Memoria para optar al título de Diseñadora Industrial

En el Perú se produce una importante cantidad de té gracias a su geografía puesto que permite cultivar esta planta durante todo el año sin una mayor necesidad que el espacio. Dentro del proceso de producción, es evidente la necesidad energética en forma de calor. Como los lugares de producción se caracterizan por ser zonas rurales o con dificultad de alcance de energía eléctrica es imprescindible el uso de otra fuente de calor como es el caso de la leña. Este proceso de quema de leña para obtener calor conlleva, además de un desequilibrio ambiental por la tala de árboles y la generación de emisiones, a un gasto alto de dinero (6.6% del total de gasto de producción) por la necesidad de adquirir este combustible. Una alternativa viable para reemplazar al quemado de leña como fuente de energía es el uso de la radiación solar concentrada mediante un concentrador cilíndrico parabólico, como el que dispone el Grupo de Apoyo al Sector Rural (GRUPO-PUCP). Dicho concentrador, si es orientado perpendicularmente a la dirección de los rayos del sol, permite obtener la mayor cantidad de radiación incidente en el eje de concentración. Entonces, con un correcto funcionamiento de este sistema de seguimiento, se busca suplir en un 30% la energía generada por el quemado de leña. El estudio se estructuró en cuatro capítulos. En el capítulo 1, se realiza una breve introducción a la elaboración de infusiones de té en el Perú, así como también, se describe la problemática que abrió paso al tema de estudio. En el capítulo 2, se analiza el estado del arte, las tecnologías existentes para el secado de té, así como también la tecnología utilizada en seguimiento solar. En el capítulo 3, se plantean los objetivos, se selecciona la tecnología a utilizar, y se realizan los diseños necesarios para cumplir con los objetivos planteados. En el capítulo 4, se realizan las pruebas de funcionamiento, el análisis de resultados y se presentan las conclusiones y recomendaciones para futuros trabajos. / Tesis

Ingeniero Civil Mecánico / Los altos costos económicos y ambientales de la energía generada a partir de combustibles fósiles han generado un panorama donde la aplicación y la investigación sobre las energías renovables se hace cada vez más urgente. En Chile existe un escenario adverso en esta materia, siendo un país altamente carbonizado en la generación de energía y con altos consumos de combustibles fósiles en la industria. La presente memoria tiene por objetivo realizar una evaluación técnico-económica de un campo de colectores solares térmicos para la producción de calor en procesos industriales en Chile, aplicando una herramienta para evaluar la operación de un sistema de energía solar térmica. Para lograr estos objetivos se analizaron las características del recurso solar y los requerimientos energéticos de distintos procesos industriales del país. Cruzando estos datos fue posible establecer los procesos industriales en los cuales sería posible la introducción de la energía solar térmica. De esta manera se seleccionó un proceso sobre el cual se realizaron simulaciones con el objetivo de evaluar el desempeño de un campo de colectores solares que complementara a los sistemas de generación de calor mediante combustibles fósiles. Se realizaron varios casos de simulación que se dividieron en tres escenarios diferentes: un escenario que varía el horario de despacho de agua caliente; un segundo escenario en el cual se varía la cantidad de energía ahorrada por el sistema solar; y un tercer escenario donde se varía la cantidad de energía que necesita el proceso seleccionado. Cada uno de estos escenarios se localizó en dos ciudades, Santiago en la Región metropolitana y Concepción en la Región del Biobío. Dentro de estos escenarios fue posible establecer las prestaciones y rendimientos técnicos y las rentabilidades económicas del sistema solar para un proyecto a 25 años. Los resultados demuestran que estos sistemas solares son capaces de ahorrar capital y energía. La energía ahorrada por el sistema solar puede alcanzar valores sobre el 80% de los requerimientos del proceso, con factibilidad económica y evitando hasta el 80% de las emisiones de gases de efecto invernadero de un sistema tradicional. Los ahorros económicos pueden alcanzar hasta el 46% del capital necesario sin el sistema solar y es posible encontrar proyectos rentables en la zona sur del país, incluso reemplazando sistemas que utilicen gas natural.

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Durante los últimos años el precio de la electricidad en Chile ha experimentado fuertes alzas, incidiendo directamente en los costos de producción de la industria minera nacional y afectando su competitividad en el mercado mundial. Este incremento en los costos de la electricidad, se debe principalmente a la implementación de políticas energéticas que no prosperaron dentro de las cuales se encuentra la crisis experimentada en la importación de gas natural en la última década, en donde se produjo un efecto combinado entre el reemplazo de gas natural por otros combustibles convencionales de mayor costo y el incremento generalizado del precio de éstos, particularmente en los años 2007 y 2008. Lo anterior representa un incentivo a estudiar y analizar el desarrollo de una potencial implementación de tecnologías que consideren el uso de energías renovables no convencionales, obteniendo así seguridad en el suministro a precios más competitivos. Este trabajo consiste en un estudio de factibilidad de la utilización de energía solar para la producción de energía eléctrica necesaria para las operaciones unitarias de las faenas mineras del Norte Grande, focalizando el análisis en identificar las posibles barreras que afectan a este tipo de proyectos: técnicas, de entrada, económicas, políticas, ambientales y socioculturales. La matriz energética del Sistema Interconectado del Norte Grande (SING) se compone casi en su totalidad de centrales termoeléctricas, las que principalmente consumen carbón y sus derivados para generar electricidad a costos más bajos. El compromiso y la protección medioambiental mundial fomentan la necesidad de reducir las emisiones contaminantes a través de beneficios e incentivos económicos normados y reconocidos como la huella de carbón. Dentro de las tecnologías que generan energía a partir de energía solar, una de las que cuenta con mejor disponibilidad y desarrollo, es el Concentrador Cilindro Parabólico, el que pese a contar con ventajas comparativas, presenta altos costos que no permiten en el mediano plazo invertir en una implementación de este tipo. Finalmente se concluye que la ley sobre energías renovables no es suficiente para crear los incentivos necesarios para impulsar inversiones en tecnología limpia por parte de las grandes empresas mineras. Lo que sumado a altos costos de estas tecnologías relacionados directamente a su desarrollo incipiente y a su falta de desarrollo, no logra dar paso a inversiones de este tipo. Pero el escenario debe ser evaluado de forma más integral de acuerdo a las tendencias actuales, internalizando otros aspectos como los impactos negativos de seguir explotando sistemas de generación convencionales como las centrales termoeléctricas, referidos principalmente a efectos en la salud y medioambiente. Para ello, establecer mecanismos legales y normativos se muestran como la principal herramienta para poder atenuar o eliminar las barreras de entrada a tecnología solar-térmica de concentración. Con lo anterior se espera que las empresas mineras tengan reales incentivos a rediseñar sus políticas energéticas, invirtiendo en tecnologías de generación no convencionales que en mediano plazo resulten en una disminución de costos de la energía y la actividad sea más competitiva.

No autorizado por el autor, para ser públicada a texto completo / El objetivo principal de este trabajo es evaluar la factibilidad técnica y económica de instalar una planta termoeléctrica de ciclo combinado con una planta solar integrada en su ciclo de vapor, conocida como “planta híbrida de ciclo combinado-solar” ó “planta de ciclo combinado con integración solar” en el Norte Grande de Chile Para ello se estudiaron las tecnologías solares térmicas de concentración que pueden integrarse a una planta de ciclo combinado. De éstas se seleccionó la planta de colectores cilindro-parabólicos debido a su madurez tecnológica. El análisis técnico involucró la búsqueda de los lugares más aptos para el emplazamiento de la planta híbrida, considerando principalmente restricciones de altitud y pendiente del terreno, y requerimientos de cercanía a la red eléctrica, fuentes de agua y gas natural. Esta serie de restricciones llevó a considerar terrenos costeros para el emplazamiento de la central, incurriendo en una reducción de la energía solar máxima utilizable, debido al aumento de la nubosidad en tales sectores. También se analizaron las características principales de una planta termoeléctrica de ciclo combinado y se diseñó un modelo simple que permite dimensionar el tamaño máximo de una planta solar que puede integrarse a una planta de ciclo combinado de tamaño dado. Finalmente, los resultados de la evaluación económica indican que la instalación de una planta híbrida como la propuesta en el Sistema Interconectado Central es un proyecto rentable dadas las condiciones actuales de generación. Sin embargo, se requiere de un escenario más favorable en términos de costos de inversión o de tiempo de despacho promedio para que la planta solar integrada no disminuya la rentabilidad de la planta híbrida. Además, se realizó un análisis de sensibilidad del cual se dedujo que la planta híbrida es altamente sensible a la variación de precios de combustible y al costo marginal del sistema interconectado, mientras que la planta solar como proyecto independiente es particularmente sensible a la potencia a la cual la planta es despachada, al costo de inversión y a la potencia mínima de la turbina de vapor.

La presente tesis trata sobre el diseño de un concentrador solar Scheffler de 2.7 m2 con mecanismo de repliegue y despliegue, modular y transportable. La ventaja de este diseño es que, al reducir su tamaño y volumen, se vuelve fácilmente transportable, lo que hace que esta tecnología sea accesible incluso en zonas de difícil acceso en el Perú, donde la falta de buenas vías y los altos costos de transporte representan barreras significativas. Esto es especialmente relevante, dado que el diseño original del equipo implica elementos frágiles, como los espejos. Para lograr este objetivo, en primera instancia se define el alcance de la tesis y se lleva a cabo una investigación sobre el estado de la tecnología relacionada con concentradores solares y sistemas desplegables, como el origami, que permite reducir en área y volumen cualquier sistema usando patrones definidos. Luego, siguiendo la metodología de diseño según las normas alemanas VDI 2221 y VDI 2225, se elabora una lista de requerimientos y se proponen diseños conceptuales, seleccionando finalmente el proyecto preliminar definitivo teniendo en cuenta aspectos técnicos y económicos. Por último, se realizan los cálculos necesarios para dimensionar el equipo y se elaboran los planos de fabricación y ensamblaje correspondientes. Los resultados de esta investigación muestran que se logró diseñar un concentrador solar de 2.7 m2 que reduce su volumen en más del 75% al plegarse, además de diseñarlo con una ergonomía adecuada para su uso, ya que el foco se encuentra a 1 metro del suelo. El costo total estimado para el diseño y la fabricación del primer prototipo es de S/. 11,401.58. / The present thesis deals with the design of a 2.7 m2 Scheffler solar concentrator with a folding and unfolding mechanism, modular and transportable. The advantage of this design is that, by reducing its size and volume, it becomes easily transportable, making this technology accessible even in hard-to-reach areas in Peru, where the lack of good roads and high transportation costs represent significant barriers. This is particularly relevant, given that the original design of the equipment involves fragile elements, such as mirrors. To achieve this objective, the scope of the thesis is first defined, and research is conducted on the state of technology related to solar concentrators and deployable systems, such as origami, which allows reducing the area and volume of any system using defined patterns. Then, following the design methodology according to the German standards VDI 2221 and VDI 2225, a list of requirements is elaborated, and conceptual designs are proposed, finally selecting the definitive preliminary project considering technical and economic aspects. Finally, the necessary calculations are made to size the equipment, and the corresponding manufacturing and assembly drawings are elaborated. The results of this research show that a 2.7 m2 solar concentrator was designed, which reduces its volume by more than 75% when folded, and it is also designed with suitable ergonomics for use, as the focal point is one meter above the ground. The estimated total cost for the design and manufacturing of the first prototype is S/. 11,401.58.

En el Perú se produce una importante cantidad de té gracias a su geografía puesto que permite cultivar esta planta durante todo el año sin una mayor necesidad que el espacio. Dentro del proceso de producción, es evidente la necesidad energética en forma de calor. Como los lugares de producción se caracterizan por ser zonas rurales o con dificultad de alcance de energía eléctrica es imprescindible el uso de otra fuente de calor como es el caso de la leña. Este proceso de quema de leña para obtener calor conlleva, además de un desequilibrio ambiental por la tala de árboles y la generación de emisiones, a un gasto alto de dinero (6.6% del total de gasto de producción) por la necesidad de adquirir este combustible. Una alternativa viable para reemplazar al quemado de leña como fuente de energía es el uso de la radiación solar concentrada mediante un concentrador cilíndrico parabólico, como el que dispone el Grupo de Apoyo al Sector Rural (GRUPO-PUCP). Dicho concentrador, si es orientado perpendicularmente a la dirección de los rayos del sol, permite obtener la mayor cantidad de radiación incidente en el eje de concentración. Entonces, con un correcto funcionamiento de este sistema de seguimiento, se busca suplir en un 30% la energía generada por el quemado de leña. El estudio se estructuró en cuatro capítulos. En el capítulo 1, se realiza una breve introducción a la elaboración de infusiones de té en el Perú, así como también, se describe la problemática que abrió paso al tema de estudio. En el capítulo 2, se analiza el estado del arte, las tecnologías existentes para el secado de té, así como también la tecnología utilizada en seguimiento solar. En el capítulo 3, se plantean los objetivos, se selecciona la tecnología a utilizar, y se realizan los diseños necesarios para cumplir con los objetivos planteados. En el capítulo 4, se realizan las pruebas de funcionamiento, el análisis de resultados y se presentan las conclusiones y recomendaciones para futuros trabajos.