Análisis tecno-económico para la implementación de colectores solares de placa plana en la industria láctea en México: un enfoque desde redes neuronales artificiales y optimización multiobjetivo

Abstract

En el presente trabajo se desarrolla una metodología computacional para el estudio de un campo de colectores solares de placa plana capaces de suministrar calor solar al proceso industrial de pasteurización láctea. Se propone un tanque intercambiador de calor para aprovechar la energía térmica proveniente de los colectores solares; además, se considera un calentador auxiliar en caso que el calor solar no satisfaga por completo la demanda industrial. El análisis se realiza para los tipos de clima templado, árido, seco y tropical, contemplando también cuatro escenarios de combustible para el calentador auxiliar: diésel, combustóleo, gas natural y gas LP. Las variables de diseño consideradas para la experimentación numérica son el área ocupada por el campo solar, el volumen del tanque intercambiador de calor, el combustible para el calentador auxiliar y el tipo de clima. Considerando las ecuaciones gobernantes de la tecnología solar, las características térmicas del proceso industrial y las condiciones climáticas de la región bajo análisis, se crea una base de datos a partir de los resultados numéricos obtenidos al modificar numéricamente los parámetros de diseño. Esta base de datos es utilizada para entrenar un modelo sustituto de inteligencia artificial basado en redes neuronales artificiales; las neuronas en la capa de entrada son los cuatro parámetros de diseño, mientras que las neuronas en la capa de salida son los indicadores económico-ambientales: valor presente neto, costo total del ciclo de vida y la reducción en la emisión de dióxido de carbono. Finalmente, se lleva a cabo un proceso de optimización multiobjetivo sobre el modelo de inteligencia artificial a través del algoritmo de enjambre de partículas, algoritmo genético y algoritmo de optimización de ballenas, para la obtención de los diagramas de Pareto asociados a las variables de salida del modelo sustituto. Los resultados muestran que las cuatro regiones climáticas presentan factibilidad económico-ambiental cuando se emplea diésel como combustible para el calentador auxiliar, siendo el clima templado de Jalisco el más adecuado para la implementación de esta tecnología solar. La metodología computacional desarrollada puede ser empleada para analizar la factibilidad económico-ambiental que resulta de implementar distintos tipos de tecnología solar al proceso industrial de interés.