Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / En el siguiente documento se muestra el proceso de diseño y construcción de un sistema undívago para extracción de energía de las olas del mar. El documento comienza con un acercamiento a esta materia destacando el recurso energético disponible en las olas del mar, las tecnologías que hoy lideran el mercado y su clasificación. Luego se detalla el equipamiento experimental construido e instalado en el laboratorio, previo y necesario para el diseño del sistema undívago. Se construye un generador de olas y se deja instalado en el estanque de agua del laboratorio de Síntesis de Máquinas Inteligentes del DIMEC . El costo del generador de olas es de $54.500. La etapa de diseño está caracterizada por la elaboración de modelos a escala que se prueban en el estanque de agua y el generador de olas. Se selecciona una estructura a construir y se realizan modelos analíticos del comportamiento dinámico que tendría la estructura en el ambiente marino. Luego se diseña la estructura final con todos sus componentes mecánicos, procurando que pueda ser construida en los talleres de la FCFM y el laboratorio de Fabricación Digital (Fab Lab) de la Universidad. Se elaboran los planos de las piezas a fabricar y la lista de materiales a comprar. El capítulo 5 muestra todos los procesos de manufactura utilizados para la construcción de las piezas diseñadas, adjuntando fotos y descripciones detalladas. Se construye el sistema y se nombra Nahuenrew, que en la lengua Mapudungun significa energía de las olas. Se realiza una prueba a Nahuenrew en el ambiente marino, en la playa de Pichidangui. Los resultados fueron más bajos de lo esperado pero satisfactorios pues se cumplen los objetivos propuestos para el trabajo. El costo del sistema Nahuenrew es de $658.000. Finalmente se analiza el comportamiento del sistema Nahuenrew durante la prueba en el ambiente marino y se propone mejoras que pueden ser ejecutadas tanto en el corto plazo como otras más elaboradas que requieren tiempo. Se estima también la potencia que sería posible generar mediante un aerogenerador ideal con la energía extraída durante la prueba. Esta potencia tiene un límite máximo de 50[W].

Ingeniera Civil Mecánica / La energía undimotriz es una energía limpia, abundante y promisoria, pero aún no se ha explotado a gran escala. Como consecuencia, existen prototipos que aprovechan de manera distinta las olas incidentes según distintos supuestos de operación. La zona sur y central de Chile aparece con una de las mayores concentraciones de energía undimotriz en el mundo. Esto, sumado a la extensión de su costa, lo hace atractivo para llevar a cabo una evaluación en profundidad de las posibilidades de explotación del recurso. El objetivo del presente trabajo es obtener y analizar la potencia generada por un conversor undimotriz oscilante bajo las condiciones de oleaje de la costa chilena, mediante la simulación en Ansys ® AqwaTM y WEC-Sim de distintas geometrías. El dispositivo corresponde a una placa de grandes dimensiones que se encuentra fija en el fondo marino y que oscila por la incidencia de las olas accionando dos pistones hidráulicos. El circuito hidráulico incluye acumuladores de alta y baja presión, un motor hidráulico y un generador eléctrico. Primero se seleccionaron 5 ubicaciones cercanas a la costa y con distinto recurso con la ayuda del Explorador Marino Undimotriz. La profundidad de los sitios seleccionados fue de 14 metros. Luego se crearon 3 geometrías distintas en SolidWork® para la placa oscilante basadas en un dispositivo existente llamado Oyster ® que fue desarrollado por la empresa Aquamarine Power Ltda.. Después se define el sistema en Ansys ® Hydrodynamic DiffractionTM para obtener, a partir de la simulación, coeficientes hidrodinámicos en un rango de frecuencias. Estos coeficientes son necesarios para el cálculo de las fuerzas de difracción y de radiación presentes en la ecuación de movimiento de la placa. Los datos inerciales de la geometría más los coeficientes hidrodinámicos permiten, mediante la simulación en WEC-Sim, calcular las potencias obtenidas por el dispositivo, esto es, potencia absorbida, mecánica y eléctrica. Para conseguir las potencias se asumieron olas regulares, el flujo del pistón se consideró compresible y se omitieron las distintas variaciones que pueden presentarse en el circuito hidráulico. Los resultados muestran que de las 3 geometrías, la placa basada en Oyster® es la que mejor se comporta alcanzando niveles de potencia de 700 kWe en uno de los sitios cercanos Puerto Montt. Esto además sucede para una ubicación cercana a Puerto Corral y con un factor de captura de 55% a 60% en ambos casos. Con respecto a las ubicaciones estudiadas, para las 3 geometrías se presentó una mejora en su desempeño en Puerto Montt y Puerto Corral, además, todos generan su menor potencia en Puerto San Vicente. De todas maneras la potencia generada no es lo único importante en el estudio de estos dispositivos, sino que también importa la variabilidad del recurso estacional, que para el caso de Chile es baja, permitiendo generar no sólo un buen nivel de potencia, sino que además se mantiene en el tiempo. Por último, se realizó un estudio de la variación de la potencia en función del periodo de ola y su altura, para rangos típicos de las olas chilenas. Analizando las 3 geometrías con el estudio, se observó que el dispositivo con geometría similar a Oyster presenta la mayor estabilidad de funcionamiento con respecto a la variabilidad del recurso.

Chile es un país que posee una alta dependencia energética de combustibles fósiles que se deben importar, por lo que ha debido impulsar el uso de energías renovables no convencionales (ERNC) en generación eléctrica. Este plan, en un futuro próximo, traerá consigo una incorporación masiva de medios de generación no convencionales (MGNC) en los sistemas interconectados del país. Para aquellos nuevos inversionistas que quieran participar en el sector de generación mediante ERNC, el presente trabajo de título da a conocer, de una forma clara y simplificada, la información acerca del mercado y sector eléctrico, con el objeto de entender la operatividad y el manejo desde una perspectiva técnica, comercial y legal de este sector. En este trabajo se realizó una revisión exhaustiva de todas las materias relacionadas con ERNC, introduciendoal lector en el concepto de Generación Distribuida, Bonos de Carbono, Mercado y Sector Eléctrico Chileno. Además, se efectuó un estudio técnico, económico y regulatorio relacionado con MGNC en sistemas interconectados. Para verificar el impacto que causa el ingreso de un pequeño medio de generación distribuida (PMGD) en un alimentador real, se realizaron simulaciones con el programa Power Factory de DigSILENT. Se estudiaron detalladamente, las principales variables y efectos que se producen en la incorporación de PMGD en sistemas de distribución de media tensión. Para ello, se desarrollaron dos estudios de impacto eléctrico: un Estudio de Flujo de Potencia y un Estudio de Costos de Pérdidas. De los análisis y simulaciones realizados se observa lo siguiente: Uno de los incentivos más relevantes que se han creado normativamente, ha sido el sistema de cuotas de ERNC. Este mecanismo de apoyo a las ERNC, impulsado en Chile, busca financiar el costo adicional de la generación con MGNC y garan­tizar la producción de una cierta cantidad de energía proveniente de fuentes de energía renovable, pero aún no se han creado las herramientas para evitar la incertidumbre que existe con respecto a este sistema. Los estudios de impacto eléctrico deben dejar en claro cuál es el impacto que produce la incorporación de un PMGD ya sea, en equipos eléctricos, protecciones, entre otros. No se debería exigir mayor nivel de detalle que el que se les exige a estudios de proyectos de generación tradicional. Se pudo determinar que no siempre el ingreso de un generador distribuido disminuye las pérdidas en la red de distribución donde está conectado, el que aumente o disminuya el nivel de pérdidas con respecto al caso sin PMGD, depende de la configuración de la red, distribución de cargas y punto de conexión dentro de red eléctrica correspondiente, por lo que en cada proyecto se debe estudiar en forma independiente el impacto que generará el PMGD en la red de distribución. Se observa la relevancia de encontrar una ubicación apropiada para el PMGD, que permita una alternativa técnicamente viable y además, permita reducir los costos de conexión. Es conveniente que el estudio de flujos de potencia se realice en forma simultánea con el estudio de costo de pérdidas eléctricas, debido a que la valorización de las pérdidas permite desechar o elegir una alternativa de conexión, por su gran influencia en los costos de conexión. El desarrollo del presente trabajo de título permitió definir ciertas líneas de investigación que se necesitan estudiar para poder fomentar el ingreso de MGNC en sistemas interconectados. Sobre la base de lo anterior, este trabajo de título plantea una guía técnica, económica y regulatoria para el ingreso de MGNC en sistemas interconectados y se espera sea una base para futuras investigaciones, relacionadas especialmente, con MGNC y Generación Distribuida.

El cambio climático se define por la Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) como una “Importante variación estadística en el estado medio del clima o en su variabilidad, que persiste durante un período prolongado”. Los nuevos fenómenos climáticos tendrán efectos en diversas actividades y en particular en el sector eléctrico. Es necesario hacer análisis de estos efectos a largo plazo, con el fin de adaptarse a los sucesos futuros. La presente investigación estudia la forma en que el cambio climático puede afectar al Sistema Interconectado Central (SIC) en Generación, Transmisión y Consumo, durante el siglo XXI. Actualmente el SIC se compone principalmente de energía hidroeléctrica y termoeléctrica. El consumo más importante se ubica en Santiago y, debido a la configuración radial del sistema, este es vulnerable a experimentar congestión en las líneas, puntos donde las condiciones climáticas más hostiles podrían causar riesgo en la seguridad del sistema. En esta investigación se hace un estudio de las variables climáticas en ciertos puntos de mayor vulnerabilidad del SIC y se indican sus posibles efectos. Se realizan estimaciones de demanda eléctrica y se configuran las matrices de generación, para tres escenarios de estudio (Pesimista, Optimista y BAU). Finalmente se hace un análisis de flujo de potencia en el SIC para los escenarios anteriormente indicados, considerando cuatro periodos de evaluación. Se concluye que el efecto de aumento de temperaturas y disminución de precipitaciones reducirá la generación hidroeléctrica y afectará a la eficiencia de las plantas termoeléctricas. En el sistema de transmisión, el aumento de temperaturas producirá disminución de la capacidad de los conductores. En cuanto a la demanda eléctrica, se prevé un aumento debido al crecimiento del PIB y por los nuevos consumos proyectados, por ejemplo: el auto eléctrico y la demanda por sistemas de aire acondicionado. Estos cambios en la demanda producirán un cambio en las curvas de carga, lo que implica nuevos patrones en los peak de demanda. Por lo expuesto, es necesario incrementar la capacidad en el sistema de transmisión. Este sistema deberá ser renovado y ampliado para aumentar la confiablidad, evitar la congestión y acceder a puntos de generación remotos comúnmente asociados a fuentes de energía renovables. Si las infraestructuras de transmisión son insuficientes, existe una clara amenaza a la integridad del sistema.

Ingeniero Civil Elctricista / Esta memoria está enfocada en el estudio de conexión de una central eólica al sistema de distribución y la compensación de los reactivos necesaria para que no se produzcan impactos negativos en la operación de una red de distribución. Las restricciones técnicas presentes en las redes de distribución limitan los puntos de conexión para medios de generación distribuido, por eso la necesidad del desarrollo de estudios avanzados del cumplimiento de las normas vigentes al momento de conectarse a una red eléctrica de distribución. En este trabajo se estructura los pasos a seguir para los análisis de las diferentes variables a considerar al momento de conectar un Pequeño Medio de Generación (PMG) a una red de distribución, en este caso específico un parque eólico con compensación de reactivos. Para esto, el trabajo se divide en 3 etapas; primeramente se realiza la investigación de las diferentes tecnologías disponibles para un parque eólico junto con la planificación futura esperada en Chile para este tipo de Energía Renovable No Convencional (ERNC). En la segunda etapa se efectúan los estudios estáticos del alimentador, el cual se proyecta sin el parque eólico por un periodo de 15 años utilizando la tasa de crecimiento enviada por la distribuidora; con esto se busca establecer si existe la necesidad de realizar mejoras o ampliaciones en éste. Por último se realizan los estudios de impacto en el año de conexión del parque y su influencia sobre la red de distribución, para ver las implicancias de la conexión e inyección de potencia y energía, bajo diversos escenarios de estudios que considera casos extremos del alimentador. Se analizó el impacto en los niveles de tensión, en la carga de la línea, los reactivos, factor de potencia y reemplazo de equipos. En conclusión, el análisis permitió corroborar que sí existen impactos en la red de carácter negativo, y por medio de la instalación de un banco de condensadores de 100 kVAr, en el mismo punto de conexión, se logra mantener el factor de potencia en el rango establecido en la NTSyCS. Se proponen como estudios futuros los análisis de Coordinación de protecciones, Estudios de cortocircuito y Estabilidad transitoria.

Ingeniero Civil Mecánico / El sistema muro Trombe se compone de un canal de colección -con un vidrio para colección de radiación solar-, un muro acumulador de calor con rendijas en sus partes superior e inferior, y un espacio habitable. El aire se calienta por contacto con el muro, que constituye la fuente térmica, y recircula entre el colector y el espacio habitable. En esta memoria se desarrolla un modelo bidimensional transiente del sistema muro Trombe, con dimensiones cercanas a las de una realización real de este concepto, considerando como fenómenos principales la acumulación térmica del muro y el efecto del empuje térmico. Para realizar el modelo se eligió el software Comsol 3:5a, un software multi-físico presente en los computadores del departamento. Para plantear los modelos, se adquirió un computador especial, dados los exigentes requisitos de las simulaciones, en cuanto a memoria se re ere. Con el propósito de obtener familiarización con Comsol y además, para estudiar el comportamiento de las variables involucradas, se desarrolló inicialmente un modelo a escala reducida. El aire se consideró como gas ideal y el movimiento de éste vendría dado por una fuerza de empuje. El muro, de ladrillo, tiene aplicado un flujo de calor constante de 500 [W/m2] en la cara que da hacia el canal de colección. Para evitar colapsos del sistema computacional, se fue guardando archivos con intervalos de 10.800 [s]. Para validar el modelo se estudió el alcance del régimen permanente, un balance de calor, la eliminación de las pérdidas por radiación y un re namiento de la malla. Los resultados del ensayo fueron satisfactorios, pues claramente se cumple el ciclo de circulación del aire, se alcanzó el régimen permanente y se determinó que el aporte de la radiación fue nulo, por lo cual se decidió simpli car el modelo. En el modelo a escala real, se usaron las dimensiones habituales en la construcción de viviendas. Los parámetros y condiciones de borde fueron los mismos utilizados en el modelo pequeño, pero las simulaciones fueron realizadas en intervalos de 1.800 y 3.600 [s]. El modelo no alcanzó el régimen permanente y presentaba oscilaciones en la temperatura desde los 12.500 [s] aproximadamente. Al re nar la malla, los resultados mejoraron. Antes de analizar los resultados se decidió estudiar 2 nuevos modelos con un flujo de calor constante de 250 [W/m2] con y sin rendijas -en este último el muro tiene un alto equivalente al del espacio habitable-. En simulaciones de varias horas de tiempo real se obtuvieron las tasas de circulación a través de las rendijas, las pérdidas a través de los vidrios y el aporte de la transferencia de calor por convección y conducción al espacio habitable, todas ellas en función del tiempo. La transferencia de calor al espacio habitable se realiza principalmente por conducción a través del muro, especialmente para tiempos largos. La circulación del aire pierde importancia gradualmente como aporte de calor a ese espacio, aunque es un medio efectivo de control de pérdidas de calor por el colector en el muro con rendijas.

Ingeniero Civil / De acuerdo a estudios, se estima que el consumo de energía en Chile podría duplicarse en los próximos 10 años. Por este motivo, se deben buscar fuentes alternativas de energía para abastecer el consumo energético del país. Una de las soluciones existentes es la implementación de un sistema conocido como Net Metering, mediante el cual las viviendas pueden ser micro-productoras de energía eléctrica. Los objetivos de este trabajo consisten en analizar, desde los puntos de vista técnico, económico y legal, la implementación del sistema en Chile. La evaluación económica se realizó basándose en la implementación del sistema en dos viviendas de distinto consumo energético de la Región Metropolitana. En cuanto a los aspectos legales, el sistema se podrá implementar en Chile, debido a la existencia de un proyecto de ley, a la fecha en discusión en el Senado de la República, que autorizará su uso. La infraestructura actual permite su implementación; sólo se debe agregar un medidor adicional para medir el flujo en ambos sentidos, por lo que no significaría un gran costo para el usuario. En cuanto a la evaluación económica, se determinó el periodo de recuperación de la inversión y el ROI a los 25 años (vida útil de paneles fotovoltaicos) para ambas viviendas. Se consideraron 3 casos: invertir con la situación actual, invertir suponiendo una mejora en la eficiencia energética de la vivienda e invertir asumiendo un subsidio al IVA por la adquisición de la infraestructura. Además, para todos estos casos se consideró la posibilidad de pedir un préstamo a 2 y 5 años. Según la evaluación, se concluyó que, primero que todo, debe ser vista como una inversión a mediano o largo plazo, ya que los periodos de recuperación de la inversión son superiores a los 10 años. En general, dicho período es independiente del consumo de la vivienda, si se considera el mismo porcentaje de aporte en relación a este. Invertir en mejorar la eficiencia energética o adquirir la infraestructura mediante un subsidio, son dos factores que acortan el periodo de recuperación de la inversión. Además, se concluyó que pedir un préstamo alarga el período de recuperación de la inversión y reduce la ganancia total a los 25 años.

Ingeniero Civil Electricista / El presente trabajo pretende dimensionar el efecto de la intermitencia de la generación eólica en el SING sobre los requerimientos de regulación de frecuencia en el año 2020. Para ello se proponen dos objetivos. El primero es cuantificar la modificación de las reservas energéticas primaria y secundaria, producto de la inyección de los aerogeneradores. El segundo corresponde a evaluar la respuesta del control primario de frecuencia ante variaciones intempestivas de viento. Debido a la incertidumbre sobre la composición renovable de la matriz energética al año 2020, se desarrolló e implementó una metodología en base a la información disponible en el Servicio de Evaluación de Impacto Ambiental, para la generación de escenarios plausibles. Esto permitió incorporar una sensibilidad respecto de la potencia instalada total, expresada en el desarrollo de tres escenarios: integración baja, media y alta. Al 2020, las estimaciones de potencia eólica son las siguientes: 567[MW] (caso bajo); 983[MW] (caso medio); y 1.344[MW] (caso alto). A partir de estos valores, y para cada escenario de integración, el estudio realiza una caracterización de la evolución temporal y espacial del viento al interior de los parques eólicos. La evaluación de los escenarios generados permite concluir, con un 97% de certeza, que los requerimientos de reserva primaria se mantienen constantes respecto de sus valores actuales (70[MW]). Sin embargo, la reserva secundaria asciende a 135[MW] para el caso de integración bajo; 158[MW] para el caso medio; y 189[MW] para el caso alto (actualmente su valor es de 60[MW]). Por otra parte, la respuesta del control primario de frecuencia ante grandes variaciones de viento es favorable. La excursión de frecuencia eléctrica se mantiene en rangos aceptables en torno al valor nominal en todas las simulaciones realizadas. Se concluye que la regulación de frecuencia primaria no se deteriora respecto de la situación actual. Sin embargo, se proyecta un crecimiento de los requerimientos de reserva secundaria. Por ello, se recomienda buscar alternativas de almacenamiento energético para apoyar la operación del control secundario de frecuencia.

Ingeniera Civil Eléctrica / Este trabajo tiene como objetivo principal determinar un lugar que posea un alto potencial eólico y una alta radiación solar, para obtener un máximo aprovechamiento de estas energías renovables mediante una central mixta fotovoltaica-eólica. Para llevar a cabo este proyecto, primero se dan los conceptos básicos de energía solar fotovoltaica y energía eólica, abarcando sus generalidades, características, consideraciones, las centrales que utilizan estas energías y sus aplicaciones actuales. Se proponen y determinan distintos lugares adecuados para el emplazamiento de la central mixta fotovoltaica-eólica, haciendo un catastro de radiación solar y potencial eólico en cada uno de estos lugares, utilizando las herramientas Explorador Solar y Explorador Eólico del Departamento de Geofísica de la Universidad de Chile, con los cuales se encuentra que existen tres lugares óptimos, siendo éstos Calama, Taltal y Vicuña. Se determina, finalmente, mediante superposición de radiación y viento, que el mejor lugar se ubica en Calama, donde se ha considerado como una buena opción la localidad de San Francisco de Chiu Chiu para el emplazamiento de la central mixta fotovoltaica-eólica. Se procede con el desarrollo del proyecto utilizando como supuesto que la demanda de energía de San Francisco de Chiu Chiu se comporta similar a la demanda de energía de la localidad de Ollagüe, de la cual se tiene los datos gracias a un estudio del Centro de Energía de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile (CE-FCFM). Se obtiene, así, una demanda aproximada para San Francisco de Chiu Chiu, lo que permite dimensionar la central eólica y la central fotovoltaica de la central mixta, la cual operará aislada del Sistema Interconectado. Se realiza una evaluación económica de la central mixta, considerando la inversión inicial y el costo de operación, obteniéndose un aproximado del costo total, con lo cual se realiza una comparación con la situación actual del poblado, que es obtener energía mediante empresas distribuidoras de energía. Finalmente, se expresan las conclusiones del proyecto realizando análisis de resultados y de sensibilidad, considerando el trabajo futuro y el aporte de este trabajo de memoria para la sociedad.

Ingeniera Civil Electricista / El presente trabajo tiene como objetivo principal evaluar las consecuencias a producirse en el sistema eléctrico del norte del SIC por el ingreso de grandes bloques de generación renovable no convencional (ERNC). Dicho análisis se inició con una investigación acerca del estado del arte de las ERNC en Chile, al respecto se recopiló información sobre dichas tecnologías, normativa y características que rodean el tema central. En el estudio se proponen para análisis tres niveles de penetración de ERNC a saber, 300, 840 y 1240 MW de potencia instalada. Con dichos bloques de potencia se pretende observar el comportamiento operacional del SIC entre los años 2013 y 2018, previo a la ampliación del sistema, poniendo especial atención en los efectos que se producen en el sistema de transmisión, en los costos marginales y en la operación del complejo Guacolda. Con la finalidad de representar en forma fiel la operación del SIC ante la entrada de bloques relevantes de ERNC, las centrales de este tipo se modelan de tal forma de incluir el efecto de la variabilidad del recurso primario en los resultados. La evaluación permite concluir que el sistema de transmisión, así como la nueva demanda que pueda ingresar, juegan un papel fundamental en el impacto que los bloques de ERNC tendrán en la operación del SIC. En efecto, grandes bloques de generación impondrán limitaciones en las transferencias, de igual forma la demanda local minera, por cuanto ésta utilizará parte de la nueva generación de ERNC, produciendo un balance de inyecciones/retiros locales. En los casos de mayor criticidad, esto es, grandes bloques de inyección de ERNC y sin nuevos proyectos mineros, por ende líneas de transmisión con altas transferencias, se registra un importante impacto en la operación de la central Guacolda. En relación con los efectos económicos producidos, se concluye que dadas las limitaciones en la transferencia, el mayor aporte de las centrales ERNC, provoca un descenso de los costos marginales, con mayor impacto en aquellas barras donde se conectan, llegando incluso a valores nulos. Con dichas señales de precios, se provocará un efecto adverso en el interés de los inversionistas, por cuanto podrían no llegar a recuperar su inversión debido al bajo valor de cada MWh inyectado. La forma que los efectos comentados no resulten perjudiciales para los actores del sector y que se logre que las ERNC sean efectivamente una solución de desarrollo, es que la entrada de estas inyecciones ingresen al SIC de acuerdo con volúmenes previamente determinados y no como se ha estado registrando en la actualidad, que aparecen intenciones de incorporar en forma desordenada bloques de ERNC.