Ingeniero Civil Mecánico / Chile tiene uno de los recursos solares de mayor calidad en el mundo, el cual no está siendo aprovechado mayormente. Una forma en que se puede utilizar este recurso es captándolo como energía solar térmica. El ciclo Kalina, inventado a principios de la década de 1980, es un ciclo de potencia cuya principal característica es el fluido de trabajo que utiliza, que es una mezcla binaria, típicamente amoníaco agua. En este trabajo se encuentran rangos favorables de condiciones de operación del ciclo Kalina, para generación eléctrica de 0,5 a 4 [MW], a partir de energía solar térmica de baja temperatura (80 200 [°C]). Se desarrollan y validan modelos termodinámicos por la primera y segunda leyes de la termodinámica de los ciclos Kalina y Rankine Orgánico, este último con los fluidos de trabajo R123, R134a y R152a. Los modelos son validados reproduciendo resultados de la literatura encontrándose una buena concordancia. Se realiza un análisis paramétrico a los ciclos Kalina y Rankine Orgánico, investigando la sensibilidad de los rendimientos térmico y exergético al variar la presión en el evaporador solar, la concentración de amoníaco, la temperatura de la fuente de calor, el pinchpoint y la potencia neta. Se encuentra en el ciclo Kalina que se debe evitar un título de vapor excesivamente bajo a la salida del evaporador solar, porque esto tiene un efecto negativo sobre los rendimientos térmico y exergético. Los componentes con la mayor destrucción de exergía son el condensador, la turbina, el evaporador solar y el regenerador. Al variar la potencia neta las variables extensivas crecen linealmente con ésta. Por último, se encuentran las condiciones de operación más favorables del ciclo Kalina en función de la temperatura de la fuente de calor, para alcanzar el máximo rendimiento exergético. En el ciclo Rankine Orgánico se encuentra que el máximo rendimiento exergético se alcanza a la máxima presión admisible en el evaporador solar, y con R152a como fluido de trabajo. Al comparar los ciclos Kalina y Rankine Orgánico se encuentra que el primero alcanza un mayor rendimiento térmico y exergético que el segundo, sin embargo, requiere de una presión en el evaporador solar de un 40% mayor. A bajas presiones en el evaporador solar la diferencia entre ambos ciclos, a favor del ciclo Kalina, es significativamente mayor que a altas presiones. El mayor rendimiento del ciclo Kalina significa que requiere de una menor área de colectores solares, lo cual generalmente resulta crítico en aplicaciones de energía solar.

El objetivo general del presente trabajo, es generar una metodología de evaluación del uso de colectores solares para una piscina municipal temperada en base a factores en base a un análisis exergético y económico; se espera ver tanto el impacto que podrían tener los colectores en el sistema como la magnitud del ahorro económico asociado a su uso. Se utilizó como caso particular para este trabajo, la piscina temperada de uso público que tiene la municipalidad de Vitacura en la misma comuna. Esta piscina funciona todo el año, siempre temperada, y cuenta además con servicio de camarines con duchas, de manera que se tiene tanto una carga por la calefacción de la piscina como en la generación de agua caliente sanitaria (ACS). Actualmente se utilizan equipos eléctricos para calentar el agua necesaria, lo que genera altos gastos asociados al consumo eléctrico de estos equipos. Por otra parte, está el creciente interés en utilizar energías renovables tanto por el beneficio económico que suponen como el beneficio medioambiental que conlleva su uso. Se determinaron, para el sistema actual, las pérdidas de calor asociadas a la piscina y la energía necesaria para producir ACS. Se calcularon los flujos de exergía del sistema y se identificaron puntos donde existe destrucción o pérdida de exergía. Se identificó la producción de agua caliente sanitaria como una importante carga energética y exergética del sistema, principalmente por la alta temperatura que se debe alcanzar. Se calcularon los requerimientos que se quiere suplir con los colectores y se utilizó el criterio de inversión del valor actual neto para encontrar la cantidad de colectores que entregue un mayor retorno económico. Posteriormente se vio el impacto en el balance exergético del sistema al incluir los colectores solares. Se concluye que hay tanto una mejora exergética como un importante beneficio económico al incorporar al sistema la tecnología de colectores solares para el calentamiento del agua. La mejora exergética está dada por la intervención en algunos puntos del sistema donde se pierde exergía y el menor uso de los equipos actuales. Se puede suponer, que a mayor escala, el ahorro energético acarrearía además una disminución en las pérdidas de exergía aguas arriba del sistema, hacia las fuentes de producción de energía eléctrica, lo que puede significar un beneficio mayor.

Ingeniero Civil Mecánico / El presente trabajo tiene por objetivo general desarrollar la ley de escalamiento de costo-capacidad de las plantas CSP (Concentrated Solar Power) de colectores solares cilindro parabólicos, considerando un sistema de almacenamiento térmico de tipo termoclino. Esta ley de escalamiento entrega información respecto a cómo se relaciona el costo físico de una planta CSP, con su capacidad. El trabajo se realiza en el marco de plantas de generación CSP de alta entalpía, cuyos recursos provienen de la radiación solar, usando colectores solares cilindro parabólicos para la recolección de la energía. La metodología consiste en realizar en primera instancia una revisión bibliográfica de plantas CSP de colectores parabólicos y del sistema de almacenamiento térmico de doble estanque, para así determinar una ley de escalamiento preliminar. Luego, se realiza un dimensionamiento del sistema de almacenamiento térmico de estanque termoclino. Posteriormente este dimensionamiento es validado mediante una simulación computacional llevada a cabo en el módulo FLUENT de Ansys, la cual entrega el valor del rendimiento energético del estanque termoclino para cada caso estudiado. Con el dimensionamiento definido y la ley de escalamiento del sistema de almacenamiento térmico de estanque termoclino determinada, se encuentran los costos del sistema de almacenamiento térmico de estanque termoclino para cada planta CSP estudiada en la revisión bibliográfica. Finalmente se obtiene la ley de escalamiento definitiva, la cual determina la relación entre el costo físico y capacidad de plantas CSP de colectores parabólicos con sistema de almacenamiento térmico de estanque termoclino. Como principales resultados se obtiene que: i) El exponente de escalamiento preliminar es de 0,7976 ii) El rendimiento energético del estanque termoclino varía entre 0,916 y 0,975, dependiendo del caso estudiado y de la razón de aspecto del estanque. iii) El exponente de escalamiento definitivo es de 0,7892 Finalmente, se concluye que la tecnología del sistema de almacenamiento térmico de estanque termoclino ofrece una leve mejoría en las economías de escala de las plantas CSP estudiadas, no obstante se justifica el uso de esta tecnología respecto a la opción de doble estanque.

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La energía solar es un recurso dependiente del tiempo. Los requerimientos de energía también son dependientes del tiempo, pero muchas veces no coinciden con la disponibilidad del recurso solar. De aquí nace la necesidad de usar sistemas de almacenamiento de energía. Una aplicación de particular interés en los sistemas solares es la calefacción de viviendas. En estos sistemas la demanda está desfasada con la abundancia del recurso solar por lo que requieren de un sistema de a almacenamiento. El objetivo general de este trabajo es aportar a la investigación y desarrollo de los sistemas de almacenamiento de energía solar térmica aplicados a calefacción de recintos, dando particular énfasis a los sistemas de lecho de material encapsulado. El trabajo se enmarca en el proyecto GeVi (Generador Virtual), el cual pretende suplir, por medio de energías renovables no convencionales, gran parte de las necesidades energéticas del poblado de Huatacondo, ubicado en la Región de Tarapacá, Chile. Entre estas necesidades se considera brindar calefacción a una vivienda por medio de energía solar. Se hace un estudio detallado del estado del arte de la acumulación solar térmica para calefacción de recintos, para luego realizar un diseño y construcción de un acumulador para una vivienda del poblado de Huatacondo. Este acumulador almacena la energía en un lecho de agua encapsulada. Se estudia por medio de un modelo la transferencia de calor en el acumulador fabricado y finalmente se le realizan ensayos en un modulo experimental que valida el modelo teórico aplicado. Los ensayos realizados concluyen que el modelo aplicado predice de manera satisfactoria el comportamiento térmico del acumulador diseñado, sin embargo existen ciertas diferencias que se deben a supuestos inexactos tomados en el modelo y a dificultades en la toma de medidas. El acumulador estudiado presenta un alto grado de estratificación, bajas pérdidas térmicas, alta capacidad de almacenamiento por unidad de volumen, se puede implementar con un colector solar de aire, tiene un costo económico relativamente bajo y es de fácil construcción e implementación. Estas características lo hacen favorable frente a otras alternativas de acumulación térmica para calefacción, tales como acumulación en tanque de agua, en materiales con cambio de fase y lecho de rocas. A futuro se sugiere que se realice un estudio del comportamiento del sistema completo de calefacción, considerando el acumulador, el colector solar y el recinto a calefaccionar como elementos interdependientes.

Ingeniero Civil Mecánico / En el norte grande de Chile existe el potencial de energía solar más grande del mundo y también en esta área la demanda de energía eléctrica viene en su mayoría la minería del cobre que representa un 80% del consumo. La matriz energética de este sector viene dominada por termoeléctricas en base a combustibles fósiles, principalmente carbón por lo que tiene altas emisiones de CO2. Existen 2 tipos de tecnologías para generar energía eléctrica a partir de la energía solar, los paneles fotovoltaicos y la tecnología termosolar. Esta última se divide en tres tipos; cilindro parabólico, Fresnel y torre central, las cuales generan electricidad mediante una turbina a vapor (ciclo Rankine). Este vapor se genera por medio de colectores y receptores que concentran la radiación solar para alcanzar grandes temperaturas de entre 250ºC y 600ºC dependiendo de la tecnología. La ventaja de estas tecnologías es que poseen altos factores de planta. Después de un análisis de optó por la tecnología de torre central con almacenamiento de sales fundidas. El gran inconveniente en la utilización de estas tecnologías termosolares es el tema de refrigeración debido a que los lugares donde generalmente se instalan son áridos y carecen de agua para refrigeración. La refrigeración por aire merma la generación en un 7,14% como se calculó y hace el proyecto mucho menos rentable. Dentro de los procesos mineros para la obtención de cobre está la lixiviación y la biolixiviación, procesos que se desarrollan a temperatura ambiente pero que reaccionan favorablemente a aumentos de temperatura como se analizó en dos estudios. Los flujos de soluciones ácidas varían desde los 0,1-10 m3/hora por metro cuadrado de pila de lixiviación lo que genera caudales de varios miles metros cúbicos por hora. Es por esto que se propone la cogeneración, usando las soluciones ácidas de las pilas de lixiviación para para el bloque de condensación de la central termosolar. Esto es muy viable debido a los grandes caudales que presentan las pilas de lixiviación. Además se obtiene una mayor obtención de cobre como demuestran los estudios y un mayor rendimiento de los procesos de lixiviación y biolixiviación lo que significa mayores ingresos económicos para la empresa minera. La evaluación económica demostró que la cogeneración daba tasas de retorno de un 31,7% contra un 12,8% de la misma planta con refrigeración por aire. Las centrales con cogeneración demostraron ser rentables para precios de energía eléctrica de 100 USD/MWh mientras que la central con refrigeración por aire ya no es rentable bajo un precio de 125 USD/MWh. También se comprobó que la rentabilidad de los proyectos es mayor con un almacenamiento térmico de 13 horas versus uno de 10 horas.

Magíster en Gestión y Dirección de Empresas / El objetivo de éste proyecto de Tesis fue desarrollar un plan de negocios, destinado a la creación de una empresa que ofrezca sistemas de energía solar llave en mano , para generar agua caliente sanitaria (ACS) para residencias. El sistema ACS obtiene la energía, para calentamiento de agua, desde la radiación emitida por el sol. La energía captada es utilizada para calentar el agua de un estanque acumulador, el cual está conectado a la red de agua caliente de la residencia. Cabe resaltar que, utilizar este tipo de sistemas, otorgará al usuario importantes ahorros monetarios respecto a los sistemas convencionales, siendo además autónomo, inagotable y amigable con el medio ambiente, pues ayuda a disminuir la huella de carbono y, por ende, los gases de efecto invernadero producidos. La oportunidad del negocio se ve motivada por las dificultades en materia de suministro energético surgidas en el país, las cuales han provocado un aumento en los costos de cualquier actividad que demande el uso de energías convencionales. El proyecto se desarrolló sobre la base de una metodología para un plan de negocios convencional, incluyendo análisis de mercado en base a información secundaria que, acompañado de un análisis externo e interno, proveyeron información sobre las dificultades y ventajas con las que puede contar el negocio. Bajo este marco, se elaboró también un Plan de Marketing, orientado a la venta del producto y llegada a Clientes potenciales; un Plan de Operaciones, destinado a abarcar las funciones y tareas requeridas para las instalaciones del producto; un Plan de Recursos Humanos para sentar las bases de requerimientos de personal; un Plan de Control para dar seguimiento a las metas esperadas; y la realización de un Plan Financiero, junto a una evaluación económico-financiera, que contendrá un análisis de sensibilidad, para obtener costos, grados de riesgo, rentabilidad e inversiones necesarias para la decisión del inicio de actividades y operación de la empresa. Respecto a la evaluación económica, se contempló escenarios sin financiamiento y con obtención de crédito, en un horizonte a evaluar de 5 años y con tasa de descuento de 20%. El análisis arrojó un VAN=$24.676.416 y una TIR=41.00%, para el caso sin financiamiento, y un VAN=$27.802.297 y una TIR=49,77%, para el caso con financiamiento bancario, considerando una inversión inicial de $20.766.400. Por otro lado, se realizó análisis de sensibilidad respecto a variaciones de la tasa descuento, demanda proyectada, precio fijado por la empresa y cambios en costos de los equipos. Finalmente, se calculó el punto de equilibrio del emprendimiento. El resultado del plan muestra una oportunidad real de inversión para el desarrollo de una empresa instaladora de sistemas solares térmicos, considerando que debido a los costos de inversión para los clientes, y al mercado potencial existente en Chile, se favorece ofrecer el producto/servicio a familias ABC1-C2 residentes en algunas comunas de la RM.

Ingeniero Civil Mecánico / Los sistemas de climatización con energía geotérmica, aprovechan la estabilidad de temperatura que tiene el subsuelo para extraer calor de la vivienda y transferirlo al suelo, o de forma inversa, extraer calor del suelo y transferirlo a la vivienda (depende si se trata de invierno o verano). Para realizar esto se usan tubos enterrados en que se hace circular un fluido interiormente para transportar el calor. En la literatura se proponen métodos incompletos para calcular la capacidad de transferencia entre los tubos enterrados y el suelo, ya que no se considera la modificación de temperatura del suelo alrededor de los tubos enterrados. En este trabajo, usando simulaciones numéricas, se resuelve el campo de temperaturas alrededor de los tubos en función del tiempo y se determina la resistencia térmica del suelo. Usando los resultados de estas simulaciones, se propone una fórmula (en función de las variables relevantes) para estimar de forma sencilla el promedio de capacidad de transferencia que tendrá un tubo. Se realizan simulaciones con 2 y 3 tubos paralelos, para evaluar la disminución de la capacidad de transferir calor debido a la interferencia térmica que se produce entre tubos cercanos. Estos resultados muestran que el espaciado, es un factor importante a la hora de diseñar un circuito de tubos enterrados, ya que con arreglos muy compactos se disminuye en más un 50% la capacidad de captar calor. Con los resultados de las simulaciones se evalúan cuatro casos, para determinar cuán importante es agregar la resistencia térmica del suelo, a las conocidas y bien estudiadas resistencias térmicas de la pared del tubo y del fluido interno. De forma general, el suelo restringe el flujo de calor (más que la pared y el fluido interno) y se vuelve el elemento clave para determinar la capacidad de transferencia. Cuantificar este fenómeno, permite diseñar sistemas de colección, tomando en cuenta la resistencia térmica del suelo y determinar correctamente la capacidad de transferir calor. Así, se puede generar una solución acorde a la demanda térmica requerida.

Memoria para optar al título de Ingeniera Civil Mecánica / A la hora de evaluar el desempeño de sistemas térmicos, mantener registros temporales de temperatura y caudal permiten obtener información sobre el rendimiento y estado de operación del sistema. Estudios de confiabilidad en equipos y componentes son un proceso fundamental para reducir costos de mantención y aumentar la vida útil de estos. La identificación de comportamientos anómalos se puede utilizar para detectar variaciones inesperadas en patrones de consumo o en la degradación de componentes en el sistema. En los últimos años, diversas técnicas de aprendizaje profundo se han aplicado de manera exitosa en la identificación y cuantificación de daño en distintos sistemas mecánicos. Por lo anterior, es de interés evaluar su uso para el análisis de desempeño en sistemas térmicos, en particular, técnicas especializadas para el análisis de series temporales. Los sistemas solares térmicos son una fuente de energía viable y sustentable para aplicaciones de agua caliente a nivel domiciliario e industrial. Su operación requiere una correcta integración y mantención para efectivamente reducir el consumo de combustibles fósiles. Sin embargo, un sistema de monitoreo aumenta los costos del sistema, por lo que se deben tomar decisiones estratégicas para seleccionar componentes críticos a los cuales observar. Temperaturas y caudales en colectores solares, bombas y acumuladores de calor son las principales variables para analizar bajo diferentes condiciones meteorológicas. El presente Trabajo de Título consiste en la evaluación de distintas técnicas de Aprendizaje Profundo para el desarrollo de un modelo de diagnóstico de detección de anomalías en sistemas térmicos. El caso de estudio utilizado es el sistema de agua caliente solar del edificio Beauchef 851, el cual es analizado y simulado con el software TRNSYS. A través de esta representación, es posible generar grandes cantidades de datos tales como temperatura, flujo y las condiciones ambientales para representar condiciones nominales y anómalas inducidas en el sistema. Se plantea utilizar técnicas de aprendizaje profundo para el análisis de información secuencial correspondiente a los datos generados a través de la simulación en TRNSYS. Se evalúan diferentes técnicas para el análisis temporal como, por ejemplo, Redes Neuronales Recurrentes Profundas para predicción de temperaturas bajo variadas configuraciones y horizontes de evaluación. Esto, con el fin de desarrollar un método para la detección de anomalías en patrones de consumo, eficiencia de los colectores solares y operación de las bombas. El aumento de la temperatura registrada a la salida del campo solar causada por una alteración en la demanda de agua caliente es identificada como anomalía con una exactitud de un 86% en las muestras estudiadas. A su vez, la detección de la reducción de la misma temperatura debido a anomalías inducidas en la eficiencia del colector obtiene una exactitud de un 70%. A pesar de la sensibilidad del modelo de detección, estos resultados son prometedores ante la posibilidad de integrar mediciones y validaciones experimentales de este.

Tese de mestrado. Mestrado Integrado em Engenharia Civil - Especialização em Construções. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012