Sistemas de Aprovechamiento Solar Termico

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.



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



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



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.



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



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.



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.



- 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



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.



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



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



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.



Figura 4. Diagrama general de simulacin con Simusol.



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.



20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

0 5 10 15 20 25 30 35

Tie mpo [horas ]

Tem

p [

C]

Temp experim Colector C Temp entrada agua simulada C

Figura 5. Curvas de variacin de temperatura

20

22

24

26

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32

34

36

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0 5 10 15 20 25 30 35

Tiempo [horas]

Tem

p [C

]

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



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



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.



Bibliografa

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Edit. Marcombo S.A.

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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.

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