Modelado y control de campos solares con radiación parcial.

Abstract

El objetivo principal de esta tesis es el modelado, simulación y control óptimo de campos solares de colectores cilindro-parabólicos durante situaciones de radiación parcial, es decir, cuando diferentes zonas del campo reciben distintos niveles de radiación solar. Hoy en día, las plantas comerciales tienen dificultades a la hora de operar el campo de colectores cuando a lo largo del día se produce el paso de nubes esporádicas que afectan a diferentes zonas del mismo. En esta tesis se estudian las posibles soluciones al problema de control de este tipo de campos solares, mediante técnicas de control avanzado. En primer lugar se ha realizado un modelo completo del campo solar teniendo en cuenta todos los lazos del campo de forma individual. Además también se ha realizado un modelo para simular el paso de las nubes a través del campo y un modelo del ciclo de potencia utilizado por el campo para producir la potencia eléctrica. Estos modelos se han utilizado en un primer estudio orientado a optimizar la producción de potencia eléctrica. Para ello se ha calculado para cada valor de radiación solar cual es el valor de la temperatura de salida del campo solar que maximiza la potencia eléctrica producida. Las conclusiones obtenidas en este primer estudio, sirvieron para desarrollar un control óptimo del campo que maximizara la potencia eléctrica generada por el mismo. La estrategia de control propuesta se basó en la utilización de un “Model Predictive Control” (MPC), el cual hace uso de un modelo de predicción del paso de las nubes y del campo de colectores para calcular el caudal de aceite óptimo (que para un determinado valor de radiación solar se corresponde con el valor óptimo de temperatura al ser variables dependientes), de forma que maximice la potencia generada. Este MPC se ha probado con dos configuraciones diferentes; una en la que el controlador manipula el caudal total de aceite, el cual luego se divide entre todos los lazos por igual, y otra en la que manipula el caudal que pasa por cada uno de los lazos de forma individual. Los resultados de simulación obtenidos con ambas configuraciones del MPC se compararon con los de la estrategia de control utilizada habitualmente por los campos solares comerciales, basada en mantener una temperatura de operación del aceite de salida del campo en torno a 400ºC, que es el máximo permitido para evitar la degradación del aceite. Con este estudio se puso de manifiesto un problema de operación en el campo cuando se utiliza la estrategia de mantener constante la temperatura del aceite de salida del campo estando parte del mismo cubierto por nubes, el cual consiste en la aparición de picos de temperatura, especialmente en aquellos lazos no afectados por las nubes. Finalmente, para terminar con los objetivos propuestos en esta tesis, se decidió aplicar el proceso de optimización desarrollado anteriormente a una planta solar con sistema de almacenamiento de sales fundidas. Para ello se incorporó al modelo actual del campo un modelo para el sistema de almacenamiento, compuesto por dos tanques de sales fundidas y un intercambiador de calor. También se modificó el modelo del ciclo de potencia para adaptarlo a una producción menor de potencia eléctrica ya que parte de la misma iba a estar destinada a ser almacenada. Con esta nueva configuración de la planta solar el objetivo de la optimización consiste en maximizar la cantidad de energía térmica almacenada mientras se mantiene constante la producción de potencia eléctrica, ésto se debe a que en este caso el objetivo de optimización es mantener la producción eléctrica el máximo número de horas posible, lo cual se consigue maximizando la energía térmica almacenada (teniendo en cuenta un valor de temperatura mínima que luego permita transformarla eficientemente en energía eléctrica). De nuevo se utilizó un MPC para resolver este problema de optimización y los resultados obtenidos se compararon igualmente con la estrategia de control utilizada por las plantas comerciales de mantener la temperatura del aceite de salida del campo en un valor constante y próximo a los 400ºC.