Concentrador y seguidor por posicionamiento solar con lente de fresnel para muestreo y análisis de temperaturas máximas

Abstract

Este trabajo de investigación presenta el diseño e implementación de un concentrador solar con lente de Fresnel orientado al muestreo de temperaturas máximas, en respuesta al creciente interés por la energía solar como fuente renovable y a la necesidad de sistemas capaces de generar altas temperaturas de manera constante. El principal desafío identificado es la limitación de los concentradores convencionales, enfocan la luz en un único punto focal, restringiendo su uso en aplicaciones que requieren mayor flexibilidad térmica. Para resolverlo, se desarrolla un sistema mecatrónico con mecanismos de rotación e inclinación que ajustan la posición de la muestra y el área de concentración, integrando programación astronómica mediante el algoritmo Solar Position Algorithm (SPA) y control PID para garantizar estabilidad en el seguimiento solar. El prototipo, construido con materiales como aluminio, acero y madera, se evalúa experimentalmente con lentes de Fresnel menores a 1 m, alcanza una temperatura máxima de 859°C en condiciones óptimas. La investigación, estructurada bajo la metodología VDI 2221, demuestra que el sistema diseñado es una alternativa eficiente, sostenible y escalable para la concentración solar, contribuyendo al avance de soluciones basadas en energías renovables y al desarrollo de aplicaciones experimentales de alta temperatura.

This research presents the design and implementation of a solar concentrator with a Fresnel lens for sampling maximum temperatures, in response to the growing interest in solar energy as a renewable source and the need for systems capable of consistently generating high temperatures. The main challenge identified is the limitation of conventional concentrators, which focus light on a single focal point, restricting their use in applications requiring greater thermal flexibility. To overcome this, a mechatronic system is developed with rotation and tilt mechanisms that adjust the sample position and concentration area. This system integrates astronomical programming using the Solar Position Algorithm (SPA) and PID control to ensure stability in solar tracking. The prototype, constructed with materials such as aluminum, steel, and wood, is experimentally evaluated with Fresnel lenses smaller than 1 m, reaching a maximum temperature of 859°C under optimal conditions. The research, structured under the VDI 2221 methodology, demonstrates that the designed system is an efficient, sustainable and scalable alternative for solar concentration, contributing to the advancement of solutions based on renewable energies and the development of high-temperature experimental applications.