 
 
Dr. Miguel Toledo Velázquez 
Dr. Pedro Quinto Diez 
Dr. Florencio Sánchez Silva 
Dr. Víctor Zurita Ugalde 
Dr. Ignacio Carvajal Mariscal 
M. en C. Luis Alfonso Moreno Pacheco 
M. en C. Guilibaldo Tolentino Eslava 
 
 
 
A mi Director de Tesis: 
Dr. Pedro Quinto Diez, gracias por depositar su confianza en mi, por su valioso apoyo y sus 
comentarios, los cuales me permitieron llegar a la meta. 
 
 
Al Ingeniero José Antonio Urbano Castelán: 
Por haberme permitido participar de su proyecto, por brindarme su amistad, por todas sus enseñanzas 
y su don de gente. Sin su apoyo no hubiera sido posible este trabajo. 
 
 
Al Dr. René Asomoza Palacios: 
Integrante del jurado revisor. Por su asesoría y sus valiosos comentarios 
 
 
Al Ing. Arq. Raúl Roberto Aguilar Rezza: 
Por su apoyo al convenio celebrado con el Labinthap, por sus valiosos comentarios y ejemplar 
trayectoría en los Institutos Tecnológicos. 
 
 
 
 
A los señores Ingenieros: 
Santiago Pastrana Flores, Ricardo Guerrero Carlín y Alberto Martínez Hernández de la Comisión 
Federal de Electricidad y a Don Miguel Ríos Mendoza y Roberto Mojica Martínez de Camino Real 
Acapulco, por haber confiado en mi persona y darme la oportunidad de iniciar mi carrera profesional. 
 
 
Al M. en C. Javier Gutiérrez Ávila: 
Por su apoyo al convenio y por sus consejos, así como por sus comentarios que me hicieron decidirme 
a cursar un posgrado. 
 
 
Al Dr. Yasuhiro Matsumoto: 
Por su valiosa colaboración y comentarios. 
 
 
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, CONACYT, por el apoyo económico 
que me brindó a través de la beca crédito que me fue otorgada. 
 
 
 
Contenido 
Contenido 
 
 Página 
TABLAS Y FIGURAS I 
NOMENCLATURA IV 
RESUMEN VI 
ABSTRACT VII 
INTRODUCCIÓN VIII 
 
 
CAPÍTULO 1. GENERALIDADES 1 
1.1. La energía solar. 2 
1.1.1. Naturaleza de la radiación solar. 3 
1.1.2. La constante solar. 4 
1.2. Factores que afectan la intensidad de la radiación solar. 4 
 1.2.1. Factores astronómicos. 4 
 1.2.2. Factores geográficos. 5 
 1.2.3. Factores atmosféricos 7 
 1.2.4. Factores geométricos 7 
1.3. Estimación de la radiación solar. 9 
1.3.1. Radiación solar extraterrestre sobre superficies horizontales. 10 
1.3.2. Radiación solar en la superficie terrestre sobre superficies horizontales. 10 
1.3.3. Radiación solar sobre superficies inclinadas. 12 
1.3.4. Tiempo solar. 12 
1.3.5. Radiación solar en la República Mexicana. 13 
1.3.6. Algunas aplicaciones de la energía solar. 14 
1.3.7. Programa de cómputo para evaluar la radiación solar en un plano inclinado. 16 
 
CAPÍTULO 2. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS ESTUFAS SOLARES 19 
2.1. Descripción de la problemática mundial actual en la cocción de alimentos. 20 
2.2. Historia y desarrollo de las estufas solares. 20 
2.3. Estufas solares en México. 22 
2.4. Principios de funcionamiento de las estufas solares. 23 
2.4.1. Conversión fototérmica. 23 
2.4.2. Procesos de transmisión de calor. 23 
 2.5. Concentración de la radiación solar 24 
 2.5.1. Materiales reflectores 24 
2.6. Tipos de concentradores de radiación. 26 
 2.6.1. Concentradores de curvatura sencilla 30 
 2.6.2. Concentradores de curvatura compuesta 30 
 2.6.3. Ventajas y desventajas de los concentradores de radiación. 32 
2.7. Tipos de estufas solares actuales. 33 
2.7.1. Estufas solares sin concentración. 33 
2.7.2. Estufas solares con concentración. 35 
 
3. DESCRIPCIÓN DEL DISEÑO Y LA CONSTRUCCIÓN DE LA ESTUFA 
 SOLAR CON CONCENTRADORES DE ESPEJOS PLANOS. 39 
 3.1. Diseño de los componentes de la estufa solar. 40 
Contenido 
 3.1.1. Estructura principal. 40 
 3.1.1.1. Determinación de las horas de uso de la estufa solar 43 
 3.1.1.2. Determinación del punto de giro y sustentación del bastidor 44 
 3.1.2. Paneles de concentración. 45 
 3.1.2.1. Geometría de los ángulos de los espejos de concentración. 46 
 3.1.3. Contenedor de captación semiesférico. 49 
 3.1.3.1. Ensamble vasija-olla de presión. 49 
 3.1.4. Aislamiento del contenedor de aceite. 50 
 3.1.5. Mecanismos del seguimiento solar. 52 
 3.1.5.1. Conjunto motor-poleas para el movimiento azimutal. 54 
 3.1.5.2. Conjnto motor-poleas para el movimiento de altitud solar. 55 
 3.2. Relación del material utilizado. 56 
 3.3. Planos de construcción. 57 
 3.4. Análisis de amorización 57 
 
4. ANÁLISIS TÉRMICO DE LA ESTUFA SOLAR CON CONCENTRADORES 
 DE ESPEJOS PLANOS. 59 
 4.1. Introducción 60 
 4.1.1. Balance de energía en el contenedor de aceite. 61 
 4.1.2. Balance de energía en el aceite. 62 
 4.1.3. Balance de energía en la vasija interior de aluminio. 63 
 4.1.4. Balance de energía en la olla de presión. 64 
 4.2. Desarrollo del modelo matemático. 65 
 4.2.1. Determinación de las temperaturas significativas. 65 
 4.2.2. Determinación de la eficiencia de la estufa solar. 68 
 4.3. Evaluación de los coeficientes de transferencia de calor. 68 
 4.3.1. Coeficiente de convección contenedor-aire. 68 
 
5. PROGRAMA DE CÓMPUTO PARA LA SIMULACIÓN TÉRMICA DE 
 LA ESTUFA SOLAR (ESOISMA). 71 
 5.1. Diagrama de Flujo. 72 
5.2. Programa de cómputo. 74 
 
6. PRUEBAS EXPERIMENTALES Y COMPARACIÓN CON LOS RESULTADOS 
 TEÓRICOS. 79 
6.1. Pruebas y resultados experimentales. 80 
6.1.1. Desarrollo de los experimentos. 80 
 6.1.2. Prueba n° 1. 83 
 6.1.3. Prueba n° 2. 84 
 6.2. Comparación entre resultados experimentales y los teóricos. 85 
 6.2.1. Análisis de resultados experimentales 85 
 6.2.2. Análisis de resultados teóricos 85 
 6.2.3. Cálculo numérico de la eficiencia térmica experimental de la estufa solar 86 
 
CONCLUSIONES 88 
RECOMENDACIONES 89 
BIBLIOGRAFIA 90 
APENDICE A Tablas de resultados experimentales 92 
APENDICE B Planos de construcción 101Contenido 
APENDICE C Gráficas comparativas entre resultados teóricos y experimentales. 105 
APENDICE D Gráficas de radiación solar en la Cd. de México 110 
 
Tablas y figuras 
Relación de tablas y figuras 
 
Tabla Título Página
1.1 Valores correspondientes al ángulo horario ω 6
1.2 Factores de corrección según el tipo de clima 11
2.1 Reflectividad de diversos materiales 25
3.1 Relación de material utilizado 55
 
 
Figura Título Página
1.1 Estructura del Sol 2
1.2 Espectro de radiación para diferentes condiciones 3
1.3 Movimiento de la Tierra alrededor del Sol 5
1.4 Medición del ángulo de Latitud a partir del Ecuador 5
1.5 Definición de masa de aire 6
1.6 Ángulos cenit, de inclinación, acimut superficial y de acimut solar para una superfi-
 cie inclinada 8
1.7 Sección terrestre mostrando β, θ, φ (φ-β) para superficies orientadas hacia el sur 9
1.8 Radiación solar anual promedio para la República Mexicana 14
2.1 Esquema para la máxima razón de concentración ideal posible 23
2.2 Reflexiones (a) especular, φ1 = φ2 y (b) difusa 24
2.3 Colectores solares de concentración por medio de espejos planos 26
2.4 Diagramas de un espejo plano 26
2.5 Sección transversal de un concentrador parabólico compuesto 27
2.6 Concentración con seguimiento solar continuo 28
2.7 Sistema S.R.T.A. con diferentes ángulos de incidencia de la radiación solar 30
2.8 Vista en corte seccional del sistema de la torre central 31
2.9 Estructura básica de una estufa solar tipo caja 32
2.10 Estufa solar tipo caja realizada en madera 34
2.11 Estufa solar construida a través del muro de una casa 34
2.12 Estufas solares tipo panel 35
2.13 Estufa solar tipo caja con reflectores interiores multipasos 35
2.14 Estufa solar Nelpa tipo abatible 36
2.15 Esquema del comal solar “Tolocatzin” 37
2.16 (a) Estufa parabólica de cartón y (b) parabólica de estiércol y lodo 37
3.1 Análisis del punto de giro de la estructura 39
3.2 Estructura principal sin espejos 40
I 
Tablas y figuras 
3.3 Carta solar para una latitud de 19° Norte (Cd. de México) 42
3.4 Modificaciones al diseño inicial de la estructura para lograr los 60° de inclinación 42
3.5 Perfil final del bastidor de sustentación de los espejos planos 43
3.6 Número de espejos planos individuales en cada panel del bastidor de sustentación 44
3.7 Determinación de los ángulos de los espejos planos individuales 45
3.8 Base de los espejos planos individuales 46
3.9 Corte de la lámina para realizar el contenedor de aceite 47
3.10 Ensamble vasija-olla de presión 48
3.11 Corte de lámina de aluminio para realizar la cubierta aislante 49
3.12 Ensamble del contenedor, el aislante y su cubierta 49
3.13 Dispositivos de sujeción al contenedor de la estructura 50
3.14 Esquema del fotosensor de seguimiento 51
3.15 Conjunto motor-poleas para obtener el movimiento acimutal en la estufa 52
3.16 Conjunto motor-poleaspara dar seguimiento de altitud solar en la estructura 53
4.1 Esquema de la radiación solar reflejada que incide sobre la superficie del contene- 
 dor 57
4.2 Flujos de energía en el contenedor de aceite 58
4.3 Flujos de energía en el aceite 59
4.4. Flujos de energía en la vasija interior de aluminio 60
4.5 Flujos de energía en la olla de presión 61
5.1 Diagrama de flujo del programa ESOISMA 71
5.2 Ventana de presentación del programa ESOISMA 72
5.3 Ventana de solicitud de datos del modelo 73
5.4 Ventana De resultados del programa ESOISMA 74
5.5 Ventana de la gráfica de resultados 75
 
 
 Tablas en apéndices 
Tabla Título Página
A.1 Prueba experimental para el 12 de diciembre del 2000. 92
A.2 Prueba experimental para el 14 de diciembre del 2000. 93
A.3 Prueba experimental para el 22 de febrero del 2001. 93
A.4 Prueba experimental para el 27 de febrero del 2001. 94
A.5 Prueba experimental para el 1 de marzo del 2001. 95
A.6 Prueba experimental para el 2 de marzo del 2001. 97
A.7 Prueba experimental para el 5 de marzo del 2001. 98
A.8 Prueba experimental para el 6 de marzo del 2001. 99
B.1 Contenedor de aceite semiesférico 100
II 
Tablas y figuras 
B.2 Barra de apoyo y punto de giro 101
B.3 Vista lateral y superior de la estructura principal 102
B.4 Vista lateral de la estructura principal 103
C.1 Comparación de resultados para el 7 de diciembre del 2000. 105
C.2 Comparación de resultados para el 12 de diciembre del 2000. 106
C.3 Comparación de resultados para el 14 de diciembre del 2000. 106
C.4 Comparación de resultados para el 22 de febrero del 2001. 107
C.5 Comparación de resultados para el 27 de febrero del 2001. 107
C.6 Comparación de resultados para el 1 de marzo del 2001. 108
C.7 Comparación de resultados para el 2 de marzo del 2001. 108
C.8 Comparación de resultados para el 5 de marzo del 2001. 109
C.9 Comparación de resultados para el 6 de marzo del 2001. 109
D.1 Radiación solar para el 7 de diciembre del 2000. 110
D.2 Radiación solar para el 12 de diciembre del 2000. 111
D.3 Radiación solar para el 14 de diciembre del 2000. 111
D.4 Radiación solar para el 22 de febrero del 2001. 112
D.5 Radiación solar para el 27 de febrero del 2001. 112
D.6 Radiación solar para el 1 de marzo del 2001. 113
D.7 Radiación solar para el 2 de marzo del 2001. 113
D.8 Radiación solar para el 5 de marzo del 2001. 114
D.9 Radiación solar para el 6 de marzo del 2001. 114
 
 
III 
Nomenclatura 
Nomenclatura 
 
Ir Radiación solar reflejada por los 360 espejos (W), equivalente a Ir = αm ρm 
ηopt Ac donde: 
αm Absortividad de los espejos 
ρm Reflectividad de los espejos 
ηopt Eficiencia óptica de los espejos 
Ac Área total de captación de los espejos (3.6 m2) 
HT Radiación solar total instantánea (W/m2) 
hsbf Coeficiente de convección entre la pared interior del contenedor y el aceite 
(W/m2-K)- 
Tsb Temperatura media de la superficie del contenedor (K) 
Tf Temperatura media del aceite (K) 
Ta Temperatura ambiente (K) 
hsba Coeficiente de convección entre el contenedor y el medio ambiente (W/m2-K)
Asb Área de la superficie del contenedor no aislada térmicamen te (m2), igual al 
área de transferencia de calor entre la pared interior del contenedor y el aceite 
mf Masa del aceite (kg) 
cf Calor específico del aceite 
dt
dTf Variación de temperatura del aceite respecto del tiempo (K) 
Tv Temperatura media de la vasija interior (K) 
To Temperatura media en los lados y base de la olla (K) 
ko Conductividad térmica de la olla (W/m°C) 
hw Coeficiente de convección entre la pared interna de la olla y el fluido 
calentado (W/m2-K) 
Tw Temperatura del fluido calentado en la olla (K) 
mw Masa del fluido calentado en la olla (kg) 
cw Calor específico del fluido calentado en la olla (J/kg-K) 
dt
dTw Variación de la temperatura del fluido con respecto al tiempo (K) 
Nu Número de Nusselt 
Gr Número de Grashof 
Pr Número de Prandtl 
g Aceleración de la gravedad (m/s2) 
qw Flujo de calor en la superficie convectiva analizada (W) 
k Coeficiente de conductividad térmica del aire 
v Viscosidad del aire m2/s 
β Coeficiente de expansión térmica de volumén de aire (1/K) 
Tpel Temperatura de la película convectiva (K) 
T∞ Temperatura del ambiente convectivo analizado (K) 
Ts Temperatura de la superficie convectiva analizada (K) 
IV 
Nomenclatura 
ηc Eficiencia global de la estufa 
Irprm Radiación solar promedio recibida por los espejos (W) 
t Tiempo de evaluación de la estufa (s) 
 
V 
Resumen 
Resumen 
 
 
En este trabajo se presenta el análisis termodinámico de una estufa solar con seguimiento del sol 
autosuficiente y con concentradores de espejos planos, diseñada y construida para su funcionamiento 
en el Penal Federal de Las Islas Marías. Este tipo de estufa cuenta con 4 elementos principales: la 
estructura, que soporta los 360 espejos cuadrados de 0.1 x 0.1m , la barra de apoyo, sobre la cual gira y 
se deposita la estructura, el contenedor de aceite, que recibe la radiación reflejada por todos los espejos, 
y que contiene 16 litros de aceite de uso automotriz funcionando como fluido de transferencia de calor, 
y una olla de presión comercial de 8 litros adaptada para funcionar junto conla estufa, y que recibe la 
energía calorífica del aceite. 
 
La estufa solar fue diseñada y construida por los profesores Ing. José Antonio Urbano Castelán e Ing. 
Antonio Jácome Rodríguez del Departamento de Comunicaciones y Electrónica de la ESIME del 
Instituto Politécnico Nacional. Tiene un seguimiento solar autosuficiente a base de dos motores 
eléctricos alimentados por dos celdas solares fotovoltaicas. El material con que fue construida la 
mayoría de los componentes de la estufa, es aluminio, debido a su bajo costo y alta resistencia a la 
corrosión. 
 
Se desarrolló un modelo matemático, basado en la solución analítica de las ecuaciones de balance de 
energía en los principales componentes de la estufa. Se codificó también dicho modelo matemático en 
un programa de cómputo, para validarlo y comparar los resultados teóricos obtenidos con los resultados 
de las pruebas experimentales. 
 
Se obtuvieron resultados teóricos a partir de la solución del modelo matemático, resultados teóricos con 
el programa de cómputo, resultados experimentales de las pruebas al prototipo, curvas características 
de ambos resultados y propuestas de mejoras al diseño original, partiendo del análisis de todas las 
soluciones. 
 
El prototipo fue probado en las condiciones climáticas de la Ciudad de México, a una latitud de 19°N, 
lográndose un buen funcionamiento del equipo. 
 
 
VI
 
Abstract 
Abstract 
 
 
A Solar Cooker Thermodynamic model is shown in this work. This Solar Cooker with Reflecting Flat 
Mirrors, was designed and constructed to work in the camp of the Islas Marías Federal Jail, located 
near of the State of Nayarit, in the Mexican Pacific Ocean. This kind of Solar Cooker has four main 
components: a main structure that holds 360 square flat mirrors of 0.1 m by side; a Support Bar to 
which holds the main structure that turns around; an Oil Container that concentrates the solar radiation. 
It contains 16 liters of automotive oil, working as a heat transfer fluid, and an Adapted Pressure Cooker 
that receives the heat from the oil. 
 
The Solar Cooker was designed by professors: Jose Antonio Urbano Castelan and Antonio Jacome 
Rodriguez of The Communications and Electronic Department of ESIME-IPN. It has a Self-propelling 
Sun Following Device using two electrical motors and two photovoltaical cells. Aluminun was used to 
manufacture this Cooker, due to its low cost and its high corrosion resistance. 
 
A transient mathematical model is presented for the Solar Cooker. It is based on an analytical solution 
of the energy balance equations for several components of the Cooker. To validate the present model, a 
computer program was written, and numerical calculations have been carried out using the same 
conditions of experimental tests. 
 
Theoretical results were gotten, as a consequence of the mathematical model and of the written 
software. Experimental results, graphics of performance and proposals to improve the design are given 
at the end of this work. 
 
The Solar Cooker was tested under weather conditions of Mexico City, at latitude of 19°N. A Good 
performance was observed. 
 
 
 
VII
 
Introducción 
 
VIII
Introducción 
 
 
La utilización de la energía solar como fuente alternativa de energía es desde hace algunos años una 
realidad promisoria, y a pesar de que el hombre cuenta desde el principio de su historia con este 
recurso, es a partir de la década de los 70’s cuando se incrementó la investigación para el 
aprovechamiento de esta energía en la época moderna. 
 
Aunque la energía solar es abundante, universal y no requiere de transporte, también es intermitente, 
difusa y de baja intensidad, lo que representa obstáculos para su aprovechamiento, que deben 
resolverse tecnológicamente. 
 
Una forma de aprovechar este clase de energía es a través de las Estufas Solares. El impacto de estos 
dispositivos en la economía de muchos países ha llegado a ser trascendental por su sencillez 
constructiva y operacional. Los tipos de Estufas Solares desarrolladas a la fecha han sido múltiples, 
desde las más simples hasta las más complejas. Dentro de los más usuales tipos de Estufas Solares se 
encuentran las de tipo caja, que no requieren orientación, por lo que la mayoría de las veces las 
temperaturas alcanzadas no son suficientes para cocer adecuadamente cierta cantidad de alimentos. 
Otro tipo muy común es el que utiliza superficies especulares en forma de paraboloides de revolución, 
que concentran la radiación solar en una región focal, y aunque en este caso las temperaturas 
alcanzadas son mayores, lo que resulta difícil es su manufactura y su operación. 
 
Con la finalidad de salvar los inconvenientes antes citados, se desarrolló y se probó experimentalmente 
una Estufa Solar que pudiera alcanzar las temperaturas necesarias para cocer todo tipo de alimentos, 
además de tener una superficie de captación de fácil manufactura y de bajo costo. Al prototipo obtenido 
se le denomina Estufa Solar con Concentradores de Espejos Planos, y cuenta con 360 espejos planos 
cuadrados de 0.1 x 0.1 m , montados sobre una estructura de aluminio de 4 metros cuadrados, los 
cuales reflejan la radiación solar recibida hacia una región común (foco), localizada en la superficie de 
un recipiente semiesférico negro hecho de lámina de aluminio, y con una capacidad máxima de 16 
litros. Dentro de este recipiente se tiene aceite lubricante de uso automotriz, para que pueda funcionar 
como fluido de transferencia de calor. El calor almacenado por el aceite es transferido por conducción a 
una olla de presión de tipo comercial ubicada en la parte superior del recipiente de aluminio. 
Finalmente, en esta olla se cocen los alimentos. Para minimizar las pérdidas de calor, el recipiente de 
aluminio (o contenedor de aceite) se aisla térmicamente por la parte posterior, es decir, por el lado 
contrario a donde recibe la radiación solar reflejada por los espejos. 
 
 
Introducción 
 
IX
La Estufa Solar cuenta con seguimiento solar autosuficiente, mediante un dispositivo electrónico 
fotosensor que “ubica” a la estructura con el apoyo de dos motores eléctricos de uso automotriz. El 
sistema de seguimiento es energizado por dos módulos de celdas fotovoltaicas, con una capacidad de 
25 watts cada uno. 
 
El objetivo del presente trabajo consiste en la construcción de la Estufa Solar, y la realización de un 
análisis teórico mediante el desarrollo de un programa de cómputo, para poder validarlo con los 
resultados experimentales. 
 
Los resultados obtenidos se presentan en este trabajo, que se desarrolla en seis capítulos, de los que se 
hace una breve descripción a continuación: 
 
En el capítulo uno se presenta un panorama general de la naturaleza de la energía solar, sus 
características, sus aplicaciones y los factores que influyen en el flujo de radiación solar obtenido en la 
superficie terrestre. 
 
En el capítulo dos se muestran una breve reseña histórica de las estufas solares, su principio de 
operación, detalles de construcción y los diferentes tipos disponibles actualmente. 
 
En el capítulo tres se presenta la descripción detallada del diseño, se muestran los detalles de 
construcción de la Estufa Solar, planos y relación de materiales, así como una análisis económico de la 
construcción, se analizan las partes y los dispositivos que la componen. 
 
En el capítulo cuatro se presenta el análisis termodinámico de la estufa Solar mediante el desarrollo de 
un modelo matemático, que se basa en una solución analítica de las ecuaciones de balance de energía 
para los principales componentes de la Estufa. 
 
En el capítulo cinco se presenta la forma de operar el programa de cómputo realizado en programa 
Visual Basic, y basado en el modelo matemático desarrollado en el capítulo cuatro, con la finalidad de 
simular el comportamiento térmico de la Estufa Solar. 
 
En el capítulo seis se realiza una comparación entre los resultados teóricos obtenidos por el programa 
de cómputo y los datos de las pruebasexperimentales. Finalmente se realizan las conclusiones y las 
recomendaciones obtenidas a lo largo de la realización del presente trabajo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
En este capítulo se 
describen las 
características 
generales de la energía 
solar, los factores que 
afectan su intensidad 
sobre la superficie de la 
Tierra, las diferentes 
í l ió
Generalidades 
Capitulo I. Generalidades 
 
1.1. La energía solar 
 
La estructura del Sol y sus características físicas determinan la naturaleza de la energía irradiada al 
espacio, y por consiguiente, sobre la superficie de la Tierra. El Sol es la estrella más cercana a la Tierra 
cuya masa es 334,000 veces mayor que ésta, es decir 1.996 x 1030 kg. Es una esfera gaseosa 
inmensamente caliente con un diámetro de 1.39 x 109 metros, y en promedio, se encuentra a una 
distancia media de la Tierra de 1.5 x 1011 metros. Visto desde la Tierra, el Sol gira sobre su propio eje 
una vez cada cuatro semanas. Sin embargo, no lo hace como un cuerpo sólido. Al ecuador le toma 
cerca de 27 días completar un giro entero, mientras que a las regiones polares les toma 30 días cada 
rotación Para propósitos de ingeniería, el Sol tiene una temperatura de superficie de cuerpo negro de 
5762 K siendo ésta la temperatura máxima teórica que podría alcanzarse en la superficie de la Tierra; 
sin embargo, la temperatura máxima que se puede lograr es de alrededor de 3800 K mediante el uso de 
elementos concentradores. 
La figura 1.1 muestra la estructura solar, en el cual se llevan a cabo reacciones de fusión nuclear 
a temperaturas de millones de grados, por unión de los núcleos de átomos ligeros, como el de 
hidrogeno y el de helio, para formar átomos más pesados, liberándose durante este proceso grandes 
cantidades de energía que el Sol irradia en forma de luz y calor en todas direcciones. La reacción más 
importante que se efectúa, es la fusión de cuatro protones de hidrogeno para formar un núcleo de helio, 
dando como resultado una menor masa en el núcleo de helio que la de los cuatro protones, 
convirtiéndose así esta pérdida de masa en energía. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Zona convectiva 
T = 130,000°K, ρ = 70 kg/m3
T = 5762 K, ρ = 105 kg/m3
R 
0.7R 
T ≈ 8-40 x 106 K 
ρ = 105 kg/m3
40% de la masa 
15% del volumen 
90% de la energía 
 generada 
Cromosfera, T ≅ 5000 K 
Miles de km
Fotósfera (capa superior 
de la zona convectiva, 
fuente de la mayor parte 
de la radiación solar 
Corona, T ≈ 106 K 
(densidad muy baja) 
Capa de inversión 
Figura 1.1. Estructura del Sol 
 
 2
Generalidades 
1.1.1. Naturaleza de la radiación solar 
 
La energía solar es la fuente permanente de energía más abundante de la Tierra. La cantidad de 
energía interceptada por este planeta es 5000 veces más grande que la suma de todas las energías 
disponibles (nuclear, geotérmica, gravitacional y la energía gravitacional lunar). De esta cantidad, el 
30% es reflejado al espacio, 47% es convertido en calor de baja temperatura y rerradiado al espacio y el 
23% restante es la energía por el ciclo de evaporación-precipitación de la biosfera. Menos del 0.5% está 
representado en la energía del viento y de las olas y en el almacenamiento fotosintético de las plantas. 
 
La radiación proveniente del Sol, se puede situar en el espectro electromagnético desde 
fracciones de micras hasta cientos de metros, siendo sólo de interés para las aplicaciones de ingeniería 
solar, la porción entre 0.25 y 3 µm (micras). En la figura 1.2 se muestran 3 curvas sobrepuestas que 
indican la variación de la radiación solar en función de la longitud de onda del espectro de la fuente 
emisora de radiación. 
Figura 1.2. Espectro de radiación para diferentes condiciones. 
 
La curva punteada 1 corresponde a la radiación de un cuerpo negro a 5762 K. La curva 2 
muestra la radiación solar extraterrestre, y la curva 3 representa la radiación solar a nivel del mar. Las 
regiones curvadas hacia abajo son las porciones de la radiación solar absorbidas por los diferentes 
gases atmosféricos en su trayecto hacia el suelo (Kreith, 1978). 
 
 3
Generalidades 
1.1.2. La constante solar 
 
La excentricidad de la órbita terrestre alrededor del Sol es tal que, la distancia entre estos dos 
cuerpos varía alrededor de ±1.7 % del valor promedio. La intensidad de radiación solar tiene un valor 
casi fijo fuera de la atmósfera de la Tierra debido a su relación geométrica existente con el Sol. 
La constante de radiación solar, GSC, es la energía proveniente del Sol por unidad de tiempo que 
recibe una superficie de área unitaria colocada perpendicularmente a la dirección de la radiación, a la 
distancia promedio del Sol y fuera de la atmósfera. El valor estándar aceptado por la Administración 
Nacional de la Aeronáutica y del Espacio Norteamericana (NASA) para GSC, según mediciones 
realizadas en diversos programas experimentales es de: 1353 W/m2 (1.940 cal/cm2-min, 428 Btu/pie2-h 
ó 4.871 MJ/m2-h) (Duffie, 1980). No obstante, la radiación solar extraterrestre medida en un plano 
normal GON, varía durante el año conforme a la variación de la distancia Tierra-Sol de estación en 
estación, siendo su valor de 3.5% mayor que la constante solar GSC en enero y 3.5% menor en junio. 
Para cualquier día consecutivo n del año la radiación solar extraterrestre GON puede estimarse mediante 
la ecuación 1.1: 
 ⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ ⋅+=
365
360cos033.01 nGG SCON (1.1) 
 
1.2. Factores que afectan la intensidad de la radiación solar 
 
El valor de la intensidad de la radiación solar, es función de las condiciones astronómicas, 
geográficas, geométricas y físicas en conjunto, que influyen en la energía realmente recibida; una 
descripción más amplia de la influencia de estos factores se presenta a continuación. 
 
1.2.1 Factores astronómicos 
 
Los factores astronómicos que influyen en la intensidad de la radiación solar son la variación de 
la distancia entre la Tierra y el Sol y el ángulo de declinación. 
 
< 
< 
Variación de la distancia entre la Tierra y el Sol 
La distancia mínima entre la Tierra y el Sol, en el perihelio, se alcanza cerca del 15 de enero, y 
la máxima, en el afelio a fines de julio. La discrepancia entre estas distancias es de 1/60 del valor 
medio, es decir, la órbita que describe la Tierra alrededor del Sol es prácticamente circular. 
 
Declinación solar. 
Es el ángulo debido a la inclinación del eje de rotación de la Tierra de ± 23.45° con respecto al 
plano imaginario de la órbita de la misma. También define la posición angular del Sol hacia el norte o 
hacia el sur del ecuador al mediodía solar, es decir, en el momento en que éste se encuentra más alto en 
el firmamento con respecto al plano del ecuador. Este parámetro que es función del día del año se 
calcula por la expresión: 
 4
Generalidades 
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ +=
365
284360sen45.23 nδ (1.2) 
 
donde: n es el número consecutivo del día del año. 
 
 
 
21 de diciem
Trópico de 
 N 
 
Eje de rotación de 
la Tierra 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1.2.2 Fact
 
Los f
variación de
 
< Latitud 
Qued
respecto al p
negativo cua
ecuador. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
N
bre S 
s
Ecuador 
Eje de traslación de la 
Tierra alrededor del Sol 
Figura 1.3 Movimiento de la Tierra alrededor del S
ores geográficos 
actores geográficos que influyen en la intensidad de la radiac
l ángulo horario, la altura sobre el nivel del mar y la orografía de
a definida mediante el ángulo φ, que determina el lugar de i
lano del ecuador. Este ángulo es positivo cuando se mide ha
ndo lo es al sur de éste. La figura 1.4 ilustra algunos ángulos d
S 
N 
°
φ 
Figura 1.4 Medición del ángulo de latitud a partir del ec
23.5°
ol
ió
l 
nt
ci
e
u
23.5° 
Cáncer 
Latitud 23.5°N 
Trópico de 
Capricornio 
Latitud 23.5° S
S
22 de junio 
 
n solar son la latitud, la 
lugar. 
erés sobre la Tierra, con 
a el norte del ecuador, y 
 latitud medidos desde el 
0° Ecuador
+23.5°
0°
+6
°
+75
-23.5°
-60
-75°
Rayos solare
ador5
Generalidades 
En el solsticio de invierno, que se presenta el 21 de diciembre, los rayos solares llegan al 
hemisferio norte durante menos tiempo, porque el polo norte se encuentra inclinado 23.5º en dirección 
opuesta al Sol, ocasionando que todos los puntos geográficos con latitud mayor a 66.5ºN tengan 24 
horas sin radiación solar, el comportamiento contrario ocurre en el polo sur, que se encuentra inclinado 
en la dirección del Sol. En el solsticio de verano, que ocurre el 22 de junio, la situación se invierte, 
llegándole la radiación por más tiempo al polo norte, teniéndose por consecuencia, la época de mayor 
asoleamiento en el año para este hemisferio. 
 
< Variación del ángulo horario 
Es el desplazamiento angular del Sol (ω), hacia el este u oeste del meridiano local debido a la 
rotación de la Tierra sobre su propio eje, a razón de 15º por hora. Su valor se considera positivo por las 
mañanas, cero al mediodía solar y negativo por las tardes. Algunos valores se muestran en la tabla 1.1: 
 
Tabla 1.1. Valores correspondientes al ángulo horario ω. 
 
8:00 ω=+60º 
9:00 ω=+45º 
10:00 ω=+30º 
11:00 ω=+15 
12:00 ω=+0º 
13:00 ω=-15º 
14:00 ω=-30º 
14:30 ω=-37.5 
 
Altura sobre el nivel del mar < 
 Este parámetro involucra el concepto de “masa de aire”, que es la longitud de la radiación solar 
a través de la atmósfera terrestre hasta llegar a una superficie de captación o a la superficie misma de la 
Tierra. La figura 1.5 muestra que la masa de aire es proporcional a la distancia PO, en donde θz es el 
ángulo cenital. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1.5 Definición de masa de aire
 
P 
O
Límite 
atmosférico Q
θZ
α
m
m= csc α 
 
Superficie
terrestre 
 
 (1.3) 
6
Generalidades 
 
siendo 
Z
QOPO
θcos
= 
Al nivel del mar y cuando la trayectoria de dicha radiación es vertical (θz=1) se tiene una masa de 
aire unitaria. 
< Orografía del lugar 
La orografía del lugar es un factor importante, porque las barreras montañosas u otros 
obstáculos naturales influyen en el movimiento de las masas de aire, el cual origina la formación de 
nubes, y éstas afectan el valor de la intensidad solar. 
 
1.2.3. Factores atmosféricos 
 
Cuando la radiación solar pasa a través de la atmósfera, parte de esta puede ser interceptada por 
componentes atmosféricos como son las moléculas de aire, de agua y partículas de polvo, causando una 
dispersión de la radiación en todas direcciones. La influencia del vapor de agua atmosférico en la 
intensidad de la radiación solar es considerable. Estudios realizados indican que aproximadamente el 
15 por ciento de la radiación solar incidente es absorbida principalmente por el vapor de agua, creando 
lo que se conoce como efecto invernadero sobre la Tierra y permitiendo que su superficie se mantenga 
a una temperatura adecuada para el desarrollo de los seres vivos. 
En la atmósfera, la cantidad de energía atenuada se debe a una combinación compleja de 
absorción, dispersión y reflexión. La radiación solar es parcialmente absorbida por gases (NO2, NO, N, 
O, O2, O3, CO, CO2, y CH4), vapor de agua, aerosoles, polvo, ceniza, arena, niebla y otras partículas 
sólidas y líquidas comúnmente suspendidas en la atmósfera. Las nubes absorben, dispersan y reflejan la 
radiación solar en mayor o menor grado, dependiendo de su altitud, composición y tamaño. Aún en 
días claros, la atmósfera puede reducir significativamente la energía de los rayos del Sol. Durante días 
fuertemente nublados, prácticamente no llega la energía solar directa a la superficie de la Tierra, sólo la 
difusa. 
 
1.2.4. Factores geométricos 
 
Las relaciones geométricas entre un plano receptor, con alguna orientación particular relativa al 
horizonte terrestre y la radiación solar incidente, pueden describirse en términos de diferentes ángulos 
según Benford y Bock (Duffie, 1980). Estos ángulos, que se muestran en la figura 1.5 son los 
siguientes: 
 Latitud, φ. Es el ángulo que forma el lugar de ubicación hacia el norte o hacia el sur, medido a 
partir del ecuador. Al norte es positivo y al sur negativo, (-90° ≤ φ ≤ 90°). 
 Inclinación del plano receptor,β. Es el ángulo formado entre la superficie del plano y la horizontal 
(-90° ≤ β ≤ 90°). 
 7
Generalidades 
 Ángulo de acimut superficial, γ. Es el ángulo de desviación con respecto a la línea horizontal N-S, 
de la proyección sobre un plano horizontal de la línea normal a la superficie del plano receptor, con 
valor de 0° hacia el sur, este negativo y oeste positivo (-180° ≤ γ ≤ 180°). 
 Ángulo horario, ω. Es el “desplazamiento” angular del Sol sobre la línea este-oeste del meridiano 
local, debido a la rotación de la Tierra sobre su eje a razón de 15° por hora. Su valor es de 0 al 
mediodía solar, negativo en la mañana y positivo por las tardes. (Ver tabla 1.1). 
 Ángulo de incidencia, θ. Es el ángulo entre la radiación solar directa y la normal al plano receptor. 
Está relacionado con los otros ángulos por la siguiente ecuación: 
 
cos θ = sen δ sen φ cos β - sen δ cos φ sen β cos γ +cos δ cos φ cos β cos ω 
 +cos δ sen φ sen β cos γ cos ω +cos δ sen β sen γ sen ω (1.4) 
 
Línea cenit 
Línea normal 
al plano receptor 
βO 
S 
γs 
γ 
θZ
α
θ 
E 
N
Normal a la 
superficie horizontal 
Sol 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1.6 Ángulos zenit, de inclinación, acimut superficial y de acimut 
solar para una superficie inclinada. 
 
 Ángulo zenit, θz. Es el ángulo formado entre la radiación solar directa y la normal al plano 
horizontal. 
 Ángulo de altitud solar, α. Es el ángulo formado entre la radiación directa del Sol y el plano 
horizontal. 
 Ángulo de acimut solar, γs. Es el desplazamiento angular desde el sur hacia la proyección de la 
radiación solar sobre el plano horizontal. Para el caso particular de superficies horizontales, β=0°, y el 
ángulo de incidencia θ, es igual al ángulo zenit, θz. La ecuación (1.4) se simplifica quedando como: 
cos θz = cos δ cos φ cos ω + sen δ sen φ (1.5) 
 
 8
Generalidades 
Utilizando las relaciones establecidas para el ángulo de incidencia θ sobre superficies inclinadas 
un ángulo β, se deduce el hecho de que dichas superficies tienen la misma relación angular para la 
radiación solar incidente que una superficie horizontal colocada a una latitud artificial, (φ-β) en el 
hemisferio norte, y (φ+β) para el hemisferio sur, pudiéndose sustituir este valor en lugar de la latitud φ 
en la ecuación (1.5), obteniéndose la siguiente relación: 
 
 cos θ = cos (φ-β) cos δ cos ω + sen (φ-β) sen δ (1.6) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Horizontal normal 
(φ - β) 
θ
θ 
normal 
φ 
β 
ECUADOR 
Figura 1.7 Sección terrestre mostrando β, θ, φ, (φ-β) para superficies 
orientadas hacia el sur. 
 
La ecuación (1.6) puede resolverse para obtener el ángulo horario en el ocaso, ωs, cuando θz = 90°: 
δφ
δφω
coscos
sensencos sS −= (1.7) 
 δφω tantanS −=cos (1.8) 
Para representar ωS en horas con respecto al mediodía solar, se usa la siguiente relación: 
( δφωω tantanarchoras SS −×±=×±= cos360
24
360
24)( ) (1.9) 
De la ecuación anterior se obtiene el número de horas-luz por día: 
 ( δφ tantanarcn −×= cos
15
2 ) (1.10) 
 
 
1.3 Estimación de la radiación solar 
 
Para los propósitos de diseño de sistemas solares, es necesario calcular la radiación instantánea 
horaria, diaria o mensual que incide sobre una superficie con cualquier orientación e inclinación, como 
 9
Generalidades 
la de captación de la estufa solar analizada en este trabajo. Estos cálculos se hacen como se indica a 
continuación. 
 
1.3.1. Radiación solar extraterrestre sobre superficies horizontales 
 
La radiación solar instantánea incidente fuera de la atmósfera terrestre sobre un plano horizontal 
es: 
ZSC
nGG θcos
365
360cos033.010 ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ ⋅+= (1.11) 
Donde GSC es la constante solar, y n es el número del día consecutivo en el año. Sustituyendo la 
ecuación (1.5) en la ecuación (1.11) se tiene para una superficie horizontal entre el amanecery el ocaso 
que: 
( )ωδφδφ coscoscossensen
365
360cos033.010 +⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ ⋅+=
nGG SC (1.12) 
 
Para conocer la radiación extraterrestre diaria (HO) sobre una superficie horizontal, se requiere 
integrar la ecuación (1.12) sobre el período de tiempo entre el amanecer y el ocaso, obteniéndose así: 
 
 ⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ +×⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ ⋅+
×
= δφπωωδφ
π
sensen
360
2sencoscos
365
360cos033.013600240 SSSC
nGH (1.13) 
 
Para el caso de un período comprendido entre los ángulos horarios ω1 y ω2, la radiación solar 
extraterrestre sobre una superficie horizontal está dada por: 
 
 ( ) ( ) ⎥⎦
⎤
⎢⎣
⎡ −+−×⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ ⋅+
×
= δφωωπωωδφ
π
sensen
360
2sensencoscos
365
360cos033.01360012 12210
nGI SC (1.14) 
 
1.3.2. Radiación solar sobre un plano horizontal en la superficie terrestre 
 
Los efectos de la atmósfera en la dispersión y absorción de la radiación solar varían con el 
tiempo, con las condiciones atmosféricas y con la “masa” de aire. Resulta de mucha utilidad definir un 
cielo despejado típico y calcular la radiación solar diaria y horaria, que sería recibida por una superficie 
horizontal bajo estas condiciones definidas como estándar. 
Hottel (Hottel, 1976) presentó un método para la estimación de la radiación solar transmitida a 
través de una atmósfera despejada, en función del ángulo cenit y la altitud, para cuatro tipos de clima. 
La transmitancia atmosférica para la radiación diaria promedio τb, que se define por la relación Gbn/G0 
está dada por la ecuación (1.15): 
Zk
b eaa
θτ cos/10
−+= (1.15) 
 10
Generalidades 
Las constantes a0, a1 y k para una atmósfera estándar considerada con una visibilidad de 23 km., 
se determinan con las siguientes relaciones para los factores a0*, a1* y k*, los cuales están dados para 
una altura sobre el nivel del mar (A) menor a 2500 metros. 
 
2*
0 )6(00821.04287.0 Aa −−= (1.16) 
2*
1 )5.6(00595.05055.0 Aa −+= (1.19) 
2* )5.2(01858.02711.0 Ak −+= (1.18) 
 
Las relaciones entre estos factores y los coeficientes a0, a1 y k, se estiman considerando cuatro 
tipos de clima como se muestra en la tabla (1.2): 
 
Tabla 1.2. Factores de corrección según el tipo de clima 
 
Tipo de clima r0 = a0/a0* r1 = a1/a1* rk = k/k* 
Tropical 0.95 0.98 1.02 
Latitud media en verano 0.97 0.99 1.02 
Verano subártico 0.99 0.99 1.01 
Latitud media en invierno 1.03 1.01 1.00 
 
El coeficiente de transmisividad atmosférica τd, indica la porción de la radiación directa que 
alcanza un plano horizontal sobre la superficie terrestre para una atmósfera despejada, con respecto a la 
radiación solar extraterrestre sobre el mismo plano. 
La radiación directa normal sobre la superficie terrestre para un cielo despejado es: 
boncnb GG τ*= (1.19) 
Donde: Gon es la radiación solar extraterrestre sobre una superficie horizontal. 
 La radiación solar directa sobre un plano horizontal Gcb en la superficie terrestre para una 
atmósfera despejada es: 
Zonbcb GG θτ cos*= (1.20) 
 
Para períodos de una hora, la radiación directa sobre una superficie horizontal con cielo 
despejado es: 
Zonbcb II θτ cos*= (1.21) 
Para obtener la radiación total incidente sobre una superficie horizontal, es necesario estimar la 
radiación difusa. Para días despejados la transmitancia difusa se estima por la ecuación siguiente: (Liu-
Jordan 1960): 
bd ττ 2939.02710.0 −= (1.22) 
τd relaciona la radiación solar difusa Gcd con la radiación solar extraterrestre sobre un plano 
horizontal, dada por la siguiente ecuación: 
 11
Generalidades 
Zon
cd
d G
G
θ
τ
cos
= (1.23) 
 
Indice de claridad 
 
Se define el índice de claridad diario, KT, como la relación de la radiación solar incidente en la 
superficie terrestre sobre un plano horizontal en un día en particular (H), entre la radiación 
extraterrestre para ese mismo día (H0): 
 
0H
HKT = (1.24) 
Esta ecuación puede aplicarse a períodos de tiempo promedio mensuales, horarios e 
instantáneos. 
Estudios realizados acerca de los datos de radiación diaria disponible han mostrado que la 
fracción difusa de la radiación solar Hd/H, es una función del índice de claridad KT, de acuerdo a la 
siguiente correlación desarrollada por Liu y Jordan (1960): 
32 108.3531.5027.4390.1 TTTd KKKH
H
−+−= (1.25) 
 
1.3.3. Radiación solar sobre superficies inclinadas 
 
El factor geométrico Rb, relaciona a la radiación solar directa sobre una superficie inclinada con 
la radiación solar sobre una superficie horizontal en un instante dado, obteniéndose la siguiente 
relación: 
ZZbn
bn
b
bt
b G
G
G
GR
θ
θ
θ
θ
cos
cos
cos
cos
=== (1.26) 
El ángulo acimut óptimo para colectores solares planos es usualmente 0° en el hemisferio norte 
y 180° en el hemisferio sur. En este caso, las ecuaciones (1.5) y (1.6) pueden ser usadas para 
determinar el cos θZ y el cos θ, respectivamente, para el hemisferio norte con γ = 0°. 
 
( ) ( )
δφωδφ
δβφωδβθ
sensencoscoscos
sensencoscoscos
+
−+−
=bR (1.27) 
Para estimar el valor de la radiación solar total sobre superficies inclinadas utilizando datos de 
radiación solar total en el plano horizontal, es necesario conocer el coeficiente R, el cual se define 
como la relación de la radiación solar total en la superficie inclinada. 
 
H
H
horizontalplanounenerficiessobretotalRadiación
inclinadoplanounenerficiessobretotalRadiaciónR T==
sup
sup 
Por lo tanto, la radiación total sobre superficies inclinadas está dada por: 
HT = R * H (1.28) 
 12
Generalidades 
1.3.4. Tiempo solar 
 
Es el tiempo basado en el movimiento angular aparente del Sol a través del cielo, cuando el 
mediodía solar cruza el meridiano del observador. El tiempo solar es el tiempo especificado en todas 
las relaciones angulares del Sol, y no coincide con el tiempo horario local del lugar en cuestión (Duffie, 
1980). 
Para realizar la conversión del tiempo estándar al tiempo solar, es necesario aplicar dos factores 
de corrección. El primero es una constante para la corrección de la diferencia en longitud entre el 
meridiano local y el meridiano sobre el que se basa el tiempo estándar, considerando que al Sol le toma 
4 minutos avanzar un grado de longitud. El segundo factor proviene de la ecuación del tiempo y toma 
en cuenta las perturbaciones en la velocidad de rotación de la Tierra que afectan el tiempo en que el Sol 
cruza el meridiano del observador. El tiempo solar esta relacionado con el tiempo estándar por la 
ecuación siguiente: 
( ) ELLestándarTiemposolarTiempo locst +−+= 4 (1.29) 
Donde E representa la ecuación del tiempo en minutos, Lst es el meridiano para el tiempo 
horario estándar, y Lloc es la longitud del lugar en cuestión dada en grados. La ecuación para obtener E 
es: 
BBBE sen5.1cos53.72sen87.9 −−= (1.30) 
el factor B está dado por: 
( )
364
81360 −
=
nB (1.31) 
Donde: n es el día consecutivo del año, 1 ≤ n ≤ 365. 
 
1.3.5. Niveles de radiación solar en la República Mexicana 
 
Al elaborar mapas climatológicos de radiación solar total, es común emplear mediciones de ésta 
en su forma directa más difusa, medida en unidades de energía por unidad de tiempo y por unidad de 
área sobre un plano horizontal mediante un piranómetro, siendo los datos de radiación la mejor fuente 
de información. En ausencia de éstos elementos es posible emplear relaciones empíricas para estimar la 
radiación global a partir de las horas de insolación, porcentaje de posible insolación o nubosidad. Otra 
alternativa sería la estimación para un lugar particular mediante datos existentes en otras localidades 
con latitud, topografía y climas semejantes al deseado estimándose el error dentro de un ± 10%. 
Han sido desarrollados datos de insolación para la República Mexicana, publicados por el 
Instituto de Ingeniería de la UNAM (Almanza, 1994) empleando el método empírico deducido por 
Jeevananda, empleando parámetros tales como latitud del lugar, longitud promedio del día, humedad 
relativa y el númerode días lluviosos en el mes. 
En el método utilizado para estimar la radiación global total, se hace uso de unidades como 
Langley/día (ly/día), debiendo considerar que la equivalencia de 1 langley es: 
1 langley (o Ly) = 1 cal/cm2 = 4.1868 J/cm2
 13
Generalidades 
En el mapa correspondiente al promedio anual, mostrado en la figura 1.8, se observa que las 
regiones de mayor radiación en la República Mexicana son las del norte de Sonora y Chihuahua, siendo 
las más propicias para las instalaciones que requieran de una alta incidencia de energía solar. Otras 
regiones de importancia en este sentido, lo representan los estados de Durango, Zacatecas, 
Aguascalientes, Guanajuato y el noroeste de Jalisco, con más de 19.2 MJ/m2. Asimismo se aprecia que 
más de la mitad del país recibe 17 MJ/m2 al año, significando esto que en México el uso de la energía 
solar representa una fuente notable de energéticos para el futuro. 
 
 
Promedio de radiación total 
diaria, en langleyes/día. 
388 
377 
391 400
400 392
403 
448
484
450
400 
400
335
450
442
315438
475
473 473
398
333
320
450
413
400
443
473
418
400 472
398 400
442
412
403 
485
302 355
442400
450
500
483
453 
504 
503 
380 
535
470 
505 
518 
520 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1.8 Radiación anual promedio para la República Mexicana. 
 
1.3.6. Algunas aplicaciones de la energía solar 
 
Existen al día de hoy un sinnúmero de proyectos prácticos relacionados con la energía solar, 
desarrollados en diferentes países a lo largo de la historia, la cual, nos remonta a la primera gran hazaña 
por parte de Arquímedes (287-212 a.C.) al incendiar las naves romanas por medio de espejos ustorios 
durante el asedio de Siracusa. El matemático alemán Ehrenfried Water von Tschirnhaus (1654-1708), 
logró fundir masas cerámicas con ayuda de lentes ustorios de 80 cm de diámetro. 
 
 14
Generalidades 
El naturalista francés Georges Leclerc Buffon (1707-1788) logró incendiar un haz de leña desde 
una distancia de 60 metros con un dispositivo consistente de 168 espejos planos de 15 x 15 cm, 
consiguiendo también con este aparato fundir plomo desde una distancia de 39 metros y plata desde 18 
metros. Posteriormente utilizaría espejos parabólicos, logrando con ellos fundir plomo desde una 
distancia de 100 metros. 
El físico francés Claude Servais Poulliet (1791-1868), conocido entonces por sus estudios sobre 
pirheliómetros, calculó la energía calórica útil aprovechable del Sol sobre un metro cuadrado de 
superficie terrestre entre el ecuador y el paralelo 43 de latitud norte o sur, obteniendo un valor de 690 
Joule/segundo, aproximado al valor medio obtenido actualmente de 700 W/m2. 
Laurent Lavoisier (1743-1794) en colaboración con la fábrica francesa de vidrio St. Gobain 
utilizó en 1772 una lente cóncava llena de alcohol y de 1.30 m de diámetro y 3.20 m de distancia focal 
para fundir metales, alcanzando temperaturas cercanas a 1773 °C. Asimismo, Lavoisier había 
anunciado que los combustibles convencionales irían algún día en declive, habiendo de optar por la 
energía solar por resultar los dispositivos solares más ventajosos, limpios y sin contaminación. En 
relación con esto, Lavoisier llegó a escribir en sus memorias que "el fuego de las estufas usuales es 
menos limpio que el obtenido por radiación solar”. 
Henry Bessemer (1813-1898), inventor del procedimiento para la obtención del acero, 
construyó en 1868 una especie de horno solar con un espejo cóncavo de 3 m de diámetro compuesto 
por 100 segmentos individuales, logrando con esto fundir cobre y zinc. 
El astrónomo inglés John Frederick Herschel construyó en 1837 una caja térmica de caoba, que 
utilizó en el Cabo de Buena Esperanza la cual enterró en la arena dejando que sobresaliera únicamente 
su parte superior, pudiendo con este aparato cocinar carne y verduras, alcanzando temperaturas de 115 
°C. 
En una expedición al Monte Whitney en California, el físico norteamericano Samuel Pierpont 
Langley ensayó una caja térmica similar. A pesar de que el terreno se hallaba cubierto de nieve, la caja 
pudo utilizarse para cocinar alimentos. Las elevadas pérdidas térmicas de la caja, debidas a la baja 
temperatura del aire, quedaron compensadas por la gran intensidad de la radiación solar propia de las 
grandes alturas. 
El científico ruso B. Weinberg destacó como un importante propagandista de la explotación de 
la energía solar creando incluso, un departamento heliotécnico en el Laboratorio de Física y técnica de 
la Universidad de Leningrado. 
El ingeniero inglés A. G. Eneas construyó en California un pequeño generador solar para 
impulsión de máquinas de vapor, construido por facetas de vidrio plateado dispuestas en la superficie 
interna de un cono truncado, cuya generatriz formaba con el eje un ángulo de 45°. Este prototipo 
funcionó mucho tiempo en un criadero de avestruces en Pasadena y otro se utilizó para bombeo de 
agua en Arizona. 
Todas estas creaciones de pioneros en este campo son, en su mayoría, muy ingeniosas y 
relativamente económicas en su ejecución, lo que estimula para futuras creaciones. 
En la actualidad la energía solar es utilizada principalmente para calefacción de agua y aire 
ambiente, secado y cocción de alimentos, desalinización y destilación de agua, y en menor medida la 
 15
Generalidades 
generación de vapor utilizado en la conversión de energía eléctrica y/o mecánica y la conversión 
bioenergética y fotovoltaica. Asimismo son muchos ya los países que cuentan con destacados proyectos 
a los cuales se les destina importantes recursos en el área de la investigación, entre los cuales se 
cuentan Francia, Alemania, Suiza, Israel, Japón, Estados Unidos, Australia y la Comunidad Económica 
Europea. 
 
1.3.7. Programa de cómputo para evaluar la radiación solar un plano inclinado 
 
 Se realizó un programa de cómputo en lenguaje BASIC basado en el método de Hottel, con la 
finalidad de determinar la radiación solar instantánea por cada hora en un plano inclinado a partir de la 
radiación global diaria promedio sobre una superficie horizontal en la misma localidad y de datos 
básicos sobre la realización de la prueba experimental. Los datos solicitados por el programa son: 
1. Ángulo de inclinación de la superficie inclinada 
2. Mes en que se efectúa la prueba 
3. Día de la prueba 
4. Latitud del lugar de prueba 
5. Hora de realización de la prueba 
6. Radiación global diaria promedio horizontal sobre el lugar de prueba (Obtenible de mapas 
de radiación) 
El programa calcula: 
7. El ángulo horario para la hora de la prueba 
8. El ángulo horario en el ocaso para el día de prueba 
9. El número consecutivo del año para el día de prueba 
10. El ángulo de declinación para la fecha de prueba 
11. La radiación extraterrestre diaria sobre la superficie horizontal del lugar de prueba, y 
12. La radiación total instantánea incidente sobre el plano inclinado. 
 
1.3.7.1. Programa de cómputo 
 
10 REM ******RADINCLINA****** 
15 COLOR 7, 1 
20 LOCATE 12, 4:PRINT “** PROGRAMA PARA EL CÁLCULO DE LA RADIACIÓN SOLAR EN UN PLANO 
INCLINADO **” 
30 LOCATE 22, 1:PRINT “PRESIONE ‘C’ PARA CONTINUAR” 
32 Parada$ =” ” 
34 WHILE Parada$<>”C” 
36 Parada$ = UCASE$(INKEY$) 
38 WEND 
40 CLS 
45 BEEP 
50 LOCATE 4, 12: PRINT “A CONTINUACION SE IRAN SOLICITANDO DATOS SOBRE LAS CARCTERISTICAS” 
60 LOCATE 6, 12: PRINT “TÉCNICAS DE LA UBICACIÓN DE LA SUPERFICIE RECEPTORA” 
70 LOCATE 8, 4: INPUT: “¿CUAL ES EL ANGULO DE INCLINACIÓN DE LA SUPERFICIE (GRADOS)?”; s 
100 LOCATE 10, 4: INPUT:“¿EN QUE FECHA SE EFECTUA LA PRUEBA (DD/MM/AA)?”; DD/MM/AA 
110 LOCATE 11, 4: INPUT:“¿CUAL ES LA LATITUD DEL LUGAR DE PRUEBA?”; LAT 
 16
Generalidades 
120 LOCATE 12, 4: PRINT:“¿A QUE HORA SE REALIZA LA PRUEBA?” 
130 LOCATE 13, 4: PRINT “8:00 HRS (1)” 
140 LOCATE 14, 4: PRINT “9:00 HRS (2)” 
150 LOCATE 15, 4: PRINT “10:00 HRS (3)” 
160 LOCATE 16, 4: PRINT “11:00 HRS (4)” 
170 LOCATE 17, 4: PRINT “12:00 HRS (5)” 
180 LOCATE 18, 4: PRINT “13:00 HRS (6)” 
190 LOCATE19, 4: PRINT “14:00 HRS (7)” 
200 LOCATE 20, 4: PRINT “15:00 HRS (8)” 
210 LOCATE 21, 4: PRINT “16:00 HRS (9)” 
220 LOCATE 22, 4: INPUT “TECLEE EL No. CORRESPONDIENTE A LA HORA ELEGIDA”; K 
230 IF K = 1 THEN W = 60 ELSE GOTO 240 
240 IF K = 2 THEN W = 45 ELSE GOTO 250 
250 IF K = 3 THEN W = 30 ELSE GOTO 260 
260 IF K = 4 THEN W = 15 ELSE GOTO 270 
270 IF K = 5 THEN W = 0 ELSE GOTO 280 
280 IF K = 6 THEN W = -15 ELSE GOTO 290 
290 IF K = 7 THEN W = -30 ELSE GOTO 300 
300 IF K = 8 THEN W = -45 ELSE GOTO 310 
310 IF K = 9 THEN W = -60 
320 LOCATE 23, 1: PRINT “PRESIONE ‘C’ PARA CONTINUAR” 
322 Parada$ =” ” 
324 WHILE Parada$<>”C” 
326 Parada$ = UCASE$(INKEY$) 
328 WEND 
330 CLS 
332 BEEP 
340 LOCATE 4, 4: INPUT “¿CUÁL ES EL VALOR DE LA RADIACIÓN GLOBAL DIARIA PROMEDIO 
HORIZONTAL SOBRE EL LUGAR DE PRUEBA (EN MJ/M2-dia)?”; HG2 
350 PI = 3.141592654 
360 IF M = 1 THEN N = DD 
370 IF M = 2 THEN N = DD + 31 
380 IF M = 3 THEN N = DD + 59 
390 IF M = 4 THEN N = DD + 90 
400 IF M = 5 THEN N = DD + 120 
410 IF M = 6 THEN N = DD + 151 
420 IF M = 7 THEN N = DD + 181 
430 IF M = 8 THEN N = DD + 212 
440 IF M = 9 THEN N = DD + 243 
470 IF M = 10 THEN N = DD + 273 
480 IF M = 11 THEN N = DD + 304 
490 IF M = 12 THEN N = DD + 334 
500 E = ((284 + N/365) 
50 E1 = (360*E) 
00 E2 = SIN (E1*PI/180)) 
510 DEC = (23.45*E2) 
520 E3 = (LAT * (PI/180)) 
530 E4 = (DEC * (PI/180)) 
540 E5 = ((-1) * TAN(E3) * TAN(E4)) 
550 WS = -ATN(E5 / SQR(-E5 * E5 + 1)) + 1.5707633 
560 WS2 = (WS * (PI / 180)) 
570 A1 = ((2 * PI * (WS2)) / 360) 
580 A2 = (SIN(LAT) * SIN(DEC)) 
590 A3 = A1 * A2 
600 A4 = (COS(LAT) * COS(DEC) * SIN(WS2)) 
510 A5= A3 + A4 
620 A6 = ((360 * N) / 365) 
630 A7 =(1 + (0.033 * (COS(A6)) 
 17
Generalidades 
640 A8 = A7 * A8 
650 A9 = A8 * A5 
660 B1 = ((24 * 3600 * 1353) / PI)) 
670 Ho = A9 * B1 
680 W1 = (W * (PI/180)) 
690 Ts = (PI*24) 
700 F1 = (COS(W1) – COS(WS)) 
710 F2 = (WS * (COS(WS))) 
720 F3 = (SIN(WS) – F2) 
730 Rd1 = (Ts * (F1/F3)) 
740 KT = HG2 / Ho 
750 F4 = (1.39 – (4.027 * KT) + (5.531 * KT * KT) – (3.108 * KT * KT * KT)) 
760 Idh = F4 * HG2 
770 Id3 = Rd1 * Idh 
780 Id2 = (Id3 * (277.78)) 
790 F5 = (SIN(WS – 10.47)) 
800 aA = (.409 + (.5016 * F5)) 
810 bB = (.6609 – (.4767 * F5)) 
820 F6 = (aA + (bB * COS(W1))) 
830 rG = (Ts * F6 * (F1 / F3)) 
840 HG = (HG2 * rG * 277.78) 
850 S1 = (s * (PI / 180)) 
860 G1 = (SIN(E4) * SIN(E3- S1)) 
870 G2 = (COS(E4) * COS(E3 – S1) * COS(W1)) 
880 G3 = (SIN(E4) * SIN8E3)) 
890 G4 = (COS(E4) * COS(E3) * COS(W1)) 
900 Rb = ((G1 + G2) / (G3 + G4)) 
910 Rd = ((1 + (COS(S1))) / 2) 
920 G5 = ((1 – (COS(S1))) / 2) 
930 Rp = (G5 * 0.2) 
940 J1 = ((HG – Id2) * Rb) 
950 J2 = Id2 * Rd 
960 J3 = HG * Rp 
970 HT = J1 + J2 +J3 
980 BEEP 
990 BEEP 
1000 BEEP 
1010 LOCATE 10, 4: PRINT “EL ÁNGULO HORARIO EN GRADOS PARA LA HORA DE LA PRUEBA ES:”; W 
1020 LOCATE 11, 4: PRINT “EL ÁNGULO HORARIO EN EL OCASO PARA EL DIA DE PRUEBA ES:”; WS2 
1030 LOCATE 12, 4: PRINT “EL NUMERO CONSECUTIVO EN EL AÑO DEL DIA DE PRUEBA ES:”; N 
1040 LOCATE 13, 4: PRINT “EL ANGULO DE DECLINACION PARA ESTA FECHA ES:”; DEC 
1050 LOCATE 14, 4: PRINT “LA RADIACION EXTRATERRESTRE DIARIA SOBRE LA SUPERFICIE 
HORIZONTAL DEL LUGAR DE PRUEBA ES:”; Ho 
1060 LOCATE 16, 4: PRINT “LA RADIACION TOTAL INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE INCLINADA, HT ES:”; 
HT 
1070 LOCATE 17, 4: PRINT “EN W/m2” 
1080 LOCATE 23, 4: PRINT “ EL PROGRAMA TERMINO. PULSE <ENTER> PARA VOLVER A SIMULAR O 
<ESC> PARA TERMINAR” 
1090 Parada% = 0 
1100 DO UNTIL Parada% = 13 OR Parada% = 27 
1110 Car$ = INKEY$ 
1120 IF Car$<> “” THEN Parada% = ASC(Car$) 
1130 LOOP 
1140 IF Parada% = 13 GOTO 10 
1150 IF Parada% = 27 GOTO 1020 
1160 CLS 
1170 END 
 
 18
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
En este capítulo se
presenta una breve reseña 
sobre la historia de las 
estufas solares, sus
características, formas 
de operación y los 
pioneros en la
Principios de funcionamiento de las estufas solares 
Capitulo II. Principios de funcionamiento de las estufas 
solares 
 
2.1. Descripción de la problemática mundial actual en la cocción de alimentos 
 
Aproximadamente la mitad de la madera del mundo se usa como combustible, y la mayoría de 
esta se consume en los países más pobres. De esta mitad, el 90% se usa para cocinar. Al quemar leña, 
se ocasionan diversos problemas como son: contaminación del aire intensificando el efecto invernadero 
y el calentamiento global de la Tierra, deforestación de los bosques y disminución del contenido de 
oxígeno disponible para el hombre. Una familia que cocina con leña gasta un promedio de 680 kilos de 
madera al año, y si cocina con carbón esta cantidad se duplica. Las estadísticas indican que en México, 
15 millones de personas consumen como combustible cerca de 20 millones de toneladas de leña al año, 
provocando e intensificando los problemas arriba señalados. 
De acuerdo con la FAO, en el pasado año dos mil, casi 2400 millones de personas sufrieron 
escasez de combustible. Este fenómeno implica mucho tiempo invertido diariamente para buscar, traer 
y almacenar la madera o algún sustituto como es el estiércol o la maleza verde. También al quemar el 
estiércol del ganado, se priva a la tierra de su fertilizante natural. Se estima que al evitar esta práctica el 
incremento de las cosechas podría ser cercano al 20%. 
Otro problema que trae consigo el empleo de la leña es la deforestación. Innumerables regiones 
han sido deforestadas solamente para obtener la leña que satisfaga las necesidades térmicas 
elementales. En la mayoría de las regiones rurales, hay una correlación entre disponibilidad de 
combustible y problemas de salud. Esto se debe a que el escaso combustible que se consigue, casi 
nunca se usa para esterilizar el agua no potable. El 80% de las enfermedades en los países en vías de 
desarrollo son resultado del uso del agua contaminada. Cerca de 7000 personas mueren cada día debido 
a las enfermedades asociadas con el agua contaminada (García-Chávez, 1995). 
 Por todas estas razones, es de considerable importancia continuar desarrollando tecnologías que 
permitan aprovechar cada vez mejor las energías alternativas, sobre todo renovables y en perticular la 
energía solar a través de las estufas solares. 
 
2.2. Historia y desarrollo de las estufas solares 
 
Desde hace muchos años se han propuesto métodos para aprovechar la energía del Sol y 
encontrar soluciones al problema ambiental, de salud y económico que se ha provocado por el uso 
irracional de la leña como combustibles y de los combustibles derivados del petróleo. 
En particular, para resolver el problema de cocción de alimentos, se han desarrollado múltiples 
diseños de dispositivos y hornos solares. Una de las características más importantes de una estufa solar, 
es que además de ahorrar combustible, también se puede potabilizar el agua. La primer estufa solar que 
se conoce fue inventada por Horace de Saussure, naturalista suizo que experimentaba desde 1767, 
logrando cocinar frutas de aquella época a temperaturas de 87.5 °C. Posteriormente, algunos tipos de 
20 
Principios de funcionamiento de las estufas solares 
estufas solares son descritas por Mouchot, quien alrededor de 1860 fue comisionado por el emperador 
Napoleón III, para desarrollar dispositivos de cocimiento solar para las tropas coloniales en África. Este 
personaje utilizó reflectores parabólicos para concentrar la radiación solar hacia un recipiente de 
cocción, el cual se suspendía libremente desde un soporte. Otros experimentos más fueron descritos por 
Adams (Telkes, 1959) en 1878 en la India. 
En los Estados Unidos, C. G. Abbot construyó diversas estufas utilizando reflectores cilíndrico-
parabólicos para concentrar la radiación solar hacia una tubería focal ennegrecida y protegida por un 
tubo de vidrio cerrado. En el año de1929 una pequeña estufa solar diseñada por Abbot fue exhibida en 
el Museo del Instituto Smithsoniano en Washington Los reflectores cilíndrico parabólicos tenían que 
ser movidos por un mecanismo de reloj duranteel día. Sus costos fueron demasiado altos para un uso 
práctico. 
A principios de 1930, los experimentos para el desarrollo de las cocinas solares fueron 
continuados por Mourain, principalmente para las Colonias Francesas. El Laboratorio Nacional de 
Física de la Gran Bretaña, examinó las posibilidades de la utilización de la energía solar en un trabajo 
editado en 1952. El trabajo de investigación sobre cocinas solares fue considerado uno de los objetivos 
principales de aquella época (Telkes, 1959). 
M.L. Ghai del Laboratorio Nacional de Física de la India, intentó resolver el problema del 
cocimiento de alimentos con energía solar. En 1953 utilizó un reflector parabólico, con una olla 
sostenida en el foco. Las industrias Devidayal de ese mismo pais fabricaron este dispositivo por un 
período limitado. La mayoría de las estufas fueron utilizadas para efectos de prueba. En ese año, A.L. 
Gardner de Nueva Delhi, India, usó una olla de cocina que descansaba sobre un apoyo hecho de 
piedras. La energía solar era concentrada y reflejada hacia la olla por espejos arreglados sobre un 
armazón curvo. 
Diversos dispositivos solares adicionales fueron exhibidos en la Conferencia sobre la Energía 
Solar y el Poder del Viento organizada por la UNESCO en Nueva Delhi, durante el mes de octubre de 
1954. Se mostró un dispositivo formado por espejos ajustables manualmente que fueron montados en 
un armazón, reflejando la energía solar hacia una olla aislada. Era necesario ajustar cada espejo 
individualmente y frecuentemente para reflejar la radiación hacia la olla. 
Durante el primer Simposium Mundial sobre Energía Solar en Tucson y Phoenix, Arizona, 
E.U.A., en 1955, fueron exhibidas diversas estufas y hornos solares. También fueron presentadas 
conferencias por los investigadores Duffie, Telkes y Ghai. El uso de plástico rígido y plegadizo en las 
estufas solares, así como reflectores tipo sombrilla invertida fue sugerido por Duffie, Lappala y Löf 
(Telkes, 1959). 
A pesar del desarrollo de la tecnología solar aplicada al cocimiento de alimentos, los resultados 
de las pruebas de utilización de estufas solares en la India, Mathur y Khanna (Telkes, 1959) del 
Laboratorio Nacional de Física de esa nación, afirmaron que es dudoso que se puedan hacer cambios en 
los métodos convencionales de cocinar en ese país debido a que sus tradiciones juegan un papel muy 
importante, por lo que los esfuerzos hechos para introducir las cocinas solares en los poblados fallaron 
completamente. 
 
21 
Principios de funcionamiento de las estufas solares 
 Es de observarse que hasta la fecha no se ha dado el paso definitivo en la cocción de alimentos 
con energía solar, porque se necesita contar con un dispositivo que sea fácilmente construido y que al 
mismo tiempo no presente las desventajas de operación de los diseños anteriores. 
 
2.3 Estufas solares en México 
 
Las primeras aplicaciones de las estufas solares en México, se remontan a 1955, cuando la 
Universidad de Wisconsin, donó 20 estufas solares tipo sombrilla invertida con superficie aluminizada, 
a varios estados del país, para utilizarse en el área rural no electrificada, intentando resolver 
tecnológicamente el problema del elevado consumo de leña. Este hecho fue considerado como una de 
las aportaciones más importantes para los paises en vías de desarrollo. No obstante, después de un mes 
de operar las estufas, éstas se encontraron abandonadas, dañadas y sin utilizar. Al realizar un estudio 
para evaluar las causas que originaron dicho fracaso se encontró que: 
a) La causa principal fue el aspecto sociocultural, ya que tenía que cocinarse fuera de la casa y 
expuesto a los rayos del Sol. 
b) Se tenía que orientar periódicamente la estufa solar (de 30 a 60 minutos), ocupando mucho 
tiempo su operación. 
c) La superficie reflectora producía destellos molestos que desanimaban su utilización. 
d) La fragilidad de la estructura y la fuerza del viento en determinadas comunidades, 
ocasionaba que la estufa fuera arrastrada con todo y alimentos, provocando un mayor gasto y 
desanimando aún más su uso. 
Más recientemente, las estufas solares desarrolladas por investigadores mexicanos se han 
centrado básicamente en las cocinas del tipo caja, las cuales consisten en una cámara térmicamente 
aislada, cubierta en su interior por espejos planos. Roberto García-Chávez y Maricruz Lazcano Flores 
(García-Chávez, Lazcano, 1995) de la Universidad Autónoma Metropolitana diseñaron un prototipo de 
horno solar consistente en una doble estructura de madera con aislante térmico a partir de roca mineral, 
hojas de aluminio en sus paredes interiores, doble cubierta de vidrio y reflector doble de madera 
recubierto con lámina de acero inoxidable. Pruebas experimentales realizadas en la Cd. de México con 
este diseño indican que fue posible alcanzar temperaturas de 135° C, y cocinar distintos tipos de 
alimentos en períodos de 1.5 a 3 horas. La orientación de la estufa se realizó de forma fija hacia el sur. 
Eduardo Rincón Mejía de la Universidad Autónoma del Estado de México, (Rincón, 1997) 
desarrolló estufas y comales solares que emplean la llamada “óptica de no enfoque”, al utilizar 
concentradores del tipo CPC (Concentrador Parabólico Compuesto), cuyo funcionamiento es analizado 
más adelante. Este diseño ha sido denominado “Tolocatzin”, y cuenta con un rango de temperaturas de 
operación de entre 70 y 120° C. Diversos prototipos han sido donados a instituciones educativas y de 
beneficencia, así como a comunidades de la Sierra de Chihuahua. 
 Héctor Martínez Contreras del Instituto Politécnico Nacional (Martínez, 1999) diseñó y 
construyó una estufa solar tipo caja con reflectores interiores multipasos con la cual alcanzó 
temperaturas cercanas a los 100° C y estimó una eficiencia térmica de 22 %. 
 
22 
Principios de funcionamiento de las estufas solares 
 Actualmente existen innumerables diseños de estufas y hornos solares, muchos de los cuales 
pueden encontrarse navegando por la internet, en donde se han constituido redes mundiales y 
regionales para su difusión, venta de manuales para su construcción y promoción para asistir a 
congresos mundiales sobre estufas solares. 
 
2.4 Principios de funcionamiento 
 
En general, la temperatura que se logra con la radiación solar no es lo suficientemente alta como 
para aprovecharla de manera práctica al cocinar alimentos sin hacer uso de dispositivos adicionales. 
Esto se debe a que la cantidad de radiación que llega a un área dada, alcanza sólo un valor máximo 
posible que depende de diversos factores, tales como: época del año, hora del día y las condiciones 
geográficas y atmosféricas. (Almanza, 1994) 
Una estufa o cocina solar es un dispositivo que capta energía solar y la entrega de tal manera 
que es fácil aprovecharla en forma de calor. Su función debe ser captar suficiente energía a fin de 
obtener una temperatura alta que sea útil para cocinar. 
A continuación se describen algunos mecanismos que se presentan en la captación de la 
radiación necesaria para cocinar. 
 
2.4.1. Conversión fototérmica 
 
Las estufas solares operan aprovechando la conversión fototérmica de la energía solar, que es 
una de las formas de conversión de radiación solar a calor. El dispositivo de conversión es una 
superficie mate, sin brillo, de color negro. Cuando esta superficie absorbe energía, dicha energía se 
transforma en movimiento molecular y la fricción entre las moléculas debido a este movimiento genera 
calor. Este es el proceso de conversión que se usa en todas las estufas solares. En todos los casos se ha 
observado que la eficiencia de la cocción o del calentamiento de los alimentos aumenta cuando el 
recipiente es de color negro mate. 
 La conversión fototérmica en las estufas solares puede aprovecharse de dos formas: 
 Directa: cuando el recipiente de cocción recibe directamente la radiación solar. 
 Indirecta: cuando la radiación se convierte en calor para posteriormente transportarlo hacia la 
estufa.2.4.2. Procesos de transmisión de calor 
 
Los mecanismos encargados de la transferencia de energía calorífica en las estufas solares son: 
conducción, convección y radiación. Si el alimento a cocinar contiene un líquido las partículas de este 
adquirirán la temperatura de la fuente a través de las paredes de la olla en un proceso convectivo. Las 
moléculas del aire calentadas dentro de la caja de una estufa solar escapan, en primer lugar a través de 
las rendijas alrededor de la tapa superior, por un lado de la puerta de la estufa abierta, o imperfecciones 
en la construcción. El aire frío de fuera de la caja también entra a través de estas aberturas. 
23 
Principios de funcionamiento de las estufas solares 
La mayor parte del calor radiante que se despide de las ollas calientes dentro de una estufa solar 
se refleja desde la superficie inferior del cristal a las ollas y a la pared inferior de la caja. Aunque los 
vidrios transparentes atrapan la mayoría del calor radiante, un poco de este escapa directamente a través 
del vidrio. El cristal atrapa el calor radiante mejor que la mayoría de los plásticos. 
Cuando la densidad y el peso de los materiales dentro del armazón aislado de la estufa solar 
aumenta, la capacidad de la caja de mantener el calor se incrementa. La energía entrante se almacena 
como calor en estos materiales pesados, retardando que el aire de la caja se caliente. 
 
2.5. Concentración de la radiación solar 
 
La concentración solar se logra mediante dispositivos ópticos, como espejos, que reflejan la 
radiación solar para concentrar el flujo incidente sobre un absorbedor o receptor de área mucho menor 
que la de apertura o captación. En los concentradores se obtiene alta densidad de energía, (radiación 
concentrada) pudiendo lograrse así temperaturas de entre 200 y 3800°C. 
La relación de concentración C se define como el cociente del área efectiva de apertura Aa, 
entre el área del absorbedor de la energía solar Ar: 
Ar
AaC = (2.1) 
Para lograr relaciones de concentración mayores a 100, se requieren mecanismos muy precisos 
para seguir el movimiento del Sol. El valor ideal de la máxima relación de concentración que es posible 
lograr, fue obtenido por A. Rabl (Rabl, 1976), considerando un concentrador con un área de apertura 
circular que intercambia calor por radiación con el Sol a una distancia R y con un ángulo de vista 
subtendido θ de 0.54° según se muestra en la figura 2.1. Dicho valor es de 45,000 y se reduce hasta 212 
para concentradores lineales 
 
 
r 
R
θ 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.1 Esquema para la máxima ra
 
 
2.4.1. Materiales reflectores 
 
 Cuando la energía radiante incide sobre la s
refleja, otra parte de la misma es absorbida y la últim
dirección de la radiación. La fracción de la radiación 
 
Aa 
Ar 
zón de concentración ideal posible 
uperficie de un material cualquiera, una parte se 
a parte se transmite hacia adentro del cuerpo en la 
reflejada por un cuerpo define su reflectividad; la 
24
Principios de funcionamiento de las estufas solares 
absortividad es la fracción de la radiación que absorbe dicho cuerpo y la transmisividad la fracción de 
la radiación transmitida a través de él, cumpliéndose la siguiente relación: 
 
1=++ ρατ (2.2) 
 
Cuando la radiación incide sobre una superficie se pueden observar dos tipos de fenómenos 
mostrados en la figura 2.2. Si el ángulo de incidencia es igual al de reflexión, la radiación resultante es 
especular. Cuando un haz de luz incidente se distribuye en forma uniforme en todas las direcciones 
después de la reflexión, la reflexión es difusa. (Holman, 1986) 
 
 
 
(a) 
φ1 φ2
Fuente 
(b) 
Fuente 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.2 Reflexiones (a) especular φ1 = φ2 y (b) difusa 
 
La mayoría de las estufas solares funcionales utilizan la reflexión de la radiación solar 
enfocándola hacia un punto común. Las estufas que cuentan con superficies reflejantes abarcan un 
margen más amplio del ángulo de altura solar, por lo que la duración del servicio es más prolongado, y 
el rendimiento dependerá de la área efectiva de la superficie reflejante, que si es pequeña, la cantidad 
de calor obtenida será reducida y no se logrará en tal caso la temperatura de cocción necesaria, ni 
siquiera en días despejados y de Sol radiante, y si la superficie del reflector es demasiado grande, el 
dispositivo resultará demasiado pesado, de difícil manejo y más costoso. 
 
 Para lograr la temperatura mínima necesaria para la cocción en un día despejado de radiación 
solar directa, se precisa de una superficie de 0.5 m2 con una capacidad de reflexión de al menos 75% a 
una temperatura ambiente y viento normales. Con una superficie de reflexión de 1m2 se obtiene ya un 
rendimiento más favorable, pudiendo absorberse una cantidad de energía equivalente a 1000 watts, en 
condiciones favorables (Rau, 1984). 
 
 Las características más importantes de un reflector son, principalmente la capacidad de 
reflexión que debe ser máxima y, enseguida su resistencia a la corrosión. La tabla 2.1 relaciona la 
reflectividad de diversos materiales: 
25 
Principios de funcionamiento de las estufas solares 
Tabla 2.1 Reflectividad de diversos materiales 
 
MATERIAL REFLECTIVIDAD 
Acero dulce estañado 49% 
Cromo 51% 
Acero dulce cromado 54% 
Zinc pulido 54% 
Duraluminio 55% 
Acero dulce 58% 
Níquel pulido 60% 
Acero dulce galvanizado 64% 
Constantán (60% Cu, 40% Ni) 64% 
Speculum (68% Cu, 32% Sn) 66% 
Fondo de azogue 72% 
Magnalio (69% Al, 31% Mg) 74% 
Aluminio comercial 74-85% 
Cobre pulido 82% 
Vidrio con revestimiento de plata 88% 
Aluminio muy puro 89% 
Acero dulce plateado 91% 
Metal electroplateado 96% 
 
 
 Cuando las condiciones locales o el tipo constructivo de la superficie reflejante no permiten 
dirigir los rayos solares perpendicularmente a la estufa, resulta ventajoso “ennegrecer” la superficie de 
absorción que aprovechará la energía disponible. 
 
2.6 Tipos de concentradores de radiación 
 
 Existen muchos tipos de concentradores con los cuales es posible incrementar el flujo de 
radiación sobre los receptores o absorbedores. La mayoría de estos concentradores utilizan materiales 
altamente reflejantes como son los espejos de alta calidad, los cuales pueden ser cóncavos, planos o 
convexos. Sin embargo, prácticamente todos pueden clasificarse como de enfoque y fijos. 
Los concentradores de enfoque deben orientarse contínuamente con gran exactitud para seguir 
al Sol y dirigir de manera precisa la radiación directa hacia el receptor. Los concentradores fijos en 
cambio, no tienen las desventajas de los de enfoque, aunque solo permiten incrementar moderadamente 
la intensidad de la radiación solar. Son menos complejos y tienen un ángulo de aceptancia grande, lo 
cual significa que la zona angular dentro de la cual la radiación es captada por su receptor de energía es 
amplia. 
 
 
26 
Principios de funcionamiento de las estufas solares 
 Espejos planos 
Los concentradores más simples se muestran en la figura 2.3 (a), la cual corresponde a un 
colector plano inclinado un ángulo β que recibe la radiación directa del Sol y la reflejada por un espejo 
horizontal. También se presentan colectores horizontales con espejos inclinados que reflejan la 
radiación solar sobre el colector. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 l
Radiación 
solar 
β 
Colector solar 
plano 
°
θ
Absorbedor 
(b) Espejos 
inclinados 
Figura
Las ecuacion
espejo plano son: 
 Cuando un ha
ángulo α, entonces 
inclinación del espe
solares y se ilustra en
 Haz incidente 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.4 D
igual al áng
d
 
 Espejos curvos 
 Los concent
parabólicos compue
colocados simétricam
 
(a) Espejo horizonta
 2.3 Colectores solares de concentració
 
es básicas que describen el comporta
sen (ángulo de incidencia) = -sen (án
z de luz incide sobre un espejo horizo
el haz reflejado será desviado un á
jo. Este comportamiento es útil para
 la figura 2.4: 
α
) 
Espejo 
Haz reflejado Normal 
-i i
iagramas de un espejo plano mostran
ulo de incidencia,