Algoritmo ballena para integrar energía solar en tejados con bombas de calor aerotérmicas

Investigadores dirigidos por la Universidad de Shandong, en China, han aplicado el algoritmo de optimización de ballenas (WOA), que imita el comportamiento social y la técnica de caza de las ballenas jorobadas, para combinar la generación de energía fotovoltaica con bombas de calor aerotérmicas asistidas por colectores solares térmicos.

El WOA se inspira, en particular, en la alimentación con redes de burbujas, que es una estrategia de caza compleja y cooperativa consistente en un conjunto altamente sincronizado de comportamientos que implican comunicación y cooperación, demostrando signos de gran inteligencia social. Comprende tres operaciones para simular la búsqueda de presas, el rodearlas y el comportamiento de alimentación con redes de burbujas de las ballenas jorobadas.

“En el proceso de búsqueda de la optimización intervienen dos variables de optimización, Spv y Sth, y el algoritmo de optimización de ballenas presenta ventajas evidentes en cuanto a precisión de la solución y velocidad de convergencia en comparación con algoritmos metaheurísticos como el enjambre de partículas y los algoritmos genéticos”, explican los investigadores, que señalan que este algoritmo también ofrece las ventajas de un menor número de ajustes de parámetros y una mejor capacidad de búsqueda de la optimización.

Los científicos desarrollaron una versión optimizada del WOA que, según afirman, permite maximizar la generación de energía fotovoltaica para la captación de calor y reducir la dependencia de la red. Al parecer, es capaz de identificar la relación óptima de superficie de los sistemas de energía solar necesaria para la configuración del sistema. “La superficie de instalación de los módulos fotovoltaicos y los colectores no sólo afecta a la parte energética, sino también a la térmica”, subrayan.

Utilizando el software PVsyst, probaron el enfoque propuesto suponiendo la combinación de energía fotovoltaica, energía solar térmica y bombas de calor en un edificio de dormitorios de gran altura situado en el campus de la Universidad de Shandong. Descubrieron que la solución óptima sería desplegar un sistema fotovoltaico de 315 kW en el tejado, colectores solares con una captación de calor diaria de 3502,72 MJ, y una bomba de calor con fuente de aire como fuente de calor auxiliar. “Con la proporción óptima, el sistema puede ganar hasta 82,44 dólares por día de funcionamiento”, afirman los académicos.

El análisis demostró que el calor suministrado por la bomba de calor y los colectores solares es capaz de igualar el consumo de calor del edificio, y que la energía fotovoltaica y la electricidad de la red pueden satisfacer la demanda energética del edificio durante todo el día, al tiempo que alimentan la bomba de calor.

Teniendo en cuenta las tarifas actuales que las autoridades chinas pagan por el excedente de energía inyectada a la red, los académicos realizaron un análisis económico del sistema propuesto y descubrieron que aporta claros beneficios. “La inversión inicial es mayor que la del sistema convencional, pero los costes de funcionamiento posteriores son significativamente menores que los del simple sistema solar de calentamiento de agua”, afirman.

Presentaron el nuevo algoritmo en el estudio “Research and analysis of energy consumption and energy saving in buildings based on photovoltaic photothermal integration” (Investigación y análisis del consumo de energía y el ahorro energético en edificios basados en la integración fototérmica fotovoltaica), publicado en informes científicos. “Los resultados del ejemplo demuestran que la cubierta del edificio presenta ventajas significativas en cuanto a protección medioambiental y periodo de recuperación de la inversión cuando el sistema fotovoltaico fototérmico con la relación de área óptima se instala en la cubierta del edificio”, concluyeron.