Modelamiento de operación de un invernadero acoplado a un sistema de generación de ERNC para estructurar un gemelo digital

Abstract

El norte de Chile tiene uno de los mayores niveles de radiación a nivel mundial, pero según las predicciones del coordinador eléctrico nacional la demanda energética del país mantendrá un aumento paulatino sin grandes cambios, por lo que buscar formas de entregarle valor agregado al recurso solar es sumamente importante . El proyecto Solar Bridge aparece como una solución a este problema, ya que tiene como objetivo producción de frutas a través de la utilización de la energía solar como fuente energética para bombear y desalinizar agua. El objetivo de la presente memoria es generar un modelo computacional que permita ser la base estructural para la generación de un gemelo digital orientado en el diseño y planificación de invernaderos con o sin el acople de paneles solares en su techo. Este modelo tiene como principal función determinar los consumos térmicos, la producción de fruta y generación de energía eléctrica por un invernadero. Los resultados se deben obtener utilizando pocos recursos computacionales con la finalidad de que la herramienta sirva para iterar sobre distintas condiciones de diseño, entregando datos que permitan determinar la configuración óptima para el desempeño del invernadero según la métrica que decida utilizar el usuario. El modelo construido permite analizar la radiación absorbida por un invernadero, los flujos de calor que se necesitan mantener un perfil de temperatura dentro de la estructura, la producción de masa fresca de tomate y la generación de potencia eléctrica por los paneles solares. Lo anterior, se calcula a partir de una geometría que posee varios grados de libertad que el usuario puede ir modificando de manera simple, permitiendo iterar sobre distintas configuraciones. El algoritmo esta fabricado para leer la información meteorológica que entrega el explorador solar, lo que permite poder estimar la producción y requerimientos de un invernadero para cualquier lugar de Chile. Todas las operaciones para validar resultados que se aplicaron resultaron exitosas, excepto para el modelo TOMSIM, que predice el crecimiento del tomate, debido a la inaccesibilidad a datos empíricos, para el que solo se logró mostrar que los resultados que entrega están en el mismo orden de magnitud que lo presentado en los manuales de cultivo de tomates chilenos. Respecto al tiempo de procesamiento, los tiempos dependen principalmente de la precisión que se quiera utilizar en el modelo de raytracing, obteniendo resultados para dimensionamientos preliminares para para 1 año de funcionamiento con intervalos de tiempo 1 hora en un laptop estándar en menos de 10 minutos. Otra característica destacable del modelo es que permite evaluar como cambian las propiedades mas importantes del invernadero al varias ciertas magnitudes, por ejemplo los flujos de calor y producción de tomate y energía al variar la cantidad de paneles solares en el techo, valores que se pueden utilizar en conjunto con una métrica económica para optimizar el desempeño del invernadero.