Investigación experimental de campo sobre el rendimiento energético y exérgético de un novedoso colector solar térmico de aire

Convertir la luz solar en aire caliente útil

Mantener las viviendas calientes, secar alimentos o precalentar el aire fresco para edificios suele implicar quemar combustible o usar electricidad. Este estudio explora una alternativa más inteligente: un calentador solar de aire rediseñado que usa solo la luz del sol para calentar el aire en movimiento con mayor eficiencia. Al dar forma cuidadosamente a las piezas metálicas que guían el aire dentro del colector, los investigadores muestran cómo extraer más calor útil de la misma radiación solar—una idea que podría reducir las facturas energéticas y las emisiones en hogares, explotaciones agrícolas y pequeñas industrias.

Por qué importa mejorar la calefacción solar

Nuestro estilo de vida moderno depende en gran medida de los combustibles fósiles para calefacción, transporte y electricidad. Estos combustibles son finitos y una fuente principal de dióxido de carbono que calienta el clima. Los colectores solares de placa plana—esencialmente cajas poco profundas que atrapan la luz solar para calentar el aire—ofrecen una alternativa limpia para tareas como el secado de cultivos, la calefacción de espacios y el precalentamiento de la ventilación. Son simples y relativamente baratos, pero una debilidad importante les limita: la placa metálica caliente en su interior no transfiere su calor al aire que fluye tan eficazmente como podría, por lo que gran parte de la energía solar captada se desperdicia. Mejorar esa transferencia de calor es el objetivo de este trabajo.

Un nuevo diseño interior para colectores solares

El equipo construyó un sistema de prueba a escala real en exteriores en Malasia basado en un colector solar de placa plana. En su interior añadieron filas de nuevas aletas huecas en forma de "semi‑estadio"—piezas metálicas con forma de arco redondeado y un interior hueco—dispuestas en varios niveles escalonados. Cerca de la entrada de aire instalaron pequeñas barreras, como miniparedes, para agitar y redirigir el aire entrante de modo que roce más a fondo las superficies calientes. El aire realiza un doble paso: primero fluye por un canal, gira en una sección en forma de U y luego regresa por otro, recogiendo calor adicional en cada pasada. Esta combinación de aletas especiales, deflectores y disposición de doble paso está diseñada para aumentar el contacto entre el aire y el metal caliente sin que el sistema se vuelva excesivamente complejo.

Medir la ganancia de calor y el trabajo útil

Durante tres días soleados, los investigadores operaron el colector con tres caudales de aire diferentes—lento, medio y rápido—y midieron temperaturas en muchos puntos, así como niveles de radiación solar y condiciones meteorológicas. Luego calcularon dos tipos de rendimiento. El primero, llamado eficiencia energética, responde: "¿Qué fracción de la potencia solar entrante se convierte en calor transportado por el aire?" El segundo, denominado eficiencia exérgica, analiza cuánto de ese calor es realmente útil para realizar trabajo, como proporcionar un fuerte salto térmico para secado o calefacción. Para comprobar sus mediciones, también construyeron un modelo informático detallado del flujo de aire y la transferencia de calor y compararon sus predicciones con los datos de campo.

Qué revelaron los experimentos

El colector rediseñado alcanzó eficiencias energéticas de entre aproximadamente el 13% y el 72%, con el mejor valor—71,91%—dándose bajo radiación intensa (unos 800 vatios por metro cuadrado) y el mayor caudal de aire. En términos sencillos, con buen sol y un flujo de aire rápido, casi tres cuartas partes de la radiación solar incidente se convirtieron en calor útil en el aire de salida. Sin embargo, la historia cambia al mirar la exergía, la medida de cuán valioso es ese calor. La mayor eficiencia exérgica, 17,06%, se produjo con el caudal de aire más bajo. A caudales lentos, el aire pasa más tiempo en el interior y sale mucho más caliente, lo que es especialmente útil para tareas como el secado de alimentos o la calefacción de una estancia, aunque la potencia térmica total sea algo menor. A medida que el aire se mueve más rápido, se recoge más calor en conjunto, pero cada unidad de calor se vuelve un poco menos de "alta calidad" y la eficiencia exérgica disminuye.

Por qué este diseño es prometedor

Para el público general, la conclusión es sencilla: al remodelar las aletas metálicas dentro de un colector solar de aire y guiar el aire de forma más ingeniosa, este sistema extrae mucho más de la misma radiación solar que los diseños anteriores. A alto caudal es excelente captando grandes cantidades de calor de forma eficiente; a bajo caudal entrega aire más caliente que resulta especialmente útil para secado y calefacción de espacios. El hecho de que tanto los experimentos en exteriores como las simulaciones por ordenador coincidan—y de que el rendimiento supere a varios estudios previos—sugiere que este enfoque está listo para adaptarse a secadores solares reales, ventilación de edificios y otras necesidades de calefacción a baja temperatura, ayudando a desplazar el uso energético cotidiano hacia un futuro más limpio.

Cita: Rahmat, M.A.A., Ibrahim, A., Al-Aribe, K.M. et al. Field-based experimental investigation of energy and exergy performances of a novel solar thermal air collector. Sci Rep 16, 6621 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37250-2

Palabras clave: colector solar de aire, solar térmico, calefacción renovable, eficiencia energética, análisis de exergía