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Tesis:

Solar thermal cooling systems driven by linear Fresnel collectors, realistic and practical simulation tool, cases studies applications and machine learning as a control approach

  • Autor: DÍAZ CARRILLO, Juan José

  • Título: Solar thermal cooling systems driven by linear Fresnel collectors, realistic and practical simulation tool, cases studies applications and machine learning as a control approach

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

  • Departamentos: INGENIERIA ENERGETICA

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/73287/

  • Director/a 1º: FERNÁNDEZ BENÍTEZ, José Antonio

  • Resumen: Desde hace varias años atravesamos una situación crítica en cuanto al aumento global de la demanda frigorífica se refiere, que lejos de disiparse, su crecimiento tiene una tendencia exponencial para los años venideros y con ello las implicaciones en el sistema eléctrico y su impacto sobre el medio ambiente. El vertiginoso aumento de la demanda frigorífica es inevitable, por una parte, porque el tratamiento térmico está presente y es indispensable para el desarrollo en los diversos sectores de la vida actual, y por lo otra porque es consecuencia directa del desarrollo demográfico y económico; sobre en todo en países con climas cálidos y húmedos, la variación de las condiciones ambientales y al propio cambio climático, convirtiendo el acceso a este “recurso” en uno de los mayores problemas sociales de la actualidad. El problema antes planteado se agrava debido a la crisis energética mundial y a la dependencia a los combustibles fósiles para satisfacer tales necesidades, pues la gran mayoría de equipos y sistemas empleados en la actualidad para cubrir la demanda de climatización y refrigeración son energizados eléctricamente, lo que impacta política, social y económicamente de manera directa e indirecta en la calidad de vida y su normal desarrollo. Es por eso que todos los esfuerzos que permitan reducir el impacto y las consecuencias del aumento de la demanda frigorífica valdrán pena, y su desarrollo y puesta en práctica estarán más que justificados. Los sistemas de refrigeración solar por absorción son una de las tantas soluciones y sistemas que pueden ser implementados para contrarrestar los efectos antes mencionados sobre la red eléctrica y el medio ambiente. Sin embargo, la rápida y amplia difusión de esta tecnología en el mercado actual como una alternativa sólida, fiable y factible sigue encontrando obstáculos técnicos y económicos a pesar de las significativas mejoras alcanzadas en los últimos años en cuanto a calidad, confiabilidad, vida útil, desempeño, eficiencia y en la reducción de sus costos. El presente trabajo de investigación surge precisamente con el objetivo de hacer aportaciones que permitan derrumbar algunas de las principales barreras limitantes de esta tecnología como lo son: los problemas de integración entre los componentes de la instalación, su correcto dimensionamiento y la adecuada y eficiente regulación del sistema. Este objetivo fue alcanzado a través de: (1) el desarrollo de una herramienta de simulación realista de sistemas de frío solar por absorción impulsados por colectores lineales Fresnel (STCS_LFC), (2) la generación de relaciones matemáticas como criterios de amplia aplicación para un predimensionamiento rápido y practico de la instalación en función de los requerimientos térmicos, el tipo de edificio y zona climática y (3) estudiando y verificando el potencial de sistemas de control basados en aprendizaje por refuerzo en la optimización de la operación de sistemas de frío solar por absorción. La herramienta de simulación de sistemas térmicos de frío solar impulsados por colectores lineales Fresnel fue desarrollada con el software EES a partir de las ecuaciones y expresiones que gobiernan termodinámicamente el comportamiento de sus diversos componentes, con la capacidad de modelar y simular este tipo de sistemas de manera secuencial, simultánea, transitoria y paramétrica. Por medio de un caso de estudio fue posible evidenciar la funcionalidad, potencialidad y virtudes de la herramienta de simulación desarrollada. Las relaciones matemáticas desarrolladas como criterios de amplia aplicación para un predimensionamiento rápido y estimación de consumos energéticos de STCS_LFC en función del tipo de edificio y zona climática fueron obtenidas a partir de la modelización y simulación de instalaciones de este tipo dimensionadas según las necesidades de los edificios y zonas climáticas consideradas en el estudio y variando el área de apertura solar y el volumen del tanque de almacenamiento. Finalmente, la potencialidad de los sistemas de control basados en aprendizaje por refuerzo en la optimización del funcionamiento y operación de sistemas de frío solar por absorción fue investigada y verificada a partir de un caso de estudio, en el que se compararon las prestaciones de un sistema de frío solar impulsado por colectores lineales Fresnel operando con un sistema de control predictivo y con un sistema de control basado en aprendizaje por refuerzo. Las actividades antes descritas requirieron de una profunda y detallada revisión sobre las herramientas de simulación disponibles a nivel comercial y comúnmente utilizadas para modelar sistemas de frío solar, así como de los modos de operación y estrategias de regulación implementadas en este tipo de instalaciones. ABSTRACT For several years the world has been going through a critical situation in terms of the global increase in cooling demand, which far from dissipating, its growth tends to be exponential for the years to come and with it the implications on the electrical system and its impact on the environment. The vertiginous increase in the cooling demand is inevitable, on the one hand, because it is present and essential for development in the various sectors of today's life, and on the other hand, because it is a direct consequence of the demographic and economic development; especially in countries with hot and humid climates, the variation of environmental conditions and the climate change itself, making the access to this "resource" in one of the biggest social problems today. The aforementioned problem is aggravated due to the global energy crisis and the dependence on fossil fuels to meet such needs, since the vast majority of equipment and systems used to meet the demand for air conditioning and refrigeration are electrically powered, what directly and indirectly impacts politically, socially and economically the quality of life and its normal development. That is why all efforts to reduce the impact and consequences of the increase in refrigeration demand will be worthwhile, and its development and implementation are more than justified. Solar-driven absorption cooling systems are one of the many solutions and systems that can be implemented to counteract the aforementioned effects on the electricity grid and the environment. However, the rapid and wide diffusion of this technology in the current market as a solid, reliable and feasible alternative continues facing technical and economic obstacles despite the significant improvements achieved in recent years in terms of quality, reliability, useful life, performance, efficiency and cost reduction. The present research work arises precisely with the objective of making contributions that permit breaking down some of the main limiting barriers of this technology, such as: the problems of integration among the components of the installation, its correct dimensioning and the adequate and efficient regulation of the system. This objective was achieved through: (1) the development of a realistic simulation tool for analyzing absorption cooling systems driven by linear Fresnel collectors (STCS_LFC), (2) the generation of mathematical relationships as widely applicable criteria for a quick and practical pre-sizing of the installation based on the thermal requirements, the type of building and the climatic zone and (3) studying and verifying the potential of control systems based on reinforcement learning in optimizing the operation of solar-driven absorption cooling systems. The simulation tool for solar thermal cooling systems driven by linear Fresnel collectors was developed in the EES software considering the equations and expressions that thermodynamically govern the behavior of its various components, and with the capability to model and simulate this type of system sequentially, simultaneously, transiently and parametrically. Through a case study it was possible to demonstrate the functionality, potential and virtues of the developed simulation tool. The mathematical relationships developed as widely applicable criteria for a quick dimensioning and estimation of energy consumption of STCS_LFC as a function of the type of building and climatic zone were obtained from the modeling and simulation of installations of this type for the considered buildings and climatic zones, varying the solar aperture area and the volume of the storage tank. The potential of control systems based on reinforcement learning in the optimization of the functioning and operation of solar-driven absorption cooling systems was investigated and verified through a case study, in which the performance of a solar cooling system driven by linear Fresnel collectors operating with a predictive control system and with a control system based on reinforcement learning were compared. The activities described above required an in-depth and detailed review of the commercially available simulation tools commonly used to model solar cooling systems, as well as the modes of operation and regulation strategies implemented in this type of installation.