Applications of Solar Energy: History, Sociology and last Trends in Investigation

Abstract Introduction: The increase in global energy demand, environmental problems and geopolitical tensions due to the control of finite conventional energy resources; these are reasons that have currently focused the attention of scientists on the applications of solar energy. Objective: of this contribution is to reflect the trends in research regarding applications of solar energy. Materials and methods: used in this investigation consisted of a search and bibliometric analysis carried out in the academic directory Scopus. A group of publications was detected under specific search criteria. The information detected was processed with text mining elements in the visualization software and bibliometric map exploration of VOSviewer science. The article dead sections, records of the first applications of solar energy, the social environment of solar energy applications, the first scientific meetings of global connotation in this subject, and bibliometrics of scientific activity focused on the applications of solar energy in the 21st century. Result: of the research, a sociological and anthropological vision of the man / energy interaction is exposed; this complements lines of research such as sustainable production and consumption, energy management and climate change. Conclusions: The trend in these investigations today, is to growth, and are focused on: heating and cooling of buildings, electric power generation, both in concentrated and distributed forms; and energy conversion for industrial processes.Resumo Introdução: O aumento da demanda global de energia, problemas ambientais e tensões geopolíticas devido ao controle de recursos energéticos convencionais finitos; estas são razões que atualmente têm focado a atenção dos cientistas nas aplicações da energia solar. Objetivo: desta contribuição é refletir as tendências em pesquisa sobre aplicações de energia solar. Materiais e métodos: utilizados nesta investigação consistiram em uma pesquisa e análise bibliométrica realizada no diretório acadêmico Scopus. Um grupo de publicações foi detectado sob critérios de pesquisa específicos. As informações detectadas foram processadas com elementos de mineração de texto no software de visualização e exploração do mapa bibliométrico da ciência VOSviewer. Trabalho morto entre suas sessões, registros das primeiras aplicações da energia solar; o ambiente social das aplicações de energia solar; os primeiros encontros científicos de conotação global neste assunto; e bibliometria da atividade científica focada nas aplicações da energia solar no século XXI. Resultado: da pesquisa, expõe-se uma visão sociológica e antropológica da interação homem / energia; isso complementa linhas de pesquisa como produção e consumo sustentáveis, gerenciamento de energia e mudanças climáticas. Conclusões: A tendência nessas investigações hoje; é para o crescimento, e estão focados em: aquecimento e arrefecimento de edifícios, geração de energia elétrica, tanto em formas concentradas e distribuídas; e conversão de energia para processos industriais.Resumen Introducción: el incremento de la demanda energética a escala mundial, la problemática ambiental y las tensiones geopolíticas por el control de los finitos recursos energéticos convencionales, son razones que en la actualidad han focalizado la atención de los científicos en las aplicaciones de la energía solar. Objetivo: de esta contribución es reflejar las tendencias en investigación en cuanto a aplicaciones de la energía solar. Métodos: empleados en esta investigación consistieron en una búsqueda y análisis bibliométricos realizados en el directorio académico Scopus. Se detectó un grupo de publicaciones bajo puntuales criterios de búsqueda. La información detectada fue procesada con elementos de minería de textos en el software de visualización y exploración de mapas bibliométricos de la ciencia VOSviewer. El trabajo muestra, entre sus secciones, registros de las primeras aplicaciones de la energía solar, el entorno social de las aplicaciones de energía solar, las primeras reuniones científicas de connotación global en este tema, además de la bibliométrica de la actividad científica centrada en las aplicaciones de la energía solar en el siglo XXI. Resultado: de la investigación, se expone una visión sociológica y antropológica de la interacción hombre/energía. Esto complementa líneas de investigación como la producción y consumo sustentable, la gestión energética y el cambio climático. Conclusiones: la tendencia en estas investigaciones en la actualidad, es al crecimiento, y están enfocadas a: calefacción y refrigeración de edificios, generación de energía eléctrica, tanto en formas concentrada como distribuida; y conversión de energía para procesos industriales

Optimización de sistemas centralizados de agua helada en la etapa prematura del diseño comercial // Optimization of chilled water system in premature stage of coommercial design

En el presente trabajo se propone un procedimiento para la optimización de un sistema de climatizacióncentralizada por agua helada en la etapa prematura del diseño comercial, para ello se crea un modelohíbrido que combina herramientas termoeconómicas con técnicas de inteligencia artificial como son lasredes neuronales artificiales y los algoritmos genéticos para minimizar el costo de los productos finales delsistema (agua fría para climatización de locales y agua caliente para calentamiento de agua sanitaria).Con este objetivo se calculan las variables de diseño y de operación que garantizan el mínimo costo totaldel sistema, formado por los costos capitales de cada uno de sus componentes y el costo asociado a laenergía consumidaPalabras claves: termoeconomía, optimización, algoritmos genéticos, sistemas de climatizacióncentralizada.__________________________________________________________________AbstractIn this paper the procedure of optimization for the conceptual design of a centralized air conditioning chillerwater system is developed, for which a hybrid model is created that combines thermoeconomic tools withartificial intelligence technique such as Artificial Neural Networks (ANN) and Genetic Algorithms (GA) forthe optimization of the final products of the system. With this objective the design and operation variablesare calculated that guarantees the minimum total cost of the system, including the capital costs of each ofits components and the cost associated to the energy consumed.Key words: thermoeconomic, optimization, genetic algorithms, chiller.</p

Evaluación termodinámica de sistemas de climatización centralizados por agua helada usando herramientas de inteligencia artificial

Se presenta el análisis de un sistema centralizado de climatización por agua helada con el objetivo de evaluar las irreversibilidades en los componentes principales del ciclo, así como la sensibilidad de este indicador ante las variaciones de las condiciones de operación. Se hace uso de redes neuronales artificiales (RNA) y algoritmos genéticos (AG), herramientas de Matlab para  determinar las propiedades de los refrigerantes en cada punto del ciclo en estudio y que éstas, a su vez, interactúen con las ecuaciones que describen el comportamiento termodinámico del sistema. La temperatura del refrigerante a la salida del  compresor se determina a partir de un modelo híbrido que conjuga el modelo neuronal con un algoritmo genético simple como herramienta de optimización. Como resultado final se identifican  los componentes del ciclo más sensibles ante las variaciones de las condiciones de trabajo, se obtiene que el evaporador y el mecanismo de expansión, respectivamente, siguen al compresor con pérdidas exergéticas significativas, sumando entre todas 85,62% de las irreversibilidades totales del sistema, conformándose así una herramienta útil para la  evaluación de tales sistemas

Feasibility evaluation of two solar cooling systems applied to a cuban hotel. Comparative analysis; Evaluación de factibilidad del uso dos sistemas climatización solar aplicado a un hotel cubano. Análisis comparativo

The article presents an analysis of technical and economic feasibility of using two configurations of solar cooling in a Cuban hotel. HVAC hybrid schemes are: a cooler of ice water vapor compression (chiller) interconnected in parallel with a smaller capacity chiller, first with a solar-powered absorption cooling system (SACS), and then with a photovoltaic cooling system(PSC). Both were simulated taking into account the weather conditions in the region, thermodynamic calculation methodologies and principles that govern thesetechnologies. The results show that the use of these alternatives contributes to reducing energy consumption and the environmental impact of heating, ventilation and air conditioning systems (HVAC). Economic analysishighlights that PCS is more favorable than the SACS taking into account the cooling cost generation (CCG) but energy assessment indicates that SACS has higher thermal performance for the case study to which it isapplied.El artículo presenta un análisis de factibilidad técnica y económica de uso de dos configuraciones de climatización solar en un hotel cubano. Los esquemas de climatización híbridas son: una enfriadora de agua helada de compresión de vapor (chiller) interconectada en paralelo con una enfriadora de absorción asistida con energía solar térmica (SACS, siglas en inglés), y posteriormente con un chiller asistido por un sistema solar fotovoltaico (PSC, siglas en ingles). Ambos fueron simulados teniendo en cuenta las condiciones meteorológicas de la región, metodologías de cálculo y principios termodinámicos que gobiernan estossistemas. Los resultados muestran que el uso de estas alternativas contribuye a la reducción del consumo energético y el impacto ambiental de los sistemas calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC, siglas en inglés). El análisis económico resalta que PCS es más favorable que el SACS, teniendo en cuenta el costo de generación de frío (CCG, siglas en inglés) pero la evaluación energética indica que este último posee mayores prestaciones térmicas para el caso de estudio al cual se le aplica.<br /

Feasibility evaluation of two solar cooling systems applied to a cuban hotel. Comparative analysis Evaluacion de factibilidad del uso dos sistemas climatización solar aplicado a un hotel cubano ; Análisis comparativo

The article presents an analysis of technical and economic feas ibility of using two configurations of solar cooling in a Cuban hotel. HVAC hybrid schemes are: a cooler of ice water vapor compression (chiller) interconnected in parallel with a smaller capacity chiller, fir st with a solar-powered a bsorption cooling system (SACS), and then with a photovoltaic cooling system(PSC). Both were simulated taking into account the weather conditions in the regi on, thermodynamic calculation met hodologies and principles that govern these technologies. The results show t hat the use of these alternativ es contributes to reduci ng energy consumption and the environmental impact of heating, ventilation and air co nditioning systems (HVAC). Economic analysis highlights that PCS is more favorable than the SACS taking into account the cooling cost generation (CCG) but energy assessment indicates that SACS has higher thermal performance for the case study to which it is applied. El artículo presenta un análisis de factibilidad técnica y económic a de uso de dos configuraciones de climatización solar en un hotel cubano. Los esquemas de climatización híbridas son: una enfriadora de agua helada de compresión de vapor (chiller) interconectada en paralelo con una enfriadora de absorción asistida con energía solar térmica (SACS, si glas en inglés), y posteriormente c on un chiller asistido por un sistema solar fotovoltaico (PSC, siglas en ingles). Ambos fueron simulados teniendo en cuenta las condiciones meteorológicas de la región, metodologías de cálcul o y principios termodinámicos que gobiernan estos sistemas. Los resultados muestran que el uso de estas alternativas contribuye a la reducción del consumo energético y el impacto ambiental de los sistemas calefacc ión, ventilación y aire acondicionado (HVAC, siglas en inglés). El análisis económico resalta que PCS es má s favorable que el SACS, teniendo en cuenta el costo de generación de frío (CCG, siglas en inglés) pero la evaluación energética indica que este último posee mayores prestaciones térmicas para el caso de estudio al cual se le aplica

Feasibility evaluation of two solar cooling systems applied to a cuban hotel. Comparative analysis

ABSTRACT The article presents an analysis of technical and economic feasibility of using two configurations of solar cooling in a Cuban hotel. HVAC hybrid schemes are: a cooler of ice water vapor compression (chiller) interconnected in parallel with a smaller capacity chiller, first with a solar-powered absorption cooling system (SACS), and then with a photovoltaic cooling system(PSC). Both were simulated taking into account the weather conditions in the region, thermodynamic calculation methodologies and principles that govern these technologies. The results show that the use of these alternatives contributes to reducing energy consumption and the environmental impact of heating, ventilation and air conditioning systems (HVAC). Economic analysis highlights that PCS is more favorable than the SACS taking into account the cooling cost generation (CCG) but energy assessment indicates that SACS has higher thermal performance for the case study to which it is applied.RESUMEN El artículo presenta un análisis de factibilidad técnica y económica de uso de dos configuraciones de climatización solar en un hotel cubano. Los esquemas de climatización híbridas son: una enfriadora de agua helada de compresión de vapor (chiller) interconectada en paralelo con una enfriadora de absorción asistida con energía solar térmica (SACS, siglas en inglés), y posteriormente con un chiller asistido por un sistema solar fotovoltaico (PSC, siglas en ingles). Ambos fueron simulados teniendo en cuenta las condiciones meteorológicas de la región, metodologías de cálculo y principios termodinámicos que gobiernan estos sistemas. Los resultados muestran que el uso de estas alternativas contribuye a la reducción del consumo energético y el impacto ambiental de los sistemas calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC, siglas en inglés). El análisis económico resalta que PCS es más favorable que el SACS, teniendo en cuenta el costo de generación de frío (CCG, siglas en inglés) pero la evaluación energética indica que este último posee mayores prestaciones térmicas para el caso de estudio al cual se le aplica

A thermodynamic evaluation of chilled water central air conditioning systems using artificial intelligence tools

 An analysis of a chilled water central air conditioning system is presented. The object was to calculate main cycle component irreversibility, as well as evaluating this indicator’s sensitivity to operational variations. Artificial neural networks (ANN), genetic algorithms (GA) and Matlab tools were used to calculate refrigerant thermodynamic properties during each cycle stage. These tools interacted with equations describing the system’s thermodynamic behaviour. Refrigerant temperature, when released from the compressor, was determined by a hybrid model combining the neural model with a simple genetic algorithm used as optimisation tool; the cycle’s components which were most sensitive to changes in working conditions were identified. It was concluded that the compressor, evaporator and expansion mechanism (in that order) represented significant exergy losses reaching 85.62% of total system irreversibility. A very useful tool was thus developed for evaluating these systems.  Se presenta el análisis de un sistema centralizado de climatización por agua helada con el objetivo de evaluar las irreversibilidades en los componentes principales del ciclo, así como la sensibilidad de este indicador ante las variaciones de las condiciones de operación. Se hace uso de redes neuronales artificiales (RNA) y algoritmos genéticos (AG), herramientas de Matlab para  determinar las propiedades de los refrigerantes en cada punto del ciclo en estudio y que éstas, a su vez, interactúen con las ecuaciones que describen el comportamiento termodinámico del sistema. La temperatura del refrigerante a la salida del  compresor se determina a partir de un modelo híbrido que conjuga el modelo neuronal con un algoritmo genético simple como herramienta de optimización. Como resultado final se identifican  los componentes del ciclo más sensibles ante las variaciones de las condiciones de trabajo, se obtiene que el evaporador y el mecanismo de expansión, respectivamente, siguen al compresor con pérdidas exergéticas significativas, sumando entre todas 85,62% de las irreversibilidades totales del sistema, conformándose así una herramienta útil para la  evaluación de tales sistemas.

Sanitary hot water production from heat recovery in hotel buildings in Cuba

In tropical countries Heating, Ventilation and Air Conditioning (HVAC) systems are commonly used in tourism facilities to maintain comfort, but with considerable electricity consumption. Much attention had been paid to improving efficiency and saving energy in the thermal systems of hotels, e.g. air conditioning and sanitary hot water (SHW). This work is about energy modeling of a conventional vapor compression system with condensation heat recovery for sanitary hot water production in Cuba. The model estimates the total amount of heat rejected in the condenser from measurable external variables, such as: electric power, ambient temperature and chilled water temperature. The system is evaluated under partial load conditions during winter, when temperatures are low and therefore the demand for cooling is less, while hot water is used for rooms or kitchen services. The results show that the model is valid for actual operating conditions working below its nominal capacity.En países tropicales, los sistemas de Acondicionamiento de Aire, Calor y Ventilación (HVAC) por sus siglas en inglés, son comúnmente usados en instalaciones turísticas para mantener el confort, pero con un considerable consumo de electricidad. Se ha prestado mucha atención al mejoramiento de la eficiencia y al ahorro de energía en los sistemas térmicos empleados en hoteles, por ejemplo: sistemas de acondicionamiento de aire y agua caliente sanitaria (ACS). Este trabajo trata sobre la modelación energética de un sistema convencional de compresión de vapor con recuperación de calor de condensación para la producción de agua caliente sanitaria en Cuba. El modelo estima la cantidad de calor total rechazado en el condensador, a partir de variables externas medibles, como: potencia eléctrica, temperatura ambiente y temperatura de agua helada. El sistema es evaluado bajo condiciones de operación a carga parcial durante invierno, cuando las temperaturas con bajas y por tanto la demanda de enfriamiento es menor; mientras el agua caliente es usada para habitaciones y servicios de cocina. Los resultados muestran que el modelo es válido para las condiciones reales de operación por debajo de su capacidad nominal

Procedimiento para la optimización del diseño conceptual de sistemas de climatización centralizada por agua helada

En el presente trabajo se propone un procedimiento para la optimización del diseño conceptual de un sistema de climatización centralizada por agua helada, para ello se crea un modelo híbrido que combina herramientas termoeconómicas con técnicas de inteligencia artificial como son las redes neuronales artificiales y los algoritmos genéticos para minimizar el costo de los productos finales del sistema (agua fría para climatización de locales y agua caliente para calentamiento de agua sanitaria). Con este objetivo se calculan las variables de diseño y de operación que garantizan el mínimo costo total del sistema, formado por los costos capitales de cada uno sus componentes y el costo asociado a la energía consumida

Energetic analysis in a hot water system: A hotel facility case study

This paper evaluates the energy operational performance of a system to produce domestic hot water, from the use of waste heat in a centralized air conditioning system in a hotel in Cuba. The hotel facility has two different chillers capacities, where the system recovers the condensed heat, through a heat exchanger at the compression process outlet. These schemes allow the simultaneous production of air conditioning and Domestic Hot Water, also those considering thermal storage tanks. The system modelling starts analyzing its components and their processes, based on the traditional thermodynamics and heat transfer equations and ends with a validation process. This model estimates a wide range of operating conditions, such as thermal demands of the cooling load, the chiller water temperature, the electricity consumed by chillers, and the climatological variables involved. The system is evaluated in the highest tourism season in Cuba during a year under partial load. Results were validated in a hotel as a study case, which allowed us to estimate the thermal potential available in the plant to meet the thermal demand of the hot water required, as well as showing that variations in the chiller operation affect the temperature stability in the hot water system