Tesis-Franklin-U-ParAís-H

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INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES 
DE MONTERREY 
CAMPUS MONTERREY 
DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA 
PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA 
 
 
 
 
COLECTORES SOLARES DE PLACA PLANA: ANÁLISIS Y MÉTODOS DE 
PRUEBA. 
 
 
TESIS 
PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO 
ACADÉMICO DE: 
 
 
MAESTRO EN CIENCIAS CON 
ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA ENERGÉTICA 
 
 
POR: 
FRANKLIN URIEL PARÁS HERNÁNDEZ 
 
MONTERREY, N.L. MAYO DE 2011 
 
 
 DEDICATORIA Y AGRADECIMIENTOS. 
 Dedico este trabajo a mis padres con todo mi cariño y amor, y al mismo tiempo les agradezco el 
haberme brindado su apoyo incondicional, no solo durante estos tres años de mi vida, si no desde 
el comienzo de mi formación como profesionista. 
 
 Agradezco de manera muy especial al doctor Alejandro García Cuéllar por haber confiado en 
mí desde el inicio de este proceso, y brindarme su apoyo durante estos tres años de mi vida. A 
mis profesores, en especial al doctor Carlos Iván Rivera quien igualmente siempre me dio todo su 
apoyo y también fue guía muy de cerca en mi aprendizaje. 
 Agradezco también a mis compañeros y amigos de la maestría por haber hecho de estos tres 
años un tiempo enriquecedor y de mucho crecimiento personal. A mi novia Rosanna por haberme 
acompañado muy de cerca en este proceso, y por su cariño y comprensión. 
 
 También agradezco de forma muy especial a los ingenieros Felix de los Santos y Claudio Patin 
por haberme brindado su ayuda y tiempo para que este proyecto saliera adelante. A Jorge Ramos 
y Maximino Beltrán por ofrecerme siempre su tiempo y ayuda en la Casa Solar. Por último, pero 
no por eso menos importante, agradezco mucho a Dios por haberme brindado la oportunidad de 
vivir la experiencia de hacer una maestría dentro de esta universidad. 
 TABLA DE CONTENIDO 
RESUMEN ........................................................................................................................................................................... 11 
NOMENCLATURA ............................................................................................................................................................ 13 
FIGURAS .............................................................................................................................................................................. 19 
TABLAS ................................................................................................................................................................................ 25 
CAPITULO I: INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................................... 27 
1.1. Objetivo ................................................................................................................................................................. 28 
1.2. Metodología ......................................................................................................................................................... 29 
1.3. La escala cósmica ............................................................................................................................................... 30 
1.4. Sistema solar interior ....................................................................................................................................... 31 
1.5. Energía en el planeta Tierra ........................................................................................................................... 34 
1.5.1. Fuentes alternas de energía ............................................................................................................... 34 
1.5.1.1. Energía nuclear ..................................................................................................................... 36 
1.5.1.2. Fuentes de renovables ........................................................................................................ 37 
1.6. Cambio climático ................................................................................................................................................ 41 
1.6.1. El calentamiento global ........................................................................................................................ 43 
1.6.2. Emisiones de CO2 a la atmosfera ...................................................................................................... 44 
CAPITULO II: ANTECEDENTES Y FUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Y ENERGÍA 
SOLAR ............................................................................................................................................................... 47 
2.1. Panorama de la energía solar ........................................................................................................................ 47 
2.2. Transferencia de calor por convección internar ..................................................................................... 48 
2.3. Principios de la transferencia de calor por radiación ........................................................................... 51 
2.3.1. Emisión de la radiación térmica ....................................................................................................... 52 
2.3.2. Propiedades ópticas de la radiación térmica ............................................................................... 53 
2.3.2.1. Emitancia ................................................................................................................................. 54 
2.3.2.2. Absortancia ............................................................................................................................. 54 
2.3.2.3. Reflectancia ............................................................................................................................ 54 
2.3.2.4. Transmitancia ........................................................................................................................ 54 
2.3.3. Transferencia de calor por radiación entre superficies ........................................................... 55 
2.3.3.1. El factor de forma ................................................................................................................. 56 
2.3.3.2. Resistencias térmicas de transferencia de calor por radiación ........................... 57 
2.3.3.3. Coeficiente de transferencia de calor por radiación ................................................ 58 
2.4. El Sol ....................................................................................................................................................................... 59 
2.4.1. Proceso de fusión nuclear ................................................................................................................... 61 
2.4.2. La estructura del Sol ............................................................................................................................. 62 
2.5. Principios de la radiación solar ..................................................................................................................... 65 
2.5.1. Radiación solar extraterrestre .......................................................................................................... 65 
2.5.1.1. La constante solar ................................................................................................................ 67 
2.5.2. Radiación solar atmosférica ............................................................................................................... 67 
2.5.2.1. Dispersión ............................................................................................................................... 68 
2.5.2.2. Definiciones ............................................................................................................................ 70 
2.4.3.Radiación solar disponible ................................................................................................................. 72 
2.6. Medición de la radiación solar ...................................................................................................................... 73 
2.6.1. Piranómetro ............................................................................................................................................. 74 
2.6.2. Pirheliómetro .......................................................................................................................................... 78 
2.7. Geometría solar .................................................................................................................................................. 79 
2.7.1. Definiciones geométricas .................................................................................................................... 79 
2.7.2. Relaciones geométricas ....................................................................................................................... 81 
2.8. Tipos de tecnologías de colectores solares ............................................................................................... 85 
2.8.1. Colector de placa plana ........................................................................................................................ 85 
2.8.1.1. Colector formado por una placa de absorción y un conducto de cobre ............ 86 
2.8.1.2. Colector formado por una placa de absorción sin conductos ............................... 88 
2.8.2. Colector solar de tubo de vidrio al vacio ....................................................................................... 89 
2.8.2.1. Colector del tipo water–in–glass ..................................................................................... 90 
2.8.2.2. Colector con heat pipe ........................................................................................................ 91 
2.8.3. Colector solar de plástico para calefacción de albercas ........................................................... 91 
CAPITULO III: TRABAJO PREVIO ................................................................................................................................ 93 
3.1. Pruebas de incremento de temperatura en calentadores de agua solares ..................................... 94 
3.2. Evaluación del rendimiento térmico de un colector solar de placa plana GreenOneTec .......... 99 
3.2.1. Tesis: desarrollo de un sistema para evaluar el desempeño térmico de colectores 
solares para calentar agua para uso residencial y en edificios ....................................................... 100 
3.3. Pruebas de colectores solares en la Universidad de Wisconsin ...................................................... 103 
3.3.1. Reporte 1 ................................................................................................................................................ 103 
3.3.2. Reporte 2 ................................................................................................................................................ 105 
3.3.3. Reporte 3 ................................................................................................................................................ 105 
3.3.4. Reporte 4 ................................................................................................................................................ 106 
3.3.5. Reporte 5 ................................................................................................................................................ 108 
3.3.6. Reporte 6 ................................................................................................................................................ 110 
3.4. Modelo analítico para calcular el rendimiento térmico de un colector solar de placa plana 110 
3.4.1. Resultados obtenidos ........................................................................................................................ 111 
CAPITULO IV: MARCO TEORICO ............................................................................................................................. 115 
4.1. Modelo del colector solar de placa plana................................................................................................ 115 
 4.1.1. Coeficiente global pérdidas del colector ..................................................................................... 118 
4.1.1.1. Coeficiente global de transferencia de calor por la parte superior ................. 120 
4.1.1.2. Coeficiente global de transferencia hacia el fondo del colector ........................ 128 
4.1.1.3. Coeficiente global de transferencia hacia los lados del colector ...................... 128 
4.1.2. Propiedades ópticas de la cubierta y sistemas de cubiertas ................................................ 129 
 4.1.2.1. Absorción ............................................................................................................................. 131 
4.1.2.2. Sistema de la cubierta ...................................................................................................... 132 
4.1.2.3. Producto transmitancia–absortancia (𝝉𝜶) .............................................................. 133 
4.1.2.4. Producto transmitancia–absortancia efectivo (𝝉𝜶)𝒆 ........................................... 136 
4.1.3. Eficiencia térmica instantánea ....................................................................................................... 137 
 4.1.3.1. Eficiencia de aleta y factor de eficiencia de colector ............................................. 138 
 4.1.3.2. Factor de remoción de calor del colector .................................................................. 144 
 4.1.3.3. Temperaturas medias del fluido y de la placa ......................................................... 147 
4.2. Caracterización térmica del colector solar de placa plana ............................................................... 150 
4.2.1. Curva de eficiencia térmica del colector solar .......................................................................... 151 
4.2.1.1. Ecuación de primer orden .............................................................................................. 151 
4.2.1.2. Ecuación de segundo orden ........................................................................................... 154 
4.2.2. Respuesta dinámica del colector solar ........................................................................................ 156 
4.2.2.1. Constante de tiempo del colector solar ..................................................................... 156 
4.2.2.2. Tiempo de estabilidad del sistema .............................................................................. 159 
4.2.2.3. Tiempo muerto del sistema ........................................................................................... 160 
4.2.2.4. Aproximación a un sistema de primer orden .......................................................... 160 
4.2.3. Modificador del ángulo de incidencia .......................................................................................... 163 
CAPITULO V: ESTANDAR ASHRAE 93-2003 ....................................................................................................... 169 
5.1. ¿Qué es la ASHRAE? ........................................................................................................................................ 169 
5.2. Objetivo .............................................................................................................................................................. 170 
5.3. Alcance ................................................................................................................................................................170 
5.4. Condiciones de prueba requeridas ........................................................................................................... 171 
5.5. Variación máxima en mediciones .............................................................................................................. 173 
5.5.1. Condiciones de estado estable en el ambiente ......................................................................... 174 
5.6. Requerimientos de los instrumentos de medición ............................................................................. 175 
5.7. Configuración del sistema de pruebas ..................................................................................................... 175 
5.7.1. Configuración de circuito abierto con alimentación externa .............................................. 177 
5.7.2. Configuración de circuito cerrado................................................................................................. 178 
5.7.3. Configuración de circuito abierto sin alimentación externa ............................................... 179 
5.8. Procedimiento de prueba ............................................................................................................................. 180 
5.8.1. Determinación de la constante de tiempo .................................................................................. 181 
5.8.1.1. Cálculos ................................................................................................................................. 181 
5.8.2. Determinación de la curva de eficiencia térmica ..................................................................... 182 
5.8.2.1. Determinación de los valores de la temperatura del fluido de entrada ......... 183 
5.8.2.2. Cálculos ................................................................................................................................. 187 
5.8.3. Determinación del modificador del ángulo de incidencia .................................................... 188 
5.8.3.1. Método 1: pruebas en el interior, o el exterior utilizando una montura alta–
acimutal ................................................................................................................................................ 189 
5.8.3.2. Método 2: pruebas en exterior utilizando una montura estacionaria ............ 189 
5.8.3.3. Cálculos ................................................................................................................................. 190 
5.9. Resultados ......................................................................................................................................................... 190 
5.10. Críticas y conclusiones ............................................................................................................................... 191 
CAPITULO VI: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA .............................................................................. 193 
6.1. Diseño del sistema de pruebas ................................................................................................................... 194 
6.2. Equipo ................................................................................................................................................................. 194 
6.3. Construcción ..................................................................................................................................................... 199 
6.4. Análisis de mecánica de fluidos ................................................................................................................. 202 
6.4.1. Velocidad de descarga del sistema ............................................................................................... 203 
6.4.2. Calculo del flujo volumétrico a través del flujometro ............................................................ 212 
CAPITULO VII: PRUEBAS EXPERIMENTALES Y CÁLCULOS .......................................................................... 217 
7.1. Condiciones requeridas para la realización de las pruebas ............................................................. 218 
7.2. Medición de la constante de tiempo del colector ................................................................................ 219 
7.3. Medición de la curva de eficiencia del colector .................................................................................... 222 
7.3.1. Método de pruebas de la ASHRAE modificado ......................................................................... 222 
7.3.1.1. Temperatura ambiente y velocidad del viento ....................................................... 223 
7.3.1.2. Valores de temperatura de entrada ............................................................................ 224 
7.3.1.3. Periodos de prueba y previos a esta ........................................................................... 225 
7.3.1.4. Simetría con el mediodía solar ..................................................................................... 227 
7.3.1.5. Posición del colector solar ............................................................................................. 230 
7.4.2. Registro de mediciones ..................................................................................................................... 230 
7.4.3. Cálculos ................................................................................................................................................... 232 
7.4.3.1. Eficiencia térmica instantánea ...................................................................................... 232 
7.4.3.2. Razón de diferencia de temperaturas–irradiancia ................................................ 234 
7.4.3.3. Grafica de la curva de eficiencia térmica promedio .............................................. 234 
CAPITULO VIII: CÁLCULOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................................ 237 
8.1. Resultados preliminares ............................................................................................................................... 238 
8.2. Resultados finales del colector ARISTON ............................................................................................... 240 
8.2.1. Análisis de la constante de tiempo del colector ....................................................................... 241 
8.2.2. Análisis de la curva de eficiencia térmica del colector .......................................................... 245 
8.2.2.1. Resultados utilizando los datos completos .............................................................. 247 
8.2.2.2. Resultados utilizando los datos para un solo día de pruebas de 𝑻𝒆𝒏𝒕 = 𝑻𝒂𝒎𝒃 
tomando los más cercanos al mediodía solar ......................................................................... 248 
8.3. Resultados finales del colector GreenOneTec ....................................................................................... 250 
8.3.1. Determinación experimental de la eficiencia máxima del colector .................................. 252 
8.4. Verificación de la calibración del piranómetro .................................................................................... 253 
CAPITULO IX: TRABAJO FUTURO ........................................................................................................................... 255 
9.1. Estado actual de la investigación ............................................................................................................... 255 
9.1.2. Mejoras al sistema pruebas ............................................................................................................. 256 
9.2. Proyectos futuros ............................................................................................................................................ 257 
9.2.1. Análisisy comparación de otros estándares oficiales............................................................ 257 
9.3.1. Investigación en colectores solares de placa plana ................................................................ 258 
9.3.1.1. Evaluación térmica de un sistema de calentamiento de agua con energía solar 
para uso domestico .......................................................................................................................... 258 
9.3.2. Investigación en colectores solares de tubos de vidrio al vacio (water–in–glass) ...... 261 
9.3.2.1. Desarrollo de un modelo para calcular la eficiencia térmica de un colector 
solar de tubos de vidrio al vacio (water–in–glass) ............................................................... 261 
9.3.2.2. Desarrollo de procedimientos de prueba para la determinación del 
rendimiento térmico de un colector solar de tubos de vidrio al vacio (water–in–
glass) ..................................................................................................................................................... 263 
CAPITULO X: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................................... 265 
10.1. Conclusiones del estándar ASHRAE 93-2003..................................................................................... 265 
10.2. Conclusiones sobre los resultados ......................................................................................................... 267 
10.2.1. Determinación de la constante de tiempo ............................................................................... 267 
10.2.2. Determinación de la eficiencia térmica .................................................................................... 267 
10.2.2.1. Colector solar ARISTON ................................................................................................ 268 
10.2.2.2. Colector solar GreenOneTec ....................................................................................... 269 
10.2.2.3. Comparación entre ambos colectores ..................................................................... 269 
10.2.2.4. Sector de los laboratorios de pruebas ..................................................................... 270 
10.2.2.5. Infraestructura para la Casa Solar ............................................................................ 271 
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ............................................................................................................................ 273 
ANEXO A. DEFINICIONES DE ENERGÍA SOLAR ................................................................................................. 279 
ANEXO B. PROCEDIMIENTO PARA CALCULAR EL TIEMPO SOLAR APARENTE (AST)....................... 281 
ANEXO C. EQUIPOS DE COLECTORES Y CALENTADORES DE AGUA SOLARES ...................................... 283 
ANEXO D. LISTADO DE ESTANDARES OFICIALES PARA LA EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO 
TÉRMICO DE UN COLECTOR SOLAR O SISTEMA TÉRMICO SOLAR ....................................... 289 
ANEXO E. REQUERIMIENTOS DEL ESTANDAR ASHRAE 93-2003 PARA LOS INSTRUMENTOS DE 
MEDICIÓN .................................................................................................................................................... 295 
ANEXO F. CONDICIONES REQUERIDAS EN EL SISTEMA DE PRUEBAS Y EL AMBIENTE PARA LA 
DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA TÉRMICA ........................................................................... 297 
ANEXO G. EJEMPLO DE UNA CURVA DE EFICIENCIA TÉRMICA DE UN COLECTOR SOLAR DE PLACA 
PLANA OBTENIDA CON EL ESTANDAR ASHRAE 93-2003 ........................................................ 299 
ANEXO H. GUIA PRÁCTICA PARA LLEVAR A CABO LA PRUEBA DE EFICIENCIA TÉRMICA ............. 301 
ANEXO I. CALENDARIO DEL MEDIODÍA SOLAR PARA LA CIUDAD DE MONTERREY, NUEVO LEÓN.
 ......................................................................................................................................................................... 305 
ANEXO J. HOJA DE DATOS PARA LA TOMA DE MEDICIONES PARA LA PRUEBA DE EFICIENCIA 
TÉRMICA ...................................................................................................................................................... 307 
 
11 
 
 RESUMEN 
 
 La siguiente tesis es un análisis de algunos de los aspectos de los colectores solares de placa 
plana como; su funcionamiento mecánico, rendimiento térmico, la respuesta dinámica, sus 
pérdidas ópticas, entre otros. Así mismo se analizan y discuten distintos métodos de prueba para 
la evaluación de estos sistemas. 
 
 Primero se da una breve introducción a este campo de la ciencia presentado algunas de las 
motivaciones que pueden llevar a realizar este tipo de investigaciones. Enseguida, se presentan 
los antecedentes teóricos principales requeridos para desarrollar el análisis. Así como para poder 
entender y llevar a cabo métodos de prueba correctos, y que sean validos para una evaluación de 
desempeño. 
 
 En el capítulo tres se presenta una lista de trabajos previos que de alguna manera sirvieron de 
apoyo para la realización de esta tesis. De los cuales el realizado por la Universidad de Wisconsin 
en Madison fue utilizado como guía para las pruebas experimentales. Enseguida se presenta el 
marco teórico completo del modelo del colector solar de placa plana. Desde el balance de energía 
sobre todo el sistema hasta la caracterización final del colector. 
 
 La siguiente parte es el estudio del estándar ASHRAE 93-2003 y su interpretación. En el 
capítulo cinco se presentan los puntos más relevantes de los procedimientos enunciados por este 
estándar. Sin embargo, más adelante habrá que modificarlos un poco para crean un método de 
pruebas práctico y realizable para el laboratorio de energía solar del Tec de Monterrey (Casa 
Solar). 
 
 En la tercera parte de la tesis se lleva a cabo el diseño y la construcción de un sistema de 
pruebas para la evaluación de colectores solares de placa plana. La infraestructura se creó para la 
Casa Solar, y es resultado de un análisis de distintas configuraciones de circuitos de prueba. Por 
último, las pruebas de la determinación de la constante de tiempo y la eficiencia térmica del 
colector son llevadas a cabo. Los resultados que se obtuvieron fueron para dos distintos 
colectores, ambos de la tecnología de placa plana. 
13 
 
 NOMENCLATURA. 
(𝜏𝛼): Producto transmitancia–absortancia �– � 
(𝜏𝛼)𝑒: Producto transmitancia–absortancia efectivo �– � 
(𝜏𝛼)𝑒,𝑛: Producto transmitancia–absortancia efectivo en condiciones de incidencia normal a la superficie 
[−] 
(𝜏𝛼)𝑛: Producto transmitancia–absortancia en condiciones de incidencia normal a la superficie [−] 
(𝜏𝛼)𝑝𝑟𝑜𝑚: Producto transmitancia–absortancia ponderado [−] 
(𝑈𝐴)𝑙𝑎𝑑𝑜𝑠: Producto coeficiente de perdidas–área de los lados �
𝑊
𝐾
� 
𝛼: Difusividad térmica �𝑚
2
𝑠2
�, Absortancia [−] 
𝛼𝑎𝑖𝑟𝑒: Difusividad térmica del aire �
𝑚2
𝑠2
� 
𝛽: Ángulo de inclinación del colector solar [°] 
𝛽𝑎𝑖𝑟𝑒: Coeficiente de expansión volumétrica del aire �
1
𝐾
� 
∆𝑃𝐿,𝑐𝑜𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟: Caída de presión a través del colector solar [𝑃𝑎] 
∆𝑃𝐿,𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜: Caída de presión a través del filtro [𝑃𝑎] 
∆𝑃𝐿,𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜: Caída de presión a través del flujometro [𝑃𝑎] 
∆𝑇: Delta de temperatura [℃] 
∆𝑧: Diferencia de alturas entre la entrada y la salida [𝑚] 
𝛿: Espesor de la placa de absorción [𝑚], Declinación solar [°] 
𝜖: Emitancia [−], Rugosidad del material [𝑚] 
𝜖𝑐: Emitancia de la cubierta [−] 
𝜖𝑖: Emitancia de la superficie 𝑖 [−] 
𝜖𝑝: Emitancia de la placa �– � 
𝜑: Latitud [°] 
𝛾: Espesor promedio de la unión entre la placa de absorción y el tubo [𝑚], Ángulo acimutal [°] 
𝛾𝑠: Ángulo acimutal solar [°] 
𝜂: Eficiencia térmica instantánea del colector solar [−] 
𝜂𝑜, Eficiencia óptica (o máxima)del colector solar [−] 
𝜇: Viscosidad dinámica � 𝑘𝑔
𝑚∙𝑠
� 
𝜇0: Viscosidad dinámica del fluido evaluada en el centro del tubo �
𝑘𝑔
𝑚∙𝑠
� 
𝜇𝑤: Viscosidad dinámica del fluido evaluada en la pared del tubo �
𝑘𝑔
𝑚∙𝑠
� 
𝜇𝑎𝑖𝑟𝑒: Viscosidad dinámica del aire �
𝑘𝑔
𝑚∙𝑠
� 
𝜈: Viscosidad cinemática �𝑚
2
𝑠
� 
𝜈𝑎𝑖𝑟𝑒: Viscosidad cinemática del aire �
𝑚2
𝑠
� 
𝜌: Reflectancia [−], Densidad �𝑘𝑔
𝑚3
� 
𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒: Densidad del aire �
𝑘𝑔
𝑚3
� 
𝜌𝑑: Reflectancia difusa [−] 
𝜎: Constante de Stephan–Boltzmann � 𝑊
𝑚2∙𝐾4
� 
𝜏: Transmitancia [−], Constante de tiempo del colector solar [𝑠], [𝑚𝑖𝑛] 
14 
 
𝜏𝑎: Transmitancia considerando solo las pérdidas por absorción [−] 
𝜏𝑟: Transmitancia considerando solo las pérdidas por reflexión [−] 
𝜃: Ángulo de incidencia [°], Ángulo entre las componentes de la irradiancia directa y difusa [°] 
𝜃1: Ángulo entre la radiación que sale del diferencial de área 𝑑𝐴1 y una dirección normal a este [°], Ángulo 
de incidencia en la Ley de Snell [°] 
𝜃2: Ángulo entre la radiación que incide en el diferencial de área 𝑑𝐴2 y una dirección normal a este [°], 
Ángulo de refracción en la Ley de Snell [°] 
𝜃𝑧: Ángulo cenital [°] 
𝜔: Ángulo horario [°] 
𝐴: Área [𝑚2] 
𝐴1: Área de la región 1 en los balances de masa y momentum [𝑚2] 
𝐴2: Área 2 [𝑚2], Área de la región 2 en los balances de masa y momentum [𝑚2] 
𝐴𝑐: Área neta del colector solar [𝑚2] 
𝐴𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎: Área de transversal de la manguera de descarga del sistema [𝑚2] 
𝐴𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜: Área transversal del flujometro [𝑚2] 
𝐴𝑖: Área de la superficie 𝑖 [𝑚2] 
𝐴𝑝: Área de la placa de absorción [𝑚2] 
𝐴𝑠: Área superficial [𝑚2] 
𝑎: 1er coeficiente de pérdidas de calor en la ecuación de 2do orden de la eficiencia térmica del colector solar 
� 𝑊
𝑚2∙℃
� 
𝐵: Parámetro en la ecuación del tiempo [°] 
𝑏: Ancho de la unión entre la placa de absorción y el tubo por unidad de longitud [𝑚], Intercepción con el 
eje y de la recta para la eficiencia térmica del colector solar [−], 2do coeficiente de pérdidas de calor en la 
ecuación de 2do orden de la eficiencia térmica del colector solar �
𝑊2
𝑚4∙℃2
� 
𝑏0: Coeficiente del modificador del ángulo de incidencia [−] 
𝐶: Constante experimental en la correlación 3.16 [−] 
𝐶𝑏: Conductancia térmica de la unión entre la placa de absorción y el tubo �
𝑊
𝑚2∙𝐾
� 
𝐶𝑝: Calor especifico a presión constante �
𝐽
𝑘𝑔∙𝐾
� 
𝑐: Velocidad de la luz en el vacío, �𝑚
𝑠
� 
𝐷: Diámetro externo de los tubos [𝑚] 
𝐷𝑖: Diámetro interno de los tubos [𝑚] 
𝑑𝐴�����⃗ : Vector normal al área transversal [𝑚2] 
𝑑𝐴�����⃗ 1: Vector normal al área de la región 1 en los balances de masa y momentum [𝑚2] 
𝑑𝐴�����⃗ 2: Vector normal al área de la región 2 en los balances de masa y momentum [𝑚2] 
𝑑𝐴2: Diferencial de área 2 [𝑚2] 
𝐸: Energía [e𝑉], Ecuación del tiempo [𝑚𝑖𝑛] 
𝐸(𝑇): Potencia de emisión térmica � 𝑊
𝑚2
� 
𝐸𝑏(𝑇): Potencia de emisión de cuerpo negro a una temperatura efectiva �
𝑊
𝑚2
� 
𝐸𝑠𝑜𝑙: Energía solar que incide sobre el colector solar [𝐽] 
𝐸ú𝑡𝑖𝑙: Energía útil ganada por el fluido de trabajo que pasa a través del colector solar [𝐽] 
𝐸𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎: Energía perdida al ambiente desde el colector solar [𝐽] 
𝑒𝑓: Carga dinámica debida a las pérdidas por fricción [𝑚] 
𝑒𝑘: Carga dinámica debida al cambio en la energía cinética [𝑚] 
𝑒𝑚: Carga dinámica debida a trabajo mecánico [𝑚] 
15 
 
𝑒𝑝: Carga dinámica debida al cambio en la presión mecánica [𝑚] 
𝑒𝑞: Carga dinámica debida a la transferencia de calor [𝑚] 
𝑒𝑢: Carga dinámica debida al cambio de energía interna [𝑚] 
𝑒𝑦: Carga dinámica debida a la diferencia en el nivel potencial gravitacional [𝑚] 
𝐹: Factor de eficiencia del colector solar [−] 
𝐹′: Eficiencia de la aleta [−] 
𝐹′′: Factor de flujo del colector solar [−] 
𝐹𝑖→𝑗: Factor de forma de la superficie 𝑖 a la 𝑗 [−] 
𝐹𝑅: Factor de remoción de calor del colector solar �– � 
𝐹𝑑𝐴1→𝑑𝐴2: Factor de forma del diferencia de 𝐴1 al diferencial de 𝐴2 [−] 
𝑓: Factor de fricción de Darcy [−] 
𝑓𝑡𝑢𝑏𝑜𝑝𝑙𝑢𝑠: Factor de fricción de Darcy del tuboplus [−] 
𝑓𝑚𝑎𝑛𝑔𝑢𝑒𝑟𝑎: Factor de fricción de Darcy de la manguera [−] 
𝑓𝑐𝑜𝑏𝑟𝑒: Factor de fricción de Darcy del tubo de cobre [−] 
𝐺: Irradiación � 𝑊
𝑚2
�, Irradiancia � 𝑊
𝑚2
� 
𝐺𝑆𝐶: Constante solar �
𝑊
𝑚2
� 
𝐺𝑏𝑛: Irradiancia directa �
𝑊
𝑚2
� 
𝐺𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜: Irradiancia desde el cielo �
𝑊
𝑚2
� 
𝐺𝑑: Irradiancia difusa �
𝑊
𝑚2
� 
𝐺𝑜𝑛: Irradiancia solar extraterrestre �
𝑊
𝑚2
� 
𝐺𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜: Irradiancia reflejada por el suelo �
𝑊
𝑚2
� 
𝐺𝑡: Irradiancia total �
𝑊
𝑚2
� 
𝑔: Aceleración gravitatoria �𝑚
𝑠2
� 
𝐻: Insolación promedio para un día � 𝐽
𝑚2
�, Altura del colector solar [𝑚] 
ℎ: Espesor del aislante térmico en el fondo del colector solar [𝑚] 
ℎ𝐿: Perdida de carga en el sistema debido a fuerzas de fricción [𝑚] 
ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣: Coeficiente de transferencia de calor por convección �
𝑊
𝑚2∙𝐾
� 
ℎ𝑐,𝑐−𝑎𝑚𝑏: Coeficiente de transferencia de calor por convección entre la cubierta y el ambiente �
𝑊
𝑚2∙𝐾
� 
ℎ𝑐,𝑝−𝑐: Coeficiente de transferencia de calor por convección entre la placa y la cubierta del colector solar 
� 𝑊
𝑚2∙𝐾
� 
ℎ𝑟𝑎𝑑: Coeficiente de transferencia de calor por radiación [𝐾3] 
ℎ𝑟,𝑐−𝑎𝑚𝑏: Coeficiente de transferencia de calor por radiación entre la cubierta del colector solar y el 
ambiente � 𝑊
𝑚2∙𝐾
� 
ℎ𝑟,𝑝−𝑐: Coeficiente de transferencia de calor por radiación entre la placa y la cubierta �
𝑊
𝑚2∙𝐾
� 
ℎ𝑤: Coeficiente de transferencia de calor por convección entre la pared de los tubos internos y el fluido de 
trabajo � 𝑊
𝑚2∙𝐾
� 
𝐼: Irradiación � 𝐽
𝑚2
�, Insolación promedio para una hora � 𝐽
𝑚2
�, Intensidad de la radiación local en el medio 
� 𝑊
𝑚2
� 
16 
 
𝐼𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒: Intensidad de la radiación incidente �
𝑊
𝑚2
� 
𝐼𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑎: Intensidad de la radiación transmitida �
𝑊
𝑚2
� 
𝐽: Radiosidad � 𝐽
𝑚2
� 
𝐾: Coeficiente de extinción del vidrio [−] 
𝐾𝜏𝛼: Modificador del ángulo de incidencia [−] 
𝐾𝐿: Coeficiente de pérdida de carga debido a la fricción en los accesorios [−] 
𝑘𝑎𝑖𝑟𝑒: Conductividad térmica del aire �
𝑊
𝑚∙𝐾
� 
𝑘𝑏: Conductividad térmica de la unión entre la placa de absorción y el tubo �
𝑊
𝑚∙𝐾
� 
𝑘𝑎,𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜: Conductividad térmica del aislante en el fondo del colector solar �
𝑊
𝑚∙𝐾
� 
𝑘𝑎,𝑙𝑎𝑑𝑜𝑠: Conductividad térmica del aislante por los lados del colector solar �
𝑊
𝑚∙𝐾
� 
𝐿: Longitud de la tubería [𝑚], Largo del colector solar [𝑚] 
𝐿𝑐: Longitud característica [𝑚] 
𝐿𝑐𝑜𝑏𝑟𝑒: Longitud total de tubo de cobre [𝑚] 
𝐿𝑙𝑜𝑐: Longitud geográfica del lugar [°] 
𝐿𝑚𝑎𝑛𝑔𝑢𝑒𝑟𝑎: Longitud de la manguera [𝑚] 
𝐿𝑠𝑡: Longitud geográfica del meridiano estándar para un uso horario local [°] 
𝐿𝑡𝑢𝑏𝑜𝑝𝑙𝑢𝑠: Longitud total de tuboplus [𝑚] 
�̇�: Flujo másico �𝑘𝑔
𝑠
� 
𝑚: Masa [𝑘𝑔], Constante experimental en la correlación 3.16 [−], pendiente de la recta para la eficiencia 
térmica del colector solar � 𝑊
𝑚2∙℃
� 
𝑚𝑎: Masa de aire �– � 
𝑁: Número de cubiertas [−] 
𝑁𝑢: Número de Nusselt [−] 
𝑛1: Índice de refracción del medio 1 [−] 
𝑛2: Índice de refracción del medio 2 [−] 
𝑛: Número de día del año [−], Coeficiente del exponencial en la ecuación 2.3 [−], Constante experimental 
en la correlación 3.16 [−], Número de tubos dentro del colector solar [−] 
𝑃: Perímetro del colector solar [𝑚] 
𝑃𝑟: Número de Prandtl [−] 
�̇�𝑝𝑒𝑟𝑑,𝑐−𝑎𝑚𝑏: Flujo de calor perdido desde la cubierta del colector hacia el ambiente [𝑊] 
�̇�𝑝𝑒𝑟𝑑,𝑐𝑜𝑛𝑣: Flujo de calor perdido por convección [𝑊] 
�̇�𝑝𝑒𝑟𝑑,𝑝−𝑐: Flujo de calor perdido desde la placa de absorción hacia la cubierta del colector solar [𝑊] 
�̇�𝑝𝑒𝑟𝑑,𝑟𝑎𝑑: Flujo de calor perdido por radiación [𝑊] 
�̇�𝑟𝑎𝑑: Flujo de calor por radiación [𝑊] 
�̇�ú𝑡𝑖𝑙: Calor útil ganado por el fluido de trabajo [𝑊] 
�̇�′𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎:Flujo de calor por unidad de longitud a través de la aleta �
𝑊
𝑚
� 
�̇�′𝑡𝑢𝑏𝑜: Flujo de calor por unidad de longitud a través del tubo �
𝑊
𝑚
� 
�̇�′ú𝑡𝑖𝑙: Flujo de calor por unidad de longitud ganado por el fluido de trabajo �
𝑊
𝑚
� 
𝑄′′𝑝𝑒𝑟𝑑,𝑐−𝑎𝑚𝑏: Flujo de calor perdido por unidad de área desde la cubierta del colector solar hacia el 
ambiente � 𝑊
𝑚2
� 
�̇�′′𝑝𝑒𝑟𝑑,𝑐𝑜𝑛𝑣: Flujo de calor perdido por convección por unidad de área �
𝑊
𝑚2
� 
17 
 
�̇�′′𝑝𝑒𝑟𝑑,𝑝−𝑐: Flujo de calor perdido por unidad de área de la placa de absorción hacia la cubierta �
𝑊
𝑚2
� 
�̇�′′𝑝𝑒𝑟𝑑,𝑟𝑎𝑑: Flujo de calor perdido por radiación por unidad de área �
𝑊
𝑚2
� 
𝑄: Calor [𝐽] 
𝑅1: Resistencia térmica entre la placa de absorción y la cubierta �
𝐾∙𝑚2
𝑊
� 
𝑅2: Resistencia térmica entre la cubierta y el ambiente �
𝐾∙𝑚2
𝑊
� 
𝑅3: Resistencia térmica entre la placa de absorción y el fondo del colector solar �
𝐾∙𝑚2
𝑊
� 
𝑅4: Resistencia térmica entre el fondo del colector solar y el ambiente �
𝐾∙𝑚2
𝑊
� 
𝑅𝑖: Resistencia térmica de superficie por radiación �
1
𝑚2
� 
𝑅𝑖→𝑗: Resistencia térmica espacial por radiación de la superficie 𝑖 a la 𝑗 �
1
𝑚2
� 
𝑅𝑎: Número de Rayleigh [−] 
𝑅𝑎𝐿: Número de Rayleigh longitudinal [−] 
𝑅𝑒: Número de Reynolds �– � 
𝑟: Distancia entre 𝑑𝐴1 y 𝑑𝐴2 [𝑚] 
𝑆: Radiación solar absorbida por unidad de área � 𝑊
𝑚2
� 
𝑇: Temperatura [𝐾], [℃] 
𝑇∞, 𝑇𝑎𝑙𝑟𝑒𝑑: Temperatura de los alrededores [𝐾] 
𝑇𝑎𝑚𝑏: Temperatura ambiente [℃] 
𝑇𝑏: Temperatura de la unión entre la placa de absorción y el tubo [℃] 
𝑇𝑐: Temperatura de la cubierta [℃] 
𝑇𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜: Temperatura equivalente de cuerpo negro del cielo [𝐾] 
𝑇𝑓: Temperatura del fluido [℃] 
𝑇𝑒𝑛𝑡: Temperatura del fluido a la entrada del colector solar [℃] 
𝑇𝑒𝑛𝑡,1: Temperatura 1 del fluido a la entrada del colector solar en la prueba de eficiencia térmica [℃] 
𝑇𝑒𝑛𝑡,2: Temperatura 2 del fluido a la entrada del colector solar en la prueba de eficiencia térmica [℃] 
𝑇𝑒𝑛𝑡,3: Temperatura 3 del fluido a la entrada del colector solar en la prueba de eficiencia térmica [℃] 
𝑇𝑒𝑛𝑡,4: Temperatura 4 del fluido a la entrada del colector solar en la prueba de eficiencia térmica [℃] 
𝑇𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜: Temperatura del fondo del colector solar [℃] 
𝑇𝑠𝑎𝑙: Temperatura del fluido a la salida del colector solar [℃] 
𝑇𝑠𝑎𝑙 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙: Temperatura inicial del fluido a la salida del colector solar [℃] 
𝑇𝑒𝑛𝑡,𝑚𝑎𝑥: Temperatura máxima de entrada al colector en la prueba de eficiencia térmica [℃] 
𝑇𝑚𝑓: Temperatura media del fluido [℃] 
𝑇𝑚𝑝: Temperatura media de la placa de absorción [℃] 
𝑇𝑝: Temperatura de la placa de absorción [℃] 
𝑇𝑝𝑟: Temperatura de rocío [℃] 
𝑇𝑠: Temperatura superficial [℃] 
𝑡: Hora contando desde la medianoche en la ecuación 3.16 [ℎ𝑟𝑠] 
𝑡0, Tiempo muerto del sistema [𝑠] 
𝑡𝑠: Tiempo de estabilización del sistema [𝑠] 
𝑈𝑐: Coeficiente de pérdidas de calor del colector �
𝑊
𝐾∙𝑚2
� 
𝑈𝐿: Coeficiente global de pérdidas del colector solar �
𝑊
𝐾∙𝑚2
� 
𝑈𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜: Coeficiente global de pérdidas por el fondo del colector solar �
𝑊
𝐾∙𝑚2
� 
18 
 
𝑈𝑙𝑎𝑑𝑜𝑠: Coeficiente global de pérdidas por los lados del colector solar �
𝑊
𝐾∙𝑚2
� 
𝑈𝑜: Coeficiente global de pérdidas entre el fluido de trabajo y el ambiente �
𝑊
𝐾∙𝑚2
� 
𝑈𝑠𝑢𝑝: Coeficiente global de pérdidas por la parte superior del colector solar �
𝑊
𝐾∙𝑚2
� 
�̇�𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜: Flujo volumétrico en el flujometro �
𝑚3
𝑠
� 
𝑉�⃗ : Velocidad del fluido �𝑚
𝑠
� 
𝑉�⃗1: Velocidad en la región 1 en las ecuaciones de conservación de masa y momentum [𝑚] 
𝑉�⃗1,𝑝𝑟𝑜𝑚: Velocidad promedio en la entrada del sistema �
𝑚
𝑠
� 
𝑉�⃗ 2: Velocidad en la región 2 en las ecuaciones de conservación de masa y momentum [𝑚] 
𝑉�⃗ 2,𝑝𝑟𝑜𝑚: Velocidad promedio en la salida del sistema �
𝑚
𝑠
� 
𝑉�⃗ 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎: Velocidad en la salida de la manguera �
𝑚
𝑠
� 
𝑉�⃗𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜: Velocidad en el flujometro �
𝑚
𝑠
� 
𝑉�⃗ 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎: Velocidad dentro del sistema de pruebas �
𝑚
𝑠
� 
𝑉�⃗ 𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜: Velocidad del viento �
𝑚
𝑠
� 
𝑊: Distancia de tubo a tubo en la placa de absorción [𝑚] 
𝑤: Espesor del aislante térmico por los lados del colector solar [𝑚] 
𝑥: Dirección horizontal [𝑚], Razón de diferencia de temperaturas–irradiancia �𝑚
2∙℃
𝑊
� 
𝑦: Dirección vertical [𝑚] 
19 
 
 FIGURAS 
Fig. 1.1. Imagen del sistema solar (se presentan solo los cuerpos celestes más relevantes). 
Fig. 1.2. Clasificación de las diferentes fuentes de energía encontradas en el planeta. 
Fig. 1.3. División de las fuentes de energía renovables en cinco grandes clasificaciones. 
Fig. 1.4. La torre o chimenea solar (Updraft Solar Tower). 
1.4a. Funcionamiento físico de la tecnológica. Una tecnología innovadora que aprovecha la 
energía solar térmica. 
1.4b. Prototipo construido por Enviro Mission en Manzanares, España. 
Fig. 2.1. Área de colectores instalados para el 2007 en varios países del mundo. 
Fig. 2.2. Fracción dividida de la radiación total incidente en una superficie. 
Fig. 2.3. Fotosfera del Sol en el espectro ultravioleta captada por el observatorio espacial TRACE 
de la NASA. 
Fig. 2.4. Estructura interna del Sol. 
Fig. 2.5. Porcentajes de la radiación solar atmosférica al fraccionarse a su llegada a la atmosfera. 
Fig. 2.6. Flujo neto de radiación en una superficie. 
Fig. 2.7. Fotografías de distintos piranómetros. 
 2.7a. PSP (Precision Spectral Pyranometer) de Epply Laboratories. 
 2.7b. Kipp & Zonen CM21/CM22. 
 2.7c. Piranómetros MS-601 y MS-601F de EKO Instruments. 
 2.7d. Un albedometro de NovaLynx Corporation. 
Fig. 2.8. Piranómetro bloqueado con un anillo ensombrecedor para medir la radiación solar 
difusa. 
Fig. 2.9. Piranómetro colocado de cabeza para poder medir la radiación reflejada por el suelo. 
Fig. 2.10. Pirheliómetro de grado de investigación de la marca Hukseflux. 
Fig. 2.11. Ángulo de incidencia (tetha) entre los rayos del Sol y una dirección normal a la 
superficie del colector. 
Fig. 2.12. Ángulos de geometría solar para una superficie horizontal en la Tierra. 
Fig. 2.13. Localizaciones en la Tierra que muestran los ángulos 𝛽, 𝜃, 𝜑 y la relación 𝜑 − 𝛽 para 
una superficie viendo hacia el sur en el hemisferio norte. 
Fig. 2.14. Colector solar de placa plana con conductos de cobre en forma de serpentín. 
20 
 
Fig. 2.15. Colector solar de placa plana con conductor en forma de retícula. 
Fig. 2.16. Calentador de agua solar de colector y tanque integrado. 
Fig. 2.17. Extremo de entrada de un colector solar de tubo de vidrio al vacio. 
Fig. 3.1. Colector de placa plana GreenOneTec FK8231. 
Fig. 3.2. Calentador de agua solar de colector de placa plana ARISTON 150/1 TR CN TOP. 
Fig. 3.3. Calentador de agua solar de tanque y colector integrado SolarTech Genius 200L. 
Fig. 3.4. Calentador de agua solar de tubos de vidrio al vacio THERMOSOL TH-470-47/1500-20. 
Fig. 3.5. Calentador de agua solar de tubos de vidrio al vacio JIEMEI Comfort–A1. 
Fig. 3.6. Graficas de incremento de temperatura del agua en las evaluaciones experimentales del 
rendimiento térmico del proyecto en la Casa Solar del Tec de Monterrey. 
3.6a. Grafica del comportamiento de la temperatura de salida del sistema a lo largo del tiempo 
para los cinco sistemas de calentadores solares. 
3.6b. Grafica del comportamiento de la energía almacenada a lo largo del tiempo para los cinco 
sistemas de calentadores solares. 
Fig. 3.7. Sistema de pruebas y colector solar GreenOneTec. 
Fig. 3.8. Diagrama de bloques para el sistema de pruebas de colectores solares del SEL. 
Fig. 3.9. Primeros resultados obtenidos para la prueba de la determinación de eficiencia térmica. 
3.9a. Curva de eficiencia térmica calculada con las 18 mediciones que se hicieron de acuerdo al 
procedimiento de pruebas. 
3.9b. Curva de eficiencia térmica calculada solo con las 10 medicionesque se lograron 
simétricas al mediodía solar. 
Fig. 3.10. Piranómetro utilizado en el MATC (Madison Area Technical College), para las pruebas 
del SEL. 
Fig. 3.11. Curva de eficiencia térmica promedio calculada con el modelo analítico de la teoría de 
colectores solares de placa plana (Duffie & Beckman. 2006). 
Fig. 3.12. Curva de eficiencia térmica promedio calculada con el método alterno para 𝑈𝑠𝑢𝑝 (Duffie 
& Beckman. 2006). 
Fig. 3.13. Curva de eficiencia térmica promedio calculada con ambos métodos de Duffie & 
Beckman. 2006. 
Fig. 4.1. Configuración de colector solar de placa plana con doble cubierta. 
Fig. 4.2. Circuito equivalente de transferencia de calor para un colector solar de placa plana con 
una sola cubierta. 
21 
 
Fig. 4.3. Resistencia térmica equivalente entre la placa de absorción y el ambiente. 
Fig. 4.4. Ley de Snell para dos medios con índices refractivos 𝑛1 y 𝑛2. 
Fig. 4.5. Proceso de absorción de la radiación solar en un sistema de placa de absorción–
cubiertas. 
Fig. 4.6. Una sección de tubo y placa de absorción. 
Fig. 4.7. Balance de energía sobre una sección de la placa de absorción. 
Fig. 4.8. Grafica de la eficiencia de la aleta en función del coeficiente global de pérdidas, la 
conductividad térmica del material y otros parámetros geométricos. 
Fig. 4.9. Grafica del factor de flujo del colector en función del parámetro: tasa de capacitancia 
adimensional. 
Fig. 4.10. Balance de energía tomando un volumen de control de una sección de fluido dentro de 
un conducto del colector solar. 
Fig. 4.11. Ejemplo de dos graficas de eficiencia térmica para un mismo colector basadas en dos 
áreas distintas (la de apertura y la neta). 
Fig. 4.12. Grafica de una curva de eficiencia para un colector solar de placa plana. 
Fig. 4.13. Ejemplo representativo de la constante de tiempo y la respuesta de la temperatura de 
salida de un colector solar ante un cambio escalón de la radiación solar. 
Fig. 4.14. Graficas obtenidas para 𝑍 y 𝑌 versus el tiempo. 
4.14a. Grafica 𝑍 vs. tiempo correspondiente al experimento 1 realizado por H. J. Hou, et. al. 
4.14b. Grafica 𝑍 vs. tiempo correspondiente al experimento 2 realizado por H. J. Hou, et. al. 
4.14c. 14c. Grafica 𝑍 vs. tiempo correspondiente al experimento 3 realizado por H. J. Hou, et. al. 
Fig. 4.15. Graficas del modificador de ángulo de incidencia contra dos funciones distintas del 
ángulo de incidencia para tres colectores solares de placa plana distintos. 
4.15a. Grafica de 𝐾𝜏𝛼 vs. ángulo de incidencia. 
4.15b. Grafica de 𝐾𝜏𝛼 vs. �
1
cos𝜃
− 1�. 
Fig. 4.16. Ángulos de incidencia trazados sobre dos planos de un colector tubular. 
Fig. 5.1. Configuración de banco de pruebas de circuito abierto con alimentación externa. 
Fig. 5.2. Configuración de banco de pruebas de circuito cerrado. 
Fig. 5.3. Configuración de banco de pruebas de circuito abierto sin alimentación externa. 
Fig. 5.4. Grafica de las curvas de eficiencia térmica de tres colectores de placa plana distintos. 
Fig. 6.1. Ubicación de la Casa Solar en el I. T. E. S. M. Campus Monterrey. 
Fig. 6.2. Tanque de alimentación de agua para la prueba fabricado de fibra de vidrio. 
22 
 
Fig. 6.3. Montura alta–acimutal para pruebas con movimientos en inclinación y orientación del 
colector. 
Fig. 6.4. Filtro para capturar arena, tierra y sedimentos. 
Fig. 6.5. Flujometro de turbina y paletas utilizado en el sistema de pruebas. 
Fig. 6.6. Piranómetro de la marca Apogee Instruments. 
Fig. 6.7. Poste de acero armado para la estructura con movimiento alta–acimutal para el colector 
solar. 
Fig. 6.8. Estructura utilizada para soportar el tanque de fibra de vidrio que alimenta al sistema. 
Fig. 6.9. Vistas interiores de la descarga al tanque de fibra de vidrio. 
Fig. 6.10. Instrumentos de medición colocados en el sistema de pruebas. 
 6.10a. Piranómetro cubierto. 6.10b. 
 6.10b. Transportador instalado en el mismo plano del colector. 
 6.10c. Vista lateral del flujometro y termopar a la entrada del colector. 
Fig. 6.11. Sistema de pruebas terminado. 
Fig. 7.1. Cubierta para tapar el colector solar y reducir la radiación solar incidente a cero. 
Fig. 7.2. Ejemplo representativo de la simetría con respecto al mediodía solar para las pruebas. 
Fig. 8.1. Variación en la temperatura de entrada en la segunda prueba del día 15 de octubre de 
2010 (se mantuvo dentro de una variación de 0.12 °C por debajo del valor inicial). 
Fig. 8. 2. Variación de la radiación solar en la segunda prueba del día 15 de octubre de 2010 (aquí 
la tendencia fue de incremento casi constante dentro de una variación de –3.9 y +9 W/m2). 
Fig. 8. 3. Respuesta del estado estable del colector durante la prueba. Se puede observar el tiempo 
en que tarda en perder hasta el 65 %. 
Fig. 8.4. Curva de eficiencia térmica obtenida con todos los datos de las pruebas realizadas entre 
el 21 de abril de 2011 y el 12 de mayo de 2011. 
Fig. 8.5. Curva de eficiencia térmica obtenida eliminando aquellos los del 21 de abril de 2011 y los 
más lejanos al mediodía solar del 29 de abril de 2011 
Fig. 8.6. Grafica de dispersión de los datos para las pruebas de eficiencia térmica del colector 
solar GreenOneTec. 
Fig. 8.7. Resultados del Clear Sky Calculator obtenidos para el 8 de Mayo de 2011, para la ciudad 
de Monterrey al momento justo del mediodía solar. 
Fig. 9.1. Cubierta del estándar 95-1987 de la ASHRAE. 
23 
 
Fig. 9.2. Balance de energía en un colector solar de tubos de vidrio al vació del tipo water–in–
glass. 
25 
 
TABLAS. 
Tabla 2.1. Datos físicos y de localización del Sol. 
Tabla 3.1a. Sistemas solares de calentamiento de agua de placa plana. 
Tabla 3.1b. Sistemas solares de calentamiento de agua de tubos de vidrio al vacio. 
Tabla 3.2. Resultados del modelo analítico del colector solar de placa plana (Duffie & Beckman, 
2006) y del reporte del ENEA. 
Tabla 5.1. Condiciones de prueba requeridas y variaciones máximas en las mediciones. 
Tabla 5.2. Periodos previos a la prueba para asegurar condiciones de estabilidad (o cuasi–
estabilidad) en el ambiente y el sistema. 
Tabla 6.1. Equipo utilizado en el sistema de pruebas para colectores solares de placa plana, y su 
descripción. 
Tabla 7.1. Rangos de variaciones permitidas que se deben de mantener durante un periodo 
previo a la prueba. 
Tabla 7.2. Valores y rangos de variación permitida de las cantidades a registrar durante la 
prueba. 
Tabla 7.3. Condiciones requeridas para la prueba de eficiencia térmica. 
Tabla 8.1. Pruebas preliminares para la determinación de la eficiencia térmica entre los meses de 
noviembre y diciembre de 2010. 
Tabla 8.2. Resultados del día 4 de octubre de 2010. 
Tabla 8.3. Resultados del día 11 de octubre de 2010. 
Tabla 8.4. Resultados del día 15 de octubre de 2010. 
Tabla 8.5. Detalles de la primera prueba del día 15 de octubre de 2010. 
Tabla 8.6. Resultados finales de la caracterización de la dinámica del sistema. 
Tabla 8.7. Datos obtenidos de las pruebas de eficiencia para el colector solar ARISTON entre los 
días 6 de noviembre de 2010 y 29 de abril de 2011. 
Tabla 8.8. Comportamiento de la variación de los datos de acuerdo a las especificaciones 
establecidas en el método para las pruebas del colector ARISTON. 
Tabla 8.9. Datos de mediciones eliminando aquellos del 21 de abril de 2011 y los más lejanos al 
mediodía solar del 29 de abril de 2011. 
26 
 
Tabla 8.10. Datos obtenidos de las pruebas de eficiencia para el colector solar GreenOneTec del 
día 5 de mayo de 2011. 
Tabla 8.11. Comportamiento de la variación de los datos de acuerdo a las especificaciones 
establecidas en el método para las pruebas del colector GreenOneTec. 
Tabla 8.12. Datos obtenidos de las pruebas de eficiencia para el colector solar GreenOneTec del 
día 5 de mayo de 2011, eliminando las dos pruebas que se vieron afectadas por el control en las 
variables de medición. 
 
27 
 
 CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN.Esta tesis fue escrita con la motivación de poder entender y vislumbrar un poco más el 
funcionamiento de aquellos sistemas térmicos que hacen uso de la energía solar. Consta de varias 
partes, que si bien no se realizaron en una secuencia perfecta, si constan todas de una 
continuidad. La parte de antecedentes y marco teórico pone las bases teóricas para el 
entendimiento del sistema del colector solar térmico. Desglosan todas las leyes involucradas y 
relaciones matemáticas en los análisis de transferencia de calor y mecánica de fluidos. También 
se incluyen algunas discusiones para reflexionar sobre el punto en el que nos encontramos 
actualmente, energéticamente hablando. Algo de suma importancia para este trabajo, fue 
considerar un panorama global sobre la situación, y no solo dirigir el análisis a resultados, o 
estudios en México. Empezando por el hecho de que los dos sistemas que se estudiaron son 
colectores solares de fabricantes europeos en Austria e Italia. 
 
 El primer objetivo de esta tesis fue poner a prueba la practicidad del estándar americano de la 
ASHRAE para el cálculo y determinación del rendimiento térmico de un colector solar de placa 
plana. Se realizó trabajo de documentación, investigación bibliográfica, diseños y estudios 
preliminares. A lo largo de estas etapas nos dimos cuenta de que probablemente un 40 % del 
estándar no es prácticamente realizable y un 10 % físicamente imposible. Una de las partes clave 
del proyecto se presentó justo antes de comenzar las pruebas experimentales. Se tomó la 
decisión de modificar los requerimientos del estándar y (más que otra cosa) adaptarlo a las 
condiciones ambientales que se presentan en la ciudad de Monterrey, y los requerimientos de los 
instrumentos de medición a las limitaciones del laboratorio. 
 
 Para el diseño y construcción del sistema de pruebas se trabajó un poco con ingeniería inversa. 
Es decir, en lugar de primero hacer el análisis y cálculos para el sistema, primero se investigó en 
el mercado que es lo que había disponible, y en base a eso se construyó todo el sistema. Para 
dejar como etapa final el análisis estructural y de mecánica de fluidos. Esta es una forma muy 
recurrente de trabajar en el mundo real, y nos permitió aprender a combinar la teoría con la 
práctica. Inicialmente el contenido de la tesis no consideraba incluir el diseño y la construcción 
del sistema. Ya que se pensaba que este podía ser un trabajo previo nada más, y sin mucha 
28 
 
relevancia para el proyecto. El detalle fue que se trabajó mucho más detenidamente de lo que se 
pensaba en esta etapa, y tomó mucho más tiempo del que se había considerado desde un inicio, 
por eso fue que se decidió incluirlo como parte de la tesis. 
 
 Para ser francos, se cubrió casi todo lo que inicialmente se había pensado desde el inicio. La 
etapa de pruebas experimentales y análisis de datos fue la última del proyecto. Este fue el punto 
culminante y de mayor satisfacción de todo el trabajo, porque pudimos ver con nuestros propios 
ojos como era el comportamiento real del rendimiento térmico del colector solar. En base a estos 
resultados se presentan las conclusiones y recomendaciones a los fabricantes y diferentes 
usuarios de estas tecnologías. Así como las recomendaciones a seguir para los siguientes grupos 
que tengan el deseo continuar con esta línea de investigación, y desarrollar nuevos métodos de 
prueba que realicen una contribución a la estandarización y normalización de los colectores 
solares. 
 
1. 1. Objetivo 
 
 El principal objetivo de este trabajo es analizar desde el punto de vista de rendimiento 
energético, una de las principales aplicaciones de la energía solar como una fuente de energía 
térmica primaria. Hoy en día los calentadores de agua solares son bastante populares alrededor 
del mundo. En algunos países en mayor grado que en otros, pero en cualquier caso este tipo de 
tecnología sigue despertando el interés de la gente. 
 Para poder contar con elementos de comparación y selección entre diferentes equipos, es muy 
importante que se nos presente un reporte global de resultados y de evaluación térmica en 
campo. Resultados globales que incluyan la respuesta del colector de perder (o llegar) el estado 
estable, alguna curva con parámetros representativos y cuantificables de su rendimiento térmico, 
y en este caso, de variables ambientales y geométricas como la irradiación solar, las condiciones 
climáticas del lugar en cuestión, la posición aparente del Sol, etc. 
 
 Todo el trabajo hecho durante esta investigación tiene como finalidad obtener de manera 
experimental un conjunto de parámetros que nos lleven a predecir el rendimiento térmico de un 
colector solar de placa plana. Esta información es vital para aquellas personas encargadas de los 
análisis de ventas y mercadotecnia. Ya que sin esta información, sería imposible calcular el 
29 
 
tiempo de retorno de inversión, y los ahorros generados por el consumidor. Como comentario 
final a la introducción; a lo largo de la investigación, se encontró la manera en la que se están 
desarrollando los mercados en otras partes del mundo, y que tan fuerte es la relación entre 
investigación y comercialización en diferentes países, en donde el mercado de los calentadores de 
agua solares ha crecido de manera muy importante durante los últimos diez años. 
 
1. 2. Metodología. 
 
 La metodología utilizada en este trabajo fue la siguiente: 
 
1. Investigación del estado del arte. 
2. Documentación de la bibliografía. 
3. Estudio del estándar ASHRAE 93-2003 
4. Solicitud de los equipos e instrumentos de medición necesarios para el sistema de 
pruebas. 
5. Diseño y construcción del sistema de pruebas. 
6. Instalación de todos los equipos e instrumentos de medición en el sistema de pruebas. 
7. Realización de la prueba para determinar la constante de tiempo del colector ARISTON. 
8. Realización de las pruebas preliminares para determinar la eficiencia térmica del colector 
ARISTON. 
9. Calculo del flujo volumétrico máximo que puede ser obtenido con el sistema de pruebas a 
la entrada del colector. 
10. Realización de las pruebas finales para determinar la eficiencia térmica del colector 
ARISTON. 
11. Análisis de los datos y resultados del colector ARISTON. 
12. Realización de las pruebas para determinar la eficiencia térmica del colector 
GreenOneTec. 
13. Análisis de los datos y resultados del colector GreenOneTec. 
14. Redacción de la tesis. 
15. Redacción de las conclusiones finales del trabajo. 
 
 
30 
 
1. 3. La escala cósmica. 
 
 El sistema solar en el que vivimos es diminuto si consideramos una escala cósmica. A grandes 
rasgos, sabemos que nuestro sistema solar es uno de los miles que probablemente existan en 
nuestra galaxia. Estos cálculos se han venido realizando en los últimos años con base a nuevas 
observaciones de estrellas parecidas a nuestro Sol y de características similares. Estos estudios 
se logran observando indirectamente pequeñas perturbaciones orbitales de la estrella, 
corrimientos del espectro visible y curvaturas de la luz que viaja desde ellas. 
 En años recientes, diversos telescopios espaciales tanto de la agencia espacial europea como 
de la NASA han podido tomar imágenes cada vez más nítidas de los confines del universo. Estos 
telescopios han podido construir mediante simulaciones computacionales, mapas 
tridimensionales del universo observable, y más allá, cada vez con mayor detalle. El universo en 
el que habitamos es increíblemente inmenso, y se piensa que apenas se ha podido observar 
aproximadamente el 1 % de él. 
 
 El sistema solar en el que vivimos es imposible de ser observado individualmente en uno de 
estos mapas tridimensionales. Sería necesario hacer un acercamiento en por lo menos cinco 
pasos para poder localizar al Sol y a los planetas que orbitan alrededor de él. Para darnosuna 
idea de comparación más clara de la medida de nuestro sistema solar, se puede pensar en los 
siguientes datos: La luz del Sol tarda más o menos unas cinco horas y media en llegar a Plutón. 
Aunque para llegar a la Tierra le toma solo 8 minutos y 20 segundos. Mientras que en cruzar toda 
la galaxia de un extremo a otro esta tarda entre 100 y 120 mil años luz. 
 
 La Vía Láctea es la galaxia en la que habita nuestro Sol, que se encuentra en constante viaje 
alrededor de su centro. En ubicación espacial, nuestro sistema solar esta orbitando en uno de los 
brazos de la espiral aproximadamente a un cuarto del diámetro hacia dentro, llamado Brazo de 
Orión. La distancia entre nosotros hasta el centro de la galaxia es de apenas 27 700 años luz. Ya 
en este gigante celeste hablamos de un cuerpo de 200 mil a 400 mil millones de estrellas. La Vía 
Láctea es la segunda más grande y brillante de nuestro grupo local de galaxias, solo Andrómeda 
es de mayor tamaño y mayor brillo. 
 
31 
 
 El Grupo Local está formado en su mayoría por galaxias enanas y satélites que se mueven en 
una especie de conglomeración alrededor de otros conglomerados de galaxias. Nuestro grupo 
contiene unas 30 galaxias y existe mucho espacio entre ellas en comparación con otros grupos de 
galaxias. 
 
 Más allá de este cumulo de galaxias, los cúmulos (o grupos locales) vecinos se agrupan para 
formar súper cúmulos que pueden variar en el numero de cúmulos que estos contienen. Nosotros 
nos movemos en el llamado Súper Cúmulo de Virgo que contiene alrededor de 100 cúmulos 
locales como el nuestro y su forma es de disco plano con 200 millones de años luz de diámetro. 
Existen gran cantidad de súper cúmulos como el de Virgo, algunos con más del doble de galaxias, 
y otros con mucho menos. En la actualidad se piensa que los súper cúmulos también son atraídos 
entre sí para formar unas estructuras que se denominan como híper cúmulos, aunque hasta el 
momento esto sigue siendo solo una hipótesis. 
 
 Finalmente, están las estructuras en forma de filamentos que están formadas por cientos de 
cúmulos y súper cúmulos. Estas son las estructuras más grandes que existen en el universo, 
aunque en los últimos años se han hecho observaciones de dos estructuras gigantes galácticas 
conocidas como la “Gran muralla” y la “Gran muralla Sloan”. Estas estructuras tienen forma de 
paredes gigantescas que contienen entre miles y pocos millones de grupos de galaxias y 
sobrepasan los 500 millones de años luz de largo. Aunque en realidad no se sabe exactamente 
cuánto más podrían extenderse. Ya que el gas y polvo que existe en el plano de nuestra galaxia 
obstaculiza la visión de los telescopios. Los objetos más distantes que se han observado en el 
universo son los quásares, que se encuentran a unos 2 440 millones de años luz. Están más allá 
de cualquier súper cúmulo conocido y forman parte de los límites del espacio en nuestro 
universo. 
 
1. 4. Sistema solar interior. 
 
 El sistema solar en el que habitamos, y que rige nuestra estrella; el Sol, está compuesto de ocho 
planetas, algunas decenas de lunas y muchísimos cuerpos rocosos que están divididos en 
aerolitos, meteoritos y asteroides. Además de esto, cada cierto tiempo tenemos la presencia de 
innumerables cometas que son atraídos por la gravedad del Sol para después ser expulsados del 
32 
 
sistema solar. Algunos de estos nos visitan periódicamente debido a la órbita circular o elíptica 
en la que viajan. 
 
 Nuestro sistema solar se divide en el sistema interior y exterior; el sistema solar interior 
abarca desde el Sol hasta Marte, y el sistema solar exterior va de Júpiter a Plutón (aunque este 
último haya sido desechado como planeta desde el 2006). En la figura 1.1 se puede observar el 
orden y clasificación de cada uno de los cuerpos más importantes del sistema solar. Aunque la 
imagen no está a escala, el tamaño de las esferas si es representativo de la diferencia en tamaños 
reales (observe como aquí Plutón ya está fuera de la clasificación de "planetas"). 
 
Fig. 1.1. Imagen del sistema solar (se presentan solo los cuerpos celestes más relevantes). (Créditos de International Astronomical 
Union. Tomada de http://www.iau.org/public/pluto). 
 Todos los planetas del sistema solar interior gozan de abundante calor por parte de nuestra 
estrella. Sin embargo no todos están dentro de la banda permitida para la vida como la 
conocemos en nuestro planeta. Mercurio se encuentra extremadamente cerca del Sol, y puede 
alcanzar temperaturas de hasta 427 °C en su superficie. 
 
 Venus en cambio, podría pensarse que es muy similar a la Tierra (sus características son tan 
similares, que lo han llamado nuestro planeta hermano), de hecho se encuentra a una distancia 
moderada del Sol. La mayor diferencia entre Venus y la Tierra es la composición de la atmosfera. 
Mientras que en la Tierra la atmosfera posee casi tres cuartas partes de nitrógeno y una de 
http://www.iau.org/public/pluto
33 
 
oxigeno (algo esencial para el desarrollo de la vida), la atmosfera de Venus está compuesta en un 
96 % de letal dióxido de carbono. La atmosfera en Venus equivale al peso de 92 atmosferas 
terrestres y provoca un efecto invernadero tan intenso que la temperatura entre la superficie y 
las nubes del planeta puede llegar a ser de 500 °C (casi tan elevada como en Mercurio). 
 
 El tercer planeta desde el Sol es el nuestro; la Tierra. Un cuerpo celeste dentro del sistema 
solar interior a solo 150 000 000 km de distancia al Sol. Su masa es la suficiente para mantener 
una atracción gravitatoria adecuada para subsistir, y está dentro de la banda estelar apropiada 
entre un planeta y su estrella para habitar. La atmosfera de la Tierra tiene una composición del 
78 % de nitrógeno, 21 % de oxigeno y 1 % de otros compuestos y gases como argón, ozono, 
monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrogeno y vapor de agua. No solo la atmosfera se 
encuentra llena de condiciones vitales, también en la superficie abundan minerales, 
hidrocarburos, y otros compuestos orgánicos como el agua. El 70 % de la superficie terrestre está 
formada por océanos, y en donde hay tierra, la flora y fauna abundan. El calor que proviene del 
Sol mantiene un balance perfecto en los ecosistemas y ciclos biológicos del planeta. Por ejemplo, 
la exacta cantidad de radiación que nos llega del Sol en combinación con las capas exteriores de la 
atmosfera forma el efecto invernadero que mantiene cálida la superficie del planeta. Nuestro 
planeta es como una nave inter espacial totalmente equipada y con todas las comodidades para 
hace de nuestro viaje uno placentero, definitivamente habrá que cuidarla. 
 
 Por último está Marte, quien también se encuentra orbitando alrededor del Sol dentro de esta 
banda para un planeta habitable. De hecho se cree, y existen pruebas geológicas del planeta, que 
muestran que alguna vez Marte tuvo ríos de agua, y tal vez hasta océanos. La hipótesis es que 
pudo haber existido vida microbiana en Marte hace muchos miles de años. Aunque el planeta está 
dentro de la zona habitable entorno a una estrella, casi no tiene atmosfera, y esto hace que la 
temperatura en la superficie fluctué entre los –87 °C y –5 °C. Es un planeta frio y desértico, y el 
suave color rosa del aspecto de su atmosfera es debido a la dispersión de la luz por el polvo 
procedente de su suelo rico en hierro. Marte alguna vez pudo haber contado con una atmosfera 
rica en oxigeno, nitrógeno y vapor de agua, pero se piensa que la pudo haber perdido debido a las 
débiles interacciones gravitacionales del planeta. 
 
 
34 
 
1. 5. Energía en el planeta Tierra. 
 
 Como se mencionará en siguiente capítulo, el Sol es el cuerpo celeste que provee casi todas las 
formas de energía que existen en la Tierra. Exceptuando a la Luna (que es la responsable de las 
mareas altas y bajas en los océanos), soloel Sol y la generación interna de calor del planeta 
contribuyen a las fuentes energéticas que encontramos aquí. Para términos prácticos, podríamos 
decir que todas nuestras fuentes de energía primaria provienen, o del Sol, o del interior del 
planeta. De hecho todos los yacimientos de hidrocarburos y biomasa que se encuentran debajo 
de nuestro suelo, han sido alimentados a través de los siglos por bio–transformaciones 
energéticas en procesos como la fotosíntesis. Que transforma la energía solar en energía química. 
Además, fuentes renovables de energía como el viento son fenómenos físicos que se originan 
debido a que el Sol calienta la atmosfera terrestre de manera no uniforme. 
 
 El comprender que nuestro planeta cuenta con una cantidad de energía y diversidad de 
fuentes muy vasta no es complicado. Lo anterior se puede entender cuando pensamos en el caso 
como un sistema gigantesco y global, con generación interna de calor, almacenamiento de 
energía, y entradas y salidas de calor. Y que ninguna parte del tiempo se encuentra en estado 
estacionario. Podemos verlo como una gran máquina térmica que en todo momento está llevando 
grandes cantidades de energía de una fuente de calor de alta temperatura a una de más baja. Y 
que en estos procesos extrae trabajo mecánico (o materia de desperdicio) degradando la energía 
o sus fuentes. Como algunos sistemas térmicos, el planeta Tierra trabaja en un ciclo, y como tal 
requiere una recarga continua de recursos y un uso consciente de la energía. La eficiencia 
energética de cada subsistema en el planeta dependerá de que tan capaces seamos de 
transformar eficientemente estos recursos en energía útil. Para esto es necesario innovar en los 
mecanismos de aprovechamiento y formas de transformación energética. 
 
1. 5. 1. Fuentes alternas de energía. 
 Para poder definir la clasificación de energías alternas o alternativas, es necesario primero 
definir cuales serian las fuentes convencionales de energía. El carbón y todos los hidrocarburos 
que se encuentran en yacimientos bajo la superficie lo son. Además todos los subproductos del 
petróleo y del gas que se saca de la tierra; como la gasolina, el diesel, el gas LP, etc. Todos estos 
 
35 
 
 
combustibles son llamados combustibles fósiles, por el largo tiempo que estos han existido 
dentro del subsuelo del planeta antes de su extracción. 
 
 Todas las demás fuentes energéticas son fuentes alternas de energía; la energía nuclear, solar, 
eólica, geotérmica, mareomotriz, hidráulica, las celdas de hidrogeno, la biomasa, el biogás, los 
biocombustibles, y el hidrogeno para su combustión, entre algunas otras. La variedad de fuentes 
alternas de energía depende mucho de la capacidad e ingeniería del hombre por aprovechar 
cualquier recurso transformable en el planeta. Con el paso del tiempo, en los últimos dos siglos, 
se ha encontrado la forma de aprovechar nuevas fuentes de energía. Como la mareomotriz, que 
su desarrollo apenas comienza con países europeos que cuentan con amplios litorales. Las 
fuentes alternativas de energía son muchas, ya que la necesidad de encontrar nuevas formas aun 
continúa. Estas pueden ser con recursos renovables o no, como lo son la energía nuclear y los 
biocombustibles, dos fuentes no renovables de mucho valor agregado pero muy limitadas para la 
mayoría de los países. 
36 
 
Fig. 1.2. Clasificación de las diferentes fuentes de energía encontradas en el planeta. 
 En la figura 1.2 se presenta un diagrama de bloques para clasificar todas las fuentes de energía 
que existen en dos grandes ramas muy generales (Nota: la biomasa en ciertos casos podría entrar 
también en las fuentes de energía renovables). 
 
1. 5. 1. 1. Energía nuclear. Esta fuente de energía, como bien esta mostrada en el cuadro de la 
figura 1.2, no es una fuente renovable, ya que el uranio, que es el componente principal para el 
combustible nuclear es un mineral que se extrae de la tierra. El uranio es un elemento radioactivo 
con un núcleo inestable; esto quiere decir que a través del tiempo el núcleo de este elemento se 
va separando (o deshaciendo) emitiendo neutrones, protones y radiación térmica. El combustible 
utilizado en la generación nucleoeléctrica es un isotopo del uranio llamado U-235 (o uranio 235). 
Este isotopo tiene una vida media de 700 millones de años, lo cual quiere decir que después de 
este tiempo la mitad de los átomos de uranio se habrán convertido en elementos menos pesados 
y más estables. 
 El principio básico de los reactores que operan en las plantas nucleoeléctricas es la fisión 
nuclear. Este fenómeno atómico se da lugar dentro del núcleo del átomo de uranio. Al separarlo 
(una de las formas de hacerlo es lanzándole neutrones individuales) los neutrones que son 
fisionados dividen otros núcleos y esto continua produciendo una reacción en cadena en tan solo 
Fuentes 
Convencionales 
de Energía 
Combustibles 
Fosiles 
Carbón 
Combustoleo 
Gas natural 
Gas LP 
Gasolina 
Diesel 
Fuentes 
Alternas de 
Energía 
Fuentes de 
Energía 
Renovables 
Energía Solar 
Energía Eólica 
Energía Hidroelectrica 
Energía Mareomotriz 
Energía Geotermica 
Fuentes de 
Energía no 
Renovables 
Energía Nuclear 
Hidrogeno 
Celdas de Combustible 
Biocombustibles 
Biomasa 
Biodiesel 
Bioetanol 
Etanol 
Biogas 
37 
 
una fracción de segundo. La reacción en cadena de la fisión nuclear debe ser controlada y 
producir solo la energía suficiente para operar el reactor. 
 El calor generado por la fisión nuclear produce vapor en la cámara del reactor, que a su vez 
entra a un ciclo Rankine convencional o simplemente una turbina de vapor. La cual mueve un 
generador eléctrico generando la energía eléctrica. 
 
 El debate sobre la energía nuclear es enorme y se ha presentado en todas partes del mundo. 
Existen muchas personas que están a favor del uso de la energía nuclear, otras que piden tomar el 
caso con bastante cautela, y otras más que muestran una postura núcleo–fóbica ante el 
crecimiento en la utilización de este recurso. La discusión social–política no forma parte de algún 
objetivo particular de esta tesis, y habrá lectores que tengan una postura diferente a la del autor 
que escribe estas líneas. En lo que si todos deberíamos de estar de acuerdo, es en que para 
enfrentar la crisis energética que pudiera llegar en un futuro debemos hacer uso de todos los 
recursos disponibles, y dejar de lado los intereses y temores sociales, políticos y económicos. Más 
allá de si la generación nucleoeléctrica tiene riesgos o no, se debería trabajar en desarrollar 
tecnología e ingeniería para enfrentar tales. El tema sobre si es buena o mala opción invertir en el 
uso de la energía nuclear es de amplia discusión, e involucra muchísimos factores. Que al final 
cada país debe ponerlos en la balanza y tomar una decisión hacia el lado más cargado. 
 
 Poniendo el ejemplo de México, los dos reactores de la central nucleoeléctrica de Laguna Verde 
han funcionado 10 y 15 años, y en su vida no han tenido un solo problema de fuga, o algún riesgo 
potencial de emisión radioactiva. Además esta central está en recertificación continua con los 
más altos estándares de cuidado y operación ante los organismos internacionales oficiales en la 
materia. A la fecha de hoy, no se ven problemas que comprometan la completación de su ciclo de 
vida. La experiencia en México en energía nuclear es muy considerable, y deberá crecer más si es 
necesario, para comenzar con el desarrollo de nuevos proyectos nucleoeléctricos. 
 
1. 5. 1. 2. Fuentes renovables. Esta área de la energía se ha vuelto en los últimos años la más 
atractiva para los grandes inversionistas. La razón principal tiene que ver con que el costo por 
combustible en este tipo de fuentes de energía es cero. Lo que define a estas fuentes energéticas 
son los recursos renovables. Un recurso renovable es aquel que con el paso del tiempo