Estrategias de control de intercambiadores de calor en plantas termosolares

Resumen

Debido a la creciente demanda energética por parte de la población, es importante abastecer a ésta con energía limpia que se produzca respetando el medio ambiente. Por dicho motivo, están proliferando la construcción de plantas energéticas basadas en energías renovables, destacando, las plantas solares, ya sean basadas en tecnología de receptor central, como las basadas en tecnología cilindro-parabólica. Este trabajo ha sido centrado en ver que innovaciones se puede aportar dentro de los campos de modelado y control en los sistemas basados en plantas solares, encontrándose que ambos sistemas (los basados en tecnología de receptor central y en tecnología cilindro-parabólica) tienen como elemento común el uso de intercambiadores de calor tubulares o termosolares. A lo largo de los años se ha tratado el modo de atenuar la excitación de los modos resonantes inherentes en estos elementos. La aparición de las dinámicas resonantes en estos sistemas, dificulta su control debido a los efectos que producen en su salida cuando se intenta aumentar el rendimiento y la rapidez de respuesta frente a cambios de consigna. El uso de controladores PID para esta clase de sistemas, se antoja insuficiente y poco efectivo si se quiere alcanzar una respuesta en bucle cerrado sin sobreoscilaciones y con un alto rendimiento, debido a que este tipo de controladores generalmente no tienen en cuenta los efectos que provoca en la salida del sistema la excitación de los modos resonantes. Tradicionalmente, se utilizan controladores de alto orden o más complejos para el control eficiente de esta clase de sistemas; en este trabajo se propone el uso de un controlador con estructura de control repetitivo para la cancelación de las dinámicas resonantes. Aunque el control repetitivo es una técnica ampliamente conocida para el seguimiento de trayectorias periódicas o el rechazo de perturbaciones periódicas, en este trabajo se considera una nueva funcionalidad para esta clase de controladores al usarlos para contrarrestar las dinámicas resonantes de los sistemas tubulares. Esta nueva funcionalidad consiste en la interpretación de los efectos provocados por la excitación de los modos resonantes como perturbaciones 'internas' del sistema, surgiendo la sintonización del controlador repetitivo de una manera lógica y natural a partir de un modelo de caja gris desarrollado para el sistema. Además, durante el tratamiento de este problema, surgieron otras problemáticas de control colaterales en los sistemas solares basados en tecnología de receptor central. Estos sistemas utilizan la radiación solar concentrada para calentar un fluido que atraviesa un receptor volumétrico, y que se transfiere una vez calentado a un intercambiador de calor para iniciar una producción de vapor. El fin último, es producir vapor a una temperatura y presión dadas para alimentar una turbina. Mientras en las plantas de producción energética convencionales dicha fuente primaria de energía, que proviene principalmente de la quema de combustibles fósiles, es controlable y se puede regular, en las plantas basadas en energías renovables ni se puede controlar, ni está siempre disponible para operar el sistema. Por lo que se necesita una segunda fuente de energía, normalmente denominada 'buffer' o almacén energético, que será la encargada de mantener el sistema en su estado nominal ante la ausencia de la fuente de energía primaria. El hecho de que dentro del sistema exista un almacén hace que la fuente de potencia entrante al generador de vapor varíe dinámicamente durante la operación de la planta, pudiendo provenir dicha potencia de la fuente energética principal (el receptor), del buffer energético (un almacenamiento térmico) o de ambas fuentes simultáneamente. Esto provoca la introducción de eventos discretos o lógicos dentro de la dinámica continua del sistema, conllevando la necesidad de desarrollar un modelo que sea capaz de contemplar la naturaleza heterogénea del sistema. A esta clase de sistemas, donde se mezclan dinámicas discretas y continuas, se les denomina en la literatura 'sistemas híbridos'. En los últimos años, se han estudiado por diferentes vías, modelos capaces de describir las interacciones entre dinámicas continuas con componentes lógicos. Estos modelos heterogéneos, denominados en la literatura como modelos híbridos, son capaces de conmutar entre diferentes modos de operación, donde cada modo se asocia con una dinámica particular y cada transición entre modos se trata como un evento discreto del sistema. Aunque los sistemas híbridos han sido usados durante mucho tiempo, la denominación 'sistema híbrido' es relativamente nueva. Muchos paradigmas anteriores de control como control borroso, control lógico o control con ajuste por tabla de ganancias ('gain scheduling') pueden encajar dentro del contexto de un sistema híbrido. En este trabajo se ha desarrollado tanto un modelo como un controlador híbrido para la potencia entrante al generador de vapor de una planta solar basada en tecnología de receptor central, ya que ésta admite una descripción híbrida de una manera natural, debido a los distintos modos de operación que provoca el hecho de tener incorporado un sistema de almacenamiento energético.