En Perú existen diversas poblaciones que no cuentan con acceso a viviendas, cuyo diseño contemple el clima de la zona habitada. Esto suele traducirse como una incomodidad por parte del ocupante de la vivienda, al verse obligado a permanecer en un ambiente con una temperatura alejada del rango considerado como de confort. Tras una investigación, se selecciona a la localidad de “La Joya”, provincia de Arequipa”. Esta Localidad al ser habitada por pobladores de escasos recursos, y al estar sometida a una irradiación solar anormalmente alta, que promedia hasta 8Kwh/ m2 según SENAMHI; reúne los factores causantes de una alta carga térmica por techo, la cual se traduce en una alta temperatura interior del recinto y la consecuente incomodidad del habitante. Para dar solución al problema, se propone la utilización de un “Techo enfriado”. Este tendría como característica principal el ser una única estructura alivianada provista de canales de refrigeración, capaz de sustituir el sistema convencional de techo de fibras naturales o láminas metálicas. Tras el diseño térmico y las comprobaciones mecánicas, se logra determinar que es posible evitar hasta un 61% de la carga térmica del recinto a través del techo, utilizando un caudal de agua de refrigeración de 270l/h. Para ejemplificar la aplicación, se recurre al modelo de vivienda utilizado en el proyecto “Inkaq Samanan”. Finalmente se analiza la posibilidad de aprovechar el calor antes problemático, llegándose así al diseño de una vivienda fresca y con agua caliente solar/eléctrica. / Tesis

Tese de mestrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

En este trabajo se ha desarrollado la implementación de una planta de concentración solar de receptor central (CRS por sus siglas en inglés Central Receiver System), conocida también como campo de helióstatos o central solar de torre, ubicada en el norte grande de nuestro país, región de Antofagasta, ciudad de Calama. La ventaja y atractivo de esta tecnología, en contraste con la experimentada de colectores cilindro parabólicos, en adelante CCP, es la mayor eficiencia que se puede obtener en el ciclo térmico de potencia, gracias a su tecnología de seguimiento en dos ejes que concentra en mayor grado la radiación solar. De esta manera, resulta posible trabajar con vapor saturado de alta temperatura, lo que se traduce en una mayor eficiencia resultante del ciclo de potencia de la central. La primera parte del trabajo se centra en explicar la modelación de la tecnología de concentración solar. En particular, se presentan los siguientes contrastes con la tecnología CCP: forma plana del reflector frente a una parabólica; sistema de seguimiento en dos ejes y no en eje único; disposición de los espejos dentro del terreno; receptor central versus al receptor distribuido de los reflectores parabólicos; distinto fluido térmico de trabajo, explicado por las distintas temperaturas de operación alcanzadas; entre otras. Posteriormente, se analiza el impacto positivo en el desempeño de la planta al incluir un sistema de almacenamiento térmico, para lo cual se procede a programar y exponer en el software Matlab® un grupo de funciones que representan la dinámica de la planta con y sin este sistema. La metodología que permite mostrar la salida eléctrica en función de la disponibilidad solar, es el balance de energía en las componentes principales de la central: campo de helióstatos, receptor, tanque de almacenamiento y generador de vapor. Un punto al cual se le prestó especial énfasis, fue la descripción del mercado eléctrico de nuestro país y los incentivos concretos, traducidos en normas, que apuntan a introducir las ERNC (energías renovables no convencionales) a la matriz energética de nuestro territorio. En particular, el mecanismo de cuotas ERNC, que exige que un porcentaje de la energía despachada por las centrales convencionales provenga de fuentes renovables, se traduce en una fuente adicional de ingresos para la central solar. Finalmente, se ha hecho confluir el aporte del sistema de almacenamiento a las posibles estrategias de despacho de la central, de modo de maximizar los ingresos por venta de energía y por suministro de potencia firme, o de suficiencia, en las horas de demanda punta. El análisis global demostró que el sistema de almacenamiento no sólo permite mejorar la eficiencia de operación de la central, por medio del despacho constante a capacidad nominal, incluso ante la presencia de un frente transitorio de nubes, sino, y de acuerdo a la revisión de los distintos indicadores financieros, que su presencia permite maximizar los ingresos obtenidos, disminuir el periodo de recuperación del capital, aumentar el VAN del proyecto y aún más destacable: hacer rentable el proyecto no convencional.

Ingeniero Civil Mecánico / Chile es uno de los países con mayor costo a la energía pese a que el país cuenta con excelentes recursos naturales, recursos que podría aprovechar al hacer uso de tecnologías energéticas renovables no-convencionales, en particular destaca el recurso solar en la región. Un desarrollo de esta tecnología podría reducir las elevadas tarifas a la energía. El presente proyecto tiene como objetivo principal determinar la factibilidad de incluir productos nacionales para la confección de Colectores Lineales Fresnel. Este equipo es uno de los diseños de mayor facilidad para ser desarrollado dado que utiliza reflectores primarios planos, y no espejos curvos como hace la tecnología de cilindros parabólicos. El presente trabajo se ha dividido en dos secciones. Por un lado se estudia el mercado de los componentes del colector Fresnel y por otro el de los componentes asociados los sistemas que complementan la operación del equipo. Para lograr el objetivo general se debe primero identificar los procesos de manufactura y requerimientos de los componentes considerados. Luego se debe estudiar la industria nacional, a modo de encontrar empresas que cuenten con la capacidad para trabajar los procesos de manufactura correspondientes. Finalmente se utiliza el software SAM para estimar cuanta energía se podría producir con los equipos propuestos. Se ha encontrado que Chile cuenta con una industria metalmecánica y constructora bien establecida, capaz de suplir las necesidades estructurales del equipo. Adicionalmente el país cuenta con capacidad para producir fluidos de transferencia y almacenamiento térmico. Se observó la potencial sinergia entre empresas que fabrican luminarias con la confección de reflectores secundarios. También se cuenta con una industria capacitada para confeccionar equipos de transferencia de calor, bombas y válvulas. La nación incluso cuenta con instalaciones capacitadas para fabricar espejos de vidrio, por rocío de nitrato de plata, y una compañía que adiciona material de absorción selectiva a cañerías de cobre. Se observó que la utilización de productos nacionales permite producir en torno a 3,8 MWt-h al utilizar 10,000 m2 de espejos, con una inversión de 4,2 MMUSD. Por otro lado al importar los reflectores, absorbedor, bombas y válvulas de mayor calidad se puede aprovechar hasta 4,8 MWt-h, usando la misma superficie y considerando una inversión tan solo 13% mayor.

Doctora en Ingeniería Eléctrica / El objetivo de esta tesis es el diseño de estrategias de control predictivo (MPC) para plantas de ciclo combinado con colectores solares integrados (ISCC), que permita optimizar su funcionamiento en términos operacionales y económicos. Para que este tipo de plantas sea factible, el lugar en que se construyen debe tener altos niveles de radiación solar. Considerando que Chile es el país que tiene la radiación más alta del mundo, es que en esta Tesis se trabaja con plantas ISCC. Para el diseño de las estrategias de control, se desarrolló un simulador en Matlab ® Simulink de una planta ISCC. El sistema se implementa a partir de un simulador existente de una planta de ciclo combinado y de un simulador de una planta de colectores solares distribuidos (DSC). El desarrollo incluye el diseño de un generador de vapor solar y del sobrecalentador de la planta ISCC. Se diseña un MPC difuso para la planta solar, como parte de la planta ISCC. Los resultados se comparan con un MPC lineal, obteniéndose que el MPC difuso tiene mejor comportamiento ante cambios en las condiciones normales de operación. Utilizando un modelo ARIX (autorregresivo integral con entrada exógena) se diseña un MPC supervisor para la presión de vapor de la caldera de la planta ISCC. Los resultados se comparan con un controlador PI de nivel regulatorio. Se evalúan las estrategias de control, utilizando el simulador desarrollado y se concluye que el MPC supervisor disminuye el consumo de combustible de la planta ISCC, en régimen permanente y frente a cambios en la potencia de la turbina de vapor y de la turbina de gas. Con el simulador desarrollado, se pueden diseñar diferentes estrategias de control, para plantas ISCC, además de estudiar el comportamiento de sus variables. Dentro del marco del MPC, se puede realizar la optimización de las plantas ISCC considerando diferentes criterios, modos de operación y restricciones. Las principales contribuciones de estas tesis son: i) El desarrollo de un simulador de una planta ISCC. ii) El diseño de una estrategia de control predictivo difuso para una planta DSC. iii) El diseño de una estrategia de control predictivo supervisor para la planta ISCC.

Memoria para optar al Título Profesional de Ingeniero en Recursos Naturales Renovables / Actualmente las energías renovables no convencionales (ERNC) están siendo ampliamente estudiadas, debido a que el aumento en la demanda de electricidad a nivel mundial hace necesario diversificar y ampliar la matriz energética de un país. La energía solar; es una de las más estudiadas. Existen dos tipos de implantación de sistemas fotovoltaicos que pueden ser utilizados en edificios ya construidos o en construcción. En la presente memoria se trabajó con un edificio al cual se le implementaría un sistema tipo BAPV (Building- Applied Photovoltaics), en la ciudad de Temuco. Este sistema produce energía a través de paneles solares fotovoltaicos que se adhieren a un edificio previamente construido. Con el objetivo de evaluar la energía solar que pueden capturar las fachadas de un edificio, se instaló un instrumento compuesto por tres radiómetros dispuestos en las orientaciones norte, este y oeste, mientras que los datos de radiación horizontal y temperatura ambiente fueron extraídos de estaciones meteorológicas cercanas a la zona de estudio. Se evaluó la energía eléctrica producida a partir de paneles fotovoltaicos horizontales y verticales. También se estimó la energía eléctrica producida por la radiación solar global en las fachadas este, norte y oeste y en el techo de un edificio. A su vez se calculó el ahorro energético y el ahorro monetario en los costos del edificio si se implementara este sistema.

El presente trabajo experimental tiene como objetivo principal caracterizar y optimizar térmica y energéticamente una Sauna Solar Seco (SSS) usando tres tipos de acumuladores térmicos; agua, piedras sin pintar, y piedras pintadas de negro mate, considerando el alto potencial solar de la región Tacna y de nuestro país, y ante la necesidad social de contar con sistemas que usen como fuente energética la energía solar; alternativos a los convencionales, y sobre todo para aplicaciones terapéuticas, que utilice energía limpia, renovable, y de menor impacto ambiental. La caracterización térmica y energética experimental, nos indican que la temperatura máxima alcanzada en el interior de caja metálica es de 77,46ºC y humedad relativa mínima de 1,25 % bajo una radiación solar de 838,1 W/m2 ; con una longitud de onda de la radiación térmica de la caja metálica que oscila entre 9,8 µm a 7,97 µm, concordante con lo establecido por la Comisión Internacional de Iluminación (CIE), y una potencia emisiva que oscila entre 423,91 W/m2 a 991,24 W/m2 durante las 8:00 a las 20:00 horas, este resultado muestra la viabilidad de integración entre la sauna solar seco y la cabina de radiación infra-roja. La eficiencia media diaria de la SSS con acumuladores térmicos de piedra pintada de negro mate, piedra sin pintar, agua contenida en botellas descartables y sin acumulador térmico, corresponde a 40,7 %, 38,1 %, 41,4 % y 38,7 %, respectivamente.

Ingeniera Civil Mecánica / El trabajo de título consiste en el estudio de localización de Centrales Solares Térmicas con generación de electricidad utilizando Ciclo de Rankine. La potencia de trabajo es de 25 [MW] y las centrales se sitúan en cinco localidades a especificar entre las regiones de Antofagasta, Atacama y Coquimbo, ya que estas zonas poseen mayor recurso solar, el cual se puede comprobar mediante el Explorador Solar de la Universidad de Chile, página web que tiene información histórica de la irradiancia en todo Chile. Las centrales del estudio de localización deben operar 24 horas todos los días del año, con 25% de energía solar térmica como mínimo y el resto con energía de respaldo o de apoyo, en las que se permiten escoger entre Energías Convencionales y Energías Renovables No Convencionales (ERNC), cuya decisión final fue usar las energías ERNC como Biomasa, Eólica y Mareomotriz. Las centrales pueden ser de Tipo Torre o con Colectores Cilindro-Parabólicos, ya que estas tecnologías presentan mayor madurez respecto a las otras existentes, en las que solo se han investigado y no han operado comercialmente. Todo el estudio realizado indicó que uno de los parámetros más relevantes para el emplazamiento de una central termosolar con generación de electricidad junto con la intensidad de radiación solar es el relieve de la superficie y el recurso hídrico. Otros parámetros importantes estudiados fueron: redes viales, centros poblados, planes reguladores vigentes, etc.

El presente trabajo de título tiene como objetivo general estudiar, por medio de la experimentación y simulación, el circuito primario del Sistema Solar Térmico (SST) instalado en una vivienda energéticamente eficiente. Para realizar el estudio experimental se registran variables relevantes del SST que permiten, en base a cálculos energéticos, caracterizar su funcionamiento. Luego, realizando un análisis detallado de los equipos y registros, se utiliza el software TRNSYS para generar un modelo computacional que se ajuste al comportamiento real del sistema. Los objetivos de este modelo son conocer cómo se desenvuelve el sistema durante el año y explorar cambios no invasivos que permitan mejorar su rendimiento. Los cálculos realizados con la información del registro de datos indican que el sistema presenta un rendimiento del 26%, aportando 123,08 [kWh] durante la semana de medición. De esta misma forma, la situación simulada corresponde a un rendimiento del 24%, aportando un total de 111,3 [kWh] semanales. Esto indica que el modelo posee un error relativo menor al 10% en la aproximación del comportamiento de la vivienda. Por otro lado, al proceder con la simulación anual del sistema se obtiene un rendimiento de un 42%, lo que significa un aporte anual de 7642,5 [kWh]. Este aporte en energía renovable evita la emisión de 1,6 toneladas de CO2 anuales. En relación a las modificaciones que se pueden realizar para mejorar el rendimiento, se procedió identificando los puntos más sensibles del SST en base a los resultados detallados del registro, resolviendo cómo actuar frente a ellos para optimizar el funcionamiento del sistema. En este contexto, se identificó como uno de los puntos más críticos al sistema de control, al cual se le aplicaron cambios que significaron un incremento en el rendimiento desde un 24% a un 26%, implicando un aumento en el aporte solar del orden de 10 [kWh] durante la semana de simulación. Gracias a los resultados obtenidos se concluye principalmente que es posible utilizar el registro de datos y la simulación computacional para estudiar el comportamiento de un sistema existente, proponiendo soluciones que mejoren su desempeño en base a la simulación de distintos escenarios. De esta forma, se posee la capacidad de evaluar en el corto plazo una gran cantidad de soluciones con un elevado nivel de representatividad, existiendo la posibilidad de escoger la que más se ajuste a las necesidades del sistema en estudio.

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