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Model predictive control and optimization of solar thermal energy plants

  • Autores: Adolfo Juan Sánchez del Pozo Fernández
  • Directores de la Tesis: Eduardo Fernández Camacho (dir. tes.), Juan Manuel Escaño González (dir. tes.)
  • Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2019
  • Idioma: inglés
  • Número de páginas: 84
  • Títulos paralelos:
    • Control predictivo basado en modelo y optimización de plantas de energía solar térmica
  • Tribunal Calificador de la Tesis: Manuel Berenguel Soria (presid.), Miguel Angel Ridao Carlini (secret.), Robert Pütz (voc.), Manuel Blanco Muriel (voc.), Carlos Bordóns Alba (voc.)
  • Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Automática, Electrónica y de Telecomunicación por la Universidad de Sevilla
  • Materias:
  • Enlaces
    • Tesis en acceso abierto en: Idus
  • Resumen
    • español

      Los objetivos de la tesis son el desarrollo de nuevas estrategias de control predictivo basadas en modelo y optimización de plantas solares parabólicas a gran escala. La tesis se centra en tres aspectos del control de plantas solares: (1) Desenfoque de los colectores, (2) control de plantas solares en presencia de limitaciones de potencia eléctrica y (3) optimización del campo solar. El dise˜no de los controladores propuestos y los resultados obtenidos en la tesis se basan en dos modelos de simulaci´on de campo solar, el campo ACUREX y una planta solar comercial de 50 MW. Es importante mantener la temperatura del fluido t´ermico dentro de los l´ımites de temperatura de seguridad proporcionados por el fabricante y evitar su degradaci´on. Para evitar que la temperatura exceda el l´ımite de degradaci´on, las plantas comerciales disponen de una estrategia de seguridad de desenfoque de colector. Esto se aplica de forma escalonada mediante desenfoque total o parcial, que se realiza modificando el ´angulo del colector. Este mecanismo de desenfoque de colector es reactivo y altamente ineficiente debido a los saltos térmicos causados por la aplicación del desenfoque total o parcial. En esta tesis se presentan nuevos algoritmos de Control Predictivo basado en Modelo para el desenfoque de los colectores de los lazos del campo solar. Se aplicarán Controladores Predictivos Generalizados basados en eventos y Controladores Predictivos basados en Modelos en el espacio de estados para el control del desenfoque del cuarto y tercer colector de los lazos del campo solar. Se presenta un Controlador Predictivo Generalizado basado en eventos para el tracking de potencia eléctrica generada. Este controlador se diseña para los casos en los que la planta se tiene que mover a un modo de operación especial, ”limitación de potencia”. Esta situación se produce cuando la planta recibe una orden del Operador del Sistema de Transporte indicando que se debe disminuir la potencia eléctrica generada. En estos casos, la planta se ve obligada a disminuir su producción eléctrica y mantener la consigna de potencia determinada por el Operador del Sistema de Transporte. En estas situaciones el objetivo es doble: cumplir con el setpoint de potencia indicado por el Operador del Sistema de Transporte y el seguimiento de la temperatura de salida de campo solar. En estas situaciones ser´a muy importante tener en cuenta la estrategia de desenfoque para evitar sobrecalentar el fluido térmico (HTF) (generalmente aceite). Además de los controladores propuestos para el desenfoque y limitación de potencia, una parte de la tesis se centrar´a en la optimización del campo solar. Se centrar´a en obtener una homogeneización del campo solar (balance térmico). Se tendrán en cuenta que factores como la reflectividad pueden ser diferentes en cada uno de los lazos provocando grandes diferencias en las temperaturas de los lazos. Esto puede provocar pérdidas de potencia, diferencias elevadas de temperatura entre los lazos y acciones innecesarias de desenfoque con el correspondiente deterioro de los actuadores, mangueras flexibles y estructuras. Se proponen algoritmos de optimización basados en modelos no lineales para el control de las válvulas de entrada de cada uno de los lazos del campo solar con el fin de homogeneizar la temperatura de salida del campo solar, o lo que es lo mismo, un balance térmico del campo solar. Este equilibrio térmico disminuir´a las grandes diferencias de temperatura entre los diferentes lazos, así como la posible pérdida de energía debido al desenfoque innecesario de parte del campo solar con mayor eficiencia óptica o mayor radiación solar. En una ´ultima parte de la tesis, se aplicar´a el algoritmo de optimización desarrollado para el balance térmico del campo en casos de nubosidad parcial sobre el campo solar. Dado que las plantas comerciales ocupan extensiones de terreno muy grandes, es posible encontrar que partes del campo estén cubiertas por nubes mientras que otras partes no lo estar´an. ´ Esto provocar´a que los lazos con menor radiación solar se encuentren a temperaturas muy inferiores a otras partes del campo solar. El controlador global de temperatura de salida de campo solar podrá estar funcionando correctamente (seguimiento de la temperatura de salida de campo solar), pero para poder cumplir con su objetivo disminuir´a el caudal haciendo que los lazos con más radiación puedan alcanzar el punto de desenfoque, produciendose pérdidas de energía.

    • English

      The goals of the thesis are the development of new model predictive control strategies and optimization of large-scale parabolic solar plants. The thesis focuses on three aspects of the control of solar plants: (1) defocusing of the collectors, (2) control of solar plants in the presence of limitations of electric power and (3) optimization of the solar field. The design of the proposed controllers and the results obtained in the thesis are based on two solar field simulation models, the ACUREX field and a 50 MW commercial solar plant. It is important to keep the oil temperature within the safe temperature limits provided by the manufacturer and to avoid its degradation. To prevent the temperature from exceeding the degradation limit commercial plants have a safety collector defocus strategy. This is applied in a staggered manner as total or partial defocusing, which is done by modifying the angle of the collector. This mechanism of defocusing the collector is reactive and highly inefficient due to the thermal jumps caused by the application of full or partial defocusing. In this thesis new Model Predictive Control (MPC) algorithms for the defocusing of the solar field loops collectors are presented. Event-based Generalized Predictive Control and State Space Model Predictive Control strategies will be applied for the defocusing of the fourth and third collector of the solar field loops. An Event-based Generalized Predictive Control strategy for the generated electrical power tracking is presented. This controller is designed for cases in which the plant has to move to a special operation mode, ”power limitation”. This situation arises when the plant receives an order from the Transmission System Operator (TSO) indicating that the power generation must be reduced. In these cases, the plant is forced to decrease its electric production and maintain the power set-point determined by the TSO. In these situations the objective is double: fulfilling the TSO power set-point and temperature tracking. In these situations it will be very important to take into account the defocus strategy to avoid overheating the Heat Transfer Fluid (HTF) (usually oil). In addition to the proposed algorithms for defocus and power limitation, a part of the thesis will focus on the optimization of the solar field. It will focus on obtaining a homogenization of the solar field (thermal balance). It will take into account factors such as the difference of the reflectivity in each of the loops, causing big differences in the temperatures of the loops. This may result in power losses, high temperature gradients between the loops and unnecessary defocusing actions with the corresponding deterioration of the actuators, flexible hoses and structures. Nonlinear model based optimization algorithms are proposed for the control of the inlet valves of each of the loops in order to homogenize the solar field outlet temperature, or what is the same, a dynamic thermal balance of the solar field. This balance will decrease the high temperature differences between the different loops as well as the possible loss of energy due to unnecessary defocusing of part of the solar field with higher optical efficiency or higher solar radiation. In a final part of the thesis, the optimization algorithm developed for the field thermal balance will be applied in cases of partial cloudiness over the solar field. Given that commercial plants occupy very large land extensions, it is possible that part of the field is covered by clouds while other parts are not. This will cause the loops with less solar radiation to be at lower temperatures than other parts of the solar field. The global solar field outlet temperature controller may be working correctly (solar field outlet temperature tracking), but in order to achieve its objective it will decrease the flow rate, making the loops with more radiation reach the point of defocusing, resulting in energy losses


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