Seminario para optar al título de Ingeniero Comercial, Mención Economía / En 2011 el Centro de Economía Sustentable y Cambio Climático (CESUCC) de la Universidad de Chile realizó un estudio (CESUCC, 2011) en el que, a través de una evaluación ambiental estratégica (EAE), se determinó la matriz eléctrica óptima para Chile al año 2030, definida como aquella que maximiza el desarrollo sustentable del país. El estudio empleó la metodología Delphi y el Proceso Analítico Jerárquico para a través de la opinión de diversos expertos en los ámbitos ambiental, económico y social, determinar dicha matriz. En el presente trabajo se extiende dicha investigación contando esta vez con la participación de miembros del Congreso de Chile con el objetivo de contrastar las respuestas de ambos grupos y determinar si las opiniones de los expertos y los hacedores de políticas están alineadas respecto del camino que debiese seguir el país en materia de política energética. Los resultados muestran que, a pesar que existe un alto grado de consenso en cuanto a lo factores ambientales, sociales y económicos que la futura matriz eléctrica debiese abordar, los miembros del Congreso se inclinan más hacia una matriz preferentemente Hídrica en comparación a los expertos, que se inclinan hacia una compuesta preferentemente por ERNC.

Las energías renovables constituyen un recurso importante en el mundo ya que no contaminan el ambiente en comparación con los recursos fósiles. En el mundo se cuenta con un gran potencial de fuentes de energía renovables como el agua (energía hidráulica), los desechos (biomasa), aire (energía eólica), entre otros. Sin embargo, el potencial total de estas energías no son aprovechadas debido a factores como costos, falta de lugares idóneos para su implementación y factores que pueden afectar en muchos casos el hábitat de los animales. En el Perú, el potencial teórico de energía eólica es de alrededor de 22 000 MW contra una capacidad instalada de 239 MW, lo cual representa 1 % del total que se podría obtener. Las principales barreras para un mayor aprovechamiento del potencial eólico son los costos y la tecnología. Dado que el potencial de energía eólica y su crecimiento está basado en la altura de las torres de los aerogeneradores, su desarrollo se ve impedido por el transporte y la maquinaria necesaria para su instalación a más de 100 m de altura. Por ello, en el presente trabajo se desarrolla el diseño de un sistema generador de electricidad con una estructura tipo cometa como dispositivo para captar la energía cinética del aire a alturas mayores a 100 m. El diseño cuenta con una cometa que está unida mediante cables a una unidad de control que cuenta con dos motores DC que modifican el perfil de la cometa para controlar su trayectoria. La unidad de control se une también mediante cables a una estación en tierra donde se encuentra un tambor que transmite el movimiento al generador. En la estación en tierra se ubica un motor AC para retornar la cometa una vez que esta haya alcanzado la altura máxima de operación. El generador se conecta a un banco de baterías para almacenar la energía producida. El control de la trayectoria se realiza mediante un control en tiempo real y módulos de posicionamiento, así como sensores de velocidad de viento, sensores de fuerzas, temperatura y voltaje para asegurar la seguridad del sistema. La metodología del diseño propuesto se delimita a partir del estado del arte encontrado. Luego, se definen los conceptos de solución y se evalúa el concepto de solución óptimo. Se realiza también una evaluación de los sensores y actuadores a usar a partir de los requerimientos establecidos, y se define una estrategia de control para la trayectoria en la generación de energía. El resultado final del diseño se muestra en las ilustraciones del documento y planos. / Tesis

Memoria para optar al Título Profesional de Ingeniería en Recursos Naturales Renovables / Las condiciones actuales de Cambio Climático y escasez nacional de combustibles fósiles, nos indican que Chile debe diversificar la matriz energética y planificar un desarrollo energético a través de energías existentes en el territorio. Esto ha llevado a un grupo de científicos a plantear una solución energética llamada Iniciativa GeVi (Generador Virtual), esta iniciativa utiliza diferentes fuentes de energía, las que en su mayoría son renovables no convencionales (ERNC), generando energía cerca de los lugares de consumo. Para ello se requiere identificar las fuentes de energía renovables y los conflictos que se puedan generar en el territorio la instalación de generadores eléctricos. La presente memoria de título tiene como objetivo general desarrollar una propuesta metodológica que permita identificar zonas con recursos naturales disponibles para transformarlos en energía eléctrica utilizable para una solución tipo GeVi. El presente trabajo es una propuesta metodológica dividida en cuatro etapas. Primero, se recopilarán y generará información del territorio y sus recursos naturales. Segundo, se generan capas de información en cartografía digital de acuerdo a la información recopilada. Tercero, en esta etapa la información digitalizada se procesa a través de algoritmos, calculando el potencial energético de las fuentes de energías renovables identificadas, la propuesta se basa en algoritmos y métodos de cálculo para la fuente de energía eólica, solar, biomasa y mini hidráulica ya existentes. Cuarto, se propone fusionar las cartografías de los potenciales energéticos e información base del territorio en una sola imagen. De esta forma se genera una herramienta de apoyo para la planificación territorial y disminuir los conflictos por la competencia del espacio del territorio. La metodología se aplicó de forma reducida para el poblado de Huatacondo, obteniéndose como resultado cartografías de potenciales energéticos para las fuentes de energía eólica, solar y biomasa, también se generó una cartografía del potencial energético neto de la zona de estudio. Durante la aplicación de la memoria se destaca la importancia de la información base (datos de recursos naturales: viento, biomasa y radiación) para la aplicación de la metodología. La presente memoria fue generada para ser utilizado en la Iniciativa GeVi, sin embargo por su finalidad puede ser utilizado para cualquier proyecto que necesite generar información de fuentes de energías renovables, dado su carácter recopilatorio en el cual se trabaja con variables generales y que apoyan la toma de decisiones territoriales de cualquier proyecto de generación distribuida a través diversas fuentes de generación que utilicen ERNC presentes en el presente trabajo. Esta memoria deja abierta la posibilidad de incorporar más fuentes de energías renovables a la metodología, tales como, geotérmica de baja entalpía, mareomotriz y las que se puedan desarrollar en el futuro. En futuras versiones se espera automatizar los procesos para la generación de cartografía ingresando sólo los datos iniciales y poder generar una plataforma abierta a todo el público (vía web) en la cual se pueda ingresar los datos y generar la cartografía del territorio. / In the current conditions of climate change and national shortage of fossil fuels, we show that Chile should diversify energy sources and energy development plan through existing national energies. This has led a group of scientists to propose an energy solution called GeVi Initiative (Virtual Generator). This Initiative works with different energy sources, which are mostly non-conventional renewable (URE), generating energy close to consumption sites. This requires identifying the sources of renewable energy and conflicts that may arise in the territory, installation of electric generators. The objective general memory of this title is develop a methodology to identify surfaces with natural resources available to process them into usable electrical energy for a standard solution GeVi. This paper is a methodology in four stages. First, they collect and generate information of the territory and its natural resources. Second, the layers of information are generated in digital cartography according to information collected. Third, the digital information is processed through algorithms, calculating the potential energy sources renewable energy identified in this proposal are suggested algorithms and calculation methods for wind power, solar, biomass and mini hydro. Fourth, it proposes to merge the maps of potential energy and information base of the territory in a single image. This will generate a support tool for land planning and reducing conflicts over territory space competition. The methodology used was applied to a reduced form to the village of Huatacondo it has resulted mappings of potentials sources of energy for wind, solar and biomass, also generated a net energy potential mapping of the study area. During the implementation of the reports highlighted the importance of basic information (data of natural resources: wind, biomass and radiation) for the implementation of the methodology. While this work was generated for use in GeVi Initiative, a project developed and implemented by the Energy Center at the University of Chile, it purpose can be used for any project that needs to generate renewable energy sources, given their patchwork in which we work with general variables and supports the regional decision-making of any distributed generation project through various sources of generation using ERNC present in this paper. This leaves the open possibility of incorporating more renewable energy sources to the methodology, such as low-enthalpy geothermal, tidal and can be developed in the future. Future versions are expected to automate processes for mapping generation by only entering the initial data and then generate a platform open to everyone (via web) in which to enter the data and mapping the territory.

Los elevados costos de producción energética basada en combustibles fósiles, la evidencia de sus efectos sobre los cambios ambientales globales, ha impulsado el estudio, desarrollo e implementación de energías renovables no convencionales (ERNC), a fin de aumentar la capacidad instalada en la red y aprovechar estas fuentes en proyectos de menor escala de los distintos sectores productivos del País. El objetivo de este trabajo es analizar, en forma preliminar, la factibilidad técnico-económica de utilizar generadores eléctricos, basados en energía eólica, para la operación de sistemas de riego tecnificado, evaluando sus costos. Se desarrolló una plataforma computacional, que permite simular la operación de un sistema de riego tecnificado utilizando generadores eólicos y evaluar su rentabilidad económica según el cultivo y la superficie plantada. Hidráulicamente, la herramienta permite evaluar los esquemas de captación y distribución de agua más típicos utilizados en el riego, que incluyen captación subterránea o superficial, bomba de captación y bomba de riego. Eléctricamente, el sistema consta de un aerogenerador, regulador de carga, inversor de corriente (para el uso de bombas de corriente alterna) y un banco de baterías, que permite acumular energía de forma eléctrica, ahorrando un estanque elevado, para acumularla de forma potencial. Con este trabajo se apoya a la Comisión Nacional de Riego en la evaluación de proyectos eólicos, presentados a los concursos de la Ley 18.450, y en la identificación de dificultades, beneficios, variables trascendentales y otros alcances que faciliten la elaboración, por parte de la CNR, de requerimientos para futuros términos de referencia en estudios de este tipo. Se realizó una evaluación teórica de un cultivo de cerezos en la zona de San Javier (VII Región del Maule) para tres tamaños prediales, haciendo un análisis de sensibilidad. Se concluye principalmente que: una mayor seguridad energética implica una mayor inversión inicial en aerogeneradores. La rentabilidad disminuye a medida que la seguridad aumenta. La red eléctrica siempre será más rentable que los generadores eólicos o diesel. A medida que aumenta la superficie plantada, la rentabilidad eólica aumenta, superando la de un generador diesel. La alta inversión inicial en aerogeneradores se ve amortizada por los bajos costos de mantención y nulos costos de operación. A modo general, se concluye que: en zonas extremas, este tipo de energías se hace más atractiva ya que puede ser la única alternativa energética. La variación temporal de generación, es uno de los factores más influyentes en la factibilidad de instalar aerogeneradores en un proyecto de riego tecnificado, ya que el consumo de las bombas es constante en las horas de riego. Los incentivos y subsidios estatales son indispensables para implementar estas tecnologías. Por último, como extensión de este trabajo, se propone desarrollar una simulación basada en energía solar, y como complemento, plantear un modelo de optimización que permita integrar distintas fuentes energéticas para abastecer un sistema de riego tecnificado.

En el presente trabajo de título se analiza teórica y experimentalmente el funcionamiento de una máquina de inducción de jaula de ardilla, operando como generador de un aerogenerador conectado a la red. El objetivo es analizar y caracterizar el comportamiento del aerogenerador, determinando valores de velocidad límites de operación, en la zona de generador de la máquina de inducción. En efecto, una máquina de inducción de jaula de ardilla simple, debe operar a velocidad mayor a la síncrona para generar; y a su vez, la máquina no debe superar determinado valor de velocidad, para evitar elevadas corrientes que la dañarían por temperatura. Para estudiar experimentalmente este comportamiento, como máquina motriz se utiliza un motor de corriente continua, el cual emula a la hélice del aerogenerador movida por el viento. De esta forma, se obtienen experimentalmente los parámetros de la máquina de inducción y su rango de generación, que resulta ser relativamente pequeño (1500 a 1516 [rpm] en el caso estudiado). Con los parámetros mencionados, se realizan cálculos en base a modelos simplificados, para comparar los resultados experimentales con los teóricos y asegurar la confiabilidad del modelo. Para ampliar el rango útil de velocidades de generación antes obtenido, se realizan pruebas experimentales conectando el generador a la red mediante un variador de frecuencia y empleando una máquina de inducción de rotor bobinado. En el primer caso, se muestra que controlando la frecuencia del variador, es posible generar en un amplio rango de velocidades. Y en el caso de rotor bobinado, se encuentra que agregando resistencias al rotor también se obtiene una ampliación en el rango de velocidades de generación, pero menos significativa que con el variador de frecuencia. Finalmente, se hace una aplicación teórica para una instalación donde se conoce el régimen de viento y la curva de demanda. Primero se especifican la hélice y el generador, y luego – mediante modelos de la hélice y del generador – se evalúa el rango de velocidades en que se puede generar, tanto para el generador conectado directo a la red, como también conectado mediante un variador de frecuencia. Al evaluar el ahorro de energía que se logra, se concluye que la solución propuesta con variador de frecuencia es notablemente mejor y se justifica estudiarla en más detalle en un trabajo próximo.

Ingeniero Civil Electricista / El objetivo principal de este trabajo consiste, como su nombre lo indica, en investigar y desarrollar los procedimientos de diseño de generadores sincrónicos de flujo axial, de imanes permanentes, para la aplicación en aerogeneradores. Con este fin, primero se realiza una etapa de investigación sobre este tipo de máquinas y la tecnología existente en la actualidad para aerogeneradores, además del estado del arte en Chile con respecto a la energía eólica y materias de electrificación rural. Los temas más importantes son plasmados aquí, para crear el prisma bajo el cual se espera el lector siga este trabajo. La segunda etapa consiste en el diseño del generador sincrónico de flujo axial. Para esto, primero se realiza un ajuste de fórmulas que calculan los flujos que se pueden enlazar con las bobinas del generador. Esto permite implementar una metodología de diseño de la máquina, la que luego es optimizada en base a los precios del hierro dulce, los imanes y el cable a utilizar, concluyendo además la ventaja del uso de hierro dulce. Con la metodología implementada y las expresiones que relacionan el viento con el generador, se obtiene el óptimo para ciertas condiciones impuestas de potencia demandada y velocidades de viento máxima y nominal, procediendo luego a obtener las simulaciones para el generador en vacío y con carga, en función del viento. La correcta modelación de esta carga es fundamental para la simulación del comportamiento de la máquina, ya que ésta, junto con los datos del potencial eólico del lugar escogido (Ollagüe), permiten obtener la curva de potencia del aerogenerador diseñado, dato fundamental para la posterior simulación del comportamiento de la máquina con datos reales de la localidad. Finalmente, en base a la simulación realizada para el consumo eléctrico de la localidad de Ollagüe, se compara la alternativa eólica que incluye al aerogenerador diseñado, con una alternativa diesel, verificándose que la primera resulta ser más conveniente en un plazo de 10 o más años.

Ingeniero Civil Eléctrico / La energía eléctrica es una de las formas de energía más usadas por el ser humano. Sin ella muchas de las comodidades a las que se está habituado desaparecerían. Sin embargo uno de sus mayores consumidores es la industria, donde tan solo la idea de una mala calidad de suministro sostenida en el tiempo podría causar una gran conmoción. Es por eso que los sistemas de generación de esta energía deben ser monitoreados constantemente en búsqueda de posibles fallas o anomalías que pongan en peligro la disponibilidad de los equipos eléctricos ahí usados, en especial de las máquinas usadas para la generación. Los generadores sincrónicos son las máquinas rotatorias más usadas en la industria de la generación de energía eléctrica, es por eso que el diagnóstico de fallas para estos equipos toma gran importancia a nivel mundial. En el presente trabajo de título se diseña un algoritmo de diagnóstico de fallas orientado a detectar y clasificar fallas de tipo monofásicas para máquinas sincrónicas de polos salientes, monitoreando las corrientes de estator trifásicas y la corriente de campo. Está basado en el uso de una novedosa técnica de aprendizaje supervisado llamada Máquina de Vectores de Soporte (SVM), la cual, mediante su sistema de implementación uno contra el resto es capaz de clasificar el estado de la máquina en 4 clases distintas: sano , falla clase 1 , falla clase 2 y falla clase 3 . La SVM recibe como entrada los llamados atributos de falla, variables que se obtienen a partir de las corrientes monitoreadas y se caracterizan por poseer la información suficiente para que la SVM pueda resolver el problema de clasificación planteado. Los atributos son obtenidos a través del análisis de las corrientes de estator y de campo. Consisten en un conjunto formado por distintas frecuencias de falla (obtenidas mediante la Transformada de Fourier de las distintas señales de entrada) como también de amplitudes o características de las corrientes en el tiempo. Los datos de operación de la máquina sincrónica que son usados para entrenar, probar y validar el algoritmo de diagnóstico se obtienen a partir de simulaciones del modelo basado en la representación del Voltaje detrás de la Reactancia, este modelo implementa una novedosa forma de subdividir los devanados de estator de la máquina con el fin de simular fallas internas. El algoritmo es validado usando datos contaminados con ruido blanco Gaussiano en distintos niveles, logrando una tasa correcta de clasificación del 97:5% para datos contaminados con ruido S=N = 30[dB], lo que indica que el método propuesto es robusto ante perturbaciones y podría ser aplicado experimentalmente en el diagnóstico de fallas monofásicas en máquinas sincrónicas de polos salientes.

Ingeniero Civil Eléctrico / El generador de inducción doblemente alimentado es una tecnología relativamente nueva y se prevé una fuerte inserción en el mercado durante los próximos años debido a su aplicación en la generación eólica. El objetivo de esta memoria es analizar la factibilidad de su utilización en otras fuentes de energía renovables, como la hidráulica y la del mar, y comparar los resultados con las tecnologías tradicionalmente utilizadas en esas centrales, dentro del ámbito de la generación a velocidad variable y frecuencia fija. Para esto se realiza un estudio teórico, luego se simula el desempeño del DFIG y finalmente se desarrolla un anteproyecto para una aplicación en Chile. La comparación teórica arroja ventajas del DFIG en costos de construcción y operación, mientras que se ve mermado en costos y dificultad de mantención. Así, su utilización es recomendada para potencias medias y altas, es decir, en aplicaciones eólicas o de corrientes marinas. En otras fuentes la potencia extraíble no es suficiente para que su uso sea óptimo. De las simulaciones se obtienen factores de planta altos para las corrientes marinas (40,6%) y olas (30,2%). Para aplicaciones eólicas el factor es realista (28,5%) mientras que en lechos de ríos se descarta la aplicación debido a la baja eficiencia (20,9%). Con los resultados de las simulaciones se realizan evaluaciones económicas considerando escenarios con y sin inflación, emisión de bonos de carbono y ventas de cuotas ERNC. Los resultados entregan resultados positivos sólo para la energía eólica y las corrientes marinas, destacándose que para este último recurso los VAN y TIR son los mejores en cada escenario. También se debe destacar que en todos los casos es necesaria la venta de cuotas ERNC para que los proyectos sean económicamente viables, mientras que la emisión de bonos de carbono no es trascendental. Finalmente, se evalúa la construcción de una central de aprovechamiento cinético de las mareas en el Canal de Chacao, compuesta de 40 turbinas de 2,5 MW cada una, obteniendo un factor de planta superior al 41% y resultados económicos muy positivos (VAN cercano a los 40 millones de USD, TIR 16% y PRC de 7 años). Así se confirma la buena proyección de este tipo de aplicación del DFIG y se recomienda en lo inmediato mejorar la calidad de las mediciones que se disponen en Chile, así como las estimaciones de los costos de inversión, operación y mantenimiento, debido a que son las variables más sensibles en el análisis y de las que menos certeza se tiene.

El uso de la energía eléctrica es indispensable en la vida diaria de las personas. Demográficamente, gran parte del sector urbano cuenta con acceso a este servicio; sin embargo, en el sector rural existen grupos humanos que no tienen acceso a este recurso. Dada esta necesidad, se ha ido impulsando el uso tecnologías renovables, entre las cuales la hidroeléctrica se presenta como la más viable, teniendo en cuenta la geografía del país, con la finalidad de facilitar el acceso a este tipo de energía. En el presente trabajo, utilizando el método de la matriz morfológica, se diseñó un sistema generador hidroeléctrico portable que aprovecha el desplazamiento de masas de agua en canales como fuente de energía cinética. Para ello se empleó una turbina hidrocinética, la cual adquiere un movimiento rotatorio al paso del fluido con la finalidad de convertir la energía cinética en mecánica. Asimismo, gracias a un generador de imanes permanentes acoplado al eje de la turbina en movimiento se puede generar electricidad alterna. Luego, esta corriente fue acondicionada para la carga de dispositivos electrónicos mediante un circuito rectificador y un regulador de tensión. Por último, se logró diseñar una máquina de cumple con los requerimientos y exigencias de diseño que garanticen la generación de 10W de potencia eléctrica. Además, se resalta la importancia que significaría el uso de esta máquina en zonas remotas y la implicancia en la calidad de vida de las personas de estas regiones. / Tesis

Publicación a texto completo no autorizada por el autor / Refiere el diseño, construcción, montaje y puesta en funcionamiento de un túnel de viento de circuito abierto, con zona de prueba abierta (túnel tipo Eiffel) y fue instalado en el Laboratorio de Máquina Térmicas e Hidráulicas de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Ingeniería (FIM-UNI) para el desarrollo y optimización de pequeños aerogeneradores para la electrificación de poblaciones rurales aisladas del Perú. El túnel consta básicamente de tres partes: el colector con rejilla de estabilización, la zona de prueba que es una cámara de estancamiento y el difusor. Dentro del difusor, se encuentra instalado el ventilador axial que trabaja a régimen de succión. El aire es aspirado a través del colector y la zona de prueba, hasta la entrada del difusor. Pasando el ventilador, el aire es conducido a través de un difusor y luego, es expulsado al medio ambiente. Los cálculos de diseño se realizaron empleando las ecuaciones de flujo compresible. / Tesis