Investigación experimental de las características de energía y exergía de un novedoso colector solar con chorro de flujo circular invertido y vórtice

Por qué importa mantener frescos los paneles solares

Los paneles solares se están convirtiendo en una pieza clave de la energía limpia, pero tienen un punto débil: no soportan bien el calor. Cuando un panel se calienta al sol, su temperatura superficial sube y su capacidad para convertir la luz solar en electricidad disminuye de forma sostenida. Este estudio explora una nueva forma de mantener los paneles más fríos mediante canales de aire diseñados con ingenio bajo ellos, aumentando tanto su potencia como la cantidad de energía aprovechable que podemos extraer del sol.

Una nueva variante para enfriar paneles

La mayoría de los sistemas en tejados simplemente dejan la parte trasera del panel al aire. Los ingenieros saben que se puede mejorar empujando aire o agua por detrás del panel para evacuar el calor. El equipo de este trabajo se centró en el aire, que es gratuito, limpio y fácil de manejar. Partiendo de diseños anteriores de “impingimiento por chorro”, donde chorros de aire impactan en la parte trasera del panel, crearon un colector nuevo que añade un movimiento de remolino al flujo de aire. Pequeñas piezas con forma de copa, impresas en 3D con plástico, se colocan en una caja poco profunda bajo el panel. El aire entra en cada copa por un lateral, gira en su interior y luego sale en forma de chorro hacia la parte trasera de las celdas solares antes de abandonar el colector.

Cómo se probó el nuevo sistema

Los investigadores construyeron tres versiones de un pequeño sistema solar: un panel sin refrigeración especial, un panel con un colector estándar de flujo circular invertido por impingimiento (RCFJI) y un panel con el nuevo diseño en remolino, llamado SRCFJI. Los tres se probaron en interiores bajo luz solar artificial que se podía ajustar entre niveles de iluminación moderada y alta (500 a 900 vatios por metro cuadrado). También variaron la cantidad de aire impulsado a través del colector, desde una brisa suave hasta un flujo mucho más fuerte. Durante cada prueba midieron con cuidado las temperaturas del panel, la producción eléctrica, el calor extraído por el aire y cuánto de la energía solar entrante podría, en principio, convertirse en trabajo útil.

Paneles más fríos, mejor rendimiento

Los resultados mostraron un patrón claro: más flujo de aire significó paneles más fríos y mejor rendimiento; una radiación más intensa, aunque aumentaba la potencia bruta, también elevaba las temperaturas y acababa por perjudicar la eficiencia. En comparación con el panel sin refrigeración, ambos diseños por chorro redujeron significativamente las temperaturas superficiales, pero la versión en remolino fue la más eficaz. En la condición de prueba más extrema—alta radiación y flujo de aire fuerte—la superficie del panel sin refrigeración alcanzó casi 80 grados Celsius. El diseño estándar de chorro redujo eso en aproximadamente un 21,6 %, y el diseño en remolino llevó la reducción a cerca del 25,3 %, manteniendo el panel varios grados más frío. Este enfriamiento adicional se tradujo directamente en mayor eficiencia eléctrica y más vatios producidos.

Más allá de la simple eficiencia: energía útil

Para evaluar el sistema con más profundidad, el equipo también empleó un análisis de “exergía”, que estima cuánto de la energía capturada puede convertirse en trabajo práctico, tras contabilizar todas las pérdidas inevitables. Aquí de nuevo, el diseño en remolino salió favorecido. En comparación con un panel sin refrigeración, el colector SRCFJI aumentó la eficiencia de energía eléctrica en torno al 12 % y la eficiencia térmica en más del 4 %. En términos de exergía, el rendimiento eléctrico mejoró en aproximadamente un 11 %, y la fracción de calor que puede considerarse realmente útil creció cerca de un 5 %. La producción total de potencia del conjunto mejorado aumentó alrededor de un 22 % respecto al panel estándar solo.

Qué significa esto para futuros sistemas solares

Para quienes no son especialistas, el mensaje es sencillo: al rediseñar los canales de aire bajo un panel solar para que el aire gire y golpee la superficie trasera con más eficacia, podemos mantener el panel más frío y extraer más energía útil de la misma luz solar. El nuevo colector de chorro en remolino proporciona más electricidad y más calor aprovechable sin añadir piezas móviles en la cara del panel ni depender de materiales escasos. Aunque este prototipo se probó en condiciones controladas de interior y a pequeña escala, señala posibles mejoras prácticas para instalaciones solares reales, especialmente en climas cálidos donde el sobrecalentamiento es un problema constante.

Cita: Alzoubi, M.A., Ibrahim, A., Alkhedher, M. et al. Experimental investigation of energy and exergy characteristics of a novel solar collector with swirling reversed circular flow jet impingement. Sci Rep 16, 6812 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37654-0

Palabras clave: refrigeración de paneles solares, fotovoltaica térmica, impingimiento por chorro, flujo de aire en remolino, eficiencia energética