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Model and control of a solar tower for energy production
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Abstract(s)
Solar towers are electrical power production systems that use highly concentrated solar radiation as energy source that is collected by means of a heat-transfer fluid. This master thesis studies the application of several control strategies with the aim of maintaining the working fluid at a temperature that maximizes the electrical production. The main difficulties are the nonlinear fluid temperature dynamics, plant thermal constrains, and a variable energy source that cannot be manipulated.
The temperature dynamics flow dependence demands for a changing parameter controller that results from a gain scheduling scheme or from a multi-model adaptive control strategy, in which the manipulated variable is adjusted by one of the set of local controllers designed for different operating regimes. The former is accomplished through a Proportional-Integral Controller (PI) control and the latter via Linear Quadratic Gaussian (LQG) optimal control. In addition, the Multistep Multivariable Adaptive Regulator (MUSMAR) control algorithm that adjusts its gains to every plant dynamic change, including parameters, is tested. Although the mentioned control concepts are applied considering the flow as the only manipulated variable, the combination of the latter with the radiation flux reflected by the heliostat field is also studied through PI control.
The solar tower electrical power production has a maximum for a given outlet temperature that changes with plant parameters and disturbances. The improvement of production levels is conducted by adjusting the temperature reference with a static optimization procedure.
As torres solares são sistemas de produção de energia elétrica que utilizam a radiação solar concentrada como fonte primária. A última, é absorvida por um fluído que percorre o permutador de calor em que a radiação incide. A presente dissertação estuda a aplicação de várias estratégias de controlo com o objetivo de manter a temperatura do fluido no valor que maximiza a produção de energia. As dificuldades principais centram-se na não linearidade da dinâmica da temperatura do fluído, nos limites térmicos do sistema e na incapacidade de manipular a radiação solar. A alteração da dinâmica da temperatura com o caudal requer a utilização de um controlador de parâmetros variáveis que resulta de um esquema de escalonamento de ganhos ou da associação de diversos controladores projetados para diferentes pontos de operação. O primeiro método é desenvolvido com controlo PI enquanto que o último recorre ao controlo LQG. Em adição, é estudada a aplicação do algoritmo de controlo MUSMAR, em que os ganhos são adaptados para qualquer alteração da dinâmica do sistema, incluindo a variação de parâmetros do modelo. Embora as estratégias de controlo referidas considerem apenas o caudal como variável manipulável, a combinação da última com o fluxo de radiação é tambem estudada com um controlador PI. A produção de energia de uma torre solar possui um máximo para uma dada temperatura que se altera com os parâmetros da planta e perturbações. O aumento da produção é conseguida pela determinação da referência de temperatura através de um algoritmo de otimização estática.
As torres solares são sistemas de produção de energia elétrica que utilizam a radiação solar concentrada como fonte primária. A última, é absorvida por um fluído que percorre o permutador de calor em que a radiação incide. A presente dissertação estuda a aplicação de várias estratégias de controlo com o objetivo de manter a temperatura do fluido no valor que maximiza a produção de energia. As dificuldades principais centram-se na não linearidade da dinâmica da temperatura do fluído, nos limites térmicos do sistema e na incapacidade de manipular a radiação solar. A alteração da dinâmica da temperatura com o caudal requer a utilização de um controlador de parâmetros variáveis que resulta de um esquema de escalonamento de ganhos ou da associação de diversos controladores projetados para diferentes pontos de operação. O primeiro método é desenvolvido com controlo PI enquanto que o último recorre ao controlo LQG. Em adição, é estudada a aplicação do algoritmo de controlo MUSMAR, em que os ganhos são adaptados para qualquer alteração da dinâmica do sistema, incluindo a variação de parâmetros do modelo. Embora as estratégias de controlo referidas considerem apenas o caudal como variável manipulável, a combinação da última com o fluxo de radiação é tambem estudada com um controlador PI. A produção de energia de uma torre solar possui um máximo para uma dada temperatura que se altera com os parâmetros da planta e perturbações. O aumento da produção é conseguida pela determinação da referência de temperatura através de um algoritmo de otimização estática.
Description
Supervisors: Prof./Dr. João Manuel Lage de Miranda Lemos;
Prof./Dr. Bertinho Manuel D’Andrade da Costa.
Examination Committee: Chairperson: Prof./Dr. João Fernando Cardoso Silva Sequeira;Supervisor: Prof./Dr. João Manuel Lage de Miranda Lemos.
Members of the Committee: BGEN/ENGEL Luis Filipe Basto Damásio; TCOR/ENGEL Ana Paula da Silva Jorge; Prof./Dr. Alexandre José Malheiro Bernardin
Keywords
Solar tower model PI control LQG control MUSMAR Coordination Static optimization Modelo torre solar Controlo PI Controlo LQG Coordenação Otimização estática
Citation
Publisher
Academia da Força Aérea; Instituto Superior Técnico