Tesis para optar al Grado de Magíster en Urbanismo / Existe en la actualidad una problemática mundial a raíz de la generación y el consumo energético y sus consecuencias, debido a esto, la utilización de energías renovables se ha posicionado como una alternativa muy adecuada. Bajo este concepto, es importante conocer los parámetros que influyen en las formas de aprovechamiento de esta energía, y para este caso de estudio, enfocado en la energía solar. Se realiza inicialmente una contextualización de las temáticas asociadas, con el fin de dar a conocer estudios, teorías y normativas relacionadas con este tipo de energía, y así entender de mejor manera el fenómeno en estudio. Una de las principales variables que determina la utilización de la energía solar es el nivel de captación y exposición de una superficie. Por lo tanto; considerando este concepto, se realiza la evaluación de cómo puede influir la renovación urbana en su entorno inmediato, analizando la concentración en ciertos barrios de nuevos proyectos inmobiliarios en altura. Todo esto enfocado hacia el análisis energético, pero también considerando los levantamientos de otras variables relevantes. Se estima que esta concentración inmobiliaria, con diversidad abrupta de tipología, provoca grandes perjuicios urbanos al entorno inmediato. Para determinar si es correcta esta hipótesis, se analizará cuantitativamente y cualitativamente el desarrollo inmobiliario de las comunas y específicamente sus ejes principales, con el fin de determinar dos casos de estudios tipo que concentren el fenómeno. Definidos los casos, se realizará un levantamiento y modelamiento de la trama urbana, con el fin de realizar cálculos de simulación, para estimar las pérdidas energéticas y de exposición que se producen a raíz de la construcción de los nuevos proyectos en altura. Determinadas las cantidades de energía pérdida, se calculará la diferencia que se produce en la captación de paneles fotovoltaicos, para posteriormente hacer la comparación económica con la energía eléctrica tradicional en un plazo de uno y diez años, en base a un kit fotovoltaico tipo de 8m2. Finalmente, para revisar y verificar los datos obtenidos con las simulaciones, se realiza un levantamiento en terreno para cada caso de estudio, obteniendo la apreciación de los vecinos respecto a las externalidades producidas con la construcción de los proyectos inmobiliarios en altura. Esta información es analizada agrupando conceptos, y se verifica el nivel de congruencia que existe entre ambos métodos de análisis (cuantitativo/cualitativo), para establecer la veracidad de la hipótesis y adicionalmente responder la pregunta de investigación.

En la actualidad existen muchos lugares en el mundo donde el agua dulce es un bien escaso y por ende, económicamente valioso. Para mejorar esta situación se plantea la instalación de una planta de desalinización con el objetivo de aumentar la disponibilidad de agua dulce en zonas donde solo existe agua salobre. El proceso de desalinización requiere gran cantidad de energía. Dicha energía se puede obtener a partir de energía solar, ya que es renovable, sustentable y evita la emisión de gases de efecto invernadero que pueden agravar el problema de carencia de agua. Los objetivos de este trabajo fueron revisar las distintas tecnologías que existen para la desalinización y para la captura de energía solar con el fin de poder realizar una evaluación económica simplificada sobre la implementación de una planta de desalinización. Se construyó un prototipo concentrador de radiación solar, original de inspiración Fresnel, para poder estudiar eficiencias del diseño. El prototipo consiste de secciones cónicas con un mismo foco construido con acero brillante y en el foco un receptor de radiación que transfiere calor hacia un fluido térmico. El equipo de laboratorio tuvo una eficiencia de 70% del calor transferido al fluido térmico sobre la radiación, cercano al valor teórico calculado de 77%. Con el dato de eficiencia real se pueden diseñar concentradores industriales a partir del prototipo construido. Se realizaron tres evaluaciones económicas para distintos escenarios que se diferencian entre sí por la tecnología de desalinización y el suministro de energía. Para los tres escenarios se consideró una tasa de descuento del 10%, un horizonte de evaluación de 10 años y un requerimiento de producción de 1.000 [m3/día]. Los concentradores dimensionados para las evaluaciones son de 8 [m] de diámetro, totalizando un área de concentración de 40,81 [m2] por concentrador. Para cada escenario se evalúa el agua obtenida para riego de cultivos (tomates) y para uso sanitario. El primer escenario usa una tecnología de destilación que requiere para su funcionamiento 442 concentradores que suman 1,8 [ha] de concentración con lo que se obtiene una eficiencia de 555,6 [(m3 de agua desalinizada)/día/(ha de concentración)] obteniéndose una capacidad de riego de cultivo de tomates de 5,23 [ha/(ha de concentración)]. Todos los escenarios expuestos son para el caso de la venta de agua para uso sanitario ya que tienen un mayor retorno. El VAN resultó ser de - $119.000.000 (préstamo del 75%) para una inversión de $1.243.000.000. Para el segundo escenario se utiliza una tecnología de desalinización por membrana con energía eléctrica del sistema interconectado. El VAN resultó ser $44.000.000 (préstamo del 75%) para una inversión de $530.000.000. El tercer escenario usa una tecnología de desalinización por membrana con energía eléctrica por parte de los concentradores. El VAN resultó ser $212.000.000 (préstamo del 75%) para una inversión de $796.000.000. Se plantea realizar la evaluación técnica y económica para otros materiales reflectivos del concentrador para mejorar eficiencias y también considerar bonos de carbono para aumentar la rentabilidad de los proyectos.

Ingeniero Civil Mecánico / El desarrollo de la conversión de energía desde fuentes renovables no convencionales forma parte fundamental de la investigación y desarrollo de nuestro presente. Una de las tecnologías más utilizadas es la solar fotovoltaica, cuyo objetivo es convertir directamente la energía solar proveniente del sol en energía eléctrica para ser utilizada por sus consumidores. La utilización de módulos fotovoltaicos (PV) para la conversión de energía solar ha sido un gran avance de la ingeniería moderna, pero aún posee importantes puntos pendientes en su desarrollo. 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 operando en condiciones reales. Mientras mayor sea la temperatura que alcance el panel, menor será su rendimiento eléctrico final, por lo que es de gran interés poder controlar el desempeño frente a condiciones externas mediante algún tipo de disipador de calor. El estudio presentado tiene por objetivo general presentar un estudio acerca de la temperatura al interior de un panel fotovoltaico con disipador de calor mediante análisis teórico y simulaciones computacionales para un módulo sometido a condiciones atmosféricas reales del norte de nuestro país. El objetivo principal es analizar la distribución de temperatura en el módulo fotovoltaico y la influencia de la presencia del dispositivo disipador de calor en el aumento de la eficiencia del panel fotovoltaico, mediante la caracterización de la resistencia térmica que posee el conjunto panel-disipador. Para conseguir el objetivo planteado, se realiza un análisis teórico de la temperatura en el interior del panel fotovoltaico mediante un balance energético (definición de la temperatura de celda en función de la radiación incidente, pérdidas por radiación y convección al ambiente, y pérdidas por disipación de calor y por generación de energía) para un modelo simplificado. A continuación se realizan simulaciones computacionales mediante software especializado en análisis por elementos y volúmenes finitos (ANSYS Mechanical) para poder realizar un análisis térmico en tres dimensiones. Luego de obtener resultados numéricos que permitan caracterizar la temperatura al interior del panel se procede a optimizar el diseño del disipador de calor mediante simulaciones con diseño paramétrico (ANSYS APDL) para poder caracterizar la influencia de la geometría del disipador en la resistencia térmica. Finalmente, se realiza un análisis cuantitativo del incremento en la eficiencia del panel en base a los resultados obtenidos por las distintas simulaciones. La memoria se desarrolla en el contexto del proyecto FONDECYT N° 11110235 Charge carrier flow hydrodynamics in PN junctions with applications to photovoltaic solar cells junto con el trabajo de otros memoristas y tesistas.

Magíster en Economía Aplicada / El ingreso de la energía solar en Chile ha ido en aumento durante el último año, debido a la cantidad de energía solar fotovoltaica presente en los sistemas SING y SIC. Además, en el corto plazo se realizará la interconexión de dichos sistemas. Por tanto, es de interés evaluar el beneficio económico de la interconexión desde un punto de vista de operación económica, considerando el potencial de energía solar fotovoltaica y la complementariedad de ambos sistemas. Este trabajo evalúa distintos casos en los cuales la expansión de los sistemas se realiza de manera aislada e interconectada, considerando una obligación anual de generación de energía solar fotovoltaica. Estos casos se definen en base a un modelo de mercado eléctrico competitivo presente en Chile en el cual los generadores invierten en unidades generadoras que sean rentables durante su vida útil. Además, un software de despacho económico para sistema hidrotérmico, multinodal y multiembalse es usado para simular la operación económica de las unidades. Entre todos los resultados analizados, los más interesantes muestran que la interconexión favorece el precio spot de energía de inyección de las unidades fotovoltaicas del SING, al contrario del SIC donde sus unidades fotovoltaicas se ven perjudicadas. El despacho de unidades de base se ve favorecido por la interconexión, desplazando unidades de alto costo operativo como motores diésel y fuel oil. Este despacho de base disminuye a medida que aumenta el nivel de energía solar fotovoltaica. Además, las centrales hidráulicas con capacidad de regulación reacomodan su despacho desde los bloques solares a los no solares. También existe un incentivo para las centrales de pasada para instalar estanques de regulación, debido al diferencial de precios entre bloques solares y no solares. Este incentivo se acentúa ante un escenario de interconexión y con alto nivel de penetración fotovoltaico. Lo anterior implica una disminución del costo de inversión en generación y operación, debido a la interconexión y al aumento de la energía solar. Integrar al modelo propuesto las restricciones técnicas propias de los sistemas, una mejor solución técnica respecto a la expansión de la transmisión, sensibilizar los casos respecto a niveles de demanda y precios de combustibles e integrar al equilibrio de largo plazo unidades generadoras de bajo costo variable que tengan capacidad de regulación, permitirían evaluar los niveles de penetración de energía intermitente óptimos, además de una mejor estimación de los costos de operación de la expansión para los casos analizados.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica. Ingeniero Civil Mecánico / El estudio de energía solar responde a las necesidades energéticas actuales, ya que es de una fuente virtualmente inagotable, abundante y amigable al medioambiente. Esta energía puede ser convertida a energía eléctrica mediante celdas solares fotovoltaicas. Éstas presentan comúnmente eficiencias en el rango de 15% al 20%, donde gran parte de la energía restante se transforma en calor. El aumento de temperatura de las celdas trae consigo una disminución de eficiencia y vida útil, lo que justifica el desarrollo de sistemas de enfriamiento. Un conjunto de celdas conectadas en serie se limitan por la celda con peor eficiencia, lo cual crea la necesidad de uniformizar la temperatura para disminuir este efecto. El objetivo principal de este trabajo es plantear teóricamente y modelar numéricamente la fluidodinámica y transferencia de calor de un disipador de calor pasivo que permita disminuir y reducir las variaciones de la distribución de temperatura de un panel fotovoltaico bajo condiciones de operación extrema. Se diseñó un disipador de aletas que cumple con los requerimientos nombrados anteriormente. Se propuso un modelo de altura variable que toma en consideración las transferencias de calor por conducción, convección y radiación para hacer el balance energético. Lo anterior se simuló en el software ANSYS CFX para estudiar la distribución de temperatura en el panel, considerando adicionalmente la fluidodinámica. El modelo simulado en ANSYS CFX (simulación estacionaria) considera 6 celdas con un disipador, orientadas en la dirección del flujo, en un dominio lo suficientemente grande para que no afecte el resultado final modificando el perfil de velocidad. El modelo considera efectos de turbulencia, radiación, convección y conducción. Los resultados simulados son cercanos a lo predicho por el modelo analítico, validando así el modelo propuesto. El disipador logra disminuir y uniformizar la temperatura de forma aceptable. En términos de costos, se puede observar que es prácticamente lo mismo que otros sistemas similares, se podría establecer que la ganancia en eficiencia se ve mermada por un gran costo de manufactura. El problema puede seguir siendo estudiado en profundidad considerando distintas condiciones de operación, lo cual queda propuesto para un trabajo futuro.

Magíster en Análisis Sistémico Aplicado a la Sociedad / Se presenta en este informe de Tesis un análisis de las perspectivas de desarrollo de la Energía Solar observadas en el Solar Energy Research Center (SERC), en específico aquellas relacionadas con los ámbitos de Ciencia y Tecnología, Mercado y Políticas Públicas. Para ello, y a partir de metodologías cualitativas, se desarrollaron redes semánticas asociadas a cada ámbito señalado, indagando en las formas de procesamiento usadas por miembros del SERC para tratarlos. A partir de ello, se muestra el surgimiento de distintos niveles de complejidad en las formas de abordar el fenómeno y su incidencia en el proceso de estabilización de la Energía Solar en nuestro país, relevando el papel que el concepto de perspectiva tiene en la configuración del emergente campo solar en nuestro país

No autorizado por el autor, para ser públicada a texto completo / El objetivo principal de este trabajo es evaluar la factibilidad técnica y económica de instalar una planta termoeléctrica de ciclo combinado con una planta solar integrada en su ciclo de vapor, conocida como “planta híbrida de ciclo combinado-solar” ó “planta de ciclo combinado con integración solar” en el Norte Grande de Chile Para ello se estudiaron las tecnologías solares térmicas de concentración que pueden integrarse a una planta de ciclo combinado. De éstas se seleccionó la planta de colectores cilindro-parabólicos debido a su madurez tecnológica. El análisis técnico involucró la búsqueda de los lugares más aptos para el emplazamiento de la planta híbrida, considerando principalmente restricciones de altitud y pendiente del terreno, y requerimientos de cercanía a la red eléctrica, fuentes de agua y gas natural. Esta serie de restricciones llevó a considerar terrenos costeros para el emplazamiento de la central, incurriendo en una reducción de la energía solar máxima utilizable, debido al aumento de la nubosidad en tales sectores. También se analizaron las características principales de una planta termoeléctrica de ciclo combinado y se diseñó un modelo simple que permite dimensionar el tamaño máximo de una planta solar que puede integrarse a una planta de ciclo combinado de tamaño dado. Finalmente, los resultados de la evaluación económica indican que la instalación de una planta híbrida como la propuesta en el Sistema Interconectado Central es un proyecto rentable dadas las condiciones actuales de generación. Sin embargo, se requiere de un escenario más favorable en términos de costos de inversión o de tiempo de despacho promedio para que la planta solar integrada no disminuya la rentabilidad de la planta híbrida. Además, se realizó un análisis de sensibilidad del cual se dedujo que la planta híbrida es altamente sensible a la variación de precios de combustible y al costo marginal del sistema interconectado, mientras que la planta solar como proyecto independiente es particularmente sensible a la potencia a la cual la planta es despachada, al costo de inversión y a la potencia mínima de la turbina de vapor.

Ingeniero Civil Químico / La biolixiviación de minerales de cobre en pilas es una tecnología establecida en la industria minera del cobre. Sin embargo, la rentabilidad de estos procesos se puede aumentar considerablemente si se aumenta la temperatura de operación de lechos minerales lixiviados, ya que esto puede activar la acción de microorganismos termófilos con el consecuente aumento en la eficiencia y la rapidez con que se extrae el cobre desde el mineral. El objetivo de este trabajo de título es evaluar preliminarmente la factibilidad técnica económica del calentamiento de pilas de biolixiviación mediante el uso de energía solar. Se analizó en particular un esquema tecnológico novedoso mediante el cual las pilas de biolixiviación se calientan mediante la incorporación de vapor de agua en el flujo de aire usado para la oxigenación del proceso. Para ello se desarrolló un modelo matemático que permitió evaluar el efecto del aumento de la temperatura, humedad y flujo del aire de alimentación sobre los perfiles de temperatura de la solución lixiviante a lo alto del lecho mineral. Se modeló el caso de una pila de biolixiviación de 10 metros de altura, altura promedio a las usadas industrialmente. En una primera etapa se modeló el caso en que el lecho es irrigado con un flujo de solución, L, de 12,060 lt/m2 hr y el flujo de aire, G, es 10,188 m3/m2 hr, y se estudió el efecto del aumento de la temperatura del aire entre 20 y 315ºC y las variaciones de humedad entre 0 y 0.1 Kg agua/Kg aire. Los resultados de esta etapa indicaron que es posible obtener un aumento en la temperatura de la solución lixiviante de 18 a 60 ºC cuando se aumenta la temperatura de entrada del aire a 100 y 315 ºC. Esto prueba que con este método sería posible activar los microorganismos termófilos, pero evitando la creación de zonas de calentamiento local que puedan dañar a los microorganismos lixiviantes. En una segunda etapa se modeló el sistema para L= 10 lt/m2 hr y G = 0.6 m3/m2 hr, valores más cercanos a los usados industrialmente. Los resultados de esta etapa indicaron que para mejorar la eficiencia del calentamiento hacia el interior del lecho es necesario subir 10 veces el flujo de aire y además aumentar la humedad del aire a valores sobre 0.05 Kg agua/Kg aire. Se efectuó un evaluación económica preliminar del uso de la energía solar para calentamiento de pilas de biolixiviación considerando un costo de inversión de 106 €/MW, un precio del cobre de US$ 3/lb, una pila de 2 hectáreas de superficie y 10 metros de alto, y un aumento de la recuperación de cobre del 29.29%. La que entregó un VAN = USD$ 9,695,251 una TIR = 34%, un IVAN = 58%, una potencia de planta termosolar necesaria del 11.13 MW y 1.85 hectáreas de superficie para estos equipos solares. Estos resultados demostraron un potencial económico existente en este proyecto, el cual debe ser objeto de mayores estudios a futuro.

Ingeniero Civil Electricista / El presente trabajo aborda los conceptos básicos, sobre electrónica, semiconductores de potencia, controladores digitales de señales y software de simulación en electrónica de potencia, para lograr diseñar y construir un inversor MPPT fotovoltaico de 2kW de potencia nominal que sirva como base para desarrollos en esta área. Se presenta una introducción al tema, los objetivos de la memoria y una breve descripción del estado del arte, conocimientos necesarios para desarrollar un equipo de estas características. En función de estos antecedentes se presenta el diseño y simulación de la primera etapa de conversión, correspondiente al módulo Boost, utilizado para realizar un seguimiento de máxima potencia al sistema fotovoltaico. A continuación, se muestra la segunda etapa de conversión, de corriente continua a alterna, mediante un puente inversor completo. Se diseñan los sensores a utilizar, que son de voltaje DC, voltaje AC, corriente y temperatura. Se presenta el diseño de las etapas necesarias de control realimentado, que se programan en un microcontrolador. Esta etapa incluye la determinación de la tensión de máxima transferencia, se sincroniza el inversor con la red y se limita el trabajo del equipo dentro de rangos seguros de operación. Con el software PSim, se simula cada etapa de conversión de potencia, lo que permite realizar un diseño rápido y seguro. Se logra probar los ciclos de control diseñados para el sistema y ver el tipo de comportamiento ante perturbaciones. Se presenta en detalle la fase de construcción de cada uno de los módulos diseñados, reportando los planos, dispositivos y elementos de integración. Se realizan pruebas de potencia para el módulo Boost y el Inversor, ajustando los sensores. Por último se realizan pruebas de control realimentado como seguidor de tensión y seguidor de fase. Se finaliza con los resultados de las características relevantes del equipo, como lo son la eficiencia (80%) y costo de construcción estimado ($1466 US), para luego realizar un análisis de recuperación del capital en base a la energía generada. Como trabajo futuro se requiere de las pruebas de inyección de potencia a la red y de transferencia de máxima potencia conectando un panel fotovoltaico como fuente primaria de energía.

La conexión de paneles solares fotovoltaicos a la red eléctrica puede llevarse a cabo mediante el empleo de inversores de potencia tipo VSI (Voltage Source Inverter). Los inversores pueden ser controlados en un marco de referencia estacionario (StRF, Stationary Reference Frame) mediante reguladores resonantes (PR) sintonizados tanto a la frecuencia de la red como a determinados armónicos habituales de la misma, de manera que permitan obtener un factor de potencia próximo a la unidad con una tasa de distorsión armónica (THD) en corriente dentro de los límites establecidos en las normativas de conexión a red. Para ello, es habitual estimar la fase de la red eléctrica mediante el empleo de un PLL en un marco de referencia síncrono (SRF-PLL, Synchronous Reference Frame-Phase Locked Loop). En la presente tesis se ha realizado un estudio sobre el efecto que las perturbaciones en la red eléctrica trifásica tienen sobre el SRF-PLL y los reguladores PR, y su repercusión en el deterioro del factor de potencia y en el THD en corriente del inversor, demostrando que dicho deterioro no permite, en determinados supuestos, cumplir las normativas anteriormente citadas, sobre todo si existe variación en la frecuencia de la red eléctrica de acuerdo a la tolerancia definida en distintas normativas, o bien cuando el inversor se encuentra conectado a redes de generación distribuida en situación de isla. Teniendo en cuenta que las perturbaciones más habituales son desequilibrio y distorsión armónica, para mejorar el rechazo de las mismas pueden emplearse diversas técnicas de filtrado convencional para el diseño de los reguladores PR y del SRF-PLL. No obstante, dichas técnicas se muestran poco eficientes cuando existe variación en la frecuencia de la red eléctrica. En la presente tesis se ha propuesto el empleo de técnicas de filtrado adaptativo, capaces de adaptar sus coeficientes de manera automática en función de la variación de la frecuencia de la red eléctrica. / González Espín, FJ. (2010). Técnicas de filtrado adaptativo aplicadas al rechazo selectivo de perturbaciones en inversores fotovoltaicos trifásicos [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/10082 / Palancia