Ingeniera Civil Mecánica / Con el aumento de la demanda energética a nivel mundial y la necesidad de disminuir los efectos del calentamiento global, el ser humano se ha visto en la obligación de desarrollar las energías renovables. Entre ellas, la más utilizada es la fotovoltaica, que transforma la radiación solar en energía eléctrica. Una tecnología relativamente nueva es la de paneles fotovoltaicos bifaciales, cuya capacidad de generar energía es mayor debido a sus dos caras receptoras. Dado que la temperatura de operación define de forma importante la eficiencia obtenida, se hace necesario desarrollar un modelo que prediga su comportamiento térmico transiente en función de diferentes condiciones de operación y así optimizar su desempeño, el cual no existe en estos momentos. El objetivo de este trabajo es elaborar un modelo unidimensional para determinar el comportamiento de la temperatura de una celda bifacial y a su vez, analizar la mejora del rendimiento a través de un sistema de refrigeración por ventilación, sin considerar los efectos en y de las otras dimensiones. Para esto fue necesario plantear el sistema de ecuaciones de transferencia de calor que rigen el problema. Entre las consideraciones se incluye la convección, tanto natural como forzada; la conducción transiente; la radiación, tanto la absorción solar como la emisividad hacia el espacio; y las pérdidas de generación. Para resolver esto se elige como método de diferencias finitas el de Crank-Nicolson en el espacio, el que es implementado en el software Matlab. Se determinan las variables de entrada al modelo, las cuales son:radiación solar (global, difusa y directa),temperatura ambiente, velocidad del viento, ángulo de inclinación del panel, ángulo de elevación del sol y humedad relativa. En otro aspecto se consideran las variables propias del panel solar, que afectan directamente en la generación, como sus corrientes y voltajes característicos, además de los coeficientes de temperatura, para así simular las pérdidas propias del aumento de temperatura en la celda. Finalmente el modelo térmico transiente entrega temperatura a lo largo del panel junto con la corriente y potencia que produce para diferentes tiempos de operación El modelo fue validado con datos de un panel solar convencional en funcionamiento, donde presentó un error cercano a lo reportado en la literatura. Se calcula el comportamiento de la refrigeración para un panel bifacial con diferentes ángulos y velocidades de ventilación, además de analizar la incidencia de la velocidad de entrada a los ventiladores en la potencia requerida por éstos. Se concluye que mientras la velocidad de ventilación es mayor a la del caso sin ventilación, la refrigeración aporta al aumento en la generación de potencia. A su vez, se corroboró que si se aumenta la velocidad del viento, mayor es la disipación de calor, obteniéndose temperaturas de celda más bajas. Por otra parte, a pesar de que se gana más potencia refrigerando ambas caras del panel, la diferencia es pequeña comparada al aumento en la potencia requerida para el sistema de ventilación. Finalmente, el viento de entrada al ventilador afecta de manera imperceptible en los resultados del balance de potencia, pero puede ser un factor a considerarse en caso querer optimizar una instalación.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / En el año 2017, las energías renovables mostraron un crecimiento del 49% en la matriz energética mundial, siendo la tecnología solar fotovoltaica la tecnología con mayor crecimiento en el año. Con respecto a la tecnología solar térmica, el crecimiento se ha visto estancado desde el año 2013. De la capacidad instalada a nivel mundial, 99% corresponde a sistemas térmicos para uso domiciliario y calentamiento de piscinas, siendo prácticamente nula su participación en procesos industriales, a baja o mediana temperatura. Dentro de los esfuerzos por desarrollar colectores más eficientes, en 2008, Gerardo Diaz presentó un nuevo diseño de colector solar utilizando tubos de minicanales como absorbedor solar. Diversos estudios han demostrado que este colector presenta una eficiencia superior que los colectores utilizados comúnmente a baja temperatura. Van Doung en 2015 investigó la aplicación a mediana temperatura de estos colectores para su integración con procesos industriales, encontrando resultados poco alentadores para un diseño sin concentración solar. En este trabajo se presenta un nuevo diseño de colector solar de minicanales, integrando los tubos de minicanales con un sistema de concentración solar tipo lineal Fresnel para su aplicación a mediana temperatura. En el trabajo se describe el proceso de diseño del concentrador, receptor y el absorbedor de minicanales, y se desarrolla un modelo óptico y un modelo termodinámico para estudiar la operación del colector. Ambos modelos fueron validados utilizando referencias comerciales o resultados experimentales en la literatura. Dentro de los principales resultados, se observa que bajo las mismas condiciones de operación que los colectores Fresnel comerciales, el colector Fresnel con minicanales produce un 26% más de potencia térmica por unidad de área de captación, alcanzando 702,2 W/m^2. Debido a la mayor superficie de absorción del absorbedor y la geometría del receptor, la eficiencia óptica alcanza un valor de 0,934, siendo un 50% mayor que los colectores Fresnel comerciales. Sin embargo, ya que el absorbedor de minicanales no se encuentra al vacío, las pérdidas térmicas son 12 veces mayores que en un tubo evacuado convencional. Con respecto a la generación de vapor, un módulo del colector de 6 metros de largo, con una radiación de 900 W/m^2, alcanza un título de vapor de 0,12, produciendo 31,7 kg. de vapor por hora. Se concluye que integrar un absorbedor de tubos de minicanales a un colector lineal Fresnel mejora la eficiencia óptica del colector, alcanzando una potencia térmica superior que los modelos comerciales. Adicionalmente, gracias a la concentración solar se demuestra la factibilidad de utilizar tubos de minicanales para la generación de calor a mediana temperatura, incluyendo la generación directa de vapor.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / En el contexto de que el mundo esta optando por desechar la producción de energía mediante combustibles fósiles, irrumpen las energías renovables no convencionales dentro de las cuales la solar fotovoltaica y la eólica han tenido el mayor crecimiento en los últimos años. Estas energías se caracterizan por ser aprovechadas en grandes espacios abiertos los cuales son cada vez más escasos y por lo que en los últimos años los estudios van de la mano de la implementación de estas tecnologías en espacios urbanos, de lo que nace la necesidad de evaluar su desempeño bajo estas condiciones ambientales. El presente trabajo se enfoca en el estudio de un panel fotovoltaico y una turbina eólica de eje vertical tipo Savonius en el mismo espacio urbano como podría ser el techo de un edificio donde se reúnen condiciones para un buen desempeño de estas tecnologías. El principal punto a observar es la interacción entre la estela producida por el funcionamiento de la turbina, la cual acelera el viento incidente en dos zonas de vórtices de alta velocidad, y la instalación de un panel fotovoltaico en estas zonas, ya que el aumento de la velocidad del viento produce un medio de refrigeración natural para el panel fotovoltaico. Se realizan simulaciones CFD en Ansys Fluent en 2 dimensiones para obtener el perfil de velocidades promedio en las zonas de vórtices de alta velocidad producidos aguas abajo de la turbina para 5 velocidades distintas en la zona urbana y 4 posiciones distintas en la estela. Posteriormente estos perfiles son usados como condiciones de borde para un modelo en 3 dimensiones del panel fotovoltaico, de manera de comparar la temperatura promedio de celda del panel por si solo con la de un panel aguas abajo de la turbina eólica. El panel fotovoltaico es simulado mediante la implementación de una fuente de calor en el volumen de la celda, la cual es calculada mediante el balance de la energía utilizada y no utilizada al producir energía según condiciones medioambientales del lugar. Los resultados muestran que la temperatura del panel disminuye al aumentar la velocidad del viento y que al ser puesto en las zonas aprovechables aguas abajo de la turbina eólica de eje vertical la disminución de la temperatura es mayor con respecto a la del panel instalado sin turbina. Este resultado se traduce en un aumento de la eficiencia del panel fotovoltaico al ser implementado en las zonas de mayor velocidad aguas abajo de la turbina, lo que genera un aumento de la potencia generada por el panel que va desde un 0,58% hasta un 2,95% dependiendo de la velocidad del viento. El trabajo demuestra como la implementación de un sistema con las dos tecnologías estudiadas puede mejorar el desempeño del panel fotovoltaico. La factibilidad queda sujeta a un análisis del objetivo de implementación de las tecnologías, como a un análisis económico respecto a la potencia generada por el espacio usado.

Ingeniero Civil Mecánico / La crisis mundial medioambiental actual ha llevado a diversas naciones a masificar el uso de energías renovables no convencionales como la solar con tal de purificar su matriz energética. Los gradientes de temperatura entre las distintas celdas que conforman un módulo fotovoltaico, provocan ineficiencias en el comportamiento, debido a que se produce un efecto denominado dispersión de parámetros . Lo anterior, se traduce en un perjuicio en la potencia de salida y del rendimiento, luego es necesario disminuir la temperatura de operación de las celdas. El objetivo de la presente memoria es definir el comportamiento de la temperatura al interior de la granja solar en función de la radiación incidente, pérdidas por radiación, convección y conducción, tras variar parámetros atmosféricos, como velocidad del viento y temperatura ambiente, además de parámetros geométricos, como el distanciamiento entre paneles. Tras determinar los parámetros anteriores, se procede a simular el modelo planteado en el software ANSYS FLUENT 18.1 para posteriormente realizar el análisis térmico transiente del panel fotovoltaico. Finalmente se encuentran relaciones para poder determinar la temperatura más elevada en las celdas y el distanciamiento promedio que debe tener una granja con tal de optimizar la eficiencia de esta, así poder tener inputs para un posterior desarrollo de un sistema ciberfísico. La simulación consiste en sólo una fila de 30 paneles de una granja fotovoltaica, cada panel de la marca Hareon genera 320 W por ende la cantidad evaluada generaría en condiciones óptimas 9,6 kW lo que se considera aceptable para una fila de paneles. La metodología ocupada es la siguiente: a) se realizan simulaciones para distintos casos hipotéticos de funcionamiento y distribución de los paneles en el modelo; b) se analizan que los parámetros de coeficiente de arrastre y de sustentación sean acordes a la bibliografía, así como encontrar un mallado adecuado que logre validar el modelo; c) se estudia el efecto de las variables climáticas y de la posición de los paneles en la temperatura del arreglo; d) se define una ecuación que optimice la eficiencia del arreglo sirviendo como input para el desarrollo de un posterior sistema ciberfisico. Los resultados obtenidos demuestran la importancia que tiene la temperatura ambiente o de ráfaga en el enfriamiento de los paneles, obteniendo que una diferencia de 4°C signifique un cambio de hasta 2% en la eficiencia de la granja solar. Además, se logra encontrar una relación que permite determinar el distanciamiento eficiente en una granja en función de su eficiencia y con parámetros atmosféricos extremos, obteniendo un máximo de 13% con un distanciamiento mínimo de 0,975 m entre paneles.

Geóloga / En la presente memoria se muestran los resultados de la simulación del funcionamiento de pozos geotérmicos en la zona noreste de Santiago, más precisamente en las inmediaciones de la comuna de Vitacura. La simulación utilizada para analizar si la instalación de pozos logra otorgar la demanda térmica necesaria para calefacción y refrigeración de un hotel en dicha zona. Primero se ha realizado una revisión bibliográfica para establecer los parámetros geológicos de la zona, para implementarlos en los modelos con sistema abierto de pozos en 3D usando el programa FEFLOW. Así mismo, se utiliza información bibliográfica de la posible demanda térmica respecto al sistema de calefacción y refrigeración en función de los metros cuadrados construidos. Con estos datos, se genera el modelo en 3D, y se simulan diferentes escenarios, en los cuales se varía el número de pozos ya sea de bombeo o de inyección de agua. Los resultados permitieron establecer ciertos parámetros importantes a la hora de diseñar un sistema de pozos geotérmicos y las dimensiones alcanzadas en la zona de afectación termal (TAZ). Los caudales de los pozos, sobre todo el de inyección, tienen una fuerte influencia en el tamaño y forma de la TAZ generada alrededor del pozo de bombeo. El valor del caudal calculado depende a su vez de distintos factores como la demanda térmica, la cual es función del clima en la zona de estudio y las condiciones estructurales del edificio a temperar. Otros parámetros relevantes estudiados son la distancia que hay entre los pozos de bombeo y de inyección y el flujo de aguas subterráneas. Las propiedades térmicas e hidráulicas también tendrían influencia en la forma de la TAZ, pero no son examinadas en profundidad en este trabajo. En cuanto a los resultados de los distintos casos estudiados, se puede concluir que las diferentes opciones simuladas pueden ser implementadas en la realidad. Considerando que a consecuencia del agua inyectada al acuífero se observan variaciones en la temperatura del agua bombeada, dichas variaciones no sobrepasan los 0,5°C si la temperatura del acuífero está próxima a 16°C. Una consideración importante al momento de elegir uno de los modelos simulados es la dimensión de la zona de afectación termal ya que esta puede interferir en el uso de otros posibles sistemas en los alrededores de la zona estudiada. El tiempo necesario para recuperar la inversión está entre 2 y 12 años dependiendo del sistema de calefacción con el que se compare. Además, para comparar los resultados del sistema abierto se simularon pozos con sistema cerrado. La simulación indica que un pozo de 100m puede extraer 3,75 kW. Esto equivale a la necesidad de instalar cerca de 68 pozos para suplir la demanda térmica del hotel. La falta de espacio en la zona y el alto costo de inversión de este modelo solo dejan como opción viable a realizar los escenarios propuestos con pozos de sistema abierto. / Este trabajo se enmarca dentro del Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes (CEGA), proyecto FONDAP CONICYT N° 15090013