Efecto de aletas en la mejora de la fusión de material de cambio de fase en un contenedor esférico de almacenamiento de energía térmica

Almacenar la luz del sol para después

La vida moderna necesita energía constante, pero la luz del sol solo está disponible cuando el cielo coopera. Este estudio explora una forma sencilla de almacenar el calor solar diurno para usarlo horas más tarde, empleando una cera especial que se funde y solidifica dentro de esferas metálicas. Al añadir finas “aletas” metálicas en los lugares adecuados, los investigadores muestran que pueden hacer que esta cera cargue y descargue calor mucho más rápido, un paso clave hacia una calefacción y agua caliente más fiables con energía solar.

Por qué importa el almacenamiento de calor

Los colectores solares pueden calentar agua a temperaturas confortables, pero las nubes, la puesta de sol y la demanda diaria no siguen el mismo ritmo. El almacenamiento de energía térmica ofrece un colchón: absorbe calor cuando el sol es fuerte y lo libera cuando se necesita. Un enfoque popular utiliza materiales de cambio de fase—sustancias como la cera de parafina que absorben mucha energía al fundirse y la devuelven al solidificarse, todo alrededor de una temperatura casi constante. El problema es que dichas ceras conducen mal el calor, por lo que sin ayuda se funden y solidifican despacio, limitando cuánta energía útil puede entrar y salir cada día.

Una caja esférica de cera

El equipo construyó un sistema de almacenamiento térmico de laboratorio que imita lo que podría ir dentro de un calentador solar de agua. En su núcleo hay esferas de acero del tamaño de un melón pequeño, cada una llenada con un kilogramo de cera de parafina que se funde alrededor de 60 °C, una buena correspondencia con el agua calentada por el sol. Agua caliente, actuando como fluido de transferencia de calor, circula alrededor de estas esferas a dos temperaturas, 70 °C y 75 °C, mientras sensores registran temperaturas en la parte superior, inferior, centro y lados dentro de la cera. Al comparar la rapidez con que la cera se funde y se vuelve a solidificar, y cuánto calor entra y sale, los investigadores evalúan distintas opciones de diseño para las esferas.

Cuatro maneras de añadir aletas metálicas

Para ayudar a que la cera intercambie calor más rápido, las esferas pueden equiparse con aletas de cobre—delgadas palas que conducen el calor desde el agua caliente a través de la carcasa de acero y hacia el interior de la cera. El estudio compara cuatro casos: una esfera lisa sin aletas; una esfera con dos aletas que penetran desde arriba; una con dos aletas desde abajo; y una versión final con cuatro aletas, dos en la parte superior y dos en la inferior. En todos los casos, las aletas recorren tanto el exterior como el interior de la esfera, por lo que tocan el agua en circulación y la cera al mismo tiempo. Esta disposición permite que las aletas actúen como autopistas de calor, reduciendo bolsas frías de cera sólida que de otro modo quedarían lejos de la superficie caliente.

Qué ocurre en el interior cuando la cera se funde y se congela

Al iniciar la calefacción, la cera cerca de la pared exterior de la esfera se funde primero. La cera líquida resultante es más ligera y asciende hacia la parte superior, mientras la cera sólida más fría y densa se hunde, estableciendo una circulación lenta que distribuye aún más el calor. Durante el enfriamiento, el proceso se invierte: la cera se solidifica en la pared y el sólido más denso se deposita hacia el fondo. Los investigadores encuentran que este movimiento natural por sí solo no es suficiente; sin aletas, grandes regiones de cera permanecen sólidas o líquidas durante mucho tiempo. Añadir aletas en la parte superior acelera la fusión cerca de la región donde se acumula el líquido, mientras las aletas en la parte inferior atacan la capa sólida que tiende a asentarse allí. Cuando las aletas se colocan en ambos extremos, el calor alcanza todas las regiones clave, y la fracción de cera fundida aumenta y luego disminuye de forma mucho más pronunciada con el tiempo, mostrando una carga y descarga más rápidas.

Carga y descarga más rápidas

Mediciones detalladas muestran que el diseño con aletas en la parte superior e inferior rinde claramente más que los otros. En comparación con la esfera lisa, reduce el tiempo de fusión en alrededor de un tercio y el tiempo de solidificación en casi la mitad, manteniendo una capacidad térmica global similar porque se usa la misma cantidad de cera. También ofrece la mayor eficiencia y efectividad, lo que significa que una mayor parte del calor entrante termina almacenada en la cera y luego recuperada. Elevar la temperatura del agua de 70 °C a 75 °C acelera aún más la fusión, pero la colocación de las aletas sigue siendo el factor dominante en el rendimiento.

Qué significa esto para sistemas cotidianos

Para el público no especializado, la conclusión clave es que pequeños ajustes de diseño dentro de una cápsula de almacenamiento térmico pueden tener grandes consecuencias prácticas. Simplemente situando unas pocas aletas metálicas en la parte superior y en la inferior de un contenedor esférico lleno de cera, los ingenieros pueden construir baterías térmicas que cargan y descargan mucho más rápido sin sacrificar la cantidad de calor que pueden contener. Estas cápsulas mejoradas podrían empaquetarse en calentadores solares de agua, sistemas de calefacción de edificios o unidades industriales de recuperación de calor, ayudando a suavizar los altibajos de la luz solar y haciendo el calor renovable más fiable.

Cita: Swami Punniakodi, B.M., Veeramanikandan, M., Manickam, M. et al. Effect of fins in enhancing phase change material fusion in a spherical thermal energy storage container. Sci Rep 16, 8440 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38262-8

Palabras clave: almacenamiento de energía térmica, material de cambio de fase, calentamiento solar de agua, aletas de transferencia de calor, cera de parafina