En el Perú se produce una importante cantidad de té gracias a su geografía puesto que permite cultivar esta planta durante todo el año sin una mayor necesidad que el espacio. Dentro del proceso de producción, es evidente la necesidad energética en forma de calor. Como los lugares de producción se caracterizan por ser zonas rurales o con dificultad de alcance de energía eléctrica es imprescindible el uso de otra fuente de calor como es el caso de la leña. Este proceso de quema de leña para obtener calor conlleva, además de un desequilibrio ambiental por la tala de árboles y la generación de emisiones, a un gasto alto de dinero (6.6% del total de gasto de producción) por la necesidad de adquirir este combustible. Una alternativa viable para reemplazar al quemado de leña como fuente de energía es el uso de la radiación solar concentrada mediante un concentrador cilíndrico parabólico, como el que dispone el Grupo de Apoyo al Sector Rural (GRUPO-PUCP). Dicho concentrador, si es orientado perpendicularmente a la dirección de los rayos del sol, permite obtener la mayor cantidad de radiación incidente en el eje de concentración. Entonces, con un correcto funcionamiento de este sistema de seguimiento, se busca suplir en un 30% la energía generada por el quemado de leña. El estudio se estructuró en cuatro capítulos. En el capítulo 1, se realiza una breve introducción a la elaboración de infusiones de té en el Perú, así como también, se describe la problemática que abrió paso al tema de estudio. En el capítulo 2, se analiza el estado del arte, las tecnologías existentes para el secado de té, así como también la tecnología utilizada en seguimiento solar. En el capítulo 3, se plantean los objetivos, se selecciona la tecnología a utilizar, y se realizan los diseños necesarios para cumplir con los objetivos planteados. En el capítulo 4, se realizan las pruebas de funcionamiento, el análisis de resultados y se presentan las conclusiones y recomendaciones para futuros trabajos. / Tesis

La presente tesis se orienta a la producción limpia de H<SUB>2</SUB> a partir de sistemas de conversión de energía solar y eólica. Se analizan configuraciones de SGRHs (Sistemas de Generación Renovable de Hidrogéno), autónomas y asistidas por red, cuyo objetivo principal es el suministro adecuado de potencia al electrolizador. El modelado, análisis de la dinámica y diseño de control se efectúa aplicando conceptos de sistemas dinámicos híbridos. Para describir apropiadamente la interacción entre variables continuas y discretas típica de tales sistemas se emplea como herramienta matemática el autómata híbrido.

El escenario energético internacional permite visualizar que el uso de la energía solar tiene fuertes perspectivas de crecimiento. En este contexto, el objetivo general de este trabajo es contribuir al desarrollo de aplicaciones móviles energizadas con recursos renovables a través de la propuesta de un modelo de sistema fotovoltaico móvil para aplicaciones en tracción eléctrica. Se busca contar con una herramienta de diseño y análisis de paneles fotovoltaicos de geometría variable, formados por distintos tipos de celdas solares. Se establece el estado del arte en tecnologías fotovoltaicas y aplicaciones móviles de tracción eléctrica que utilicen energía solar, junto con estudiar los antecedentes teóricos que explican los fenómenos relacionados directamente con la radiación solar en la Tierra y el comportamiento de celdas solares ante la radiación. Asimismo, se desarrolla e implementa un modelo de comportamiento de celdas fotovoltaicas específicas que incluya la radiación espectral. Para realizar este modelo, denominado “modelo integrado”, se consideran tres grandes bloques. El primer bloque corresponde al modelo que entrega la radiación solar para un conjunto de planos (celdas solares), el que se selecciona de la literatura especializada en el tema y atendiendo a los requerimientos específicos de aplicaciones móviles. El segundo bloque corresponde al modelo de comportamiento de un panel solar, el cual se subdivide en tres subbloques, los que corresponden al modelo térmico para una celda, el modelo de comportamiento de una celda solar y el modelo que entrega el comportamiento de un conjunto de celdas solares interconectadas. Este modelo permite caracterizar genéricamente un panel formado por celdas solares, y es implementado para las celdas específicas del auto solar Eolian I desarrollado en la Universidad de Chile en el marco de este trabajo. Para este fin, se desarrolla y utiliza una metodología de estimación de parámetros para las celdas consideradas. Finalmente, el tercer bloque del modelo integrado se desarrolla sólo para el caso de Eolian I, el que corresponde al modelamiento de su superficie y obtención de las variables que definen la posición geométrica de sus celdas. Este tercer bloque es necesario para el modelo integrado. En el caso de considerar otra superficie “irregular” es posible adaptar el procedimiento propuesto para Eolian I. Los resultados del modelo de radiación solar, indican que sistemáticamente él entrega valores mayores de radiación solar respecto de los medidos en Santiago, teniéndose diferencias entre 50[W/m2 ] y 80[W/m2 ]. A su vez, el modelo implementado para un panel solar, entrega resultados con errores inferiores al 7% en todas sus variables, excepto en el modelo térmico, en donde dicho error llega hasta un 15%, lo cual no repercute mayormente en el modelo integrado ya que el error promedio del modelo térmico es del orden de un 6%. Los resultados obtenidos mediante el uso del modelo integrado, y la ejecución de pruebas experimentales, indican que los paneles del vehículo solar Eolian I presentan graves daños, que hacen inutilizable los paneles Spectrolab DJ (aproximadamente un sexto de todo el panel). El resto del panel, formado por celdas SunPower A300, también presenta daños importantes, teniéndose que los cuatro paneles independientes entregan un 59%, 76%, 75% y 56% de la potencia esperada. Los daños del sistema de paneles fotovoltaicos hacen que su eficiencia promedio sea sólo de un 7,3%, y que se tenga una pérdida en la generación de energía diaria de un 58,9% en un día con una alta radiación solar incidente. Sin embargo, el modelo desarrollado es capaz de reproducir adecuadamente los resultados obtenidos, por lo que se proyecta como la base de desarrollo de geometrías y agrupaciones de paneles para aplicaciones de tracción móviles. Como trabajo futuro se propone considerar una corrección de la radiación solar en base a datos reales medidos y poder calcularla para un panel que esté desplazándose sobre la superficie terrestre; además, incorporar el cálculo automático de sombras sobre la superficie “irregular” del panel con la que se trabaje, poder realizar giros de ella en torno a los 3 ejes espaciales, e integrar al modelo diodos de “bypass” conectados al panel fotovoltaico. Asimismo, se propone implementar un modelo de optimización que determine para una distribución dada de celdas su conexión óptima, en base al modelo integrado desarrollado.

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.

La eficiencia energética y la búsqueda de nuevas fuentes de energía han llevado a investigar aplicaciones de la energía solar para generación de energía Eléctrica. Un colector solar parabólico, junto con un ciclo de vapor para generación o un motor Stirling, pueden ser alternativas válidas de implementación para generación distribuida (GD), sobre todo en regiones de Chile donde existe una alta radiación solar. Los objetivos generales de este trabajo son mostrar que la energía necesaria para desarrollar el seguimiento solar del colector parabólico es mínima en comparación a la capacidad de generación de éste y determinar experimentalmente la radiación incidente y la temperatura en el foco del colector a lo largo del día. Tomando en consideración los requerimientos de flexibilidad, robustez y economía, se selecciona un sistema de seguimiento altitud-azimut de tipo ecuatorial. Este sistema se diseña, se simula y se construye para seguir de forma autónoma al sol. La radiación incidente sobre un foco de concentración de una superficie es calculada a través de un modelo genérico de reflexión de rayos en forma de conos provenientes desde el sol, los cuales forman una zona focal de diámetro dependiente de la calidad del material reflectante. Con este diámetro es posible calcular la capacidad de concentración del colector y la radiación incidente en él. Se construye un receptor para el foco, en el cual se puede medir la temperatura y estimar la radiación incidente, permitiendo su contraste con los valores teóricos. Se encuentra que la energía necesaria para realizar el seguimiento solar no es superior a 20 [Wh] por día, lo cual no supera el 1% de los 2500 [Wh-día] que un generador de 500 [W] nominales es capaz de generar. Las curvas de temperatura y radiación determinadas experimentalmente en el receptor se ajustan a lo esperado teóricamente, por lo cual se cuenta con un modelo que puede predecir bajo cualquier condición el valor de estos parámetros. De esta forma, los resultados de este trabajo sirven de base para la propuesta de sistemas de concentradores solares para aplicaciones en GD. Como trabajo futuro está la construcción en el colector de algún tipo de generación, ya sea un ciclo de vapor o un motor Stirling. También se recomienda implementar un control y monitoreo de tipo remoto, con el cual se pueda tener acceso a información del sistema a tiempo real y dar acciones de mando desde cualquier lugar con acceso a Internet.

El presente documento es el informe final del Trabajo de Titulo, ME69F, de Jorge Coronado. El tema de trabajo de titulo del alumno de Ingeniería Mecánica es el análisis numérico del flujo energético en tres dimensiones para el estudio de colectores solares concentradores. Este tema se justifica por el uso y el potencial de esta tecnología en el país y por el real alcance que pueda tener una herramienta de este tipo. Este programa es una herramienta para el estudio de colectores solares con concentración. Se escogio utilizar un método numérico debido al gran avance de iteración y modelamiento de los programas computacionales. En este contexto el método numerico posee grandes ventajas por sobre otros métodos. El análisis numérico se hace mediante el desarrollo de un programa computacional escrito en Matlab, debido a uso capacidad de graficar en 3 dimensiones y su uso en el mundo científico. El programa analiza el flujo energético mediante un método numérico para distintos tipos de colectores solares concentradores con receptores planos utilizando un sistema de trazado de rayos del tipo Monte Carlo. El resultado se entrega mediante una imagen del flujo energético en 3 dimensiones en el receptor para así potenciar el uso de colectores solares en distintas aplicaciones. Los resultados son de acuerdo con los objetivos; se logra visualizar el flujo energético y las iteraciones aleatorias (Monte Carlo). El programa se utilizo para analizar sistemas y condiciones simples para así en el futuro poder analizar sistemas más complejos. El programa fue escrito de forma sistemática para que pueda ser utilizado como una herramienta de trabajo para analizar otros sistemas mas específicos.

La radiación solar puede ser aprovechada en forma de calor o de electricidad. El calor se aprovecha mediante paneles solares térmicos y la electricidad a través de paneles fotovoltaicos. Chile es un país privilegiado gracias a su ubicación geográfica, ya que tiene altos índices de radiación solar, la que puede ser aprovechada en un gran porcentaje de su superficie. Por otra parte, el país depende fuertemente de la importación de insumos energéticos cuyos precios presentan una fuerte tendencia al alza. Lo anterior hace que surjan atractivas diferentes alternativas de energías no convencionales, como lo es el caso de la energía solar. Dada la falta de información de este mercado en Chile es que el presente trabajo tiene por objetivo analizar y caracterizar el mercado de los paneles solares en el país para conocer las oportunidades de negocio y proyectar el mercado a mediano plazo. Para cumplir con este objetivo, se realiza un listado de las empresas chilenas vinculadas al rubro de los paneles solares, para luego, mediante encuestas, obtener información relevante para analizar este mercado. Posteriormente, se realiza un estudio de viabilidad económica para conocer la rentabilidad de la utilización de paneles solares en el sector residencial. Finalmente, se realiza una proyección de la demanda a través de métodos cuantitativos y cualitativos, como son regresiones matemáticas y el método Delphi, ajustando los valores obtenidos de acuerdo a conceptos del ciclo de vida del producto. El panel solar térmico ha alcanzado valores competitivos desde la XI región del país al norte, amortizándose en un período inferior a 5 años en la RM si se compara con la utilización de gas licuado, obteniendo un VAN de $1.000.000 en 20 años con una tasa de descuento del 12%. No así para el panel fotovoltaico, que tiene un retorno negativo en todas las regiones del país para el sector residencial. En cuanto a la oferta, se tiene que el 83% de las empresas son micro o pequeñas, en un mercado que se encuentra bastante concentrado. La mayor demanda existe en la zona central (63%) seguida del Norte Grande (23%) en el año 2007, año en el cual se instalaron 6.300 m² en Chile; un 60% de aumento en comparación al año 2006, sumando una superficie total de 11.100 m². Se espera un aumento de un 40% anual para los próximos 5 años, pronosticando que la demanda aumente a 70.000 m²/año en el 2020. Se puede concluir que el mercado de los paneles solares en Chile tiene un gran potencial de crecimiento y existen numerosos sectores de alta rentabilidad que aún no han sido explotados. Es necesario realizar mejores esfuerzos de marketing, tales que permitan aprovechar mejor el negocio de la energía solar en todas las zonas del país donde es rentable su utilización.

La aplicación directa de la energía solar para la generación de electricidad se puede realizar a través de sistemas de concentración termal, compuestos por tres sub-sistemas; uno colector y concentrador de energía radiante, uno receptor de ésta que la transforma en energía térmica y un sistema de conversión de potencia, que genera electricidad. El objetivo principal del trabajo fue el de aportar elementos cuantitativos para futuros diseños de este tipo de sistemas en Chile, al realizar un estado del arte de la tecnología y una evaluación técnica de una planta de generación termosolar de electricidad, además de la estimación de la inversión que ésta requiere. Existen diversos sistemas termosolares de concentración, que se clasifican de acuerdo al seguimiento solar que realizan, o la temperatura que alcanzan en su concentración. Dentro de los sistemas de seguimiento solar en un eje y de temperatura media (~400°C), están los colectores cilindro-parabólicos, los reflectores lineales Fresnel y los reflectores lineales compactos Fresnel. Entre las tecnologías de seguimiento solar en dos ejes y temperatura alta (sobre 800 °C) se encuentran los discos paraboidale s, los sistemas de receptor central y los sistemas de receptores centrales distribuidos. Entre las tecnologías de baja temperatura (~100°C), destacan las chimeneas solares. En este trabajo se evaluó una planta de colectores cilindro-parabólicos, por ser la tecnología más desarrollada, para el norte de Chile. Para esto, se escogió la ciudad de Calama como posible localización por sus altos índices de radiación solar y favorables condiciones para la distribución de la energía generada. La planta evaluada posee un conducto, ubicado en el punto focal de la parábola, por donde circula un fluido térmico como sistema receptor y una turbina de vapor como sistema de conversión de potencia. La planta posee 60 colectores, con un área de captación total de 32.700 [m2 ] y un funcionamiento de 4.745 horas al año para una generación anual de 16,8 [GWh]. La generación máxima diaria no supera los 9 [MWh] para aprovechar la exención de pago de peaje de distribución fijada por la ley 19.940, que regula el sistema eléctrico en Chile. Una estimación preliminar de la inversión a realizar arroja que es necesario invertir aproximadamente 1.900 [US$/kW instalado], considerando los equipos e insumos principales. Este valor se obtuvo utilizando información basada en estudios internacionales, realizando cotizaciones nacionales de los espejos a utilizar y modificando el diseño del receptor para reducir costos con respecto a valores internacionales. Además, se evaluaron los posibles ingresos adicionales al proyecto producto de la venta de bonos de carbono. De acuerdo con los resultados obtenidos, se recomienda complementar el presente trabajo con un estudio similar de pre-factibilidad técnica y económica que permita determinar de manera más precisa los costos y el valor final de la energía producida.

Este trabajo tiene como objetivo principal evaluar la factibilidad técnica y económica de una central de generación de energía eléctrica termo solar. Para lograr este objetivo, se evaluó en primer lugar, la energía proveniente de la radiación solar en el norte grande de Chile, considerando las condiciones geográficas y climáticas. Adicionalmente a lo anterior, se analizaron las diversas tecnologías que existen hoy en día para el procesamiento de la energía directa del sol, comparando sus virtudes y defectos para su aplicación en Chile. A partir de la información disponible de experiencias extranjeras en este tipo de tecnologías fue posible extrapolar magnitudes y costos, y comprender los aspectos relevantes para evaluar un proyecto de esta naturaleza en Chile. En este contexto se determinó, en primer lugar, el potencial de energía solar anual existente en las primeras tres regiones de Chile, que es igual a 70 [GW]. Adicionalmente, se estimaron factores y parámetros generales para poder dimensionar una central termo solar en base a paneles cilindro-parabólicos, y, también, la superficie de terreno utilizada y la energía generable anualmente. Se estudió los beneficios ambientales y económicos de generar electricidad a través de centrales solares, viéndose reflejados estos ingresos económicos en la venta de bonos de carbono a países desarrollados. También, se estudió el efecto que generará en la evaluación económica la ley de fomento de las energías renovables. Luego de haber dimensionado una central estándar y de estimar sus costos de inversión y operación, se hizo un análisis de rentabilidad, determinando que aún no se obtiene un VAN positivo en este tipo de proyectos (VAN = -31,5 millones de US$ y una TIR de 8,27%). Sin embargo, se prevé que todos los costos relacionados a la energía solar irán decayendo en los próximos años, producto de un mejoramiento de las tecnologías y del aumento en las escalas de las ventas. Finalmente, por tratarse de una tecnología limpia, seguramente su implementación será incentivada por diversas políticas estatales y mundiales.

El objetivo general del presente trabajo de título es estudiar la viabilidad de obtener celdas solares de bajo costo, con la finalidad de fabricar una celda solar con los equipos y tecnología disponibles en la actualidad en la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile. Para esto se estudiaron las etapas de obtención de una celda solar, tal como el proceso de formación de textura en el sustrato, deposición y difusión de distintas capas dopantes y formación de contactos metálicos. En la actualidad, nuestra facultad ha considerado la importancia que existe en la investigación de este tipo de energía. Es por esto que la Dra. Denise Criado, del Departamento de Ciencias de los Materiales de la Universidad de Chile, ha iniciado esta línea de investigación, comenzando con la fabricación y caracterización de películas delgadas para aplicación en celdas solares de bajo costo en un laboratorio convencional. Sin duda, para desarrollar esta tecnología es necesario disponer de un laboratorio con las características adhoc, el cual no está disponible. Por lo tanto, es necesario reacondicionar equipos e instalaciones para cumplir los requerimientos mínimos de fabricación y limpieza. Los procesos iniciales de fabricación fueron destinados para acondicionar y mejorar las condiciones de construcción y poder definir factores que influían de forma relevante en los flujos de corriente del dispositivo definitivo. Para esto se determinaron volúmenes óptimos de películas a través de los experimentos y literatura, tiempos óptimos de exposición y deposición dentro de los diversos procesos involucrados. Se logró fabricar una juntura de aluminio, silicio y fósforo, para posteriormente depositar contactos metálicos y así lograr medir flujos de corriente. A su vez, se probó una celda solar, donde los contactos eran proporcionados por un polímero conductor. De estas medidas se logró determinar la existencia de aumentos en el flujo de corriente, tanto en junturas con contactos poliméricos como en junturas con contactos metálicos comparadas con medidas realizadas a la juntura sin contacto. El mayor aumento en el flujo de corriente fue obtenido en una celda con contactos metálicos, llegando cerca de 49 mA, por sobre el flujo de 3,3 mA obtenido en celdas con contacto polimérico, sobre probetas de 1 in2 . Se obtuvo una eficiencia de 1,5 % para la celda de contactos metálicos, valor que puede aumentar mejorado procesos que lleven a un mejor contacto metálico, disminuir resistencias en el cuerpo de la celda y en los contactos, disminuir impurezas, mejorar gradiente de difusión y minimizar contacto lateral entre capas.