Investigadores del Tec de Monterrey diseñaron un simulador solar que permite replicar el efecto de la luz del sol de cualquier lugar del mundo, hora y época del año, todo ello sin tener que salir del laboratorio.
Se trata del Heliodomo, un dispositivo capaz de simular con precisión la radiación, la temperatura y la posición de la luz del sol.
Esto permite validar la eficacia y durabilidad de tecnologías solares como paneles fotovoltaicos, techos verdes y materiales como impermeabilizantes y aislantes térmicos.
Cómo funciona el Heliodomo
José Rodrigo Salmón Folgueras, profesor investigador de la Escuela de Ingeniería y Ciencias (EIC) del Tec de Monterrey y uno de los líderes del proyecto, explica que el equipo logró estas simulaciones mediante el ajuste de variables como la irradiación, la dirección del rayo, el ángulo de inclinación y la temperatura.
“Puedes mover la fuente de luz como si fuera el sol, cambiar el ángulo según la hora o la estación, ajustar la intensidad. Y, aunque esté lloviendo afuera, las condiciones en el laboratorio se mantienen iguales”, señala.
El reto de probar tecnologías solares
Antes del Heliodomo, las pruebas dependían por completo del clima y eso generaba retrasos e incertidumbre en los resultados. Los experimentos solían hacerse al aire libre y se programaban hasta que hubiera pronósticos de un día con clima ideal.
Por ejemplo, si se quería analizar el comportamiento de una tecnología en invierno, había que esperar hasta esa época del año. Incluso, en días despejados, sin viento y con irradiación solar constante, el clima podía cambiar y en solo unas horas arruinar los datos recolectados.
Esa necesidad de condiciones constantes y controladas para tener certidumbre al probar sus innovaciones e incluso durante proyectos de consultoría para empresas los llevó a buscar una solución, platica José Luis López Salinas, investigador de la EIC y asesor del proyecto.
“Necesitábamos una fuente que pudiéramos tener bajo control, similar al sol, y no existía algo así accesible para nosotros”, señala López Salinas.
El desarrollo de una alternativa accesible
El equipo llevó a cabo un estudio a nivel mundial para identificar patentes y alternativas comerciales; sin embargo, encontraron que los dispositivos existentes eran muy caros, muy grandes (de escala industrial) o presentaban limitaciones al tratar de replicar aspectos como la temperatura o el espectro de la radiación que hay en las diferentes épocas del año, es decir, no tenían la versatilidad que los experimentos requerían.
Durante más de un año, los investigadores desarrollaron su propia solución: un dispositivo de bajo costo equipado con distintos tipos de focos, entre ellos incandescentes, halógenos, fluorescentes, infrarrojos y ultravioleta.
El proceso derivó en una matriz de alrededor de 30 combinaciones de lámparas que permiten simular de forma realista la radiación solar según la hora del día o la estación del año en una ciudad determinada.
Validación con datos reales y simulación computacional
Para validar el diseño y calibrar el funcionamiento del prototipo, el equipo utilizó bases de datos internacionales, como el Sistema de Información Geográfica Fotovoltaica (PVGIS).
También emplearon sensores para realizar mediciones en campo —temperatura, humedad, irradiación y espectro solar— y ajustar los parámetros del sistema a condiciones reales, como una tarde soleada de verano en la Ciudad de México.
“Se hizo una experimentación estadística donde se fue ajustando y calibrando el Heliodomo; se utilizaron datos experimentales, bases de datos internacionales y simulación computacional”, explica Salmón Folgueras, quien agrega que este es un proyecto que ha venido evolucionando desde 2011.
Estructura y tipos de radiación simulada
En la actualidad, el dispositivo está conformado por una estructura metálica en forma de arco que permite un movimiento esférico, con una lámpara o fuente de luz móvil que se puede ajustar manualmente para simular el movimiento del sol en diferentes ángulos. Además, sus configuraciones permiten regular variables como la irradiación solar, su dirección y la temperatura que recibe un objeto expuesto a ella.
Las distintas combinaciones de focos también permitieron replicar tres tipos de radiación asociadas a la luz del sol:
- Luz visible: para reproducir las condiciones visuales reales del sol.
- Infrarroja: relacionada con el comportamiento térmico de los materiales y la responsable de aumentar la temperatura en los objetos expuestos.
- Ultravioleta (UV): con la que se pueden replicar efectos como el deterioro de los materiales o reacciones fotoquímicas.
Más allá de una herramienta experimental, el dispositivo es visto por los investigadores como un sistema tecnológico que se puede replicar y escalar, por lo que, a partir del desarrollo del primer prototipo, publicaron un artículo científico sobre su diseño y funcionamiento; también, protegieron su innovación. “El Heliodomo ya tiene una patente, precisamente por el diseño y la forma en que se hace este movimiento solar, cómo se controla la irradiación y cómo se puede modular la temperatura y la radiación; todo eso es parte del sistema”, destaca Salmón Folgueras.
Aplicaciones en tecnologías solares y otros sistemas
Rubén Eduardo Sánchez García, investigador de la EIC y miembro del equipo desarrollador, explica que, además de las pruebas para validar su funcionamiento al comparar datos en campo, el Heliodomo ha sido utilizado para evaluar paneles fotovoltaicos, colectores termosolares, materiales como impermeabilizantes, aislantes térmicos y techos verdes, así como con otras tecnologías que el equipo tiene en desarrollo, como el prototipo de una estufa solar portátil.
“Con la estufa estuvimos como una semana haciendo pruebas en serie, todos los días. Tuvimos las mismas condiciones: el mismo ángulo, la misma temperatura, la misma irradiación y luego hicimos la comparación de resultados. Eso no lo logras al aire libre, afuera no lo puedes hacer”, señala Sánchez García.
También se ha utilizado para probar sistemas fotobiorreactores para monitorear el crecimiento de plantas y microalgas para la producción de biomasa y biocombustibles, y en aplicaciones de arquitectura bioclimática, auditorías energéticas y viveros.
Interés de la industria y colaboración con empresas
Salmón Folgueras agrega que las aplicaciones que ofrece el dispositivo han captado el interés de varios actores en la industria y eso ha llevado al equipo a colaborar con empresas como Cemex, Johnson Controls, Rotoplas, Acmel Labo y Schneider Electric, entre otras, para validar diferentes productos y tecnologías solares. “Incluso ya nos han preguntado si se puede licenciar o vender”.
El equipo desarrollador se completa con los investigadores Orlando Castilleja Escobedo, especialista en dinámica de fluidos computacional, y Bárbara Arévalo Torres, quien trabaja en la parte experimental y de instrumentación del sistema.
El Heliodomo actual aún es un prototipo y para que funcione es necesario operarlo de manera manual. Eso ha llevado al equipo a fijarse las siguientes metas para escalar su tecnología hacia la automatización, es decir, que con solo indicarle en una computadora una ciudad y la hora, sin intervención humana, el sistema se configure para simular esas condiciones.
“Queremos también agregar sensores, que te den retroalimentaciones y te digan si las condiciones que programaste realmente se están cumpliendo. Incluso, en algún punto, se podría integrar inteligencia artificial para optimizar todo el proceso”, señala Sánchez García.
A futuro, los investigadores esperan que el Heliodomo se convierta en una alternativa accesible y precisa para probar todo tipo de tecnologías solares, tanto en laboratorios de investigación como en entornos industriales.
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