Control predictivo de sistemas de energía solar distribuidos

Resumen

Resumen y objetivos: El principal objetivo de esta tesis es abordar algunos problemas que pueden darse en el control de las plantas solares de colectores cilindro-parabólicos, realizar contribuciones en el campo de controladores predictivos aplicados a dichas plantas, así como abordar el problema de optimizar la operación. También se llevará a cabo el modelado y simulación de la planta solar de refrigeración ubicada en la Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla. Por último, se tratará brevemente el problema de la distribución de flujo en los receptores solares de las plantas de torre. Generalmente, y dado las múltiples fuentes de perturbaciones encontradas en el control de la temperatura de salida en plantas de CCPs, es necesario usar controladores feedforward para ayudar en el rechazo a perturbaciones (Camacho et al. 1997; Camacho et al. 2012). La perturbación más importante que se da en los sistemas solares es la radiación solar ya que, a pesar de ser la fuente de energía, no puede ser manipulable (Rubio et al. 2006;Camacho et al. 2007a; Camacho et al.2007b). Además es muy útil obtener una estimación de la eficiencia global del campo, la cual está compuesta de múltiples factores tales como reflectividad, absortancia de los tubos, factores de forma y sombras. El principal problema a la hora de usar la medida de radiación proporcionada por los pirheliómetros es que la medida que ofrecen es puntual. Lo mismo puede decirse de los medidores de reflectividad de los espejos. Otros factores tales como la absortancia son incluso más difíciles de medir. Esto puede dar lugar a importantes errores, dado que una parte del campo puede estar cubierta mientras que el pirheliómetro no, o viceversa. El problema de la estimación de la radiación efectiva (el producto de la radiación por la eficiencia) es abordado en esta tesis, haciendo uso de un filtro de Kalman no lineal: el filtro de Kalman Unscented (UKF) (Gallego et al. 2012a). En el tercer capítulo se propone una estrategia de control predictivo en el espacio de estados que hace uso del algoritmo desarrollado para estimar la radiación efectiva (Gallego et al.2012b). En esta estrategia de control, se hace uso de un modelo lineal del campo en el espacio de estados, que va adaptándose en cada periodo de muestreo con las condiciones de la planta y los estados estimados por el UKF. El modelo lineal se obtiene de la linealización del modelo de parámetros distribuidos, con un número de estados más pequeño. El algoritmo es validado en simulación. En el capitulo 4 se propone una estrategia de control basada en el capítulo anterior, pero se usa un número de estados mayor en las matrices de linealización, se incluye la trasmisión de calor metal-fluido y el observador de estado que se propone es un observador de Luenberger robusto (Gallego et al. 2013b). El principal problema que tiene el usar el UKF es que necesita de la sintonización de las matrices Q y R para un buen desempeño, lo cual se dificulta conforme el número de estados crece. Más aún: no se pueden imponer formulaciones robustas o criterios dinámicos para el observador de manera sencilla y tampoco es sencilla probar convergencia. En este caso se hace uso de una formulación robusta del observador de Luenberger, cuya ganancia es obtenida por medio de la resolución de un problema LMI. La estrategia es comparada en simulación con otras estrategias, demostrando su mejor desempeño. También se presentan dos test reales llevados a cabo en la planta ACUREX, con excelentes resultados. En el capítulo 5 se aborda un problema muy interesante desde el punto de vista de la optimización de la producción y el aprovechamiento de recursos en las plantas de CCPs. Uno de los principales retos en el uso de la energía solar es conseguir que sea económica (Camacho et al. 2011). Dado que el objetivo de control es mantener la temperatura de salida del campo solar lo más cercana a una referencia deseada, la cuestión que se plantea es qué temperatura es la mejor desde el punto de vista la eficiencia global del sistema: campo solar+bombas+sistema de conversión de potencia. En este capítulo se demuestra que no siempre lo mejor es trabajar a la temperatura más alta posible (Camacho et al.2013; Camacho et al 2014). En el capítulo 6 aborda el modelado híbrido y la simulación de la planta de refrigeración solar de la Escuela superior de ingenieros de Sevilla. La planta está compuesta de un captador solar Fresnel, un acumulador basado en materiales de cambio de fase (Gallego et al. 2013b) y una máquina de absorción de doble efecto (Gallego et al. 2014a). Por último, en el capítulo 7 se presenta un método para optimizar la distribución de flujo en los receptores solares en las plantas de torre. Uno de los problemas que existen en los receptores de torre es lograr una distribución lo más uniforme posible en los receptores para evitar puntos calientes y gradientes de temperatura excesivos. En este capítulo se desarrolla un algoritmo de optimización para calcular los puntos objetivo a los que cada heliostato debe apuntar (Gallego et al. 2014b). En resumen, esta tesis presenta algunas contribuciones a problemas que pueden encontrarse a la hora de controlar las plantas de colectores CCP y de torre, así como el modelado y simulación de una planta de refrigeración .