3.01 Tesis doctorado

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A transitional proposal for working fluids in csp from GEN2 to GEN3: Evaluating their thermophysical properties, corrosion behavior, and economic impact
(2024) Castro Quijada, Matias Daniel; Videla Leiva, Alvaro Rodrigo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
In the pursuit of reducing the levelized cost of electricity (LCOE) in concentrated solar power (CSP) plants, the search for working fluids (WF) capable of withstanding higher temperatures than current nitrate-based solar salt has emerged. This endeavor aims to enhance generation efficiency without increasing system costs. Despite consensus favoring chlorides for the new system, challenges such as high melting points and extreme corrosiveness of low-melting-point chlorides (e.g., NaCl-KCl-MgCl₂) have hindered the evolution of this technology. This research proposes a systematic transition from the current solar salt to an equimolar salt mixture of NaNO₃, KNO₃, NaCl, and KCl. The thermophysical properties of these salts were assessed using standard methods and methodology such as DSC for melting point and heat capacity, TGA for degradation temperature, Archimedean method for mass density, and rotational viscometry for viscosity. Results revealed improved properties with increased chloride content up to 50 mol% Cl, showcasing lower melting temperatures with less than 30 mol% Cl, and degradation temperatures reaching 642 °C with 50 mol% Cl, compared to 592 °C for the base case. The addition of chloride also enhances energy density, though concerns arise regarding viscosity at low temperatures and high chloride content.The corrosion rate (CR) and mechanisms associated with chloride-containing salts in 304L stainless steel were investigated at 500 °C for up to 21 days. CR was determined using gravimetry, while the morphology, chemical composition, and microstructure of the corrosion products were characterized using XRD, FESEM-EDS, and GD-OES. Exposure to molten salt with 0 mol% Cl (solar salt) resulted in negligible corrosion. The salt with 14 mol% Cl produced a stable corrosion product with a rate 30 times higher than the chloride free salt. All quaternary salts exhibited a multilayer structure with selective chromium (Cr) removal. Salts with more than 29 mol% Cl showed similar structures with Cr and iron (Fe) removal, leading to more brittle layers and higher corrosion rates (90 to 250 times). Cl diffusion into the oxide layer was confirmed, highlighting the roles of Cl₂(g) and O₂(g) in driving corrosivity. Using salts with 29 mol% Cl at 500 °C is discouraged, while using 304L with 14 mol% Cl in a cold tank may be viable. The salt with 14 mol% Cl content exhibited homogeneous corrosion at 100 µm/year. In contrast, salts with 29 and 50 mol% Cl content displayed localized corrosion, with rates of 280 and 755 µm/year, respectively, after 21 days at 500 °C in an open atmosphere.Potentiodynamic polarization sweep studies on 304L and 316L stainless steels, as well as on Haynes 230 and Hastelloy C-22, in the presence of three selected salts, revealed that superalloys Haynes 230 and Hastelloy C-22 demonstrated remarkable insensitivity to escalating chloride content. Furthermore, Hastelloy C-22 exhibited greater resilience, attributed to its higher molybdenum (Mo) content compared to the tungsten (W) content in Haynes 230, making it a promising material for CSP Gen3.Performance evaluations of the proposed CSP salts, utilizing a tailored TRNSYS library with SAM and DELSOL3 in a MATLAB framework, revealed increased generation efficiencywhen using these proposed quaternary salts. However, considering cost factors, incorporating chlorides and new materials reduced the LCOE to values similar to less thermally stable or more expensive nitrates. While the higher risk may not justify the limited benefits of quaternary salts, this transition path aligns with the stepwise methodology devised by NREL to encourage a gradual Gen3 transition and control investment risk. Therefore, further corrosion and material compatibility studies are necessary to determine the appropriate cost of replacing components and assess its impact on the LCOE through long trial assays
Design of power converters with embedded energy storage for hybrid DC-AC application
(2023) Neira Castillo, Sebastián Felipe; Pereda Torres, Javier Eduardo; Merlin, Michäel Marc Claude; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La creciente inclusión de energías renovables en los sistemas eléctricos está provocando una revolución en la estructura de las redes eléctricas modernas. En este contexto, la presente tesis investiga el diseño de conversores de potencia con capacidades extendidas debido a la incorporación de almacenamiento de energía dentro de las topologías. Así, el objetivo de la investigación es proponer conversores de potencia con capacidades de integración de tecnologías de almacenamiento de energía para brindar servicios adicionales requeridos para la operación de sistemas híbridos CC-CA. La tesis consta de dos partes, la primera parte muestra el trabajo desarrollado para aplicaciones de baja y media potencia, mientras que la segunda parte describe la investigación realizada para sistemas de alta potencia. La primera parte de esta tesis explica el diseño y operación de un conversor CC-CC-CA de tres puertos desarrollado para integrar el almacenamiento de energía en aplicaciones híbridas CC-CA. La topología se basa en un convertidor CC-CA convencional de dos niveles y utiliza una sola etapa de conversión de energía para controlar el flujo de energía entre tres puertos, lo que minimiza los componentes necesarios. Los resultados de simulación y experimentales validan el funcionamiento de la propuesta, mostrando que un sistema de control multivariable permite explotar los grados de libertad para gestionar interacciones de potencia de multiples elementos sin necesidad de conversores de potencia adicionales. Además, se realiza un análisis comparativo para mostrar las ventajas y limitaciones de la propuesta frente a soluciones de vanguardia en el mismo contexto. El estudio concluye que la topología propuesta es adecuada para sistemas de potencia media con capacidades de flujo de potencia bidireccional entre todos los puertos y necesidades limitadas de aumento de voltaje. La segunda parte de la tesis se centra en el diseño y operación de una topología de Conversor Modular Multinivel (MMC) con almacenamiento de energía integrado utilizando nuevas ramas paralelas en las fases del conversor. Esta topología permite la integracion de sistemas de almacenamiento de energía (ESS) de potencia limitada para desacoplar los lados de CA y CC de una subestación HVDC. Por lo tanto, permite la provisión de servicios auxiliares como respuesta de frecuencia rápida, capacidades de arranque en negro y nivelación de carga, que son requeridos por las redes eléctricas híbridas de CC-CA. Los resultados muestran que la propuesta permite agregar hasta un 37% de potencia desde el ESS considerando semiconductores de potencia de clasificación similar en una subestación MMC simulada de 1 GW. El análisis muestra que las pérdidas de dispositivos adicionales se mantienen por debajo del 1% por un ±10% adicional de energía desde ESS. En conclusion, esta tesis propone y analiza dos topologías diferentes para integrar el almacenamiento de energía en aplicaciones híbridas de CC-CA segun la potencia nominal requerida. El estudio se apoya en resultados de simulación y experimentales obtenidos durante el proyecto para validar ambas propuestas.
Estimación de la irradiación solar en superficies verticales en entornos urbanos para aplicaciones fotovoltaicas integradas en edificios (BIPV)
(2024) García Rojas, Redlich Javier; Escobar Moragas, Rodrigo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La evaluación del recurso solar para el financiamiento y ejecución de proyectos de energía solar es fundamental, debido a que permite tener una estimación del desempeño del proyecto en cuanto a producción de energía y retorno de inversión. Esta evaluación del recurso en sitios despejados se encuentra en un gran estado de madurez gracias a las estimaciones satelitales y las campañas de medición. Sin embargo, la evaluación del recurso solar en entornos urbanos, donde existen factores como la compacidad, densidad de población, y diversas superficies de reflexión, no ha alcanzado todavía el mismo nivel de madurez. De ahí la importancia de desarrollar una metodología para la estimación de la irradiancia solar en superficies verticales en ciudades. Esta disertación se centra en la estimación de irradiancia solar en superficies verticales de entornos urbanos de baja densidad para aplicaciones de BiPV (Building Integrated Photovoltaic), con el fin de crear una base de conocimiento científico para el desarrollo sustentable de ciudades que tengan alto índice de compacidad, características topográficas heterogéneas y diversidad en la arquitectura urbana. El objetivo general de esta investigación es desarrollar una metodología para la estimación de las distintas componentes de la radiación solar en ambientes urbanos, utilizando herramientas de acceso abierto, en la ciudad de Santiago de Chile como caso de estudio, incluyendo la radiación en superficies verticales para aplicaciones BiPV. Los objetivos específicos son: i) Ajustar los predictores del modelo de descomposición BRL, mediante la incorporación de la climatología local y la aplicación de una metodología rigurosa de control de calidad de datos, a partir de la radiación obtenida mediante series de mediciones a largo plazo, ii) generar diversos modelos digitales de superficie a través de la técnica de fotogrametría utilizando datos de herramientas de acceso abierto, iii) desarrollar una metodología para estimar la radiación solar en un plano vertical que incluya el albedo, la compacidad, el factor de cielo visible mediante una corrección de elevación, la descomposición de la irradiancia global y difusa y una topografía de terreno, usando datos de Google Earth y MODIS LSA y iv) evaluar la producción de energía fotovoltaica en plano vertical a partir de los datos de radiación estimados en el plano vertical. El enfoque metodológico en esta investigación se divide en 7 procesos: i) Selección de área urbana, ii) análisis y estimación en plano vertical de la radiación solar, iii) desarrollo de un modelo digital de superficie (DSM) urbano, iv) generación del albedo del DSM, v) análisis de sombras y factor de cielo visible, vi) integración de la reflexión por albedo urbano y vii) validación de la metodología con un sistema de producción fotovoltaica con tecnología BiPV. Con respecto a la descomposición de la radiación solar, a través del ajuste de los predictores del BRL para diversas ubicaciones demostró que dichos coeficientes fueron diferentes entre sí, lo que sugiere un carácter local para el modelo. Además, el resultado de aplicar esta metodología a los casos de estudio en Chile fue que el valor estimado de radiación para la pared Norte es de aproximadamente 1000 kWh/m2 /año en toda la superficie, lo cual es de suma utilidad para los proyectos de BiPV, ya que estos son los valores de radiación que utilizan para la instalación este tipo de sistemas solares. En cuanto a los valores de radiación a lo largo de las paredes, se analizaron tres puntos de alturas respecto al suelo: 5 m, 20 m y 32 m. De forma general, se observó que la radiación a 5 m es menor que a 20 m y 32 m, con una diferencia del orden de 2.4% debido a los obstáculos cercanos. La validación de la metodología se realizó de dos formas: la primera con mediciones en el plano vertical en las fachadas Este y Oeste para los edificios de Santiago de Chile, y para el edificio de Madrid, en las fachadas Este, Oeste y Sur, arrojando errores en base diaria de 12%, para la base mensual de 13%, y para la base anual 8% en promedio. Y la otra validación se realizó en el edificio 42 del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), ubicado en la ciudad de Madrid – España, ya que cuenta con una instalación de BiPV. Se aplicaron todos los procedimientos descritos para obtener la radiación en superficies verticales y se validaron con las respectivas mediciones de radiación en plano vertical que están instaladas en el mismo centro de investigación. Acto seguido, se comparó la generación de producción eléctrica, utilizando tanto los datos medidos por el Centro de Investigación como los estimados a través de la metodología propuesta en este trabajo. Considerando principalmente la fachada Sur que es la más importante en el hemisferio Norte y obteniendo errores anuales de producción en la fachada Sur y Oeste de 7% y 19%, respectivamente. Finalmente, esta metodología se comparó con otros trabajos que utilizan metodologías diferentes para estimar la radiación en planos verticales, encontrándose que los errores están dentro de la media de dichos trabajos. Por lo tanto, con esta validación también se confirma la replicabilidad de la metodología, ya que fue aplicada en Santiago – Chile, y en Madrid – España, evaluándose tres edificios distintos con condiciones urbanas, climáticas y hemisferios diferentes, y encontrándose errores que son aceptables dentro del resto de trabajos de esta misma naturaleza. En consecuencia, esta investigación demuestra que la metodología desarrollada utilizando series de medición de largo plazo y herramientas de acceso abierto es una opción válida para estimar la radiación solar de superficies verticales en entornos urbanos de baja densidad y sirve de base para la implantación de tecnologías solares como BiPV. No obstante, los responsables de la formulación de políticas energéticas, y los encargados de tomar decisiones, como los ministerios y entidades gubernamentales, deberían promover la autosustentabilidad de ciudades como actuación prioritaria. Esto se puede lograr reconociendo el potencial energético que tienen las ciudades. En esta línea, esta tesis de investigación manifiesta el valor que puede tener la energía solar en entornos urbanos de baja densidad en Chile para aumentar la diversidad en la futura matriz energética. Proporciona métodos y pautas innovadores de libre acceso para estimar la radiación solar en superficies verticales de edificios. También resalta el valor de calcular la producción fotovoltaica integrada en edificios a partir de la radiación estimada. De esta manera, se necesita más investigación aplicada, como la presentada en esta tesis, para seguir estudiando la radiación en entornos urbanos y agregar más valor a los futuros sistemas de generación solar dentro de los mismos.
Evaluation of the seismic performance of timber and hybrid mid-rise buildings with seismic isolation
(2024) Quizanga Martínez, Diego Marcelo; Almazán Campillay, José Luis; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La construcción de edificios de madera se ha incrementado mundialmente porque contribuye a reducir las emisiones de CO2. Dentro de los edificios de madera, el edificio de muros de entramado ligero (LFTB) ha tomado relevancia porque sus componentes pueden ser preensamblados. Sin embargo, en zonas de alta sismicidad, durante sismos severos los LFTBs presentan grandes amplificaciones de aceleraciones de piso y considerables momentos volcadores, requiriendo una gran cantidad de anclajes que los encarecen. La aislación sísmica friccional es una técnica efectiva para la protección sísmica de edificios que permite reducir las aceleraciones de piso, pero su efectividad se reduce si eventos extremos generan grandes desplazamientos en lo que se produce un impacto entre los deslizadores y el anillo perimetral de los aisladores. Por este motivo se desarrolló un nuevo dispositivo denominado péndulo friccional doble cóncavo resiliente a impacto (IR-DCFP), el cual es capaz de incrementar la capacidad de disipación energía del sistema de aislación después del impacto. Esta tesis investiga dos alternativas para proteger LFTBs en zonas sísmicas implementando: 1) Aislación sísmica friccional convencional 2) Muros híbridos en la superestructura y un sistema de aislación resiliente a impacto. Para esto, se realizaron ensayos en mesa vibradora de una probeta, que permitieron obtener parámetros de modelación de LFTBs aislados. Posteriormente, se evaluó el desempeño sísmico de LFTBs y LFTBs con muros híbridos usando la metodología de FEMA P-695. En esta investigación la relación de margen de colapso (CMR) fue seleccionado como indicador del desempeño sísmico, el CMR de los sistemas propuestos fue obtenido de los resultados del análisis dinámico incremental usando modelos no lineales calibrados experimentalmente. Se observó que los LFTBs aislados deben tener una densidad de muros similar a la de un LFTB de base fija para tener CMRs mayores a 1.50. Sin embargo, si un LFTB aislado se refuerza con muros híbridos y dispositivos IR-DCFP se obtienen CMRs mayores a 1.40, lo que permitiría reducir la densidad de muros y la cantidad de anclajes, generando LFTBs que además de tener buen desempeño sísmico pueden ser económicos.
Modelo de redespacho para la operación en tiempo real con alta penetración solar-eólica y su adaptación al mercado de los servicios complementarios
(2024) Balzer Araneda, Kristian Waldo Antonio; Watts Casimis, David; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
En Chile, la operación y mercado de la generación renovable (solar-eólica) y convencional (gas-carbón-diesel-hidráulica), está compuesta por dos sistemas eléctricos de generación que se gestionan en forma complementaria y actualmente interconectados con el nombre de Sistema Eléctrico Nacional (SEN), contando con el mayor potencial y desarrollo solar de Sudamérica. El despacho de estas centrales lo realiza el operador del sistema que utiliza un mecanismo simplificado, llamado lista de mérito económico (ranking de centrales ordenadas de menor a mayor costo variable de generación) y que no refleja los costos reales de las centrales en perjuicio del costo global de operación y marginal del sistema. Este trabajo propone un modelo de redespacho de corto plazo con resolución horaria para garantizar una operación óptima en el despacho de centrales. El modelo de redespacho integra una función objetivo que minimiza el costo global de operación, agregando restricciones de stock de volumen de gas, volumen de generación hidráulica de embalse, costo variable de la generación térmica mediante representación polinómica del consumo específico neto (CEN) de combustible, potencia máxima de despacho para prevenir la activación de los esquema de desconexión de carga por baja frecuencia (EDAC-BF) y las restricciones de las reservas de potencia mínimas del sistema, que permiten abrir otras líneas de investigación en el mercado de los servicios complementarios (SSCC) en tiempo real, que se rigen por reglas económicas, mediante asignaciones directas y subastas horarias. La motivación de integrar la generación convencional gas, carbón, diesel, hidráulica y la masiva generación renovable solar-eólica al mercado de los servicios complementarios (SSCC) en la operación en tiempo real, es para unificar un mercado económico que permita utilizar óptimamente las reasignaciones de reservas de potencia destinadas al control primario (CPF), secundario (CSF) y terciario (CTF) de frecuencia. Por lo tanto, en forma paralela al modelo de redespacho se hace necesario implementar un modelo económico cuyo fin sea minimizar los costos de las reasignaciones de las reservas de potencia del cambiante mercado de los servicios complementarios. En primer lugar, las reservas de potencia para el control primario de frecuencia son la primera línea de defensa del sistema eléctrico y que permite integrar grandes bloques de generación renovable. El CPF debe mantener un subconjunto de reservas dinámicas simétricas que actúan en tiempos de 10 segundos y 5 minutos para evitar la operación de EDAC-BF y EDAG ante variaciones de frecuencia superiores a los ±0,7 [Hz]. Mientras que en segundo lugar, existen las reservas de potencias destinadas al control secundario de frecuencia, que son las responsables en mantener la frecuencia en un rango normal de operación (49,80
Operation of microgrids with conventional and virtual energy storage systems
(2022) Córdova Sota, Samuel Alejandro; Lorca Gálvez, Álvaro Hugo; Cañizares, Claudio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Distribution systems are now increasingly becoming more active due to the sustainable integration of Distributed Energy Resources (DER). While this has enabled a cleaner and more efficient generation, it has also resulted in new challenges for the operation of modern power systems. In this context, the operation of isolated microgrids is particularly challenging, as these systems are characterized by a low inertia and significant renewable integration, and must be capable of an autonomous operation without the support of other electrical grids. Thus, the present thesis focuses on the design of an Energy Management System (EMS) for the reliable and economic operation of modern isolated microgrids. Isolated microgrid operation requires considering additional aspects typically omitted in the operation of robust bulk power systems. In particular, as demonstrated in this thesis, second-to-second renewable power fluctuations need to be considered in the microgrid EMS, since these fluctuations can have a large impact on the system’s frequency regulation due to its low inertia. Furthermore, to ensure an economic yet reliable operation, modern flexible technologies capable of counterbalancing these short-term fluctuations, such as Battery Energy Storage Systems (BESS) and Demand Response (DR), need to be integrated in the microgrid EMS. Hence, the present thesis focuses on designing a microgrid EMS model that integrates short-term renewable power fluctuations, their impact on frequency regulation, and the role that BESS and DR can play for their management. In the first part of the thesis, models are presented to characterize short-term renewable power fluctuations and their impact on microgrid operations, including the role that BESS can play to manage power fluctuations and the battery degradation resulting from providing this service. These models are then used to develop a practical EMS considering short-term renewable fluctuations and BESS flexibility, which is validated through exhaustive simulations on two realistic test microgrids, showing the operational benefits of the proposed EMS and highlighting the need to properly model short-term fluctuations and battery degradation in EMS for isolated microgrids. In the second part of the thesis, the above EMS model is extended to also incorporate the impact of short- term power fluctuations on the microgrid’s frequency regulation performance. For this purpose, accurate linear equations describing the frequency deviation and Rate-of-Change-of-Frequency (RoCoF) resulting from these fluctuations are developed, which are then used to build a frequency-constrained EMS model capable of guaranteeing an adequate frequency regulation performance in line with current DER operating standards. Exhaustive transient simulations on a realistic test microgrid considering detailed frequency dynamic and control models are presented, demonstrating the accuracy of the proposed frequency-constrained EMS and the operational benefits resulting from its implementation. Finally, the integration of DR techniques for an enhanced microgrid operation is discussed. In particular, the smart control of Thermostatically Controlled Loads (TCL) is studied, as these type of loads comprise a significant share of the total residential demand, and have the capability of managing second-to-second power imbalances without significantly affecting customer comfort. Since computational limitations prevent the direct integration of TCLs within operational models, alternative computationally efficient aggregate models representing TCL flexibility and frequency dynamics are proposed, which are referred to as Virtual Energy Storage Systems (VESS) due to their close resemblance to Conventional Energy Storage Systems (CESS) such as batteries. The proposed aggregate VESS models are then used to design a practical EMS integrating TCL flexibility, and study the impact of TCL integration on microgrid operation and frequency control. Computational experiments using detailed frequency transient and thermal dynamic models are presented, demonstrating the accuracy of the proposed aggregate VESS models, as well as the economic and reliability benefits resulting from using these aggregate models to integrate TCLs in microgrid operation.
Planning and operations of water and energy networks
(2024) Cariaga Sandoval, Denise Carolina; Lorca Gálvez, Álvaro Hugo; Anjos, Miguel F.; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Esta tesis se centra en la planificación y operación óptimas de redes de agua y energía, con el objetivo de mejorar la eficiencia, reducir costos y abordar los desafíos asociados con los sistemas de suministro de agua de gran tamaño y ubicados a gran altura. El primer artículo introduce el método de expansión binaria para resolver el problema de planificación de bombas de agua, caracterizado por un alto consumo de energía y dinámicas complejas, lo que resulta en un modelo de optimización no lineal entero mixto. Al emplear el enfoque de expansión binaria, se reduce la complejidad computacional manteniendo una alta precisión, como se demuestra a través de experimentos computacionales en varias topologías de red, incluyendo el caso de estudio de la red de agua de una mina de cobre chilena. El segundo artículo amplía este problema incorporando la respuesta a la demanda y abordando las incertidumbres en los precios spot de electricidad y la demanda de agua. Un modelo de optimización estocástica de dos pasos integra una optimización robusta del perfil de agua con una optimización estocástica del perfil de potencia, equilibrando efectivamente las no linealidades y las incertidumbres para optimizar la planificación de las bombas de agua y proporcionar servicios complementarios de respuesta a la demanda a la red eléctrica en el mercado de capacidad. Los estudios de disitntos casos destacan el impacto de diferentes estaciones del año, las políticas energéticas en los costos totales y la provisión de respuesta a la demanda, proporcionando información científica para los legisladores de políticas energéticas. El tercer artículo explora la planificación a largo plazo de la expansión de capacidad en generación y transmisión eléctrica mediante la integración de la flexibilidad de la desalación dentro del sistema eléctrico chileno. Subraya el papel significativo de la desalación por osmosis inversa en abordar la escasez de agua e influir en las dinámicas del sistema eléctrico. Al co-optimizar las operaciones de desalación con la planificación de la generación y transmisión eléctrica, el modelo mejora el rendimiento del sistema y revela las sinergias entre los sistemas de energía solar, almacenamiento de energía en baterías y agua desalada. Estos hallazgos guían las decisiones de inversión, las políticas de descarbonización y la integración sostenible de los sistemas de agua y energía. Finalmente, estos estudios contribuyen a una comprensión integral de la optimización de las redes de agua y energía, permitiendo la maximización de los beneficios mutuos mientras se minimizan los costos totales. Se proponen soluciones prácticas y efectivas para mejorar la eficiencia de ambas redes, y se recomiendan políticas operacionales y energéticas para su futura implementación, asegurando así el logro de los objetivos energéticos y de sostenibilidad para el año 2050.
Predictive control strategies of modular multilevel matrix converter
(2024) Cuzmar Leiva, Rodrigo Hernán; Pereda Torres, Javier Eduardo; Aguilera Echeverría, Ricardo; Mora Castro, Andrés; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Actualmente, el mundo está cambiando la forma en que genera energía, pasando de un sistema eléctrico basado en baja penetración de energías renovables, flujos de potencia unidireccionales y baja participación de conversores de potencia, a un sistema eléctrico con alta inclusión de energías renovables, flujos de potencia bidireccionales y alto uso de conversores de potencia. Los conversores AC-AC jugarán un rol fundamental en los sistemas del futuro, en aplicaciones como la interconexión de sistemas de potencia, sistemas de transmisión AC de baja frecuencia (LFAC), sistemas de conversión de energía eólica (WECS) y como accionamiento de motores de medio/alto voltaje para bombas, molinos, cintas transportadoras, tracción marina, entre otras aplicaciones. Chile y Australia predicen que, para el 2050, los sistemas eólicos serán una de las principales fuentes de energía para industrias y personas. Adicionalmente, ambos países presentan una actividad minera activa, aplicación que considera múltiples accionamientos para motores. Sin embargo, los futuros conversores AC-AC para las aplicaciones mencionadas anteriormente, como por ejemplo el conversor matricial modular multinivel (M3C), presentan diversos desafíos para su implementación, tales como alto acoplamiento de los estados internos, alta complejidad para el control y balance de varios capacitores flotantes, gran cantidad de señales de control y oscilaciones en el voltaje de los capacitores a frecuencias críticas, desafíos que complican su implementación en aplicaciones de alto voltaje que requieren un gran número de sub-módulos. Este proyecto de investigación apunta al desarrollo de estrategias de control predictivo para controlar un M3C, que se componen de dos partes: un controlador interno encargado del control de corrientes y del control de balance local del clúster, y un controlador externo que logra el control de balance entre clústeres y mitiga las oscilaciones de baja frecuencia del voltaje de los capacitores de los sub-módulos. Por un lado, se proponen dos estrategias como controlador interno: una basada en control predictivo por modelo con desplazamiento de fase secuencial y otra basada en control predictivo por modelo con conjunto de control finito (FCS-MPC). Por otro lado, se proponen dos generadores de referencia como controlador externo: el primero genera corrientes circulantes en función de la energía de los clústeres en un espacio transformado, y el segundo considera corrientes circulantes y voltaje de modo común para balancear la energía del M3C. Finalmente, los resultados experimentales prueban la eficacia de la estrategia de control diseñada para controlar un M3C, logrando alcanzar las referencias de corriente y energía. Más aún, todas las propuestas son comparadas con estrategias de la literatura. En estado estacionario, el error de seguimiento promedio de corrientes y voltajes es de 1.96% y 1.82%, respectivamente, reduciendo el rizado del voltaje de los capacitores para baja frecuencia en 31% y para frecuencias iguales en 36%. Durante transientes, por un lado, cambios en escalón de potencia y frecuencia son seguidos instantáneamente. Por otro lado, cambios en escalón en los controles de balance local y entre clústeres son seguidos en 80 y 200 ms, respectivamente. Finalmente, la carga computacional de todas las propuestas incrementa linealmente con el número de sub-módulos, con excepción de la estrategia basada en FCSMPC.
Removal of volatile organic silicon compounds (D4, D5) from biogas using microaerophilic/anaerobic microbial strategies
(2022) Ortiz Ardila, Andrés Eduardo; Labatut, Rodrigo; Pizarro Puccio, Gonzalo E.; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La digestión anaeróbica (DA) se considera una tecnología rentable y sostenible para el tratamiento de lodos de depuradora (EDAR). Permite estabilizar la materia orgánica al tiempo que produce energía renovable, que puede utilizarse in situ. Los compuestos orgánicos volátiles de silicio (VOSiC) son omnipresentes en los elementos industriales, de cuidado personal y domésticos, por lo que están presentes en los lodos activados residuales. Estos VOSiC se consideran contaminantes emergentes debido a su afinidad con la materia orgánica. Además, disminuyen la eficiencia de generación de energía de los equipos de conversión de biogás por la precipitación de óxidos de silicato en los elementos de calentamiento y la consiguiente reducción de la transferencia de calor. Este trabajo evaluó los cambios en la estructura de la ecología microbiana y la biodegradación de los siloxanos, centrándose en la eliminación biológica de los principales siloxanos presentes en los lodos de DA. El enfoque utilizado promovió la evolución dirigida de la microbiota nativa de la DA para aumentar los organismos capaces de resistir las concentraciones de oxígeno y biodegradar eficazmente los siloxanos asignados en la materia orgánica. Se logró la aclimatación del sustrato utilizando el polímero de siloxano polidimetilsiloxano (PDMS) para seguir utilizando estos organismos en la estabilización microbiana de los oligómeros de siloxano -VOSiC- Octametilciclotetrasiloxano (D4) y Decametilciclopentasiloxano (D5). Nuestros resultados muestran que el PDMS es una fuente de VOSiCs en los digestores anaeróbicos; este es un descubrimiento crucial ya que esta fuente no se había tenido en cuenta anteriormente. Por último, proponemos una vía de biodegradación para los siloxanos D4 en condiciones de microaireación que muestra cómo el oxígeno y los organismos dentro de los lodos de DA superan la naturaleza recalcitrante del impedimento estérico del siloxano para transformarlo en silanoles que no poseen una amenaza para el medio ambiente o las energías basadas en el biogás.
Sistema de conversión de energía solar-termoeléctrico con almacenamiento de calor latente : desarrollo, diseño y evaluación experimental
(2022) Montero Moya, Francisco Javier; Jahn von Arnswaldt, Wolfram Michael; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Los sistemas de conversión de energía solar a eléctrica pueden mejorar la matriz energética de varios países del mundo. Sin embargo, es importante resolver de manera efectiva barreras relacionadas con la intermitencia y la variación del recurso solar. Los generadores solares termoeléctricos (STEG) se pueden utilizar para generar electricidad de forma extensiva. Para ello es necesario abordar varios factores técnicos: su baja eficiencia de conversión (~7%), una gestión térmica eficaz y el almacenamiento de calor residual. Esta investigación desarrolla y analiza un modelo conceptual de sistema de enfriamiento y almacenamiento de calor latente (LHSCS) utilizado para una gestión térmica eficiente y una ampliación del tiempo de generación de electricidad del sistema STEG. El STEG + LHSCS ha sido analizado para las condiciones climáticas del desierto de Atacama, Chile. En esta investigación se estudió el efecto de varios parámetros en el rendimiento del sistema, como el volumen del material de cambio de fase (PCM), el disipador de calor y la geometría del contenedor. El STEG + LHSCS logró mantener una diferencia de temperatura de alrededor de 100 °C entre los lados frío y caliente del generador termoeléctrico (TEG) durante las horas de presencia de radiación solar. Además, el sistema puede producir en las horas nocturnas de ausencia de radiación solar alrededor del 0.6% de la electricidad generada durante el periodo diurno, utilizando el calor residual almacenado en el PCM. El sistema STEG + LHSCS puede ayudar a resolver las necesidades de electricidad de aplicaciones residenciales e industriales en lugares desérticos de todo el mundo.

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