Tesis Doctorado

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A CFD Based Design Modelfor Tubular Fixed Bed CO2 Methanation Reactors under Power to Gas Operation.
(Universidad de Concepción., 2022) Soto Pascual, Victor; García Carmona, Ximena Andrea; Ulloa T., Claudia
Today, there is no doubt that renewable energy will and must play a central role in the future’s energy mix. During the 2000s and 2010s the strong growth in wind and solar photovoltaic plants for electricity production was mostly prompted by economics, environmental and social drivers. However, due to recent geo-political developments (Ukraine War, South China Sea disputes), the energy independence has resurged as an additional promoter for renewable energy development. In either case, it is already demonstrated that a large participation of non-dispatchable renewable energy in the electrical grid requires seasonal and hourly storage system to balance peak and low generation periods. Power to X (PtX) technologies, allows for the required storage, transforming electrical energy surplus into other energy carriers such as methane, hydrogen and methanol. In this work, methane as final product of the PtX process is considered due to its versatility and capacity to easily been injected into the existing gas grid. Therefore, the methane storage path also known as Power to Methane (PtM) will be mostly used to describe a particular form of Power to X system, which is of interest in this study. This work addresses one of the main technical problems demanded by methanation technology: heat management and temperature control of CO2 methanation reactors. A novel Computational Fluid Dynamics based design methodology is proposed for tubular fixed bed reactors in a PtM operational context. This thesis outlines an extensive literature review regarding the current trends in reactor modelling and the operational requirements of PtM technology. The main technological challenges regarding heat management in the tubular fixed bed reactor concept have not been addressed properly. In this research a computational modelling methodology was developed to design a methanation reactor in the context of a PtM operation. A 3D transient computational fluid dynamics model was implemented in ANSYS Fluent for such purposes. First a suitable CO2 kinetic model is validated against experimental data using a simplified tubular reactor model. Then, the heat transfer process between the reactor tubes and coolant is assessed against empirical correlations used extensively in shell and tube heat exchanger design. This unique approach allows to ensure that the proposed design fulfills entirely, both product gas quality (methane content) and heat management capabilities. Then, a sensitivity study was carried out to identify relevant differences between the two most common coolant fluids used in methanation. Unlike what is found in the revised literature, the most suitable coolant in terms of pumping energy consumption and heat transfer, is thermal oil instead of molten salts. Then, an optimal flow of coolant is found, which minimizes the energy consumed in pumping, while maintaining an optimum temperature control. Finally, a design configuration is proposed based on two modules (the first one of 1 m length, and the second of 0.5 m) with interstage water condensation. Then, the design configuration obtained in the previous chapter is subjected to disruptions relevant to Power to Gas operation. Firstly, the amount of time the reactor requires to reach the steady state from a standby condition is determined. In line with similar works, the time required for the reactor to leave the warm-start condition was 330 s. As for the reactor shutdown, it took 130 s to return to its original warm-start condition. Regarding reactor feeding relevant disruptions, a 30 s H2 feed interruption prompted a transient low-temperature hot-spot. After 90 s of resuming the H2 feed, the temperature profile returned to its original values. As for temperature disruptions, a 20 K sudden inlet feed rise, promoted the formation of a lower hot-spot and a new steady state at lower temperatures. On the other hand, a 20 K feed temperature drop triggered a high temperature hot spot, which exposed the catalytic bed to its maximum operating temperature (≈923 K). The appearance of this “wrong-way” behaviour was explained by the combined effect of transient reactant concentration and thermal inertia of the bed. Temperature disruptions did not affect substantially the quality of the outlet gas, while the H2 interruption induced a 90 s latency time required to return to the minimum methane required concentration. Finally, in the absence of coolant flow or chemical reaction, the reactor maintained warm start conditions for 3 h after all heat flow ceased. The author expects that this thesis will serve as a reference tool to the designers, chemical 4 or mechanical engineering students to better understand the phenomena involved in chemical reactor engineering in the context of intermittent energy storage.
Aislamiento y optimización energética híbrida insular en Chile: una propuesta para la sustentabilidad energética insular.
(Universidad de Concepción., 2021) Morales Lassalle, James Alexis; Link Lazo, Óscar Eduardo
En el presente trabajo se evalúa la idoneidad de sistemas híbridos de generación eléctrica, con enfoque particular en islas, tanto del mundo como de Chile, y la posibilidad de cuantificar el nivel de aislamiento energético de estas unidades a partir del diseño de un índice de aislamiento energético insular. El trabajo se divide en 3 partes: (1) Se realiza una revisión bibliográfica de la experiencia en optimización de sistemas híbridos en islas alrededor del mundo; (2) Se identifican características que convierten a las islas en unidades geográficas especiales desde el punto de vista energético; (3) Se plantea la construcción de un índice que refleje las condiciones de aislamiento energético a las que se ven sometidas las comunidades insulares. Para abordar el punto (1) se realizó una extensa revisión bibliográfica en revistas indexadas, que incluyeran un proceso de optimización de sistemas híbridos (o Hybrid Renewable Energy System, por sus siglas en inglés). La muestra consideró un total de 73 islas, distribuidas por todo el mundo, incluyendo pequeñas comunidades insulares (como Mykines y Eigg), así como islas con alto grado de desarrollo y población (como Canarias o Hainan). El trabajo permitió recolectar información relacionada con: aspectos demográficos y geográficos de las islas, nivel de demanda eléctrica y metodologías de obtención de perfiles de carga, metodologías de evaluación del potencial energético renovable, objetivos de optimización, metodologías y herramientas de optimización, mix de generación y almacenamiento de energía. En el trabajo se discuten elementos comunes en los procesos de optimización, así como los principales desafíos de su diseño. Además, se identificó de manera preliminar una relación de potencia, con exponente superior a 1 entre las variables de población y consumo eléctrico, elemento que fue analizado en la segunda parte de esta tesis. Para el punto (2) se sugirió una ley de potencia entre las variables de población y consumo eléctrico anual para islas. En este caso, se escogió una muestra de 51 islas distribuidas por todo el mundo, pero que cumplieran con criterios que aseguraran su aislamiento. El resultado demostró que el consumo energético seguía una relación de potencia con exponente 1.12 y un coeficiente de determinación 𝑅 2 = 0.91. La relación demostró ser significativa estadísticamente, mientras que las variables se distribuyen de manera normal. Los resultados fueron comparados con los obtenidos para otras entidades geográficas, en particular, países y pequeños estados insulares en desarrollo (SIDS), verificándose una diferencia significativa para ambos casos. Se hipotetizó tanto en los alcances de este resultado, como las posibles explicaciones de la diferencia entre las distintas entidades geográficas. Algunas posibilidades serían: ineficiencias en el transporte de la electricidad, existencia de deseconomías de escala, la distribución espacial de los asentamientos insulares y finalmente el efecto que aspectos políticos pudiesen tener en el consumo eléctrico. Finalmente, para abordar (3) se planteó el diseño de un indicador compuesto, al que se llamó Índice de Aislamiento Energético Insular” y que permite evaluar “La carencia en el acceso a un conjunto de fuentes y/o servicios energéticos, propiciado por las condiciones territoriales inherentes de una isla”. Se identificaron 4 dimensiones para abordar esta problemática, a partir de las cuales se definieron 8 indicadores. El índice se sometió a un análisis de incerteza y sensibilidad para evaluar la robustez del mismo y finalmente ser aplicado a una muestra de 58 islas chilenas con asentamientos permanentes.
Aleaciones súper austeníticas estabilizadas con (Nb, V o Ti) expuestas en sales fundidas aplicadas en plantas térmicas concentradoras solares y salinas.
(Universidad de Concepción., 2023) Ramírez Briceño, Jesus Alfredo; Rojas Jara, David; Meléndrez Castro, Manuel
La siguiente investigación lleva por título “Aleaciones Súper Austeníticas estabilizadas con (Nb, V o Ti) expuestas en sales fundidas aplicadas en Plantas térmicas Concentradoras Solares". El desarrollo de esta investigación parte del estudio de un acero SASS-Nb modificado a partir del acero comercial 254SMO. En esta investigación se determinó el efecto del Nb como agente estabilizador y las temperaturas de tratamiento térmico optimas de recocido de precipitación sobre las propiedades de resistencia a la corrosión general y localizada. De acuerdo con esta investigación existen algunas incertidumbres e hipótesis si la adicción de otros elementos estabilizadores como (Nb, V y Ti), puedan incrementar las propiedades mecánicas, específicamente la resistencia al fenómeno de termofluencia sin promover la corrosión intergranular. La investigación del acero SASS-Nb modificado a partir del acero comercial 254SMO y 709, crea una base científica y un reto tecnológico para el diseño de nuevos aceros inoxidables superausteníticos (A1 y A2) con modificación de Mo y adición de nuevos elementos estabilizadores. La investigación realizada se enfocó en el diseño, producción, caracterización y evaluación de dos tipos de aceros Súper Austeníticos con la adición de elementos estabilizadores y tierras raras. Los aceros desarrollados fueron evaluados frente a condiciones cíclicas de trabajo (temperatura y tiempo) a las cuales operan los sistemas de almacenamiento de energía solar (tanques de almacenamiento, tuberías y válvulas), como lo son altas temperaturas (550 °C) y medios agresivos (sal solar), para evaluar su comportamiento como solución al deterioro acelerado de estos materiales. Se utilizó la simulación termodinámica Thermo-Calc, con la finalidad de predecir las posibles fases secundarias intermetálicas (σ, chi, MX, M23C6 y Laves) y temperatura de aplicación de tratamientos térmicos. La producción de las dos aleaciones se enfocó en el estudio de la influencia de la concentración de Nb, Ti y V con respecto a las propiedades de termofluencia. Asimismo, se integró el Ce para el estudio o contribución a la resistencia a la corrosión a alta temperatura y sales fundidas. Las aleaciones producidas fueron formadas por Nb, V, Ti y Ce en un rango de 0.37 %, 0.09 %, 0.02 % y 0.009 % (A1) y 0.16 %, 0.34 %, 0.00 % y 0.01 % (A2) y composiciones de Cr, Ni, Cu, Mn, Si y Fe similares. Se realizaron caracterización en condiciones iniciales y de exposición, mediante microscopia óptica, MEB, RAMAN, AFM, XPS y DRX. Como principales resultados se tiene que la microscopía óptica en ambas aleaciones mostró inclusiones no metálicas de óxidos globulares tipo D2 y morfología de granos austeníticos equiaxiales con tamaño de grano ASTM6 y precipitaciones secundarias. Los aceros diseñados expuesto alta temperatura (800 °C y 110 h de exposición) presentaron un excelente comportamiento con ganancia de masa de 0.17 mg/cm2 y 2.49 mg/cm2 para A1 y A2 respectivamente, siendo su cinética de oxidación del tipo parabólica con valores de su contante cinética de 9.16 × 10-13 g2/cm-4s-1 y 3,40 × 10-11 g2/cm-4s-1, lo cual indica una excelente resistencia de los aceros a la exposición a alta temperatura. En lo que respecta a la exposición en sales fundidas (NaNO3 y KNO3) a 550 °C durante 720 h, ambas aleaciones diseñadas presentaron un excelente comportamiento con ganancia de masa de 0.0110 mg/cm2 y 0.0353 mg/cm2 para A1 y A2 respectivamente. Es decir, sus ganancias de masa son muy bajas lo cual es excelente para la aplicación en plantas térmicas solares. Por otra parte, las propiedades mecánicas de tracción, dureza y termofluencia presentadas en las aleaciones A1 y A2 son excelentes y comparables al acero comercial 709. Destacándose la aleación A1 con altos tiempo de ruptura en ensayos de termofluencia en el orden de 1190 h a condiciones de 720 h – 150 MPa. De manera general, 1) la adición de elementos estabilizadores como Nb, V, Ti aumentaron la resistencia a la termofluencia de las aleaciones mediante el mecanismo de endurecimiento por precipitación (NbMX, TiMX y VMX) y 2) la adicción de Ce por debajo de 0.01 ppm modifica la microestructura de las aleaciones, resistencia a la oxidación y produce un refinamiento de la estructura dendrítica.
Algorithms and methods for the study of brain connectivity based on dMRI.
(Universidad de Concepción., 2020) López López, Narciso; Guevara Álvez, Pamela Beatriz
A main goal for understanding how the brain works is the description of the network of brain connections or the human brain connectome. The basic elements of the connectome are regions of gray matter (GM) formed by neuronal brain bodies (somas) and the connections (axons) between them formed by the white matter (WM) neuronal fibers. Currently, diffusion-weighted Magnetic Resonance Imaging (dMRI) techniques with High Angular Resolution Diffusion Imaging (HARDI) have improved the quality of tractography datasets concerning Diffusion Tensor Imaging (DTI). Tractography data are complex and contain noise and artifacts, so they require computational methods capable of processing them efficiently and extract useful information. Therefore, this thesis proposes the development and implementation of several methods to process the brain tractography data and through them provide analysis tools for study the brain structural connectivity. Among them, we contributed to the improvement of a clustering of white matter fibers, to the labeling of the superficial white matter bundles, to the development of a method for the parcellation of the cortical surface from short and long segmented bundles for a group of subjects, and to the development of complementary methods to carry out the individual parcellation. We collaborated in the development of an efficient clustering of white matter fibers that was evaluated in terms of quality and execution time against other state-of-theart methods, giving as a result 8.6 times more speed than the most efficient method. Moreover, we created a method which performs intra-subject labeling of superficial white matter fibers in 3.6 min, and two inter-subject labeling methods. One is based on matching and obtains good correspondence but little reproducibility with an execution time of 96 s. The other one focused on clustering that obtains good correspondence and reproducibility among subjects achieving a short execution time of 9 s for a subject. On the other hand, a method for cortical surface parcellation which creates parcel atlases was developed. Then, two generated parcellations were compared with stateof-the-art methods, finding a degree of similarity with dMRI, functional, anatomical, and multi-modal atlases. The best comparison was between our parcellation composed of 185 sub-parcels and another dMRI-based parcellation, obtaining 130 parcels in common for a Dice coefficient ≥0.5. The parcellation composed of 160 parcels achieves a reproducibility across subjects of ≈0.74, based on the average Dice’s coefficient between subject’s connectivity matrices, rather than ≈0.73 obtained for a macroanatomical parcellation of 150 parcels. In addition, two complementary methods were developed to perform individual cortical parcellations, one based on clustering and the other based on the geodesic distance, the latter obtains a parcellation of 350 parcels in 18 s for the atlas-based mode and 82 s for the whole cortex mode. Moreover, it obtains better reproducibility against two state-of-the-art methods with a difference of 0.024 and 0.043 according to the Dice coefficient. This thesis contributes to the development of efficient computational methods for the study of brain connectivity that can be applied to high-quality and large databases, capable of dealing with the noise present in the tractographies. In addition, thanks to this research, these methods can be used by neuroscientists, neuroanatomists, and neurologists to study and develop new studies of brain connectivity and to obtain more answers about the structure of the brain and its connectivity
Algoritmo de corrección de desenfoque Multi-Planar basado en función de dispersión de punto 3-D para microscopía infrarroja.
(Universidad de Concepción., 2020) Jara Chávez, Anselmo Gabriel Audito; Torres Inostroza, Sergio
La tecnologías y sus avances en el desarrollo de sistemas de imágenes infrarrojas han permitido la exploración térmica a niveles antes impracticables, extrapolando su uso e impacto desde la industria minera, metalúrgica, defensa y astronómica, hasta las aplicaciones más demandantes de precisión, como lo es la medicina, mediante la exploración exotérmica macroscópica de órganos, y la biología, por medio de la exploración microscópica de organismos de orden milimétrico y submilimétrico. A pesar de la gran cantidad de avances logrados en transductores infrarrojos, para la fabricación de Arreglos de Plano Focal, la calidad de una imagen infrarroja sin procesar aún evidencia una muy baja relación señal/ruido. Por otra parte, la óptica de los sistemas dotados de magnificación, normalmente inducen aberraciones sobre su plano focal, las que degradan la imagen de salida con importante borrosidad planoselectiva. Un sistema Opto-electrónico, por tanto, hereda ambas limitaciones, el ruido de patrón fijo, también conocido como no-uniformidad, y la borrosidad producida por desenfoque multi-planar. Causando grandes dificultades en el análisis de imágenes infrarrojas para todo tipo de aplicaciones. Referenciando la metodología adoptada y tras la necesidad de resolver la pérdida de información al capturar imágenes térmicas de una muestra tridimensional en un sistema microscópico infrarrojo, se diseñó un método que caracteriza el espacio de visión de éste, en términos de su dispersión óptica para todo el campo de visión tridimensional, para, una vez estimados sus indicadores de dispersión, aplicarlos a la imagen de entrada mediante restauración por deconvolución a múltiples planos, entregando en su salida una imagen plenamente enfocada. Para este desarrollo, tiene la condición de resultado particularmente importante, el uso único de técnicas de Procesamiento de Imágenes para la restauración multi-planar. Desarrollo que sustenta sus conclusiones en la caracterización de un espacio volumétrico sin la necesidad de sistemas de escaneo e involucrar tiempo de barrido, sin irradiar la muestra, como tecnologías confocales, y sin la agregación de insumos de fluorescencia e invasión de muestra, sino el procesamiento único de la radiación de emisión. En consistencia al objetivo principal, esta investigación dirigió sus esfuerzos resolver la pérdida de información térmica de un sistema de imágenes infrarrojo microscópico, desarrollando un método que logra el pleno enfoque de un muestra tridimensional a partir de una única imagen, por medio del Procesamiento de Imágenes.
Algoritmos para el cálculo de la cadena media.
(Universidad de Concepción., 2019) Sánchez Mirabal, Pedro Aniel; Seco Naveiras, Diego; Abreu Salas, José Ignacio
El problema de la cadena media es NP-hard para muchas de sus formulaciones, específicamente cuando se emplea la distancia de edición de Levenshtein. Las heurísticas más competitivas aplicadas a este problema usan algoritmos basados en hacer perturbaciones sucesivas a una solución inicial, estos algoritmos son llamados perturbation-based iterative algorithms. La cadena inicial y la política para establecer un orden entre las posibles ediciones son esenciales en la eficiencia de estos algoritmos. En esta tesis se abordan estos sub-problemas. Primero, se estudia cómo una mejor clasificación de las posibles perturbaciones atendiendo a su calidad, tiene efectos en la convergencia de los algoritmos, como consecuencia de esto, se obtiene un nuevo ranking de perturbaciones, que no solamente tiene en cuenta lo que ocurre en relación con las cadenas en las que dicha perturbación está presente, si no, también con respecto al resto de las cadenas del conjunto. Luego, se muestra como la cadena inicial influye en el proceso, analizando principalmente dos variantes de inicialización para estos algoritmos, la cadena perteneciente al conjunto con menos distancia al resto, y la media de un subconjunto de la entrada del algoritmo. Este subconjunto mencionado anteriormente es determinado por los vecinos obtenidos al aplicar el algoritmo Half Space Proximal (HSP) a la cadena mediana del conjunto. De la misma forma, se proponen alternativas para la reducción del conjunto de datos a procesar, sustituyéndolo por un subconjunto de éste, con el fin de disminuir los costes computacionales de los algoritmos. Finalmente, se valida la calidad de los algoritmos obtenidos mediante algoritmos de optimización que resuelven este problema de forma óptima. En el proceso de validación se lleva a cabo un gran número de experimentos que dan soporte a las conclusiones obtenidas. En estos experimentos se muestra que el error de los algoritmos diseñados se encuentra bien acotado, obteniendo soluciones óptimas para los casos en que SAT o ILP logran determinar el ´óptimo. En los casos en que el óptimo no es determinado por SAT o ILP, la solución encontrada es mejor o igual, logrando obtenerla en un tiempo de cómputo menor.
Algoritmos y arquitectura para cálculo de similitudes genómicas en aceleradores en hardware.
(Universidad de Concepción., 2023) Soto Salcedo, Javier Esteban; Figueroa Toro, Miguel Ernesto; Hernández R., Cecilia
La similitud entre genomas es un concepto fundamental en bioinformática. Esta se utiliza para determinar relaciones evolutivas o filogenéticas entre diferentes especies, para identificar regiones similares en genomas, o para organizar genomas con características genéticas similares en grupos o clústeres. Existen diversas métricas de comparación utilizadas en la literatura, las cuales utilizan diferentes principios para medir la similitud. Una de las más utilizadas en genómica es la similitud de Jaccard, la que se basa en teoría de conjuntos y evalúa la presencia o ausencia de elementos en los dos conjuntos a comparar para indicar qué tan similares son. Otra métrica utilizada es la divergencia de Jensen-Shannon, que usa información estadística asociada a la distribución de probabilidad de un genoma, que puede estar representado por más de una secuencia. En general, el procesamiento de genomas se realiza describiéndolos como un conjunto de substrings de largo k, llamados k-mers. Tanto el proceso de extracción de k-mers como el cálculo de similitud, son tareas computacionalmente desafiantes, debido al alto uso de memoria requerida por el volumen de datos asociado a datos genómicos y a la complejidad cuadrática del cálculo de similitud entre pares. Este trabajo presenta el diseño de algoritmos y aceleradores usando el paradigma de FPGAas-a-service para calcular la similitud entre genomas utilizando estructuras de datos probabilísticas o sketches. El primer acelerador realiza el cálculo de similitud Jaccard entre genomas, pudiendo calcular todas las similitudes entre los elementos de una base de datos o solo aquellos que tengan la posibilidad de superar cierto umbral, permitiendo así reducir significativamente la cantidad de operaciones a realizar. Después de la construcción de sketches, el acelerador puede calcular más de 96 millones de coeficientes Jaccard por segundo en una instancia f1.2xlarge de Amazon Web Services (AWS) con un FPGA XCVU9P, lo que presenta una aceleración de 58 veces sobre el estado del arte en software corriendo en una instancia c5.9xlarge. El acelerador es 27 veces más rápido que una implementación directa en GPU y 4 veces más rápido que una implementación optimizada en GPU, correspondiente a una adaptación del algoritmo diseñado para el FPGA. Ambas implementaciones en GPU fueron evaluadas en una instancia g5.4xlarge que cuenta con una GPU NVIDIA A10G. El segundo acelerador implementa el cálculo de similitud usando divergencia de Jensen-Shannon. El acelerador utiliza una estructura llamada arreglo de colas de prioridad (PQA), la cual almacena los elementos más frecuentes de un conjunto para el cálculo de entropía. Esta implementación alcanza una aceleración de 1, 9 veces comparada con la implementación del mismo algoritmo en GPU, en ambos casos usando las instancias f1.2xlarge y g5.4xlarge respectivamente.
An accurate characterization of complex fluid mixtures. A collaborative approach based on Molecular Simulations and the Statistical Associating Fluid Theory.
(Universidad de Concepción., 2016) Garrido Acuña, José Matías; Mejía, Andrés; Segura, Hugo
A rational guide able to qualitatively predict the thermo-physical properties in terms of state variables ( temperature, pressure, composition) becomes relevant in various technological applications. As part of a global approach where theory and Molecular Simulations (MS) collaborate in characterizing phase and interface behaviors, it has been well established the need of a unequivocal guidance for estimating initial guesses of conditions able to generate stable MS experiments devoted to predict specific phenomena, where due to extreme conditions, experimental measurements have a limited capability to accurately predict all the properties of complex fluids. Molecular based Equation of State (EoS) models and MS provide key pieces of such an approach since, on the one hand, they are closely related in terms of the underlying molecular model the force potential field- and, on the other hand, they directly depend on the interactions exerted by unlike molecules, so we claim in this thesis that an approach based on Global Phase Diagrams (GDP) a parametric map where phase behaviors may be delimited in terms of molecular parameters- is useful to rationally guide molecular simulations.
Análisis de elementos críticos para la sustentabilidad del desarrollo del Sector Mini-Hidro (<20 MW) en Chile.
(Universidad de Concepción., 2019) Arriagada Sanhueza, Pedro Jesús; Link Lazo, Óscar Eduardo
En el presente trabajo de Tesis se analizan tres elementos críticos para el desarrollo sustentable del sector hidroeléctrico a través de pequeñas centrales hidroeléctricas (<20MW), relacionados con cada una de las dimensiones de la sustentabilidad: Efectos de la variabilidad y cambio climático sobre la disponibilidad del recurso; Efectos del aprovechamiento del recurso sobre la conservación de especies y; Efectos del aprovechamiento del recurso sobre el medio humano. Debido a la amplitud de la temática, el trabajo presenta un análisis que avanza el estado del conocimiento científico relacionado con estos tres elementos críticos y con ello proporciona una base para delinear propuestas conceptuales a nivel de política para la adecuada planificación del desarrollo del sector mini-hidro en Chile Central. La escasez y mala calidad de los registros hidrometeorológicos de Chile presentaron uno de los mayores desafíos técnicos para estimar el potencial hidroeléctrico, ya que éste depende directamente del caudal de los ríos en los lugares de aprovechamiento y en la mayor parte de los puntos donde se debió estimar el potencial, no existía estadística de caudales. Por ello, fue necesario desarrollar una aplicación de inteligencia artificial para el relleno de estadística hidrológica de caudales diarios en las cuencas de Chile Central. El análisis de los efectos del clima sobre la disponibilidad del recurso, mostraron que: (1) existen tendencias decrecientes significativas del potencial hidroeléctrico aprovechable en todas las cuencas analizadas que van desde los -22 a -47 MW/año y que dichas tendencias se mantendrán en el futuro. (2) Las tendencias observadas en el potencial hidroeléctrico aprovechable se encuentran moduladas por la variabilidad climática presentando periodos crecientes y decrecientes alternados. En el caso de estudio, i.e. en Chile Central, el potencial hidroeléctrico está correlacionado significativamente con la oscilación de El Niño en la escala interanual en todas las cuencas estudiadas. En la escala interdecadal se encontraron correlaciones significativas con la oscilación decadal del Pacífico (PDO), oscilación multidecadal del Atlántico (AMO) y el modulo anular del sur (SAM), donde el dominio de cada oscilación presenta diferencias entre cuencas. (3) La disponibilidad del recurso hidroeléctrico, es decir, los valores medios y medianos, se mantendrán hasta el año 2050. Sin embargo, se observaron reducciones en los valores extremos, sobre todo en los potenciales mínimos que pueden reducirse a un 40% en los escenarios más extremos. (4) Existe un riesgo de sobreinversión al no considerar los efectos de la variabilidad climática sobre el recurso hidroeléctrico, por ejemplo, de seguir la tendencia de desarrollo, la capacidad instalada para aprovechar hidroelectricidad en las cuencas del Biobío y Maule podría llegar a superar la disponibilidad del recurso. El análisis de los efectos del aprovechamiento del recurso sobre la conservación de especies mostró que: (1) Se espera que la fragmentación de los sistemas fluviales andinos aumente severamente en el corto y mediano plazo, afectando la conectividad y función ecológica, así como su resistencia a los factores de stress antropogénicos. (2) El potencial hidroeléctrico puede ser aprovechado disminuyendo los impactos sobre la conectividad fluvial priorizando los afluentes de la cuenca alta de fragmentos por encima de barreras ya existentes.
Análisis de la radiación solar espectral ultravioleta en Chile Central.
(Universidad de Concepción., 2021) González Rodríguez, Lisdelysl; Contreras Pérez, David Rodrigo; Baeza Freer, Ana C.
En las últimas décadas, se ha prestado mucha atención a la cantidad de radiación solar espectral ultravioleta (RUV) que llega a la superficie terrestre debido al adelgazamiento de la capa de ozono (O3) estratosférica. Esto ha provocado que se reciban altos valores de RUV en el hemisferio sur desde la primavera hasta otoño. La RUV es un componente muy energético y su efecto es acumulativo por lo que debe vigilarse al desempeñar un papel importante en la salud ambiental y laboral. Por otro lado, su análisis en la superficie de la Tierra es esencial debido al rápido avance del tratamiento de aguas residuales mediado por nuevos materiales y el espectro solar. Sin embargo; son escasas las mediciones y series de tiempo extensas de RUV, los estudios de dosis recibidas dependiendo de la susceptibilidad individual y la caracterización de su distribución espacio-temporal está lejos de ser completa. Esto particularmente preocupante en Chile, y especialmente en el centro, donde se concentra la mayor población del país. Este es el motivo por el cual en esta tesis se propuso; cuantificar y modelar la RUV que llega a la superficie terrestre en Chile Central. Con el fin de evaluar su impacto directo e indirecto sobre la salud de las personas, así como proponer herramientas que estimen valores de RUV para su uso en cualquier estudio futuro que requieran datos (variación espacio-temporal, valores promedios horarios o diarios, así como en potenciales aplicaciones) en sitios de Chile. Se trabajó con datos de radiación solar espectral UV-B (280- 315nm), mediante la información que brinda el UVER (280-315nm) y se simularon valores de RUV (280- 400nm). Se incluyó en el estudio ciudades de Chile ubicadas entre las latitudes 24°S y -37°S como, Antofagasta, Valparaíso, Santiago, Rancagua y Concepción. Por sus características climáticas, demográficas y geográficas se dedicaron dos trabajos a la zona más poblada Chile Central, Santiago de Chile. Se analizó la RUV bajo diferentes condiciones de cielo, épocas del año y distintas escalas de integración temporal. A su vez se obtuvieron medidas de O3 (troposférico y estratosférico), cobertura de nubes, humedad relativa, temperatura, precipitaciones, velocidad de viento, aerosoles, material particulado (MP10) y óxido de nitrógeno (NO2). Los datos mencionados, así como las medidas meteorológicas registradas en cada estación de medida, han sido analizados para caracterizar el tipo de atmósfera y su aerosol predominante en cada localidad de estudio. Se evaluó el impacto directo e indirecto que tiene la radiación espectral UVER en la salud humana. El efecto negativo directo del UVER se analizó a través de cuatro índices de eritema; el índice ultravioleta (UVI), el tiempo de exposición máximo (tery), la dosis eritemática mínima (MEDI-IV) para diferentes fototipos de piel (I-IV) o susceptibilidades de piel y la dosis eritemática estándar (SED). Se tuvo en cuenta la variación estacional de la nubosidad empleando el índice de claridad atmosférico (KT) y otras características climáticas al evaluar la exposición al UVER en la población chilena. Para conocer el rol indirecto del UVER en la salud humana se analizó la relación entre el UVER y la contaminación atmosférica en la superficie de Santiago. Dado el papel fundamental de la RUV y la falta de mediciones a largo plazo, se desarrolló y validó un set de modelos empíricos (horarios y diarios) que estiman el UVER bajo diversos escenarios en una superficie horizontal, desde mediciones simultáneas de radiación global y UVER durante 5 años (2015-2019) obtenidas en la estación radiométrica del Departamento de Física en la Universidad de Santiago (USACH). El modelo que tuvo el mejor desempeño se empleó como parte de una estrategia para extender el análisis realizado en Santiago a la Región Mediterránea Chilena (RMCh). Así se produjeron dosis de UVER para esta región utilizando el mejor modelo y las observaciones de radiación global obtenidas en 57 estaciones radiométricas durante el año 2019. Las dosis modeladas se validaron utilizando mediciones terrestres en los sitios de, Gobernación marítima (GOB, Valparaíso), El Colorado (COL, Santiago) y Rancagua (RAN, O’Higgins). Con las series disponibles se desarrolló la distribución espacio-temporal de la exposición a UVER en RMCh a escala mensual y anual. Atendiendo a la posibilidad de conocer el potencial que tiene la RUV, como fuente de energía en el proceso de degradación fotocatalítica de contaminantes en ciudades pobladas de Chile, se simularon valores de RUV en tres ciudades chilenas, Antofagasta, Santiago y Concepción. Se empleó un periodo de 8 años y el modelo de transferencia radiativa UVSPEC/LibRadtran. Se incluyó en las simulaciones parámetros atmosféricos como, la cobertura de nubes, columna de O3, aerosoles, ángulo solar cenital, latitud y altitud. Se analizó de forma estacional en términos de irradiancia (Wm-2 ) e irradiación (kJm-2 ) los valores de RUV simulados en las tres ciudades de Chile. Ambos enfoques (empírico y transferencia radiativa) con el objetivo de obtener valores de UVER (280-315nm) y RUV (100-400nm) donde no se poseen mediciones. Las observaciones indican que para alertar a la población sobre los riesgos de la sobreexposición al UVER es necesario utilizar, además del UVI, tres índices más de eritema: SED, MED y tery. La combinación de estos índices muestra que, en Chile Central, los individuos con tipos de piel III y IV (fototipos de piel más frecuentes en Chile) están expuestos a dosis UVER perjudiciales durante el 46% del tiempo donde el UVI indica que es seguro. Esto ocurre bajo condiciones de nubosidad y antes de las 11:00 LT durante la primavera, el verano y el otoño. De hecho, esta tesis muestra que los cielos nublados minimizan la intensidad del UVER y el correspondiente UVI (2) en la superficie, pero las dosis acumuladas superan los niveles recomendados por OMS/WHO incluso en individuos melano-competente (fototipos III-IV). Enviando el mensaje que una exposición a niveles bajos de UVI (2) parece engañosa y la información reportada por la OMS/WHO de no proteger la piel en estas condiciones necesita reconsiderarse. El O3 troposférico tuvo una correlación positiva con la UVER, revelando un incremento de 27 ppbv en la concentración de ozono cuando los niveles de UVER eran superiores a 0,10 Wm-2 (UVI = 4). Por tanto, la RUV entrante que alcanza la superficie de Chile Central llega con la energía suficiente para provocar quemaduras solares y aumentar los niveles de O3 troposférico desde finales de la primavera hasta principios de otoño. Para las zonas pobladas no cubiertas por la red solar chilena, los valores horarios y diarios de radiación solar espectral (UVR y UVER) pueden estimarse mediante los modelos desarrollados en este trabajo. Los modelos empíricos que estiman los valores horarios y diarios de UVER teniendo en cuenta las condiciones de cielo (KT), muestran un buen desempeño para la RMCh. Se presentan aquí datos del espectro solar (entre 250 y 4000 nm) con 1 nm de resolución espectral para cielo claro y nublado. La RUV-simulada mensual mediante el LibRadtran muestra similitud con las simulaciones de RUV que hace la herramienta en línea Explorador Solar en la ciudad de Antofagasta. Con los valores estimados (UVER y RUV) mediante las técnicas de modelación fue posible conocer la distribución espacio-temporal a escala mensual y anual del UVER a través de la región mediterránea chilena y sugerir que es posible el tratamiento solar de aguas en las ciudades de Antofagasta, Santiago y Concepción empleando la RUV como fuente de energía. Contribuyendo con dos herramientas que estiman valores de radiación solar espectral ultravioleta para su uso en cualquier estudio futuro que requiera datos sobre UVER o RUV (variación espaciotemporal, valores promedios horarios o diarios, así como otras potenciales aplicaciones) en sitios de Chile. En esta tesis se aportó al conocimiento de (a) exposición solar según susceptibilidad individual por tipo de piel (Capítulo 4, Resultados 4.1, 4.2), (b) influencia indirecta de la RUV sobre la formación y descomposición de contaminantes urbanos fotosensibles (Capítulo 4, Resultado 4.1); (c) creación y aplicación de modelos empíricos y de transferencia radiativa para obtener datos de UVER y RUV en ciudades pobladas de Chile (Capítulo 4, Resultados 4.2 y 4.3.2), (d) obtención de mapas mensuales, estacionales y anuales de la exposición al UVER así contar con una climatología sencilla, disponible y validada del UVER en Chile Central (Capítulo 4, Resultado 4.3.1), y (e) aplicación de explotar el potencial de la RUV como fuente de energía para el tratamiento de aguas en ciudades pobladas (Capítulo 4, Resultado 4.3.2
Análisis de la resistencia al corte interfacial (IFSS) de compuestos reforzados con nanoestructuras
(Universidad de Concepción., 2015) Medina Muñoz, Carlos Andrés; Meléndrez Castro, Manuel; Flores Vega, Paulo Andrés
El incremento del uso de los materiales compuestos (polímeros reforzados con fibras), está asociado al crecimiento confiable en nuevos métodos de fabricación que han permitido obtener piezas con geometrías complejas, y como resultante estados de esfuerzos complejos. El desempeño mecánico a través del espesor (fuera del plano) de estos nuevos diseños estructurales, es por lo general significativamente menor que la resistencia en el plano donde las propiedades mecánicas están relacionadas directamente con la matriz y su refuerzo. En un material compuesto, la carga es transferida desde la matriz a las fibras a través de la interfaz,zona que representa una discontinuidad del material que debilita a la estructura, y por lo tanto la falla fuera del plano ocurrirá en esta región. Se considera que un aumento de las propiedades en, o muy cerca de la interfaz, es decir, una modificación de las propiedades mecánicas de la matriz y/o la modificación de las propiedades interfaciales, deriva en un aumento de las demás propiedades mecánicas, tales como resistencia a la tracción,a la compresión, a la delaminación, etc. La introducción al sistema de material de refuerzo de tamaño nanométrico en matrices poliméricas,ofrece un enorme potencial para la realización de materiales compuestos reforzados multiescala con mejores propiedades mecánicas en el comportamiento ante la falla. Esta tesis de doctorado estudia la influencia de incorporar nanotubos de carbono en un material compuesto sobre la respuesta mecánica macroscópica,en solicitaciones que consideran un estado de esfuerzos fuera del plano o transversal a la dirección de las fibras. Con una modificación de las propiedades de la matriz por la adición de nanotubos de carbono, se evalúa el efecto en la resistencia de la interfaz fibra/matriz del compuesto multiescala. Adicionalmente, se realiza una caracterización macroscópica del compuesto reforzado multiescala en sus propiedades donde estas modificaciones tienen una mayor repercusión, especialmente para esfuerzos de corte,fractura intralaminar,delaminación en modo II y compresión fuera del plano. Los resultados de esta investigación arrojan que para la matriz epóxica modificada no se presentan alteraciones en propiedades como la temperatura de transición vítrea, módulo elástico, resistencia a la tracción y resistencia al corte. Sin embargo en otras propiedades hubo modificación,como por ejemplo, un efecto negativo se obtiene en la resistencia a la fractura disminuyendo un 17% y para las propiedades en compresión se tiene un aumento de la dureza del material del 6% y un 11% en el módulo elástico de compresión. Esta modificación de incide en las propiedades de la interfaz con un aumento del 19 %,correspondiente a la resistencia al corte interfacial. En la macroescala se observó que para las propiedades de corte no hay modificación. Sin embargo, los resultados mostraron un incremento de la resistencia a la compresión del compuesto multiescala del 6% atribuido al aumento de la dureza de la matriz y de la propiedad de interfaz. Al contrario, la resistencia al corte interlaminar (delaminación modo II) se vio reducida en un 8 %, producto de la disminución de la resistencia a la fractura de la matriz. Finalmente, a primera vista la energía de fractura intralaminar no fue afectada, pero al analizar la superficie de fractura se aprecia que los nanotubos de carbono afectan el modo de falla del material compuesto multiescala cambiándolo de una fractura frágil a una dúctil por su adición al sistema. En resumen, siendo los nanotubos de carbono una de las mejores alternativas para modificar las propiedades de un material compuesto o polímero, el efecto positivo en el comportamiento mecánico que se produce en la interfaz fibra/matriz del material compuesto multiescala,no afecta positivamente en las propiedades de la macroescala.
Análisis del crecimiento anisotrópico de cristales de hielo mediante simulación computacional
(Universidad de Concepción., 2014) Valenzuela González, Gerson Esteban; Toledo Ramírez, Pedro Gonzalo; Rozas, Roberto E.
En esta tesis se investigó la transición líquido-sólido de agua mediante simulación computacional, examinando la anisotropía en el crecimiento perpendicular a los planos cristalográficos basal, piramidal y prismático de hielo Ih. Se han generado métodos de análisis del crecimiento que podrían ser aplicados a sistemas más complejos que el agua, con el fin de analizar mecanismos de autoensamblaje relevantes en nanociencia y nanotecnología. Además, los métodos y programas computacionales desarrollados en este estudio han permitido identificar partículas tipo sólidas en un puente capilar de agua, tema de alto impacto en la investigaciones llevadas a cabo mediante microcopía de fuerza atómica. En particular, mediante un programa de simulación que fue diseñado y programado específicamente para esta tesis, se observó el crecimiento de hielo Ih utilizando el modelo rígido de agua TIP4P/2005 en todas las direcciones de crecimiento analizadas. Se identificaron moléculas de la interfase líquido-sólido de agua en base al orden local de las moléculas. De la posición media de estas moléculas en el tiempo se calculó la velocidad de crecimiento. Los resultados obtenidos se encuentran en el rango de 1 a 2 °A/ns para temperaturas entre 220 a 250 K, con un máximo de la velocidad de crecimiento localizado alrededor de 240 K. El orden de magnitud y tendencia de la velocidad de crecimiento con la temperatura corresponde con otras investigaciones recientes en literatura, sin embargo, las tendencias de velocidades de crecimiento para cada plano de hielo no son claras ni diferenciadoras, con lo que no fue posible caracterizar el crecimiento anisotrópico de hielo Ih mediante el coeficiente de crecimiento cinético. Por otra parte, mediante la identificación de las moléculas interfaciales la anisotropía fue identificada visualmente en las simulaciones, distinguiendo la interfase lisa (para plano basal) de la interfase rugosa (para los planos piramidal y prismático). Además, mediante la identificación de moléculas interfaciales se estimó el espesor de las interfases: entre 0.2-0.4 nm para el plano basal y 0.4 a 0.6 nm de espesor para los planos piramidal y prismático. En el caso del plano basal fue posible correlacionar claramente el mecanismo de crecimiento observado en las simulaciones con el gráfico de avance de las moléculas interfaciales; en el crecimiento perpendicular al plano basal la posición de la interfase muestra escalones en el tiempo que corresponden con la formación de capas de hielo perpendiculares a la dirección de crecimiento, en cambio, en el crecimiento perpendicular a los planos piramidal y prismáticos, la posición de al interfase muestra un avance continuo en el tiempo dado por el crecimiento de hielo en múltiples direcciones. En la literatura concerniente con microscopía de fuerza atómica (AFM) se ha especulado que un puente nanométrico de agua líquida puede presentar cristalización o características de sólido. Se investigó mediante simulación computacional un puente capilar de agua líquida, incluyendo la deflexión del cantilever de AFM mediante resortes que siguen la ley de Hooke, lo cual, hasta el alcance de esta investigación, es un enfoque del que no se disponen antecedentes. El capilar fue situado entre dos placas de cobre, una de las cuales está adherida a los resortes. De las simulaciones se obtuvo la curva de fuerza capilar vs distancia para modos de separación y aproximación. La fuerza fue obtenida simplemente mediante la ley de Hooke. El capilar fue analizado construyendo perfiles de densidad, de orden local y de moléculas conectadas en base a correlación estructural. De este análisis, se identificaron zonas del capilar que presentan más conexiones con correlación estructural que el agua bulto. La zona identificada corresponde al manto externo del capilar (interfase líquido-vapor), lo que concuerda con resultados experimentales.
Análisis no estacionario de torque en chancadores primarios.
(Universidad de Concepción., 2022) Moncada Merino, Manuel Alonso; Betancourt Cerda, Fernando Elías; Rodríguez, Cristian G.
El chancador giratorio es una máquina utilizada en la industria minera chilena del cobre para la trituración primaria. En la operación en planta de un chancador existen condiciones, tales como el llenado o vaciado, que someten al equipo a torques de chancado elevados durante instantes relativamente cortos de tiempo. Es fundamental conocer el torque de chancado necesario en la etapa de diseño, ya que esto permite dimensionar distintos elementos mecánicos del chancador, tales como: contraeje, ejes de extensión, motores, rodamientos y estructuras. Existen varios métodos analíticos para calcular potencia o torque en chancadores, estos se basan en la distribución de fuerzas sobre el manto, propiedades del mineral y geometría del chancador. Otra alternativa de cálculo es mediante el método de elementos discretos (DEM). DEM es un método numérico que calcula la dinámica de las partículas y cómo estas interaccionan entre sí y con el entorno. El enfoque tradicional de DEM es considerar las partículas como un cuerpo rígido irrompible de forma esférica, no obstante, como al interior de un chancador ocurre fractura, se debe incorporar un modelo que represente este fenómeno físico. El objetivo de esta tesis es estudiar la operación de chancadores giratorios y de cono mediante modelos numéricos y experimentos, para poder explicar el comportamiento transiente del torque. Los objetivos específicos son: caracterizar los minerales, realizar experimentos en un chancador de laboratorio, validar un modelo DEM de chancador primario y de cono. Se lleva a cabo una completa calibración de parámetros del modelo DEM de chancador de cono, calibrando forma de las partículas, coeficientes de restitución, coeficientes de roce, módulo de elasticidad y parámetros específicos del modelo de fractura. Los datos experimentales se obtienen de un chancador de cono de laboratorio, midiendo torque, potencia, velocidad angular, flujo másico y granulometría. Los modelos DEM se efectúan en el programa computacional Rocky DEM, empleando un modelo de contacto histerético, partículas poliédricas, el modelo de fractura de Tavares y la distribución de tamaño dada por la función beta incompleta. Como resultado del modelo DEM del chancador giratorio, se obtuvo la potencia de chanca do, flujo másico y granulometría del producto. Se propuso un modelo de torque el cual considera solo las fuerzas radiales al manto, ya que el torque de las fuerzas tangenciales sobre el manto no se transmite al eje principal. El modelo fue validado a través de mediciones experimentales y datos del fabricante, con un error relativo de 7.5% en la potencia y 1.5% en el flujo másico. Se evidenció que hay partículas que producen un torque a favor del movimiento del eje principal, debido a la descompresión de las partículas. Con respecto a los resultados experimentales del chancador de cono, se manifiesta el incremento de torque motriz durante la alimentación y durante la descarga del mineral para algunos ensayos en específico. El modelo DEM fue validado mediante los resultados de potencia de chancado, logrando un error relativo del 11.4%, mientras que para flujo másico del producto y tamaño está alejado de los resultados experimentales. Se analizó el origen de los incrementos transientes de torque, los que pueden suceder por el desequilibrio de fuerzas sobre el manto, condiciones dinámicas del giro del eje principal o condiciones de dinámicas del sistema de ajuste.
Análisis y construcción de un sistema Plenóptico Infrarrojo.
(Universidad de Concepción., 2016) Coelho Caro, Pablo Antonio; Torres Inostroza, Sergio
En esta tesis, se presenta un solución global al problema del ruido de patrón fijo en sistemas que formen imágenes con movimiento relativo, haciendo uso de la cualidad más notable y que le da su nombre, que es justamente su inamovilidad. La idea intuitiva, se puede expresar en un ejemplo cotidiano. Imaginemos que viajamos en un automóvil y a través de nuestra ventana lateral, observamos un paisaje, que contempla casas a la orilla del camino, luego la cordillera y por último observamos las estrellas a lo lejos. Si analizamos el movimiento de los objetos que estamos observando desde nuestra ventana, nos damos cuenta que las casas aparentemente se mueven más rápido, la cordillera muy lentamente y las estrellas parecerían estar inmóviles y esto es justamente lo que ocurre con el ruido de patrón fijo en las imágenes que contienen movimiento relativo, la escena se mueve dependiendo de sus profundidades y el ruido permanece inmóvil, tal como si viniera de la propia escena desde el infinito óptico del sistema.
Análisis y control digital de UPQCs trifásicos de dos y más niveles por fase operando ante desbalances.
(Universidad de Concepción., 2013) Sepúlveda Villegas, Cristian Alonso; Espinoza Castro, José Rubén
Los problemas de Calidad de Suministro surgen al aumentar las exigencias en la generación, distribución y consumo de la energía eléctrica en pro de garantizar la correcta operación de equipos y procesos críticos en rubros diversos. Los Equipos de Calidad de Suministro surgen para combatir parte de estos problemas, donde el Unified Power Quality Conditioner (UPQC) destaca por su versatilidad de compensación. En este trabajo se evalúan dispositivos de bajo costo de DSP y FPGA para el control digital del UPQC de dos y más niveles. En particular, se implementaron los algoritmos de control de un prototipo de DSTATCOM en ambos tipos de dispositivos y se obtuvieron resultados experimentales. Sobre éstos se concluye y se delinean las particularidades de cada alternativa proveyendo lineamientos para la elección del dispositivo más adecuado a la aplicación particular de control de convertidores. Además, en este trabajo se extiende el análisis y el diseño de la estrategia de control del UPQC de dos niveles al caso donde los voltajes de alimentación presentan desbalance. En esa condición se demuestra que una estrategia de control modificada aplicada al compensador serie del equipo logra que el desbalance de tensión no provoque un impacto hacia la carga. También se analiza la estructura multi-nivel del UPQC de dos módulos que sirve para elevar los niveles de voltaje y acercarse a los requerimientos de los sistemas de distribución. Para este caso se diseña una estrategia de control lineal en base a una extensión de la desarrollada para el UPQC de dos niveles. Se realizaron simulaciones y también se implementó un prototipo de 1,5 kVA del compensador paralelo del UPQC de dos niveles, con el algoritmo de control en FPGA, que valida las estrategias de control y la elección del dispositivo de control. Las principales contribuciones de este trabajo son: la validación por simulación y experimental, del compensador paralelo, del control del UPQC de dos niveles operando ante desbalance; la comparación de dispositivos de control digital de convertidores fuente de voltaje; la versatilidad y poder de procesamiento de la FPGA que le puede permitir operar topologías complejas; y el control del UPQC de dos módulos. Tales contribuciones se aplican en equipos que proveen Calidad de Suministro.
Ánodos de Ni-GDC planos formados en vía acuosa como base para celdas de combustible de óxido sólido y sus características
(Universidad de Concepción., 2017) Niño Galeano, Miguel Ángel; Mangalaraja, Ramalinga Viswanathan
Los materiales cerámicos nanoestructurados han recibido una importante atención por poseer características únicas que se manifiestan en un mejor rendimiento en comparación con los materiales cerámicos convencionales. Los materiales basados en cerio, tal como sucede con el óxido de cerio dopado con gadolinio (GDC) para el electrolito, y el compuesto de óxido de níquel (NiO) con GDC para el ánodo, están considerados como candidatos para ser empleados en las celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia (IT-SOFCs). En este contexto, esta investigación buscó preparar polvos de NiO-GDC mediante síntesis por combustión citrato-nitrato auto-sostenida (SCS) con el objetivo de facilitar la obtención de nanoestructuras cerámico-metálicas (cermets) con homogénea microestructura a bajas temperaturas de ignición y cortos tiempos de reacción. Dentro de la exploración de las técnicas de conformado para manufacturar ánodos-soporte planos, se consideró y ejecutó la técnica del moldeo acuoso en cinta por ser un método fácil, económico y muy rentable en el rendimiento energético con bajo costo medioambiental. Por una parte, se realizó el análisis simultáneo del tamaño de cristalito y la microdeformación de nanopolvos sintetizados, en proporciones estequiométricas (con x = 0, 0.1, 0.2,…,1) por SCS, y posteriormente calcinados a 600°C. Con el objetivo de caracterizar la estructura de los nanocompuestos obtenidos tanto sintetizados como calcinados, en términos de tamaño de cristalito, microdeformación, parámetros de posición de líneas, anchura y forma de picos, las muestras fueron examinadas con la resolución del patrón de difracción de rayos X (DRX) mediante tres enfoques: anchura integral β de múltiples picos (multi-línea) con el ajuste Pearson VII (PVII), de un solo orden de reflexión usando el ajuste Voigt (V) y el análisis del patrón de polvos a través del ajuste total de los picos de difracción con el método de la doble-Voigt (V-V). El comportamiento del tamaño de cristalito con respecto a la cantidad de níquel, tanto en la preparación como en la calcinación, fue similar en los tres acercamientos propuestos en el estudio. En términos de microdeformación, los métodos gráficos reportaron valores distintos de cero atribuyendo parte de la línea de difracción a los efectos de la microdeformación y por ende, altos valores de tamaño de cristalito. El método con la V-V no detectó microdeformación, lo cual explica en este contexto los bajos valores de tamaño de cristalito. Por otra parte, la ruta de síntesis y la variación estequiométrica permitieron abordar un estudio cuantitativo desde el ajuste global del perfil con el refinamiento Rietveld y un análisis semicuantitativo por fluorescencia de rayos X (FRX) de las fases de NiO y de GDC, para las muestras sintetizadas y para las calcinadas. De los resultados obtenidos después de aplicar el método Rietveld y la semi-cuantificacion por FRX, se encontró que la cantidad de NiO y GDC no coincide con la que se predice en la estequiometría de partida. Asimismo, se efectuaron cálculos de área superficial desde las isotermas de adsorción por el método Brunauer-Emmett-Teller (BET). Los comportamientos de las isotermas de adsorción física manifiestaron la mesoporosidad de los polvos de NiO-GDC. La investigación de la estructura y de la microestructura fue soportada mediante microscopía de trasmisión electrónica (TEM), de alta resolución (HR-TEM), modo barrido TEM (STEM), y microscopía de barrido (SEM) con análisis químico por espectrometría de energía dispersa (EDS). Conforme a los resultados obtenidos desde las micrografías, es posible admitir que los nanocompuestos de xNiO(1-x)GDC son libres de microdeformación. Por una parte, si bien la distorsión de las redes por defectos y fallas es esperable dada la naturaleza estructural del GDC (defectos) y del NiO (fallas), los resultados no fueron significativos. Por otra parte, la microdeformación por contracción o elongación de las redes (en cada una de las fases), fue cuasi-imperceptible desde los resultados por DRX y por HR-TEM, debido a la proximidad de los coeficientes de expansión termal entre el NiO y el GDC. Los polvos fueron prensados uniaxialmente en frío en forma de pastillas para realizar los ensayos de microdureza y resistencia a la fractura. El predominio de la fase en las muestras determinó el comportamiento metálico o cerámico de los nanocompuestos. Con el objetivo primordial de fabricar ánodos-soporte planos de bajo costo tanto económico como medioambiental, se prepararon suspensiones (slurries) cerámico-métalicas mediante la inclusión de agua como solvente. Por primera vez los slurries con carga cerámico-metálica 50NiO-50GDC y 80NiO-20GDC fueron manufacturados vía acuosa por moldeo en cinta a partir de una receta base que previamente sirvió como preparacion de un ánodo-soporte plano con carga 35NiO-65GDC. Se realizó el análisis microestructural por microscopía de barrido electrónico de ánodos (con x = 0.5, 0.65 y 0.8 estequimétrico) sinterizados convencionalmente a 1350℃ y posteriormente reducidos con 10% de H2 a 500℃. En general, las microestructuras de los ánodos bajo estudio fueron homogéneas y con fases bien dispersadas con tamaños similares entre el NiO y el GDC. El proceso de reducción aumentó de manera significativa la porosidad en los ánodos 65NiO-35GDC y 80NiO-20GDC. La caracterización eléctrica en DC de los ánodos-soporte 50NiO-50GDC, 65NiO-35GDC y 80NiO-20GDC de dimensiones 20 mm x 20 mm x 1 mm aproximadamente, fue llevada a cabo por el método de las cuatro puntas. La dependencia de la resistividad con respecto a la temperatura de los materiales bajo estudio exhibió en general un comportamiento matemático que obedece a 1/T. La conductividad eléctrica estuvo en el mismo orden de magnitud en los tres ánodos bajo estudio. Una estructura homogénea de poros garantizó la permeabilidad de los gases y no la conductividad eléctrica.
Aplicación de electrónica embebida de bajo costo en el procesamiento de información cuántica
(Universidad de Concepción., 2016) Cariñe Catrileo, Jaime Andrés; Barreto Xavier, Guilherme; Figueroa Toro, Miguel
La criptografía protege la información de un mensaje utilizando una clave. Esta tarea se realiza con técnicas que se basan en el poder computacional actual, para mantener segura la codificación y la distribución de la clave. Sin embargo, los avances en información cuántica permitirán el desarrollo de la computación cuántica, la cual tendrá un dramático poder de computación ante tareas especificas, haciendo vulnerable la utilización y la distribución de clave protegida con técnicas tradicionales. Por otro lado, la imposibilidad de medir ni clonar estados cuánticos, sin perturbar el sistema, impulsa el desarrollo del área de distribución cuántica de claves (QKD). En QKD es posible distribuir una clave entre dos puntos distantes, asegurando la absoluta privacidad de ésta a través de las propiedades de la mecánica cuántica. Los protocolos QKD pueden desarrollarse con la utilización de estados cuánticos codificados en fotones. Esto ha permitido implementar enlaces cuánticos a través de sistemas de fibras ópticas comerciales. Este tipo de enlace introduce ruido y perturbaciones a las propiedades cuánticas de los fotones, efectos que sumados al ruido electrónico en la generación y detección de estados, aumentan la tasa de error de bits cuánticos (QBER), disminuyendo visibilidad de los estados cuánticos. Este trabajo muestra la relación proporcional de la visibilidad de estados cuánticos y la resolución electrónica de detección. En base a esto, proponemos que es posible diseñar sistemas electrónicos avanzados en electrónica comercial de bajo costo, para sistemas cuánticos que requieren alta precisión en sincronismo y disminución controlada de ruidos y perturbaciones electrónicas, mejorando parámetros como la visibilidad de estados cuánticos sobre enlaces de larga distancia, los cuales pueden ser utilizados para criptografía utilizando protocolos QKD. En base a esto, logramos establecer enlaces con fotones entrelazados cuánticamente certificados en laboratorio y a 3;7km de fibra óptica instalada en terreno, uniendo instalaciones dentro de la Universidad de Concepción. Por otro lado, en base a sistemas embebidos habilitamos sistemas QKD de altas dimensiones con enlaces de fibra óptica multicore, y además implementamos un protocolo que permite la generación de números aleatorios privados, el que puede ser más seguro que los generadores convencionales, y por sus características es factible su aplicación en sistemas QKD actuales.
Aplicaciones de control lineal basado en pasividad en convertidores multi-celda.
(Universidad de Concepción., 2006) Pérez Leiva, Marcelo Alejandro; Espinoza C., José
La topología de potencia multi-celda ha probado ser un alternativa eficaz para accionamientos AC de media-tensión. La principal es la mejorada calidad de la energía tanto hacia el sistema de alimentación como hacia la carga. Además entrega un alto factor de potencia y posee una alta disponibilidad. Sin embargo, no puede tener un funcionamiento sostenido en modo regenerativo, no permite el control de la potencia reactiva de entrada, requiere la utilización de un condensador DC de muy alta capacidad debido al segundo armónico de corriente inyectado por el inversor y presenta una alta sensibilidad ante desbalances en las tensiones de alimentación. Esta tesis propone substituir el rectificador de entrada basado en diodos por un rectificador activo en todas las celdas de la topología y utilizar una novedosa estrategia del control para superar las desventajas ya mencionadas. El rectificador activo permite que la topología regenere en forma sostenida y reduce la sensibilidad ante desbalances de tensión. El sistema de control propuesto permite manipular la potencia reactiva de entrada en forma independiente y reducir al mínimo el segundo armónico inyectado desde el inversor permitiendo disminuir el tamaño del condensador. A través de un análisis de pasividad es posible demostrar la estabilidad de este sistema de control. Todas las características mencionadas anteriormente se alcanzan sin afectar la calidad de las formas de onda de la corriente entrada y del voltaje hacia motor.
Aspectos fundamentales de la ignición de mezclas de carbón.
(Universidad de Concepción., 2006) Faúndez Báez, Jaime Martín; García, Ximena; Gordon, Alfredo
El objetivo de este trabajo consistió en estudiar la ignición de mezclas de carbones distintos, mediante técnicas experimentales relevantes a la combustión de carbón pulverizado para generación de electricidad, esto es, altas velocidades de calentamiento y en condiciones que favorezcan la interacción entre partículas. Ello, para responder a la hipótesis de que la ignición de partículas de carbón pulverizado es bien representada a través de temperaturas características, indicativas de eventos particulares del proceso, y que, además, en ignición de mezclas de carbones, dichas temperaturas no necesariamente pueden ser predichas de acuerdo a promedios ponderados de las temperaturas de ignición de los carbones puros que la constituyen, debido a la posibilidad de interacción entre partículas. Se utilizaron tres equipos experimentales distintos. Una balanza termogravimétrica, un reactor de flujo de arrastre que permitió seguir la composición de los gases de combustión y un reactor de flujo de arrastre con la posibilidad de observar la ignición mediante una cámara de video. El rango de los carbones utilizados varió desde subbituminoso (PE), bituminoso alto en volátiles (IN, CA, GU, LK), bituminoso bajo en volátiles (LD) hasta semiantracita (HV). De estos carbones se seleccionaron PE, LK y LD para ensayar muestras binarias en los tres equipos experimentales.
Atenuación activa de corrientes de cortocircuito en sistemas de potencia.
(Universidad de Concepción., 2021) Pulido Venegas, Esteban Samuel; Morán Tamayo, Luis Alejandro
El crecimiento de los sistemas eléctricos ha impuesto un aumento sostenido de las corrientes de cortocircuito, generando grandes esfuerzos térmicos y mecánicos sobre los diferentes equipos que componen un sistema de potencia. Estos esfuerzos son especialmente importantes en los interruptores, pues deben ser capaces de interrumpir altas corrientes de cortocircuito (kiloamperes). Si se llega a sobrepasar las capacidades de un interruptor, existe la posibilidad que no se pueda cortar la corriente de falla, poniendo en alto riesgo la seguridad de operación del sistema eléctrico y la vida útil de los equipos que lo componen. Esta tesis propone un nuevo concepto para reducir las corrientes de cortocircuito usando la conexión en paralelo de convertidores de potencia para absorber una parte de la corriente de cortocircuito. Para ello, el convertidor de potencia se usa como una fuente controlada de corriente especialmente diseñada para reducir la amplitud de las corrientes de falla en una subestación. La operación del esquema propuesto permite reducir la amplitud de la corriente de cortocircuito en todos los interruptores de una subestación eléctrica, presentando una respuesta transitoria menor a 5 ms, adaptándose a la ubicación y tipo de falla, y operando incluso con tensiones del sistema eléctrico cercanas a cero durante el cortocircuito. La efectividad del esquema propuesto se verifica tanto en simulaciones para una red de media tensión como en pruebas experimentales en un sistema eléctrico escalado empleando diferentes topologías de convertidores y estrategias de control, pero bajo el mismo principio de funcionamiento. El nuevo concepto propuesto para reducir la amplitud de las corrientes de cortocircuito presenta ventajas importantes para reducir la corriente de falla hasta en un 20%, y al estar conectado en paralelo se diferencia notoriamente de las soluciones vigentes, que van conectadas en serie. Además, el convertidor propuesto para atenuar las corrientes de falla puede proveer prestaciones adicionales como el control de tensión o de potencia reactiva en condiciones normales de funcionamiento.

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