Ingeniero Civil Eléctrico / Las micro-redes han surgido como solución para aquellas comunidades que se encuentran aisladas y desconectadas de los grandes sistemas de energía. En estas micro-redes, los recursos renovables de generación son escasos y de alta variabilidad, por lo que es crítico definir un esquema de operación que optimice la operación, que es el sistema de gestión de la energía (Energy Management System - EMS). Una de las estrategias con las que se cuenta, es realizar gestión de la demanda (Demand Side Management - DSM), que busca modificar el consumo de los usuarios. Para diseñar una estrategia de DSM, es de importancia tener una estimación de la respuesta de los usuarios frente a ella, para así determinar entre qué rangos se puede esperar que los usuarios varíen su consumo y determinar qué indicaciones enviar al consumidor para generar una respuesta deseada. En la comunidad de Huatacondo, al norte de Chile, se encuentra instalada una micro-red aislada desde el año 2010. Esta micro-red cuenta con un EMS que se encarga del despacho de la energía y busca minimizar los costos de operación. La estrategia de DSM implementada consiste en un semáforo indicativo que puede mostrar las luces verde, amarilla y roja, correspondientes a aumentar, mantener y disminuir el consumo, respectivamente. Si bien las señales mostradas por el semáforo tienen un significado intuitivo, no se tiene una cuantificación de la respuesta que generan sobre los usuarios, por lo que este conocimiento no se incorpora al proceso de optimización. En esta memoria se aborda el problema de modelar la respuesta para tener una estimación del rango real en el que responderán los usuarios, con el fin de generar una gestión de demanda adecuada sobre ellos y así, optimizar el funcionamiento de la micro-red. Con la obtención de un modelo se posibilita la inclusión de este conocimiento al proceso de optimización del EMS. Dado que se cuenta con pocos datos del DSM funcionando, se desarrolla un simulador de consumo con y sin gestión de demanda para la comunidad, que genera datos que permiten modelar la respuesta de los usuarios en base a la hora y color del semáforo que se tienen como entradas. Este modelo se compara con una tabla obtenida a partir del cálculo de las medias de los datos de entrenamiento. Con esta modelación, se pueden determinar los factores de desplazamiento máximos y mínimos esperados para cada hora. Los resultados simulados en el optimizador fuera de línea del EMS con el método propuesto muestran una disminución de los costos de combustible diésel utilizado, reduciéndose hasta un 3.55% respecto a un caso base sin DSM.

El presente trabajo busca ser una buena alternativa en la instalación de grupos hidroenergéticos en las Pequeñas Centrales Hidroeléctricas que se construyen en el Perú y de este modo cubrir el déficit de electrificación en zonas rurales. Para ello, se ha planteado el diseño de un grupo hidroenergético que opere con una turbina estandarizada Michell- Banki debido a que esta turbina tiene una buena eficiencia dentro de un amplio rango de caudal, bajo costo y es de fácil fabricación local. La función principal del grupo hidroenergético es aprovechar la energía cinética de una caída de agua y transformar el trabajo técnico en el eje de la turbina en energía eléctrica para su uso en zonas rurales, de manera que se pueda mejorar la calidad de vida de los habitantes de estas localidades. Para el desarrollo de este trabajo se ha realizado el diseño hidráulico del rodete y del inyector, que son los principales componentes de la turbina. Esto se ha realizado mediante una metodología en la cual los únicos parámetros de entrada son la potencia de 120 kW generada en el eje de la turbina y el rango de variación de la velocidad específica de la turbina Michell-Banki. Las características nominales de la turbina son las siguientes: 120 kW generados en el eje de la turbina Michell-Banki, velocidad de giro igual a 1800 rpm, 82% de eficiencia hidráulica a plena carga, velocidad específica de la turbina igual a 100, caudal de diseño igual a 0.19 m3/s y salto neto igual a 75.4 m. Debido a las características de las turbinas Michell-Banki el grupo hidroenergético puede trabajar conservando una buena eficiencia en un rango de potencias desde 63.8 kW hasta 120 kW, en un rango de salto neto desde 50.8 m hasta 113.8 m y en un rango de caudal desde 0.11 m3/s hasta 0.22 m3/s. Una vez finalizado el diseño hidráulico se ha realizado el diseño mecánico de todos los componentes del grupo hidroenergético como eje del rodete, apoyos del eje del rodete, carcasa, bastidor, además de la verificación por resistencia del rodete y del inyector. Por otro lado, se ha diseñado la pieza de transición entre la salida de la tubería de presión de sección circular y la entrada del inyector de sección rectangular. Además, se ha seleccionado el generador eléctrico y se ha diseñado el sistema de transmisión de potencia entre la turbina y el generador, de tal manera que este gire a su velocidad de sincronismo. El costo del grupo hidroenergético de 120 kW utilizando una turbina Michell-Bank es aproximadamente S/. 40,391.97 considerando costos ingeniería, costos de fabricación y costos de equipos de compra directa. / Tesis

Actualmente, los países industrializados generan la mayoría de su electricidad en grandes instalaciones. Estas centrales explotan economías de escala en inversión y operación, pero se encuentran ubicadas a grandes distancias de los puntos de consumo y muchas de ellas causan gran impacto medioambiental. En este contexto aparece el concepto de Generación Distribuida (GD), basado en energía renovable. Estas tecnologías consisten en centrales de mediana y pequeña escala, conectadas directamente a los sistemas de distribución. Para explotar los beneficios de la GD, es necesario que exista una correcta coordinación de las unidades en una red local. De aquí nace la idea del Generador Virtual (GeVi), ente encargado de la coordinación operacional de distintas unidades de GD, optimizando su desempeño conjunto. El objetivo general del presente trabajo de título es proponer, desarrollar y evaluar un sistema de gestión de energía (Energy Management System o EMS) automatizado, para una aplicación real en la comunidad rural de Huatacondo, primera región de Tarapacá. Para ello, en base de un trabajo previo se desarrolla una herramienta computacional, integrando predictores de consumo, potencia eólica y potencia fotovoltaica con un optimizador lineal entero mixto. Tomando en cuenta la naturaleza estocástica de la velocidad del viento y del movimiento de las nubes, se hace imprescindible contar con una herramienta que sea capaz de reaccionar ante diferencias importantes entre las predicciones y la realidad, de manera de optimizar y dar una mayor confiabilidad al GeVi. Con el fin de lograr esto, se utiliza la metodología de ventana deslizante. La metodología propuesta se valida empíricamente a través de una simulación de tipo Monte Carlo, generándose 500 escenarios de la operación del EMS, tanto para el caso con y sin ventana deslizante. Como entradas relevantes de las pruebas se utilizan perfiles reales y predicciones de: consumo eléctrico, potencia solar y potencia eólica. Para realizar este trabajo, se analizan datos históricos de velocidad de viento, consumos y potencias fotovoltaicas en la microred de Huatacondo. Dado que al momento de realizar este trabajo la microrred no se encontraba en pleno funcionamiento, se simula la operación de ésta. Se trabaja con un horizonte de evaluación de 2 días y una tasa de refresco de 1 hora. Los resultados obtenidos corroboran los beneficios del uso de ventana deslizante. Se determina el ahorro o gasto adicional con respecto a no haber implementado la metodología de ventana deslizante. En un 98.8% de los casos se presenta reducción de costos. El promedio de ahorro fue de un 10.4% al utilizar ventana deslizante. Esta metodología requiere 23 veces más recursos computacionales que sin hacer uso de ella, tardando 31 segundos por ejecución en un computador personal para un total de 12 minutos con 19 segundos en promedio para el predespacho de un día. Como líneas de investigación futura se propone realizar un análisis de la operación real en Huatacondo y el predespacho dado por el EMS. Además, se puede analizar el impacto del desplazamiento de demanda que no fue considerada en este trabajo. Finalmente, se propone generalizar el EMS para permitir una fácil aplicación a otras microrredes de características distintas.

En la problemática de abastecer de energía eléctrica a una localidad aislada, ha ido tomando fuerza el desarrollo de las llamadas micro-redes. Estas soluciones consisten en sistemas eléctricos pequeños, que cuentan con generadores de baja potencia nominal que abastecen consumos físicamente cercanos. Una ventaja que ofrecen las micro-redes frente a sistemas mayores viene justamente de esta proximidad entre generación y consumos, minimizando las pérdidas en las líneas. Sin embargo, la calidad de suministro tiende a ser menor debido a que no e factible aprovechar las ventajas de los sistemas interconectados: inercia, respaldo, diversidad de fuentes. De esta forma, es clave el desarrollo de esquemas de control adecuados que permitan asegurar niveles mínimos de calidad de suministro. Un elemento central de estos esquemas de control es su capacidad para determinar en forma confiable el estado del sistema eléctrico a partir de un número limitado de medidas de fácil adquisición. En este contexto, el objetivo de este trabajo de memoria es disponer de un modelo de estimación de estado para micro-redes, a través de un proceso de análisis, diseño e implementación a escala prototipo. La herramienta resultante debe ser capaz de analizar la micro-red del pueblo de Huatacondo, un pueblo al norte de Chile cuyo suministro eléctrico proviene en gran medida de fuentes de energía renovables no convencionales, como aplicación práctica. Asimismo, debe proyectarse como herramienta docente, para la estimación de estado de la micro-red del Laboratorio de Energía y Accionamientos del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Chile. El modelo estimador de estado que se desarrolla se basa en el método clásico de Mínimos Cuadrados Ponderados, que permite estimar la tensión fasorial en las barras de una micro-red, dando más importancia a las medidas más precisas entre las que se dispone. Las medidas que se consideran en este trabajo son módulos de tensiones, flujos de potencia activa y reactiva en líneas y potencia activa y reactiva en ciertas barras de consumo o generación. Se valida el funcionamiento del estimador de estado desarrollado mediante ejemplos disponible en la literatura especializada, con errores en torno a la tolerancia de 1,35%. Asimismo, se identifica un caso anómalo descrito en la literatura. Sin embargo, en este caso la convergencia del algoritmo si bien detecta la medición errónea, lo reporta a través de una solución no factible en términos físicos. Se ejecuta la aplicación diseñada en la micro-red del laboratorio y en la de Huatacondo, comparando las potencias calculadas a partir del estado encontrado con las potencias medidas, obteniéndose un error relativo porcentual promedio cercano al 2% en el caso del laboratorio y del 0,2% en el caso de Huatacondo. Dado esto, se concluye que la aplicación diseñada cumple el objetivo de obtener el estado de la micro-red de manera confiable. Cabe señalar que en el caso de la estimación de los ángulos de fase de las tensiones, la verificación en el laboratorio a través de mediciones obtuvo resultados con errores mayores. Estas diferencias pueden explicarse por errores en las mediciones o en los parámetros del sistema. Como trabajo futuro, se propone el desarrollo de la etapa de control que mantenga al sistema en el estado de operación normal, el estudio y comparación con otros modelos de estimación de estado y la integración del programa construido con la aplicación Deep-Edit desarrollada en el Departamento.

La preocupación por el cambio climático y el medio ambiente, el aumento del nivel de electrificación en las comunidades aisladas, permite aprovechar los recursos naturales de la zona para el suministro de energía con fuentes renovables. Asimismo, el desarrollo de las redes inteligentes, contribuyen a la gestión y operación de los sistemas de generación de energía. El objetivo de esta tesis es integrar a la comunidad con el sistema de suministro de energía eléctrica con el propósito de mejorar la sustentabilidad del proyecto. Para lograrlo se extraen las características sociales de la población: estructura organizacional, proceso de toma de decisiones, nivel socioeconómico, nivel cultural y mapa de sueños. De la misma forma, es necesario conocer las características técnicas del sistema eléctrico de generación y la factibilidad de instalar sistemas de comunicación para establecer un enlace entre la localidad y los equipos que suministran la energía. Una vez conocidas las características sociales y técnicas, se desarrolla un concepto innovador denominado “Social SCADA” (del inglés Supervisory Control and Data Acquisition), que se fundamenta en el nivel de sociabilidad existente entre los miembros de la comunidad. El Social SCADA es una herramienta de software modular expandible formada por: 1) optimizador, 2) herramienta para la toma de decisiones y 3) herramienta para la supervisión y mantenimiento. Este trabajo de tesis desarrolla en detalle el punto tres, proponiendo interfaces intuitivas de fácil manejo y entendimiento para los miembros de la comunidad. La aplicación cuenta con: interfaz para establecer un canal de comunicación entre la comunidad y la universidad, interfaz para monitorear las fuentes de generación del proyecto, indicadores de sustentabilidad y se indican las tareas de mantenimiento pendientes para que la población las ejecute. El sistema se encuentra implementado en la localidad de Huatacondo, en un proyecto de una Micro-red inteligente llevado a cabo por el grupo de investigación de la Universidad de Chile. Para su desarrollo se utiliza la plataforma LabVIEW y el servidor OPC de Matrikon. Al culminar este trabajo se logra una validación técnica y social, mejorando la percepción de los habitantes sobre el proyecto. La herramienta propuesta extiende el concepto de los sistemas SCADA tradicionales, ya que la comunidad gestiona, mantiene, controla y supervisa el sistema de generación de energía, lo que proyecta su permanencia en el tiempo. Como trabajo futuro se plantea el desarrollo de aplicaciones móviles, la herramienta de toma de decisiones y aumentar indicadores sociales que sean de interés para la comunidad.

Memoria para optar al título profesional de Ingeniero en Recursos Naturales Renovables / En las últimas décadas, se ha generado un nuevo interés por el desarrollo de sistemas de generación distribuida y el uso de energías renovables, para la electrificación en zonas rurales aisladas. En este contexto se insertan los sistemas de micro-redes, que combinan varias fuentes de generación eléctrica y que se plantean hoy como una de las soluciones técnicas más competitivas. Estos proyectos pueden generar impactos socioeconómicos y ambientales y toma especial relevancia la participación de las comunidades en ellos. Ambos factores pueden afectar su sustentabilidad, resultando necesario evaluarlos para corregir las deficiencias y favorecer el éxito del mismo. Así, se generó una propuesta metodológica para la evaluación de proyectos de micro-redes en comunidades rurales del norte de Chile, que permitiera medir el grado de impacto del proyecto y tomar decisiones para favorecer su éxito en el largo plazo. Se generó el cuerpo central de la propuesta en base a las variables, indicadores y cuestionario para la evaluación y luego se aplicaron estos instrumentos al proyecto de micro-redes ESUSCON ubicado en la localidad de Huatacondo, Región de Tarapacá. Se realizaron las correcciones necesarias y se generó la propuesta metodológica final consistente en etapas para la evaluación. Se generaron en total 19 de variables de impacto (socioeconómicos y ambientales) y 9 para el análisis de sustentabilidad, asociadas a la participación y percepción de la comunidad; se utilizaron indicadores cuantitativos y cualitativos. Se definieron 5 etapas de evaluación que involucran a la comunidad en el proceso y en una de las cuales se aplican los indicadores y cuestionario generados. Se concluye que la propuesta final es una herramienta práctica para la evaluación y que puede adaptarse a otros proyectos de energías renovables y en otras zonas de Chile. La combinación de los métodos de investigación cuantitativa y cualitativa, permite aprovechar las ventajas de cada uno y favorecer los resultados de la misma y la base de información generada permitirá reducir errores en proyectos futuros y favorecer su éxito. Por último, se plantea la necesidad de evaluar, además y de forma complementaria, los aspectos técnicos y económicos de los mismos, y avanzar en el desarrollo de proyectos de energía a nivel de comunidad sustentables. / In recent decades, there has been a renewed interest in the development of distributed generation systems and the use of renewable energy for rural electrification in isolated places. In this context the micro-grids are a system that combine various sources of power generation and that has raised today as one of the most competitive technical solutions. These projects can generate socioeconomic and environmental impacts and is of particular relevance the participation of the communities in them. Both factors may affect its sustainability, being necessary to evaluate them, correct deficiencies and promote the success of the project. Thus, a methodology for the evaluation of micro-grid projects in rural communities in northern Chile was generated that would measure the impact of the project and make decisions to promote their long-term success. It was generated the main body of the proposal based on the variables, indicators and assessment questionnaire and then these tools were applied to micro-grid project ESUSCON located in Huatacondo, Región de Tarapacá. The necessary corrections were made and a finished methodological proposal was generated, consisting of evaluation stages. A total of 19 impact variables (socioeconomic and environmental) and 9 for analysis of sustainability, related to participation and community perception, were generated. It was used quantitative and qualitative indicators. It was defined five stages of evaluation involving the community in the process and in one of them including the generated indicators and questionnaire. It was concluded that the final proposal is a practical tool for the evaluation and that can be adapted to other renewable energy projects and other areas of Chile. The combination of quantitative and qualitative research methods, allow taking advantage of each and favor the results. Also, a basis of information was generated that will reduce mistakes in future projects and encourage their success. Finally, there is the need to assess, in addition the technical and economic aspects of the project, and promote the development of community and sustainable energy projects.

A detail modelling of railway electrical system with energy storages devices is developed in this thesis in order to analyze most of the implemented railway electrical system. The modelling has been realized from a point of view the design of them as from a point of view of purely energetic efficiency. In this way, after analyzing of the electric railway systems, it has been developed simple element models that have been grouped in four categories: contact line and return circuit, fix elements, mobile elements and energy recovery and storages devices. The complete systems are built from the simple element models linked. The system of equations of the complete system is no linear, and it is solved means of numeric methods. Then, it is shown the structure of Rsim software that has been developed completely as a part of this work, to conclude with two examples of the application of Rsim. The first example belongs an alternative current railway electrification and the second example is a direct current railway electrification. Keywords: DC railway system, AC railway system, railway modeling, energetic efficiency, reverse substations, energy storage devices, unbalance, rail potential, stray currents. A detail modelling of railway electrical system with energy storages devices is developed in this thesis in order to analyze most of the implemented railway electrical system. The modelling has been realized from a point of view the design of them as from a point of view of purely energetic efficiency. In this way, after analyzing of the electric railway systems, it has been developed simple element models that have been grouped in four categories: contact line and return circuit, fix elements, mobile elements and energy recovery and storages devices. The complete systems are built from the simple element models linked. The system of equations of the complete system is no linear, and it is solved means of numeric methods. Then, it is shown the structure of Rsim software that has been developed completely as a part of this work, to conclude with two examples of the application of Rsim. The first example belongs an alternative current railway electrification and the second example is a direct current railway electrification. Keywords: DC railway system, AC railway system, railway modeling, energetic efficiency, reverse substations, energy storage devices, unbalance, rail potential, stray currents.

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.

En las comunidades campesinas, la energía eléctrica resulta ser un recurso limitado, debido a que en estos lugares las empresas eléctricas privadas no cuentan con la infraestructura adecuada con lo cual podrían proporcionar este servicio de manera óptima. La razón principal de este hecho es que la inversión que realizarían dichas empresas la recuperarían después de mucho tiempo, debido a que el consumo en las comunidades es muy bajo como para que la inversión se recupere en un tiempo prudente. Por esta razón, en estos lugares se cuenta con generadores eléctricos como fuente de energía, los cuales alimentan a todas las viviendas de la comunidad campesina. Sin embargo, no se cuenta con algún tipo de control acerca del consumo que se pueda realizar de esta energía limitada, por lo que frecuentemente se tienen consumos excesivos de parte de alguna vivienda, quedando muy poca energía restante para que otra vivienda pueda realizar un consumo similar. En consecuencia, surge la necesidad de contar con algún sistema que permita controlar el consumo que realice cada vivienda, de modo que se pueda repartir equitativamente la misma. En este documento se desarrolla una solución al problema mencionado, donde se presenta el diseño de un sistema de control que puede ser empleado en estos lugares, de modo que cada vivienda puede realizar un consumo dentro de un rango permitido. / Tesis

En el presente trabajo se desarrolla una evaluación de la implementación de un proyecto de desarrollo mediante el uso de extensionismo tecnológico, que tuvo el fin de brindar electricidad y así beneficiar a las personas para que puedan cubrir sus necesidades básicas insatisfechas y mejorar su desarrollo. En este aspecto, la tesis se enfoca en el extensionismo de la tecnología de pico paneles solares para llevar a cabo proyectos de electrificación rural. El objetivo principal del trabajo es evaluar los efectos de un proyecto de extensionismo tecnológico en materia de impacto, sostenibilidad y replicabilidad, el cual tiene el potencial de promover el desarrollo de comunidades ubicadas en una zona rural de la región San Martín. Todas las actividades de este proyecto denominado “PowerMundo” se han llevado a cabo desde la fecha de enero del 2013 hasta noviembre del 2015, durante un período de dos años y once meses. Como parte del presente trabajo se tiene inicialmente el Capítulo 1, que es el marco teórico de la Tesis, el cual contiene información sobre el extensionismo tecnológico, los proyectos de desarrollo con componente tecnológico y las necesidades humanas. Posteriormente se desarrolla el Capítulo 2, que presenta el marco contextual del proyecto donde se expone la evolución de la electrificación rural en Latinoamérica y Perú, y se detalla la coyuntura de las comunidades rurales de la región San Martín, en las cuales hay una falta generalizada de fuentes de energía con potencial de poder usarse en las tareas cotidianas; esto a su vez permite entender el porqué del trabajo de investigación. Finalmente, en el Capítulo 3 se explica el proyecto “PowerMundo”, se desarrolla la metodología de estudio decidida y se discute los resultados de la investigación. La investigación concluye que una conjunción adecuada entre extensionismo tecnológico y enfoque en desarrollo, libertades, capacidades y/o necesidades básicas insatisfechas puede lograr una eficiente implementación de proyectos de desarrollo; esto, a futuro, permitirá mejorar la calidad de vida de los beneficiados, para continuar con la salida de comunidades rurales del subdesarrollo. En adición, esta experiencia adquirida ha brindado conocimiento sobre una nueva alternativa en proyectos de electrificación rural, la cual es más atractiva debido a su viabilidad y rentabilidad en zonas aisladas, y que ha demostrado un impacto positivo en los usuarios. / Tesis