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Ciclos orgánicos basados en conversión de energía térmica oceánica

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2019-06-17
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2019-07-09
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La presente memoria corresponde al análisis de un ciclo orgánico de producción de potencia basado en conversión de energía térmica oceánica, así como al desarrollo de un interfaz sencillo en Matlab que permita obtener unos parámetros óptimos en base a unas variables de decisión y unos objetivos definidos por el usuario. El tipo de ciclo que se trata es un Rankine con la peculiaridad de que se utiliza la diferencia de temperaturas entre la superficie y el fondo del mar para conseguir evaporar y condensar el fluido de trabajo, lo que se conoce como energía térmica oceánica. En el presente documento se estudiarán en detalle los diferentes aspectos termodinámicos y de transferencia de calor del ciclo, así como los económicos, exponiendo a la vez su traducción a código de Matlab y haciendo hincapié en aquellos aspectos considerados importantes para el desarrollo de un buen modelo matemático del ciclo con el fin de poder aplicar las técnicas de optimización pertinentes. Se presentará el rendimiento exegético y el coste nivelado de la energía como funciones objetivo a maximizar y minimizar respectivamente. Puesto que la mejora de una de las funciones perjudica a la restante, no existe una solución óptima que permita un rendimiento máximo y un LCOE mínimo. Para resolverlo, tendremos que utilizar un algoritmo de optimización basado en la búsqueda de patrones y las curvas de Pareto, donde encontraremos todas las soluciones posibles a nuestro problema que van desde la máxima eficiencia hasta el mínimo coste, para después definir una solución bajo un criterio subjetivo o geométrico. Para todo esto harán falta unas variables de decisión, además del tipo de fluido de trabajo. De este último se ofrecerán seis posibilidades (R717, R152a, R134a, R227ea, R600a y R601) con el fin de observar cuál de ellos presenta el mejor funcionamiento. Posteriormente, se mostrará la presentación del interfaz de Matlab, su funcionamiento y posibilidades. Se verá cómo es una aplicación fácil de utilizar, ordenada y con la posibilidad de incluir multitud de parámetros y variaciones nuevos. Se mostrará un ejemplo para uno de los seis fluidos de trabajo que se proponen. Finalmente, se ejecutará el algoritmo para todos los fluidos de trabajo disponibles. Se observará cómo afecta cada variable a cada una de las dos funciones objetivo y se comparará cómo varían las soluciones para cada fluido empleado. Con todo lo mencionado se concluye que la mejor opción es el fluido de trabajo R717, compuesto por amoniaco, dando una eficiencia exergética del 30,22 % y un coste de la energía de 0,33 €/kWh. El desarrollo de programas como el que se presenta en esta memoria ayuda a reducir el coste de diseño e ingeniería, dando una idea general del funcionamiento del ciclo. Dado la importancia que tiene el cuidado del medio ambiente, este tipo de ciclo es una alternativa limpia que, junto con el descubrimiento de nuevos materiales, puede llegar a convertirse en un método no contaminante de obtener energía, a tener en cuenta.
The purpose of this project is to analyse an organic cycle based on oceanic thermal energy conversion, as well as the development of a easy-to use interface, through Matlab environment, which allows to obtain the optimum parameters of six decision variables and objective functions defined by the user. The type of cycle considered is a Rankine, with the unusual characteristic that the temperature difference between the surface and the bottom of the sea is used to evaporate and condense the working fluid. Different thermodynamic aspects of th cycle have been analyzed, taking into account economic regards too. Both of them have been translated into Matlab code, emphasizing those points considered relevant for the development of a proper mathematical model of a cycle in order to be able to apply appropriate optimization techniques. The exergy efficiency and the levelized cost of energy have been presented as yhe objective functions to maximize and mininize, respectively. Because the improvement of one of the functions harms the remaining one, there is no true optimum solution. In order to solve this issue, an optimization algorithm has been used. Such algorithm is based on pattern search techniques. All the possible solutions to this problema are exposed in a Pareto frontier, going from the maximun efficiency to the minimum cost. A solution is then chosen under a subjective or geometric criterion. For all this process, decision-making variables and six types of working fluid (R717, R152a, R134a, R227ea, R600a y R601) have been considered. Afterwards, the interface developed in Matlab environment is shown as well as its functioning, being a clear, orderly application which. Finally, the algorithm is run for all available working fluids. Moreover, it can also be observed how every variable affects each of the two objective functions and the comparison between the solutions for each fluid used. R717 turns out to be the best of al six working fluids providing a 30,22 % of efficiency and a LCOE of 0,33 €/kWh. The development of computer programs as the one shown in this Project helps to reduce de design cost giving a general idea of the cycle permormance before it is built. Besides, as the concern about the enviroment and climate change is raising, this type of cycles represent a clean alternative that added to the discovery of new materials can represent a relevant method of obtaining energy int he near future.
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Keywords
Energía térmica oceánica, Precio de la energía, Ciclo Rankine, Termodinámica
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