Análisis del control automático en una planta de tratamiento de aguas alimentada con energía fotovoltaica de bajo coste

Abstract

El escenario de escasez de agua se agrava en todo el mundo y se espera que más de la mitad de la población mundial sufra una escasez crónica para 2050. En países en desarrollo como India, el estrés hídrico se ha convertido en una preocupación constante, donde algunas ciudades ya experimentan demandas que exceden de la oferta. Dentro del proyecto europeo India-H20, cuyo objetivo es desarrollar, diseñar y demostrar sistemas de tratamiento de agua de alta recuperación y bajo costo para aguas subterráneas salinas y para aguas residuales domésticas e industriales, se propone la instalación de una planta tratamiento de agua en el árido estado de Guyarat, donde los recursos hídricos superficiales son muy escasos. En este trabajo se ha evaluado el consumo de los diferentes equipos de la planta y, a partir de estos, se ha realizado un dimensionamiento de un sistema fotovoltaico autónomo por el método del mes peor con almacenamiento energético para pocas horas por si hay paso de nubes. Posteriormente, se han modelado en Simulink el sistema fotovoltaico y la batería dimensionados y, a partir de los modelos proporcionados de los principales bloques de la planta, se han realizado las conexiones pertinentes para conseguir un modelo completo de la planta. Posteriormente, se han propuesto estrategias básicas de control mediante controladores todo/nada con el fin de hacer simulaciones de la planta para varios días en diferentes condiciones de radiación y observar como esta se comporta. Finalmente, se observa que, en la mayoría de los perfiles de radiación, el sistema es capaz de funcionar las horas necesarias sin necesidad de energía auxiliar. Sólo en días nublados con bajos niveles de radiación, el sistema se enfrenta al problema de que el funcionamiento puede ser intermitente por falta de radiación o carga de batería, dando lugar a días con menos horas de operación y, por lo tanto, menos producción de agua. Se han analizado distintas capacidades de almacenamiento en esos días desfavorables para evaluar cómo capacidad del almacenamiento puede afectar al funcionamiento y consumo de la planta.

The water scarcity scenario is worsening worldwide and more than half of the world's population is expected to experience chronic shortages by 2050. In developing countries such as India, water stress has become a constant concern, with some cities already experiencing demands that exceed supply. Within the European India-H20 project, which aims to develop, design and demonstrate high recovery, low-cost water treatment systems for saline groundwater and for domestic and industrial wastewater, a water treatment plant is proposed to be installed in the arid state of Gujarat, where surface water resources are very scarce. In this work, the consumption of the different plant equipment has been evaluated and, based on this, a dimensioning of an autonomous photovoltaic system has been carried out using the worst-case month method with energy storage for a few hours in case of clouds. Subsequently, the dimensioned photovoltaic system and battery were modelled in Simulink and, based on the models provided for the main blocks of the plant, the relevant connections were made to obtain a complete model of the plant. Subsequently, basic control strategies have been proposed using on/off controllers in order to simulate the plant for several days under different radiation conditions and observe how it behaves. Finally, it is observed that, in most of the radiation profiles, the system is able to operate the necessary hours without the need of auxiliary energy. Only on cloudy days with low radiation levels, the system faces the problem that operation may be intermittent due to lack of radiation or battery charging, resulting in days with fewer hours of operation and, therefore, less water production. Different storage capacities have been analysed on these unfavourable days to assess how storage capacity can affect the operation and consumption of the plant.