Aplicacion-de-concentradores-solares-de-disco-parabolico

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
 
 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN 
 
 
 
“Aplicación de Concentradores Solares de Disco Parabólico para 
 
Generación de Energía Eléctrica” 
 
 
 
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS EN 
INGENIERÍA MECÁNICA. 
 
 
PRESENTA 
Ing. Jorge Alberto Cruz Rojas 
 
 
DIRECTOR DE TESIS 
 
Dr. Juan Gabriel Barbosa Saldaña 
 
 
 
 
 
 
 
MÉXICO D.F. FEBRERO 2015 
 
 
 
 
 
 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
A los profesores de la SEPI ESIME IPN 
 
Dr. Juan Gabriel Barbosa Saldaña 
 
Dr. José Alfredo Jiménez Bernal 
 
Dr. Luis Alfonso Moreno Pacheco 
 
Dra. Claudia del Carmen Gutiérrez Torres 
 
Dr. Ignacio Carvajal Mariscal 
 
Dr. Miguel Toledo Velázquez 
 
M. en C. Guilibaldo Tolentino Esvala 
 
M. en C. Juan Abugaber Francis 
 
Por su intervención y colaboración en la realización de este trabajo. 
 
Al Dr. Juan Gabriel Barbosa Saldaña en forma especial por su dirección en este 
trabajo de tesis. 
 
Gracias por sus comentarios, consejos, enseñanzas y regaños los cuales 
se hicieron parte fundamental para mi desarrollo personal, siempre 
estaré agradecido ya que gracias a la oportunidad que me brindo de 
trabajar con usted, pude darle alegría y satisfacción a mis seres 
queridos. 
 
A los profesores investigadores y personal del LABINTHAP, mi más sincero 
agradecimiento por todo su apoyo y confianza. 
 
A mis compañeros de clases y de todo el LABINTHAP gracias por ser tan 
buenos compañeros y amigos. 
 
 
 
DEDICATORIAS 
 
A mi madre María del Carmen Cruz Rojas 
 
Por el continuo apoyo con su amor e inmenso cariño con sus enseñanzas y 
consejos los cuales siempre estarán presentes en mi andar y en mi corazón. Por 
su inagotable comprensión ya que desde el primer día y hasta el último me diste 
lo necesario tanto en lo económico como en lo físico y emocional. Me mantiene 
en este camino la Fe y la ilusión que desde el lugar en que estés, te podrás 
enterar que sigo y seguiré fielmente el camino que me mostraste. 
 
A mi tía Lucía García Delgado 
 
A ti te dedico exactamente lo mismo que a mi madre ya que siempre has sido 
tan importante para mí como lo ha sido ella, con tu inagotable cariño de madre 
que siempre ha estado ahí para abrigarme y protegerme de los peligros de la 
vida, mediante tus consejos como maestra desde que era un niño, comenzaste a 
darle forma al hombre que hoy soy. Te dedico esto; ya que solo tú, has 
permanecido conmigo en estos momentos de tanta tempestad. 
 
A mi novia Concepción Espindola García 
 
Porque más que mi novia haz sido una gran compañera y amiga al 
apoyarme escucharme y ayudarme durante los momentos más difíciles 
que he pasado. 
 
A mi primo Oswaldo García Landeros 
 
Por el gran apoyo que me brindaste cuando más débil me encontraba. 
 
A mi maestra Yessica Esther Rodríguez Rojas 
 
Por devolverme la ilusión de hacer algo que disfruto tanto y 
comprenderme todo el tiempo 
 
En Memoria de mi abuelo Hermelindo Cruz Lázaro 
     
 
   
CONTENIDO 
 
RESUMEN iii 
ABSTRACT iv 
INTRODUCCIÓN v 
NOMENCLATURA vii 
RELACIÓN DE FIGURAS ix 
RELACIÓN DE TABLAS xi 
 
CAPÍTULO 1. LA ENERGÍA SOLAR, SUS APLICACIONES Y RECIENTES 
TECNOLOGÍAS 
 
1.1 Energías Renovables...…………………………………………………………... 2 
1.2 El Sol como Fuente de Energía……………………………………………... 3 
1.3 Aprovechamiento de la Energía Solar (instalaciones solares térmicas, 
fotovoltaicas y termoeléctricas)…………………………………………..……… 5 
1.4 Fomento de las Energías Renovables …………………………………………. 6 
1.5 El Cambio Climático………………………………………………………………. 6 
1.6 Instalaciones que se Basan en la Energía del Sol……………………………. 9 
1.7 Alternativas de Fuentes de Energías Renovables y Limpias………………… 10 
 
CAPÍTULO 2. ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA, CONCENTRADORES 
SOLARES Y SISTEMAS DE SEGUIMIENTO SOLAR 
 
2.1 Energía Solar de Origen Fotovoltaico…………………………………………… 12 
2.2 El Silicio como Material Principal en una Célula Fotovoltaica………………. 12 
2.3 Conversión de Energía Solar en Electricidad………………………………….. 14 
2.4 Fenómeno Fotovoltaico…………………………………………………………... 15 
2.5 Materiales Semiconductores……………………………………………………... 16 
2.6 Paneles Solares Fotovoltaicos…………………………………………………… 19 
2.7 Componentes de Instalaciones Solares Fotovoltaicas……………………….. 21 
2.8 Sistemas de Concentración Fotovoltaicos……………………………………… 23 
2.9 Instalaciones Solares Termoeléctricas…………………………………………. 24 
2.10 Aplicación de Concentradores Solares a Motor Stirling……………………... 28 
2.11 Concentración Solar Mediante Torres…………………………………………. 29 
2.12 Elementos del Sistema de Concentración Solar Desarrollado en el 
LABINTHAP …………………………………………………………………. 30 
2.13 Radiación Solar en México…………………………………………………….. 32 
2.14 Espectro Electromagnético…………………………………………………….. 34 
2.15 Flujo de Calor por Radiación…………………………………………………… 34 
 
 
 
 
 
     
 
   
CAPITULO 3. PRUEBAS DEL CONCENTRADOR SOLAR Y ANÁLISIS 
ESTADÍSTICO DE DATOS 
 
3.1 Consideraciones Previas…………………………………………………………. 38 
3.2 La Distribución de Probabilidad Normal……………………………………….... 40 
3.3 Estimación………………………………………...………………………………... 42 
3.4 Selección del Tamaño de Muestra………………………………………………. 43 
3.5 Prueba de Hipótesis……………………………………………………………….. 45 
3.5.1 Pruebas Comunes con Muestras Grandes…………………………… 46 
3.5.2 Pruebas de Hipótesis de Nivel Para Muestras Grandes………….. 49 
3.6 Intervalos de Confianza…………………………………………………………… 53 
3.6.1 Intervalos de Confianza en una Muestra Grande……………………. 54 
3.7 Covarianza de Dos Variables Aleatorias………………………………………... 60 
 
CAPÍTULO 4. CÁLCULO DE EFICIENCIA DEL CONCENTRADOR SOLAR 
PDR Y PROPUESTA DE APLICACIÓN A LA ENERGÍA 
TÉRMICA Y FOTOVOLTAICA 
 
 
4.1 Cálculo del Coeficiente y ……………………………………………………... 69 
4.2 Fluorescencia Molecular………………………………………………………….. 71 
4.3 Lámpara de Descarga…………………………………………………………….. 71 
4.3.1 Lámparas de Hidrogeno y Deuterio…………………………………… 72 
4.3.2 Lámpara de Filamento de Wolframio…………………………………. 74 
4.4 El Hidrógeno y sus Isotopos……………………………………………………… 74 
4.4.1 Niveles de Energía del Átomo de Hidrógeno………………………… 75 
4.4.2 Isotopos del Hidrógeno…………………………………………………. 76 
4.4.3 Deuterio…………………………………………………………………… 77 
4.4.3.1 Aplicaciones más Comunes del Deuterio………………….. 77 
4.5 Sección Eficaz……………………………………………………………………… 77 
4.6 Propuesta de Aplicación………………………………………………………….. 78 
4.7 Dispositivo Teórico (Fototubos)………………………………………………….. 79 
4.8 Ley de Planck…………………………………………………………………….. 81 
4.9 Cálculo de la Frecuencia de Onda……………………………………………... 82 
4.10 Cálculo de la Energía Eléctrica Disponible…………………………………… 83 
 
CONCLUSIONES……………………………………………………………………. 84 
RECOMENDACIONES……………………………………………………………… 85 
REFERENCIAS……………………………………………………………………… 87 
APÉNDICES 
A - Lecturas…………………………………………………………………..... 91 
B – Área de Curva Normal……………………………………………………. 108
C – Gráficas de Lecturas de Temperatura y Radiación Solar…………….. 109
 
     
 
  iii 
 
RESUMEN 
 
 
 
Este trabajo de tesis comienza con una serie de premisas sobre la situación del 
medio ambiente y los diversos factores que modifican la naturaleza del planeta, 
teniendo en cuenta que la creciente población mundial y el incremento en las 
necesidades de naciones e industrias requieren de un suministro interminable de 
energía, la cual es producida a un gran costo para los ecosistemas de todo el 
mundo, desde el uso del carbón en minas, hasta la fusión nuclear en plantas de 
energía nuclear. Actualmente el mundo vive la era del petróleo, sin embargo ha 
empezado un cambio de producir la energía que la sociedad demanda y en las 
últimas décadas se ha promovido el aprovechamiento de la energía solar, la cual 
es aprovechada mediante paneles solares o celdas fotovoltaicas, calentadores 
solares planos, concentradores solares de canal parabólico y disco parabólico, 
tecnologías de heliostatos entre otras. 
El principal objetivo de este trabajo es proponer posiblesaplicaciones para 
aprovechar la energía solar disponible en el foco o recibidor de un concentrador 
solar de disco parabólico con un mecanismo automático de seguimiento en dos 
ejes. Para esto, en la parte experimental se coloco un termopar para medir la 
temperatura y así estimar la cantidad de energía térmica concentrada, y con ayuda 
de un pirómetro y un termómetro es posible medir la radiación solar y la 
temperatura ambiente respectivamente. 
Una vez realizadas diversas pruebas con el equipo y registrando los valores 
correspondientes de radicación y temperatura en el foco y en el ambiente se 
procede a realizar un amplio y detallado análisis estadístico el cual es la mejor 
opción a la interpretación de los datos medidos debido a que se comportan como 
variables aleatorias y por lo tanto se busca tener una certeza en la medición para 
así proponer diferentes opciones de un dispositivo el cual sea capaz de soportar 
las condiciones a las que el sol y el concentrador solar pueden generar con el fin 
de transformar las energías térmica y fotovoltaica en energía disponible para el 
aprovechamiento del hombre en diversas aplicaciones a la vida cotidiana 
reduciendo posibles consecuencias graves para la salud y deterioro del medio 
ambiente. 
 
     
 
  iv 
 
ABSTRACT 
 
 
 
 
This thesis begins with a series of assumptions made about the situation of the 
environment and the various factors that alter the nature of the planet, taking into 
account that the growing world population and the increase in the needs of nations 
and industries require an endless supply of energy, which is produced at a great 
cost to the ecosystems around the world, from the use of coal mines, until nuclear 
fusion at nuclear power plants. Actually the world lives the oil era, however, has 
begun a shift to produce the society´s demanding power and in the last decades it 
has promoted the use of solar power, which is used through solar panels or 
photovoltaic cells, solar heaters levels, solar concentrators parabolic channel and 
parabolic dish, technologies of heliostats among others. 
The main objective of this work is to propose possible applications to take 
advantage of the available solar energy in the bulb or receiver of a solar 
concentrator of parabolic dish with an automatic mechanism for monitoring on two 
axes. For this reason, in the experimental part was placed a thermocouple to 
measure the temperature and thus estimate the amount of thermal energy 
concentrated, and with the help of a pyrometer and a thermometer it is possible to 
measure the solar radiation and the ambient temperature respectively. 
Once carried out various tests with the equipment and registering the 
corresponding values of radiation and temperature in the focus and in the 
environment comes to perform a comprehensive and detailed statistical analysis 
which is the best option for the interpretation of the measured data due to behave 
as random variables and therefore seeks to have a certainty in the measurement to 
suggest different options of a device which is capable of withstanding the 
conditions to which the sun and the solar concentrator can be generated in order to 
transform the energies thermal and photovoltaic energy available for the 
development of man in various applications to everyday life by reducing potential 
serious consequences for the health and environmental degradation. 
     
 
  v 
 
INTRODUCCIÓN 
 
La disponibilidad de energía es un requisito indispensable para el crecimiento 
económico y el bienestar en México y en el mundo. En la actualidad las 
sociedades dependen totalmente de un suministro abundante e ininterrumpido de 
energía para vivir y funcionar, cabe mencionar que la energía es esencial para la 
economía moderna. Sin duda alguna, uno de los problemas más formidables y 
apremiantes que la humanidad encara y que seguramente definirá el futuro de los 
países es la del uso eficiente de los recursos energéticos así como el de 
garantizar la disponibilidad de la energía para promover el desarrollo y bienestar 
en la sociedad moderna. Por otro lado, México cuenta con abundancia de recursos 
energéticos renovables y con recursos humanos capaces de generar investigación 
y tecnologías para desarrollar y promover una industria nacional sustentable. Sin 
embargo, a pesar de lo mencionado anteriormente continua existiendo una gran 
retraso, particularmente en la aplicación de las tecnologías sustentables tanto en 
las poblaciones que no cuentan con una infraestructura energética así como en las 
grandes ciudades dónde los consumos y necesidades de energía son mayores, 
requiriéndose en ambos casos, urgentemente el desarrollo de ciencia y tecnología 
para aprovechar las fuentes renovables de energía. 
 
Lejos de ser una alternativa ingenua y poco costeable, la energía solar es una de 
las pocas opciones realistas cuya utilización no implica la destrucción del entorno. 
El sol emite continuamente una potencia de 62,6 kW por cada metro cuadrado de 
su superficie. De hecho, en un periodo de tan solo 2 días el planeta Tierra recibe 
la cantidad de energía equivalente a todas las reservas probadas que existen de 
petróleo, gas y carbón. Esto equivale a cerca de 60 veces el consumo anual de la 
sociedad humana, lo cual da una idea del potencial que tiene la energía del Sol 
para satisfacer las demandas energéticas del mundo. 
 
En términos generales, las tecnologías de aprovechamiento de la energía solar 
pueden clasificarse en solares térmicas y solares fotovoltaicas. Respecto a las 
primeras existen diversas aplicaciones, que van desde los colectores solares 
planos para calentamiento de fluidos como agua con aplicaciones de uso en casa 
habitación o agua de proceso a bajas temperaturas. En el particular caso de 
concentradores solares ya sea de disco parabólico o de canal parabólico se han 
realizado aplicaciones a la industria de generación de vapor o fluidos a elevadas 
temperaturas, así como en conjunto con la implementación de un pequeño motor 
Stirling y así generar energía eléctrica. En relación a las aplicaciones fotovoltaicas 
se tiene que la radiación solar se convierte directamente en electricidad, mediante 
     
 
  vi 
 
el llamado efecto fotovoltaico y que básicamente se presenta al iluminar la 
superficie de unión entre los dos diferentes materiales los cuales forman un panel 
o celda fotovoltaica. Usando paneles solares respaldados con una batería, es 
posible suministrar energía a una gran variedad de aplicaciones pequeñas y 
aisladas, tales como telefonía rural, antenas de telecomunicaciones, boyas 
marítimas, televisión educativa rural, estaciones meteorológicas remotas, bombeo 
de agua rural, señalizaciones en carreteras y otras. 
 
En el presente trabajo se pretende hacer uso de la energía solar térmica obtenida 
en un concentrador solar de disco parabólico y después de realizar un amplio y 
detallado análisis estadístico determinar la mejor opción para el aprovechamiento 
de la energía solar con el fin de generar energía eléctrica mediante el fenómeno 
que se da en los gases nobles de emitir luz cuando se incrementa su temperatura 
y se sobrexcita su estructura molecular provocando así un arco voltaico que 
permite la generación de energía eléctrica. Para esto se pretende proponer el 
diseño de una lámpara de descarga, que es un dispositivo capaz de reproducir 
estos fenómenos de manera segura y que requiere de energía en forma de calor, 
una fuente de luz y un arco voltaico. 
 
El desarrollo de este trabajo se planea en cuatro capítulos. En el capítulo 1 se da 
una revisión de las diversas tecnologías alternativas de generación de energía y 
se describen las consecuencias causadas por el uso de tecnologías de generación 
de energía que utilizan combustibles convencionales. Posteriormente, en el 
capítulo 2, se hace énfasis en las tecnologías referentes al aprovechamiento de la 
energía solar como los colectores solares. El tercer capítulo presenta un análisis 
estadísticomediante la utilización de herramientas descriptivas como las gráficas, 
promedios, varianzas y desviaciones estándar de datos y herramientas que 
permiten hacer inferencias como las pruebas de hipótesis, la selección de tamaño 
de muestra, el cálculo de intervalos de confianza, la covarianza entre dos series 
de datos y el coeficiente de correlación el cual indica la dependencia o 
independencia entre dos distintas variables. Dicho análisis estadístico es 
necesario a efectos de disminuir la incertidumbre y determinar exactamente el 
número de pruebas necesarias para que la muestra sea confiable y se entreguen 
datos que sean significativos. Esto ayuda a realizar aseveraciones que permiten 
proponer una aplicación la cual resulte más eficiente para el concentrador solar y 
que el espectro solar sea aprovechado de la mejor manera con el objetivo de 
proponer un dispositivo que aproveche las tecnologías alternativas de generación 
de energía como se describe en el capítulo 4. 
     
 
  vii 
 
NOMENCLATURA 
 
A Superficie de un átomo 
 Área de un círculo 
a Núcleo atómico excitado 
 Barns [10-28 m2] 
 Velocidad de la luz 
 Molécula de deuterio 
 Molécula de deuterio excitada 
 Energía 
 Potencia emisiva de un cuerpo negro [W] 
 Ancho de Banda Prohibida 
 Energía eléctrica absorbida por la molécula 
 Energía cuantizada definida de 
´ y ´´ Energías cinéticas de los dos átomos de hidrógeno 
 Electrón – Volt [e-V] 
 Irradiación ⁄ 
 Radiación incidente absorbida ⁄ 
 Hidrógeno 
 Hipótesis nula 
 Hipótesis alternativa 
 Molécula de hidrógeno 
 Molécula de hidrógeno excitada 
 Protio 
 Deuterio 
 Tritio 
 Constante de Planck 
 Irradiación solar [W/m2] 
 Irradiación solar promedio [W/m2] 
 i-ésimas de la irradiación solar [W/m2] 
 Serie de datos de la irradiación solar [W/m2] 
 Valor de conformidad en la región de rechazo 
 Tamaño de muestra significativa 
 Número de datos recolectados durante una prueba 
 Flujo de energía por convección ·⁄ 
 Región de rechazo 
 Radio del disco del concentrador solar PDR [m] 
 Temperatura ambiente [°C] 
 Temperatura ambiente promedio [°C] 
 Temperatura promedio focal [°C] 
 Serie de datos de la temperatura focal [°C] 
 i-ésimas de la temperatura focal [°C] 
 Temperatura analizada [°C] 
 Temperatura de los alrededores [°C] 
 Función de una distribución de probabilidad normal estándar 
 Variable aleatoria de una función de probabilidad 
     
 
  viii 
 
 i-ésima variable aleatoria de una función de probabilidad 
 Valor medio de una variable aleatoria 
 Función de una distribución de probabilidad normal estándar 
 Variable aleatoria de una función 
 Valor de una función estandarizado y estadístico de prueba 
 Estimador puntual calculado 
 Valor de comparación de tabla de una distribución de densidad mediante el nivel de significancia 
 
Letras Griegas 
 
Α Coeficiente de absortividad 0,1 
 Error tipo II de una prueba de hipótesis 
 Longitud de onda 
 Varianza de una distribución de probabilidad normal estándar 
 Desviación estándar de una distribución de probabilidad normal estándar 
 Media de una distribución de probabilidad normal estándar 
 Parámetro objetivo 
 Estimador puntual de un parámetro objetivo 
 Varianza de un parámetro objetivo 
 Desviación estándar de un parámetro objetivo 
θ Límite inferior del intervalo de confianza 
θ Límite superior del intervalo de confianza 
 Varianza muestral de la temperatura focal 
 Desviación estándar muestral de la temperatura focal 
 Error en las mediciones 
 Nivel de significancia 0,1 y error tipo I de una prueba de hipótesis 
 Valor especifico de 
 Cota inferior de temperatura de un intervalo [°C] 
 Cota superior de temperatura de un intervalo [°C] 
 Varianza de la temperatura focal [°C]2 
 Desviación estándar de la temperatura focal [°C] 
 Varianza de la irradiación solar [W/m2]2 
 Desviación estándar de la irradiación solar [W/m2] 
 Valor medio de irradiación solar [W/m2] 
 Varianza de temperatura ambiente [°C]2 
 Desviación estándar de temperatura ambiente [°C] 
 Valor medio de temperatura ambiente [°C] 
 Coeficiente de correlación 1,1 
Ε Coeficiente de emisividad 0,1 
Σ Constante de Stefan-Boltzmann ·⁄ 
 Frecuencia de onda [Hz] 
 
     
 
  ix 
 
RELACIÓN DE FIGURAS 
 
Figura Descripción 
 Pág. 
1.1 Mapa del mundo donde se muestran las 
concentraciones de dióxido de carbono 7 
1.2 Presencia de dióxido de carbono ( en la atmosfera en los 
últimos 200 años. 8 
2.1 Silicio policristalino en barra. 12 
2.2 Paneles solares construidos con los diferentes tipos de silicio. 14 
2.3 Electrones giran alrededor del núcleo en distintas bandas de 
energía. 15 
2.4 Enlace entre núcleos de silicio mediante un enlace 
aparentemente neutro. 15 
2.5 Radiación que actúa para producir una inestabilidad en última 
línea de valencia. 16 
2.6 Átomo de silicio, que tiene cuatro electrones de valencia. 17 
2.7 Electrón libre entre un átomo de Fosforo y un átomo de Silicio. 17 
2.8 Hueco producido por la ausencia de un electrón. 18 
2.9 Disponibilidad de electrones entre un material tipo n y un 
material tipo p. 18 
2.10 Saltos de electrones entre dos materiales creando un campo 
eléctrico 19 
2.11 Planta de energía solar fotovoltaica de Base de la Fuerza Aérea 
de Nellis, Nevada USA 21 
2.12 Instalación solar fotovoltaica, componentes principales. 22 
2.13 Sistema de seguimiento solar instalado en Vilalba (Lugo), con 
un área de 345  . 23 
2.14 Lente de Fresnel el cual concentra la luz con pequeñas pérdidas 
de radiación. 24 
2.15 Canal parabólico compuesto de espejos con foco alargado y 
apuntando hacia el tubo focal. 25 
2.16 Concentrador solar de disco parabólico con sistema de 
seguimiento en dos ejes 25 
2.17 Componentes del Concentrador Solar de Disco Parabólico. 26 
2.18 Movimiento que realiza un canal parabólico de concentración a 
lo largo del día. 27 
2.19 Motor Stirling alimentado por un concentrador solar PDR. 28 
2.20 Motor Stirling. 29 
2.21 La central térmica solar PS10, de 11 MW, produce electricidad a 
partir del Sol. 30 
2.22 Mapa que muestra la irradiación solar en la República 
Mexicana. 33 
2.23 Múltiples frecuencias del espectro electromagnético solar. 34 
2.24 Superficie con emisividad , absortividad y temperatura . 35 
     
 
  x 
 
2.25 Superficie con emisividad, , área A y temperatura . 36 
3.1 Elemento de concentración del concentrador de PDR hecho de 
aluminio. 38 
3.2 Elemento de concentración del concentrador de PDR hecho de 
bronce. 39 
3.3 Elemento de concentración del concentrador de PDR hecho de 
Acero. 40 
3.4 Forma clásica de una distribución de probabilidad Normal. 41 
3.5 Es posible apreciar la forma de la distribución de probabilidad 
normal. 42 
3.6 Distribuciones muestrales del estimador para diferentes 
valores de . 46 
3.7 Región de rechazo de una muestra grande para : 
contra : . 47 
3.8 Regiones de rechazo para probar : contra : 
con base en , 48 
3.9 Regiones de rechazo para probar : contra : , 
con base en , 49 
3.10 Ubicación de ⁄ y ⁄  que acotan el intervalo con un nivel 
de confianza (1- ). 57 
3.11 Intervalo de confianza en una gráfica de temperatura focal 
contra la frecuencia de tomas. 58 
3.12 Intervalo de confianza en una gráfica de irradiación solar contra 
la frecuencia de tomas. 59 
3.13 Intervalo de confianza de la donde es más probable hallar 
el valor real. 61 
3.14 Observaciones dependientes e independientes para , . 61 
3.15 Gráfica comparativa entre ⁄ contra . 66 
3.16 Comparación gráfica de irradiación y temperatura focal del día 8 
de mayo del 2013. 67 
4.1 Área calculada para obtener irradiación total. 70 
4.2 Lámpara de Deuterio con estructura de níquel y filamento de 
wolframio visible. 73 
4.3 Sección eficaz de un átomo. 78 
4.4 Luz incidente en el concentrador solar PDR y el dispositivo 
teórico. 79 
4.5 Fototubo lleno de deuterio y circuito acoplado. 81 
 
 
     
 
  xi 
 
RELACIÓN DE TABLAS 
 
Tabla Descripción 
 
Pág. 
1.1 Composición del Sol. 
 
52.1 Componentes del Concentrador Solar. 
 
27 
3.1 Estimadores Puntuales. 55 
 
 
 
 
 
     
 
  xii 
 
RELACIÓN DE FIGURAS EN APÉNDICES 
 
Gráfica Descripción 
 Pág.
C.1 Datos del 13 de marzo de 2013 con Temperatura Vs. Hora del 
día. 109 
C.2 Datos del 13 de marzo de 2013 con Radiación Solar Vs. Hora del 
día. 109 
C.3 Datos del 22 de marzo de 2013 con Temperatura Vs. Hora del 
día. 109 
C.4 Datos del 22 de marzo de 2013 con Radiación Solar Vs. Hora del 
día. 109 
C.5 Datos del 8 de abril de 2013 con Temperatura Vs. Hora del día. 109 
C.6 Datos del 8 de abril de 2013 con Radiación Solar Vs. Hora del 
día. 109 
C.7 Datos del 8 de mayo de 2013 con Temperatura Vs. Hora del día. 110 
C.8 Datos del 8 de mayo de 2013 con Radiación Solar Vs. Hora del 
día. 110 
C.9 Datos del 17 de mayo de 2013 con Temperatura Vs. Hora del día. 110 
C.10 Datos del 17 de mayo de 2013 con Radiación Solar Vs. Hora del 
día. 110 
C.11 Datos del 20 de mayo de 2013 con Temperatura Vs. Hora del día. 110 
C.12 Datos del 20 de mayo de 2013 con Radiación Solar Vs. Hora del 
día. 110 
C.13 Datos del 22 de mayo de 2013 con Temperatura Vs. Hora del día. 110 
C.14 Datos del 22 de mayo de 2013 con Radiación Solar Vs. Hora del 
día. 110 
C.15 Datos del 3 de junio de 2013 con Temperatura Vs. Hora del día. 111 
C.16 Datos del 3 de junio de 2013 con Radiación Solar Vs. Hora del 
día. 111 
C.17 Datos del 3 de junio de 2013 con Temperatura Vs. Hora del día. 111 
C.18 Datos del 3 de junio de 2013 con Radiación Solar Vs. Hora del 
día. 111 
C.19 Datos del 17 de junio de 2013 con Temperatura Vs. No. de Toma. 111 
C.20 Datos del 17 de junio de 2013 con Radiación Solar Vs. No. de 
Toma. 111 
C.21 Datos del 19 de junio de 2013 con Temperatura Vs. Hora del día. 112 
C.22 Datos del 19 de junio de 2013 con Radiación Solar Vs. Hora del 
día. 112 
C.23 Datos del 19 de junio de 2013 con Temperatura Vs. No. de Toma. 112 
C.24 Datos del 19 de junio de 2013 con Radiación Solar Vs. No. de 
Toma. 112 
C.25 Datos del 1 de julio de 2013 con Temperatura Vs. No. de Toma. 112 
 
     
 
  xiii 
 
C.26 Datos del 1 de julio de 2013 con Radiación Solar Vs. No. de 
Toma. 
112 
C.27 Datos del 19 de agosto de 2013 con Temperatura Vs. Hora del 
día. 113 
C.28 Datos del 19 de agosto de 2013 con Radiación Solar Vs. Hora del 
día. 113 
C.29 Datos del 30 de septiembre de 2013 con Temperatura Vs. Hora 
del día. 113 
C.30 Datos del 30 de septiembre de 2013 con Radiación Solar Vs. 
Hora del día. 113 
C.31 Datos del 1 de octubre de 2013 con Temperatura Vs. Hora del 
día. 113 
C.32 Datos del 1 de octubre de 2013 con Radiación Solar Vs. Hora del 
día. 113 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 1 
 
La energía solar, sus 
aplicaciones y más recientes 
tecnologías 
 
     
 
  2 
 
1.1 ENERGÍAS RENOVABLES. 
El desarrollo de la humanidad está íntimamente ligadas con la forma en la cual, el 
hombre ha tenido la capacidad de aprovechar los recursos naturales que le rodean 
para utilizarlos en su beneficio y en la obtención de energía. Básicamente inicia 
con la energía animal, dónde utiliza a los mismos como fuente motriz para 
desplazar o mover masas de gran tamaño. Durante la “Revolución Industrial”, el 
aprovechamiento del carbón como recurso energético dada su elevada densidad 
energética hace de dicho recurso la opción más rentable. Posteriormente, el 
petróleo fue desplazando en muchas aplicaciones al carbón debido a que es más 
limpio, por su mayor poder calorífico y su carácter fluido. 
Asimismo, es en el siglo XX cuándo aparece un recurso más limpio y con mayores 
reservas, el gas natural del que se dice será la energía del siglo XXI, con lo que es 
de suponer que al igual que sus antecesores, sufrirá una disminución en su 
explotación al ser un recurso no renovable y por tanto una disminución en 
aplicaciones para obtener energía a partir del mismo. 
Durante los últimos años, precisamente pensando en el futuro agotamiento de las 
fuentes de energía fósiles, en la gran dependencia de muchos países de estas, en 
el progresivo incremento de su costo y principalmente en los tan variados 
problemas ambientales como el derramamiento de crudo en el mar, las grandes 
emisiones de gases de efecto invernadero, y de las tan peligrosos subproductos 
de la combustión como el derivados de su explotación, transporte y consumo, 
se está pensando en la utilización de energías renovables alternas para satisfacer 
la demanda energética de la sociedad moderna. 
 
Las energías renovables son aquellas que se producen de manera continua y son 
inagotables a la escala humana. Además tienen la gran ventaja de poder 
complementarse entre sí, favoreciendo la integración entre ellas. Son respetuosas 
con el medio ambiente, y aunque ocasionen efectos negativos sobre el entorno, 
son considerablemente menores que los impactos ambientales de las energías 
convencionales como combustibles fósiles (petróleo, gas y carbón), energía 
nuclear, etc. 
 
Los combustibles fósiles se crearon a partir de la energía solar que llegaba a la 
tierra y que mediante el efecto de la fotosíntesis se convertía en materia vegetal 
fijándose parte del carbono existente en la atmósfera. Este proceso se repitió 
durante millones de años y la energía obtenida de los mismos se terminará en tan 
solo 300 años. Las energías renovables también son efecto de la energía del Sol 
     
 
  3 
 
que es llevada a la tierra de forma natural. Pero por el contrario su extensión es 
infinita puesto que se consideran inagotables. 
 
1.2 EL SOL COMO FUENTE DE ENERGÍA. 
El sol es la única estrella del sistema solar, donde está situada la tierra junto con 
otros planetas, sin embargo, recientes teorías indican que el sistema solar puede 
ser un sistema binario. Se sabe que el sol es una esfera incandescente con un 
radio de unos 6,96 10   , y con un periodo de rotación sobre su eje de 25 a 36 
días. Si se considera como la unidad la masa de la Tierra, el Sol tiene una masa 
de 332 830 veces la de esta. En cuanto a volumen es 1 300 000 veces más 
grande. Esa masa incandescente de plasma tiene una temperatura superficial de 
aproximadamente 6 273, 15  , y la Tierra tiene una temperatura superficial media 
de 283     293  . La temperatura en el centro del Sol es de unos 15 10   
mientras que en la Tierra, la temperatura en su centro es de 5 000  . 
 
Parece ser que el Sol se formó hace unos 4,650  10   ñ y se calcula que 
desaparecerá dentro de 5  10   ñ . Es decir que su vida total se estima en algo 
menos de 1 10   ñ . Obviamente, cuando se extinga el Sol, también se 
extinguirá la vida en nuestro planeta. 
 
El Sol contiene entre el 98% y 99% de la materia del sistema solar, y es la fuente 
de calor y luz de todos los planetas de dicho sistema. El Sol ejerce una fuerza de 
atracción sobre todos los objetos del sistema solar, que giran alrededor (como la 
Tierra que tarda poca más de 365 días en dar una vuelta completa). Si la 
gravedad a la que los objetos están sujetos sobre la superficie de la tierra es de 
9.81  ⁄ , en la superficie solar la atracción gravitacional ó fuerza de gravedad es 
de 274  ⁄ . Es decir que la fuerza de gravedad en la superficie solar es 28 
veces mayor que la que existe en la Tierra. 
 
Lo que se conoce como sistema solar se encuentra dentro de un conjunto de 
estrellas que se conoce como galaxia y que se denomina “Vía Láctea” y el sistema 
solar se encuentra aproximadamente a dos terceras partes en uno de sus brazos 
en forma de espiral según las sondas “Galileo” y “Voyager 1”. 
 
La energía que la tierra recibe del sol y de todos los objetos conocidos en el 
sistema solar en forma de radiaciones compuestas por micro elementos 
energéticos recibe el nombre de fotones. Cuando los fotones interaccionan con la 
materia, le transmiten su energía según la fórmula: 
     
 
  4 
 
 
/ ………………………………………….(1.1) 
 
Donde : es la Constante de Planck. : Velocidad de la luz. :Longitud de onda. 
:es la energía que porta un fotón: 4 10   . Los panelessolares son capaces 
de absorber esta energía para producir electricidad o calor útil. 
Ya que las altas temperaturas que tienen presencia en el sol que van desde los 
1.5 10 en su centro hasta 6 10 en su superficie. Y debido a la intensa 
presión (340 000 veces superior a la presión atmosférica presente en la Tierra), es 
decir de 34,34  ., es seguro decir que con dichas condiciones se producen 
reacciones nucleares. Los protones del núcleo de hidrógeno se liberan 
fusionándose más tarde en grupos de cuatro, para formar partículas Alfa, por lo 
que la masa restante se transforma en una gran cantidad de energía. Toda esa 
energía por medio de transmisión de calor (convección) va pasando hacia la 
periferia del Sol, donde se libera en forma de calor y luz, que llega hasta nuestro 
planeta y hace la vida posible, confirmando la importancia de esta fuente 
inagotable de energía para todos. 
 
La energía generada en el centro del Sol tarda en llegar a su superficie un millón 
de años, cada segundo 7 10 de hidrógeno se convierten en helio, durante 
cada segundo, como consecuencia de lo anteriormente dicho el sol produce 
5 10  de energía pura. El Sol tiene un volumen de 1 300 000 veces más que la 
Tierra, el radio del Sol es 110 veces más largo que el de la Tierra, el Sol comenzó 
su existencia aproximadamente hace 4.6 10 años y le quedan 5 10 años de 
existencia. La temperatura en el centro del Sol es de 15 10 y en el centro de 
la tierra es de solo 5 10 , al final de la vida del Sol (dentro de unos 5 10 
años), todo el hidrógeno ya se habrá convertido en helio y, estos átomos de helio 
se fundirán dando lugar a elementos más pesados, por lo que el Sol incrementara 
su volumen, hasta tal punto que alcanzará a la Tierra y la consumirá. En ese 
momento carecerá de calor y luz y se volverá una masa inerte, terminando así la 
existencia de la vida en el sistema solar. 
 
Las capas que forman al sol son tres como se menciona a continuación: 
 
• Fotosfera. Zona tumultuosa de salida de la energía del sol hacia su 
periferia. Las manchas o depresiones negras que aparecen en el Sol están 
en la fotosfera y tienen una temperatura baja que oscila alrededor de 
4 10 . 
     
 
  5 
 
• Cromosfera. Aquí tienen lugar las erupciones y los destellos (nubes de 
hidrógeno luminosas y brillantes). Estas se originan en aquellos lugares en 
donde posteriormente de avistan las manchas solares. 
• Corona. Es la capa más exterior. A esta se le podría llamar la atmosfera 
solar, es donde aparecen las prominencias, que son enormes nubes de 
gases procedentes de las erupciones de la cromosfera. 
La tabla 1.1 indica la composición del Sol acerca de los elementos que 
contiene como hidrógeno y helio que dicho sea de paso son los elementos más 
abundantes en el sol, posteriormente aparecen elementos como el carbono, 
oxígeno, nitrógeno, etc. 
 
Tabla 1.1 Composición del Sol. 
Elemento Porcentaje presente (%) 
Hidrógeno 92,1 
Helio 7,8 
Oxígeno 0,061 
Carbono 0,030 
Nitrógeno 0,0084 
Neón 0,0076 
Hierro 0,0037 
Silicio 0,0031 
Magnesio 0,0024 
Azufre 
Otros Elementos 
0,0015 
0,0015 
 
 
1.3 APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA SOLAR 
(INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS, FOTOVOLTAICAS 
Y TERMOELÉCTRICAS). 
 
Es conocido que las plantas toman la energía del Sol, el de la atmósfera y el 
agua y las sales del suelo, para producir materia orgánica (es decir su propio 
alimento). Como se sabe la energía solar da la vida a todo el planeta Tierra. Los 
gases que se encuentran en la atmosfera terrestre retienen el 47% de la energía 
que llega hasta la superficie de la Tierra. A pesar de ello, diariamente llega a la 
corteza terrestre 0,7 10   , que es una energía de 4 000 7 000 veces 
superior a la que consume diariamente la humanidad. 
 
     
 
  6 
 
El cambio climático producido especialmente por el excesivo consumo de 
combustibles fósiles que emiten gases contaminantes como el ,     , etc. 
Implica que definitivamente es necesario sustituir el uso de esos combustibles por 
otros que sean limpios y renovables. Sin duda alguna, la energía solar es la mejor 
opción pues es limpia, renovable, inagotable y su disponibilidad es universal con la 
capacidad de satisfacer toda la demanda energética de la sociedad. 
Aunado al efecto de la radiación solar, existen otras aplicaciones de energía 
renovablespara obtener energía y que son consecuencia de la interacción de la 
energía solar. Como ejemplo se tiene la energía eólica y que mediante 
aerogeneradores (molinos de viento) se puede llegar a producir electricidad. Otro 
ejemplo son las olas y las mareas que también son producto de la energía solar. 
 
1.4 FOMENTO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES. 
Con las actuales oscilaciones del precio del petróleo y el de otros combustibles 
fósiles los gobiernos del mundo, han llegado a la conclusión de que es necesario 
fomentar la investigación y el desarrollo de tecnologías de energías renovables, 
para su explotación global en el año 2030. 
Dentro de las energías renovables las más desarrolladas hasta el momento son 
sin duda la solar fotovoltaica, la solar térmica y la energía eólica, por otra parte no 
hay que perder de vista que el viento es producto de la energía solar y el oleaje, y 
alta y baja de mareas son también producto de la energía solar, de las cuales 
actualmente también se busca obtener beneficios energéticos. 
 
1.5 EL CAMBIO CLIMÁTICO. 
Los combustibles fósiles como petróleo, carbón y gas natural utilizados de manera 
masiva en la vida cotidiana en las grandes ciudades son las responsables directas 
de los problemas del medio ambiente, principalmente por las emisiones de , 
metales pesados, azufre, ácidos, etc. Actualmente, la humanidad y los 
ecosistemas han sentido la repercusión de todos estos efectos negativos, así la 
siguiente serie de problemas son identificados: 
 
• La lluvia ácida es la combinación de la humedad del aire (sea agua o vapor 
de agua “nubes”) con los óxidos de nitrógeno ( y ) y de azufre ( ) 
emitidos por los vehículos, industrias, fabricas, calefacciones, centrales 
térmicas, etc., dando así lugar a la formación de de ácidos sulfúrico ( ) 
y nítrico ( ), que a su vez son llevados a la superficie de la tierra por 
las lluvias, causando grandes daños como la muerte de la vegetación, 
     
 
  7 
 
muerte de la vida acuática, corrosión de edificios, distribuidos viales, 
monumentos, etc. 
 
• El efecto invernadero siempre se ha presentado de forma natural, ya que el 
vapor de agua, el dióxido de carbono, el metano y otros gases presentes en 
la atmósfera, han contribuido a mantener constante la temperatura de la 
tierra en un delicado equilibrio desde la aparición de la vida en el planeta. El 
desequilibrio se presentó desde hace un siglo, cundo la actividad humana 
fomentada por la revolución industrial ha incrementado dramáticamente con 
un aporte anormal de dióxido de carbono y otros gases a la atmosfera, que 
puede conducir a un aumento gradual de la temperatura de la tierra. Este 
incremento de la temperatura de la tierra conduce a su vez al muy posible 
cambio climático, con alteraciones tales como el deshielo de las zonal 
glaciares, aumento del nivel del mar implica la desaparición de zonas 
costeras, aumento de la desertificación, destrucción de ecosistemas, lluvias 
torrenciales, tormentas más poderosas y más duraderas. 
 
 
 
 
• Por otra parte, si se considera la destrucción de la capa de ozono, cuya 
función es la de evitar que lleguen de forma directa los peligrosos rayos 
ultravioleta a la corteza terrestre. De no existir ocasionaría problemas como 
la destrucción del fitoplancton, que es la base de la cadena alimenticia en 
los océanos y de la que depende toda la vida en el mar, la aparición masiva 
de cáncer en la piel de los seres humanos, debilitamiento del sistema 
inmunológico de los animales. Por fortuna, no hace mucho se firmó un 
convenio internacional para eliminar el uso de los CFC “clorofluorocarbono” 
y sustituirlos por otros productos queno dañasen la capa de ozono, que al 
parecer ya ha dado indicios de estar en recuperación de los daños sufridos. 
 
Figura 1.1. Mapa del mundo donde se muestran las concentraciones de dióxido de carbono. 
 
     
 
  8 
 
• Por último el cambio climático se da al aumentar en la atmosfera la 
concentración de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono, 
metano, etc.. El Panel Internacional de las Naciones Unidas para el Cambio 
Climático, predice un calentamiento de la tierra de entre 1,5  y 4,5  para 
el año 2100. Mientras tanto el Protocolo de Kyoto, al que ya se han 
adherido países tan importantes como los Estados Unidos, China y la India, 
es un convenio internacional establecido para intentar limitar las emisiones 
de gases de invernadero, y evitar así el calentamiento de la Tierra”. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
La figura 1.2 explica la problemática que se tiene con las emisiones de a la 
atmosfera. Salta a la vista cómo en estos últimos 200 años se ha disparado las 
emisiones de CO2 medidas en ppm Esto se debe a dos causas fundamentales que 
son la excesiva utilización de combustibles fósiles (petróleo), aunado a las 
actividades clandestinas como la tala de árboles, que dejan de absorber y 
producir . 
 
La contaminación atmosférica provocada por la utilización masiva de combustibles 
fósiles puede que provocando el cambio climático, que se nota por una mayor 
frecuencia en la formación de huracanes tormentas y tornados de mayor magnitud 
en las zonas donde se suelen producir la formación de tormentas. Por otra parte, 
se tiene que, deshielo de zonas árticas con desestabilización de esos ecosistemas 
Figura 1.2. Presencia de dióxido de carbono (  en la atmosfera en los últimos 200 años. 
Co
nc
en
tr
ac
ió
n 
de
 
 e
n 
(p
pm
). 
Año.
Observatorio de Mauna Loa, Hawái 
Promedio Mensual de Concentración de Dióxido de Carbono. 
Datos del Programa   Scripps                       Última Actualización en Febrero de 2006 
     
 
  9 
 
(polos, tundra) Incremento en el nivel del mar (aproximadamente 0,5 m. a 2 m. en 
los primeros 50 años), con la inundación permanente de zonas costeras e incluso 
la desaparición de islas y archipiélagos hasta países enteros, lluvias torrenciales, 
incendios forestales, extensión de plagas y enfermedades hacia nuevas zonas. 
 
Otra problemática asociada al cambio climático son las sequías, con aparición de 
nuevas zonas desérticas y ampliación de las existentes, la pérdida de la capa 
orgánica en los suelos y la disminución del rendimiento de los cultivos agrícolas. 
 
Algunas de las regiones más afectadas por el cambio climático se tienen en el 
área mediterránea, donde es visto que la Península Ibérica se está transformando 
en desierto en toda la zona sur. Aún más acentuado en regiones de España como 
Almería y Murcia, en el Sureste. En la costa africana que da al mar Mediterráneo 
la desertización es fuerte o muy fuerte. De igual forma en Grecia y Turquía se 
aprecian signos graves de desertificación, destrucción de ecosistemas, 
disminución de las nevadas, grandes variaciones climáticas combinado al 
aumento de los desastres naturales, que fuerzan a movimientos migratorios de 
personas, desaparición de especies vegetales y animales, etc. 
 
1.6 INSTALACIONES QUE SE BASAN EN LA ENERGÍA 
DEL SOL. 
Existen dos tipos de aplicaciones para hacer uso de la energía solar y convertirla 
en energía útil disponible para satisfacer las demandas de la sociedad. Estas son, 
la aplicación en energía térmica y en energía fotovoltaica. A continuación se da un 
panorama de mencionadas aplicaciones: 
 
1. Instalaciones solares térmicas. Con ellas se consigue captar el calor del sol 
y emplearla para la calefacción de casas y edificios, calentamiento de agua 
para necesidades industriales y necesidades domésticas tales como 
duchas, albercas, lavabos, etc. Como es sabido, el Código Técnico de la 
Edificación, obliga a que todas las casas y edificios incluyan instalaciones 
solares térmicas. Esto es de suma importancia pues aproximadamente, el 
75 – 80% del consumo energético de una vivienda o edificio se va en la 
calefacción y el calentamiento de agua. 
 
2. Instalaciones solares fotovoltaicas. Dichas instalaciones consiguen capturar 
la energía en forma luminosa del sol y convertirla directamente en energía 
     
 
  10 
 
electrifica mediante el efecto fotovoltaico. Hoy en día es fácil hallar muy 
diversos ejemplos de su aplicación a la vida cotidiana. 
 
3. Instalaciones solares termoeléctricas. Son una combinación de las dos 
anteriores, ya que a partir de la energía recibida del sol, se puede llegar a 
obtener energía en forma de calor y en energía en forma de electricidad. 
Son estas tres aplicaciones solares las más elementales que hasta hoy en día 
continúan desarrollándose con gran cantidad de variaciones. 
 
1.7 ALTERNATIVAS DE FUENTES DE ENERGÍAS 
RENOVABLES. 
Todas las formas de vida en la tierra le deben su existencia gracias al sol, es decir, 
que casi todas las fuentes energéticas al final derivan de esa estrella. Algunas de 
esas fuentes de energías renovables son: 
 
• Energía hidráulica. 
• Energía eólica. 
• Energía geotérmica. 
• Biomasa. 
• Energía atómica (fisión nuclear). 
• Energía atómica (fusión nuclear). 
• Pilas de combustible (energía a partir del hidrógeno). 
• Sistemas de cogeneración y trigeneración. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 2 
 
Energía solar fotovoltaica, 
concentradores solares y 
sistemas de seguimiento solar 
 
 
 
 
 
 
 
     
 
  12 
 
2.1 ENERGÍA SOLAR DE ORIGEN FOTOVOLTAICO. 
La energía solar fotovoltaica tiene como característica que es obtenida mediante el 
uso de paneles solares que aprovechan la luz solar que incide en ellos y la 
convierten en corriente eléctrica. Estos paneles solares se encuentran formados 
por “células fotovoltaicas” en donde se lleva a cabo la transformación de energía 
luminosa en corriente eléctrica. En esta ocasión solo se abordaran los diversos 
materiales que existen para la formación de un panel solar, mientras que el efecto 
fotoeléctrico será abordado posteriormente y a detalle. 
 
2.2 EL SILICIO COMO MATERIAL PRINCIPAL EN UNA 
CÉLULA FOTOVOLTAICA. 
El silicio es un elemento muy abundante en la corteza terrestre y con una gran 
variedad de aplicaciones en la industria de la electrónica como en la construcción 
de microcircuitos, desafortunadamente no es posible encontrarlo como elemento 
en estado natural, pero si en unión con el oxígeno, formando oxido de silicio 
. En la naturaleza es posible hallar la cuarcita que no es más que una roca 
compuesta por el mineral del óxido de silicio en un 90% y de ahí obtener el tan 
preciado elemento, aunque claro que dicha roca se encuentra en distintos grados 
de pureza, dicho esto se comienza con el silicio tipo metalúrgico que es un 
producto con el 99% de pureza y comúnmente utilizado en aleaciones diversas, 
pero este grado de pureza no es suficiente para lo que se desea realizar. 
 
Figura 2.1. Silicio policristalino en barra.
     
 
  13 
 
Existe el silicio tipo solar que proviene de silicio de grado metalúrgico que es 
transformado a gas llamado triclorosilano mediante un proceso químico. 
Posteriormente es extraído el silicio a una temperatura muy alta con una obtención 
de silicio de altísima pureza y solo con partes por millón de impurezas al que se 
conoce con el nombre de polisilicio. 
Son diferentes tipos de silicio aquellos que actualmente se comercializan, el 
primero de ellos es el silicio monocristalino que es el mejor y más caro. La gran 
mayoría de células fotovoltaicas actuales están construidas con este tipo de silicio 
y el proceso muy resumido de fabricación es el siguiente: el silicio de purifica, se 
funde y se cristaliza en lingotes. Los lingotes obtenidos se cortan muy finamente 
para hacer las células monocristalinas de un color uniforme azul o casi negro. Sin 
embargo existe otro tipo de silicio en el mercado conocido comosilicio 
policristalino que tiene menor rendimiento que el silicio monocristalino, sin 
embargo es más barato, por lo que está ganando terreno en la industria ya que 
reduce el coste del kilovatio solar. El silicio policristalino recibe su nombre porque 
la cristalización es aleatoria, esto en lugar de hacer una cristalización uniforme y 
homogénea como ocurre en el silicio monocristalino. 
Por otro lado existe el silicio Ribbon con el cual en vez de tomar un lingote de 
silicio y cortarlo finamente como obleas, este toma el silicio fundido y lo estira, 
pero el funcionamiento con respecto a los anteriores es básicamente el mismo. 
Los anteriores tres tipos de silicio son cortados en espesores de aproximadamente 
200  . Pero también se fabrican células de película muchísimo más delgadas y 
con un costo que también cae considerablemente además de que son mucho más 
fáciles de colocar y ser utilizadas en aplicaciones más pequeñas o con menor 
consumo y tienen un espesor de solo 5  . 
El silicio amorfo es todavía más barato pero tiene menor rendimiento que el silicio 
cristalino. La célula amorfa costa de una unión p-i-n, una capa transparente de 
óxido en la parte superior, una capa de metal de contacto y reflectora, y sustrato 
final flexible. Esta capa de silicio amorfo se deposita sobre una base de acero, 
vidrio o plástico a una temperatura que va desde 200 a 300 . Estas 
temperaturas relativamente bajas hacen posible el uso de sustratos de menor 
costo. Cuando las temperaturas de deposición son muy elevadas es necesario 
utilizar sustratos de materiales más caros que resistan esas altas temperaturas. El 
silicio amorfo tiene una capacidad de absorción de la luz elevada pero la misma 
energía luminosa produce una degradación al material por lo que cuando el silicio 
     
 
  14 
 
amorfo es nuevo puede llegar a tener un rendimiento de hasta 12% 
aproximadamente. 
Finalmente el micro-silicio compuesto por células de silicio en capas muy delgadas 
de aproximadamente 5  . Con lo que de entrada tenemos una reducción de 
costo debido a lo delgado del material que justifica una menor cantidad de silicio y 
mejora los rendimientos pero tal vez su mayor beneficio es que se degrada poco 
con la luz por lo que dura más y necesita menos mantenimiento. 
 
 
 
2.3 CONVERSIÓN DE ENERGÍA SOLAR EN 
ELECTRICIDAD. 
 
La transformación directa de la energía solar en energía eléctrica se debe a la 
interacción de la radiación luminosa con los electrones en los materiales 
semiconductores, el cual es un fenómeno comúnmente conocido como efecto 
fotovoltaico. En las siguientes secciones se darán los fundamentos teóricos del 
efecto fotovoltaico, las células fotovoltaicas, fabricación de las células 
fotovoltaicas, módulos o paneles fotovoltaicos y curvas características. 
 
 
Figura 2.2. Paneles solares construidos con los diferentes tipos de silicio. 
     
 
  15 
 
 2.4 FENÓMENO FOTOVOLTAICO. 
 
El efecto fotovoltaico o fotoeléctrico consiste en la conversión de la luz en 
electricidad. Este proceso se consigue con algunos materiales que tienen la 
propiedad de absorber fotones y emitir electrones. Cuando los electrones libres 
son capturados, se produce una corriente eléctrica que puede ser utilizada como 
electricidad. De ahí es necesario introducir algunos conceptos básicos y comenzar 
por recordar que la materia está construida por átomos, que tienen dos partes bien 
diferenciadas: Núcleo de carga eléctrica positiva y electrones con carga eléctrica 
negativa. 
 
 
 
 
A los electrones en la última capa son nombrados como electrones de valencia, y 
se interrelacionan con otros similares formando una red cristalina. 
 
 
 
 
 
Eléctricamente hablando, existen tres tipos de materiales: 
 
Conductores.- Los electrones de valencia están poco ligados al núcleo y 
pueden moverse con facilidad dentro de la red cristalina con un pequeño 
agente externo lo que permite formar enlaces. 
 
Figura 2.3. Electrones giran alrededor del núcleo en distintas bandas de energía. 
Figura 2.4. Enlace entre núcleos de silicio mediante un enlace aparentemente neutro. 
     
 
  16 
 
Semiconductores.- Los electrones de valencia están más ligados al núcleo 
pero afortunadamente basta de una pequeña cantidad de energía para que 
se comporten como conductores. 
 
Aislantes.- Tienen una configuración muy estable, con los electrones de 
valencia muy ligados al núcleo; la energía necesaria para separarlos de 
éste es muy grande. 
 
Los materiales utilizados en las células fotovoltaicas son los semiconductores. Por 
lo cual a continuación se da una descripción de su comportamiento en el efecto 
fotoeléctrico. 
 
 
2.5 MATERIALES SEMICONDUCTORES. 
 
La energía que liga a los electrones de valencia con su núcleo es similar a la 
energía de los fotones. Cuando la luz solar incide sobre el material 
semiconductor, se rompen los enlaces entre núcleo y los electrones de valencia, 
quedando estos últimos libres para circular por el material. 
 
Al lugar que deja el electrón al desplazarse se le llama hueco y tiene carga 
eléctrica positiva y cuya magnitud es el mismo valor que la del electrón. 
 
 
 
 
 
Los electrones libres y los huecos creados debido a la incidencia de la radiación 
tienden a recombinarse perdiendo así su actividad nulificando el efecto que se 
desea aprovechar. Por tanto, para que esto no ocurra y poder aprovechar esta 
libertad de los electrones, hay que crear en el interior del semiconductor un campo 
eléctrico. 
Figura 2.5. Radiación que actúa para producir una inestabilidad en última línea de valencia. 
     
 
  17 
 
 
 
 
 
Para crear un campo eléctrico en este tipo de semiconductores se unen dos 
regiones de silicio tratadas químicamente. A esta unión se le da el nombre de 
unión “p-n”. 
 
 
 
 
 
Para conseguir un semiconductor de silicio tipo “n”, se sustituyen algunos átomos 
del silicio por átomos de fósforo, que tienen cinco electrones de valencia. 
 
Como se necesitan cuatro electrones para formar los enlaces con los átomos 
contiguos, queda un electrón libre. 
 
De forma análoga, si se sustituyen átomos de silicio por átomos de boro que 
tienen tres electrones de valencia, se consigue un semiconductor tipo “p”. Al igual 
que el caso anterior, al formar los enlaces, falta un electrón, o dicho de otra forma, 
hay un hueco disponible. Para conseguir una unión “p-n” se pone en contacto una 
superficie de semiconductor tipo “n” con la del semiconductor tipo “p”. 
 
 
Figura 2.6.  Átomo de silicio, que tiene cuatro electrones de valencia. 
Figura 2.7. Electrón libre entre un átomo de Fosforo y un átomo de Silicio. 
     
 
  18 
 
Figura 2.9. Disponibilidad de electrones entre un material tipo n y un material tipo p. 
 
 
 
 
Los electrones libres del material tipo “n” tienden a ocupar los huecos del material 
tipo “p” y viceversa, creándose así un campo eléctrico que se hace cada vez más 
intenso a medida que los electrones y los huecos continúan difundiéndose hacia 
lados opuestos. El proceso continua hasta que ya no se puede intercambiar más 
electrones y huecos, consiguiéndose un campo eléctrico permanente sin la ayuda 
de campos eléctricos externos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Si tipo n Si tipo p
HuecoElectrón
Figura 2.8. Hueco producido por la ausencia de un electrón. 
     
 
  19 
 
 
 
 
 
Para que se produzca el efecto fotovoltaico, es decir, para que se produzca una 
corriente eléctrica cuando incide energía radiante sobre el material semiconductor, 
es necesario que los fotones tengan una energía mayor que un valor mínimo 
determinado, que se denomina ancho de banda prohibida ( ). A este valor 
mínimo también se le denomina “gap” de energía y sus unidades en el sistema se 
suelen expresar en electrón-volts (eV). 
 
1 eV  electron volt  1,602   10 J 
 
La energía que se aprovecha de cada fotón es la . Si los materiales utilizados en 
la fabricación de las células fotovoltaicas tienen una muy pequeña, se 
aprovecharía mucha energía. Por elcontrario. Sí la es muy grande, las células 
se mostraran transparentes a la mayoría de los fotones incidentes ya que el 
espectro de la luz solar se distribuye sobre un rango de longitudes de onda que va 
desde 0,35  hasta algo más de 3  . El valor óptimo de está en torno a 
1,5  . 
 
2.6 PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 
 
Los paneles solares también son conocidos como módulos o celdas fotovoltaicas. 
Estos paneles son consecuencia de la baja intensidad de corriente que puede 
Campo eléctrico de la unión
Figura 2.10. Saltos de electrones entre dos materiales creando un campo eléctrico. 
     
 
  20 
 
generar una célula fotovoltaica y por lo tanto resulta necesario unir un número 
importante de ellas en serie para poder alcanzar cierto voltaje. En pocas palabras 
los paneles solares son la unión de células fotovoltaicas en serie y encapsuladas 
para protegerlas con plástico transparente en muchos casos, con un marco de 
metal para su delimitación y montaje. Los paneles solares son la base de un 
sistema de generación eléctrica a partir de la energía solar. 
 
Para los paneles solares su armazón debe ser tanto resistente como ligero y 
generalmente son construidos de aluminio y resinas para hacerlos herméticos. Los 
paneles solares fotovoltaicos deben preferentemente orientados hacia el sol según 
la hora del día, el mes del año, y el lugar geográfico, eso sí existe un sistema de 
seguimiento que lo guie. Estos paneles deben ser instalados en lugares en donde 
no haya sombras que los imposibiliten de captar la radiación solar, 
desafortunadamente no siempre es posible que todos los paneles solares tengan 
un sistema de seguimiento, por tanto los rayos solares no inciden en la superficie 
del panel en forma perpendicular sino con un ángulo de inclinación. 
 
Hoy en día existen diferentes tipos de instalaciones solares fotovoltaicas como son 
las instalaciones solares fotovoltaicas aisladas que son las que se construyen para 
servir un suministro mínimo de energía eléctrica a casas o instalaciones remotas 
en donde la red de distribución eléctrica se encuentra incapacitada para llegar o 
en lugares donde no existan plantas generadoras ni redes de energía. Estas 
instalaciones pueden ser utilizadas en lugares en donde resulta poco económico 
extender un cable que llegue hasta la red eléctrica. Por otro parte, se tienen las 
instalaciones solares fotovoltaicas interconectadas a la red eléctrica esto se refiere 
a que la instalación está cerca de una red de distribución de energía eléctrica por 
lo que la electricidad generada se puede vender a la red. 
 
También existen las centrales solares fotovoltaicas y se les conoce comúnmente 
como “huertos solares”. Así como las casas que tienen paneles solares para 
satisfacer sus necesidades de energía eléctrica y que en días soleados 
sobrepasan la energía generada distribuyéndola a la red de energía, existen 
aglomeraciones de paneles solares con el fin de producir electricidad en grandes 
cantidades y así poder obtener un beneficio económico al comercializar la energía 
generada. 
     
 
  21 
 
 
 
 
 
2.7 COMPONENTES DE INSTALACIONES SOLARES 
FOTOVOLTAICAS. 
 
Algunos de los diversos equipos que componen una instalación fotovoltaica serán 
mencionados a continuación, haciendo hincapié solo en los componentes más 
importantes, cabe mencionar que estos equipos son indispensables para 
incrementar la eficiencia del sistema. 
 
El primero de estos equipos son los paneles fotovoltaicos, ya que son aquellos en 
que la luz incide y por tanto son los encargados de transformar la energía 
luminosa en energía eléctrica mediante el efecto voltaico, posteriormente se tiene 
un regulador de carga, el cual como su nombre lo dice es el encargado de regular 
la carga, es decir controlar el paso de la electricidad desde los paneles 
fotovoltaicos hasta los puntos de consumo o a una batería, esto incrementa 
considerablemente la vida útil al sistema. Resulta prudente tener en cuenta que 
las instalaciones solares fotovoltaicas y las baterías, se encuentran continuamente 
sometidas a ciclos de carga y descarga, todo esto provoca graves daños a la 
instalación, y es por ello que resulta tan importante la utilización de un regulador 
de corriente a fin de disminuir los daños en la instalación. El regular la tensión 
como el voltaje y la intensidad de corriente son solo dos de las funciones de un 
regulador, ya que también es capaz de indicar el proceso de carga de la batería, 
indicación de batería cargada totalmente y protección contra carga excesiva. 
También cuenta con sensores de temperatura para que la carga se lleve a cabo 
de forma correcta. 
 
Figura 2.11. Planta de energía solar fotovoltaica de Base de la Fuerza Aérea de Nellis, Nevada USA. 
 
     
 
  22 
 
Por otro lado se tienen las baterías especiales ya que como se ha mencionado 
anteriormente se encuentran sometidos a continuos cambios de ciclos de carga, 
estas batería especiales ofrecen más resistencia a estos cambios abruptos. Otro 
importante equipo es el inversor comúnmente conocido como convertidor, el cual 
es utilizado para convertir la corriente continua de 12  . Por decir algo a corriente 
alterna de 230  . Se tiene que tener en cuenta que hoy en día la gran mayoría de 
aparatos eléctricos específicamente electrodomésticos funcionan con corriente 
alterna. También es función de los inversores proporcionar protección contra 
sobrecargas del sistema, lecturas elevadas de temperatura, batería baja e inversor 
de polaridad. 
 
 
 
 
 
Finalmente se tienen sistemas de seguimiento solar, los cuales tienen un papel 
fundamental en el desempeño de una instalación solar fotovoltaica ya que 
incrementa considerablemente el tiempo efectivo de colección de rayos solares. 
Figura 2.12. Instalación solar fotovoltaica, componentes principales. 
     
 
  23 
 
Para aprovechar al máximo la radiación solar durante la mayor parte del día se 
cuenta con sistemas de seguimiento mecánico e hidráulico. 
 
 
 
 
 
 
 
2.8 SISTEMAS DE CONCENTRACIÓN FOTOVOLTAICOS. 
 
Hasta el momento solo han sido mencionados los sistemas solares fotovoltaicos 
compuestos por paneles solares. Para el caso de sistemas de concentración 
fotovoltaicos se utiliza un campo de lentes; los cuales son bastante más baratos 
que los paneles solares; y concentran la luz solar en un punto o línea llamados 
receptor o línea receptora. 
 
Esto abre nuevos caminos en el campo de la energía solar ya que al concentrar 
toda la luz en un área más reducida como resultado se obtiene una mayor 
temperatura y radiación solar en dicha área de concentración. Es tal el incremento 
en la energía disponible en ese punto que incluso se habla de aplicaciones 
industriales como la fundición de metales. 
Los espejos representan dos características muy importantes y una es que el 
costo de un espejo es más bajo que el de los paneles solares y la otra es el costo 
de mantenimiento es más barato. Así como también existen lentes capaces de 
concentrar la luz de la misma forma que lo hace una lupa y enfocar esa luz hacia 
Figura 2.13. Sistema de seguimiento solar instalado en Vilalba (Lugo), con un área de 345  . 
     
 
  24 
 
un receptor determinado. Cabe mencionar que la cantidad de silicio utilizada en 
estos sistemas es mucho menor. 
 
 
 
 
 
Algunas de las características generales de los sistemas fotovoltaicos de 
concentración son el mayor rendimiento que el de los paneles solares, como solo 
se aprovecha la radiación solar directa por lo que debe ser instalada en zonas muy 
soleadas, el módulo fotovoltaico donde se encuentran las radiaciones solares 
procedentes de las lentes, es mucho muy pequeño en comparación con los 
paneles fotovoltaicos, de hasta 400 veces más pequeños y son equivalentes en 
producción de energía eléctrica. 
 
2.9 INSTALACIONES SOLARES TERMOELÉCTRICAS. 
 
La energía solar también se aplica para obtener calor, que sirve para la 
calefacción, para obtener agua caliente, etc. Todo esto ha sidomencionado 
anteriormente pero al igual que con los paneles solares, es posible obtener 
energía eléctrica a partir del calor del sol. Hoy en día existen instalaciones solares 
en las que se utiliza la energía del sol para producir calor con las que se han 
llegado a obtener temperaturas de 200 a 1000 . Este calor producido no se 
emplea en calefacción ni para calentar agua sino que se transforma en vapor a 
alta presión y altas temperaturas mediante un fluido termoeléctrico y ese vapor es 
empleado para producir electricidad. 
 
Figura 2.14. Lente de Fresnel el cual concentra la luz con pequeñas pérdidas de radiación. 
     
 
  25 
 
Existen dos tecnologías de concentración solar, la primera es el sistema lineal de 
concentración en la que los rayos solares son concentrados sobre un tubo recto 
mediante un concentrado de canal parabólico como se muestra en la figura 2.15 y 
por donde circula un fluido como aceite térmico, el cual alcanzara altas 
temperaturas. 
 
 
 
 
 
Con el mismo principio se encuentra un sistema puntual de concentración en el 
cual incide los rayos solares y se concentran en un solo punto o en un área muy 
pequeña, por lo que es fácil de imaginar que las temperaturas alcanzadas son 
formidablemente más altas. 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.15. Canal parabólico compuesto de espejos con foco alargado y apuntando hacia el tubo focal. 
Figura 2.16. Concentrador solar de disco parabólico con  sistema de seguimiento en dos ejes y con 
cubierta de Maylar reflectante de aproximadamente 70%. 
     
 
  26 
 
Los componentes del concentrador solar de disco parabólico de la figura 2.16 se 
observan en la figura 2.17 y se describen en la tabla 2.1. 
 
 
 
Cabe mencionar que las instalaciones que utilizan concentradores solares poseen 
sistemas de seguimiento que pueden ser mecánicos o hidráulicos, y que además 
con alta frecuencia se encuentran provistos con un sensor fotosensible que envía 
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
Figura 2.17. Componentes del Concentrador  Solar de Disco Parabólico.
     
 
  27 
 
señales puntuales a un servomotor que produce el movimiento del colector o 
concentrador, esto es para que la luz reflectada sea apuntada a un objetivo 
predeterminado como puede ser un área reducida o una línea que en el caso de 
los concentradores solares de disco parabólico y en los canales de concentración 
parabólicos. 
Tabla 2.1 Componentes del Concentrador Solar. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
No. De 
Elemento 
 
Nombre Descripción y Función 
1 Elemento Absorbedor Es un disco de acero con un orificio para colocar un termopar. 
2 Disco Reflector Superficie suave que refleja luz solar hacia el elemento absorbedor. 
3 Caja de Engranes para Elevación Permite que el concentrador realice movimientos de elevación. 
4 Soportes de Ejes Vertical y Horizontal 
Sujeta y permite movimientos firmes a 
los ejes vertical y horizontal. 
5 Eje de Rotación Horizontal Realiza el movimiento de elevación del concentrador solar. 
6 Eje de Rotación Vertical Realiza el movimiento de acimut del concentrador solar. 
7 Motor de Cajas de Engranes 
Alimenta con un impulso mecánico a 
las cajas de engranes horizontal y 
acimut. 
8 Caja de Engranes para Acimut Permite que el concentrador realice el movimiento de acimut. 
9 Base del Concentrador Solar 
Sostiene el sistema de seguimiento 
solar y el disco parabólico del 
concentrador. 
Figura 2.18. Movimiento que realiza un canal parabólico de concentración a lo largo del día. 
     
 
  28 
 
2.10 APLICACIÓN DE CONCENTRADORES SOLARES A 
MOTOR STIRLING. 
 
Las tecnologías de concentración solar también se emplean en combinación con 
un motor Stirling, y que en conjunto con un generador eléctrico se puede utilizar 
para aprovechar la energía solar en forma de electricidad. 
El motor Stirling fue concebido por Robert Stirling en 1816, un hombre de origen 
escocés, dicho motor tiene la característica de tener un rendimiento aceptable en 
la trasformación de energía eléctrica a energía mecánica, posteriormente esta 
energía mecánica puede transformarse en energía eléctrica. La energía que el 
motor Stirling requiere para comenzar su funcionamiento puede ser obtenida del 
sol con ayuda de un concentrador solar de disco parabólico. 
El concentrador solar de disco parabólico debe llevar espejos u otro material 
reflector para concentrar la mayor cantidad de luz en un solo punto, mientras tanto 
el receptor de toda esa energía es una cavidad, en la cual inciden los rayos 
concentrados del sol, en el interior de dicha cavidad existe un termo fluido capaz 
de llegar hasta los 750 antes de evaporarse. Para finalizar aparece el motor 
Stirling el cual es un dispositivo al que se le hace llegar el termo fluido ya caliente 
a fin de llevar la energía suficiente para su funcionamiento y el motor es conectado 
a un generador eléctrico. De modo que el motor Stirling actúa como una 
microturbina, con la diferencia de que no se está calentando agua para evaporarla. 
Es importante señalar la importancia del tamaño del concentrador solar debido a 
que de ser muy grande, fácilmente puede exceder la demanda de energía del 
motor o el intervalo de temperatura tolerable para el termo fluido y dañar así el 
motor y por consiguiente el sistema de generación de electricidad. 
 
 
 
 
 
Figura 2.19. Motor Stirling alimentado por un concentrador solar PDR. 
     
 
  29 
 
 
 
 
2.11 CONCENTRACIÓN SOLAR MEDIANTE TORRES. 
 
El funcionamiento de este sistema es relativamente sencillo puesto que es como 
los discos de concentración, los canales parabólicos e incluso los lentes de 
Fresnel con el objetivo de concentrar la luz hacia un punto; en este caso una torre 
de concentración la cual se encuentra situada por encima de decenas o incluso 
cientos de espejos reflectores. Este método para concentrar la luz se puede 
describir como en gran concentrador formado por múltiples concentradores 
pequeños, esto produce en un momento determinado una mucho mayor cantidad 
de energía tanto térmica como luminosa al ser mayor la cantidad de luz 
concentrada en cierto punto, por consiguiente las temperaturas alcanzadas son 
muchísimo más grandes y por tanto la disponibilidad del sistema es más grande, 
de modo que se puede decir que son plantas generadores de energía eléctrica a 
gran escala, capaces de abastecer las necesidades energéticas de una 
comunidad o de una industria, claro que el sistema de seguimiento tiene que ser 
más grande y preciso a fin de mantener siempre un enfoque optimo hacia la torre 
de concentración. 
 
Figura 2.20. Motor Stirling. 
 
     
 
  30 
 
 
 
 
 
2.12 ELEMENTOS DEL SISTEMA DE CONCENTRACIÓN 
SOLAR DESARROLLADO EN EL LABINTHAP. 
 
El primer equipo que entra en contacto con la radiación solar es el reflector que se 
encarga de concentrar los rayos solares, es en el en donde inciden de forma 
directa la luz proveniente del sol que es concentrada sobre un área reducida o 
línea de concentración. Resulta fundamental que su superficie se encuentre 
siempre limpia y que no contenga raspaduras, golpes y abolladuras, Normalmente 
son construidos de vidrio o plástico que en el caso particular del concentrador 
solar de disco parabólico mostrado en la figura 2.17 y que es utilizado en el 
presente trabajo el disco se encuentra cubierto en su superficie cóncava con una 
delgada película de Maylar reflectante. 
 
Posteriormente se tiene un receptor que en un concentrador solar de disco 
parabólico esta hecho comúnmente de algún metal con un termopar en su centro 
el cual sea capaz de proporcionar la temperatura puntual para proporcionar un 
registro y conocer la posible aplicación, se han realizado diversos experimentos 
con el receptor colocando una célula fotovoltaica de eficiencia alta a fin de 
aprovechar la luz concentrada pero cuando la luz concentrada es demasiada 
provoca que la célula se funda o se queme debido a que las temperaturas se 
encuentran muy por encimade la tolerancia de los materiales del cual se 
encuentra construido el dispositivo de transformación de energía. Sin embargo en 
un concentrador solar de canal parabólico se puede aprovechar la energía de 
modo distinto ya que su línea de concentración se encuentra formada por dos 
tubos concéntricos entre los cuales se ha hecho el vacío, con lo que se reducen 
las pérdidas de calor. El tubo exterior y el tubo inferior que es por donde circula el 
Figura 2.21. La central térmica solar PS10, de 11 MW, produce electricidad a partir del Sol. 
     
 
  31 
 
termo fluido están construidos de metal. Dependiendo la temperatura de trabajo 
pueden ser requeridos fluidos con propiedades distintas, como ejemplo para 
trabajar con temperaturas debajo de los 200 se utiliza agua desmineralizada con 
etileno-glicol para disminuir su punto de congelación. En cambio si la temperatura 
se encuentra en el intervalo de 200 a los 400 , es utilizado un aceite sintético. 
Los más recientes sistemas de concentración solar añaden tubos que son 
resistentes a altas presiones y con esto es posible obtener vapor a presión 
directamente. 
 
En muchos casos el fluido calo portador está fabricado a base de una solución 
salina, ya que las sales tienen la propiedad de absorber y retener el calor de un 
modo que resulta por demás conveniente para dicho propósito. 
 
Posteriormente el sistema de seguimiento que en algunos casos posee un sensor 
térmico conectado a un servomotor, el cual envía señales provocando así que el 
servomotor sea orientado en la posición ideal, la cual suele ser en posición 
perpendicular al sol tomando al sol y al vértice concurrentes en la misma línea 
llamada eje mayor o eje vertical de la parábola en geometría analítica de dos 
dimensiones. En otros casos la forma en que un sistema de seguimiento realiza su 
trabajo, es mediante un sistema de control pre programado a efectos de localizar 
las coordenadas del sol y con ello posicionarse en forma perpendicular todo el 
tiempo para que así en caso de nubosidades no permanezca desalineado. 
 
Para finalizar la estructura del sistema suele ser metálica, con una base fija, con 2 
cajas de engranajes en un sistema mecánico con el cual permitan la movilidad de 
los dos ejes que hacen posible el seguimiento del sol a lo largo del día durante 
todo el año. Comúnmente el lugar donde el colocada la instalación es en un lugar 
con un piso sólido, en el cual se pueda colocar la base sobre una superficie plana 
y liza para no afectar al sistema de seguimiento, esto en caso de que el sistema 
de seguimiento sea con coordenadas pre programadas. Cabe mencionar la gran 
importancia de la precisión de dichos sistemas de seguimiento ya de no tener 
dicha precisión, la energía no puede ser aprovechada porque los rayos solares no 
inciden en forma concentrada al foco y por tanto el aprovechamiento de la energía 
luminosa y térmica resulta cero, esto puede corregirse mediante el continuo 
monitoreo de la instalación, sin embargo resulta poco factible permanecer en 
continuo monitoreo, además de que es más practico disponer siempre de un 
sistema automático que ahorre dicha tarea. Otro aspecto importante es la 
resistencia de los materiales del cual está construido el sistema, debido a que el 
sistema se encuentra permanentemente expuesto a las inclemencias del tiempo y 
     
 
  32 
 
esto puede provocar daños en múltiplos dispositivos como la corrosión, la 
oxidación, la erosión e incluso la acumulación de partículas de polvo en la caja de 
engranajes o agua en el sistema de automatización pueden dejar al sistema 
inhabilitado para su funcionamiento, procediendo así la reparación. 
 
El mantenimiento es un aspecto muy importante en todas las instalaciones hechas 
por el hombre, en cambio la industria en muchas ocasiones no parece darle la 
debida importancia ya que incrementa los costos considerablemente, pero para 
fines como en los dispositivos aquí mencionados, el mantenimiento solo es 
preventivo, lo que hace reducir costos ya que es resulta mucho más barato 
prevenir que reparar, además de que es más sencillo y cualquier persona lo puede 
ejecutar, volviendo al caso del concentrador solar de disco parabólico, únicamente 
es necesario realizar una limpieza rutinaria en el disco reflector por lo menos una 
vez a la semana. Mientras que los demás componentes solo tienen que ser 
aislados de la lluvia y el sol mediante diferentes técnicas que también resultan 
fáciles de realizar, como colocar una funda contra la lluvia y aceitar en forma 
cotidiana de aproximadamente una vez al mes todos los caminos de rodaduras, 
engranajes, bujes o chumaceras para evitar fricciones entre metales de forma 
directa, claro que esto puede variar considerablemente debido al lugar en donde 
se encuentre colocada dicha instalación porque son distintos factores como el frio 
de una montaña a la corrosión y humedad de una playa o el calor extremo de un 
desierto. 
 
2.13 RADIACIÓN SOLAR EN MÉXICO. 
 
A lo largo del territorio nacional existe una gran incidencia de energía solar con la 
cual es posible trabajar para la generación de energía eléctrica mediante los 
sistemas antes mencionados. Como ya se ha mencionado con anterioridad se 
puede aplicar estas nuevas tecnologías limpias y renovables a estados como 
Chihuahua, Sonora, Baja California Norte, Baja California Sur, Coahuila, Sinaloa, 
Durango, Zacatecas y Oaxaca principalmente, debido a que son las regiones con 
mayor incidencia de energía solar en toda la república. Los estado mencionados, 
principalmente los del norte de la república tienen la característica de ser también 
zonas muy áridas lo cual hace suponer que la incidencia de la radiación solar será 
permanente durante mucho tiempo, muy posiblemente en lugares así sería factible 
utilizar métodos como el mencionado en la sección 2.12 el cual tiene como 
requerimiento todas las características necesarias para la colocación de dichos 
dispositivos. Otra característica que resulta conveniente es que en estos lugares 
     
 
  33 
 
se puede aprovechar la producción de aire acondicionado a partir del calor tal y 
como se mencionó en la sección 2.8 y 2.9. 
Las principales ventajas de la energía solar es que no necesitan grandes 
espacios, no dañan en forma significativa el entorno ni afectan la vida silvestre, 
esto si consideramos que la producción de un panel solar puede contaminar o la 
producción de un concentrador solar genera desechos indeseables, es realmente 
grande la diferencia comparado con los métodos de generación de energía 
eléctrica convencionales. 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.22. Mapa que muestra la irradiación solar en la República Mexicana. 
 
     
 
  34 
 
2.14 ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO. 
El espectro electromagnético es el rango de todas las radiaciones 
electromagnéticas posibles. El espectro de un objeto es la distribución 
característica de la radiación electromagnética de ese objeto. Se extiende desde 
las bajas frecuencias usadas para la radio moderna (extremo de la onda larga) 
hasta los rayos gamma (extremo de la onda corta), que cubren longitudes de onda 
de entre miles de kilómetros y la fracción del tamaño de un átomo. Se piensa que 
el límite de la longitud de onda corta está en las cercanías de la longitud Planck, 
mientras que el límite de la longitud de onda larga es el tamaño del universo 
mismo, aunque en principio el espectro sea infinito y continuo. 
 
 
 
 
2.15 FLUJO DE CALOR POR RADIACIÓN. 
La transferencia de calor en una interface gas-superficie incluye la radiación 
emitida por la superficie y puede también incluir la absorción de la radiación 
incidente del medio circundante (irradiación, “ ”), como en la convección (si y solo 
si ). Por otra parte un cuerpo negro es aquel que emite radiación en todas 
las longitudes de onda y recibe de igual forma como se muestra en la figura 2.24: 
Figura 2.23. Múltiples frecuencias del espectro electromagnético solar. 
     
 
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