Design and characterization of hybrid solar cooling systems with thermal and photovoltaic technologies: Techno-Economic feasibility for the industrial sector
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2024
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Abstract
La presente investigación diseña y caracteriza los sistemas de refrigeración solar hibridando tecnologías térmicas y fotovoltaicas enfocado en procesos industriales bajo condiciones de alta, media y baja radiación solar. El objetivo principal es desarrollar una metodología para diseñar y caracterizar los sistemas de enfriamiento industrial hibridando los campos solares térmicos y fotovoltaicos (ST+PV) y permita la evaluación del rendimiento tecno-económico con respecto a otras tecnologías solares. Por tanto, se definen tres objetivos específicos relacionados con: definir estudios de casos para aplicaciones industriales que se ajustan a la capacidad térmica, límites de temperatura de los equipos; determinar el dimensionamiento y la configuración adecuados de un sistema solar híbrido (HYB) impulsado por fuentes solar térmicas y solar fotovoltaica y; evaluar el sistema HYB bajo diferentes niveles de recursos solares y compare su rendimiento tecno-económico con los sistemas de enfriamiento convencionales. Esta tesis contiene cinco capítulos, de los cuales tres se presentan en el formato de artículos científicos en revistas indexadas y que cubren cada objetivo específico. La metodología se divide en seis etapas. La primera etapa (Capítulo 2) se centra en detallar los sistemas de enfriamiento solar y analizar el potencial para integrar los sistemas de enfriamiento solar en la industria clasificando los rangos de operaciones de las máquinas de enfriamiento en función de las temperaturas de control de los procesos de fabricación del
sector industrial. La segunda etapa (Capítulo 3) se centra en validar las simulaciones numéricas de los colectores solares de placas planas (FPC), los módulos fotovoltaicos (PV), el enfriador convencional de aire-a-agua (AWCH) y la máquina de enfriamiento por absorción (ABCH) a partir de datos públicos de catálogos y mediciones de sistemas en operación. En este contexto, se desarrolla una metodología para predecir el comportamiento de los sistemas de absorción de efectos simples (SEABC) en cualquier condición operativa,
utilizando los datos proporcionados por el catálogo como datos de entrada. La etapa 3 (capítulos 3 y 4) se centra en simular sistemas HYB y comparar su rendimiento energético con respecto a los sistemas de enfriamiento con campos individuales térmicos fotovoltaicos y solares. La etapa 4 (Capítulo 4) consiste en desarrollar una metodología para generar perfiles artificiales de carga de enfriamiento dinámico para el sector industrial (APCL), identificar cada proceso de producción y usar el volumen de producción de cada proceso y datos meteorológicos como datos de entrada. La etapa 5 (Capítulo 4) evalúa el costo nivelado de enfriamiento y calor (LCOCH) de los sistemas HYB, que se compara con los sistemas solares de los campos individuales de PV y FPC. Finalmente, la etapa 6 (Capítulo 4) se centra en evaluar el rendimiento de los sistemas HYB, PV y ST en escenarios regionales de radiación solar alta, media y baja en la industria del vino de Chile. Los principales resultados de la investigación mostraron que los sistemas HYB pueden reducir hasta el 30% del área de campo solar sin afectar la fracción solar (SF). Desde el punto de vista de energía, el sistema HYB aumenta la SF entre 11% y 17% en comparación con el campo solar de FPC, y la SF aumenta entre 46% y 74% en comparación con un campo solar PV. La ventaja de energética se debe al sistema HYB que cubre parcialmente la demanda eléctrica y de calor de los procesos industriales, que se compone de entre el 10% y el 30% de los módulos PV. Desde un punto de vista económico, es posible alcanzar el LCOCH más bajo en casi todos los escenarios de radiación solar baja, media y alta en comparación con un sistema de referencia impulsado por energía fósil. Sin embargo, el comportamiento económico es altamente sensible a los ahorros de energía eléctricos, ahorros de gas natural y el costo de la venta de electricidad en los gastos operativos (OPEX). En este contexto, en escenarios en los que el costo de la electricidad es más alto que el costo del gas natural, el sistema PV tiende a presentar el mejor LCOCH en comparación con el sistema HYB. En contraste, el sistema HYB tiende a tener el LCOCH más bajo en escenarios en los que el costo del gas natural es igual o superior al costo de la electricidad, en las condiciones en las que el ahorro de combustible y las ventas de electricidad alcanzan al menos el 20% del valor del valor del OPEX.
Description
Tesis (Doctor in Engineering Sciences)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2024