Análisis térmico de un colector solar de aire de placa plana con reflectores de radiación y rugosidad en forma de W: enfoque mediante redes neuronales artificiales y aprendizaje automático

Por qué importa tener aire más caliente proveniente del sol

Convertir la luz solar en calor útil es una de las maneras más sencillas de reducir el consumo de combustible y las emisiones, sin embargo muchos colectores solares de aire comunes todavía desperdician gran parte de la energía que incide sobre ellos. Este estudio explora un colector de placa plana más eficiente que extrae más calor de la misma radiación solar mediante la reconfiguración de la superficie metálica que absorbe la luz y la adición de espejos a los lados. Los investigadores también evalúan si las herramientas modernas de datos—redes neuronales artificiales y aprendizaje automático—pueden predecir con precisión el rendimiento del sistema, allanando el camino para diseños mejores sin ensayos interminables de prueba y error.

Una forma más inteligente de calentar aire en movimiento

Un colector solar de aire de placa plana es esencialmente una caja poco profunda: la luz solar atraviesa una cubierta de vidrio y calienta una placa metálica oscura, y el aire que circula por debajo de la placa absorbe ese calor y lo transporta. Estos dispositivos son atractivos para tareas como el secado de cultivos o el calentamiento de edificios porque son económicos, silenciosos y fáciles de mantener. Su principal debilidad es que el calor no se transfiere de forma eficiente desde la placa caliente al aire en movimiento, por lo que la placa se calienta mucho y pierde energía al entorno en vez de al flujo de aire. Los autores se propusieron abordar esta debilidad combinando dos trucos pasivos—reflectores laterales y una superficie metálica texturizada—en un único diseño de “modo dual”.

Más luz solar sobre el objetivo con espejos laterales

El primer truco consiste en colocar reflectores semejantes a espejos a lo largo de los bordes largos del colector. Estos paneles se inclinan de modo que la radiación solar que normalmente se perdería sobre la placa absorbente sea redirigida de nuevo hacia ella. En el banco de pruebas al aire libre, los reflectores se ajustaron a aproximadamente 30 grados y tuvieron la misma longitud que la sección activa de calentamiento. Esta disposición eleva la temperatura de la placa al aumentar el flujo solar y distribuye el calor de forma más uniforme sobre la superficie. Las mediciones mostraron que simplemente añadir reflectores a un colector liso aumentó una medida clave de la transferencia de calor, el número de Nusselt, en aproximadamente un 18–27% y elevó la eficiencia térmica global hasta en torno a un 43% en comparación con el diseño liso sin reflectores.

Modelar la superficie para agitar el aire

El segundo truco es remodelar la cara inferior de la placa absorbente, por donde pasa el aire. En lugar de dejarla lisa, el equipo pegó hilos delgados de cobre en un patrón repetido en forma de W a lo largo de la superficie. Estas costillas actúan como pequeños topes para el aire. Cuando el aire pasa sobre cada cresta en forma de W, el flujo se separa, genera remolinos y luego se vuelve a adherir, perturbando constantemente la fina capa de aire estancado que normalmente se adhiere a una superficie y resiste la transferencia de calor. Al escoger cuidadosamente el espaciado, la altura y el ángulo de las costillas, los investigadores buscaron reforzar esta mezcla sin provocar una caída de presión excesiva que requiriera más potencia del ventilador.

Lo que revelaron los experimentos y las herramientas de datos

El equipo construyó y probó varias configuraciones al aire libre en días despejados: una placa lisa sin reflectores, una placa lisa con reflectores y una placa con costillas en W y reflectores. Monitorizaron las temperaturas del aire en la entrada y la salida, las temperaturas de la placa, la intensidad solar y las tasas de flujo de aire, y a partir de estos datos calcularon qué tan eficazmente cada montaje transfería calor desde la placa al aire. La combinación de rugosidad en forma de W y reflectores ofreció el mejor rendimiento: el indicador de transferencia de calor fue hasta 1,63 veces mayor que en el sistema liso básico, y la eficiencia térmica mejoró hasta 1,84 veces. Para reducir el esfuerzo experimental futuro, los autores también entrenaron modelos de aprendizaje automático y una red neuronal con cientos de puntos de datos. Estos modelos pudieron predecir el comportamiento de la transferencia de calor y las condiciones de flujo con muy alta precisión, alineándose estrechamente con las tendencias experimentales.

De mejores bancos de pruebas a mejores secadores solares

Para el público no especializado, la conclusión es directa: añadiendo simples espejos laterales y costillas metálicas cuidadosamente pautadas, un colector solar de aire de placa plana puede proporcionar mucha más energía térmica útil a partir de la misma porción de luz solar. Esto significa que invernaderos, secadores de cultivos, calentadores de edificios y sistemas similares podrían volverse significativamente más compactos o potentes sin añadir piezas móviles ni combustible. El uso exitoso de redes neuronales y aprendizaje automático en este estudio también muestra que los diseñadores pueden confiar cada vez más en modelos inteligentes basados en datos para ajustar estos dispositivos antes de construirlos, acelerando la transición hacia un calentamiento solar más limpio y eficiente en hogares, granjas e industria.

Cita: Jain, P.K., Kurrey, K.L., Pandey, V. et al. Thermal analysis of flat plate solar air heater system with radiation reflectors and W-shaped roughness: artificial neural network & machine learning approach. Sci Rep 16, 11779 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41922-4

Palabras clave: colector solar de aire, reducción de calor residual, secado solar, modelado mediante aprendizaje automático, eficiencia térmica