Sistema de Trigeneración Solar Para Operación de Planta Didáctica de Instrumentación y Control de Procesos Industriales
Digital
- Autores:
-
Vargas-Herrera, José Manuel
- Tipo de recurso:
- Fecha de publicación:
- 2023
- Institución:
- Universidad de Santander
- Repositorio:
- Repositorio Universidad de Santander
- Idioma:
- spa
- OAI Identifier:
- oai:repositorio.udes.edu.co:001/8830
- Palabra clave:
- Planta de Instrumentación
Trigeneración Solar
Energía Fotovoltaica
Energía Termosolar
Concentración Solar
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Solar Trigeneration
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- openAccess
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Luna-Guevara, Franciscod6c63ee1-0069-4808-81b9-38ee35049f7a-1Palomino-Prieto, Orlandof13afcf7-a29b-4711-bb87-556f0524c118-1Chavarriaga-Gómez, Alba Lucíae85a1cff-a439-4fe1-bf15-a65390780c20-1Vargas-Herrera, José Manuel2c7549da-fb95-4ecb-b536-de8b4c9c5cf8-1Caycedo-García, Maya Sianb879fde9-ba7a-447d-bd6c-32f3a61cea0d-1Ordoñez-Durán, Julián Fernando31b9ad15-c8c0-45a7-a3ef-caa2f2697222-12023-07-17T14:41:04Z2023-07-17T14:41:04Z2023-06-06DigitalEl estudio se concentró en la reducción del consumo energético de electricidad, calor y frío con 7 kWh, 4 kWh y 3 kWh respectivamente, para la operación de una planta didáctica de Instrumentación y Control de Procesos Industriales (ICPI), existente en el Centro Industrial de Mantenimiento Integral del Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA). La planta ICPI incluye un área de servicios y un área de procesos. El área de servicios contiene dos tanques independientes A y B, los cuales son alimentados con agua potable a 25°C hasta un volumen predefinido. El agua alimentada en el tanque A, se calienta a 70 °C mediante calentador eléctrico y en el tanque B se enfría a 10°C, a través de una unidad de enfriamiento y se almacena para tratamiento posterior en el área de procesos. El área de procesos contiene un tanque cerrado tipo intercambiador de calor, para realizar operaciones manuales y automáticos de control térmico entre los dos fluidos, hasta obtener un valor deseado de temperatura para el fluido bajo prueba. El trabajo realizado consistió en el dimensionamiento de un sistema de trigeneración solar o Combined Cooling Heating and Power (CCHP por sus siglas en inglés), o sea la creación de electricidad, calor y frio a partir de una única fuente de energía renovable como lo es la energía solar, buscando ahorro energético durante la operación de la planta. La metodología aplicada, se fundamentó en tres fases: caracterización del consumo energético; análisis de tecnologías de captación solar térmica y fotónica y finalmente, simulación de dos alternativas de solución basadas en energía solar para la operación de la planta, comparando desempeños energéticos y económicos. Los resultados demostraron que la mejor solución para reducir los costos energéticos de la planta es la implementación de un sistema de trigeneración solar basado en paneles fotovoltaicos.The study was focused on the electric power consumption, heat and cold with 7 kWh, 4 kWh y 3 kWh respectively, for the Industrial Processes Control and Instrumentations Didactic Plant (ICPI in Spanish), as existing equipment at the Integral Maintenance Industrial Center (CIMI in Spanish) of the Learning National Service (SENA in Spanish). The ICPI plant includes a processes area and a services area. The services area possesses two independent tanks A and B, which are filled by safe water at 25°C until we reach a predetermined volume. The water contained in tank A, is heated to 70°C using an electric heater and in the tank B, water is cooled to 10°C, using a cooling unit, and then, it is stock for a later treatment in the processes area. The processes area has a tank sealed by a heat exchanger, to operate among fluids thermal control of manual and automatic operations until a wanted temperature digit for the tested fluid is obtained. The work consisted of a dimensioning of a solar trigeneration or Combined Cooling Heating and Power (CCHP), meaning electricity creation, heat, and cooling from a unique renewable power source as the solar power is, searching for energy saving during the plant operation. The methodology applied in this study was based on three phases: energy use characterization; thermal and photon solar capture technology analysis, and finally a two-option solutions simulation based on solar energy for the plant operation, comparing energetic and economic performances. The results obtained in this study demonstrated that the best solution to reduce the energetic cost of the plant is the implementation of a trigeneration solar system based on photovoltaic panels.MaestríaMagíster en Recursos EnergéticosIntroducción 23 Planteamiento del Problema y Justificación 27 Objetivos 30 Objetivo General 30 Objetivos Específicos 30 Estado del Arte y Antecedentes 31 Aplicación de los Sistemas de Trigeneración 33 Software Utilizados Para Sistemas de Trigeneración 38 Marco Referencial, Teórico o Referentes Conceptuales 42 Concepto de Trigeneración – CCHP 42 Concepto de Trigeneración Convencional con Hidrocarburos 44 Concepto de Trigeneración con Energía Solar 48 Plantas de Procesos Industriales 52 Planta Didáctica de Instrumentación y Control de Procesos Industriales SENA CIMI Girón 53 Marco Contextual- Servicio Nacional de Aprendizaje – SENA 58 Metodología, Estrategias o Tácticas 59 Desarrollo del Dimensionamiento Sistema de Trigeneración Solar de la Planta ICPI 61 Desarrollo de la Caracterización de las Necesidades Energéticas de Electricidad, Calor y Frio Para Operar Planta ICPI del SENA CIMI Girón 61 Caracterización Termodinámica de los Sistemas de Calentamiento y Enfriamiento en la Planta Servicios 70 Conceptos Aplicados de la Termodinámica en Cálculos Energéticos 70 Caracterización Termodinámica del Sistema de Calentamiento Planta de Servicios 76 Caracterización Termodinámica Sistema Enfriamiento Tanque TK-102 Planta Servicios 84 Cálculos Energéticos del Sistema de Enfriamiento de Agua en el Tanque TK-102 de la Planta de Servicios del SENA CIMI GIRÓN 87 Tabla Resumen Consumo Para Calentamiento y Enfriamiento Planta de Servicios 91 Caracterización Energética Tanque de Procesos Para Intercambio Térmico Tanque 101 92 Desarrollo del Análisis de Tecnologías de Captación Solar Térmica y Fotónica Determinando Ventajas y Restricciones Energéticas y Económicas Para su Implementación en Sistemas de Trigeneración 92 Desarrollo de la Simulación de dos Alternativas de Solución Basadas en Energía Solar 97 Desarrollo del Sistema Solar Fotovoltaico 97 Resumen Cálculos del Sistema Solar Fotovoltaico en el Software PVSYST 99 Metodología de Trabajo 99 Primer Paso: Ubicación Geográfica del Sitio 99 Segundo Paso. Predefinir Parámetros de Diseño del Parque Solar 100 Diagrama de Pérdidas de Energía Entregado por PVSyst 103 Evaluación Económica del Proyecto Fotovoltaico en PVSYST 105 Datos Resumen del Sistema Fotovoltaico Entregado por el Software PVsyst 108 Conclusión Final del Diseño del Parque -Fotovoltaico 111 Análisis de las Exenciones Tributarias Para Proyectos de Energías Renovables 112 Beneficios ley 1715 de 2014 114 Diseño de un Sistema Reflector Lineal Fresnel – LFR 115 Definición de Términos Empleados en Energía Solar 115 Ángulos de Inclinación y Orientación de un Panel o Reflector Solar 118 Parámetros de Diseño de un Sistema Lineal Fresnel o Linear Fresnel Receptor - LFR 118 Parámetro 1. Tipo de Receptor Solar en el Sistema Fresnel 120 Parámetro 2. Altura de la Torre del Receptor Solar en el Sistema Fresnel 120 Parámetro 3. Geometría y Número de Espejos Reflectores en Sistemas Fresnel 120 Parámetro 4. Geometría del Espaciamiento y Sombra Proyectada Entre Espejos en Sistemas Fresnel 121 Parámetro 5. Temperatura y Presión de Operación del Sistema Fresnel - LFR 121 Parámetro 6. Costos del Sistema Lineal Fresnel - LFR 121 Parámetro 7. Eficiencia Óptico-Geométrica del Sistema Fresnel 122 Parámetro 8. Modificador del Ángulo de Incidencia (IAM) Para Calcular Eficiencia Óptica 123 Pasos Para el Diseño de un Sistema Fresnel Mediante su Eficiencia Óptico Geométrica 125 Paso 1. Definir Valores de las Variables de Entrada al Proceso de Diseño 125 Paso 2. Determinar Espaciado Entre Espejos y Eficiencias de Sombra – FRL 128 Paso 3. Calcular Ángulos de Perfil θp y Longitudinal θl del Rayo Solar Respecto al Espejo 129 Paso 4. Determinar Ángulo β del Rayo del Espejo al Receptor y Ángulo Inclinación θn del n-Ésimo Espejo 130 Paso 4. Establecer el Desplazamiento Sn y el Espaciado Pn Entre Espejos 130 Paso 5. Definir la Sombra dn Proyectada en los Espejos del Sistema Fresnel 132 Paso 6. Evaluar la Eficiencia de la Sombra en un Sistema Fresnel 133 Descripción del Proceso de Diseño del Sistema Fresnel Mediante Software Matlab Y EES 135 Diseño 1. Procedimiento de Diseño Óptico-Geométrico del Subsistema Fresnel Aplicando Matlab y EES 135 Diseño 1_Paso 1. Definición de Parámetros de Entrada del Diseño Óptico Geométrico del Sistema Fresnel 136 Diseño 1_Paso 2. Presentación de Resultados Obtenidos del Diseño en Matlab y EES 137 Resumen Diseño Eficiencia Óptico Geométrica Sistema Fresnel 139 Diseño 2. Diseño Subsistema Térmico Basado en ORC Para Generar 100 kWe 140 Diseño 2. Paso 1. Definición de Parámetros de Entrada del Diseño Térmico ORC 141 Diseño 2 Paso 2. Presentación de Resultados Obtenidos del Diseño en Matlab y EES 143 Resumen Diseño Térmico Sistema Fresnel y Subsistema Ciclo Rankine Orgánico ORC 146 Diseño 3. Procedimiento de Diseño del Subsistema de Absorción Para Obtener Calentamiento y Enfriamiento de Procesos 147 Diseño 3. Paso 1. Definición de Parámetros de Entrada del Diseño Térmico ORC 148 Diseño 3. Paso 2. Presentación de Resultados Subsistema de Absorción 149 Resumen Diseño Térmico Subsistema Chiller de Enfriamiento por Absorción LiBr-Agua 151 Resultados Generales del STS con Espejos Fresnel, ORC y Sistema de Absorción 153 Cálculo del Costo Nivelado de la Energía – LCOE Para el Sistema Fresnel 154 Ecuaciones Para Calcular el LCOE STS Basado en Sistema Lineal Fresnel 156 Resumen Resultados Cálculos del LCOE STS con Sistema Fresnel 157 Diseño de un Sistema Solar con Colector Cilindro - Parabólico - PTC 158 Parámetros de Diseño de un Sistema con Colector Cilindro Parabólico – PTC 159 Resultados del Diseño del STS Basado en Parque Solar con Colectores PTC 160 Cálculo del Costo Nivelado de la Energía – LCOE Para el Sistema PTC 161 Resumen Resultados Cálculos del LCOE STS con Sistema PTC 161 Discusión de Resultados de los Sistemas Termosolares Fresnel y Parabólico 161 Comparación de Resultados Sistema Fotovoltaico, Fresnel y Parabólico 163 Comparación de Índices de Desempeño Sistema Fotovoltaico, Fresnel y Parabólico 164 Resultados y Discusión 166 Conclusiones y Recomendaciones 167 Referencias Bibliográficas 16966 papplication/pdfUniversidad de SantanderT 93.23 V173sRepositorio Digital Universidad de Santanderhttps://repositorio.udes.edu.cohttps://repositorio.udes.edu.co/handle/001/8830spaUniversidad de SantanderBucaramangaFacultad de Ingenierías y TecnologíasBucaramanga, ColombiaMaestría en Recursos EnergéticosJ. 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Al consultar y hacer uso de este recurso, está aceptando las condiciones de uso establecidas por los autores.info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/Planta de InstrumentaciónTrigeneración SolarEnergía FotovoltaicaEnergía TermosolarConcentración SolarInstrumentation PlantSolar TrigenerationPhotovoltaic PowerThermosolar PowerSolar ConcentrationSistema de Trigeneración Solar Para Operación de Planta Didáctica de Instrumentación y Control de Procesos IndustrialesTrigeneration Solar System for Didactic Instrumentation Plant and Industrial Processes ControlTrabajo de grado - Maestríahttp://purl.org/coar/version/c_71e4c1898caa6e32Textinfo:eu-repo/semantics/masterThesishttp://purl.org/redcol/resource_type/TMinfo:eu-repo/semantics/submittedVersionTodas las AudienciasPublicationORIGINALLabel.pngimage/png144677https://repositorio.udes.edu.co/bitstreams/0cf12eba-e668-4a84-8f59-6f92f622d16e/downloadd96c3112ebcabbab66fa1ba9a4592f3cMD59Trigeneración_Solar_Para_Operación_de_Planta_Didáctica_de_Instrumentación_y_Control_de_Procesos_Industriales.pdfTrigeneración_Solar_Para_Operación_de_Planta_Didáctica_de_Instrumentación_y_Control_de_Procesos_Industriales.pdfapplication/pdf3525451https://repositorio.udes.edu.co/bitstreams/cf024dfd-3783-4f96-8f72-dcef003aa367/downloadbde292a8faa4155fecb6cd0e6789144cMD58ANEXOS_A_B_C_Sistema_Trigeneración_Solar.pdfANEXOS_A_B_C_Sistema_Trigeneración_Solar.pdfapplication/pdf2900688https://repositorio.udes.edu.co/bitstreams/167c1a36-5cd6-4cf3-8b1a-d453c41d109a/downloadd981e68fefc3775147e196f77321a8acMD56Aval director de grado.pdfAval director de grado.pdfapplication/pdf211203https://repositorio.udes.edu.co/bitstreams/b8a666a6-244e-4a6f-bc98-5ab86a61fe6b/downloaddad65f1c122c9b6993d7618233cb6111MD51Certificado Similitud de Texto.pdfCertificado Similitud de Texto.pdfapplication/pdf5770748https://repositorio.udes.edu.co/bitstreams/ae54787b-31fd-45d3-826e-8ce1d6725e90/download66e0792cc7381bf8bd2986b6562ddfd4MD54LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-815543https://repositorio.udes.edu.co/bitstreams/3422e9fa-db75-45f4-bb81-4f0767c8de45/download73a5432e0b76442b22b026844140d683MD57THUMBNAILLabel.png.jpgLabel.png.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg11619https://repositorio.udes.edu.co/bitstreams/92672cfa-70bb-4c84-9b24-9e5d319b521c/downloadd7a9600abfbefc858e9f83173f2c95d0MD510Trigeneración_Solar_Para_Operación_de_Planta_Didáctica_de_Instrumentación_y_Control_de_Procesos_Industriales.pdf.jpgTrigeneración_Solar_Para_Operación_de_Planta_Didáctica_de_Instrumentación_y_Control_de_Procesos_Industriales.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg6700https://repositorio.udes.edu.co/bitstreams/a8cc3477-8a52-4308-8b23-7d81bc88643e/downloadcaaf4dc9f2ca4a97747f23ac0838d636MD512ANEXOS_A_B_C_Sistema_Trigeneración_Solar.pdf.jpgANEXOS_A_B_C_Sistema_Trigeneración_Solar.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg8214https://repositorio.udes.edu.co/bitstreams/2458fd96-262a-42d2-a481-9479c228ad82/download0217755524e3bb8780c69d91f37d6c1bMD514Aval director de grado.pdf.jpgAval director de grado.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg8016https://repositorio.udes.edu.co/bitstreams/cbf94df3-8868-473e-a266-5ea70aa6fa9d/download7a332adc94c854b4351a7f6d948a8787MD516Certificado Similitud de Texto.pdf.jpgCertificado Similitud de Texto.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg9728https://repositorio.udes.edu.co/bitstreams/dcd8ec6b-abdb-48d8-8809-7f7e0acd7a3f/downloadc0b694a3d52551223fbbc1678524a168MD518TEXTTrigeneración_Solar_Para_Operación_de_Planta_Didáctica_de_Instrumentación_y_Control_de_Procesos_Industriales.pdf.txtTrigeneración_Solar_Para_Operación_de_Planta_Didáctica_de_Instrumentación_y_Control_de_Procesos_Industriales.pdf.txtExtracted texttext/plain101872https://repositorio.udes.edu.co/bitstreams/03b6683d-3845-44c2-bbd2-fa08fdfa43ed/download48b78ac37225ab0e1d795eafd103c0f7MD511ANEXOS_A_B_C_Sistema_Trigeneración_Solar.pdf.txtANEXOS_A_B_C_Sistema_Trigeneración_Solar.pdf.txtExtracted texttext/plain106134https://repositorio.udes.edu.co/bitstreams/d4c90a55-cfdd-4725-aafe-edc5bf1a073e/download184fa3a4b153a202c6d59de558bab193MD513Aval director de grado.pdf.txtAval director de grado.pdf.txtExtracted texttext/plain1696https://repositorio.udes.edu.co/bitstreams/94f16f2e-2b00-432f-8647-a2698d3c1d56/download8aa0dabf102ba9fe9a07b12de3073471MD515Certificado Similitud de Texto.pdf.txtCertificado Similitud de Texto.pdf.txtExtracted texttext/plain101585https://repositorio.udes.edu.co/bitstreams/b81bf493-0cac-4434-b21a-8ad22cac3c12/download364acf479b21a86d930de4f97826a996MD517001/8830oai:repositorio.udes.edu.co:001/88302023-07-18 03:01:05.407https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/Derechos Reservados-Universidad de Santander,2023. Al consultar y hacer uso de este recurso, está aceptando las condiciones de uso establecidas por los autores.https://repositorio.udes.edu.coRepositorio Universidad de 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