Investigación y propuesta de un novedoso sistema de trigeneración solar para una generación de calefacción, refrigeración y electricidad más respetuosa con el medio ambiente

Por qué convertir la luz solar en confort importa

Mantener cómodos nuestros hogares, oficinas y hospitales consume mucha energía, la mayor parte todavía procedente de combustibles fósiles que calientan el planeta y contaminan el aire. Al mismo tiempo, el sol vierte cada día grandes cantidades de energía limpia sobre nuestros tejados y calles. Este estudio explora una nueva forma de aprovechar esa luz solar para que un único sistema solar pueda ofrecer simultáneamente tres servicios esenciales para los edificios: electricidad, calefacción y refrigeración. Al extraer más energía útil de cada rayo de sol, el diseño propuesto pretende reducir el desperdicio, bajar las emisiones y disminuir nuestra dependencia de las centrales convencionales.

Una torre solar, tres servicios útiles

El núcleo de la propuesta es una torre solar rodeada de espejos que siguen al sol y reflejan su luz hacia un receptor en la cima. Dentro de este receptor, los investigadores usan tubos helicoidales fuertemente enrollados con pequeñas estrías internas, llenos de un aceite especial de transferencia de calor llamado Syltherm 800. Cuando la luz solar concentrada incide en el receptor, el aceite en estos tubos en espiral se calienta bruscamente. En lugar de emplear este aceite caliente en una sola tarea, el sistema dirige el calor hacia una disposición combinada que puede generar electricidad, producir agua fría para refrigeración y suministrar agua caliente o vapor para calefacción, todo al mismo tiempo. En otras palabras, la misma radiación solar captada impulsa una planta de “trigeneración” dedicada a las necesidades de los edificios.

Bucle ocultos que convierten calor en electricidad y refrigeración

Para transformar este calor captado en servicios útiles, el sistema se apoya en dos circuitos enlazados. El primero es un circuito de generación conocido como ciclo de Kalina, que emplea una mezcla de amoníaco y agua que hierve y condensa en un rango de temperaturas. Esto le permite acoplarse bien con el calor solar y extraer más trabajo de temperaturas relativamente moderadas que los ciclos tradicionales de vapor. El aceite caliente del receptor transfiere su energía a esta mezcla, que luego se expande a través de una turbina para producir energía mecánica que puede convertirse en electricidad. Después, el fluido de trabajo parcialmente enfriado aún conserva suficiente calor para ser reutilizado en lugar de desperdiciarse.

El segundo circuito es un ciclo de refrigeración por absorción que también utiliza una mezcla amoníaco–agua, pero ahora dispuesto de modo que sea el calor, en lugar de la electricidad, el que impulse el proceso de enfriamiento. Parte del fluido cálido que sale del circuito de potencia se envía a un generador que separa vapor de amoníaco de la solución. Cuando este vapor se reabsorbe posteriormente, extrae calor de una corriente separada, creando un efecto refrigerante adecuado para aire acondicionado o almacenamiento en frío. Cualquier calor residual puede dirigirse mediante un calefactor de proceso para suministrar calor útil para agua caliente o necesidades industriales. Juntos, estos circuitos aseguran que el calor solar de alta temperatura realice primero la tarea más valiosa —generar potencia— y luego se aproveche en cascada para las funciones de refrigeración y calefacción.

Cómo los ajustes de diseño mejoran el rendimiento

Los investigadores usan simulaciones por ordenador para evaluar cómo las decisiones de diseño influyen en el rendimiento del sistema. Se centran en la forma de los tubos en espiral del receptor, la intensidad de la radiación solar incidente y las condiciones de funcionamiento dentro de los circuitos de potencia y refrigeración. Encuentran que el uso de estrías internas más pequeñas en las bobinas helicoidales, combinado con luz solar intensa, eleva significativamente la temperatura de salida del aceite —casi un 40 por ciento en un caso favorable— sin imponer grandes penalizaciones de presión. Las temperaturas más altas del aceite, a su vez, aumentan la potencia producida por la turbina, la calefacción entregada a los usuarios y la capacidad frigorífica de la unidad de absorción. Cuando la intensidad de la radiación directa pasa de un nivel moderado a uno alto, la producción útil global del sistema de trigeneración sube de unos 145 kilovatios a más de 200 kilovatios, y mejoran tanto la eficiencia energética como la más exigente eficiencia exergética.

Localizando dónde se pierde energía

No toda la energía solar entrante puede convertirse en servicios útiles; parte de ella se degrada o se pierde inevitablemente. Para entender dónde ocurren las mayores pérdidas, los autores realizan un análisis exergético, que sigue no solo cuánto flujo de energía atraviesa el sistema, sino cuánta de esa energía sigue siendo capaz de realizar trabajo. Descubren que el receptor central en la cima de la torre es la mayor fuente única de pérdida de calidad, seguido por el campo de espejos y el sobrecalentador que transfiere calor del aceite al fluido de trabajo. Estas pérdidas se originan principalmente en las diferencias de temperatura entre corrientes calientes y frías y en fugas de calor al entorno. Al reducir estas brechas de temperatura y refinar los diseños del receptor y del separador, los autores sostienen que futuras versiones del sistema podrían extraer aún más potencia útil, calefacción y refrigeración de la misma radiación solar.

Qué significa esto para edificios más limpios

En términos cotidianos, el estudio muestra que una torre solar cuidadosamente diseñada puede actuar como un concentrador energético compacto, suministrando electricidad, aire acondicionado y calefacción a edificios usando solo la luz solar y una tubería ingeniosa. En condiciones de sol realistas, las eficiencias energética y exergética globales del sistema están a la par, y en ocasiones ligeramente por encima, de otros conceptos avanzados de trigeneración solar reportados en la literatura. Aunque el trabajo se basa en simulaciones detalladas más que en experimentos a escala real, señala un camino práctico para reemplazar calderas, chillers y energía de red alimentados por combustibles fósiles por una única solución solar integrada que aproveche mejor cada fotón capturado.

Cita: Alsharif, A.M., Khaliq, A., Hussein, E. et al. Investigation and proposal of a novel solar-powered trigeneration system for more environmentally friendly heating, cooling, and power generation. Sci Rep 16, 12871 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41098-x

Palabras clave: trigeneración solar, sistemas energéticos de edificios, energía solar concentrada, calefacción y refrigeración solar, ciclo de Kalina