Distributed control strategies for photovoltaic systems in urban environments : Versión definitiva

Este trabajo es una contribución a los sistemas fotovoltaicos (FV) con seguimiento distribuido del punto de máxima potencia (DMPPT), una topología que se caracteriza porque lleva a cabo el MPPT a nivel de módulo, al contrario de las topologías más tradicionales que llevan a cabo el MPPT para un número más elevado de módulos, pudiendo ser hasta cientos de módulos. Las dos tecnologías DMPPT que existen en el mercado son conocidos como microinversores y optimizadores de potencia, y ofrecen ciertas ventajas sobre sistemas de MPPT central como: mayor producción en situaciones de mismatch, monitorización individual de cada módulo, flexibilidad de diseño, mayor seguridad del sistema, etc. Aunque los sistemas DMPPT no están limitados a los entornos urbanos, se ha enfatizado en el título ya que es su mercado natural, siendo difícil una justificación de su sobrecoste en grandes huertas solares en suelo. Desde el año 2010 el mercado de estos sistemas ha incrementado notablemente y sigue creciendo de una forma continuada. Sin embargo, todavía falta un conocimiento profundo de cómo funcionan estos sistemas, especialmente en el caso de los optimizadores de potencia, de las ganancias energéticas esperables en condiciones de mismatch y de las posibilidades avanzadas de diagnóstico de fallos. El principal objetivo de esta tesis es presentar un estudio completo de cómo funcionan los sistemas DMPPT, sus límites y sus ventajas, así como experimentos varios que verifican la teoría y el desarrollo de herramientas para valorar las ventajas de utilizar DMPPT en cada instalación. Las ecuaciones que modelan el funcionamiento de los sistemas FVs con optimizadores de potencia se han desarrollado y utilizado para resaltar los límites de los mismos a la hora de resolver ciertas situaciones de mismatch. Se presenta un estudio profundo sobre el efecto de las sombras en los sistemas FVs: en la curva I-V y en los algoritmos MPPT. Se han llevado a cabo experimentos sobre el funcionamiento de los algoritmos MPPT en situaciones de sombreado, señalando su ineficiencia en estas situaciones. Un análisis de la ventaja del uso de DMPPT frente a los puntos calientes es presentado y verificado. También se presenta un análisis sobre las posibles ganancias en potencia y energía con el uso de DMPPT en condiciones de sombreado y este también es verificado experimentalmente, así como un breve estudio de su viabilidad económica. Para ayudar a llevar a cabo todos los análisis y experimentos descritos previamente se han desarrollado una serie de herramientas software. Una siendo un programa en LabView para controlar un simulador solar y almacenar las medidas. También se ha desarrollado un programa que simula curvas I-V de módulos y generador FVs afectados por sombras y este se ha verificado experimentalmente. Este mismo programa se ha utilizado para desarrollar un programa todavía más completo que estima las pérdidas anuales y las ganancias obtenidas con DMPPT en instalaciones FVs afectadas por sombras. Finalmente, se han desarrollado y verificado unos algoritmos para diagnosticar fallos en sistemas FVs con DMPPT. Esta herramienta puede diagnosticar los siguientes fallos: sombras debido a objetos fijos (con estimación de la distancia al objeto), suciedad localizada, suciedad general, posible punto caliente, degradación de módulos y pérdidas en el cableado de DC. Además, alerta al usuario de las pérdidas producidas por cada fallo y no requiere del uso de sensores de irradiancia y temperatura. ABSTRACT This work is a contribution to photovoltaic (PV) systems with distributed maximum power point tracking (DMPPT), a system topology characterized by performing the MPPT at module level, instead of the more traditional topologies which perform MPPT for a larger number of modules. The two DMPPT technologies available at the moment are known as microinverters and power optimizers, also known as module level power electronics (MLPE), and they provide certain advantages over central MPPT systems like: higher energy production in mismatch situations, monitoring of each individual module, system design flexibility, higher system safety, etc. Although DMPPT is not limited to urban environments, it has been emphasized in the title as it is their natural market, since in large ground-mounted PV plants the extra cost is difficult to justify. Since 2010 MLPE have increased their market share steadily and continuing to grow steadily. However, there still lacks a profound understanding of how they work, especially in the case of power optimizers, the achievable energy gains with their use and the possibilities in failure diagnosis. The main objective of this thesis is to provide a complete understanding of DMPPT technologies: how they function, their limitations and their advantages. A series of equations used to model PV arrays with power optimizers have been derived and used to point out limitations in solving certain mismatch situation. Because one of the most emphasized benefits of DMPPT is their ability to mitigate shading losses, an extensive study on the effects of shadows on PV systems is presented; both on the I-V curve and on MPPT algorithms. Experimental tests have been performed on the MPPT algorithms of central inverters and MLPE, highlighting their inefficiency in I-V curves with local maxima. An analysis of the possible mitigation of hot-spots with DMPPT is discussed and experimentally verified. And a theoretical analysis of the possible power and energy gains is presented as well as experiments in real PV systems. A short economic analysis of the benefits of DMPPT has also been performed. In order to aide in the previous task, a program which simulates I-V curves under shaded conditions has been developed and experimentally verified. This same program has been used to develop a software tool especially designed for PV systems affected by shading, which estimates the losses due to shading and the energy gains obtained with DMPPT. Finally, a set of algorithms for diagnosing system faults in PV systems with DMPPT has been developed and experimentally verified. The tool can diagnose the following failures: fixed object shading (with distance estimation), localized dirt, generalized dirt, possible hot-spots, module degradation and excessive losses in DC cables. In addition, it alerts the user of the power losses produced by each failure and classifies the failures by their severity and it does not require the use of irradiance or temperature sensors.

Efecto de la fertilización orgánica y mineral en las propiedades del suelo, la emisión de los principales gases de efecto invernadero y en las diferentes fases fenológicas del cultivo de café (Coffea arabica L.)

El cultivo de café es de gran importancia a nivel mundial (ICO, 2011), y en el Ecuador ha sido uno de los cultivos más importantes en la generación de divisas (COFENAC, 2011). Sin embargo en los sistemas productivos de este país se puede apreciar el uso inapropiado de fertilizantes, lo que conlleva a una pérdida de nutrientes, por lo que es importante estudiar las dosis adecuadas para la fertilización tanto mineral como orgánica. El objetivo del trabajo fue evaluar el efecto de la fertilización mineral y orgánica en diferentes dosis en un monocultivo de café en la provincia de Loja, sobre las propiedades del suelo, la emisión de los principales gases que provocan el efecto invernadero y la fenología y productividad del cultivo. En la provincia de Loja (Ecuador) se seleccionó un área de 2.520 m2 en la que se establecieron 21 parcelas de café arábigo (Coffea arabica L.) var. caturra y se aplicó tres tratamientos con tres repeticiones de fertilización mineral y tres orgánicos con dosis: bajas minerales (MIN 1= 157 Kg NPK ha-1 año-1 para el primer año y 425 Kg NPK ha-1 año-1 para el segundo año), medias minerales (MIN 2= 325 Kg NPK ha-1 año-1 para el primer año y 650 Kg NPK ha-1 año-1 en el segundo año) y altas minerales (MIN 3= 487 y 875 Kg NPK ha-1 año-1 para el primer y segundo año respectivamente), bajas orgánicas (ORG 1= 147 Kg NPK ha-1 año-1 en el primer año y 388 Kg NPK ha-1 año-1 en el año dos), medias orgánicas (ORG 2= 265 Kg NPK ha-1 año-1 para el primer año y 541 Kg NPK ha-1 año-1 en el segundo año), altas orgánicas (ORG 3= 368 Kg NPK ha-1 año-1 para el primer año y 727 Kg NPK ha-1 año-1 en el segundo año) y fertilización cero (TES = sin fertilización). Se usó urea, roca fosfórica y muriato de potasio en la fertilización mineral y humus (Bioabor) en la orgánica, más un tratamiento testigo, cada tratamiento tuvo tres repeticiones. El tiempo de evaluación de los fertilizantes aplicados fue de dos años consecutivos, la fertilización se la realizó dos veces por año y en base a análisis del suelo y demandas nutricionales del cultivo. para determinar las características del suelo se realizó muestreos de suelos en cada parcela a una profundidad de 20 cm de estas muestras los parámetro iniciales determinados fueron: color (Munsell), textura (método del hidrómetro), pH (relación 1:2,5 suelo-agua), Materia orgánica (Walkey y Black), Nitrógeno (Micro Kjendahl), Fósforo (Bray y Kurtz), Potasio (Olsen), estos procesos se repitieron cada seis meses para poder evaluar los cambios de que se producen debido a la fertilización mineral y orgánica en el cultivo. Las emisiones de gases efecto invernadero desde el suelo al ambiente se determinaron por el método de cámara cerrada (Rondón, 2000) y la concentración por cromatografía de gases. Las mediciones fisiológicas (altura de planta, ancho de copa, grosor de tallo y producción) se las evaluó cada dos meses, a excepción de la producción que fue anual al término de cada cosecha. Además se realizó el análisis económico de la productividad del cultivo. El análisis estadístico de datos se lo realizó con el programa SPSS v. 17.0. Las medias fueron comprobadas mediante ANOVAS de un factor con test de Tukey (P < 0,05). El beneficio económico se estimó en términos de ingresos y gastos totales que se presentaron en el ensayo. Los resultados obtenidos al término del ensayo indican que los tratamientos MIN 2 y MIN 3 produjeron cambios más significativos en comparación con los otros tratamientos establecidos en la mejora de fertilidad del suelo, el pH ha sido menos afectado en la acidificación en comparación con los tratamientos orgánicos que se han acidificado mayormente; la materia orgánica (MO) tuvo incrementos considerablemente bueno en estos dos tratamientos, sin embargo fueron superados por los tratamientos de fertilización orgánica; el nitrógeno total (Nt )y el potasio (K) también presentaron mejores valores al termino del ensayo y el fósforo (P) mostro incrementos buenos aunque un poco menores que los de los tratamientos ORG 2 y ORG 3. En lo que respecta a las emisiones de gases efecto invernadero, los flujos acumulados de óxido nitroso (N2O) en los dos años han aumentado en todos los tratamientos en comparación con el tratamiento Testigo, pero de manera considerable y con mayores flujos en el tratamiento MIN 3 y MIN 2 que se podrían considerarse los de mayor contaminación por N2O al ambiente lo que se le atribuye a las dosis de fertilización mineral aplicadas en el periodo de investigación, los tratamiento MIN 1 y todos los tratamientos orgánicos muestran menores emisiones al ambiente. Las emisiones de metano (CH4) no muestran mayores diferencias de emisiones entre tratamientos, siendo los mayores emisores los tratamientos ORG 3 y ORG 2 posiblemente debido al abono orgánico y añadido al suelo; para las emisiones de dióxido de carbono (CO2) de manera similar al CH4 el tratamiento ORG 3 fue el que presento mayores emisiones, los flujos de CO2 al ambiente de los otros tratamientos fueron menores y no presentaron diferencias significativas entre ellos. La variables fisiológicas en todos los casos apoyaron al desarrollo de las plantas de café, esto al ser comparadas con el tratamiento Testigo, sin embargo las que alcanzaron las mayores altitudes, anchos de copas y diámetro de tallo fueron las plantas del tratamiento MIN 3, seguido del MIN 3, no mostrando significancia entre ellos, y para los tratamientos orgánicos el que presento muy buenos resultados en estas variables ha sido el ORG 3, el cual no presento diferencias significativas con el MIN 2, lo cual comprueba que la fertilización mineral es más efectiva en este caso frente a la orgánica. Para el primer año de producción el tratamiento mineral con fertilización MIN 3 es el que obtuvo mayor producción no presentando diferencia estadística con el tratamiento con el MIN 2, no obstante fueron significativamente mayores que los otros tratamientos. Vale indicar que también el tratamiento MIN 1 y el tratamiento ORG 3 han presentado una producción considerable de café no mostrando diferencias estadísticas entre ellos. Para el segundo año la producción el cultivo mostró mayores rendimientos que el primer año de evaluación en todos los tratamientos, esto debido a la fisiología propia del cultivo y por otra parte se atribuye a la adición de fertilizantes que se ha realizado durante todo el ensayo; de manera similar al anterior los tratamientos MIN 3 y MIN 2 obtuvieron mejores rendimientos, no enseñando diferencias estadísticas significativas entre ellos, no obstante el tratamiento mineral dosis MEDIA no presentó significancia estadística con el ORG 3. El benéfico económico ha resultado mayor en el tratamiento MIN 3 y MIN 2, aunque el tratamiento MIN 2, es el que obtiene la mejor relación costo-beneficio; los tratamientos ORG 2 y ORG 3 y Testigo has producido beneficios negativos para el productor. En cuanto a la parte ambiental se considera que los mejores tratamientos en cuanto ha cuidado ambiental serían los tratamientos MIN 1 y ORG 1, sin embargo a nivel de producción y rentabilidad para el productor baja. ABSTRACT Coffee growing has great importance worldwide (ICO, 2011), and in Ecuador, it has been one of the most important crops to generate income (COFENAC, 2011). However, in the productive systems of this country, the inappropriate use of fertilizers has been observed which produces loss of nutrients, thus it is important to study suitable doses for mineral and organic fertilizing. The purpose of the study was to evaluate the effect of mineral and organic fertilizing at different doses in a coffee monoculture in the province of Loja on soil characteristics, emission of the main gasses that produce the greenhouse effect and the phenology and productivity of crops. In the province of Loja (Ecuador) an area of 2.520 m2 was chosen, where 21 plots of Arabica coffee (Coffea arabica L.), the caturra variety were cultivated and three treatments with three repetitions each one for mineral and organic fertilization were used with doses that ranged from: mineral low (MIN 1= 157 Kg NPK ha-1 año-1 for the first year y 425 Kg NPK ha-1 año-1 for the second year), mineral medium (MIN 2= 325 Kg NPK ha-1 año-1 for the first year y 650 Kg NPK ha-1 año-1 I the second year) y mineral high (MIN 3= 487 y 875 Kg NPK ha-1 año-1 for the first and second year respectively), organic low (ORG 1= 147 Kg NPK ha-1 año-1 in the first year y 388 Kg NPK ha-1 año-1 in the second year), organics medium (ORG 2= 265 Kg NPK ha-1 año-1 for the first year y 541 Kg NPK ha-1 año-1 in the second year), organics high (ORG 3= 368 Kg NPK ha-1 año-1 for the first year and 727 Kg NPK ha-1 año-1 in the second year) y fertilization zero (TES = no fertilization).; urea, phosphoric rock and muriate of potash were used in the mineral fertilization and humus (Bioabor) in the organic, plus a blank treatment. Time to evaluate the applied fertilizers was for two consecutive years, fertilization was done twice per year based on soil analysis and nutritional requirements of the crops. In order to determine the characteristics of the soil, samples of soil in each plot with a depth of 20 cm were done; from these samples, the determined initial parameters were: color (Munsell), texture (hydrometer method), pH (soil-water 1:2,5 relation), organic matter (Walkey y Black), nitrogen (Micro Kjendahl), phosphorus (Bray y Kurtz), potassium (Olsen); these processes were repeated each six months in order to evaluate the changes that are produced due to mineral and organic fertilization in the crops. The emissions of greenhouse gasses from the soil to the atmosphere were determined by using enclosure method (Rondón, 2000) and the concentration, by using gas chromatography during the whole testing. The physiological measures (plant height, width of the top of the tree, thickness of the stem and production) were evaluated each two months, except for production which was annual at the end of each harvest. Moreover, the economic analysis of the productivity of the crops was done. The statistical analysis of the data was done using SPSS v. 17.0. The means were proved by ANOVAS with a factor of a Tukey test (P < 0,05). The economic benefit was estimated in terms of incomes and total expenses which were presented in the essay. The results obtained at the end of the essay show that the MIN 2 and MIN 3 treatments produced more meaningful changes in comparison with the other treatments used to improve soil fertility; pH was less affected in the acidification compared with the organic treatments which were greatly acidified; organic matter (MO) had increased considerably in these two treatments; however, they were surpassed by the organic treatments of fertilization; total nitrogen (Nt) and potassium (K) also presented better results at the end of the essay and phosphorus (P) showed good increasing figures although a little lower compared with ORG 2 and ORG 3 treatments. Regarding the emission of the greenhouse gasses, the fluxes accumulated from nitrous oxide (N2O) in two years increased in all the treatments in comparison with the blank treatment, but in a greater form and with higher fluxes in the MIN 3 and MIN 2 treatments which can be considered as the ones with greater contamination of N2O in the atmosphere, this can be due to the applied mineral doses to fertilize during the process; MIN 1 treatments and all the organic ones showed lower emission to the atmosphere. Methane emissions (CH4) did not show major differences in emissions in the treatments, being the greater emissions the ORG 3 and ORG 2 treatments; this is possibly due to the organic compost added to the soil; regarding carbon dioxide (CO2) emissions, in a similar way to CH4, the ORG 3 treatment was the one that presented greater emissions, the CO2 emissions to the atmosphere in the other treatments were lower and did not present meaningful differences among them. The physiological variables in all the cases helped coffee crops grow, this was observed when compared with the blank treatment; however, plants that reached the greatest height, width of top and diameter of stem were the plants of the MIN 3 treatment, followed by MIN 3, which did not show much significance among them, and for the organic treatments, the one that presented great results in these variables was ORG 3, which did not show meaningful differences compared with MIN 2, which proves that mineral fertilization is more effective in this case compared with the organic. In the first year of production, the mineral treatment with MIN 3 fertilization obtained greater production and thus did not show statistical difference with MIN 2 treatment, although the other treatments were greater. It is worth mentioning that MIN 1 treatment and ORG 3 treatment presented a meaningful production of coffee, not showing statistical differences among them. For the second year, the production of the crops showed greater profits than in the first year of evaluation in all the treatments, this was due to the physiological properties of the crops and on the other hand, it might be due to the addition of fertilizers during the whole essay; in a similar way, MIN 3 and MIN 2 performed better, not showing greater statistical differences among them, although the mineral treatment MEDIUM doses did not show statistical difference compared with ORG 3. The economic benefit was greater in the MIN 3 and MIN 2 treatments, although MIN 2 treatment is the one that shows the best cost-benefit ratios; ORG 2 and ORG 3 treatments and the blank produced negative benefits for the producer. Regarding the environment, the best treatments to care for the atmosphere are considered to be MIN 1 and ORG 1 treatments; however, regarding production volume and profitability they were low for the producer.

Análisis de viabilidad e implantación de sistemas de cogeneración en el sector residencial

En la actualidad la generación y utilización eficientes de la energía es el vector principal que permite el desarrollo sostenible en el marco ambiental, económico, seguro y rentable. Todo ello genera una necesidad en el ser humano de guiar a los avances tecnológicos hacia una manera cada vez más eficiente de generar nuestras necesidades básicas, como es el caso de la energía. La cogeneración ha sido uno de los resultados positivos en la búsqueda de la eficiencia energética, debido a tratarse de un sistema de producción simultánea de calor y electricidad partiendo inicialmente de un combustible como energía primaria. Es por ello, que en el presente proyecto se estudia, analiza y propone la posibilidad de implantar sistemas de cogeneración en el sector residencial, un sector que podría beneficiarse enormemente de los beneficios que ofrecen dichos sistemas. En una primera parte se analiza la tecnología de cogeneración y sus variantes, como son, la microcogeneración y la trigeneración. También se muestra la evolución legislativa que han sufrido estos sistemas. En una segunda parte se ha tomado un caso modelo, un edificio de 72 viviendas con sistema de calderas centralizado convencional, y se ha estudiado la posibilidad de implantar un sistema de cogeneración. Para ello se han calculado previamente las demandas energéticas del edificio y se han ido proponiendo diferentes modos de operación para cubrir dichas demandas por medio de sistemas de microcogeneración o cogeneración. Finalmente, una vez valoradas las opciones se muestra la elegida y se efectúa un análisis económico ABSTRACT Nowadays the efficient generation of energy is the main vector that allows sustainable development in environmental, economic, safety and cost effectiveness. All this generates a need in humans to lead to new technological advances towards an even more efficient way to generate our basic needs, such as energy. Cogeneration has been one of the positive results in the search for energy efficiency, due to the fact that it is a system of simultaneous production of heat and electricity initially starting from a primary energy fuel. It is for this reason that this project studies, analyzes and proposes the possibility of introducing cogeneration systems in the residential sector, a sector that could benefit greatly from the benefits offered by these systems. In the first part, cogeneration technology and its variants are analyzed, like, micro-cogeneration and trigeneration. The legislative evolutions that have suffered these systems are also displayed. In a second part, a model case has been taken; a building of 72 flats with conventional centralized boiler system, the possibility of introducing a cogeneration system has been studied. Previously the energy demands of the building have been calculated proposing different operating modes to meet those demands through micro-CHP or cogeneration systems. Finally, once the options are valued the chosen one is shown and an economic analysis is performed.

Optimización de la agitación de un digestor anaerobio mediante mecánica de fluidos computacional

Debido al gran interés existente en el ahorro y recuperación de energía, y en el deseo de obtener productos que permitan usos beneficiosos del fango procedente de la depuración del agua residual, la digestión anaerobia es el proceso de estabilización de uso más extendido. El tiempo de retención de sólidos es un factor clave en el proceso de digestión anaerobia. En base al tiempo de retención de sólidos, se dimensiona el volumen de los digestores anaerobios para así obtener la reducción de materia orgánica deseada, con la correspondiente producción de biogás. La geometría del digestor y su sistema de agitación deben ser adecuados para alcanzar el tiempo de retención de sólidos de diseño. Los primeros trabajos sobre la agitación de los digestores realizaban únicamente experimentos con trazadores y otros métodos de medición. En otros casos, la mezcla era evaluada mediante la producción de biogás. Estas técnicas tenían el gran hándicap de no conocer lo que sucedía realmente dentro del digestor y sólo daban una idea aproximada de su funcionamiento. Mediante aplicación de la mecánica de fluidos computacional (CFD) es posible conocer con detalle las características del fluido objeto de estudio y, por lo tanto, simular perfectamente el movimiento del fango de un digestor anaerobio. En esta tesis se han simulado mediante CFD diferentes digestores a escala real (unos 2000 m3 de volumen) agitados con bomba/s de recirculación para alcanzar los siguientes objetivos: establecer la influencia de la relación entre el diámetro y la altura, de la pendiente de la solera, del número de bombas y del caudal de recirculación en dichos digestores, definir el campo de velocidades en la masa de fango y realizar un análisis energético y económico. Así, es posible conocer mejor cómo funciona el sistema de agitación de un digestor anaerobio a escala real equipado con bomba/s de recirculación. Los resultados obtenidos muestran que una relación diámetro/altura del digestor por encima de 1 empeora la agitación del mismo y que la pendiente en la solera del digestor favorece que la masa de fango esté mejor mezclada, siendo más determinante la esbeltez del tanque que la pendiente de su solera. No obstante, también es necesario elegir adecuadamente los parámetros de diseño del sistema de agitación, en este caso el caudal de recirculación de fango, para obtener una agitación completa sin apenas zonas muertas. En el caso de un digestor con una geometría inadecuada es posible mejorar su agitación aumentando el número de bombas de recirculación y el caudal de las mismas, pero no se llegará a alcanzar una agitación total de la masa de fango debido a su mal diseño original. Anaerobic digestion is the process for waste water treatment sludge stabilization of more widespread use due to the huge interest in saving and recovering energy and the wish to obtain products that allow beneficial uses for the sludge. The solids retention time is a key factor in the anaerobic digestion. Based on the solids retention time, volume anaerobic digester is sized to obtain the desired reduction in organic matter, with the corresponding production of biogas. The geometry of the digester and the stirring system should be adequate to achieve the design solid retention time. Early works on digesters stirring just performed tracer experiments and other measurement methods. In other cases, mixing was evaluated by biogas production. These techniques had the great handicap of not knowing what really happened inside the digester and they only gave a rough idea of its operation. By application of computational fluid dynamics (CFD), it is possible to know in detail the characteristics of the fluid under study and, therefore, simulate perfectly the sludge movement of an anaerobic digester. Different full-scale digesters (about 2000 m3 of volume) agitated with pump/s recirculation have been simulated by CFD in this thesis to achieve the following objectives: to establish the influence of the relationship between the diameter and height, the slope of the bottom, the number of pumps and the recirculation flow in such digesters, to define the velocity field in the mass of sludge and carry out an energy and economic analysis. Thus, it is possible to understand better how the agitation system of a full-scale anaerobic digester equipped with pump/s recirculation works. The results achieved show that a diameter/height ratio of the digester above 1 worsens its stirring and that the slope of the digester bottom favors that the mass of sludge is better mixed, being more decisive the tank slenderness than the slope of its bottom. However, it is also necessary to select properly the design parameters of the agitation system, in this case the sludge recirculation flow rate, for a complete agitation with little dead zones. In the case of a digester with inadequate geometry, its agitation can be improved by increasing the number of recirculation pumps and flow of them, but it will not reach a full agitation of the mass of sludge because of the poor original design.

Integración técnica y económica de energías renovables, en un sistema eléctrico liberalizado, a partir de vectores energéticos

El objetivo de la tesis es estudiar la bondad del almacenamiento de energía en hidrógeno para minorar los desvíos de energía respecto a su previsión de parques eólicos y huertas solares. Para ello se ha partido de datos de energías horarias previstas con 24 h de antelación y la energía real generada. Se ha procedido a dimensionar la planta de hidrógeno, a partir de una modelización de la operación de la misma, teniendo siempre como objetivo la limitación de los desvíos. Posteriormente, se ha procedido a simular la operación de la planta con dos objetivos en mente, uno limitar los desvíos y por otro lado operar la planta como una central de bombeo, generando hidrógeno en horas valle y generando electricidad en horas punta. Las dos simulaciones se han aplicado a tres parques eólicos de diferentes potencias, y a una huerta solar fotovoltaica. Se ha realizado un estudio económico para determinar la viabilidad de las plantas dimensionadas, obteniendo como resultado que no son viables a día de hoy y con la estimación de precios considerada, necesitando disminuir considerablemente los costes, dependiendo fuertemente de la bondad de los métodos de previsión de viento. Por último se ha estudiado la influencia de la disminución de los desvíos generados sobre una red tipo de 30 nudos, obteniendo como resultado, que si bien no disminuyen sensiblemente los extra costes generados en regulación, sí que mejora la penetración de las energías renovables no despachables en la red. Se observa disminuyen los vertidos eólicos cuando se usa la planta de hidrógeno. ABSTRACT The aim of this thesis is to study the benefit of hydrogen energy storage to minimize energy deviations of Wind Power and Solar Photovoltaic (PV) Power Plants compared to its forecast. To achieve this goal, first of all we have started with hourly energy data provided 24 h in advance (scheduled energy), and real generation (measured energy). Secondly, It has been sized the hydrogen plant, from a modeling of its working mode, always keeping the goal in mind of limiting energy imbalances. Subsequently, It have been simulated the plant working mode following two goals, one, to limit energy imbalances and secondly to operate the plant as a pumping power plant, generating hydrogen-in valley hours and generating electricity at peak hours. The two simulations have been applied to three wind power plants with different installed power capacities, and a photovoltaic solar power plant. It has been done an economic analysis in order to determine the viability of this sized plants, turning out not viable plants today with the estimated prices considered, requiring significantly lower costs, depending heavily on the reliability of the Wind Power forecast methods. Finally, It has been studied the influence of decreasing measured imbalances (of energy) in a 30 grid node, resulting that, while it not reduces significantly the extra costs generated by reserve power, it does improve the penetration of non-manageable renewable energy on the grid, by reducing the curtailments of power of these plants.

Integración de sistemas fotovoltaicos en edificios de oficinas en bajas latitudes: estudio del balance energético aplicado a Brasil

La hipótesis que inspiró esta tesis sostiene que la integración de componentes fotovoltaicos en los cerramientos opacos y sombreamientos de huecos acristalados de edificios de oficinas en sitios ubicados en bajas latitudes, tomando como el ejemplo el caso concreto de Brasil, podría incrementar su eficiencia energética. Esta posibilidad se basa en el bloqueo de una parte significativa de la irradiación solar incidente en estos edificios, reduciendo así las cargas térmicas para la climatización y a la vez transformándola en energía eléctrica, a tal punto que se amortizan los costes de inversión en plazos aceptables a través de los ahorros en la demanda de energía. Para verificar esta hipótesis de partida se ha propuesto como objetivo general analizar la integración de elementos fotovoltaicos en cubiertas, muros opacos y sombreamiento de huecos acristalados desde la óptica del balance energético térmico y eléctrico. Inicialmente se presenta y analiza el estado del arte en los temas estudiados y la metodología de investigación, de carácter teórico basada en cálculos y simulaciones. A partir de un modelo tipo de edificio de oficinas situado en Brasil, se definen cuatro casos de estudio y una serie de parámetros, los cuales se analizan para siete latitudes ubicadas entre -1,4° y -30°, separadas las unas de las otras por aproximadamente 5°. Se presentan y discuten los resultados de más de 500 simulaciones para los siguientes conceptos: - recurso solar, desde la perspectiva de la disponibilidad de irradiación solar en distintas superficies de captación apropiadas para la integración de sistemas solares fotovoltaicos en edificaciones en bajas latitudes; - análisis de sombras, con objetivo de identificar los ángulos de sombras vertical (AVS) para protección de huecos acristalados en edificios de oficinas; - balance energético térmico, para identificar el efecto térmico del apantallamiento provocado por componentes fotovoltaicos en cubiertas, muros opacos y parasoles en ventanas en las cargas de refrigeración y consecuentemente en las demandas de energía eléctrica; - balance energético eléctrico, contrastando los resultados del balance térmico con la energía potencialmente generada en las envolventes arquitectónicas bajo estudio; - análisis económico, basado en un escenario de precios de la tecnología fotovoltaica de un mercado maduro y en la política de inyección a la red marcada por la actual normativa brasileña. Se han verificado los potenciales de ahorro económico que los sistemas activos fotovoltaicos podrían aportar, y asimismo se calculan diversos indicadores de rentabilidad financiera. En suma, esta investigación ha permitido extraer conclusiones que contribuyen al avance de la investigación y entender las condiciones que propician la viabilidad de la aplicación de componentes fotovoltaicas en las envolventes de edificios en Brasil, y hasta un cierto punto en otros países en latitudes equivalentes. ABSTRACT The hypothesis that inspired this thesis sustains that integration of photovoltaic components in the opaque envelope and shading elements of office buildings placed at low-latitude countries, using the specific case of Brazil, could increase its energy efficiency. This is possible because those components block a significant part of the incident solar irradiation, reducing its heating effect on the building and transforming its energy into electricity in such a way that the extra investments needed can be paid back in acceptable periods given the electricity bill savings they produce. In order to check this hypothesis, the main goal was to analyze the thermal and electrical performance of photovoltaic components integrated into roofs, opaque façades and window shadings. The first step is an introduction and discussion of the state of the art in the studied subjects, as well as the chosen methodology (which is theoretical), based on calculations and simulations. Starting from an office building located in Brazil, four case studies and their parameters are defined, and then analyzed, for seven cities located between latitudes -1.4° and -30°, with an approximate distance of 5° separating each one. Results of more than 500 simulations are presented and discussed for the following concepts: - Solar resource, from the perspective of irradiation availability on different surfaces for the integration of photovoltaic systems in buildings located at low latitudes; - Shading analysis, in order to determine the vertical shading angles (VSA) for protection of the glazed surfaces on office buildings; - Thermal energy balance, to identify the screening effect caused by photovoltaic components on roofs, opaque façades and window shadings on the cooling loads, and hence electricity demands; - Electric energy balance, comparing thermal energy balance with the energy potentially generated using the active skin of the buildings; - Economic analysis, based on a mature-market scenario and the current net metering rules established by the Brazilian government, to identify the potential savings these photovoltaic systems could deliver, as well as several indicators related to the return on the investment. In short, this research has led to conclusions that contribute to the further development of knowledge in this area and understanding of the conditions that favor the application of photovoltaic components in the envelope of office buildings in Brazil and, to a certain extent, in other countries at similar latitudes.

Análisis prospectivo del despliegue de redes de comunicaciones móviles LTE en nuevas bandas de frecuencia mediante el desarrollo de modelos tecnoeconómicos

El estándar LTE se ha posicionado como una de las claves para que los operadores de telecomunicación puedan abordar de manera eficiente en costes el crecimiento de la demanda de tráfico móvil que se prevé para los próximos años, al ser una tecnología más escalable en el núcleo de la red y más flexible en la interfaz radio que sus predecesoras. En este sentido, es necesario también que los reguladores garanticen un acceso al espectro radioeléctrico adecuado, equitativo y no discriminatorio, que permita un entorno estable para el despliegue de redes de comunicaciones móviles avanzadas. Además de la flexibilización del marco regulador del espectro radioeléctrico en Europa, que ha permitido el despliegue de nuevas tecnologías en las bandas de frecuencia históricas de GSM, se ha puesto a disposición espectro adicional para sistemas IMT en nuevas bandas de frecuencia, lo que ha planteando a su vez nuevos retos para la tecnología y la regulación. La fragmentación del espectro disponible para comunicaciones móviles ha impulsado el desarrollo de técnicas de agregación de portadoras en las nuevas versiones del estándar LTE, que permiten explotar mejor los recursos radio en su conjunto. No obstante, el espectro inferior a 1 GHz sigue siendo escaso, ya que el tráfico móvil aumenta y la banda de 900 MHz aún se utiliza para servicios GSM, lo que no ha conseguido sino agravar la disputa entre los servicios de radiodifusión terrestre y de comunicaciones móviles por la parte superior de la banda UHF. En concreto, la banda de 700 MHz se perfila como una de las próximas para aumentar el espectro disponible para los servicios en movilidad, si bien su liberación por parte de las actuales redes de Televisión Digital Terrestre presenta no pocas dificultades en los Estados miembros en los que ésta es la principal plataforma audiovisual de acceso gratuito, abriendo un debate sobre el modelo audiovisual a largo plazo en Europa. Por otro lado, las políticas públicas de promoción del acceso a la banda ancha rápida y ultrarrápida de la presente década han establecido objetivos ambiciosos para el año 2020, tanto en el ámbito europeo como en los diferentes Estados miembros. La universalización del acceso a redes de banda ancha de al menos 30 Mbps constituye uno de los principales retos. Las expectativas generadas por la tecnología LTE y la puesta a disposición de nuevas bandas de frecuencia hace posible que los servicios de acceso fijo inalámbrico adquieran especial relevancia ante los objetivos de política pública establecidos que, como ha sido reconocido en diversas ocasiones, no podrán lograrse sino con un compendio de diferente tecnologías. Para esta Tesis Doctoral se han desarrollado una serie modelos tecnoeconómicos con el objetivo de realizar un análisis prospectivo que evalúa tres casos de especial relevancia en el despliegue de redes LTE: en primer lugar, la valoración económica de la banda de 700 MHz; en segundo lugar, la evaluación de modelos de negocio y reducción de costes considerando tecnologías femtocelulares; y finalmente, la viabilidad de las redes LTE de acceso fijo inalámbrico para el cierre de la brecha digital en el acceso a la banda ancha de 30 Mbps. En relación con la aplicación del análisis tecnoeconómico para la valoración del espectro de 700 MHz, los resultados obtenidos ponen de manifiesto dos cuestiones fundamentales. En primer lugar, la necesidad de asignar a los operadores más espectro para satisfacer las previsiones de demanda de tráfico móvil a medio plazo. En segundo, existe una diferencia notable en los costes de despliegue de una red LTE cuando se dispone de espectro en frecuencias inferiores a 1 GHz y cuando no, pero esta diferencia de costes disminuye a medida que se añade nuevo espectro sub-1GHz. De esta manera, la atribución de la banda de 700 MHz a servicios de comunicaciones móviles supone una reducción relevante en los costes de despliegue si el operador no dispone de espectro en la banda de 800 MHz, pero no así si ya dispone de espectro en bandas bajas para el despliegue. En este sentido, puede concluirse que el precio que los operadores estarán dispuestos a pagar por el espectro de la banda de 700 MHz dependerá de si ya tienen disponible espectro en la banda de 800 MHz. Sin embargo, dado que la competencia por ese espectro será menor, los ingresos esperables en las licitaciones de esta nueva banda serán en general menores, a pesar de que para algunos operadores este espectro sería tan valioso como el de 800 MHz. En segundo lugar, en relación con el despliegue de femtoceldas pueden extraerse algunas conclusiones en términos de ahorro de costes de despliegue y también de cara a la viabilidad de los modelos de negocio que posibilitan. El ahorro que supone la introducción de femtoceldas en el despliegue de una red LTE frente al caso de un despliegue exclusivamente macrocelular se ha demostrado que es mayor cuanto menor es el ancho de banda disponible para la red macrocelular. En esta línea, para un operador convergente el despliegue de femtoceldas tiene sentido económico si el ancho de banda disponible es escaso (en torno a 2x10 MHz), que, en el caso de España, puede reflejar el caso de los operadores del segmento fijo que son nuevos entrantes en el móvil. Por otro lado, los modelos de acceso abierto son interesantes para operadores exclusivamente móviles, porque consiguen flexibilizar los costes sustituyendo estaciones base macrocelulares por el despliegue de femtoceldas, pero necesitan desplegarse en zonas con una densidad de población relativamente elevada para que éstas descarguen tráfico de varios usuarios de la red macrocelular simultáneamente. No obstante, las femtoceldas son beneficiosas en todo caso si es el usuario quien asume los costes de la femtocelda y el backhaul, lo que sólo parece probable si se integran en el modelo de negocio de comercialización de nuevos servicios. Por tanto, el despliegue de femtoceldas en buena parte de la casuística estudiada sólo tiene sentido si consiguen aumentar los ingresos por usuario comercializando servicios de valor añadido que necesiten calidad de servicio garantizada y exploten a la vez de esa forma su principal ventaja competitiva respecto a la tecnología WiFi. Finalmente, en relación con el papel de la tecnología LTE para la provisión de servicios de acceso fijo inalámbrico para la banda ancha de 30 Mbps, se ha desarrollado un modelo TD-LTE y mediante la metodología de análisis tecnoeconómico se ha realizado un estudio prospectivo para el caso de España. Los resultados obtenidos preciden una huella de cobertura de FTTH del 74% para 2020, y demuestran que una red TD-LTE en la banda de 3,5 GHz resulta viable para aumentar la cobertura de servicios de 30 Mbps en 14 puntos porcentuales. Junto con la consideración de la cobertura de otras redes, la cobertura de 30 Mbps de acuerdo a la viabilidad de los despliegues alcanzaría el 95% en España en el año 2020. Como resumen, los resultados obtenidos muestran en todos los casos la capacidad de la tecnología LTE para afrontar nuevos desafíos en relación con el aumento del tráfico móvil, especialmente crítico en las zonas más urbanas, y el cierre de la brecha digital en el acceso a la banda ancha rápida en las zonas más rurales. ABSTRACT The LTE standard has been pointed out as one of the keys for telecom operators to address the demand growth in mobile traffic foreseen for the next years in a cost-efficient way, since its core network is more scalable and its radio interface more flexible than those of its predecessor technologies. On the other hand, regulators need to guarantee an adequate, equitable and non-discriminatory access to radio spectrum, which enable a favorable environment for the deployment of advanced mobile communication networks. Despite the reform of the spectrum regulatory framework in Europe, which allowed for the deployment of new technologies in the historic GSM bands, additional spectrum has been allocated to IMT systems in new frequency bands, what in turn has set out new challenges for technology and regulation. The current fragmentation of available spectrum in very different frequency bands has boosted the development of carrier aggregation techniques in most recent releases of the LTE standard, which permit a better exploitation of radio resources as a whole. Nonetheless, spectrum below 1 GHz is still scarce for mobile networks, since mobile traffic increases at a more rapid pace than spectral efficiency and spectrum resources. The 900 MHz frequency band is still being used for GSM services, what has worsen the dispute between mobile communication services and terrestrial broadcasting services for the upper part of the UHF band. Concretely, the 700 MHz frequency band has been pointed out as one of the next bands to be allocated to mobile in order to increase available spectrum. However, its release by current Digital Terrestrial Television networks is challenging in Member States where it constitutes the main free access audiovisual platform, opening up a new debate around the audiovisual model in the long term in Europe. On the other hand, public policies of the present decade to promote fast and ultrafast broadband access has established very ambitious objectives for the year 2020, both at European and national levels. Universalization of 30 Mbps broadband access networks constitutes one of the main challenges. Expectations raised by LTE technology and the allocation of new frequency bands has lead fixed wireless access (FWA) services to acquire special relevance in light of public policy objectives, which will not be met but with a compendium of different technologies, as different involved stakeholders have acknowledged. This PhD Dissertation develops techno-economic models to carry out a prospective analysis for three cases of special relevance in LTE networks’ deployment: the spectrum pricing of the 700 MHz frequency band, an assessment of new business models and cost reduction considering femtocell technologies, and the feasibility of LTE fixed wireless access networks to close the 30 Mbps broadband access gap in rural areas. In the first place and regarding the application of techno-economic analysis for 700 MHz spectrum pricing, obtained results reveal two core issues. First of all, the need to allocate more spectrum for operators in order to fulfill mobile traffic demand in the mid-term. Secondly, there is a substantial difference in deployment costs for a LTE network when there is sub-1GHz spectrum available and when there is not, but this difference decreases as additional sub-1GHz spectrum is added. Thus, the allocation of 700 MHz band to mobile communication services would cause a relevant reduction in deployment costs if the operator does not count on spectrum in the 800 MHz, but not if it already has been assigned spectrum in low frequencies for the deployment. In this regard, the price operators will be willing to pay for 700 MHz spectrum will depend on them having already spectrum in the 800 MHz frequency band or not. However, since competition for the new spectrum will not be so strong, expected incomes from 700 MHz spectrum awards will be generally lower than those from the digital dividend, despite this spectrum being as valuable as 800 MHz spectrum for some operators. In the second place, regarding femtocell deployment, some conclusions can be drawn in terms of deployment cost savings and also with reference to the business model they enable. Savings provided by a joint macro-femto LTE network as compared to an exclusively macrocellular deployment increase as the available bandwidth for the macrocells decreases. Therefore, for a convergent operator the deployment of femtocells can only have economic sense if the available bandwidth is scarce (around 2x10 MHz), which might be the case of fix market operators which are new entrant in mobile market. Besides, open access models are interesting for exclusively mobile operators, since they make costs more flexible by substituting macrocell base stations by femtocells, but they need to be deployed relatively densely populated areas so that they can offload traffic from several macrocell users simultaneously. Nonetheless, femtocells are beneficial in all cases if the user assumes both femtocell and backhaul costs, which only seems probable if they are integrated in a business model commercializing new services. Therefore, in many of the cases analyzed femtocell deployment only makes sense if they increase revenues per user through new added value services which need from guaranteed quality of service, thus exploiting its main competitive advantage compared to WiFi. Finally, regarding the role of LTE technology in the provision of fixed wireless access services for 30 Mbps broadband, a TD-LTE model has been developed and a prospective study has been carried out through techno-economic methodology for the Spanish case. Obtained results foresee a FTTH coverage footprint of 74% households for 2020, and prove that a TD-LTE network in the 3.5 GHz band results feasible to increase 30 Mbps service coverage in additional 14 percentage points. To sum up, obtained results show LTE technology capability to address new challenges regarding both mobile traffic growth, particularly critical in urban zones, and the current digital divide in fast broadband access in most rural zones.