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.

Ingeniero Civil Mecánico / En el transcurso de los últimos años, la generación de energía renovable, ha sido promovida por distintas naciones. En este contexto, encontramos las celdas fotovoltaicas como una de las formas de producción de energía renovable más usadas en el mundo debido a que pueden transformar directamente la radiación solar en electricidad y a la vez, pueden ser usadas en aplicaciones domésticas e industriales. Sin embargo, en su operación, solamente se puede aprovechar alrededor de un 20% de la radiación incidente, el resto se convierte en calor, por otra parte, esta eficiencia se ve disminuida cuando las temperaturas de operación aumentan. Por las razones indicadas anteriormente, la dependencia del rendimiento con la temperatura de la celda, convierte a este parámetro en uno de los más relevantes a la hora de diseñar mejoras en el desempeño de un panel fotovoltaico. El objetivo de la presente memoria es elaborar un modelo unidimensional térmico que pueda simular el comportamiento transiente de la temperatura de la celda a lo largo del día. Para el desarrollo del tema referido, se realiza un análisis teórico de la temperatura al interior de un panel fotovoltaico mediante un balance energético, es decir, definir el comportamiento de la temperatura al interior de la celda en función de la radiación incidente, pérdidas por radiación, convección y conducción. A continuación, se procede a ensamblar el modelo planteado en un software numérico con las condiciones de borde adecuadas, para posteriormente realizar el análisis térmico transiente del panel fotovoltaico. Finalmente se verificará si el modelo planteado sirve para modelar el panel fotovoltaico, para esto se compara el comportamiento térmico con modelos reportados en la literatura y mediante a datos obtenidos de una central fotovoltaica instalada en el norte de Chile. La metodología ocupada para el desarrollo de los temas indicados en el párrafo anterior son las siguientes: a) se realizan simulaciones para distintos casos hipotéticos de funcionamiento aumentando de complejidad el modelo; b) se aplica el modelo para comparar los resultados con otros modelos de la literatura y para estimar la corriente generada en un día y se verifica que predice con suficiente precisión lo observado en la realidad; c) se estudia el efecto de las variables climáticas en la temperatura de la celda y se deduce una ecuación que describe el efecto de la temperatura ambiente, velocidad de viento y la radiación sobre la temperatura de la celda; y d) se estudia el efecto de la localización del panel en distintas zonas de Chile en la temperatura de la celda.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica / Ingeniero Civil Electricista / En los últimos años, los problemas climáticos asociados a las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), han aumentado significativamente el interés por diversificar las fuentes primarias para la generación de energía eléctrica. De hecho, las tecnologías de generación como la fotovoltaica han reducido considerablemente sus precios, llegando incluso a que en ciertos lugares la energía solar fotovoltaica sea más económica que conectarse a la red, aumentando su incorporación a los sistemas eléctricos en general. Es factible pensar que en un futuro no muy lejano los consumidores residenciales o pequeñas industrias opten por aprovechar las bondades de este tipo de energía para satisfacer sus requerimientos de electricidad, lo que ocasionará un aumento significativo de generación en los puntos de consumo. Lo anterior se traduce en desafíos técnico-operacionales para la operación de las redes de distribución. Dentro de las problemáticas que se producirán, está el aumento del desbalance en las redes, dado que ya no bastará con estudios estadísticos de demanda, sino que también entrarán a regir factores climáticos y de mantenimiento de los generadores en la operación, dificultando la tarea de despacho para una operación segura de la red. Estos desbalances tanto de carga como de tensión pueden ser atenuados si se utilizan tecnologías de control de flujo para redes de transmisión y aplicando estratégias de control adecuadas. Consecuentemente, desde el punto de vista del operador de la red de distribución, es factible operar una red balanceada que cumple con los criterios de la norma técnica. Se propone el diseño de un D-Statcom con capacidad de almacenamiento, basado en un convertidor tipo VSC de 3 piernas. Su sistema de control está constituido por el módulo sintetizador de tensión, que tiene como función calcular y generar las señales de encendido y apagado de los interruptores de potencia; El módulo sincronizador, que mediante un PLL (del inglés Phase Locked Loop) permite que las tensiones generadas por el conversor y las de la red estén en sincronía; El módulo de control de corriente, el cual por medio de controles PI genera referencias de tensión para el bloque sintetizador de tensión y así se inyecten las corrientes de referencia al sistema en el punto de conexión; Por último, el módulo de cálculo de referencias de control, el cual se encarga de generar las referencias de corriente para el resto del equipo. Lo anterior se implementa mediante el uso de MATLAB /Simulink y el módulo PowerSystem. Los resultados de los casos de estudios simulados revelan la factibilidad y funcionalidad esperada del equipo diseñado en diversas situaciones. Con el control propuesto, y a partir de las simulaciones realizadas, se pudo disminuir un desbalance de tensión de un 3.29% a sólo un 0,53%, es decir un 84% de mejora con el alimentador normal, en cambio con la red más débil se logró compensar de un 4.60% a sólo un 1,99%, o sea, un 57% de mejora del indicador. En los casos estudiados, el incluir la operación de este equipo compensador y su control mejora el indicador de desbalance a lo menos un 77%, salvo en el escenario más complejo que se obtienen mejoras en torno a un 56%. Dada la efectividad del equipo de compensación y su control, se propone finalmente extender el trabajo a otras fuentes de generación distribuida, pues al ser una solución modal, será de gran ayuda en la introducción masiva de nuevas fuentes de energía en las futuras Smart grid que se instalen en el mundo.

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.

Con el propósito de obtener una metodología correcta así como los valores iniciales se deberá recopilar, analizar y evaluar la información relacionada con los factores de simultaneidad y demanda, tanto de las instalaciones eléctricas de utilización, así como los de suministro. Así mismo se deberán efectuar mediciones muestrales de campo, mediante toma de registros diarios en las instalaciones eléctricas del sistema de distribución (suministro) y del sistema de utilización de acuerdo a la muestra establecida en el Estudio Estadístico, estas mediciones se realizaran con el Equipo “POWER HARMONICS ANALYSER” modelo MI 2092 de marca Metrel. La muestra de Nivel Unidad Geográfica 1 se establecerá en base a los criterios de selección dentro de la selección del Sistema Eléctrico representativo ,la muestra de Nivel Unidad Geográfica 2 será establecidos a través de la estadística, pero también de forma grafica usando el programa MAPINFO para poner obtener la información grafica de la ubicación de las subestaciones a medir y así tener la seguridad que pertenezcan a una zonificación dada, los mapas de la zonificación serán digitalizados en este mismo software, los planos de zonificación urbana se obtienen del Instituto Metropolitano. Los diagramas de carga elaborados por cada zonificación urbana, se construyen en base a la medición muestral con el Equipo Analizador que se instalara en diversos domicilios que se ubiquen dentro de la zona de muestra y la zonificación respectiva durante un periodo de 24 horas y tomando registros cada 15 minutos de acuerdo a la establecido en la Norma Técnica de Calidad de los Servicios Eléctricos. Con esta información se establecerá la metodología mas adecuada para el cálculo y actualización de estos factores tal como se detalla en los capítulos siguientes.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica / Ingeniero Civil Eléctrico / Los sistemas de almacenamiento de energía (ESS) pueden ser utilizados para realizar mejoras sustanciales en los sistemas eléctricos de potencia. Esto se debe a la flexibilidad que entregan durante la carga y la descarga, permitiendo diversas aplicaciones, entre las que destacan el recorte de potencia punta; compra y venta de energía, disminución de pérdidas en líneas de transmisión y evitar congestión el líneas de transmisión. En particular para una distribuidora resulta de especial interés estas características del ESS, ya que le permiten aumentar su rentabilidad. El objetivo principal de esta tesis es dimensionar y localizar de manera óptima ESS con el objetivo de recortar la punta de demanda en redes de distribución (RD). Junto con lo anterior se busca relacionar la optimización con parámetros importantes de ESS, tales como los costos de inversión, eficiencia y vida útil. Para lograr esto se propone una metodología que considera el punto de vista de la distribuidora. Esta metodología evalúa el pago por potencia y compra de energía por parte de la distribuidora; los costos de inversión, y los costos de operación y mantenimiento del ESS. A partir de esta metodología se obtienen diferentes costos de inversión frontera al variar parámetros del BESS tales como la eficiencia y la vida útil. Estas fronteras de costos de inversión determinan el límite costo que hace aún rentable al proyecto de BESS para la distribuidora. Los resultados muestran que el dimensionamiento óptimo está fuertemente afectado por los costos de inversión del BESS. Por otro lado, el parámetro técnico que permite una mayor mejora desde el punto de vista de la reducción de costos de la distribuidora es la vida útil de ESS, donde, por sobre los 5000 ciclos es posible rentabilizar proyectos con los costos de inversión presentes en varias tecnologías actuales. Al utilizar una estrategia de localización óptima la reducción de costos aumenta en de un 4 al 7,5% con respecto al dimensionamiento óptimo y su importancia relativa en el proyecto de BESS depende del precio de la energía. La reducción de costos que se obtiene de la localización óptima de módulos de BESS alcanza una saturación a medida que la cantidad de módulos de BESS aumenta. Este efecto sugiere que existe una cantidad óptima de módulos a localizar.

Los diversos acontecimientos a nivel mundial, tales como el calentamiento global, la contaminación, escasez de recursos no renovables, la gran demanda energética, o simplemente aquellos lugares que no poseen suministro eléctrico, ya sea por razones geográficas o por elevados costos de instalación, motivan a miles de personas y entidades empresariales por la búsqueda de alternativas energéticas limpias y eficientes tales como la energía solar. El Perú, gracias a su situación geográfica, es uno de los países con mayor capacidad de aprovechamiento de este tipo de energía. Para captar la radiación solar se utilizan concentradores solares, pero la potencia y orientación de esta varía según el día del año, la hora, las condiciones atmosféricas y la latitud del lugar de posición del concentrador solar. Por estos cambios en la orientación, la energía solar obtenida por concentradores con seguidores solares es superior a la obtenida por concentradores fijos. Esta tesis tiene como objetivo principal diseñar e implementar un seguidor solar para el control electrónico de un reflector parabólico tipo Scheffler. Este reflector solar, construido por el GRUPO PUCP, tiene como fin cocinar con la energía del Sol en zonas rurales de la manera más cómoda, barata y eficiente posible. El estudio se estructuró en cuatro capítulos. En el capítulo I se hace una introducción a los conceptos básicos sobre energía solar, además de la descripción y necesidad del tema en estudio. En el capítulo II se estudia el estado del arte, los antecedentes, y todo lo existente en materia de seguidores solares, también se plantean los Objetivos generales y específicos. En el capítulo III se realiza la selección del método de seguimiento y la implementación del seguidor solar, gobernado por un microcontrolador PIC sobre un actuador hecho con un motor CC que posiciona el concentrador solar realizando un seguimiento de la trayectoria del sol, con respecto al plano terrestre. Por último en el capítulo IV se efectúa un análisis final de los resultados, asimismo se presentan las conclusiones y sugerencias del estudio realizado para trabajos futuros en esta materia. / Tesis

Las ruedas hidráulicas representan una alternativa sencilla, confiable y ambientalmente amigable para la generación de potencia, mecánica o eléctrica. Utilizan como fuente energética un flujo de corriente de agua, no producen desperdicios significativos en la transferencia energética, ni requieren mayores trabajos de obras civiles que alteren el área donde se instalan. Además, dada su facilidad constructiva, no requieren conocimientos técnicos avanzados en su diseño, fabricación y manejo. El objetivo de este trabajo es establecer relaciones cuantitativas sencillas que permitan ponderar el comportamiento de una rueda hidráulica basándose en características básicas del mecanismo y la fuente del recurso energético. Se desea también obtener información cualitativa del funcionamiento de la rueda para una estructura en particular. / Tesis

Este proyecto consiste en el diseño de un sistema híbrido Fotovoltaico-Biodigestor de 15 kW para generar energía eléctrica en el caserío Pósope. Como un prototipo de un sistema que pretende unir dos redes para poder producir energía eléctrica junto con los beneficios ambientales asociados, para su posterior aplicación en el caserío Pósope Bajo. Se seleccionó de la mejor opción tecnológica y de los principales componentes del sistema híbrido de acuerdo a las condiciones geográficas y meteorológicas de la zona. Se van a tratar aspectos como el diseño del sistema híbrido, que implica dimensionamiento de los paneles y del biodigestor; el tipo de panel, de baterías, reguladores como también el tipo material del biodigestor y la medida de las zanjas. Para determinar la viabilidad del proyecto se abordarán aspectos económicos y de rentabilidad como inversión necesaria. / Tesis

En Chile el sector eléctrico se distingue de la estructura monopólica tradicional por estar dividido en tres segmentos separados: generación, transmisión y distribución. El segmento de generación es un mercado desregulado conformado por un lado por el mercado spot de venta física de electricidad, y por otro lado por el mercado de contratos comerciales entre generadores y clientes. El objetivo de este trabajo es desarrollar un modelo del mercado de generación eléctrica basado en teoría de juegos, que sirva de herramienta y permita analizar el comportamiento estratégico de las empresas presentes en este mercado, estudiando en conjunto su participación en el mercado spot con la venta física de energía, y en el mercado de contratos comercializando la energía futura. La realización del trabajo comienza con un estudio en profundidad del funcionamiento del mercado de generación eléctrica y con una revisión de la bibliografía existente con respecto a modelos de mercados de generación desregulados. A partir de esta base, se desarrolla un modelo basado en el mercado de generación chileno, para un nivel de inversión dada, que para efectos de simplicidad, no considera la capacidad máxima ni las pérdidas de transferencias, y donde la demanda es determinista. El modelo es dinámico, contempla dos etapas consecutivas, una para el mercado de contratos y otra para el mercado spot. Para el modelo general no se encuentra equilibrio en estrategias puras y se demuestra la existencia de un equilibrio en estrategias mixtas. Las estrategias mixtas representan una probabilidad asociada a la oferta de un contrato en precio y cantidad de un generador en el mercado de contratos para satisfacer la demanda del cliente. Gracias al estudio del modelo general y de casos particulares, se concluye que un mercado competitivo de generación eléctrica como el chileno es un mercado complejo en el cual la legislación juega un rol clave con respecto a los comportamientos de las empresas presentes. Es así como un generador contratado tiene incentivos para transmitir en el mercado spot, su costo real de producción en el caso simétrico, o inferior al siguiente costo de producción en el caso asimétrico. Del mismo modo, se obtienen principios del funcionamiento del mercado, observables en la historia reciente del mercado de generación chileno. Primero, mientras más cercana sea la demanda a la capacidad total del sistema, más elevado es el precio de los contratos. Segundo, un generador sobrecontratado disminuye su utilidad mercado spot con pérdidas relacionadas con sus contratos. Tercero, el generador con menor costo marginal de producción obtiene mayores ingresos. El modelo y el trabajo desarrollado es un primer paso en el desarrollo de una herramienta para el estudio de la toma de decisiones en el mercado de generación y del mercado en si. Se puede extender introduciendo por ejemplo en el modelo más generadores, las pérdidas por transferencia, las inversiones según la tecnología o considerando el juego repetido del modelo.