Método experimental para la caracterización de las diferentes tecnologías de integración arquitectónica de la energía fotovoltaica en condiciones de funcionamiento real = Experimental method for characterization of several building integrated photovoltaic technologies under real working conditions

Hoy en día, el proceso de un proyecto sostenible persigue realizar edificios de elevadas prestaciones que son, energéticamente eficientes, saludables y económicamente viables utilizando sabiamente recursos renovables para minimizar el impacto sobre el medio ambiente reduciendo, en lo posible, la demanda de energía, lo que se ha convertido, en la última década, en una prioridad. La Directiva 2002/91/CE "Eficiencia Energética de los Edificios" (y actualizaciones posteriores) ha establecido el marco regulatorio general para el cálculo de los requerimientos energéticos mínimos. Desde esa fecha, el objetivo de cumplir con las nuevas directivas y protocolos ha conducido las políticas energéticas de los distintos países en la misma dirección, centrándose en la necesidad de aumentar la eficiencia energética en los edificios, la adopción de medidas para reducir el consumo, y el fomento de la generación de energía a través de fuentes renovables. Los edificios de energía nula o casi nula (ZEB, Zero Energy Buildings ó NZEB, Net Zero Energy Buildings) deberán convertirse en un estándar de la construcción en Europa y con el fin de equilibrar el consumo de energía, además de reducirlo al mínimo, los edificios necesariamente deberán ser autoproductores de energía. Por esta razón, la envolvente del edifico y en particular las fachadas son importantes para el logro de estos objetivos y la tecnología fotovoltaica puede tener un papel preponderante en este reto. Para promover el uso de la tecnología fotovoltaica, diferentes programas de investigación internacionales fomentan y apoyan soluciones para favorecer la integración completa de éstos sistemas como elementos arquitectónicos y constructivos, los sistemas BIPV (Building Integrated Photovoltaic), sobre todo considerando el próximo futuro hacia edificios NZEB. Se ha constatado en este estudio que todavía hay una falta de información útil disponible sobre los sistemas BIPV, a pesar de que el mercado ofrece una interesante gama de soluciones, en algunos aspectos comparables a los sistemas tradicionales de construcción. Pero por el momento, la falta estandarización y de una regulación armonizada, además de la falta de información en las hojas de datos técnicos (todavía no comparables con las mismas que están disponibles para los materiales de construcción), hacen difícil evaluar adecuadamente la conveniencia y factibilidad de utilizar los componentes BIPV como parte integrante de la envolvente del edificio. Organizaciones internacionales están trabajando para establecer las normas adecuadas y procedimientos de prueba y ensayo para comprobar la seguridad, viabilidad y fiabilidad estos sistemas. Sin embargo, hoy en día, no hay reglas específicas para la evaluación y caracterización completa de un componente fotovoltaico de integración arquitectónica de acuerdo con el Reglamento Europeo de Productos de la Construcción, CPR 305/2011. Los productos BIPV, como elementos de construcción, deben cumplir con diferentes aspectos prácticos como resistencia mecánica y la estabilidad; integridad estructural; seguridad de utilización; protección contra el clima (lluvia, nieve, viento, granizo), el fuego y el ruido, aspectos que se han convertido en requisitos esenciales, en la perspectiva de obtener productos ambientalmente sostenibles, saludables, eficientes energéticamente y económicamente asequibles. Por lo tanto, el módulo / sistema BIPV se convierte en una parte multifuncional del edificio no sólo para ser física y técnicamente "integrado", además de ser una oportunidad innovadora del diseño. Las normas IEC, de uso común en Europa para certificar módulos fotovoltaicos -IEC 61215 e IEC 61646 cualificación de diseño y homologación del tipo para módulos fotovoltaicos de uso terrestre, respectivamente para módulos fotovoltaicos de silicio cristalino y de lámina delgada- atestan únicamente la potencia del módulo fotovoltaico y dan fe de su fiabilidad por un período de tiempo definido, certificando una disminución de potencia dentro de unos límites. Existe también un estándar, en parte en desarrollo, el IEC 61853 (“Ensayos de rendimiento de módulos fotovoltaicos y evaluación energética") cuyo objetivo es la búsqueda de procedimientos y metodologías de prueba apropiados para calcular el rendimiento energético de los módulos fotovoltaicos en diferentes condiciones climáticas. Sin embargo, no existen ensayos normalizados en las condiciones específicas de la instalación (p. ej. sistemas BIPV de fachada). Eso significa que es imposible conocer las efectivas prestaciones de estos sistemas y las condiciones ambientales que se generan en el interior del edificio. La potencia nominal de pico Wp, de un módulo fotovoltaico identifica la máxima potencia eléctrica que éste puede generar bajo condiciones estándares de medida (STC: irradición 1000 W/m2, 25 °C de temperatura del módulo y distribución espectral, AM 1,5) caracterizando eléctricamente el módulo PV en condiciones específicas con el fin de poder comparar los diferentes módulos y tecnologías. El vatio pico (Wp por su abreviatura en inglés) es la medida de la potencia nominal del módulo PV y no es suficiente para evaluar el comportamiento y producción del panel en términos de vatios hora en las diferentes condiciones de operación, y tampoco permite predecir con convicción la eficiencia y el comportamiento energético de un determinado módulo en condiciones ambientales y de instalación reales. Un adecuado elemento de integración arquitectónica de fachada, por ejemplo, debería tener en cuenta propiedades térmicas y de aislamiento, factores como la transparencia para permitir ganancias solares o un buen control solar si es necesario, aspectos vinculados y dependientes en gran medida de las condiciones climáticas y del nivel de confort requerido en el edificio, lo que implica una necesidad de adaptación a cada contexto específico para obtener el mejor resultado. Sin embargo, la influencia en condiciones reales de operación de las diferentes soluciones fotovoltaicas de integración, en el consumo de energía del edificio no es fácil de evaluar. Los aspectos térmicos del interior del ambiente o de iluminación, al utilizar módulos BIPV semitransparentes por ejemplo, son aún desconocidos. Como se dijo antes, la utilización de componentes de integración arquitectónica fotovoltaicos y el uso de energía renovable ya es un hecho para producir energía limpia, pero también sería importante conocer su posible contribución para mejorar el confort y la salud de los ocupantes del edificio. Aspectos como el confort, la protección o transmisión de luz natural, el aislamiento térmico, el consumo energético o la generación de energía son aspectos que suelen considerarse independientemente, mientras que todos juntos contribuyen, sin embargo, al balance energético global del edificio. Además, la necesidad de dar prioridad a una orientación determinada del edificio, para alcanzar el mayor beneficio de la producción de energía eléctrica o térmica, en el caso de sistemas activos y pasivos, respectivamente, podría hacer estos últimos incompatibles, pero no necesariamente. Se necesita un enfoque holístico que permita arquitectos e ingenieros implementar sistemas tecnológicos que trabajen en sinergia. Se ha planteado por ello un nuevo concepto: "C-BIPV, elemento fotovoltaico consciente integrado", esto significa necesariamente conocer los efectos positivos o negativos (en términos de confort y de energía) en condiciones reales de funcionamiento e instalación. Propósito de la tesis, método y resultados Los sistemas fotovoltaicos integrados en fachada son a menudo soluciones de vidrio fácilmente integrables, ya que por lo general están hechos a medida. Estos componentes BIPV semitransparentes, integrados en el cerramiento proporcionan iluminación natural y también sombra, lo que evita el sobrecalentamiento en los momentos de excesivo calor, aunque como componente estático, asimismo evitan las posibles contribuciones pasivas de ganancias solares en los meses fríos. Además, la temperatura del módulo varía considerablemente en ciertas circunstancias influenciada por la tecnología fotovoltaica instalada, la radiación solar, el sistema de montaje, la tipología de instalación, falta de ventilación, etc. Este factor, puede suponer un aumento adicional de la carga térmica en el edificio, altamente variable y difícil de cuantificar. Se necesitan, en relación con esto, más conocimientos sobre el confort ambiental interior en los edificios que utilizan tecnologías fotovoltaicas integradas, para abrir de ese modo, una nueva perspectiva de la investigación. Con este fin, se ha diseñado, proyectado y construido una instalación de pruebas al aire libre, el BIPV Env-lab "BIPV Test Laboratory", para la caracterización integral de los diferentes módulos semitransparentes BIPV. Se han definido también el método y el protocolo de ensayos de caracterización en el contexto de un edificio y en condiciones climáticas y de funcionamiento reales. Esto ha sido posible una vez evaluado el estado de la técnica y la investigación, los aspectos que influyen en la integración arquitectónica y los diferentes tipos de integración, después de haber examinado los métodos de ensayo para los componentes de construcción y fotovoltaicos, en condiciones de operación utilizadas hasta ahora. El laboratorio de pruebas experimentales, que consiste en dos habitaciones idénticas a escala real, 1:1, ha sido equipado con sensores y todos los sistemas de monitorización gracias a los cuales es posible obtener datos fiables para evaluar las prestaciones térmicas, de iluminación y el rendimiento eléctrico de los módulos fotovoltaicos. Este laboratorio permite el estudio de tres diferentes aspectos que influencian el confort y consumo de energía del edificio: el confort térmico, lumínico, y el rendimiento energético global (demanda/producción de energía) de los módulos BIPV. Conociendo el balance de energía para cada tecnología solar fotovoltaica experimentada, es posible determinar cuál funciona mejor en cada caso específico. Se ha propuesto una metodología teórica para la evaluación de estos parámetros, definidos en esta tesis como índices o indicadores que consideran cuestiones relacionados con el bienestar, la energía y el rendimiento energético global de los componentes BIPV. Esta metodología considera y tiene en cuenta las normas reglamentarias y estándares existentes para cada aspecto, relacionándolos entre sí. Diferentes módulos BIPV de doble vidrio aislante, semitransparentes, representativos de diferentes tecnologías fotovoltaicas (tecnología de silicio monocristalino, m-Si; de capa fina en silicio amorfo unión simple, a-Si y de capa fina en diseleniuro de cobre e indio, CIS) fueron seleccionados para llevar a cabo una serie de pruebas experimentales al objeto de demostrar la validez del método de caracterización propuesto. Como resultado final, se ha desarrollado y generado el Diagrama Caracterización Integral DCI, un sistema gráfico y visual para representar los resultados y gestionar la información, una herramienta operativa útil para la toma de decisiones con respecto a las instalaciones fotovoltaicas. Este diagrama muestra todos los conceptos y parámetros estudiados en relación con los demás y ofrece visualmente toda la información cualitativa y cuantitativa sobre la eficiencia energética de los componentes BIPV, por caracterizarlos de manera integral. ABSTRACT A sustainable design process today is intended to produce high-performance buildings that are energy-efficient, healthy and economically feasible, by wisely using renewable resources to minimize the impact on the environment and to reduce, as much as possible, the energy demand. In the last decade, the reduction of energy needs in buildings has become a top priority. The Directive 2002/91/EC “Energy Performance of Buildings” (and its subsequent updates) established a general regulatory framework’s methodology for calculation of minimum energy requirements. Since then, the aim of fulfilling new directives and protocols has led the energy policies in several countries in a similar direction that is, focusing on the need of increasing energy efficiency in buildings, taking measures to reduce energy consumption, and fostering the use of renewable sources. Zero Energy Buildings or Net Zero Energy Buildings will become a standard in the European building industry and in order to balance energy consumption, buildings, in addition to reduce the end-use consumption should necessarily become selfenergy producers. For this reason, the façade system plays an important role for achieving these energy and environmental goals and Photovoltaic can play a leading role in this challenge. To promote the use of photovoltaic technology in buildings, international research programs encourage and support solutions, which favors the complete integration of photovoltaic devices as an architectural element, the so-called BIPV (Building Integrated Photovoltaic), furthermore facing to next future towards net-zero energy buildings. Therefore, the BIPV module/system becomes a multifunctional building layer, not only physically and functionally “integrated” in the building, but also used as an innovative chance for the building envelope design. It has been found in this study that there is still a lack of useful information about BIPV for architects and designers even though the market is providing more and more interesting solutions, sometimes comparable to the existing traditional building systems. However at the moment, the lack of an harmonized regulation and standardization besides to the non-accuracy in the technical BIPV datasheets (not yet comparable with the same ones available for building materials), makes difficult for a designer to properly evaluate the fesibility of this BIPV components when used as a technological system of the building skin. International organizations are working to establish the most suitable standards and test procedures to check the safety, feasibility and reliability of BIPV systems. Anyway, nowadays, there are no specific rules for a complete characterization and evaluation of a BIPV component according to the European Construction Product Regulation, CPR 305/2011. BIPV products, as building components, must comply with different practical aspects such as mechanical resistance and stability; structural integrity; safety in use; protection against weather (rain, snow, wind, hail); fire and noise: aspects that have become essential requirements in the perspective of more and more environmentally sustainable, healthy, energy efficient and economically affordable products. IEC standards, commonly used in Europe to certify PV modules (IEC 61215 and IEC 61646 respectively crystalline and thin-film ‘Terrestrial PV Modules-Design Qualification and Type Approval’), attest the feasibility and reliability of PV modules for a defined period of time with a limited power decrease. There is also a standard (IEC 61853, ‘Performance Testing and Energy Rating of Terrestrial PV Modules’) still under preparation, whose aim is finding appropriate test procedures and methodologies to calculate the energy yield of PV modules under different climate conditions. Furthermore, the lack of tests in specific conditions of installation (e.g. façade BIPV devices) means that it is difficult knowing the exact effective performance of these systems and the environmental conditions in which the building will operate. The nominal PV power at Standard Test Conditions, STC (1.000 W/m2, 25 °C temperature and AM 1.5) is usually measured in indoor laboratories, and it characterizes the PV module at specific conditions in order to be able to compare different modules and technologies on a first step. The “Watt-peak” is not enough to evaluate the panel performance in terms of Watt-hours of various modules under different operating conditions, and it gives no assurance of being able to predict the energy performance of a certain module at given environmental conditions. A proper BIPV element for façade should take into account thermal and insulation properties, factors as transparency to allow solar gains if possible or a good solar control if necessary, aspects that are linked and high dependent on climate conditions and on the level of comfort to be reached. However, the influence of different façade integrated photovoltaic solutions on the building energy consumption is not easy to assess under real operating conditions. Thermal aspects, indoor temperatures or luminance level that can be expected using building integrated PV (BIPV) modules are not well known. As said before, integrated photovoltaic BIPV components and the use of renewable energy is already a standard for green energy production, but would also be important to know the possible contribution to improve the comfort and health of building occupants. Comfort, light transmission or protection, thermal insulation or thermal/electricity power production are aspects that are usually considered alone, while all together contribute to the building global energy balance. Besides, the need to prioritize a particular building envelope orientation to harvest the most benefit from the electrical or thermal energy production, in the case of active and passive systems respectively might be not compatible, but also not necessary. A holistic approach is needed to enable architects and engineers implementing technological systems working in synergy. A new concept have been suggested: “C-BIPV, conscious integrated BIPV”. BIPV systems have to be “consciously integrated” which means that it is essential to know the positive and negative effects in terms of comfort and energy under real operating conditions. Purpose of the work, method and results The façade-integrated photovoltaic systems are often glass solutions easily integrable, as they usually are custommade. These BIPV semi-transparent components integrated as a window element provides natural lighting and shade that prevents overheating at times of excessive heat, but as static component, likewise avoid the possible solar gains contributions in the cold months. In addition, the temperature of the module varies considerably in certain circumstances influenced by the PV technology installed, solar radiation, mounting system, lack of ventilation, etc. This factor may result in additional heat input in the building highly variable and difficult to quantify. In addition, further insights into the indoor environmental comfort in buildings using integrated photovoltaic technologies are needed to open up thereby, a new research perspective. This research aims to study their behaviour through a series of experiments in order to define the real influence on comfort aspects and on global energy building consumption, as well as, electrical and thermal characteristics of these devices. The final objective was to analyze a whole set of issues that influence the global energy consumption/production in a building using BIPV modules by quantifying the global energy balance and the BIPV system real performances. Other qualitative issues to be studied were comfort aspect (thermal and lighting aspects) and the electrical behaviour of different BIPV technologies for vertical integration, aspects that influence both energy consumption and electricity production. Thus, it will be possible to obtain a comprehensive global characterization of BIPV systems. A specific design of an outdoor test facility, the BIPV Env-lab “BIPV Test Laboratory”, for the integral characterization of different BIPV semi-transparent modules was developed and built. The method and test protocol for the BIPV characterization was also defined in a real building context and weather conditions. This has been possible once assessed the state of the art and research, the aspects that influence the architectural integration and the different possibilities and types of integration for PV and after having examined the test methods for building and photovoltaic components, under operation conditions heretofore used. The test laboratory that consists in two equivalent test rooms (1:1) has a monitoring system in which reliable data of thermal, daylighting and electrical performances can be obtained for the evaluation of PV modules. The experimental set-up facility (testing room) allows studying three different aspects that affect building energy consumption and comfort issues: the thermal indoor comfort, the lighting comfort and the energy performance of BIPV modules tested under real environmental conditions. Knowing the energy balance for each experimented solar technology, it is possible to determine which one performs best. A theoretical methodology has been proposed for evaluating these parameters, as defined in this thesis as indices or indicators, which regard comfort issues, energy and the overall performance of BIPV components. This methodology considers the existing regulatory standards for each aspect, relating them to one another. A set of insulated glass BIPV modules see-through and light-through, representative of different PV technologies (mono-crystalline silicon technology, mc-Si, amorphous silicon thin film single junction, a-Si and copper indium selenide thin film technology CIS) were selected for a series of experimental tests in order to demonstrate the validity of the proposed characterization method. As result, it has been developed and generated the ICD Integral Characterization Diagram, a graphic and visual system to represent the results and manage information, a useful operational tool for decision-making regarding to photovoltaic installations. This diagram shows all concepts and parameters studied in relation to each other and visually provides access to all the results obtained during the experimental phase to make available all the qualitative and quantitative information on the energy performance of the BIPV components by characterizing them in a comprehensive way.

Multiphase Design and Control Techniques Applied to a Forward Micro-Inverter

En la última década la potencia instalada de energía solar fotovoltaica ha crecido una media de un 49% anual y se espera que alcance el 16%del consumo energético mundial en el año 2050. La mayor parte de estas instalaciones se corresponden con sistemas conectados a la red eléctrica y un amplio porcentaje de ellas son instalaciones domésticas o en edificios. En el mercado ya existen diferentes arquitecturas para este tipo de instalaciones, entre las que se encuentras los módulos AC. Un módulo AC consiste en un inversor, también conocido como micro-inversor, que se monta en la parte trasera de un panel o módulo fotovoltaico. Esta tecnología ofrece modularidad, redundancia y la extracción de la máxima potencia de cada panel solar de la instalación. Además, la expansión de esta tecnología posibilitará una reducción de costes asociados a las economías de escala y a la posibilidad de que el propio usuario pueda componer su propio sistema. Sin embargo, el micro-inversor debe ser capaz de proporcionar una ganancia de tensión adecuada para conectar el panel solar directamente a la red, mientras mantiene un rendimiento aceptable en un amplio rango de potencias. Asimismo, los estándares de conexión a red deber ser satisfechos y el tamaño y el tiempo de vida del micro-inversor son factores que han de tenerse siempre en cuenta. En esta tesis se propone un micro-inversor derivado de la topología “forward” controlado en el límite entre los modos de conducción continuo y discontinuo (BCM por sus siglas en inglés). El transformador de la topología propuesta mantiene la misma estructura que en el convertidor “forward” clásico y la utilización de interruptores bidireccionales en el secundario permite la conexión directa del inversor a la red. Asimismo el método de control elegido permite obtener factor de potencia cercano a la unidad con una implementación sencilla. En la tesis se presenta el principio de funcionamiento y los principales aspectos del diseño del micro-inversor propuesto. Con la idea de mantener una solución sencilla y de bajo coste, se ha seleccionado un controlador analógico que está originalmente pensado para controlar un corrector del factor de potencia en el mismo modo de conducción que el micro-inversor “forward”. La tesis presenta las principales modificaciones necesarias, con especial atención a la detección del cruce por cero de la corriente (ZCD por sus siglas en inglés) y la compatibilidad del controlador con la inclusión de un algoritmo de búsqueda del punto de máxima potencia (MPPT por sus siglas en inglés). Los resultados experimentales muestran las limitaciones de la implementación elegida e identifican al transformador como el principal contribuyente a las pérdidas del micro-inversor. El principal objetivo de esta tesis es contribuir a la aplicación de técnicas de control y diseño de sistemas multifase en micro-inversores fotovoltaicos. En esta tesis se van a considerar dos configuraciones multifase diferentes aplicadas al micro-inversor “forward” propuesto. La primera consiste en una variación con conexión paralelo-serie que permite la utilización de transformadores con una relación de vueltas baja, y por tanto bien acoplados, para conseguir una ganancia de tensión adecuada con un mejor rendimiento. Esta configuración emplea el mismo control BCM cuando la potencia extraída del panel solar es máxima. Este método de control implica que la frecuencia de conmutación se incrementa considerablemente cuando la potencia decrece, lo que compromete el rendimiento. Por lo tanto y con la intención de mantener unos bueno niveles de rendimiento ponderado, el micro-inversor funciona en modo de conducción discontinuo (DCM, por sus siglas en inglés) cuando la potencia extraía del panel solar es menor que la máxima. La segunda configuración multifase considerada en esta tesis es la aplicación de la técnica de paralelo con entrelazado. Además se han considerado dos técnicas diferentes para decidir el número de fases activas: dependiendo de la potencia continua extraída del panel solar y dependiendo de la potencia instantánea demandada por el micro-inversor. La aplicación de estas técnicas es interesante en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica por la posibilidad que brindan de obtener un rendimiento prácticamente plano en un amplio rango de potencia. Las configuraciones con entrelazado se controlan en DCM para evitar la necesidad de un control de corriente, lo que es importante cuando el número de fases es alto. Los núcleos adecuados para todas las configuraciones multifase consideradas se seleccionan usando el producto de áreas. Una vez seleccionados los núcleos se ha realizado un diseño detallado de cada uno de los transformadores. Con la información obtenida de los diseños y los resultados de simulación, se puede analizar el impacto que el número de transformadores utilizados tiene en el tamaño y el rendimiento de las distintas configuraciones. Los resultados de este análisis, presentado en esta tesis, se utilizan posteriormente para comparar las distintas configuraciones. Muchas otras topologías se han presentado en la literatura para abordar los diferentes aspectos a considerar en los micro-inversores, que han sido presentados anteriormente. La mayoría de estas topologías utilizan un transformador de alta frecuencia para solventar el salto de tensión y evitar problemas de seguridad y de puesta a tierra. En cualquier caso, es interesante evaluar si topologías sin aislamiento galvánico son aptas para su utilización como micro-inversores. En esta tesis se presenta una revisión de inversores con capacidad de elevar tensión, que se comparan bajo las mismas especificaciones. El objetivo es proporcionar la información necesaria para valorar si estas topologías son aplicables en los módulos AC. Las principales contribuciones de esta tesis son: • La aplicación del control BCM a un convertidor “forward” para obtener un micro-inversor de una etapa sencillo y de bajo coste. • La modificación de dicho micro-inversor con conexión paralelo-series de transformadores que permite reducir la corriente de los semiconductores y una ganancia de tensión adecuada con transformadores altamente acoplados. • La aplicación de técnicas de entrelazado y decisión de apagado de fases en la puesta en paralelo del micro-inversor “forward”. • El análisis y la comparación del efecto en el tamaño y el rendimiento del incremento del número de transformadores en las diferentes configuraciones multifase. • La eliminación de las medidas y los lazos de control de corriente en las topologías multifase con la utilización del modo de conducción discontinuo y un algoritmo MPPT sin necesidad de medida de corriente. • La recopilación y comparación bajo las mismas especificaciones de topologías inversoras con capacidad de elevar tensión, que pueden ser adecuadas para la utilización como micro-inversores. Esta tesis está estructurada en seis capítulos. El capítulo 1 presenta el marco en que se desarrolla la tesis así como el alcance de la misma. En el capítulo 2 se recopilan las topologías existentes de micro-invesores con aislamiento y aquellas sin aislamiento cuya implementación en un módulo AC es factible. Asimismo se presenta la comparación entre estas topologías bajo las mismas especificaciones. El capítulo 3 se centra en el micro-inversor “forward” que se propone originalmente en esta tesis. La aplicación de las técnicas multifase se aborda en los capítulos 4 y 5, en los que se presentan los análisis en función del número de transformadores. El capítulo está orientado a la propuesta paralelo-serie mientras que la configuración con entrelazado se analiza en el capítulo 5. Por último, en el capítulo 6 se presentan las contribuciones de esta tesis y los trabajos futuros. ABSTRACT In the last decade the photovoltaic (PV) installed power increased with an average growth of 49% per year and it is expected to cover the 16% of the global electricity consumption by 2050. Most of the installed PV power corresponds to grid-connected systems, with a significant percentage of residential installations. In these PV systems, the inverter is essential since it is the responsible of transferring into the grid the extracted power from the PV modules. Several architectures have been proposed for grid-connected residential PV systems, including the AC-module technology. An AC-module consists of an inverter, also known as micro-inverter, which is attached to a PV module. The AC-module technology offers modularity, redundancy and individual MPPT of each module. In addition, the expansion of this technology will enable the possibility of economies of scale of mass market and “plug and play” for the user, thus reducing the overall cost of the installation. However, the micro-inverter must be able to provide the required voltage boost to interface a low voltage PV module to the grid while keeping an acceptable efficiency in a wide power range. Furthermore, the quality standards must be satisfied and size and lifetime of the solutions must be always considered. In this thesis a single-stage forward micro-inverter with boundary mode operation is proposed to address the micro-inverter requirements. The transformer in the proposed topology remains as in the classic forward converter and bidirectional switches in the secondary side allows direct connection to the grid. In addition the selected control strategy allows high power factor current with a simple implementation. The operation of the topology is presented and the main design issues are introduced. With the intention to propose a simple and low-cost solution, an analog controller for a PFC operated in boundary mode is utilized. The main necessary modifications are discussed, with the focus on the zero current detection (ZCD) and the compatibility of the controller with a MPPT algorithm. The experimental results show the limitations of the selected analog controller implementation and the transformer is identified as a main losses contributor. The main objective of this thesis is to contribute in the application of control and design multiphase techniques to the PV micro-inverters. Two different multiphase configurations have been applied to the forward micro-inverter proposed in this thesis. The first one consists of a parallel-series connected variation which enables the use of low turns ratio, i.e. well coupled, transformers to achieve a proper voltage boost with an improved performance. This multiphase configuration implements BCM control at maximum load however. With this control method the switching frequency increases significantly for light load operation, thus jeopardizing the efficiency. Therefore, in order to keep acceptable weighted efficiency levels, DCM operation is selected for low power conditions. The second multiphase variation considered in this thesis is the interleaved configuration with two different phase shedding techniques: depending on the DC power extracted from the PV panel, and depending on the demanded instantaneous power. The application of interleaving techniques is interesting in PV grid-connected inverters for the possibility of flat efficiency behavior in a wide power range. The interleaved variations of the proposed forward micro-inverter are operated in DCM to avoid the current loop, which is important when the number of phases is large. The adequate transformer cores for all the multiphase configurations are selected according to the area product parameter and a detailed design of each required transformer is developed. With this information and simulation results, the impact in size and efficiency of the number of transformer used can be assessed. The considered multiphase topologies are compared in this thesis according to the results of the introduced analysis. Several other topological solutions have been proposed to solve the mentioned concerns in AC-module application. The most of these solutions use a high frequency transformer to boost the voltage and avoid grounding and safety issues. However, it is of interest to assess if the non-isolated topologies are suitable for AC-module application. In this thesis a review of transformerless step-up inverters is presented. The compiled topologies are compared using a set benchmark to provide the necessary information to assess whether non-isolated topologies are suitable for AC-module application. The main contributions of this thesis are: • The application of the boundary mode control with constant off-time to a forward converter, to obtain a simple and low-cost single-stage forward micro-inverter. • A modification of the forward micro-inverter with primary-parallel secondary-series connected transformers to reduce the current stress and improve the voltage gain with highly coupled transformers. •The application of the interleaved configuration with different phase shedding strategies to the proposed forward micro-inverter. • An analysis and comparison of the influence in size and efficiency of increasing the number of transformers in the parallel-series and interleaved multiphase configurations. • Elimination of the current loop and current measurements in the multiphase topologies by adopting DCM operation and a current sensorless MPPT. • A compilation and comparison with the same specifications of suitable non-isolated step-up inverters. This thesis is organized in six chapters. In Chapter 1 the background of single-phase PV-connected systems is discussed and the scope of the thesis is defined. Chapter 2 compiles the existing solutions for isolated micro-inverters and transformerless step-up inverters suitable for AC-module application. In addition, the most convenient non-isolated inverters are compared using a defined benchmark. Chapter 3 focuses on the originally proposed single-stage forward micro-inverter. The application of multiphase techniques is addressed in Chapter 4 and Chapter 5, and the impact in different parameters of increasing the number of phases is analyzed. In Chapter 4 an original primary-parallel secondary-series variation of the forward micro-inverter is presented, while Chapter 5 focuses on the application of the interleaved configuration. Finally, Chapter 6 discusses the contributions of the thesis and the future work.

Diseño arquitectónico y protección en caso de incendio: desarrollo normativo español en materia de evacuación en los siglos XIX y XX

Esta es la búsqueda de respuestas a esa duda constante: De dónde venimos y que hemos ido dejando por el camino. ¿Está todo claro en este recorrido o hemos actuado por acumulación de errores heredados de procesos anteriores? Es la investigación a través del descubrimiento de nuestro pasado, de nuestros orígenes en materia de seguridad de protección contra incendios, y sobre todo de ejecución de una arquitectura pensada para ser recorrida con mayor seguridad y ser evacuada en un tiempo razonable. El trabajo investiga, a nivel nacional, la evolución de la sociedad y sus efectos sobre la manera de interpretar el problema de la seguridad contra incendios en los edificios. El interés fundamentalmente es poner en claro todos aquellos aspectos que afectan a la evacuación de las personas. Para ello se han estudiado los principales hitos de actuación, las preocupaciones principales surgidas en cada momento y las soluciones adoptadas. Se ha comprobado su aplicación o su demora hasta que se ha producido el siguiente gran suceso que ha motivado una nueva revisión de los procedimientos de diseño y control. En primer lugar, tratando de relacionar los incendios fundamentales que han influido en nuestra forma de abordar el problema en distintos momentos de la historia de España. En segundo lugar, haciendo un recorrido sobre la figura del arquitecto y su participación en los medios de control y legislación sobre la manera de intervenir en el servicio de incendios o de resolver los edificios en materia de protección contra incendios o evacuación de sus ocupantes. En definitiva, descubriendo los escritos de algunos especialistas, fundamentales para entender nuestra manera de abordar el problema de la protección en los edificios, a lo largo de la historia. Se ha revisado como se han producido los siniestros más importantes en teatros y otros locales públicos .Analizando la forma en que los arquitectos implicados han tratado de resolver las posibles deficiencias ante el riesgo. Se trata de la tipología edificatoria donde, por primera vez, surge la preocupación por adoptar medidas y procedimientos de seguridad en caso de incendio. Resultan locales con una importante siniestralidad, donde se desarrolla la principal actividad lúdica del momento, y que por el importante número de personas que albergan, son fuente de preocupación entre el público y las autoridades. Otras cuestiones en un tema tan amplio, que quedan simplemente esbozadas en este trabajo de investigación, son los procedimientos de los sistemas de extinción, la estructura organizativa de la ciudad, las primeras sociedades de seguros de incendios, la aparición de patentes a partir del desarrollo industrial del siglo XIX. Todo ello, con el hilo conductor de la reglamentación que se ha ido elaborando al respecto. Al principio, sobre espectáculos públicos, acotando el punto de partida en la materia de nuestra reglamentación. Anticipando sistemas constructivos y datos dimensionales de la evacuación. Llegados a mediados del siglo XX, abordando otros usos. Haciendo seguimiento de la modernización de los procesos edificatorios y la reglamentación sectorial. Recabando información de las organizaciones profesionales que comienzan a reclamar una coordinación nacional de los sistemas preventivos y que desemboca en el Proyecto de Reglamento de prevención contra el fuego que nunca será publicado. Toda esta etapa, plagada de documentos de carácter voluntario u obligatorio, local y nacional, van definiendo los criterios dimensionales con los que debe resolverse los elementos arquitectónicos susceptibles de servir para la evacuación. Se trata de una etapa intensa en documentación, cambiante, sujeta a los criterios que establecen los países del entorno más avanzados en la materia. Las dos últimas décadas del siglo, acotadas por la transición política y varios siniestros de graves consecuencias, definen el proceso normativo que culmina con el código técnico de la edificación que hoy conocemos. Es un periodo de aprendizaje y asimilación del capítulo de la seguridad, donde los métodos son variados. Donde la intencionalidad última es trasladar un sistema prescriptivo a un modelo prestacional propio de la madurez en el análisis del tema y en las corrientes de los países del entorno. ABSTRACT This is the search for answers to that constant question: Where do we come from and what have left along the way? Has everything been clear on this journey, or have we acted as a result of a collection of errors learned from prior processes? This has been research through exploration of our past, of our origins regarding fire protection safety, and, above all, of the endeavour to utilize architecture aimed at offering the highest level of safety and evacuation in a reasonable time. This project has researched society’s change nationwide and its effects on how to interpret the difficulty of fire protection safety in buildings. Its focus has fundamentally been to clarify those aspects that affect the evacuation of people. To this end, the main milestones of action, the principal concerns that have arisen at each step, and the solutions taken have all been studied. A check was performed on their application; or their delay until a significant event occurred that prompted a new revision of design and control procedures. Firstly, this was done by attempting to connect the main fires that have influenced how we handle the problem at different times in Spain’s history. Secondly, an examination was done on the figure of the architect and his participation in the means of control and legislation on how to intercede in fire services, or how the architect finds solutions for buildings in terms of fire protection, or the evacuation of their occupants. In short, the written works of certain specialists, who are essential to our understanding of how to deal with the problem of protection in buildings, were explored throughout history. A study was done on the most significant disasters in theatres and other public establishments. This was done by analysing the way the architects involved have aimed to solve possible points liable to risk. It is a classification of building where, for the first time, the concern arose to adopt safety measures and procedures in the event of fires. Public establishments with considerable accident rates emerged. Here the main entertainment activities of the time took place. These spaces were a source of worry among the public and authorities due to the high number of persons they accommodated. Other issues in such an extensive subject, which are only outlined in this research study, are procedures in extinguishing systems, the organizational structure of cities, the first fire insurance companies, and the appearance of patents after the industrial development of the 19th century. All of these aspects are joined by the common thread of regulations that have been created in this matter. At the beginning, these regulations were for public shows, thus defining the starting point for our regulations. This was done in anticipation of structural systems and size data of evacuations. With the arrival of the mid-20th century, different uses were addressed. A modernization of construction processes and the industry regulations were tracked. Information was gathered from professional organizations that began to demand a national coordination of prevention systems which led to the Regulation Project on fire prevention which will never be published. Throughout this stage, replete with voluntary and compulsory documents, both on the local and national level, the dimensional criteria to be used in the resolution of architectural elements open to use in evacuation were defined. This was a period that was filled with documentation, change, and subject to the criteria that the most advanced countries in the field established in this regard. The final two decades of the century, marked by political transition and several accidents with grave consequences, defined the regulation process that culminated with the building technical code known today. This was a period of learning and understanding in the chapter of safety, where the methods are varied. In this chapter, the ultimate goal is to insert a prescriptive-based standard into a performance-based code suitable for cultivated experience in analysis of the subject and the tendencies in countries dealing with this field.

Estudio de los parámetros necesarios para establecer las medidas de actuación por tipos de buques en situaciones de emergencia después de un accidente

La “Actuación en la Crisis”, objetivo principal de esta tesis, trata de establecer y concretar los procedimientos y apoyos desde tierra y a bordo de los buques, tanto técnicos como operacionales, a seguir por el Capitán y tripulación de un buque después de un accidente, en especial cuando el buque tiene un riesgo importante de hundimiento o necesidad de abandono. La aparición de este concepto es relativamente reciente, es decir desde el año 1995, después de los estudios y propuestas realizados, por el Panel de Expertos de IMO, como consecuencia del hundimiento del buque de pasaje y carga rodada, Estonia, en el que perdieron la vida más de 850 personas a finales de Septiembre de 1994. Entre las propuestas recomendadas y aceptadas por los gobiernos en la Conferencia Internacional SOLAS 1995, figuraba este concepto novedoso, que luego fue adoptado de una forma generalizada para todos los tipos de buques, que hasta entonces sólo disponían de documentos dispersos y a veces contradictorios para la actuación en estos momentos de peligro, que dio lugar a un profundo tratamiento de este problema, que iba a afectar a los buques, tanto en los conceptos y parámetros de proyecto, como a la propia operación del buque. La tesis desarrolla los fundamentos, estado del arte, implantación y consecuencias sobre la configuración y explotación del buque, que han dado lugar a una serie de documentos, que se han incluido en diversos Convenios Internacionales, Códigos y otros documentos de obligada aplicación en la industria naval generados en IMO (SOLAS, Retorno Seguro a Puerto, Plano y Libro de Control de Averías, ISM). La consecuencia más novedosa e interesante de este concepto ha sido la necesidad de disponer cada compañía explotadora del buque, de un servicio importante de “apoyo en la crisis”, que ha dado lugar a implantar un “servicio de emergencia especial”, disponible las 24 horas del día y 365 de año que ofrecen las Sociedades de Clasificación. El know-how de los accidentes que tratan estos servicios, hacen que se puedan establecer ciertas recomendaciones, que se centran, en que el buque tenga, por sus propios medios, una posibilidad de aumentar el KM después de una avería, la garantía de la resistencia estructural adecuada y el aumento del tiempo de hundimiento o el tiempo de mantenimiento a flote (otro tipo de averías vinculadas con la maquinaria, equipo o protección y lucha contra incendios, no son objeto de tesis). Las conclusiones obtenidas, son objeto de discusión especialmente en IACS e IMO, con el fin de establecer las aplicaciones pertinentes, que permitan dar al buque una mayor seguridad. Como objetivo principal de esta tesis es establecer estos puntos de mejora consecuencia de esta actuación en la crisis, con la aportación de varias soluciones que mejorarían los problemas mencionados para los tres tipos de buques que consideramos más importantes (pasaje, petroleros y bulkcarriers) La tesis recorre, desde el principio en 1995, la evolución de esta actuación en la crisis, hasta el momento actual., los puntos básicos que se establecen, que van muy de la mano de la llamada “cultura de seguridad”, objetivo nacido durante los años 90, con el fin de implantar una filosofía distinta para abordar el tratamiento de la seguridad del buque, a la que se venía aplicando hasta el momento, en donde se contemplaba tratar el tema de forma singular y específica para cada caso. La nueva filosofía, trataba de analizar el problema, desde un aspecto global y por tanto horizontal, realizando un estudio exhaustivo de las consecuencias que tendría la aplicación de una nueva medida correctora, en los restantes equipos y sistemas del buque., relativos al proyecto, configuración, operación y explotación del buque. Se describen de manera sucinta las profundas investigaciones a que dio lugar todo lo anterior, estando muchas de ellas, vinculadas a grandes proyectos europeos. La mayor parte de estos proyectos fueron subvencionados por la Comunidad Económica Europea durante la primera década del siglo actual. Dentro de estas investigaciones, donde hay que destacar la participación de todos los agentes del sector marítimo europeo, se hacen imprescindibles la utilización de dos herramientas novedosas para nuestro sector, como son el “Estudio de Riesgos” y la “Evaluación de la Seguridad”, más conocida técnicamente por su nombre ingles “Safety Assessment”, cuyos principios también son incluidos en la tesis. Además se especifican las bases sobre las que se establecen la estabilidad intacta y en averías, con nuevos conceptos, no tratados nunca hasta entonces, como la “altura crítica de agua en cubierta” para la cual el buque se hundiría sin remisión, “estado de la mar” en la que se puede encontrar el buque averiado, el cálculo del tiempo de hundimiento, u otros aspectos como el corrimiento de la carga, o bien el tratamiento de los problemas dinámicos en el nuevo “Código de Estabilidad Intacta”. Con respecto a la resistencia estructural, especialmente el estudio de la “resistencia estructural después de la avería”, que tiene en cuenta el estado de la mar en la que se encontraría el buque afectado. Se analizan los tipos de buques mencionados uno por uno y se sacan, como aportación fundamental de esta tesis, separadamente, las acciones y propuestas a aplicar a estos buques. En primer lugar, las relativas al proyecto y configuración del buque y en segundo lugar, las de operación, explotación y mantenimiento, con el fin de acometer, con garantías de éxito, la respuesta a la ayuda en emergencia y la solución a la difícil situación que pueden tener lugar en condiciones extremas. Para ver el efecto de algunas de las propuestas que se incluyen, se realizan y aplican concretamente, a un buque de pasaje de carga rodada, a un petrolero y a un bulkcarrier, para demostrar el mejor comportamiento de estos buques en situación de emergencia. Para ello se han elegido un buque ejemplo para cada tipo, efectuándose los cálculos de estabilidad y resistencia longitudinal y comparar la situación, en la que quedaría el buque averiado, antes y después de la avería. La tesis se completa con una estadística real de buques averiados de cada uno de estos tres tipos, distinguiendo el tipo de incidente y el número de los buques que lo han sufrido, considerándose como más importantes los incidentes relacionados con varadas, colisiones y fuego resumiéndose lo más relevante de esta aportación también importante de esta tesis. ABSTRACT The "Response in an emergency" is the main objective of this thesis, it seeks to establish and define procedures for technical and operational support onboard and shore, to be followed by the captain and crew on of a ship after an accident, especially when the ship has a significant risk of sinking or a need to abandon it. The emergence of this concept is relatively recent, in 1995, after studies and proposals made by the Panel of Experts IMO, following the sinking of the “Estonia” vessel, where more than 850 people died in late September 1994. In the International Convention SOLAS 1995, among the recommended proposals and accepted regulations, this new concept was included, which was later adopted for all types of ships which until then had only scattered some documents, sometimes including contradictory actions in emergency situations. This led to a profound treatment of this problem, which would affect the vessels in both the concepts and design parameters, as to the proper operation of the vessel. The thesis develops the foundations, state of the art, implementation and consequences on the design and operation of the vessel, this has led to a series of Circulars and Regulations included in several International Codes and Conventions issued by IMO which are required to be complied with (SOLAS Safe Return to Port, Damage Control Plan and Booklet, ISM). The most novel and interesting consequence of this concept has been the need for every company operating the ship to have a shore based support service in emergency situations which has led to implement special emergency services offered by Class Societies which are available 24 hours a day, 365 days per year. The know-how of these services dealing with all types of accidents can establish certain recommendations, which focus on the ship capability to increase the KM after damage. It can also be determined adequate structural strength and the increase of the capsizing time or time afloat (other types of damages associated with the machinery, equipment or firefighting, are not the subject of this thesis). The conclusions are discussed especially in IACS and IMO, in order to establish appropriate applications to improve the security of the vessels. The main objective of this thesis is to establish actions to improve emergency actions, resulting from different responses in the crisis, with the contribution of several solutions that improve the problems mentioned for three types of ships that we consider most important (passenger vessels, tankers and bulk carriers) The thesis runs from the beginning in 1995 to date, the evolution of the response on the crisis. The basics established during the 90s with the "safety culture" in order to implement a different philosophy to address the treatment of the safety of the ship, which was being previously implemented, as something singular and specific to each case. The new philosophy tried to analyse the problem from a global perspective, doing an exhaustive study of the consequences of the implementation of the new regulation in the ship systems and equipment related to the design, configuration and operation of the vessel. Extensive investigations which led to the above are described, many of them being linked to major European projects. Most of these projects were funded by the European Union during the first decade of this century. Within these investigations, which it must be highlighted the participation of all players in the European maritime sector, a necessity to use two new tools for our industry, such as the "Risk Assessment" and "Safety Assessment" whose principles are also included in the thesis. The intact and damage stability principles are established including new concepts, never treated before, as the "critical height of water on deck" for which the ship would sink without remission, "sea state" where the damaged vessel can be found, calculation of capsizing time, or other aspects such cargo shifting or treatment of dynamic problems in the new Intact Stability Code in development. Regarding the structural strength, it has to be especially considered the study of the "residual strength after damage", which takes into account the state of the sea where the vessel damaged can be found. Ship types mentioned are analysed one by one, as a fundamental contribution of this thesis, different actions and proposals are established to apply to these types of vessels. First, those ones relating to the design and configuration of the vessel and also the ones related to the operation and maintenance in order to support successfully responses to emergency situations which may occur in extreme situations. Some of the proposals are applied specifically to a RoRo passenger ship, an oil tanker and a bulkcarrier, to demonstrate the improved performance of these vessels damaged. An example for each type vessel has been chosen, carrying out stability and longitudinal strength calculations comparing the situation of the ship before and after damage. The thesis is completed with incidents statics for each of these three types, distinguishing the type of incident and the number of ships having it. The most important incidents considered are the ones related to groundings, collisions and fire being this other relevant contribution of this thesis.