Ingeniero Civil Mecánico / Este trabajo de título se enmarca en un proyecto de fin de estudios realizado para la empresa Société hydroélectrique du Midi (SHEM), ubicada en la ciudad de Toulouse, Francia. El trabajo de título consiste en realizar un análisis técnico-económico de diferentes soluciones teniendo en cuenta la evolución de nuevas tecnologías "Ictiófilas" (amigables con la fauna acuática) para preparar el reemplazo de 2 turbinas tipo bulbo que están actualmente en funcionamiento en la central hidroeléctrica de Castet. Cada solución propuesta debe asegurar las funciones principales de Castet, respetando las restricciones impuestas por la concesión y cumpliendo con la reglamentación ambiental exigida. Además por cada propuesta debe entregar una solución a nivel de ingeniería conceptual junto con un plano de implementación y un análisis económico. La metodología del presente trabajo consistió en realizar un estudio del funcionamiento de la central, seguido de un estudio hidrológico y levantamiento de datos, una formulación de todas las restricciones involucradas, la formulación de tres escenarios de reemplazo y la realización de los análisis económicos. Cada escenario contó con una visita técnica. El escenario No. 1 "Reemplazo de manera idéntica de los grupos Bulbos" con una inversión total de 4.237.720 Euros tiene la ventaja de la reutilización de las obras civiles y un alto retorno de experiencia, teniendo como principal desventaja la incertidumbre del costo y factibilidad de un mecanismo que permita la migración de peces. El escenario No. 2 "Reemplazo con tecnología VLH" con una inversión total de 5.454.000 Euros tiene la ventaja de solucionar la problemática de la migración al ser una tecnología ictiófila la cual posee como principal desventaja su complejidad de instalación. El escenario No. 3 "Reemplazo con tecnología Tornillo Hidrodinámico" con una inversión total de 4.803.520 Euros posee también el carácter ictiófilo y tiene como principal desventaja su mal funcionamiento para la regulación del caudal entrante, razón por la cual no se recomienda su implementación. Resulta indispensable clarificar el estado actual de las compuertas deslizantes a través de un estudio mecánico detallado, rehacer un estudio sobre el estado del muro contra-fuerte y la realización de un estudio del mecanismo de migración del escenario No. 1. Todo esto antes de tomar cualquier decisión de reemplazo. Ninguno de los 3 escenarios propuestos es rentable al poseer una TIR inferior al 5% y un VAN negativo. Sin embargo, se demostró la importancia de solucionar la problemática de la migración y analizar financieramente al conjunto de centrales del Valle d'Ossau dada la pronta renovación de concesiones.

Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / La micro generación (menor a 100 [kW]) por medio de turbinas hidroeléctricas, tiene un amplio campo de desarrollo en la zona centro-sur de Chile. Este tipo de generación eléctrica ayuda a diversificar la actual matriz energética y avanzar hacia una generación a nivel país más eficiente y sustentable. Las micro centrales hidroeléctricas, además del consumo personal, permiten eventualmente la inyección y venta de potencias excedentarias a la red de distribución, lo que incentiva al usuario a adoptar nuevas tecnologías de eficiencia energética. En este contexto, el Centro de Energía de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile, está desarrollando el proyecto de Micro Central Hidroeléctrica Plug & Play, del cual se enmarca esta Tesis. Este trabajo de Tesis tiene como objetivo general el diseño, construcción y pruebas de funcionamiento de una turbina Pelton, con todos sus elementos, tomando como base un diseño numérico de la turbina [7]. En el Taller Mecánico del Departamento de Ingeniería Mecánica (DIMEC) se confeccionaron la mayor parte de las piezas de la turbina, así como su construcción, montaje y las correspondientes pruebas de funcionamiento. Los parámetros del recurso hídrico de diseño son: la altura neta (H_n=40 [m]), el caudal volumétrico (Q= 35 [m^3/s]) y un supuesto rendimiento global (η=70%). En base a estos parámetros, se realizó todo el diseño y manufactura de las partes de esta turbina, el inyector, el housing , el eje, y todo lo que fue necesario para llevar a cabo las pruebas de esta máquina. Se realizan las pruebas correspondientes para obtener las prestaciones de funcionamiento de la turbina, tales como generación eléctrica posible y rendimientos en una amplia gama de alturas de carga y caudales predeterminados, de 19 a 60 [m] y de 17 a 45 [lt/s], respectivamente. Las pruebas de funcionamiento conducen a la elaboración del diagrama de explotación, el que muestra el comportamiento esperado del grupo Turbina-Generador, con una potencia eléctrica máxima de 11 [kW] y un rendimiento máximo del 64%, que corresponde a un 75% de rendimiento con respecto a la potencia al eje de la turbina. Estos valores suponen un rendimiento del Generador del orden del 85%. Para los valores de diseño de la turbina (40 [m] y 35 [m^3/s]) la potencia del grupo Turbina-Generador se obtuvo una potencia de 8 [kW] y un rendimiento del 59%, correspondiendo a un 69% respecto de la potencia al eje de la turbina. En conclusión, las prestaciones del grupo Turbina-Generador son razonablemente aceptables respecto a los supuestos establecidos inicialmente para su diseño. Los resultados alcanzados dejan nuevos desafíos para desarrollos futuros, esto es, optimizar la geometría y fabricación de las cucharas de la turbina Pelton con tornos numéricos CNC. Incorporar instrumentos de medición más precisos con señal de salida digital, tales como: caudalímetros electromagnéticos o ultrasónicos, torquímetros, tacómetros, tubos de Pitot de alta precisión, sistema de adquisición de datos, circuito hidráulico mejorado, etc.

Ingeniera Civil Mecánica / Diversificar la matriz energética y reducir los costos medioambientales en la generación de energía, son problemas que está enfrentando Chile actualmente, por lo que es urgente comenzar a estudiar nuevas formas de generación de energías que no sean contaminantes, eficientes y sostenibles. En este contexto el Centro de Energías de la Universidad de Chile está desarrollando un proyecto de microgeneración hidráulica llamado Microcentral Hidroeléctrica Inteligente, este proyecto contempla la utilización de una turbina tipo Turgo importada desde China, la cual carece de especificaciones técnicas y presenta inconvenientes técnicos como un rendimiento de 49 %, considerado bajo para este tipo de tecnología. Ante este proyecto de innovación tecnológica es muy importante que el principal órgano de la turbina, el rodete, tenga un mayor rendimiento, y sean conocidas sus características técnicas y alta calidad. El objetivo de este trabajo de titulación es el diseño de un rodete de turbina tipo Pelton, con el fin de obtener un mayor rendimiento y calidad que con la actual turbina Turgo. Para esto se procederá de la siguiente manera, se realizará un diseño preliminar utilizando la teoría hidráulica. Luego, se modelará el rodete diseñado en el programa Ansys variando los parámetros relevantes para obtener el rodete con mejor rendimiento. El desarrollo de este trabajo será realizado para un recurso hídrico con las siguientes características: altura neta (Hn) de 40 [m] y caudal (Q) de 35 [l/s], considerando lo anterior la potencia hídrica es de 13,72 [kW]. Tras el diseño y modelación del rodete se obtienen los principales resultados que son el diámetro Pelton de 36 [cm], diámetro de puntas de 45 [cm] y para la cuchara un ancho de 12 [cm] y el largo de 11 [cm]. Se compara la fuerza del agua en la cuchara para el caso optimizado y el caso base, se obtiene que la fuerza es de un 0,1 % por ciento mayor. Con esto se espera un aumento del rendimiento teórico del rodete que en el caso base es de un 89 %, valor considerablemente mayor al obtenido en el estudio de la turbina Turgo china de un 49%. Finalmente se entrega el rodete dibujado en Autodesk Inventor.

En los últimos años, los sistemas que utilizan como fuente recursos renovables se han posicionado como una interesante alternativa para la producción de energía. Entre las fuentes disponibles, la energía eólica viene configurándose como una de las fuentes de energía renovable con mayor crecimiento en los últimos años. En este trabajo se propone el aprovechamiento de las corrientes eólicas circulantes sobre la superficie terrestre para la producción de electricidad con el fin de abastecer buena parte de la demanda en viviendas aisladas, pequeñas instalaciones agropecuarias, equipamiento de servicio ubicado en lugares remotos, etc. Por lo general estas brisas tienen una baja densidad energética, por ello proponemos una interfaz mecánica que concentre las masas de aire, acelerando su circulación y alcanzando importantes incrementos en la velocidad de impulsión. La primera parte se centra en la elaboración de un procedimiento de caracterización a partir de la metodología científica con el cual modelar una estructura concentradora de flujo eólico válida para un aerogenerador de eje vertical. Este método trata el diseño de un elemento acelerador capaz de optimizar el aprovechamiento de estas brisas con independencia de la dirección de éstas. Su diseño viene dado por la resolución de un conjunto de objetivos fundamentales, dotando al sistema de unas prestaciones particulares en relación a su arquitectura y operatividad. Estos objetivos son los siguientes: - Operatividad ante cualquier dirección eólica adoptada - Incremento del rendimiento potencial de la turbina de eje vertical - Minimizar el desarrollo de efectos turbulentos alrededor del sistema integrado - Capacidad resolutiva ante la presencia de fuertes vientos - Estabilidad estructural - Compatibilidad ante instalaciones propias del volumen arquitectónico - Control global del rendimiento del sistema. La segunda parte aborda el modelado del prototipo y el análisis de su comportamiento mediante simulaciones en el ámbito de la fluidodinámica computacional. El resultado es un prototipo caracterizado por una arquitectura capaz de sectorizar la entrada de viento en diferentes tramos inyectando el flujo eólico estratégicamente. La incorporación de la interfaz sobre el rotor aumenta la superficie de captación eólica, facilitando su entrada a través de las diferentes aberturas y llevando a cabo su concentración según avanza por los tramo de circulación. Una vez finalizado dicho avance, el flujo es inyectado en un rango angular de nido por la elevada fuerza de sustentación capaz de generarse gracias a la incidencia del flujo eólico, aprovechando las particularidades que ofrece la rotación de este tipo de rotores. El resultado de la inyección sectorizada es el desarrollo de una circulación interior vorticial que incide permanentemente en el rango de sustentación característico del perfil aerodinámico que define la geometría de la pala de rotación. Ello provoca que se alcance un funcionamiento nominal a velocidades reducidas. En este proceso se incluyen las acciones necesarias para dar una respuesta eficiente a cualquier tipo e solicitación eólica. En presencia de velocidades de relativa importancia, la interfaz concentradora adapta su arquitectura con el fin de regular la entrada de flujo, retrasando la activación de los dispositivos reguladores propios de la turbina eólica. En presencia de vientos importantes, la interfaz dispone de los mecanismos necesarios para proceder al cierre de las aberturas procediendo a la parada del rotor. La validación de los prototipos elaborados se ha llevado a cabo mediante simulación computacional CFD. Los resultados confirman la consecución de un funcionamiento nominal a velocidades más reducidas, una mayor superficie de captación y periodo de tiempo de funcionamiento efectivo en comparación a las turbinas convencionales. Para el caso práctico modelado los resultados mejoran en más de 2.5 veces la potencia generada y multiplican por cuatro la fuerza ejercida sobre las palas de la turbina. La elaboración de un método preciso para el diseño de este tipo de estructuras concentradoras posibilita que se pueda alcanzar un diseño en función a las necesidades del usuario, o las condiciones eólicas de un emplazamiento dado. A ello hay que unir su compatibilidad de uso y montaje con sistemas de captación solar, conformando un sistema híbrido capaz de aprovechar tanto la energía solar como eólica para el abastecimiento autónomo. Esta característica incrementa el ratio de zonas geográficas donde se puede llevar a cabo su implantación. Las últimas páginas están reservadas a esbozar las líneas futuras de desarrollo y evolución, tanto en términos de e ciencia productiva como en su incorporación a nuevos volúmenes arquitectónicos y estructuras civiles en general.