Investigação experimental em campo do desempenho energético e exergético de um novo coletor solar térmico de ar

Transformando a luz do sol em ar quente útil

Manter casas aquecidas, secar alimentos ou pré-aquecer o ar fresco para edifícios geralmente significa queimar combustível ou usar eletricidade. Este estudo explora um caminho mais inteligente: um aquecedor de ar solar redesenhado que usa apenas a luz do sol para aquecer o ar em movimento de forma mais eficiente. Ao modelar cuidadosamente as peças metálicas que guiam o ar dentro do coletor, os pesquisadores mostram como extrair mais calor útil da mesma radiação solar — uma ideia que pode reduzir contas de energia e emissões em residências, fazendas e pequenas indústrias.

Por que um aquecimento solar melhor importa

Nosso estilo de vida moderno depende fortemente de combustíveis fósseis para aquecimento, transporte e eletricidade. Esses combustíveis são finitos e uma fonte importante de dióxido de carbono que aquece o clima. Coletores solares de ar de placa plana — essencialmente caixas rasas que capturam a luz do sol para aquecer o ar — oferecem uma alternativa limpa para tarefas como secagem de culturas, aquecimento de ambientes e pré-aquecimento de ventilação. São simples e relativamente baratos, mas uma grande limitação os retém: a placa metálica quente dentro do coletor não transfere seu calor para o ar em escoamento tão eficientemente quanto poderia, de modo que boa parte da energia solar capturada se perde. Melhorar essa transferência de calor é o foco deste trabalho.

Um novo projeto interno para coletores solares

A equipe construiu um sistema de teste ao ar livre em escala real na Malásia baseado em um coletor solar de ar de placa plana. No interior, adicionaram fileiras de aletas ocas inovadoras em formato “semi‑estádio” — peças metálicas em forma de arco arredondado, com interior oco — dispostas em vários níveis defasados. Perto da entrada de ar, instalaram pequenos defletores, como minúsculas paredes, para agitar e redirecionar o fluxo de ar de modo que ele contate mais a fundo as superfícies quentes. O ar segue um percurso de dupla passagem: primeiro percorre um canal, contorna uma seção em U e depois retorna por outro, captando calor adicional a cada passagem. Essa combinação de aletas especiais, defletores e arranjo de dupla passagem foi projetada para aumentar o contato entre o ar e o metal quente sem tornar o sistema excessivamente complexo.

Medindo ganho de calor e trabalho útil

Ao longo de três dias ensolarados, os pesquisadores operaram o coletor em três vazões de ar diferentes — lenta, média e rápida — e mediram temperaturas em muitos pontos, além dos níveis de radiação solar e condições meteorológicas. Em seguida calcularam dois tipos de desempenho. O primeiro, chamado eficiência energética, responde: “Que fração da potência solar incidente se transforma em calor transportado pelo ar?” O segundo, chamado eficiência exergética, analisa quanto desse calor é realmente útil para realizar trabalho, como fornecer um salto de temperatura eficiente para secagem ou aquecimento. Para validar as medições, também construíram um modelo computacional detalhado do escoamento de ar e transferência de calor e compararam suas previsões com os dados externos.

O que os experimentos revelaram

O coletor redesenhado alcançou eficiências energéticas entre cerca de 13% e 72%, com o melhor valor — 71,91% — ocorrendo sob forte insolação (aproximadamente 800 watts por metro quadrado) e com o maior fluxo de ar. Em termos simples, sob boa radiação e fluxo de ar rápido, quase três quartos da luz solar incidente no aparelho tornaram‑se calor útil no ar de saída. Contudo, a história muda ao olhar para a exergia, a medida de quão valioso é esse calor. A maior eficiência exergética, 17,06%, ocorreu no menor fluxo de ar. Em vazões lentas, o ar passa mais tempo no interior e sai muito mais quente, o que é especialmente útil para tarefas como secagem de alimentos ou aquecimento de ambientes, mesmo que a potência térmica total seja um pouco menor. À medida que o ar se move mais rápido, mais calor é coletado no total, mas cada unidade desse calor se torna ligeiramente menos “alta qualidade” e a eficiência exergética cai.

Por que este projeto é promissor

Para não especialistas, a conclusão é simples: ao remodelar as aletas metálicas dentro de um coletor solar de ar e conduzir o ar de forma mais inteligente, este sistema extrai muito mais da mesma luz solar do que projetos anteriores. Em fluxo alto, é excelente em captar grandes quantidades de calor de forma eficiente; em fluxo baixo, fornece ar mais quente, especialmente útil para secagem e aquecimento de ambientes. O fato de que tanto os experimentos ao ar livre quanto as simulações computacionais concordam — e que o desempenho supera vários estudos anteriores — sugere que essa abordagem está pronta para ser adaptada a secadores solares reais, ventilação predial e outras necessidades de aquecimento de baixa temperatura, ajudando a mover o uso diário de energia para um futuro mais limpo.

Citação: Rahmat, M.A.A., Ibrahim, A., Al-Aribe, K.M. et al. Field-based experimental investigation of energy and exergy performances of a novel solar thermal air collector. Sci Rep 16, 6621 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37250-2

Palavras-chave: coletor de ar solar, solar térmico, aquecimento renovável, eficiência energética, análise exergética