Resumo: Foi realizada uma análise geral do processo de descarga das placas positivas empastadas das baterias de chumbo-ácido para testar o poder explanatório de dois modelos: o modelo de estado sólido, proposto neste trabalho, e o conhecido modelo de dissolução-precipitação, para explicar qualitativamente os resultados experimentais. Os dois modelos foram descritos e relacionados a dois fenômenos importantes: a existência, durante a descarga, de uma "zona de reação” contínua, que se desloca da superfície das placas na direção do seu interior e a possibilidade de "esgotamento” do ácido sulfúrico, especialmente nos casos de baixas concentrações de ácido e elevadas correntes de descarga, produzindo uma diminuição na quantidade de material ativo descarregado. Como resultado, foi analisada a influência, durante a descarga, da corrente de descarga e da solução de ácido sulfúrico nas curvas de potencial contra tempo, na capacidade e na resistência das placas, durante o transiente de descarga, especialmente no caso de baixas densidades de corrente de descarga. Este estudo foi realizado em dois tipos equivalentes de placas, produzidas por duas tecnologias de fabricação diferentes. Os resultados mostraram que ambos modelos, com a introdução de algumas modificações das suas formulações tradicionais, explicam os resultados experimentais encontrados.

Ingeniero Civil Eléctrico / En los últimos años hubo una fuerte tendencia hacia la utilización de equipos cuya fuente de energía corresponde a baterías o dispositivos acumuladores de energía. Sin embargo, el uso de algunos de estos equipos, correspondientes por lo general a gran maquinaria, se ha visto limitada por la falta de métodos capaces de garantizar un cierto nivel en su autonomía. Un caso particular de este tipo de equipos corresponde a los automóviles eléctricos; cuya industria ha puesto principales esfuerzos en desarrollar sistemas de administración de baterías. Uno de los principales objetivos de estos sistemas es poder asegurar al usuario la duración de la energía disponible en el automóvil. Para ellos se hace necesario poder obtener información sobre la cantidad de energía remanente en su batería, parámetro conocido en la literatura como el Estado-de-Carga. El conocimiento del parámetro anteriormente mencionado por sí solo no es suficiente, ya que para poder garantizar que el sistema posee una cierta autonomía es necesario obtener información sobre el comportamiento futuro del sistema. Este último problema se refiere al pronóstico de dicho estado. Diversos enfoques se encuentran disponibles en la literatura para su resolución; sin embargo, un desafío importante corresponde a la definición del perfil de consumo con que es utilizado el dispositivo durante el horizonte futuro. Es en esta última problemática en que se enfoca el trabajo realizado. En particular se plantea una metodología que modela el perfil de uso de la batería mediante una cadena de Markov homogénea, definiendo los parámetros que la representan. Este modelo corresponde a una caracterización estadística de dicho perfil de uso, la cual es obtenida con los datos de corriente anteriores al instante de predicción. El objetivo de la realización de esta caracterización estadística es poder obtener la mayor información acerca de cómo ha sido descargada la batería, y utilizar dicha información para el perfil de uso durante la etapa de predicción. Para validar la metodología se utilizaron dos conjuntos de datos correspondientes al proceso de descarga de baterías de Ion-Litio; además de un módulo de pronóstico del Estado-de-Carga basado en Filtro de Partículas. Los resultados obtenidos en la etapa de pronóstico fueron evaluados mediante medidas de desempeño adecuadas, mostrando que la caracterización estadística obtenida mediante la metodología presentada es de utilidad para la resolución de la problemática asociada a la predicción del Estado-de-Carga y estimación de la autonomía de equipos energizados con baterías. Como principal conclusión de este trabajo se obtiene una novedosa metodología, sustentada en herramientas matemáticas, que es capaz caracterizar un perfil de descarga de una batería mediante una cadena de Markov homogénea. El desarrollo de esta metodología no es específico para estos perfiles, por lo que puede ser utilizada para la caracterización de una serie de tiempo en general.

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Iberdrola II S.A.; Sociedad Española del Acumulador Tudor S.A.; Comunidad Económica Europea (Programa JOULE)

El presente trabajo consiste en el diseño de un sistema de obtención de la energía de las olas para ser convertida en electricidad. El objetivo es que éste pueda ser utilizado en aplicaciones de pequeña y mediana escala ubicadas en el borde costero, las cuales se encuentren alejadas de la red eléctrica de potencia. Se busca obtener un producto económico y limpio que resulta ser una alternativa válida versus la generación de electricidad con combustibles fósiles. Con el fin de contextualizar la generación de electricidad a partir de la energía de las olas, se hace una revisión de las formas de extracción de energía a partir del océano, sus manifestaciones y los principios de conversión. Además se hace una revisión de distintas tecnologías de generación que actualmente se encuentran en funcionamiento o en fase de investigación. Tomando como punto de partida un prototipo existente de obtención de energía a partir de las olas, se especifican y dimensionan los dispositivos elementales para llevar a cabo la conversión mecánica, obteniendo como resultado una rotación a velocidad variable de un eje que puede ser acoplado a un generador eléctrico. La utilización de un generador sincrónico de imanes permanentes resulta ser la mejor alternativa frente a un escenario alejado de la red eléctrica de potencia y un rotor que gira a velocidad variable. Representa un menor costo de inversión y mantención, además de mayor eficiencia frente a su símil, el generador sincrónico con control de excitación. Con el fin de optimizar el suministro de energía eléctrica a los consumos, se incorpora un conversor DC-DC controlado por un microcontrolador, el cual principalmente se encarga de maximizar la eficiencia en la conversión en función de las variables eléctricas y la velocidad de giro del alternador. Se realiza una simulación del comportamiento del sistema de conversión mecánica a eléctrica bajo un escenario supuesto, obteniendo una aproximación de la potencia generada. Se propone una metodología para dimensionar un banco de baterías con el fin de aprovechar el excedente de energía. Se considera además la incorporación de un inversor de voltaje a fin de disponer de electricidad en corriente alterna. Finalmente se proponen fabricantes para los dispositivos que deben ser adquiridos en el mercado y se evalúan sus costos. Se sugieren mejoras a dispositivos, principalmente mecánicos, que representan las mayores dificultades en cuanto a eficiencia energética.

Ingeniero Civil Industrial / El presente trabajo se desarrolla en un contexto de cambio de paradigma en el mercado energético. La penetración de las energías renovables y la evolución de las redes inteligentes hacen necesaria la modernización de los sistemas eléctricos. En este sentido, el almacenamiento de energía cumple un rol fundamental para entregar servicios que satisfagan las nuevas necesidades de los actores, abriendo paso a una serie de oportunidades de negocio. La estructura tarifaria chilena de suministro eléctrico hace interesante la posibilidad de administrar la curva de consumo de un cliente regulado para disminuir su demanda máxima leída en horas de punta, cargo que representa cerca 30% del total de las cuentas de electricidad. En base a esto, el objetivo de esta memoria es evaluar la rentabilidad económica de implementar un sistema de baterías para la administración de cargos por potencia en el mercado chileno. El proyecto consiste en la utilización de sistemas de almacenamiento mediante baterías que optimizan la curva de consumo de clientes perteneciente al segmento comercial o industrial, a través de la acumulación de energía desde la red durante periodos fuera de punta y la descarga de energía hacia la red durante periodos pertenecientes a las horas de punta , donde el precio de la potencia es mayor. De esta forma, se desarrolla una solución de ingeniería aplicada que optimiza el consumo eléctrico sin generar cambios en el comportamiento del cliente. Para estudiar la rentabilidad económica del proyecto tanto para el cliente como para una empresa dedicada a la comercialización de los sistemas de baterías y la entrega de servicios de optimización de cargos por potencia, se desarrolló una plataforma de cálculo que permite el dimensionamiento del sistema y la optimización de la operación en base a la maximización del valor del proyecto. Por un lado, se analiza un caso de estudios cuyos resultados indican que el proyecto es rentable para el cliente, con un VAN de MM$ 1,8, una TIR de 16% y recuperando la inversión a los 6,83 años. Por otro lado, se realiza una evaluación económica para la empresa comercializadora, la cual financia parte de la inversión de los proyectos y renta en base a los ahorros que genera el sistema. Los resultados para la empresa, sobre un horizonte de evaluación de 5 años y una tasa de descuento de 9,8%, indican un VAN de 103 MM$, una TIR de 15,5% y retorno de la inversión al quinto año. Si bien para la viabilidad económica del proyecto es necesario levantar un alto capital de trabajo de 263 MM$, las proyecciones de mercado, las caídas en los costos de los sistemas de baterías y las iniciativas de distintas instituciones para el desarrollo de estas tecnologías hacen que sea recomendable la ejecución del proyecto. El mercado del almacenamiento de energía aún no alcanza su madurez, especialmente en Sudamérica, y ser uno de los primeros entrantes del mercado puede significar una ventaja competitiva importante, adquiriendo el 𝑘�����𝑛�����𝑜�����𝑤����� ℎ𝑜�����𝑤����� del negocio para aprovechar de mejor forma las oportunidades disponibles y levantando barreras de entrada diferenciadoras que permitan generar un mayor valor para la empresa y para el cliente.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica / Ingeniero Civil Electricista / Esta tesis se centra en el estudio del estado de carga (SoC: state of charge) para acumuladores de energía del tipo plomo ácido. Este parámetro es de suma importancia en aplicaciones donde el acumulador está sometido permanentemente a situaciones de carga y/o descarga, como las que se presentan en vehículos eléctricos o micro-redes, por ejemplo. El SoC se define como la energía expresada como un porcentaje de la capacidad nominal, que aún está disponible para ser utilizada. Este indicador depende de muchas otras magnitudes, tales como: temperatura, tasas de corriente de carga/descarga, tiempo de uso, histéresis, y auto descarga. Este parámetro no es medible, por lo cual es necesario estimarlo en base a mediciones de otras señales disponibles en los acumuladores, tales como tensión, corriente y temperatura. Para desarrollar un estimador del SoC hay que tener en cuenta dos aspectos; el primero de ellos es contar con un buen modelo que represente el comportamiento del acumulador de manera adecuada, mientras que el segundo, dice relación con el algoritmo utilizado para realizar la estimación. Ambos aspectos suponen contar con información del acumulador para poder identificar el modelo y diseñar el estimador. Por lo tanto, se establecieron los objetivos de la tesis, los cuales corresponden en primer término a la construcción de un prototipo con el cual se pueda someter el banco de acumuladores a diversos perfiles de carga/descarga. Luego en base a la información generada mediante este sistema experimental, derivar un modelo de baterías que sea sencillo de implementar y requiera poca cantidad de información. Dicho modelo corresponde a un modelo difuso. Con el modelo de baterías ya definido, se utiliza el algoritmo del filtro extendido de Kalman para desarrollar un estimador del SoC basado en el modelo propuesto. Es importante destacar que tanto el modelo como el estimador son evaluados y comparados con modelos de baterías convencionales y con estimadores basados en ellos. (Implementados con el algoritmo de Kalman). Los aportes del trabajo de tesis, son en primer lugar, la construcción del sistema experimental, el cual servirá para otras investigaciones relacionadas a acumuladores de energía. En segundo término, se tiene que la metodología basada en lógica difusa (para el desarrollo del modelo), es novedosa, pues hasta el momento sólo ha sido implementada con datos basados en mediciones en el dominio de la frecuencia o en conjunto con redes neuronales. Lo que supone en el primer caso que el modelo no pueda ser llevado a la práctica debido al costoso equipamiento necesario para obtener datos en el dominio de la frecuencia, y en la necesidad de contar con gran cantidad de información para el segundo caso. Finalmente es importante mencionar que las baterías consideradas para esta tesis, están presentes en la micro-red Huatacondo perteneciente al Centro de Energía de la Universidad de Chile.

Ingeniero Civil Eléctrico / El presente estudio tiene como objetivo principal proponer una metodología de evaluación para determinar el tamaño eficiente de un sistema de acumulación de energía para una planta termosolar y se presentan los resultados y conclusiones de un estudio de caso basado en un proyecto concreto pensado en el Sistema Interconectado Norte Grande SING. Para la formulación de la metodología, se realizó una revisión bibliográfica que abarcó el estado del arte de la tecnología termosolar, las condiciones climatológicas y regulatorias presentes en el SING y sus proyecciones de crecimiento, y una revisión de los métodos existentes para la determinación de tamaño óptimo de este tipo de proyectos. La metodología propuesta consta de cuatro pasos: Levantamiento de información, definición de casos de estudio y escenarios, simulación y análisis de resultados. El proyecto que se evaluó fue la central termosolar Pampa Camarones de 100 MW proyectada para entrar en operación el 2019. Se contemplaron dos escenarios para el parque generador, un caso base tomando en cuenta el plan de expansión declarado por la CNE y un caso optimista en penetración de centrales ERNC al 2019 y se simuló horariamente la operación del sistema durante dicho año en cada escenario donde la variable de optimización fue el tamaño del campo heliostático de la central. Los resultados muestran que independiente del tamaño del sistema de acumulación, el proyecto no es rentable dado sus altos costos de inversión, sin embargo se constató que dicha rentabilidad es altamente sensible al costo de inversión del campo heliostático el cual representa del orden del 30% de la inversión actualmente. Esto lleva a que el resultado con menos pérdidas en rentabilidad sea el con menor sistema de acumulación y consecuentemente con menor tamaño de campo heliostático. Se ve además que el tamaño del sistema de acumulación no afecta fuertemente los costos marginales del sistema a pesar de su fuerte influencia sobre el factor de planta de la central. Los resultados permiten concluir que es conveniente evaluar este tipo de proyectos a través de herramientas de simulación horaria en largos horizontes de plazo para poder visualizar de manera correcta el riesgo del precio spot al cual se somete el proyecto y que una manera eficiente de hacer esfuerzos por rentabilizar este tipo de proyectos es reducir los costos de inversión del campo heliostático.

El objetivo principal de la investigación fue proponer el “Diseño de un modelo de Independización de Acumuladores” para el Sistema de Lubricación en uno de los cuatro Molino de Bolas, para efecto de estudio se realizará la simulación en el Molino ML401, con el fin de eliminar las fallas de arranque por baja presión de Nitrógeno y así poder incrementar la disponibilidad y confiabilidad del equipo. Este diseño se realizó a través de un simulador que nos permitió poder analizar y poder identificar que componentes (materiales, repuestos, entre otros), se necesitaría en caso de una implementación a futuro.

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