Tesis (Maestro en Ciencias, Especialidad en Ingeniería Energética) -- Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey. / Título tomado de la pantalla de presentación [como fue visto el 31 de agosto de 2006] También disponible en formato impreso.

Seminario Diseñador industrial / El viento ha estado presente en la tierra desde sus orígenes, debido a que tiene una directa relación con la energía solar. Este es un recurso energético con mucho potencial y ha sido utilizado por el hombre desde hace millones de años. Teniendo en cuenta la situación actual del medio ambiente y su inminente agravamiento, se nos hace urgente buscar soluciones. Hay muchos fenómenos que contribuyen a esta causa, siendo la emisión de gases tóxicos a la atmósfera por parte de la acción humana la mayor agravante. Se sabe que la tierra esta pasando por un gran problema debido al calentamiento global, por esto es necesario buscar y poner en práctica estrategias que ayuden a paliar este problema que nos concierne a todos. La energía proveniente del viento o eólica se presenta como una de las alternativas viables para revertir este problema. Vivir y trabajar a la par con el medio ambiente es una tarea que todos debemos hacer en conjunto.

Memoria para optar al Título Profesional de Ingeniero en Recursos Naturales Renovables / El presente trabajo tiene por objetivo configurar y desarrollar un sistema de medición del potencial eólico en tiempo real en el Campus Sur de la Universidad de Chile. El sistema de medición desarrollado utiliza los datos obtenidos a partir del anemómetro NRG 40C, registrando un promedio de la velocidad del viento (m s-1) cada 10 minutos utilizando una placa Arduino UNO®. Esta información es transmitida de forma inalámbrica mediante módulos Xbee y recibidos con PLX-DAQ para Microsoft Excel hacia un servidor. Los datos fueron organizados y analizados mediante macros programadas con Visual Basic Applications generando nuevos registros de velocidad de viento de forma operacional. Posteriormente se calculó la densidad de potencial eólico obteniendo en los parámetros de la función de distribución de Weibull. El proceso fue automatizado para adquisición de datos actualizando automáticamente los valores de velocidad del viento. Para analizar la factibilidad de generación eléctrica se seleccionaron dos modelos de aerogeneradores calculando para estos el potencial eólico y el factor de planta. Los resultados obtenidos para el factor de forma y escala son 0,44 y 0,75 m s-1 respectivamente, una velocidad promedio de 1,92 m s-1 y una densidad de potencial eólico de 872 Wm-2. La estimación de energía generada de los aerogeneradores seleccionados fue 310 kWh y 273 kWh y el factor de planta alcanzo valores de 6,4% y 5,2% respectivamente. Con los resultados obtenidos mediante el sistema de medición de potencial eólico existen importantes posibilidades de analizar la factibilidad de desarrollar e instalar una micro-red eléctrica en base a energía eólica en el Campus Sur.

Memoria para optar al Título Profesional de: Ingeniero en Recursos Naturales Renovables / El estudio del potencial eólico permitió recopilar información para la identificación de las zonas con características adecuadas para el desarrollo de proyectos de generación eólica. Para esto fue necesario caracterizar los regímenes de viento de una zona específica. Una herramienta que ha tenido buenos resultados para esta caracterización es la modelación de campos de viento, en los cuales la información meteorológica existente es interpolada y ajustada a los efectos específicos asociados al terreno del lugar de estudio. Este estudio integró información de estaciones meteorológicas de superficie, ubicadas en la Región del Maule, con la base de datos global del proyecto NCEP/NCAR Reanalysis para la estimación de campos de viento mediante la implementación del modelo de diagnóstico meteorológico CALMET. Los campos de viento obtenidos de la modelación permitieron caracterizar información de la velocidad del viento de la región y estimar la densidad de potencia eólica. El análisis de los resultados muestra que las zonas con la más alta disponibilidad de potencial eólico se encuentran en la cordillera de los Andes, específicamente en las altas cumbres, destacando el volcán Nevados de Longaví con una densidad de potencia eólica de 1186 (W/m2), 1596 (W/m2) y 1843 (W/m2), a las alturas de 50, 100 y 140 metros respectivamente. Además algunos sectores costeros y de la cordillera de la Costa presentan condiciones óptimas para la generación eólica. En contraste, las zonas con la más baja disponibilidad eólica se presentan en los fondos de valles de montaña y la depresión intermedia. Con respecto / The study of wind potential allowed compiling information for the identification of areas with suitable characteristics for the development of wind projects. This required the characterization of the wind regimes in a specific area. A tool that has had good results for this characterization is the modeling of wind fields, where existing weather data is interpolated and adjusted to the specific effects associated with the terrain of the study site. This study has integrated data from surface weather stations, located in the Maule Region, with the global database project NCEP/NCAR Reanalysis for the estimation of wind fields by the implementation of the CALMET diagnostic meteorological model. The wind fields obtained from the data modeling allowed to characterize the wind speed in the region and estimate the wind power density. The results analysis shows that areas with the highest availability of wind potential is found in the Andes Mountains, specifically in the high peaks, standing out the Nevados de Longaví volcano, with a wind power density of 1186 (W/m2), 1596 (W/m2) and 1843 (W/m2), at heights of 50, 100 and 140 meters, respectively. Moreover, some coastal areas and the Coast Ranges presents optimal conditions for wind generation. In contrast, areas with the lowest availability of wind resources are located in the mountain valleys and the intermediate depression. In regard to the modeling evaluation, it was concluded that the results are adequate and broadly represent the characteristics of the wind resource in the Maule Region. However, the lack of meteorological stations with which the results can be compared makes difficult to verify completely the modeling validity. Despite this, the present study allows for a first approximation of wind conditions in the region.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico / Ingeniera Civil, Mención Hidráulica Sanitaria Ambiental / El flujo de gases existente entre el agua y el aire puede llegar a tener una gran importancia en la regulación de ciertos componentes claves en la calidad del agua, o cobrar importancia en ciclos de compuestos biogeoquímicos. La tesis se enfoca en la cuantificación de la transferencia de oxígeno entre el aire y el agua cuando la superficie de ésta se encuentra bajo la presencia de oleaje, limitando así el estudio a gases de baja solubilidad en primera instancia. Esto concentra la investigación en la capa líquida del agua, dado que es donde está el control de la transferencia. Para esto se realiza un estudio experimental perturbando la zona líquida de dos formas: viento sobre la superficie y olas progresivas generadas mecánicamente en un estanque de agua. El objetivo es determinar la variable característica que permita describir el estado de perturbación de la superficie libre y cuantificar la tasa de transferencia de oxígeno asociada. Las experiencias contemplan la medición de los niveles de oxígeno en un estanque de agua, ubicado en un túnel de viento, combinando los forzantes del agua. Se imponen vientos medios entre 0 y 15 m/s mientras que las ondas mecánicamente generadas varían tanto su altura (entre 1 y 4 cm) como su frecuencia (entre 1 y 3 Hz). Para cada una de las experiencias se mide una serie de tiempo de la elevación del agua, la pendiente instantánea y el perfil de viento en 4 puntos del estanque. Para completar el perfil del viento se mide la velocidad superficial del agua grabando trazadores sobre la superficie con una cámara de alta velocidad. La tasa de transferencia de oxígeno al agua se determina considerando mezcla completa en el estanque. La cantidad de oxígeno disuelto en el cuerpo de agua se reduce al comienzo de las experiencias agregando sulfito de sodio. La recopilación de datos muestra que efectivamente se ha simulado un fetch mayor al real con la inclusión de ondas mecánicamente generadas. Uno de los resultados del efecto combinado de los forzantes de la superficie libre en su perturbación es el logro de una mayor uniformidad en los distintos parámetros medidos. Además, en función de la frecuencia y altura de las ondas mecánicas, el fetch puede correlacionarse con una frecuencia adimensional, usualmente utilizada en mediciones mar adentro. La tasa de transferencia de oxígeno a través de la interfaz aire-agua se estudia tanto para el caso de ondas mecánicamente generadas como para cuando se tiene el efecto combinado de éstas con el viento. En ambos casos se adimensionaliza dicha tasa con un valor proporcional a la celeridad de las ondas. Para el primer caso, se encuentran relaciones similares a las obtenidas en otros estudios, siendo la pendiente media de la superficie libre el factor determinante de la tasa de transferencia de oxígeno. Finalmente, para el segundo caso, se construye otros parámetros adimensionales que describan la tasa de transferencia apropiadamente. Estos son el número de Reynolds con la velocidad superficial como escala de velocidad y la elevación media cuadrática como escala de longitud; y una razón de aspecto de la elevación y la longitud de onda la que puede interpretarse como la pendiente media de la onda.

Tesis para optar al grado de Magíster en Meteorología y Climatología / En la precordillera de Chile central y particularmente en el cajón Maipo se observan flujos forzados por el terreno, los cuales reciben el nombre de viento Raco. Corresponde a un flujo que desciende, se calienta y sale por el cajón cordillerano. Se produce principalmente durante las noches de invierno. El objetivo del estudio es explorar los factores topográficos que inciden en el Raco. Para esto, se realizan simulaciones numéricas con el modelo WRF para un caso de estudio entre el 16 y 26 de junio del 2002. Posterior a esto, se realiza una serie de simulaciones que modifican la topografía. Para el experimento de control, se verifica que el modelo reproduce características similares a las observadas en superficie, y en altura se observa un chorro del este que se maximiza en 1400 metros de altitud aproximadamente. En los experimentos de topografía modificada se observa que la intensidad del chorro depende principalmente de la interacción del viento con la zona noreste del valle. En algunos casos el chorro de altura penetra hasta la superficie, pero sólo hasta la salida del valle (La Obra). Aquí el flujo experimenta un despegue, el cual puede deberse a efectos dinámicos como un salto hidráulico, o a una convergencia entre el aire cálido que desciende y el aire frío de la cuenca de Santiago. Para los vientos en superficie se observa que la topografía local es de gran relevancia en el desarrollo del Raco, el cual se intensifica o debilita dependiendo de cambios en cerro Purgatorio.

Magíster en Meteorología y Climatología / Realizar mediciones viento en altura con técnicas tradicionales como globos cautivos y radiosondas es una tarea demandante en tiempo y recursos. Una de las soluciones a esto es la utilización de técnicas remotas como SODAR o LIDAR. El Centro de Ciencias del Clima y la Resilencia (CR)2 adquirió el año 2014 un SODAR y en el presente trabajo se presenta una habilitación del equipo mediante una campaña donde se comparan las mediciones contra Globo Cautivo, estación meteorológica en superficie y mediciones obtenidas de aviones (AMDAR). Se utilizó como referencia a la comparación realizada contra el Globo Cautivo bibliografía que reúne 20 años de mediciones SODAR \citep{Crescenti1995} utilizando estadísticos de sesgo, diferencia cuadrática media, precisión, y coeficiente de correlación. Se obtuvo resultados acorde a lo publicado en todos los estadísticos menos en el sesgo. Los resultados del trabajo indican que el SODAR, según categorías del fabricante, mide con un alcance categorizado como bueno en el lugar seleccionado y las mediciones comparan bien con respecto al globo cautivo y no tan bien para las mediciones AMDAR, siendo esto último explicado por la distancia entre las mediciones y el terreno complejo de la zona.

Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Fluidodinámica / En esta tesis se estudian los mecanismos físicos involucrados en el forzamiento atmosférico del océano superficial a escala estacional y sinóptica frente a Chile central. Para esto, se utilizaron observaciones disponibles (in-situ y derivadas de satélite) y simulaciones numéricas. Este trabajo está particularmente enfocado en el forzamiento del viento. El ciclo estacional de la circulación superficial frente a Chile central fue analizada utilizando altimetría satelital y un modelo oceánico. Para evaluar el rol que cumple el rotor del esfuerzo del viento sobre la circulación se realizaron dos simulaciones idénticas excepto por el forzamiento del viento: la simulación control utilizó una climatología mensual del esfuerzo del viento y la simulación sin rotor utilizó un campo de esfuerzo similar pero con rotor nulo. Las corrientes superficiales observadas y simuladas (simulación control) mostraron un ciclo estacional importante y un flujo bien definido hacia el ecuador con una estructura de chorro. Esta corriente en chorro se desarrolla durante la primavera y el verano consistente con la presencia de un chorro atmosférico de baja altura. Al sur de Punta Lavapie (37°S) la corriente superficial hacia el ecuador permanece junto a la costa, pero luego que el flujo pasa esta punta se separa de la costa convirtiéndose en un chorro oceánico. A diferencia de esto, en la simulación sin rotor la separación en Punta Lavapie no ocurre y el chorro oceánico no se observa, lo que evidencia la importancia del rotor del esfuerzo del viento en la dinámica de este flujo superficial. A pesar de que el transporte de Sverdrup integrado es similar al transporte simulado, la corriente en chorro oceánica no se localiza donde el rotor del esfuerzo del viento es máximo. Por el contrario, la posición del chorro sigue aproximadamente el contorno cero del rotor del esfuerzo del viento, el cual corresponde a la posición climatológica del eje del chorro atmosférico. Estos resultados ilustran la importancia de la surgencia/hundimiento que ocurre fuera de la costa asociadas al bombeo de Ekman, el cual inclina las isopicnas hacia arriba (abajo) al este (oeste) del chorro atmosférico, forzando un flujo oceánico hacia el norte a través de un balance de viento térmico. Por otra parte, el efecto de la variabilidad sinóptica del viento y los flujos de calor sobre el océano superficial frente a Chile centro-sur fueron investigados utilizando un modelo oceánico. Este análisis se concentra durante el verano austral, cuando el viento regional experimenta una variabilidad sinóptica importante sobre una media favorable a la surgencia. Para evaluar la naturaleza y la magnitud de estos efectos, se realizaron tres simulaciones idénticas excepto por el forzamiento superficial: la climatologica, con esfuerzo del viento y flujos de calor climatológicos; la parcialmente sinóptica, con esfuerzo del viento diario y flujos de calor climatológicos: y la completamente sinóptica, con esfuerzos del viento y flujos de calor diarios. Las corrientes medias y la EKE geostrófica superficial no muestran importantes diferencias entre simulaciones, y ambas se ajustan a lo documentado para el Pacífico Sureste. Sin embargo, se observa mayor EKE ageostrófica en las simulaciones que consideran variabilidad sinóptica del esfuerzo del viento, impactando en la cantidad de EKE superficial total y la difusividad, particularmente al sur de Punta Lavapie, donde hay ausencia de corrientes importantes lo que implica bajos niveles de EKE geostrófica. El promedio de verano de la SST es similar en las simulaciones y se ajusta a las observaciones, pero la variabilidad de la SST a lo largo de la costa es mayor en las corridas que incluyen variabilidad sinóptica del esfuerzo del viento, lo que sugiere una respuesta más bien lineal del océano a los ciclos de intensificación y relajación del viento sur. Se encontró que la variabilidad de la SST costera no cambia significativamente cuando se incluyen flujos de calor diarios, indicando un rol prominente de los ciclos de surgencia. Sin embargo, en la región más alejada de la costa es necesario incluir la variabilidad sinóptica de los flujos de calor para obtener una variabilidad de la SST realista.

El presente trabajo de título es un estudio experimental acerca del efecto que las ondas superficiales generadas por viento tienen sobre la tasa de transferencia de oxígeno en la interfaz de un cuerpo de agua. De forma específica, la investigación busca caracterizar el comportamiento del oleaje generado dentro de cierto rango de velocidades del viento. La relación entre estas características y la tasa de transferencia de oxígeno observada constituye el principal objeto de estudio de esta investigación. Los experimentos se realizaron en un túnel de viento que contiene un estanque de agua. El diseño de la instalación permite la medición de perfiles verticales de velocidad sobre la superficie libre con el fin de caracterizar la evolución de la capa límite del flujo de viento a lo largo del estanque. Se registró la elevación y pendiente del oleaje utilizando un sensor de capacitancia, así como también procesando digitalmente secuencias de imágenes tomadas por una cámara de alta velocidad. El análisis de estas imágenes fue también cualitativo, permitiendo la observación de distintos estados del oleaje. La velocidad superficial del agua fue obtenida utilizando partículas trazadoras, cuya trayectoria fue registrada a través de una cámara de alta velocidad. Se utilizaron mediciones de la tasa de transferencia de oxígeno obtenidas en un trabajo anterior en la misma instalación experimental. Se realizaron experiencias en un rango de velocidades medias del viento entre 3.5 m/s y 11.3 m/s, las que generaron velocidades friccionales en el rango entre 0.1 m/s a 1.0 m/s. Varios estados del oleaje pudieron ser observados a lo largo del estanque para estas forzantes. Para una velocidad friccional de hasta aproximadamente 0.2 m/s, se obtuvo una superficie rizada con ondulaciones de pequeña escala. El oleaje se desarrolla rápidamente por sobre este valor, observándose un sostenido aumento en su amplitud y pendiente. Se registró un aumento singular en el valor de la pendiente del oleaje al alcanzar una forzante de aproximadamente 0.4 m/s. Éste coincide con la aparición de ondas con frentes de alta pendiente, poblados de ondas capilares parasitarias. La tasa de transferencia de oxígeno mostró un salto del 50% en su valor al alcanzarse este estado. Se observó igualmente un fuerte aumento en la velocidad friccional a partir de este momento. La tasa de transferencia mostró una dispersión considerable al ser parametrizada con la velocidad friccional del viento, aún cuando el ajuste concuerda con trabajos experimentales similares. Al ser comparados resultados de fuentes diversas, la dispersión crece sustancialmente. La pendiente cuadrática media del oleaje mostró un buen ajuste lineal con la tasa de transferencia de oxígeno para todo el rango de velocidades observado. El ajuste conseguido es concordante con una gran cantidad de investigaciones experimentales publicadas.

Magíster en Meteorología y Climatología / Se presenta una caracterización y diagnóstico de los chorros nocturnos de bajo nivel en el desierto de Atacama mediante una simulación efectuada con el modelo WRF para reproducir las condiciones entre los días 10 y 20 de agosto de 2012. Se reproducen perfiles subestimados de la componente valle abajo del viento y alturas sobrestimadas de la "nariz". Los perfiles de temperaturas asociados son menos estables que los registrados, característica asociada a una simulación excesiva de mezcla turbulenta. Horizontalmente forman "lenguas" sobre valles con pendientes leves. Además, tienen asociados máximos relativos de temperatura superficial debido a la generación de mezcla turbulenta y calentamiento adiabático. No se producen chorros bajo condiciones sinópticas perturbadas. Durante su etapa cuasi-estacionaria no intercambian masa con el entorno, teniendo tres zonas de manifestación. En su nacimiento el aire fluye ladera abajo con temperaturas bajas. En la zona de máxima intensidad la componente valle abajo y turbulencia son máximas, mientras el perfil de temperaturas es isotérmico bajo la "nariz". En su término se pierde intensidad y hay disipación, se puede formar además un salto hidráulico. La variabilidad espacial simulada se puede explicar por los cambios en el gradiente de presión a lo largo del valle y la turbulencia.