Este documento presenta un resumen de un curso sobre principios de termoconversión solar, dispositivos y sistemas de baja y mediana temperatura. El curso se llevará a cabo del 31 de octubre al 2 de noviembre de 2013 en Cancún, México e incluirá las siguientes secciones: principios de la conversión fototérmica y dispositivos conversores de baja temperatura, captadores solares planos, tecnologías para aumentar la temperatura y eficiencia, y captadores solares al vacío. El curso será impartido

1. IER
Curso Pre-Congreso ISES-ANES
Universidad del Caribe
31 de octubre al 2 de noviembre de 2013
Cancún, Quintana Roo, México
Principios de la termoconversión solar, dispositivos y
sistemas de baja y mediana temperatura
Isaac Pilatowsky Figueroa
Roberto Best y Brown
ipf@cie.unam.mx, rbb@ier.unam.ma
Coordinación de Refrigeración y Bombas de Calor, Departamento de Sistemas
Energéticos, Instituto de Energías Renovables, Universidad Nacional Autónoma de
México

2. La conversión fototérmica y los
dispositivos conversores de baja
temperatura
2

3. La conversión fototérmica y los dispositivos
conversores de baja temperatura
Parte I : La conversión termosolar.
Parte II. Captador solar plano
Parte III: Tecnologías para aumentar la
temperatura y la eficiencia de conversión
Clasificación y eficiencias de conversión.
Parte IV:. Captador solar al vacío
Parte V: Inclinación y orientación
3

4. ¿ Que es la energía solar ?
El sol es un enorme reactor nuclear, en donde
se convierte el hidrógeno en helio a una velocidad
de 4 millones de toneladas por segundo, radiando
energía y partículas a una temperatura superficial
de cerca de 6000 ºC.
La tierra recibe del sol anualmente alrededor de 5.4
x 1024 J, lo que representa unas 4,500 veces el
consumo mundial de energía.

5. Energía Solar un recurso “inagotable”
,
La energía solar
recibida cada 10
días sobre la Tierra
equivale a
TODAS las
reservas conocidas
de petróleo, carbón
y gas.
El 70% de la
población del
planeta vive dentro
de la denominada
“Franja Solar”.
40 N
35 S
www.cie.unam.mx

6. ¿Porque la energía solar ?
¿Porque la energía solar ?

7. ¿Porque la energía solar ?
• Seguridad energética
• Crecimiento económico
• Sustentabilidad
• Impacto ambiental

8. Parte I
La conversión termosolar
4

9. E = hν
Cuerpo absorbedor

10. Principio de un termoconversor
solar

12. Componentes de un captador solar sin
concentración óptica
Superficie absorbedora
La superficie absorbedora esta caracterizada por un material
que tiene una alta absorción (absortividad) de la radiación
solar, produciendo una elevación de la temperatura.
Normalmente es una superficie metálica recubierta con un
material absorbente de la radiación solar incidente.

13. Componentes de un captador solar
sin concentración óptica
(Radiación solar)
Cubierta transparente
(aire)
(Radiación infrarroja)
La cubierta transparente tiene como funciones: permitir el paso
de la radiación solar, disminuir las pérdidas de calor
producidas por el viento y reducir las pérdidas de calor por
radiación del absorbedor (radiación infrarroja).

14. Componentes de un captador solar sin
concentración óptica
Aislamiento térmico
El aislamiento térmico permite disminuir las pérdidas de calor
debidas a la conducción de calor de la superficie absorbedora hacia
el fondo y las partes laterales

15. Componentes de un captador solar sin concentración
óptica
Sistema de transporte de calor
El sistema de transporte de calor permite transferir la energía
solar transformada en calor desde la superficie absorbedora
hacia un fluido (agua, aire), el cual circula en el interior de los
ductos.
10

16. Componentes de un captador solar sin concentración
óptica
Caja protectora
La caja exterior permite proteger el interior del captador de la
lluvia, de posibles problemas de corrosión y darle rigidez
estructura. Esta caja se une a la cubierta por medio de un sello,
para evitar la introducción de polvo, humedad, etc.

17. Captador solar
El captador es el principal componente de los
sistemas solares térmicos. El rendimiento térmico
esta determinado por la relación entre la ganancia y
la pérdida de calor, en donde intervienen los
parámetros fundamentales que caracterizan su
funcionamiento.
Además del rendimiento térmico, para la selección del
captador se deben considerar los siguientes factores:
a) Costo.
b) Durabilidad.
c) Facilidad de instalación y transporte.
d) Fiabilidad, garantía y servicio postventa por parte
del fabricante.

18. Captadores solares estacionarios
o sin concentración
• Los captadores solares estacionarios por lo
general permanentemente fijos, deben estar
orientados hacia el ecuador y no requieren
seguir al sol, existiendo tres tipos:
• Captadores planos, CSP
• Captadores parabólicos compuestos, CPC
• Captadores con tubos evacuados, CTE

19. Captadores solares con
concentración
• Captador solar de canal parabólico, CCP
• Captador solar con reflector lineal tipo Fresnel,
RLF
• Captador solar con reflector de disco parabólico,
RDP
• Captador solar con campo de helióstatos, CH o
sistema de receptor central, RC

20. Parte II
Captador solar plano
15

21. Datos técnicos
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Dimensiones principales: alto, ancho y largo.
Área de la superficie transparente
Material y transmisividad de la cubierta transparente
Tipo de configuración del absorbedor
Materiales y tratamiento superficial del absorbedor.
Ubicación y dimensiones de las tomas de entrada y salida
Materiales de las juntas de sellado de la cubierta y de las
entradas y salidas
Material de la caja protectora
Tipo de cierre de la cubierta transparente
Materiales y características de los aislantes térmicos
Esquema general del captador

22. Balance de energía en el captador solar

23. Balance térmico en un captador solar plano
QABS = QU + QP + QAL
QU
QAL
QP

24. Rendimiento térmico
• Rendimiento instantáneo
QU
η=
I T AC
• Rendimiento promedio sobre un período de
tiempo
t
∫ Q dt
η=
∫ I A dt
U
0
t
0
T
C

25. Rendimiento óptico y pérdidas térmicas
totales
Rendimiento óptico
η OP
QABS
=
I T AC
η OP = τ CTα A
Pérdidas térmicas totales
QP = ACU C ( TC − Ta )
20

26. Calor útil y eficiencia
QU = ACU f ( TC − Tf )
dQAL
=0
dt
IT ACτ CTα A = QU + ACUC (TC − Ta )
 UC 
I T ACτ CTα A = QU  1 +
 U  + ACU C ( Tf − Ta )


f 
 UC 
F '=  1 +
 U 


f 


UC
QU = I T AC F ' τ CTα A −
( Tf − Ta )
IT




UC
η = F ' τ CTα A −
( Tf − Ta )
IT


−1
−1

27. Eficiencia de conversión
mCp ( Tf , e − Tf ,i )
qu
=
AC
AC
 1 − e− X
FR = F ′
 X

X
=
U
L
mC




F ′A
p
 T f ,e − Ta ) 

I


η = FR (τα ) e − FRU L 
mC p (T f ,e − T f ,s )
η=
AC I
Si la eficiencia η, se traza
en función de ( Tf,e - Ta )/I
, resulta una línea recta en
la cual la pendiente es FR
UL , cuando la curva se
intercepta con el eje y, se
tiene el valor máximo de
la eficiencia, FR (τα). FR
UL no es constante en
realidad, sino es una
función débil de la
temperatura de operación
del termocolector, además
FR (τα) varía con el
ángulo de incidencia de la
radiación solar

28. Eficiencia térmica

29. Absortancia-trasmitancia
Q ABS = I T ACτ CT α A cos θ i
(τα ) D = τα (θ I ) + τα d ρ d [1 − α (θ i )] + τα d ρ d [1 − α (θ i )](1 − α d )
2


τα (θ i )
α d 
=
1 − ρ d 1 −

1 − ρ d (1 − α d ) 
 α (θ i )  


τ dα d
(τα ) d =
1 − ρ d (1 − α d )
Las propiedades ópticas τCT y αA dependen
del ángulo de incidencia, el producto (τα)
decrece rápidamente cuando el ángulo de
incidencia θi es superior a 60º en función de la
disminución de τCT , la expresión anterior no
considera la fracción de la radiación que no
fue absorbida por el absorbedor y reflejada de
manera difusa hacia la cubierta transparente
que a su vez reenvía una parte hacia el
absorbedor, existiendo reflexiones
y
absorciones múltiples entre el absorbedor y la
cubierta .
Si se considera este efecto, entonces será
necesario reemplazar el producto ( τα) por el
producto (τα)D

30. Trasmitancia de cubiertas
En el diseño de los colectores es necesario considerar las propiedades ópticas de
las cubiertas, como el índice de refracción (n), el cual determina las pérdidas de
calor por reflexión de la cubierta y el coeficiente de extinción (K), el cual
determina las pérdidas térmicas debidas a la absorción . La relación de índices de
refracción para dos medios diferentes queda determinada por:
n seni
=
n' seni '
L'
L=
cos i '
Siendo L, la longitud de la trayectoria de la luz a través del material (numéricamente
igual al espesor cuando la luz incide normalmente). La transmitancia de la radiación
solar para una cubierta transparente, se puede calcular a partir de la relación
siguiente:
Siendo r la reflectividad
− KL  1 − r 
de la superficie, la cual
τ=e 

depende del índice de
 1+ r
refracción del material
25

31. Refracción y reflexión
Coeficiente de reflexión
1  sen2 (θ2 − θ1 ) tan2 (θ2 − θ1 )
+ 2
ρ=  2
2  sen (θ2 + θ1 ) tan (θ2 + θ1 )

Incidencia normal
θ1
Medio 1
Medio 2
θ2
n1sen θ1 = n2sen θ2
 n − n2 
ρ =  1
n1 + n 2 


2
Si el medio es el aire (n≈ 1)
y Suponiendo que n2 = n
 n − 1
ρ=
 n + 1

2

32. Efecto de múltiples reflexiones sobre
el factor de trasmisión de una cubierta
transparente
1
ρ
(1-ρ)2
(1-ρ)2ρ
(1-ρ)2ρ2
(1-ρ)2ρ3
(1-ρ)2ρ4

33. Trasmitancia de cubiertas
Sí i e i’ son los ángulos incidente y refractado, respectivamente,
entonces el índice de refracción queda determinado con la
relación:
sen i
n' =
sen i '
a incidencia normal
 n'−1
r0 = 

 n'+1
2
1  sen 2 (i + i ' ) tan 2 (i + i ' ) 
+
para otros ángulos de incidencia r =  2

2  sen (i + i′ ) tan 2 (i + i ' ) 
Para calcular la trasmitancia de un
sistema formado por n cubiertas, las
cuales tienen el mismo índice de
refracción
τ 1,2 ,...n = e
− ( K1 L1 + K 2 L 2 + ...K n Ln )

(1 − r) 


(1 + ( 2n − 1)r) 




34. Trasmitancia de cubiertas
Para dos cubiertas: τ12 = 1.006 τ1τ2
Para tres cubiertas:τ123 = 1.018 τ1τ2τ3
Para cuatro cubiertas: τ1234 = 1.035 τ1τ2τ3τ4
La cubierta transparente absorbe una parte de la radiación solar incidente,
pero esta energía absorbida no se pierde completamente ya que esta se puede
traducir en una mejora del rendimiento óptico ( o quizás por una disminución
de pérdidas térmicas).
A partir de balances térmicos tanto en la cubierta como en el colector y
definiendo a αCT como el coeficiente de absorción de la cubierta, el factor (τα)
se debe reemplazar por:
(τα ) eff
U CVa
= (τα ) + α V
UVa
Esta ecuación se puede aplicar tanto para la componente directa como la
difusa de la radiación solar. En general la corrección no es muy importante,
sólo de alguno 2 a 4%.

35. Transmitancia óptica del vidrio en función del
espesor y del ángulo de incidencia de la radiación
solar.
_________________________________________________________________
Espesor
(mm)
Transmitancia
en %
0º
50
300
450
600
750
3
86
86
86
84
77
54
4
85
84.5
84
82
75
54
5
83
83
82.5
80
73.5
51
6
81.5
81
81
78.5
72
50
30

36. Absortancia de cubiertas
Para una cubierta
Para dos cubiertas
Para tres cubiertas
Para cuatro cubiertas
FABS = 1.002 τ1 α
FABS = 1.012 τ1 τ2 α
FABS = 1.025 τ1 τ2 τ3 α
FABS = 1.050 τ1 τ 2τ 3 τ 4 α
Las cubiertas transparentes son al mismo tiempo superficies
absorbedoras, provocando un aumento pequeño en la temperatura de
la cubierta. La energía almacenada reduce la velocidad de pérdida de
energía hacia el exterior. Esta cantidad de energía absorbida es difícil
de evaluar, por lo tanto se le puede considerar como un “ incremento
artificial” de la transmitancia, definiéndose con esto el concepto del
producto efectivo de la trasmitancia - absortancia ( τα )ef , el cual se
puede calcular como:
(τα ) ef = FABS + a1 (1 − e− K1 L1 ) + a2 (1 − e− K2 L2 ) + a3 (1 − e− K3 L3 ) + a4 (1 − e− K4 L4 )
Los cálculos efectuados son considerando una incidencia normal de la radiación,
siendo necesario obtener correlaciones para otros ángulos de incidencia.

37. Coeficientes para el cálculo del producto efectivo (τα)eff
No. De Cubiertas
Coeficiente
1
a1
0.23
0.14
2
a1
0.17
0.10
a2
0.63
0.44
a1
0.13
0.08
a2
0.47
0.35
a3
0.76
0.58
a1
0.11
0.07
a2
0.39
0.30
a3
0.62
0.50
a4
0.83
0.67
3
4
Emisividad
cuerpo negro
(0.95)
Emisividad
cuerpo
selectivo ( 0.2)

38. Factor de ensuciamiento y sombreado
En términos generales, en localidades industriales se considera una
disminución global del 4% sobre la transmitancia y en otras zonas se
considera un valor promedio del 2%. En este caso se define un factor de
ensuciamiento Fe el cual es igual a (1-E), siendo E el porcentaje de
ensuciamiento sugerido, en un caso general Fe se toma como 1 - 0.02 =
0.98.
Sí la radiación solar no incide normal al plano del colector, tanto las
paredes laterales de la caja como los soportes de las cubiertas llegan a
sombrear parte de la superficie absorbedora. Cálculos detallados de las
pérdidas de energía captada debido al sombreado indican que para ángulos
de incidencia mayores de 45º , el efecto neto de pérdidas por sombrado es
del 3%.
En el caso del sombrado debido a los soportes intermedios de la cubierta,
también se deben tomar en cuenta en el balance térmico del colector solar.
Debido a estos soportes, el área neta de absorción es por lo general de un 2
a un 4% más pequeña que el área total del absorbedor.
Para fines de ingeniería, se supone un factor de sombreado FS = 1-S, en
donde S representa la fracción de sombreo, resultando para el caso general
un valor de FS = 0.97 al mediodía, el cual varía con respecto al ángulo de
incidencia.

39. Efecto de múltiples reflexiones absorbedorcubierta
Las múltiples reflexiones intervienen también en el balance global de absorción
solar de la superficie absorbente. Para una unidad de energía solar solo la
fracción αp* se absorbe, el resto; (1- αp* ) se refleja..
Esta fracción se va a reflejar
sobre la cubierta siendo el
Cubierta transparente
coeficiente de reflexión ρc.
Una cantidad de energía
igual a (1-αp*)ρc* va a
alcanzar la superficie
1
absorbente que almacenará la
cantidad; (1-αp*)ρc*αp*
Absorbedor
α∗
p
αe =
1 − (1 − α ∗ )ρ c
p
α*
(1-αp*)ρc*αp*
(1-αp*)2ρc*2 αp*

40. Energía neta absorbida, Q’ABS
La cantidad neta absorbida Q’ABS se puede calcular a partir de la
siguiente relación:
Q ' ABS = [(τα )ef (1 − E )(1 − S )]I D + [(τα )ef (1 − E )(1 − S )]i =500 I d
I
(τα )ef (1 − E )(1 − S )i =500 I d 
= [(τα )ef (1 − E )(1 − S )]I  D +
+ 
(τα )ef (1 − E )(1 − S ) I
I 
I
En días claros, la radiación difusa representa entre un 8 y 10 % y en áreas
húmedas o industriales son de aproximadamente el doble. El valor numérico
del término enmarcado por paréntesis cuadrado es cerca de 1 y con
frecuencia de 0.98. Simplificando para fines prácticos:
Q ' ABS = 0.98[(τα )ef (1 − E )(1 − S )]i I = fI
35

41. Energía neta absorbida, Q’ABS
Es importante mencionar que no toda la energía que incide
sobre el colector proviene del sol, cerca de un 10% llega de la
atmósfera con ángulos de incidencia diferentes, por lo general
provenientes del albedo o emisiones de los componentes
gaseosos en el aire. Para determinar todos los factores que
intervienen en la trasmitancia, se supone un ángulo promedio
de incidencia de 50º ( En un cielo uniforme, el ángulo teórico
de incidencia para un colector colocado horizontalmente es de
58º ). Hay que considerar el hecho que el cielo no tiene una
brillantez uniforme.

42. Energía neta absorbida, Q’ABS
con (1-E) = 0.98 y (1-S)I=0
[
Q' ABS = 0.93 (τα ) ef i = 0
 (τα ) ef   (1 − S )i 


 I = fI
(τα ) ef i = 0   (1 − S )¡= 0 




]
en donde f representa la fracción de la radiación solar incidente
utilizable que es absorbida por el colector. Para fines prácticos se
propone para todas las horas del día, la siguiente ecuación::
[
]
Q ' ABS = 0.85 (τα ) ef i = 0 I = fI

43. Temperaturas de los componentes de un termoconversor
que intervienen en el rendimiento térmico
cielo
TC
aire
Ta
cubierta
aire
absorbedor
aislamiento
aire
Tc
a
b
Ta
TA
Tais
Ta

44. Perdidas térmicas en los termoconversores
• Las pérdidas térmicas en un captador solar se llevan a cabo por
medio de los procesos conocidos de transferencia de calor, ya
que la superficie absorbedora está más caliente que las
condiciones de los alrededores.
• Estas pérdidas de calor se llevan a cabo hacia arriba a través
de las cubiertas transparentes, a los lados y hacia abajo a través
del aislamiento térmico lateral y posterior.
• Los factores que determinan el flujo de calor hacia arriba a
través de las cubiertas transparentes son: la temperatura del
absorbedor, la temperatura del aire ambiente, el número de
cubiertas transparentes y su espaciamiento, el ángulo de
inclinación del colector con respecto a la horizontal, la
velocidad del viento sobre la cubierta y la transmisión de la
radiación de longitud de onda larga de las películas y placas
plásticas que se usan como cubiertas en lugar del vidrio.

45. radiativas
Pérdidas de calor
en un
termoconversor
convectivas
conductivas
40

46. Conducción
• En los medios materiales donde existe un gradiente de temperatura, existe
un mecanismo de transferencia de calor de las regiones calientes a las
regiones frías, en donde no intervienen ni la radiación, ni los
desplazamientos macroscópicos de la materia: es la conducción. En el
gas, las moléculas de las regiones calientes que posen más energía
cinética pierden una parte de esta energía por colisión con las moléculas
de energía cinética más débil, cuando penetran en las regiones frías.
Desde un punto de vista macroscópico, hay así una transferencia de calor.
En los líquidos, el proceso es así similar, pero las moléculas están mas
próximas y es evidentemente más complejo. En los sólidos, la energía es
transportada por los electrones libres y las vibraciones de la red cristalina.
• La potencia calorífica trasmitida por conducción a través de un elemento
de superficie dS situado al interior de una material, donde existe un
gradiente de temperatura esta dado por la ley de Fourier:
dq = − kgradTndS
q = − kSdT / dx
Donde k es la conductividad térmica del material (en W/Mk) y n es el
vector unitario llevado por la normal a dS

47. Conducción
T1
T2
a
a
T4
T3
b
b
c
c
0
x1
x2
x3
ka S
kb S
(T1 − T2 ) = (T2 − T3 ) =
q=
La
Lb
x
x4
kc S
Lc
 L
L
L 
T1 − T4 = q a + b + c 
k S k S k S
b
c 
 a
(T3 − T4 )

48. Analogía eléctrica
R = Ra + Rb + Rc
q = δT / R
1
1
1
1
=
+
+
R Ra Rb Rc
q = USδT
Coeficiente global de transferencia de calor por conducción
1
k
U=
=
SR L
Ecuación general de conducción
δT
ρc
= P + div (kgradT )
δt
Con ρ la masa volumétrica del medio, c el calor específico, P potencia
disipada bajo forma de calor en el seno del medio (efecto Joule por ejemplo)

49. Convección
La convección es un mecanismo de transferencia de calor en los fluidos que
implica los movimientos del medio a escala macroscópica. Según el origen
de estos movimientos es natural o al contrario impuesta por fuerzas
exteriores, distinguiéndose la convección natural y la convección forzada.
Existiendo los casos mixtos en donde estos dos tipos de convección
coexisten.
Cualquiera que sea el tipo de convección, la potencia térmica dqc
intercambiada entre el fluido y un elemento de superficie dS del sólido, se
representa por:
d q c = hc (Ts − T f )dS
Donde: hc es el coeficiente local por convección (W/M2 K), Ts y Tf las
temperaturas del elemento de la superficie y del fluido no perturbado,
respectivamente

50. Convección
El coeficiente hc depende de la densidad del fluido, de su viscosidad, de su
velocidad y de sus propiedades térmicas (conductividad, calor especifico).
Para una superficie sólida de dimensión finita:
qc = Sh (TS − T f )
Donde hc es e coeficiente promedio de intercambio por convección.
Como en el caso de la conducción, se puede utilizar una analogía eléctrica e
introducir la resistencia térmica por convección:
1
Rc =
hc S
45

51. Números adimensionales
Reynolds
El número de Reynolds Re esta definido por:
ρv L
Re =
µ
Masa volumétrica, ρ, viscosidad µ, v velocidad y L, la dimensión
característica.
Para un flujo al interior de una tubería, se utiliza la dimensión
característica el diámetro hidráulico DH igual a cuatro veces la relación
de la sección interna del conducto a su perímetro. Por ejemplo, para
una tubería rectangular en donde las dimensiones internas son a y b,
el diámetro hidráulico es:
2ab
DH =
(a + b )

52. Números adimensionales
Desde un punto de vista físico, el Número de Reynolds se puede expresar
como la relación entre la densidad de la energía cinética en la corriente y
una densidad de energía ligada a las fuerzas de viscosidad.
ρv 2
Re =
µv / L
Se concibe que, para bajos valores de Re las fuerzas de viscosidad sean
suficientes para estabilizar el flujo que ahora es laminar. Por el contrario,
cuando el Re es grande, la densidad de energía cinética es tal que el flujo se
convierte en turbulento. De acuerdo a la experiencia, si el flujo en los
conductos es laminar, el Re ≤2100 y completamente turbulento cuando Re≥
6000

53. Números adimensionales
Nusselt
Este número es la relación entre la transferencia de calor real
en el fluido y la que sería si solo hubiera la conducción
operará:
hc L
Nu =
kf
Donde kf es la conductividad térmica del fluido. Para Nu = 1 la
transferencia se hace sólo por conducción.

54. Números adimensionales
Prandtl
Este número relaciona la difusividad mecánica del
fluido, definida por:
νm = µ / ρ
Pr =
νm
a
=
µc p
kf
a = k f / ρc p

55. Números adimensionales
• Grashof
En convección natural , la velocidad del fluido no es conocida a priori y no
se puede utilizar el número de Re , por lo que se introduce el número de
Grashof:
ρ 2 gβ (T1 − T2 )L3
Gr =
µ2
g es la aceleración de la gravedad y β la dilatación volumétrica del fluido (β=1/T
para un gas perfecto). Las temperaturas dependen del sistema considerado.
Físicamente, el número de Grashof se puede interpretar como la relación del
producto de la densidad de energía cinética (α ρv2 ) por una densidad de energía
ligada al impulso de Arquímedes ( α ρβ(T1-T2) al cuadrado de la densidad
energética ligada a la viscosidad (α µv/L)
50

56. Números adimensionales
Rayleigh
Este número interviene frecuentemente y es el producto del
número de Grashof y del número de Prandtl
Ra = Gr Pr

57. Convección natural
• Convección natural entre dos planos paralelos a temperaturas T1 y T2.
Cuando la inclinación s de los planos sobre la horizontal es inferior a 75º:
0

1708   (sen1.8s ) 1708   Ra cos s 
1 −
 1 −
N u = 1 + 1.44

 + 
Ra cos s  
Ra cos s
5830 


 

1.6
1/ 3

− 1


0
Donde el exponente 0 significa que el término entre paréntesis debe de
tomarse igual a cero si el es negativo. Para las inclinaciones 75º < s < 90º
[
N u = max 1;0.288( AsensRa ) ;0.039(sensRa )
1/ 4
1/ 3
]
Donde A es la relación entre la separación L de los dos planos y la longitud
del lado inclinado. En estas ecuaciones las propiedades del fluido se calculan
para una temperatura promedio

58. Convección natural
• Convección natural sobre una placa plana
Para una placa plana de longitud L llevada a una temperatura Tp e inclinada
un ángulo s sobre a horizontal, a la presión atmosférica:
 (Tp − Ta )sens 
hc = 1.42

L


1/ 4
Donde Ta es la temperatura de la atmosfera . Esta relación es válida si 10 4< Gr
< 109 Si Gr > 109 se debe reemplazar por:
[
hc = 0.95 (Tp − Ta )sens
]
1/ 3
Convección natural en un cilindro horizontal
Nu = 0.53(Gr Pr )
1/ 4
Para un cilindro vertical se puede aplicar la ecuación para superficies planas
Convección natural en una esfera
N u = 2 + 0.45(Gr Pr )
1/ 4

59. Convección forzada
• Flujo laminar en conductos. Siendo un conducto de diámetro hidráulico Dh
y una longitud L. Cuando RePrDh/L > 10, se obtiene:
Dh   µ m 


N u = 1.86 Re Pr
 
L   µp 



1/ 3
0.14
Con µm y µp las viscosidades d a la temperatura media del fluido y a la
temperatura de la pared. Para conductos cortos, cuando RePrDh/L > 100, se
tiene:


N u = Re Pr
Dh
1
Log 
− 0.167
4L
(Re Pr Dh / L )− 0.5 
1 − 2.654 Pr

En las aplicaciones solares, la velocidad de desplazamiento del fluido puede
ser suficientemente baja para que la convección natural sea significativa, lo que
se produce cuando L/D > 50 Y Gr/Re2 < 10. La ecuación propuesta es:
µ 
N u = 1.75 m 
µ 
 p
0.14
4/3
R P
 Gr1 / 3 Re Pr Dh  
 
 e r + 0.012
 

L
 L

 

1/ 2
Donde la diferencia de temperatura a introducir en el cálculo del número de
Grashof es entre la temperatura de las paredes y la temperatura promedio del
fluido

60. Convección forzada
Ecuaciones simplificadas
Aire a presión atmosférica en un conducto largo:
hc = 3.5
V 0.8
Dh
0.2
Para
300 < T< 380 K
• Aire a presión atmosférica entre dos placas distantes
hc = 2.6
V 0 .8
Dh
Para
300 < T< 380 K
0.2
• Agua en un conducto largo de diámetro D
hc
(0.02T − 4.06)V 0.8
= 1056
Para 278 < T< 378 K
D 0.2
55

61. Convección forzada
• Flujo laminar sobre una placa plana
Este caso tiene una importancia práctica ya que se trata de edificaciones y
de captadores solares expuestos al viento; la relación es:
hc = 5.7 + 3.8V
Este coeficiente así calculado tiene cuenta de la convección natural y
de las pérdidas por radiación y se propone de reemplazarlo por:
hc = 2.8 + 3.0V
• Flujo alrededor de un cilindro en donde el eje es perpendicular
N u = 0.46 Re
Cuando Re > 500
1/ 2
+ 0.00128Re

62. Pérdidas de calor a través de las cubiertas
transparentes
La cantidad total de calor perdida, se puede calcular por medio de una
expresión linearizada :
QP = U C AC (TC − Ta )
con esta relación se supone que la temperatura del absorbedor es
uniforme y UC representa el coeficiente global de pérdidas del colector.
Las pérdidas de calor hacia arriba a través de las cubiertas se lleva a
cabo entre la superficie absorbedora y la cubierta y de esta hacia el
ambiente, que es el caso mas general. En el caso de tener varias
cubiertas habría que considerar el intercambio térmico entre ellas y la
última con el ambiente. Como caso general se considera un colector
solar con una sola cubierta y un absorbedor aislado.

63. Pérdidas de calor a través de las cubiertas
transparentes
Las pérdidas de calor entre la cubierta y el absorbedor se hacen por conducciónconvención y por radiación:
QC −V = AC hCC ( TC − TV ) + ACε CV σ S ( T
4
C
−T )
4
V
en donde TV es la temperatura del vidrio, hCC el coeficiente de
intercambio térmico por conducción-convección, εCV , la emisividad
colector vidrio, la cual se expresa por:
1
ε CV
=
1
εC
+
1
εV
−1
en donde εC y εV , representan respectivamente las emisividades del
colector y del vidrio. La ecuación anterior se puede escribir bajo la forma:
QC −V = AC ( hCCV + hRCV )( TC − TV )

64. Pérdidas de calor a través de las cubiertas
transparentes
Con:
2
2
hRCV = σ S ε CV ( TC + TV )( TC + TV )
Sino se considera la energía absorbida en el vidrio, la energía transferida
del absorbedor hacia el vidrio y de este hacia el ambiente, se puede
expresar como:
QC −V − a = AC ( hCVa + hRVa )( TV − Ta )
donde hCVa es el coeficiente de pérdidas de calor por convección debidas
a la presencia del viento y hRVa , esta dado por:
hRVa = ε V σ S ( Tcielo + TV )( T
2
cielo
TV − Tcielo
+T )
TV − Ta
2
V

65. Pérdidas de calor a través de las cubiertas
transparentes
Al cielo se le considera como un cuerpo negro radiando a la temperatura Tcielo
Tcielo = 0.0552 Tamb 1.5 (K)
Entonces, el coeficiente total de pérdidas del colector al vidrio es:
U CV = hCCV + hRCV
y, el coeficiente total de pérdidas del vidrio al ambiente es:
UVa = hCVa + hRVa
el coeficiente total de pérdidas del colector hacia el ambiente a través
de las cubiertas es:
1
U CVa
1
1
+
+
U CV UVa
60

66. Pérdidas de calor a través de las cubiertas transparentes
por lo tanto la ecuación general del calor perdido del colector a través de
la cubierta de vidrio es:
QCVa = ACU CVa ( TC − Ta )
Como se puede observar TV no está implícita en esta relación, sin
embargo como se ha observado, que esta incluida tanto en los
coeficientes de transferencia de calor convectivos promedios, así como en
los coeficientes de transferencia de por radiación.
El coeficiente UCVa se calcula de manera iterativa. Conociendo TC , se
calcula TV , y se deduce en coeficiente global utilizando la ec. QCVa. Una
vez conocidas estas pérdidas, la ec. QCV o la ec. QC-V-a , da una nueva
estimación de TV , de donde se calcula un nuevo coeficiente UCVa y así
hasta que los valores de TV derivados de estas dos iteraciones sucesivas
sean muy próximos.

67. Pérdidas de calor a través de las cubiertas
transparentes
Este método iterativo puede resultar muy laborioso, pudiéndose utilizar un
cálculo alternativo ( Duffie y Beckman, 1980), en donde se cuenta con un
relación empírica debida a Klein, la cual permite calcular el coeficiente UCVa
, para un dominio de temperaturas en el colector entre 0 y 200 °C, con un
error estimado inferior a ± 0.3 W/m2 °C:
−1
U CVa




N
1 
σ S ( TC + Ta )( TC 2 + Ta 2 )

=
+
e
 +
2 N + f − 1 + 01333ε C
.
hCVa
C  TC − Ta 
(ε C + 0.00591NhCVa ) −1 +
−N
 


εV


 TC  N + f 

siendo N el número de cubiertas transparentes y con:,
f = (1 + 0.089 hCVa − 01166hCVa ε C )(1 + 0.07866 N )
.

68. Pérdidas de calor a través de las cubiertas
transparentes
• con
 100
e = 0.43 1 −

TC 

520(1 − 0.000051s2 )
c=
c( 70)
para 0° < s < 70°
para
s ≥ 700

69. Calculo de la eficiencia térmica de un captador
solar
Calculo del coeficiente global de pérdidas
• Cálculo del coeficiente de convección natural entre la placa y el vidrio.
• Cálculo del coeficiente de intercambio térmico radiativo entre superficies
paralelas.
• Cálculo del coeficiente de convección entre el vidrio y el exterior.
• Cálculo del coeficiente de intercambio térmico radiativo entre el vidrio y el
cielo.
• Cálculo del coeficiente de intercambio térmico por conducción.
• Cálculo del coeficiente global de pérdidas térmicas
Cálculo de la eficiencia óptica
Determinación de la irradiancia solar
Cálculo de la eficiencia térmica instantánea
η = ηop
(T
−U
p
− Ta )
I

70. Anatomía de un captador solar plano
Marco
1. Marco
SelloSello
2.
Cubierta transparente
3. Cubierta transparente
Marco lateral
4. Marco lateral
Aislamiento térmico
5. Aislamiento térmico
Superficie absorbedora
6. Superficie absorbedora
Ductos para para el fluido
7. Ductos el fluido
Fijación
8. Fijación
CajaCaja protectora
9. protectora
65

71. Áreas en un captador
área de absorción
área de abertura
área total

72. Configuraciones de captadores planos
Absorbedor sin cubierta
c
Captador estandar
Captador con convección limitada
Captador con aislamiento térmico
transparente
Captador al vacío con pilares
Captador para calentamiento de aire

73. Superficie absorbedora
A
A)
B
C
Absorbedores formados por dos placas conformadas y soldadas entre sí.
B) Absorbedores constituidos por una parrilla de tubos unidos a una placa o
conjunto de aletas.
C) Absorbedores formados por una placa y un serpentín unido a la misma.

74. Propiedades ópticas de algunos
recubrimientos selectivos.
Recubrimien
to selectivo
Absortividad
solar
Emisividad
infrarroja
Cromo negro Acero,. cobre
0-91 – 0.96
0.07 – 0.16
Cobre negro Acero,. cobre
Aluminio
0.81 – 0.93
0.11 – 0.17
Níquel negro Níquel, acero
Óxidos de
aluminio
aluminio
0.89 – 0.96
0.90 -
0.07 – 0.17
- 0.40
Oxidos de
fierro
Sustrato
metálico
acero
0.85 -

75. Propiedades ópticas de cubiertas transparentes
Material plástico
transmitancia
Temperatura
máxima, ºC
Resistencia a la
intemperie
policarbonatos
0.73 – 0.84
100 – 130
De pobre a
media
poliésteres
0.80 – 0.87
140
De media a
buena
polietilenos
0.90
50
pobre
Polivinil fluoruro
0.92 – 0.94
160
De buena a
excelente
Fibra de vidrio
reforzada
0.77 – 0.87
90
buena
acrílicos
0.80 – 0.90
70 - 135
De media a
buena
70

76. Captadores solares planos

77. Captador solar plano de plástico (Polipropileno)
para el Calentamiento de agua a bajas
temperaturas

78. Durabilidad y fiabilidad.
• Entrada de agua en el interior del captador
• Degradación del tratamiento del absorbedor.
• Corrosión de la superficie absorbedora.
•
•
•
•
Corrosión galvánica
Corrosión por picaduras
Corrosión por esfuerzos
Corrosión biológica
• Degradación y ruptura de la cubierta.
• Degradación de los aislamientos térmicos
• Degradación del material de las juntas.

79. Criterios de diseño del colector.
• Rígidez de la caja protectora y la sujeción del
•
•
•
•
absorbedor, de forma que se evite su deformación y
pérdida de estanqueidad por fatiga térmica
Diseño de la fijación de la cubierta que permita
absorber las dilataciones e impida la entrada de agua.
Un proceso industrial de aplicación del recubrimiento
de la superficie absorbedora que garantice su calidad
Selección del material de juntas de forma que se
asegure el cumplimiento de las normas de prueba de
estos materiales.
Control de calidad de las especificaciones del
aislamiento térmico utilizado.

80. Criterios de diseño del colector.
•
•
•
•
•
El material de la cubierta transparente en el caso del
vidrio sea normal o templado, el espesor de debe ser
inferior a 3mm y su trasmisividad mayor o igual a 0.8.
La distancia media entre la cubierta transparente y el
absorbedor no debe ser inferior a 2 cm ni superior a 4
cm.
En ningún caso, el recubrimiento del absorbedor se debe
de aplicar sobre acero galvanizado.
La caja protectora del captador deberá contener un
orificio de ventilación de un diámetro superior a los 4
mm colocado en la parte inferior, para poder eliminar
las posibles acumulaciones de agua. El agua deberá
drenarse sin afectar al aislamiento térmico.
Se sugiere no utilizar más de una cubierta transparente

81. Parte III
Tecnologías para aumentar la
temperatura y la eficiencia
de conversión
75

82. Aumento de los aislamientos
térmicos
• Convectivos (cubiertas transparentes)
• Radiativos (recubrimientos selectivos
internos; en el absorbedor y en las cubiertas.
• Conductivos (aislamientos de mejor calidad
y aumento del espesor)

83. Aumento de aislamientos térmicos

84. Tecnologías para aumentar temperatura
y eficiencia
Disminución de las pérdidas convectivas
• Barreras anticonvectivas
• Disminución del contenido de aire interior
• Dispositivos concentradores

85. Barreras anticonvectivas
Si las cubiertas se cortan en una
cierta longitud y se colocan
perpendicularmente a la
superficie, resulta que en el caso
de cubiertas paralelas la radiación
reflejada sale de la superficie
absorbedora Cubierta exterior,
mientras que en el caso
perpendicular se dirigen hacia el
absorbedor y no se pierden. Por
otro lado, debido a que las
particiones se pueden hacer
bastante delgadas, las absorciones
en las particiones se pueden evitar
con el resultado neto que la
transmisión solar del aislamiento
convectivo puede ser bastante alta.
Radiación solar
Cubierta exterior
Superficie absorbedora

86. Barreras anticonvectivas
Considerando que están debidamente
diseñadas las particiones verticales,
estas pueden suprimir las corrientes
de convección natural. Si son de un
material opaco a la radiación de
longitud de onda larga, pueden
también substancialmente reducir
las pérdidas radiativas del
absorbedor. Si son transparentes, se
debe usar una superficie selectiva
en el absorbedor y las particiones
verticales se usarán solamente para
suprimir la convección. En un
principio la forma de las particiones
fue hexagonal, teniendo la forma de
un panal, por lo que originalmente
este tipo de captadores se le conoce
con el nombre de captadores
solares planos tipo panal, la figura
Barrera anticonvectivamuestra un
ejemplo de este tipo de captador
solar.
Cubierta
transparente
Barrera
anticonvectiva
absorbedor
Aislamiento
80

87. Parte IV
Captadores solares a vacío

88. Captadores solares al vacío
Un captador solar “al vacío” esta compuesto por una
serie de tubos transparentes por lo general de vidrio. En
cada uno de ellos hay un absorbedor que capta la energía
solar y un intercambiador para permitir la transferencia
de la energía térmica. A todos los tubos se les hace vacío
para disminuir en lo posible las pérdidas térmicas
convectivas de absorbedor, el cual contiene un tratamiento
selectivo para disminuir a su vez las pérdidas térmicas
radiativas (baja emisividad).

89. Transferencia de calor en función de la
presión

90. La presión requerida para lograr una capa estacionaria de
aire (presión reducida)
P=
0.29
Cosθ 1 / 2 (TA − Tc )1 / 2α 2 (1 + 2α )(100l )3 / 2
TA = Temperatura del absorbedor (K), Tc = Temperatura de la cubierta, α = 100/Tm
K, Tm = promedia aritmética de TA y Tc en K, l = distancia entre el absorbedor y la
cubierta . De la ecuación anterior, para un colector típico con l = 0.05 m, TA =
100ºC, Tc = 25ºC, θ = 45º, la presión requerida es, P = 0.0684 atm = 52 mmHg.
La dependencia de la conductividad térmica de la capa de aire con la presión, puede
cuantificarse a través del Número de Knudsen ( Kn):
Kn = L /l
En donde L es el camino libre medio de las moléculas, que para el caso
del aire se puede considerar como una buena aproximación la relación
siguiente:

91. T m  P0 
L = L0


T0  P 
L0 = 6.38 X 10-8m, T0 = 288 K, P0 = 1atm, P = Presión de operación,
en atm., K0 = conductividad térmica del aire a presión atmosférica. La
conductividad térmica del aire es independiente de la presión para
valores P ≥ 1 atm. Sin embargo, para valores de Kn ≥ 10, K es
proporcional a la presión y a la distancia (l) y se calcula por medio de la
relación siguiente:
K0
K =
L0
P
l
P
 0
 T0

 T
 m




1/ 2
De tal manera que en este régimen, el coeficiente de transferencia de
calor es:
K
hc =
l
85

92. El coeficiente global de pérdidas para un colector
evacuado
 1
1
1 

+
+
UL = 
h +h
h'cd h'r + h'cv 
cv
 r

−1
en donde:
hr =
hcv =
h’cd =
h’r =
h’cv =
coeficiente de radiación (absorbedor-cubierta).
coeficiente de convección (absorbedor-cubierta).
coeficiente de conducción en la cubierta transparente.
coeficiente de radiación (cubierta-ambiente).
coeficiente de convección (cubierta-ambiente).

93. Análisis comparativo
Colector plano
1 cubierta ε =0.95
hcv
hcd
hr
h’cv
h’r
UT
UB
UL
3.24
-----6.74
9.50
5.00
5.90
0.72
6.62
TA = 100ºC,
Colector plano
1 cubierta ε =0.1
Colector evacuado
ε =0.1, P=10-4 Torrs
3.24
-----0.58
9.50
5.00
3.02
0.72
3.74
Ta = 20ºC,
Tc = 25 0C
-----0.06
0.58
9.50
5.00
----------0.62
v = 1ms-1
h = w/ºcm2

94. Captadores solares al vacío
Normalmente la presión al
interior debe ser del orden de <
10-3 Pa, para eliminar la
transferencia de calor por
convección, por lo que debe
estar completamente hermético.
Con el objeto de controlar la
permanencia de este vacío,
algunos fabricantes colocan un
compuesto de bario, que
deposita una capa metalizada
sobre el interior del tubo
durante su fabricación. Esta
capa plateada de bario se
convierte en blanca en contacto
con el aire, sirviendo así como
testigo de la pérdida del vacío.

95. Clasificación
• Captador solar a vacío con circulación
directa.
• Captador solar a vacío con caloriducto
• Captador solar a vacío con efecto
"Termo"
• Captador solar a vacío tipo "Schott"

96. Captadores solares con tubos evacuados
• Una técnica para disminuir las pérdidas convectivas
consiste en evacuar el aire que rodea al absorbedor, en
este caso; a estos captadores solares se les conoce con el
nombre de; “captadores solares evacuados.
• El captador solar evacuado más conocido consiste en un
tubo de vidrio ( boro silicato), en cuyo interior se coloca un
absorbedor solar de placa plana unido a un tubo en donde
circula el agua a calentar y que cuenta además con un
recubrimiento selectivo.
• Existen comercialmente dos tipos de colector solar
evacuado,: los del tipo vidrio-vidrio y lo del tipo vidriometal.
90

97. Tubo evacuado tipo vidrio-vidrio
El colector solar evacuado consiste de dos tubos concéntricos de vidrio,
por lo general de material de borosilicato. Los tubos están unidos entre si
y durante su fabricación, (a la sección anular que los separa), se les extrae
la mayor parte del aire, hasta alcanzar una muy baja presión, lo cual
actúa como un aislante térmico En la superficie exterior del tubo interior
se deposita una superficie selectiva y el agua circula y se calienta dentro
de este tubo. La figura 6, muestra un diagrama de un captador solar
evacuado vidrio-vidrio.
Sección evacuada
Vidrio exterior
Agua caliente
Agua fría
Agua caliente
Vidrio exterior con recubrimiento absorbente

98. Tubo evacuado tipo vidrio-metal
El diseño mas común del tipo vidrio-metal, consta de un
absorbedor metálico de placa plana con recubrimiento
selectivo encerrado en un tubo de vidrio de borosilicato
unido al metal por medio de una junta de expansión para
amortiguar las diferencias en la dilatación térmica. Se extrae
el aire al interior hasta alcanzar un vacío suficiente para
reducir al máximo las pérdidas de calor por convección
Tubo metálico para
transporte del agua
Aleta metálica absortiva
Junta de
expansión vidrio
metal
Agua caliente
Agua fría
Agua caliente
Envolvente de vidrio
Sección evacuada

99. El captador a vacío con circulación
directa
Esta técnica fue la primera en
desarrollarse hace más de 30 años,
con el objeto de mejorar la
eficiencia del captador plano
normal. La concepción del
absorbedor y los ductos de
circulación del fluido térmico son
como las del captador plano, con
la diferencia que las entradas y
salidas son estrechas para poderse
introducir al interior de un tubo de
vidrio, en cuyo interior el aire se
evacua, haciendo el vacío
necesario y cerrando
posteriormente de manera
hermética. Existen en versiones
vidrio-vidrio y metal-vidrio, en
donde la complejidad radica en la
formulación de los sellos vidrio/
metal.

100. El captador solar a vacío con caloriducto
•
La diferencia con un captador solar a
circulación directa es que el intercambio de
calor se lleva a cabo siguiendo un mecanismo
natural de evaporación y de condensación de
un fluido. Este dispositivo de intercambio
térmico se llama caloducto o caloriducto o
por su nombre en ingles: heat pipe. El
caloriducto esta en contacto con el
absorbedor y permite transferir el calor
captado fuera del tubo para calentar un
fluido en el captador. En todos los casos
existe una unión vidrio/metal hermética. Los
caloriductos deben estar inclinados para
permitir la termocirculación del fluido en el
caloriducto.
1. Captador aislado al interior de la envolvente de
protecció, 2. Condensador del caloriducto, 3.
Circulación del agua en el captador, 4. Tubo de acero
hermético, 5. Absorbedor , 6. Liquido descendiendo
7. Vapor subiendo, 8. Tubo de vidrio al vacío
90

101. Tubo evacuado con caloriducto

102. Calodiructos o heat pipes

103. Módulo de captadores solares del tipo tubos evacuados,
con intercambiador de calor de cambio de fase
(caloriductos)

104. Ficha técnica
Model
NSC-70-10 A NSC-70-15 A
NSC-70-20 A
Number of Tubes
10
15
20
Gross Area
2.27 m2
3.27 m2
4.26 m2
Absorber Area
1.04 m2
1.56 m2
2.08 m2
Weight
45 kg
60 kg
80 kg
Technical Data:
Max Working Pressure
6 bar
Max Stagnation Temperature
250℃
Absorber Coating
SS-ALN-CU (σ>0.96 ε<0.05 )
Long-term Vacuum
10-8 bar
Manifold Shell
Frosted Aluminum Alloy (Grey or Black painting)
Insulation
Rock Wool, 50mm thickness, 180kg/m3
Frame
Stainless Steel or Aluminum Alloy
Recommended Installation
Angle
15°~ 90°

105. El captador solar a vacío con efecto
"Termo"
En esta tecnología se aplica el principio de
una envolvente al vacío que se utiliza para
conservar bebidas calientes, conocida
como botella Termos. El tubo interior
funciona como absorbedor, ya que su
superficie es tratada para ser absorbente y
selectiva, emitiendo poca radiación en el
infrarrojo. El calor es trasmitido fuera de
la envolvente al vacío del tubo por la
circulación de un fluido en contacto el
absorbedor o por un caloriducto. A este
tipo de captador también se le conoce con
el nombre de “Sydney”, debido a que esta
técnica fue desarrollada por primera vez
en la Universidad de Sydney en Australia.
Actualmente es una tecnología china,
considerada como "Hi-Tech" , en Europa,
representando cerca del 65% del mercado
chino. Su fabricacion se ha simplificado,
ya que no hay soldaduras vidrio/metal. Sin
embargo, son frágiles en la parte de su
unión con el termotanque, en donde la
parte exterior e interior de cada tubo se
juntan.
Recubrimiento selectivo
Tubo exterior
Tubo interior
95

106. tecnología de colectores parabólicos
compuestos
COMO ES LA INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON EL CPC
NO REQUIERE DE SEGUIMIENTO SOLAR
vidrio
ABSORBEDOR
Absorbedor
CON CAMPANA
caja
CAPTA LA RADIACIÓN DIRECTA Y DIFUSA
aislamiento

107. Captadores solares al vacío con
concentración óptica
Conductor
del calor
• En algunos casos se
integra a este tipo de
capatadores los reflectores
del tipo de concentradores
parabólicos compuestos,
CPC, ya que como la
superficie del absorbedor
es cilíndrica cubre la
totalidad de la superficie
del tubo interior. Así la
cara al sol puede captar la
radiación directa y la parte
oculta la radiación por
reflexión.
Tubo al vacío
reflector
Superficie
selectiva

108. Tecnología de captadores solares con tubos evacuados
Estos equipos al trabajar al vacío Tubo al Vacío
tienen menos pérdidas térmicas
por convección
entrada
47 < T < 190 OC
Absorbedor de tubo con
placa, tipo estacionario
vidrio
agua
vacío
salida

109. Campo de tubos evacuados

110. SISTEMAS DE
CALENTAMIENTO SOLAR DE
AGUA CON TUBOS
EVACUADOS
100

111. Sistemas de calentamiento solar de agua
para uso doméstico

112. Eficiencias de conversión para diferentes tecnologías
termosolares
E
F
I
C
I
E
N
C
I
A
Diferencia de temperaturas entre el captador solar y el ambiente
Captador solar plano
Calentamiento de piscinas
Captador evacuado
Calentamiento de agua y de espacios
Calor para procesos
Captador para piscina

113. CARACTERÍSTICAS DE TERMOCONVERSORES SOLARES
Tipo de captador
solar
Dominio de
temperatura
Costo internacional,
usd
Plano de plástico
30 - 45
Plano con superficie
selectiva
30 – 100
Plano de metal
30 – 80
Plano evacuado
60 – 120
Plano con barreras
anticonvectivas
transparentes
60 – 100
Cilíndrico – parabólico
compuesto
100 – 250
390
Cilíndrico Parabólico
200 – 400
405
Costo en
México, mn
550 -650
357
950 -1700
390
2000 - 3000

114. Tecnologías solares de
alta temperatura

115. Tecnologías solares
Captador plano doble
cubierta, antreflectivas
(80-150 °C)
concentrador parabólico
compuesto, estacionario,
(80-110 °C)
Concentrador de
canal parabólico con
cubierta (100-200 °C)

116. Tecnologías
solares
captador de canal parabólico modular,
(130 – 300 °C)
Captador de canal parabólico
Con cubierta, (80-300 °
C)
Captador de canal parabólico (100-200 °
C)

117. Tecnologías solares
Captador de canal con foco fijo
(100-200 °
C)
Concentrador lineal tipo Fresnel
(100-400 °
C)
Concentrador de canal parabólico
Combinado :calor-potencia 80-150 °
C

118. Parte V
Inclinación y orientación

119. Orientación e inclinación

120. Sur geográfico
• Círculos indios
• Observación de la estrella
polar
• Brújula
105

121. NORTE
PRIMERAS HORAS
90º
OESTE
ESTE
SUR
Trayectoria solar
Círculos indios

122. Declinación magnética
Líneas isogónicas en la Tierra
La declinación magnética es el ángulo formado entre la
meridiana geográfica (o norte geográfico) y la meridiana
magnética (o norte magnético). Cuando ese ángulo se
presenta al oeste del norte geográfico, se habla de
declinación oeste y en el caso opuesto se habla de
declinación este.
Dado el carácter dinámico del campo magnético
terrestre, la declinación también es cambiante, y para
un mismo lugar la declinación medida en una fecha es
distinta a la medida en otra fecha distinta, pese a
tratarse del mismo punto de la superficie terrestre. Esta
variación se mide en una tasa anual, que establece en
qué magnitud angular la declinación variará y en qué
sentido será el giro (hacia el este o el oeste)

123. Declinación magnética en la República Mexicana

124. Declinación magnética
Variación de la declinación magnética en el año 2006
Ciudad de México
Longitud oeste: 99° 08’
Latitud norte: 19° 26’
Fecha
Declinación
1 de enero
5° 59’ E
1 de junio
5° 56’ E
1 de diciembre
5° 53’ E
Ciudad de Temixco, Morelos
Longitud oeste: 99° 13’ 48”
Latitud norte: 18° 51’
Fecha
Declinación
1 de enero
6° 02’ E
1 de junio
6° 00’ E
1 de diciembre
5° 57’ E
Variación anual 0° 6’ hacia el oeste

125. Análisis de sombras
• En las instalaciones solares es muy importante realizar un
análisis de la proyección de sombras sobre el sistema debido a
los obstáculos adyacentes, como la posibilidad de nuevas
construcciones anexas y el crecimiento de árboles y plantas y
por las mismas hileras de captadores y termotanques.
• El criterio generalmente aceptado es que las sombras
proyectadas por lo captadores sobre total de la instalación no
deben superar el 10% de la superficie de captación al mediodía
del solsticio de invierno. Este criterio debe ser ajustado por el
diseñador para cada caso particular.
• La distancia entre filas de captadores no deberá ser inferior a la
obtenida por la siguiente expresión:
D = kh
En donde k es un coeficiente en función de la inclinación y h es
la altura del colector.
110

126. Análisis de sombras
Inclinación
20º
25º
30º
35º
40º
45º
50º
k
1.532
1.638
1.732
1.813
1.879
1.932
1.970
La distancia entre la primera fila de captadores y algún
obstáculo que pueda producir sombra sobre la
instalación, deberá ser superior al obtenido por la
siguiente expresión:
d = 1 . 732 h
Donde h es la altura del obstáculo.

127. Cálculo para evitar el sombreado
sobre un captador solar
A.
1.
2.
3.
Determinación del ángulo α:
Medir la distancia d
Medir la altura h
Calcular α
h
α
d
B. 1. Conociendo α (se toma como valor la altura solar mínima durante el año;
siendo el 21 de diciembre a la 12:00 h, tiempo solar) 2. Conociendo el valor de
h, 3. Se calcula d que es la distancia mínima que hay que colocar el captador
para evitar el sombreado.

128. Espaciamiento entre captadores
 seni

X = L
 tanh + cos i 

m


L
i
hm
X1
X2
X

129. Efecto de sombreado
a
P
El ángulo límite al este:
tan-1(c/b) = e
El ángulo límite al oeste:
tan-1(d/b) = f
La altura angular al meridiano (e):
tan-1(a/√b2 + c2) = g
y en el plano del meridiano (f):
tan-1(a/ √b2 + d2) = h
S
c
P
b
h
g
d
(Vista de arriba)
f
ee
f

130. Muchas Gracias por su atención