Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica. Ingeniero Civil Eléctrico / El objetivo principal de esta tesis es diseñar estrategias de control difuso robusto para una planta de colectores solares buscando con esto mejorar el desempeño del proceso y además garantizar de manera teórica la robustez del esquema en términos de su estabilidad. Los principales desafíos que se deben afrontar al trabajar con este tipo de procesos son su no linealidad y las diferentes perturbaciones que lo afectan. Para abordar estos temas se identifica un modelo difuso Takagi & Sugeno de la planta en cuyas consecuencias se tienen funciones de transferencia de intervalos, las cuales poseen parámetros inciertos cuyos valores pertenecen a un rango conocido. Para el diseño de los controladores se utiliza la teoría de control robusto paramétrico la cual está basada en el Teorema de Kharitonov y su extensión. La metodología propuesta en este trabajo utiliza este marco matemático para imponer rangos de validez para los parámetros de los controladores a diseñar de manera de garantizar la estabilidad robusta de los esquemas. A su vez, el desempeño de dichos controladores es abordado mediante el uso de optimización por enjambre de partículas (PSO) utilizando criterios como sobrepaso, márgenes de ganancia y fase, entre otros, para encontrar los mejores controladores dentro del rango de estabilidad robusta para cada regla del modelo difuso. En particular se desarrollan para la planta de colectores un controlador PI difuso robusto, que se sintoniza en base al Teorema Generalizado de Kharitonov, y un controlador difuso robusto por realimentación de estados el cual se diseña utilizando el Teorema de Kharitonov. Para ambos esquemas se obtienen mejores resultados en términos de desempeño y rechazo de perturbaciones al compararlos con un controlador PI convencional. En el caso del PI difuso robusto se obtienen buenos resultados en cuanto a sobrepaso y seguimiento de referencias, mientras que en el controlador por realimentación de estado difuso robusto, pese a tener un mayor sobrepaso al inicio de su operación y un pequeño error de estado estacionario, presenta un mejor rechazo de perturbaciones. Se presenta también un estudio de estabilidad para modelos de Takagi & Sugeno con incertidumbre paramétrica basado en la resolución de una inecuación matricial derivada de un análisis de Lyapunov. Con esto se demuestra que ambos controladores difusos diseñados son globalmente estables. Para comparar los esquemas propuestos con un control robusto clásico se diseña un controlador difuso robusto basado en la teoría H infinito. Utilizando este enfoque se consigue un mejor rechazo de perturbaciones pero mayores sobrepasos con lo cual se aprecia que los controladores diseñados en este trabajo mejoran este último aspecto. El aporte principal de esta tesis es la propuesta de nuevos controladores difusos robustos que pueden ser utilizados para sistemas no lineales sometidos a perturbaciones dando garantías de desempeño y estabilidad global. Se destaca también la validación de estas estrategias en un simulador para la planta de colectores solares diseñado con este fin.

Magíster en Gestión y Dirección de Empresas / El presente estudio tiene como objetivo desarrollar una estrategia de negocio para una empresa de ingeniería y construcción minera, como Bechtel, para incluir dentro de sus alcances de servicios, solución de autogeneración por medio de parques fotovoltaicos para sus clientes en Chile, que deriva de un análisis como la mejor opción. Este servicio ofrece alternativas de solución y mejoras en el ámbito de suministro de energía, eficiencia y sustentabilidad, replanteando, para sus clientes, la ejecución de los proyectos mineros que se encuentran en carpeta en los próximos cinco años. La preparación de la estrategia sigue una metodología de cinco puntos, iniciando con el proceso declarativo de la empresa respecto a la visión, misión y compromisos, para que dicha estrategia esté alineada con estos principios. Continuando con el proceso analítico, haciendo el escrutinio del entorno e interno de la empresa, un análisis de la industria, condiciones actuales del mercado, e incluyendo la necesidad y problemáticas que afectan a los clientes, un análisis de las oportunidades, las cuales convergen a nuevas acciones, que potencian o generen competencias distintivas de la empresa. Siguiendo con el modelo de negocio y la manera de entregar valor a sus clientes. Luego la revisión del modelo de gestión, que finalmente conlleva al proceso de ejecución. Como resultado, el estudio da cuenta de la necesidad que existe de ofrecer un servicio que ayude a mejorar la factibilidad de los proyectos de los clientes, frente a un escenario complejo y duradero. El extender el alcance de los servicios contribuirá a potenciar y consolidar el negocio de Bechtel en Chile, manteniendo así la línea de la diferenciación. El plan de ejecución considera una estimación de horas para llevar a cabo la estrategia de negocio, y su posible resultado e impacto de esta en las adjudicación futuras de proyectos, considerando dos escenarios optimista y pesimista, los que se traducen en cantidad de horas mensuales de desarrollo de ingeniería, para lo cual se realiza la evaluación económica, que en un caso optimista da un VAN de MM$ 38.634 (PCL), para un flujo de una proyección de 4 años. Esta estrategia abre la posibilidad en el futuro para Bechtel, una forma de antesala para desarrollar proyectos en la industria de generación de energía, para expandir parte de otra unidad de negocios, con parques fotovoltaicos de mayor capacidad, sobre los 100 MW en Chile.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / En el año 2017, las energías renovables mostraron un crecimiento del 49% en la matriz energética mundial, siendo la tecnología solar fotovoltaica la tecnología con mayor crecimiento en el año. Con respecto a la tecnología solar térmica, el crecimiento se ha visto estancado desde el año 2013. De la capacidad instalada a nivel mundial, 99% corresponde a sistemas térmicos para uso domiciliario y calentamiento de piscinas, siendo prácticamente nula su participación en procesos industriales, a baja o mediana temperatura. Dentro de los esfuerzos por desarrollar colectores más eficientes, en 2008, Gerardo Diaz presentó un nuevo diseño de colector solar utilizando tubos de minicanales como absorbedor solar. Diversos estudios han demostrado que este colector presenta una eficiencia superior que los colectores utilizados comúnmente a baja temperatura. Van Doung en 2015 investigó la aplicación a mediana temperatura de estos colectores para su integración con procesos industriales, encontrando resultados poco alentadores para un diseño sin concentración solar. En este trabajo se presenta un nuevo diseño de colector solar de minicanales, integrando los tubos de minicanales con un sistema de concentración solar tipo lineal Fresnel para su aplicación a mediana temperatura. En el trabajo se describe el proceso de diseño del concentrador, receptor y el absorbedor de minicanales, y se desarrolla un modelo óptico y un modelo termodinámico para estudiar la operación del colector. Ambos modelos fueron validados utilizando referencias comerciales o resultados experimentales en la literatura. Dentro de los principales resultados, se observa que bajo las mismas condiciones de operación que los colectores Fresnel comerciales, el colector Fresnel con minicanales produce un 26% más de potencia térmica por unidad de área de captación, alcanzando 702,2 W/m^2. Debido a la mayor superficie de absorción del absorbedor y la geometría del receptor, la eficiencia óptica alcanza un valor de 0,934, siendo un 50% mayor que los colectores Fresnel comerciales. Sin embargo, ya que el absorbedor de minicanales no se encuentra al vacío, las pérdidas térmicas son 12 veces mayores que en un tubo evacuado convencional. Con respecto a la generación de vapor, un módulo del colector de 6 metros de largo, con una radiación de 900 W/m^2, alcanza un título de vapor de 0,12, produciendo 31,7 kg. de vapor por hora. Se concluye que integrar un absorbedor de tubos de minicanales a un colector lineal Fresnel mejora la eficiencia óptica del colector, alcanzando una potencia térmica superior que los modelos comerciales. Adicionalmente, gracias a la concentración solar se demuestra la factibilidad de utilizar tubos de minicanales para la generación de calor a mediana temperatura, incluyendo la generación directa de vapor.

Ingeniero Civil Mecánico / En Chile y el mundo alrededor de un 50% de la energía consumida en la industria se obtiene de derivados del petróleo. Los sistemas solares térmicos híbridos (SSTH) constituyen una posibilidad viable de ahorro de combusti-bles y disminución de las emisiones de gases de efecto invernadero (GI). El objetivo de este proyecto es desarrollar soluciones de SSTH que integren bombas de calor geotérmicas (BCG) y/o sistemas de almacenamiento tér-mico (SAT) para instalaciones de gran envergadura. Específicamente: i) Generar estudios a nivel de perfil para desarrollar soluciones de SSTH para potenicias de 2 a 60 MWt; ii) Desarrollar el diseño conceptual y básico de las soluciones; iii) Evaluar a nivel preliminar los SSTH pre ingeniados. Innovatec Ltda. ha proporcionado el diseño básico de una instalación SSTH para una planta de SX-EW en el Norte chileno. Éste es el diseño base para esta memoria y consiste en un campo solar que aporta calor, en serie con una caldera, al electrolito rico previo a la electroobtención. Las tecnologías consideradas para la evaluación son: colectores planos (FPC), cilíndro parabólicos (PTC), Lineal Fresnel (LFC), campo de helióstatos (HFC), SAT en agua y BCG con intercambiador geotérmico vertical y loop cerrado. Para el desarrollo del proyecto se emplea la siguiente metodología: i) Crea-ción de una base de datos de tecnologías; ii) Desarrollar las metodologías de calculo para el dimensionamiento, eficiencias y pérdidas de los equipos; iii) Desarrollo de una metodología de integración de los sistemas térmicos; iv) Balance térmico de los SSTH, y v) Evaluación técnica y económica de las soluciones. Un SSTH factible debe cumplir las condiciones: a) VAN posi-tivo; b) Ahorro en emisiones de CO2 positivo, y c) TIR > 12%. La evaluación técnica económica de los SSTH revela que: i) en general la mejor solución es integrar SSTH con SAT; ii) Hasta 5 MWt todas las tecnolo-gías solares son competitivas entre ellas a nivel de perfil; iii) Sobre 5 MWt las soluciones más rentables son con LFC o PTC y SAT; iv) la solución que máximiza el ahorro de emisiones de CO2 es SSTH con HFC y SAT, con 80% de ahorro, y vi) no se recomienda la aplicación de BCG, debido al alto con-sumo eléctrico.

Publicación a texto completo no autorizada por el autor / El documento digital no refiere asesor / En el presente proyecto de investigación se ha realizado la descripción de dos metodologías matemáticas para el diseño de colectores solares. El primer colector funciona durante el día calentando instantáneamente el aire mediante convección natural entre las 7am y las 5pm del día; el segundo tiene la función de almacenar calor en el transcurso de las 10 horas del día que es puesto. Siendo esta energía calorífica liberada al terminar la función del colector anterior con el fin de evitar el descenso brusco de la temperatura ambiente dentro de la vivienda dejada por el primero. Los datos de temperatura tomados han sido de los meses de febrero y julio del 2013 de la página www.accuweather.com para realizar una comparación de resultados y ver la conveniencia de su utilización en estos meses; pero con especial interés en los resultados del mes de julio que se producen con el descenso de las temperaturas hasta un grado que hace difícil la vida humana, animal y vegetal. Dentro de los dos diseños se han obtenido como resultado en el mes de febrero para el colector de placa plana una temperatura de salida de flujo promedio de 26℃ y de 21℃ para el mes de Julio, y para el almacenador de lecho de rocas se obtuvo una temperatura de salida de flujo promedio de 21℃ para febrero y de 15℃ para julio. Ambos resultados con un rendimiento promedio cercano al 80% y con un factor estadístico de determinación cercano a la unidad lo cual confirma la confiabilidad de los datos. Con la obtención de estos resultados se puede valorar la importancia de esta investigación puesto que se generan temperaturas adecuadas para la vida humana y así se pueda frenar en algo las numerosas muertes que se producen en las épocas de las heladas durante el mes de julio. / Tesis

Ingeniero Civil Eléctrico / El presente estudio tiene como objetivo principal proponer una metodología de evaluación para determinar el tamaño eficiente de un sistema de acumulación de energía para una planta termosolar y se presentan los resultados y conclusiones de un estudio de caso basado en un proyecto concreto pensado en el Sistema Interconectado Norte Grande SING. Para la formulación de la metodología, se realizó una revisión bibliográfica que abarcó el estado del arte de la tecnología termosolar, las condiciones climatológicas y regulatorias presentes en el SING y sus proyecciones de crecimiento, y una revisión de los métodos existentes para la determinación de tamaño óptimo de este tipo de proyectos. La metodología propuesta consta de cuatro pasos: Levantamiento de información, definición de casos de estudio y escenarios, simulación y análisis de resultados. El proyecto que se evaluó fue la central termosolar Pampa Camarones de 100 MW proyectada para entrar en operación el 2019. Se contemplaron dos escenarios para el parque generador, un caso base tomando en cuenta el plan de expansión declarado por la CNE y un caso optimista en penetración de centrales ERNC al 2019 y se simuló horariamente la operación del sistema durante dicho año en cada escenario donde la variable de optimización fue el tamaño del campo heliostático de la central. Los resultados muestran que independiente del tamaño del sistema de acumulación, el proyecto no es rentable dado sus altos costos de inversión, sin embargo se constató que dicha rentabilidad es altamente sensible al costo de inversión del campo heliostático el cual representa del orden del 30% de la inversión actualmente. Esto lleva a que el resultado con menos pérdidas en rentabilidad sea el con menor sistema de acumulación y consecuentemente con menor tamaño de campo heliostático. Se ve además que el tamaño del sistema de acumulación no afecta fuertemente los costos marginales del sistema a pesar de su fuerte influencia sobre el factor de planta de la central. Los resultados permiten concluir que es conveniente evaluar este tipo de proyectos a través de herramientas de simulación horaria en largos horizontes de plazo para poder visualizar de manera correcta el riesgo del precio spot al cual se somete el proyecto y que una manera eficiente de hacer esfuerzos por rentabilizar este tipo de proyectos es reducir los costos de inversión del campo heliostático.

Ingeniera Civil Mecánica / Una poza solar es un sistema térmico que permite colectar y almacenar energía solar. El hecho de ser un sistema que realiza ambos trabajos en un mismo equipo le entrega ventajas sobre los sistemas comunes. Por otra parte, las pozas solares utilizan un tipo de energía renovable que contribuye a la disminución del impacto ambiental debido a la generación de energía y permite aprovechar el recuso solar que tiene Chile. Estas pozas contienen una solución salina, acá se crea un gradiente de concentración generando 3 zonas importantes: la zona convectiva inferior (LCZ), es la zona más profunda de la poza y donde se almacena la energía solar colectada en forma de calor sensible; la zona no convectiva (NCZ), la cual posee un gradiente de concentración salina tal que se suprime la convección natural y sólo hay transferencia de calor por conducción, limitando la pérdida de calor desde la LCZ. Finalmente, está la zona convectiva superior, en la cual la concentración de sales y la temperatura son bajas. El objetivo de este trabajo es realizar un estudio de factibilidad del suministro de calor a procesos mineros mediante un sistema de escala mediana basado en pozas solares. Para esto, se debe diseñar una poza solar con sus dimensiones y su sistema de extracción para suplir la demanda energética del proceso al cual se le suministra calor, en este caso, el proceso de electro-obtención para la minería del cobre. Este sistema se ubica en la II región de Antofagasta en las cercanías de Calama debido a la alta radiación y gran concentración de mineras presentes en este sector. La herramienta básica de este trabajo es el programa creado en MATLAB que permite modelar el estado térmico de la poza en función del tiempo, obteniendo la capacidad de extracción de calor de ésta. Los resultados presentados se realizaron en base a distintas dimensiones de pozas y muestran el comportamiento térmico de ésta. Las tres zonas presentaron un comportamiento esperado, donde la UCZ sigue las variaciones de la temperatura ambiente de forma amortiguada, la NCZ presenta un gradiente de temperatura que adopta un perfil lineal luego de un tiempo, y finalmente, la LCZ presenta temperaturas bastante altas, las cuales siguen las variaciones estacionales del año. Se obtuvo que mediante la poza se puede suministrar el calor necesario para que el electrolito llegue a su temperatura deseada de 55°C un máximo del 61% del tiempo total de extracción de calor, el resto del tiempo, se debe respaldar el suministro mediante un sistema de calderas, obteniendo una eficiencia de la poza del 16% aproximadamente. Al realizar la evaluación económica del proyecto, se pudo ver que para pozas con una superficie mayor a 140×140 m2 el proyecto es rentable, aumentando esta última con el tamaño de la poza. Sin embargo, para pozas más pequeñas el proyecto pierde su rentabilidad. Finalmente, se obtuvo un costo de la poza de 40 USD/m2, el cual se asemeja a valores obtenidos de pozas solares construidas en Israel, EEUU e India.

En el presente trabajo de Tesis se desarrolla el dimensionamiento y evaluación simulada de un nuevo Concentrador Parabólico Compuesto (CPC) de un Colector Lineal Fresnel (LFC), que tiene la característica de operar con 2 tuberías de absorción en lugar de una como en el modelo estándar, particularidad que le da ventajas ópticas, térmicas y proyección a mejores prestaciones operativas, por su disposición como tubería continua preparada para recirculación. El estudio de sus posibilidades energéticas de servicio, se centra en la localidad altoandina de Pilpichaca ubicada en el departamento de Huancavelica en la serranía del Perú, poseedora de un alto potencial solar pero de climatología fría por la gran altitud de su localización geográfica. De manera introductoria se presentan los aspectos generales de la tecnología de los LFCs y de los CPCs señalando sus características y su desarrollo actual. En el capítulo 1, se abordan los conceptos teóricos necesarios para el diseño y el análisis posterior, se exponen las ecuaciones implicadas, para el tratamiento de temas como: Geometría y Óptica solar, Transferencia de Calor y Masa y Termodinámica Aplicada, para hallar los resultados que servirán para medir el performance operativo del nuevo CPC propuesto como solución técnica. En el capítulo 2, se expone la metodología que será aplicada para realizar el pre dimensionamiento, análisis, evaluación y validación del nuevo diseño de CPC, presentando la secuencia lógica del flujo de tareas necesarias. En el capítulo 3, se realiza la caracterización energética y climática de la zona Caso de Estudio, también se desarrolla la evaluación del recurso en términos de encontrar la radiación solar directa (DNI) del sitio para los meses estacionales del año, a partir de hallar los ángulos solares característicos y luego aplicar modelos matemáticos de distribución horaria de valoración. En este capítulo también se trata un aspecto importante que es el dimensionamiento básico del LFC en cuanto a la configuración de su Campo de Espejos y la altura eficiente de ubicación del CPC. En el capítulo 4, se realiza el dimensionamiento geométrico y óptico del CPC propuesto, fundamentado en las teorías de optimización de flujo y uniformidad de distribución, para ello se utiliza la técnica de Trazado de Rayos Ray-Tracing- Montecarlo, a través de un software especializado de cálculo numérico, probando varios arreglos de CPCs y realizando contrastación de logros energéticos, esta tarea luego se extiende al modelo estándar para hallar las ventajas ópticas definitivas de la nueva propuesta. En el capítulo 5, se desarrolla el Balance Energético en las Tuberías de Absorción del nuevo CPC, para ello se configura una matriz climática de la zona, para hacerla interactuar con las propiedades térmicas de los materiales a través del modelo matemático de ecuaciones de conservación de masa y energía, y obtener los resultados de los rendimientos alcanzados por la instalación, bajo las Leyes de la Termodinámica. En el capítulo 6, se hace la discusión de los resultados obtenidos y sus implicancias sobre los logros alcanzados por el nuevo diseño de CPC frente al modelo estándar, haciendo las aclaraciones relevantes sobre los puntos más sensibles encontrados. Finalmente se concluye el estudio, validando la ventajas técnicas alcanzadas por el nuevo diseño de CPC en el aprovechamiento solar como energía de calor para procesos, para las aplicaciones identificadas como brecha energética, y otras actividades de fomento de desarrollo socioeconómico para la comunidad usuaria, al término se realizan las recomendaciones sobre puntos de atención sobre el tema y futuros trabajos a ser tratados. / Tesis

Ingeniero Civil Químico / La utilización de energía solar térmica para el calentamiento de agua permite disminuir el consumo de combustibles fósiles. Los fluidos térmicos utilizados en colectores solares tienen baja conductividad térmica y reducida capacidad de absorción de radiación solar en el rango visible, donde se encuentra el 48% de la radiación total. Para compensar este problema los colectores solares se componen de superficies metálicas oscuras capaces de absorber la radiación, transformarla en calor y transferirla al fluido térmico. La mejora de propiedades térmicas y de absorción de luz visible en los fluidos permitiría alcanzar mayores temperaturas de salida en colectores solares convencionales. Además, haría factible el uso de colectores solares sin superficies absorbedoras y de esta forma se podría reducir la complejidad y el costo de estos dispositivos. El mejoramiento de tales propiedades puede llevarse a cabo mediante la adición de nanopartículas al fluido térmico, tal dispersión recibe el nombre de nanofluido. El objetivo de este trabajo es sintetizar distintos tipos de nanofluidos y evaluar el efecto de cada uno de ellos en la absorción de radiación solar. Dentro de las nanopartículas estudiadas se encuentran las de oro, plata, cobre y óxido de grafeno (GO) dispersadas en agua desionizada. Para esto se caracterizan los nanofluidos mediante microscopia electrónica y espectros UV visible. Se mide la conductividad térmica y se someten las nanodispersiones a radiación solar obteniendo los perfiles de temperatura. Además, se analizan los efectos de concentración, forma, grado de oxidación de GO, altura de nanofluidos, y se evalúa las propiedades de un nanofluido hibrido compuesto de GO de baja oxidación con plata. Se obtuvo que todos los nanofluidos sintetizados muestran una mejora en la capacidad de absorción de luz visible y en la conductividad térmica en comparación con el agua desionizada. Además, se obtiene que para una concentración másica de 0,01% los nanofluidos de oro, plata, cobre y GO de baja oxidación alcanzan una temperatura de equilibrio de 5 °C superior al fluido base al ser sometidos a radiación solar simulada y no se logra observar diferencias entre cada uno de ellos a pesar de tener distintos espectros de absorción de luz. Se concluye que las propiedades como absorbancia y transmitancia no permiten evaluar la capacidad de conversión de radiación en calor de los nanofluidos y los cambios en estas propiedades por efecto de la luz solar no representan cambios en la temperatura de equilibrio. El grado de oxidación de GO influye en los perfiles de temperatura por estos nanofluidos siendo el de baja oxidación el que alcanza mayores temperaturas de equilibrio. El nanofluido híbrido compuesto de plata y GO de baja oxidación no muestra propiedades térmicas superiores a cada nanofluido constituyente por separado.

Este trabajo de título tiene como objetivo general seleccionar un colector solar plano de aire diseñado para cumplir las características para su utilización en el pueblo de Huatacondo que se encuentra en la primera Región Tarapacá. Además se deberá desarrollar un modelo que permita predecir los resultados que tendrá el colector bajo distintas condiciones ambientales y de radiación. Para la selección del colector solar plano se hizo un modelo analítico de tres tipos de colectores diferenciados por el recorrido del aire a través de ellos. El primer modelo posee un flujo por sobre la placa absorbente, el segundo modelo posee un flujo mixto, es decir por sobre y bajo la placa absorbente y el tercer modelo posee un flujo por debajo de la placa. De aquí se obtienen las curvas de rendimiento característica de los modelos analizados. Se realizó una optimización de los espesores de aislación en el colector, seleccionando el óptimo para los tres modelos, espesor que se utilizó en la construcción de un colector modelo que permitió validar los datos del modelo analítico y simulación. Se construyó un colector modelo que se ensayó durante los meses de Julio y Agosto, obteniéndose resultados de rendimiento para los tres modelos analizados. Se desarrollaron los tres modelos en el programa Simusol y se efectuó una simulación numérica del comportamiento del colector en búsqueda de replicar los datos obtenidos experimentalmente, utilizando como base datos de radiación incidente y temperatura ambiente obtenidos del experimento. Finalmente el análisis experimental arrojó que el mejor modelo para las condiciones dadas es el de flujo por sobre la placa absorbente, siendo el de peor desempeño el de flujo mixto. En los datos analíticos y de simulación se obtuvo la mayor eficiencia para el flujo mixto, siendo esto contrario a lo obtenido experimentalmente. Se deduce que en el modelo experimental el flujo mixto, tuvo un flujo laminar debido al bajo caudal entregado por el ventilador, que mermó considerablemente la eficiencia de este flujo. Se concluye, por lo tanto, que para condiciones de bajo caudal y diferencias de temperatura bajas, la mayor eficiencia la obtiene el modelo con flujo por sobre la placa absorbente.