sistemas de aprovechamiento solar termico
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79 Simulacin de Sistemas de Aprovechamiento Solar
Trmico Mixto con Control Automtico Watkins, M. E.; Garca, V. O.
Simulacin de Sistemas de Aprovechamiento Solar Trmico Mixto
con Control Automtico
Watkins, Marcelo Eduardo(1); Garca, Vctor Orlando(2)
1: Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. UNCa. Av. Belgrano 300. 4700 Catamarca. [email protected]
2: Facultad de Ciencias Agrarias. UNCa. Av. Belgrano 300. 4700 Catamarca. [email protected]
Resumen:
El trabajo presenta la aplicacin de tcnicas de simulacin para el desarrollo de sistemas de control automtico en invernaderos. La metodologa consiste en la simulacin del sistema de calefaccin completo con los modelos diseados para este propsito comparando luego los resultados con las mediciones experimentales. Esta metodologa se aplica a sistemas de control con retroalimentacin interna. El uso de la simulacin es apropiado para visualizar el comportamiento de todo el sistema, incluso en condiciones climticas diferentes. Se verifica el correcto funcionamiento de los modelos desarrollados.
Palabras clave: Simulacin; Control automtico; Simusol, Modelos.
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Simulation of Mixed Solar-Thermal Systems
with Automatic Control
Abstract:
This paper presents the application of simulation techniques to develop greenhouse automatic control systems. The methodology consists in simulating the complete heating system with models designed for this purpose, and comparing the results with the experimental measurements. This methodology is applied to internal feedback control systems. Simulation use is appropriate to visualize the behavior of the entire system, even under different weather conditions. The correct operation of the developed models is checked.
Key words: Simulation; Automatic control; Simusol, Models.
Introduccin
La simulacin de un proceso requiere del desarrollo de
un programa computacional capaz de repetir las caractersticas de
comportamiento del sistema ante la movilidad de sus variables de
entrada. El software Simusol (Saravia y Saravia, 2000) aplicado a
sistemas trmicos cumple ampliamente este requerimiento. Como
es imposible replicar exactamente las caractersticas del sistema
fsico, se trabaja con modelos, los cuales se ajustarn hasta
determinar su validez. En el proceso de ajuste se busca simular
con la mayor fidelidad posible los resultados obtenidos de modo
experimental (Iriarte et al, 2003).
La simulacin permite realizar estudios de la
variabilidad de los procesos, balances de masa y energa en los
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sistemas y ajustes de diseo (Esteban y Saravia, 2009). Se puede
tambin realizar el estudio de los efectos en la salida que pueden
producir cambios en las variables de entrada con notable economa
de recursos. La optimizacin del proceso como opcin dentro de la
simulacin, es otra ventaja que deriva en ahorro de energa,
materia prima, mejora de los rendimientos e identificacin de los
problemas de reparto de flujo o cuellos de botella. Permite adems
el entrenamiento del personal en la instalacin y el manejo
adecuado del sistema (Creus Sol et al, 1989).
En la actualidad se exige cada vez mayor rendimiento a
los sistemas de aprovechamiento solar-trmico y se considera
fundamental el funcionamiento regular y continuo del mismo.
Particularmente en el caso de produccin de plantas empleando
camas de enraizamiento, resulta crtico el control de la
temperatura con la que el agua ingresa a las camas. Esto
generalmente deriva en la necesidad de combinar la coleccin solar
con fuentes de energa de tipo convencional (gas o electricidad)
que funcionen alternativamente en los momentos en que la
energa solar-trmica almacenada se agota y la radiacin solar no
es suficiente (Garca et al, 2006, 2007). Los conceptos
desarrollados para realizar el control automtico proporcionan las
herramientas necesarias para el estudio sistematizado de la
eficiencia energtica del sistema y el comportamiento trmico de
las camas de enraizamiento mediante la simulacin (Watkins et al,
2008).
La operacin del sistema alternativo puede ser manual,
pero esto generalmente deriva en un uso antieconmico, ya que
quienes operan el sistema pueden, por diversos motivos, no
hacerlo de la manera apropiada (Cembranos, 2005). La solucin
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ptima puede encontrarse en el control automtico, cuando su
diseo ha sido correctamente ajustado y probado (Watkins et al,
2008).
El objetivo general del presente trabajo consiste en
mostrar un procedimiento completo de modelado y simulacin del
comportamiento trmico de un sistema fsico experimental
existente que adems realiza el control automtico de algunas
variables. En trabajos anteriores se realizan ajustes preliminares
pero realizados sobre los modelos sin el dispositivo de control
automtico (Watkins e Iriarte, 2010; Watkins et al, 2008).
Materiales y Mtodo
Para el logro del mismo se cumplen las siguientes metas:
a) Ensayo experimental del dispositivo y adquisicin
de datos.
b) Procesamiento de los datos y obtencin de curvas de
comportamiento trmico.
c) Anlisis de los componentes del sistema.
d) Planteo general de los modelos para simulacin.
e) Modelado de dispositivos de control automtico.
f) Simulacin del sistema completo.
g) Anlisis y discusin de resultados.
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Sistemas de control automtico:
Dentro del campo del control de procesos, el lazo de
retroalimentacin tiene un papel relevante. El control clsico se
basa, fundamentalmente en tres elementos constitutivos:
transmisor, controlador y vlvula de control, relacionados a travs
del lazo o bucle de retroalimentacin. El transmisor enva una
muestra de la variable que se quiere controlar al controlador. Este
a su vez, compara el valor recibido con un valor deseado o punto
de consigna y a partir de la diferencia se calcula mediante un
algoritmo o accin de control un valor de correccin que es
enviado al elemento final de control o vlvula (Creus Sol et al,
1989). El tipo de control a aplicar es tpicamente uno de los cuatro
siguientes
1- Todo-nada: En este tipo de control, la vlvula est
abierta o cerrada, con lo cual la variable controlada
oscila continuamente alrededor de la posicin de
equilibrio.
2- Proporcional: en el que la vlvula de control sigue
proporcionalmente los cambios de la variable
controlada. La accin proporcional, tiene como
inconveniente la desviacin permanente de la
variable controlada en relacin al punto de consigna
(error de offset).
3- Integral: Control que acta cuando existe una
desviacin entre la variable y el punto de consigna,
integrando dicha desviacin en el tiempo y
sumndola a la accin proporcional. Resuelve los
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problemas de error de offset, pero su respuesta es
lenta.
4- Derivativo: Acta cuando se presentan cambios
repentinos en la variable controlada. La accin es
proporcional a la velocidad de dichos cambios.
Dispositivo experimental
Se trabaja sobre el sistema mixto sol-gas empleado en la
cmara de produccin de plantas ubicada en el predio de la
Estacin Experimental del Instituto Nacional de Tecnologa
Agropecuaria (INTA-Catamarca), para microinjertacin y
enraizamiento. Los datos para la validacin de los modelos, se
obtienen durante el funcionamiento automatizado con control
todo-nada.
La figura 1 muestra un esquema del dispositivo
experimental. El agua circula por los colectores solares impulsada
mediante una bomba. Mientras la temperatura del agua se
mantiene superior a los 30 C la vlvula de control permite la circulacin hacia las camas de enraizamiento. En ausencia de
radiacin solar, la temperatura baja hasta provocar el cierre de
dicha vlvula y el agua caliente es provista, en dicha situacin, por
la caldera.
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Colectores solares Tanquede reserva
Bomba
Termotanque
Camas de enraizamiento
ElectrovlvulaVlvula de retencinSensores de temperatura
Figura 1. Esquema del sistema mixto sol-gas experimental
El dispositivo experimental est conformado por los
siguientes componentes:
- Dos colectores planos de agua de 0,80 m x 2,96 m cada
uno
- Una caldera de 110 litros de capacidad con un consumo
de 5750 W, recuperacin 235 l.h-1 y presin de trabajo
3,4 kg.cm-2
- Un tanque de 100 litros de agua para reposicin de
prdidas.
- Una bomba de 375 W (0,5 hp) para circulacin forzada
de agua.
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- Dos electrovlvulas de 1 pulgada y 24 Vac.
- Dos vlvulas de retencin.
- Sensor tipo termostato con rango 30-90 C. - Un caudalmetro Mod.VF-100.
Para el sistema de medicin de las variables de la
cmara, mesada, colectores y ambiente exterior se utiliza una
computadora (PC) con tarjeta de adquisicin de datos Keithely
1600 y PClab 812. Se usan sensores tipo LMxx (semiconductor)
para la medicin de la temperatura del aire y del agua y para
radiacin solar interior y exterior se emplean radimetros Kipp &
Zonen modelo SP Lite2 All weather measurement
Mediciones
Se ubican tres sensores en el interior de la cmara, a lo
largo de la misma y sobre el eje central. Se instalan sensores en la
entrada y salida de agua de las camas de enraizamiento adems de
dos sensores abajo de las mismas. Se colocan sensores de
temperatura en los colectores, a la entrada y a la salida del agua, y
un sensor tipo termostato en el interior. Se instalan tambin
sensores en la caldera, a la entrada y a la salida de agua, y uno en
el interior a los efectos de tener referencia del encendido de la
misma. Se coloca un caudalmetro para medir el volumen de agua
que ingresa a las camas. La radiacin se mide en el interior en los
frontales norte y sur, techo este y oeste, y en el exterior de la
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cmara sobre plano horizontal. Detalles adicionales se pueden
consultar en el trabajo de Garca et al (2003).
Simulacin
Simusol, es un programa que permite simular sistemas
trmicos por analoga con sistemas elctricos. Es posible
representar todos los intercambios de energa y la dinmica del
sistema, pero se carece de herramientas especficas que permitan
representar un elemento de toma de decisin destinado al control
automtico. Esto representa un desafo que ser abordado
teniendo en cuenta la potencialidad del software, siguiendo una
metodologa basada en el desarrollo de modelos.
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Figura 2. T1- Modelo para camas de enraizamiento.
Con esta premisa, se trabaja inicialmente en un modelo
que representar las camas de enraizamiento y cuya simulacin
fue publicada anteriormente (Garca et al, 2006). El diagrama del
modelo desarrollado con el programa DIA, se muestra en la figura
2. Sobre dicho modelo (T1) pudieron validarse correctamente los
valores de las resistencias de prdidas conductivas, radiativas y
convectivas de las camas de enraizamiento. El diagrama muestra
un nodo de entrada de agua a un nodo de salida b y un nodo
intermedio 3T1. Los nodos d, e y f representan las zonas
de la cama, cubiertas con perlita, que reciben radiacin solar
(ganancia directa) o transfieren prdidas radiativas hacia el
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ambiente. Finalmente el nodo c representa al aire ambiental y a
travs de este se representan las prdidas convectivas de la cama.
Figura 3. Modelo T2 para vlvula de control
El segundo modelo desarrollado a los fines de completar
el trabajo, representa al elemento de toma de decisin o vlvula de
control para la automatizacin. El diagrama del modelo graficado
con el software DIA, se muestra en la figura 3. El modelo T2 est
constituido por cuatro fuentes de flujo de calor y masa
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interconectadas entre si que actan apareadas segn puede verse
en el cuadro de DEFINICIN del modelo. Las rdenes de apertura
o cierre de las vlvulas provienen de Tablas de datos que se
debern agregar posteriormente en el circuito trmico general
(Tabla 5 y Tabla 6). En dichas tablas se definen las temperaturas
de apertura y cierre o puntos de consigna de la toma de decisin y
los flujos de agua que circulan por las camas de enraizamiento.
Finalmente, la figura 4 muestra el circuito trmico de
todo el dispositivo diagramado mediante el programa DIA, donde
puede observarse la interconexin de los modelos T1 y T2. En el
Nodo 1 del circuito se ingresa la temperatura del agua proveniente
de los colectores solares (datos experimentales), y en el Nodo 8 se
ingresa la temperatura del agua de la caldera (parmetro
simulado). Los Nodos 2 y 8 son entrada y salida del agua de las
camas respectivamente, mientras que el Nodo 3 simboliza la zona
de prdidas convectivas y conductivas hacia el ambiente. Se
introducen por dicho Nodo los datos de la temperatura ambiente
de los ensayos experimentales. Los Nodos 4, 5 y 6 son puntos de
ingreso de la radiacin solar en el dispositivo, mientras que el
nodo 7 es un punto que representa la zona de prdidas de calor
radiativo hacia el cielo, por lo que se ingresa en ese punto la
temperatura de cielo Tsky calculada con la frmula de Swinbank
(1) (Duffie J. y Beckman, W., 1980), donde:
Tsky = 0,0552.Ta1.5 (1)
Siendo Ta la temperatura ambiente.
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Figura 4. Diagrama general de simulacin con Simusol.
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Resultados y discusin
El ensayo del circuito completo en Simusol permite
trazar curvas de variacin de la temperatura de cada uno de los
nodos. En la figura 5 pueden observarse las variaciones de la
temperatura del colector solar, (datos experimentales) y la curva
de temperatura de entrada de agua a las camas de enraizamiento,
que se obtiene como resultado de dicha simulacin. Puede, a
travs de ella, verificarse el correcto funcionamiento de la vlvula
de control simulada, dado que mientras la temperatura del
colector se mantiene superior a los 30 C, el agua que circula por las camas copia el perfil de temperatura de los colectores. Por el
contrario, cuando la temperatura en los colectores desciende por
debajo de la consigna (entre las 17 y las 22 hs), la curva de la
temperatura de entrada de agua a las camas se mantiene prxima
a la temperatura de la caldera (30 C) controlada por el sistema automtico.
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Tie mpo [horas ]
Tem
p [
C]
Temp experim Colector C Temp entrada agua simulada C
Figura 5. Curvas de variacin de temperatura
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Tiempo [horas]
Tem
p [C
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Temp simulada C Temp experimental C
Figura 6. Curvas de validacin del modelo
La automatizacin con retroalimentacin de la
temperatura de salida del agua proporciona al usuario la certeza
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del funcionamiento estable del sistema garantizando de esta
manera un alto porcentaje de enraizamiento en las camas.
La ltima etapa consiste en la verificacin de la validez
del modelo completo. Para ello se trabaja comparando datos
experimentales de temperatura de agua en las camas de
enraizamiento y datos de la temperatura calculada mediante el
proceso de simulacin. La curva resultante puede verse en la
figura 6. El ensayo mostrado tiene una duracin de
aproximadamente 35 horas (dos das y una noche). Se realizan dos
ensayos adicionales de 24 y 46 hs cada uno en condiciones
climticas diferentes y con ajustes similares a los mostrados. Se
considera apropiada la duracin de los ensayos ya que esto permite
que el sistema entre en rgimen.
En todos los casos los errores observados entre la
temperatura simulada y la experimental son inferiores al 5% y el
error promedio es de 2,42 %.
Conclusiones
El trabajo muestra la validez del empleo de simulaciones
para una automatizacin con control todo-nada restando an
realizar pruebas con otro tipo de control ms elaborado. No
obstante, se pudo demostrar la potencialidad del procedimiento
para realizar simulaciones en sistemas trmicos de alta
complejidad. Se trata de una primera etapa en la simulacin de
sistemas trmicos con control automtico.
Si bien se ha conseguido un ajuste satisfactorio, con
errores tolerables, es necesario continuar la tarea para el
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desarrollo de modelos que permitan representar otros modos de
control tales como el control proporcional, integral y control
derivativo. Se espera que la aplicacin del control proporcional
permita ajustes ms precisos entre las variables.
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Bibliografa
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- Watkins, M., Iriarte, A. (2010) Ajustes preliminares de modelos alternativos para diseo y simulacin de invernaderos solares. Revista Ciencia. FACEN. Vol 5, N 18. pp 7 a 18.
Agradecimientos
Algunas secciones de este trabajo fueron desarrolladas
en el marco del Proyecto de Investigacin Uso de la Energa Solar
para la calefaccin de Invernaderos Especiales dirigido por el Dr.
Adolfo Iriarte y las mediciones fueron realizadas en instalaciones
del INTA Catamarca con instrumental provisto por INECO
Catamarca y la Facultad de Ciencias Agrarias de la UNCa.