Características termofluidas y de exergía del flujo de nanofluido MoS2/agua en un colector solar de placa plana bajo condiciones de alta irradiancia

Agua caliente del sol, más inteligente

Para muchas viviendas, especialmente en regiones soleadas, calentar agua consume silenciosamente una gran parte de la factura energética y genera emisiones que contribuyen al calentamiento global. Este estudio explora una forma de hacer que los habituales calentadores solares de agua en tejados sean significativamente más eficaces modificando el fluido que circula en su interior. En lugar de agua simple, los investigadores probaron un líquido a base de agua que contiene diminutas partículas de disulfuro de molibdeno (MoS₂), con el objetivo de capturar más energía solar, reducir costes durante la vida útil del sistema y disminuir la contaminación, todo ello sin cambiar los paneles solares de placa plana ya conocidos.

Por qué las partículas minúsculas pueden marcar una gran diferencia

Los colectores solares de placa plana estándar, ampliamente usados para agua caliente doméstica, funcionan como una placa metálica oscura que se calienta al sol mientras el agua transporta el calor. El problema es que el agua no es un buen conductor térmico, por lo que parte de la energía solar captada se pierde antes de llegar al depósito de almacenamiento. Los autores abordaron esto dispersando partículas de MoS₂ extremadamente pequeñas en el agua, creando un llamado nanofluido. Estas partículas, conocidas por su estructura en capas con buena conductividad térmica y su fuerte absorción de la luz solar, ayudan al fluido a absorber y transportar el calor con mayor eficacia. El sistema que estudiaron corresponde a una vivienda unifamiliar típica en Irán, con un colector en el tejado, una bomba que hace circular el fluido y un depósito vertical de agua caliente, todo modelado en simulaciones informáticas anuales.

Cómo se probó el sistema durante todo un año

Para ir más allá de ensayos de laboratorio a corto plazo, el equipo construyó un modelo digital detallado usando TRNSYS, una herramienta ampliamente utilizada para simular sistemas energéticos, y luego lo validó con mediciones reales de un banco de ensayo exterior en Ahvaz, una ciudad muy soleada de Irán. Compararon las predicciones del modelo sobre la energía útil entregada con datos de un colector real en condiciones de cielo despejado y nublado. La coincidencia fue cercana: los errores fueron solo de unos pocos porcentajes, lo que dio confianza para usar el sistema virtual en la exploración del rendimiento anual. Las simulaciones examinaron tres opciones de fluido: agua simple, agua con 0,5% de MoS₂ en volumen y agua con 1% de MoS₂, e incluyeron asimismo un depósito de agua caliente especialmente diseñado y mejorado con un material de almacenamiento a base de cera que contiene partículas de óxido de aluminio para suavizar las oscilaciones de temperatura.

Más calor, mejor aprovechamiento de la luz y costes menores

En todas las estaciones, el nanofluido con 1% de MoS₂ resultó ganador. En los meses fríos, cuando ganar unos grados extra es más importante, la temperatura en la salida del colector aumentó aproximadamente un 20% en comparación con el agua simple, y la energía útil media obtenida por el sistema aumentó hasta un 13%. La eficiencia global del panel —qué fracción de la radiación solar entrante se convirtió en calor útil— también subió varios puntos porcentuales, especialmente en primavera y otoño. Una medida más avanzada, denominada “exergía”, que evalúa cuánto de la energía captada puede realmente realizar trabajo útil, mejoró aún más: el nanofluido al 1% aumentó la producción de exergía y la eficiencia exergética en torno al 20–22% mientras reducía ligeramente las pérdidas internas. En términos prácticos, el sistema aprovechó una mayor fracción de la radiación solar disponible en vez de desperdiciarla como calor de baja calidad.

Ahorro económico y reducción de emisiones

Dado que el colector mejorado entrega más agua caliente con la misma radiación solar, el coste por unidad de energía útil disminuye a pesar del precio adicional de las nanopartículas. El estudio calculó una métrica llamada Coste Nivelado del Calor, que distribuye todas las inversiones, mantenimiento y costes de materiales a lo largo de la vida del sistema. Bajo las condiciones de mayor radiación veraniega, el fluido con 1% de MoS₂ alcanzó un coste mínimo de calor de aproximadamente 0,77 dólares por kilovatio-hora de energía útil, y durante el año redujo el coste asociado a la producción de alta calidad (exergía) en torno al 3–5% en comparación con el agua simple. Desde el punto de vista ambiental, el sistema de mejor rendimiento desplaza más electricidad o combustible que de otro modo se quemaría para calentar agua, evitando hasta 44 kilogramos de dióxido de carbono por mes en periodos pico. Índices que combinan perspectivas ambientales y económicas también mejoraron, mostrando más contaminación evitada por cada dólar invertido.

Qué significa esto para el agua caliente solar de uso cotidiano

Para el público general, la conclusión es que cambiar simplemente el líquido de trabajo dentro de un calentador solar de placa plana estándar puede desbloquear ganancias importantes sin rediseñar el hardware. En el entorno de alta irradiación de este estudio, una dosis moderada del 1% de nanopartículas de MoS₂ hizo que el colector convirtiera más luz solar en agua caliente, redujera los costes de calefacción a largo plazo y disminuyera las emisiones de gases de efecto invernadero, todo ello mejorando la estabilidad del aprovechamiento de la energía solar disponible a lo largo del año. Aunque trabajos futuros deberán confirmar la estabilidad a largo plazo y las necesidades de mantenimiento en condiciones reales, los resultados sugieren que los colectores basados en nanofluidos son un paso prometedor para sistemas domésticos de agua caliente más limpios y eficientes en regiones soleadas.

Cita: Chammam, A., Widatalla, S., AlMohamadi, H. et al. Thermofluid and exergy characteristics of MoS₂/water nanofluid flow in a flat‑plate solar collector under high‑irradiance conditions. Sci Rep 16, 11628 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43090-x

Palabras clave: calentamiento de agua solar, nanofluidos, colectores de placa plana, eficiencia energética, calefacción renovable