Orientador: José Antonio Perrella Balestieri / Coorientador: João Andrade Carvalho Jr. / Banca: Ivonete Ávila / Banca: Christian Jeremi Coronado Rodriguéz / Resumo: Os gases siderúrgicos disponíveis em empresas do setor como resultado de seus principais processos de transformação são o gás de coqueria (COG), o gás de alto forno (BFG) e o gás de aciaria (LDG); que são bastante valorizados pelo fato de minimizarem a necessidade de emprego de gás natural ou outra fonte combustível. As centrais termelétricas estão entre as principais consumidoras desses combustíveis, e a distribuição de combustíveis siderúrgicos para as mesmas é um problema discutido na literatura técnica como uma forma de minimizar os desequilíbrios entre a geração e o consumo dos mesmos. Ao mesmo tempo, busca-se maximizar a eficiência energética da empresa e a confiabilidade/disponibilidade do seu suprimento às unidades consumidoras sem queima direta nas torres de queima (flares). A presente proposta de pesquisa tem por objetivo modelar e propor soluções para a otimização da distribuição de gases combustíveis em centrais termelétricas em ciclo combinado gás/vapor considerando os impactos que a troca de combustíveis operam sobre o acionador principal (no caso, o conjunto a gás) em termos de sua resposta à intercambiabilidade entre combustíveis. As modificações propostas neste trabalho otimizam simultaneamente a distribuição de gases subproduto no sistema de gases siderúrgicos; foram avaliadas 56 combinações de combustíveis, o que resultou numa faixa de potência ideal para a aplicação do estudo entre 30 MW e 80 MW, e outra faixa entre 10 MW e 30 MW que deve ser evitada quand... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The steel gases available in companies in the sector because of their main transformation processes are coke oven gas (COG), blast furnace gas (BFG) and steel gas (LDG). These are highly valued for minimizing the need to use natural gas or other fuel source. The thermoelectric power plants are among the main consumers of these fuels and the distribution of steel fuels for them is a problem discussed in the technical literature as a way to minimize the imbalances between generation and consumption. At the same time, it is a way to maximize the energy efficiency of the company and the reliability / availability of its supply to the consumer units without direct burning in the flares. The present research proposal aims to model and propose solutions for the optimization of the distribution of fuel gases in thermoelectric power stations in combined gas / steam cycle considering the impacts that the exchange of fuels operate on the main driver (in this case, the gas turbine) In terms of its response to interchangeability between fuels. The modifications proposed in this work simultaneously optimize the by-product gas distribution in the cogeneration gas system, 56 combinations of fuels were evaluated, which resulted in an ideal power range for the application of the study between 30,000 and 80,000 kW and another between 10,000 and 30,000 kW which should be avoided when the objective is positive net revenue. The case study shows that the proposed model finds the ideal solution in terms of total cost reduction when applying the COG in the NG mixture as well as in the substitution of NG by a mixture of by-products COG and BFG, which resulted in the three best net income results found in this analysis / Mestre

Ingeniera Civil Mecánica / Diversificar la matriz energética y reducir los costos medioambientales en la generación de energía, son problemas que está enfrentando Chile actualmente, por lo que es urgente comenzar a estudiar nuevas formas de generación de energías que no sean contaminantes, eficientes y sostenibles. En este contexto el Centro de Energías de la Universidad de Chile está desarrollando un proyecto de microgeneración hidráulica llamado Microcentral Hidroeléctrica Inteligente, este proyecto contempla la utilización de una turbina tipo Turgo importada desde China, la cual carece de especificaciones técnicas y presenta inconvenientes técnicos como un rendimiento de 49 %, considerado bajo para este tipo de tecnología. Ante este proyecto de innovación tecnológica es muy importante que el principal órgano de la turbina, el rodete, tenga un mayor rendimiento, y sean conocidas sus características técnicas y alta calidad. El objetivo de este trabajo de titulación es el diseño de un rodete de turbina tipo Pelton, con el fin de obtener un mayor rendimiento y calidad que con la actual turbina Turgo. Para esto se procederá de la siguiente manera, se realizará un diseño preliminar utilizando la teoría hidráulica. Luego, se modelará el rodete diseñado en el programa Ansys variando los parámetros relevantes para obtener el rodete con mejor rendimiento. El desarrollo de este trabajo será realizado para un recurso hídrico con las siguientes características: altura neta (Hn) de 40 [m] y caudal (Q) de 35 [l/s], considerando lo anterior la potencia hídrica es de 13,72 [kW]. Tras el diseño y modelación del rodete se obtienen los principales resultados que son el diámetro Pelton de 36 [cm], diámetro de puntas de 45 [cm] y para la cuchara un ancho de 12 [cm] y el largo de 11 [cm]. Se compara la fuerza del agua en la cuchara para el caso optimizado y el caso base, se obtiene que la fuerza es de un 0,1 % por ciento mayor. Con esto se espera un aumento del rendimiento teórico del rodete que en el caso base es de un 89 %, valor considerablemente mayor al obtenido en el estudio de la turbina Turgo china de un 49%. Finalmente se entrega el rodete dibujado en Autodesk Inventor.

Ingeniero Civil Eléctrico / Altas tasas de contaminación y procesos productivos poco sustentables han alterado de manera significativa el medio ambiente. Para atenuar este efecto, un gran número de países ha decidido aumentar las fuentes de energía renovables en sus matrices energéticas. Debido a esto y a la baja de los costos de inversión, la penetración de energía eólica ha tenido un alza sostenida en los sistemas eléctricos de potencia durante los últimos años, en los que la industria ha privilegiando el uso de aerogeneradores de velocidad variable. El objetivo general de este trabajo es revisar diferentes opciones de control de potencia activa y reactiva en aerogeneradores basados en generadores de inducción doblemente alimentados (DFIG), focalizando el estudio en estrategias de control de potencia activa. Para lograr esto, se realiza en primer lugar una investigación en la literatura especializada de los principales aspectos referentes al control de potencia activa y reactiva de este tipo de aerogeneradores. Posteriormente, en la plataforma MATLAB/Simulink, se implementan dos modelos dinámicos de aerogenerador con DFIG, uno equipado con ángulo de paso variable y el otro con ángulo de paso fijo. El control de potencia activa, en la región de velocidades de viento que están por debajo de la velocidad de viento nominal, lo efectúan bajo dos esquemas distintos de seguimiento del punto de extracción de máxima potencia (MPPT). La limitación de potencia para vientos por sobre la velocidad de viento nominal, la llevan a cabo a través del control del ángulo de paso y por pérdida aerodinámica asistida por control de velocidad. Una de las principales conclusiones es que los aerogeneradores con DFIG con limitación de potencia por pérdida aerodinámica asistida por control de velocidad deben tolerar torques considerablemente mayores que los que poseen ángulo de paso variable. Además, la calidad de la potencia generada a velocidades de viento sobre la nominal es mejor en este último. Por otro lado, se concluye que existe un compromiso entre la eficiencia y las cargas a las cuales se ve sometido el aerogenerador al considerar un esquema MPPT basado en la regulación de velocidad del rotor. Además, dependiendo del ajuste de sus controladores, este esquema puede lograr un mejor seguimiento del coeficiente de potencia óptimo, en comparación con un esquema MPPT que utiliza la velocidad del rotor para determinar la referencia de potencia activa.

Ingeniero Civil Mecanico / Actualmente la energía eólica ha tenido un creciente auge debido a los grandes avances tecnológicos presentes estos últimos años y al aumento en el desarrollo de energías limpias y sustentables. A partir de lo anterior es que se genera el concepto de las turbinas eólicas aumentadas por edificios, la cuales aprovechan el potencial eólico que se ve afectado por los ambientes urbanos. El estudio tiene como principal objetivo determinar criterios de emplazamiento de un generador eólico de pequeña escala en una vivienda urbana. Esto se realiza utilizando el método de volúmenes finitos mediante el software comercial ANSYS FLUENT 14.5, el cual simula un flujo de aire sobre una vivienda previamente definida. Se define un coeficiente concentración de la velocidad del aire que muestre las zonas donde existe un aumento del recurso energético por efecto de la presencia de la vivienda. A partir de los resultados obtenidos por la simulación realizada se aprecia que el flujo se separa, provocando zonas donde se aumenta la velocidad del aire debido a la presencia de la vivienda, además se realizan estudios en diferentes planos de la vivienda con el fin de analizar los efectos producidos para cada geometría, se concluye a partir de este análisis que las zonas de aumento de velocidad de flujo son mayores mientras más abrupto es el choque de la superficie con el viento. Además se presentan los resultados de los factores de concentración de velocidad del aire, donde existe un aumento del 5% de la velocidad del viento alrededor de la vivienda, por causa exclusiva de su geometría. Finalmente, este estudio concluye con la generación de los criterios de emplazamiento para turbinas eólicas sobre una vivienda urbana, dándole importancia a las zonas donde existe un mayor aprovechamiento del potencial eólico.

Ingeniero Civil Eléctrico / El presente informe analiza la estructura básica, características y el efecto de la sintonización de cada uno de los parámetros de tres elementos de control en una unidad generadora: El controlador de velocidad, el controlador de tensión y el estabilizador de sistema de potencia. Para asegurar la estabilidad dentro de un sistema eléctrico de potencia, es necesario que los reguladores mencionados estén correctamente ajustados, por lo cual esta memoria busca proponer una metodología para cumplir ese objetivo. El estudio abarca el control enfocado a centrales hidráulicas, verificando métodos de ajuste para compensadores PI y lead-lag. Se aplicaron las metodologías al caso particular de la Central Hidroeléctrica Carena: Se utilizó el compensador del tipo PI dentro del control de velocidad, ajustado mediante las técnicas de Bode y Ziegler-Nichols. Por otro lado, tanto para el control de tensión como para el estabilizador de potencia se utilizaron controladores del tipo lead-lag, los cuales fueron ajustados mediante técnicas de Bode. Se realizó el ajuste y las pruebas de los controladores en un modelo equivalente a una unidad de la central, con el fin de verificar que estos elementos cumplieran con las exigencias de la Norma Técnica. Se comprobó que la sintonización de los parámetros de los reguladores según los criterios sugeridos mejoró la estabilidad del sistema. En particular para el regulador de velocidad, se comprobó que el ajuste mediante técnicas de Bode tiene un mejor desempeño que el ajuste mediante el método Ziegler-Nichols. Por otro lado, la adición de la señal del estabilizador de potencia amortigua un polo de oscilación electromecánica, mejorando la respuesta del sistema. La aplicación de esta sintonización a cada una de las unidades de un modelo equivalente a las cuatro unidades de la central Carena requirió de un reajuste. Esto debido a que existe un cambio importante en la topología de la red. Se hizo un reajuste completo de los bloques lead-lag del sistema de excitación, mientras que sólo se ajustó la parte integral del regulador de velocidad, debido a que se buscaba reducir el error de estado estacionario. Finalmente, se reajustó el estabilizador de potencia para incluir un modo de oscilación más presente. Se comprobó que el ajuste mediante esta metodología cumple con los requerimientos mínimos de la Norma Técnica. La nueva sintonización asegura que la operación está dentro de los niveles de la carta de operación redefinida. Además, se comprobó la utilidad del estabilizador para la Central Carena, a pesar de que, por el nivel de potencia de la central, la Norma Técnica no lo exige.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Este estudio presenta el análisis de una turbina eólica de eje horizontal que utiliza cilindros en rotación, en lugar de aspas con perfiles alares. El principio de funcionamiento de este generador eólico es el efecto Magnus, el cual sucede cuando las aspas cilíndricas se ponen en rotación y se da una interacción entre la corriente de viento incidente y el aire que es arrastrado por las paredes de los cilindros en movimiento. De esta forma se obtiene la sustentación que pone en movimiento la turbina. El objetivo buscado es caracterizar este tipo de turbina y buscar sus posibles aplicaciones en ambientes urbanos, mediante modelos numéricos y matemáticos que permitan determinar los parámetros de funcionamiento de las turbinas eólicas Magnus de eje horizontal. Se incluye un análisis teórico del efecto Magnus mediante la teoría de Flujo Potencial, con el cual se logra obtener una expresión analítica de la fuerza que produce este efecto sobre un cilindro en rotación, partiendo de un flujo irrotacional, incompresible y no viscoso. Para estudiar el desempeño de la turbina, se propone un método numérico no iterativo, que es implementado en un código que permite predecir el rendimiento de turbinas de eje horizontal, el cual es validado con mediciones experimentales de turbinas convencionales. Posteriormente se adecúa el código para aplicarlo a turbinas Magnus y con ello se obtiene el comportamiento de la curva de potencia ante variaciones en la geometría y cantidad de cilindros, así como las velocidades angulares de la turbina y del aspa cilíndrica. Los resultados de las simulaciones numéricas se procesan para obtener un modelo matemático del comportamiento de la turbina, el cual permite definir parámetros óptimos de operación y establecer un valor máximo de 0,2 para el coeficiente de potencia de este generador eólico, en el marco de su aplicación en ambientes urbanos.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / En el contexto de que el mundo esta optando por desechar la producción de energía mediante combustibles fósiles, irrumpen las energías renovables no convencionales dentro de las cuales la solar fotovoltaica y la eólica han tenido el mayor crecimiento en los últimos años. Estas energías se caracterizan por ser aprovechadas en grandes espacios abiertos los cuales son cada vez más escasos y por lo que en los últimos años los estudios van de la mano de la implementación de estas tecnologías en espacios urbanos, de lo que nace la necesidad de evaluar su desempeño bajo estas condiciones ambientales. El presente trabajo se enfoca en el estudio de un panel fotovoltaico y una turbina eólica de eje vertical tipo Savonius en el mismo espacio urbano como podría ser el techo de un edificio donde se reúnen condiciones para un buen desempeño de estas tecnologías. El principal punto a observar es la interacción entre la estela producida por el funcionamiento de la turbina, la cual acelera el viento incidente en dos zonas de vórtices de alta velocidad, y la instalación de un panel fotovoltaico en estas zonas, ya que el aumento de la velocidad del viento produce un medio de refrigeración natural para el panel fotovoltaico. Se realizan simulaciones CFD en Ansys Fluent en 2 dimensiones para obtener el perfil de velocidades promedio en las zonas de vórtices de alta velocidad producidos aguas abajo de la turbina para 5 velocidades distintas en la zona urbana y 4 posiciones distintas en la estela. Posteriormente estos perfiles son usados como condiciones de borde para un modelo en 3 dimensiones del panel fotovoltaico, de manera de comparar la temperatura promedio de celda del panel por si solo con la de un panel aguas abajo de la turbina eólica. El panel fotovoltaico es simulado mediante la implementación de una fuente de calor en el volumen de la celda, la cual es calculada mediante el balance de la energía utilizada y no utilizada al producir energía según condiciones medioambientales del lugar. Los resultados muestran que la temperatura del panel disminuye al aumentar la velocidad del viento y que al ser puesto en las zonas aprovechables aguas abajo de la turbina eólica de eje vertical la disminución de la temperatura es mayor con respecto a la del panel instalado sin turbina. Este resultado se traduce en un aumento de la eficiencia del panel fotovoltaico al ser implementado en las zonas de mayor velocidad aguas abajo de la turbina, lo que genera un aumento de la potencia generada por el panel que va desde un 0,58% hasta un 2,95% dependiendo de la velocidad del viento. El trabajo demuestra como la implementación de un sistema con las dos tecnologías estudiadas puede mejorar el desempeño del panel fotovoltaico. La factibilidad queda sujeta a un análisis del objetivo de implementación de las tecnologías, como a un análisis económico respecto a la potencia generada por el espacio usado.

Esta dissertação aborda o desenvolvimento de um método numérico para a análise de forças e momentos aerodinâmicos em turbinas eólicas fixas e flutuantes no domínio do tempo, utilizando a teoria da quantidade de movimento do elemento de pá (Blade Element Momentum Theory, BEMT) em C++. As pás são divididas em segmentos menores, onde a influência da turbina no fluxo é realizada através do cálculo de fatores de indução. Cada segmento é considerado como um aerofólio bidimensional, sendo possível estimar forças e momentos através de coeficientes para asas infinitas. A teoria da quantidade de movimento do elemento de pá, embora conceitualmente simples, é usualmente empregada com algumas correções em suas equações para se ajustar aos resultados experimentais. A inclusão de turbinas flutuantes é realizada através do movimento de corpo rígido da plataforma, que tem um impacto direto no cálculo aerodinâmico. Por não ser o objetivo deste trabalho, as equações de movimento são calculadas através de uma fonte externa e posteriormente colocadas como dado de entrada do código, simplificando assim a análise e excluindo uma fonte potencial de erro na verificação. O caso de estudo é a turbina do projeto Offshore Code Comparison Collaboration Continuation (OC4), a qual é analisada como uma turbina fixa e flutuante, utilizando uma plataforma semi-submersível. Os resultados das forças e momentos aerodinâmicos do software FAST do Laboratório Nacional de Energias Renováveis (National Renewable Energy Laboratory, NREL) são comparados ao código desenvolvido, mostrando excelente concordância para todos os casos analisados. / This dissertation addresses the development of a numerical method for the analysis of aerodynamic forces and moments of fixed and floating wind turbines in time domain, using the Blade Element Moment Theory (BEMT) written in C++. The blades are divided into smaller segments, where the influence of the turbine in the flow is performed through the calculation of induction factors. Each segment is considered as a two-dimensional airfoil, and it is possible to estimate forces and moments through coefficients for infinite wings. The Blade Element Moment Theory, though conceptually simple, is usually employed with some corrections in its equations to fit experimental results. The inclusion of floating turbines is performed through the rigid body motion of the platform, which has a direct impact on the aerodynamic calculation. Since it is not the objective of this work, the equations of movement are calculated through an external source and then placed as input data of the code, thus simplifying analysis and excluding a potential source of error in verification. The case of study is the turbine of the Offshore Code Comparison Collaboration Continuation (OC4) project, which is analyzed either as a fixed or a floating turbine, using a semi-submersible platform. The results of aerodynamic forces and moments from FAST software of the National Renewable Energy Laboratory (NREL) are compared to the developed code, showing excellent agreement for all cases analyzed.

Esta dissertação descreve um simulador em tempo real para aplicação em testes de reguladores de velocidade de hidrelétricas. O simulador é implementado num hardware que permite a conexão física de todos os sinais que o regulador teria na usina. As dimensões e o perfil hidráulico da usina, dados das máquinas e unidade de força hidráulica são inseridos através de tabelas de fácil entendimento pelo usuário Os transientes hidráulicos no conduto forçado são simulados usando o método das características e levam em conta a influência da turbina. A unidade hidráulica e os atuadores são modelados incluindo suas não-linearidades. Além dos testes de fábrica, este simulador pode ser utilizado para análise preliminar de transientes hidráulicos, treinamento de operadores e como plataforma de testes para novas estratégias de controle da turbina. / This work describes a real-time simulator to be used in hydroturbine speed governor tests. The simulator is implemented using a hardware configuration which allows the physical connection to the governor under test like it would be in the hydropower plant. The conduit dimensions, hydraulic scheme, machine and hydraulic power unit data are inserted into the simulator by user friendly input tables. The hydraulic transients in the penstock are simulated using the method of characteristics and take into account the turbine influence. The electrohydraulic interface, servomotor and hydraulic power unit are simulated including the nonlinearities of valves and servomotors. Besides the factory tests, this simulator can also be applied for a preliminary analysis of hydraulic transients, operator training and platform for testing new turbine control strategies.

Made available in DSpace on 2015-04-14T13:58:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 431403.pdf: 4357092 bytes, checksum: 7507abfd44a77e54e05c8778333fdfc7 (MD5) Previous issue date: 2011-03-30 / Atualmente a ind?stria de energia e?lica, espec?ficamente os fabricantes das p?s de aerogeradores, buscam melhorias no desempenho e nas propriedades dos materiais empregados em tais componentes. As caracter?sticas em rela??o ? fadiga s?o essenciais no projeto e aplica??o dos aerogeradores, em especial nas p?s das turbinas e?licas. A literatura apresenta diversas informa??es em rela??o ? p?s de grande porte, no entanto observa-se uma car?ncia em rela??o ? p?s de pequeno porte. Assim sendo, para se determinar tais caracter?sticas torna-se fundamental entender o comportamento dos materiais utilizados em condi??es est?ticas para posteriormente se realizar os ensaios c?clicos. O objetivo do presente trabalho consistiu na determina??o das principais propriedades mec?nicas a tra??o (m?dulo de elasticidade e limite de resist?ncia ? ruptura) do material utilizado na confec??o de p?s de aerogeradores de pequeno porte. Como material utilizou-se o comp?sito de matriz polim?rica (poli?ster) com refor?o em fibra de Vidro do tipo E, segundo informa??es do fabricante. Corpos de prova foram retirados longitudinalmente em rela??o ao comprimento da p?, e ensaiados segundo norma NBR 9622. Os resultados obtidos a partir dos ensaios de seis corpos de prova foram analisados, e os valores m?dios determinados para o m?dulo de elasticidade e a tens?o de ruptura do material. Posteriormente foi desenvolvido um equipamento capaz de submeter as p?s ? esfor?os c?clicos, e atrav?s da metodologia que determinou os par?metros de entrada para a bancada de ensaios, foi poss?vel avaliar as principais caracter?sticas em rela??o ? fadiga do material que constitui a p?.