Towards a dynamic model for the Urban Heat Island of Madrid

Present research is framed within the project MODIFICA (MODelo predictivo - edIFIcios - Isla de Calor urbanA) aimed at developing a predictive model for dwelling energy performance under the urban heat island effect in order to implement it in the evaluation of real energy demand and consumption of dwellings as well as in the selection of energy retrofitting strategies. It is funded by Programa de I+D+i orientada a los retos de la sociedad 'Retos Investigación' 2013. Despite great advances on building energy performance have been achieved during the last years, available climate data is derived from weather stations placed in the outskirts of the city. Hence, urban heat island effect is not considered in energy simulations, which implies an important lack of accuracy. Since 1980's several international studies have been conducted on the urban heat island (UHI) phenomena, which modifies the atmospheric conditions of the urban centres due to urban agglomeration [1][2][3][4]. In the particular case of Madrid, multiple maps haven been generated using different methodologies during the last two decades [5][6][7]. These maps allow us to study the UHI phenomena from a wide perspective, offering however an static representation of it. Consequently a dynamic model for Madrid UHI is proposed, in order to evaluate it in a continuous way, and to be able to integrate it in building energy simulations.

Desarrollo de un Procedimiento Basado en Algoritmos de Optimización para el Dimensionado de Absorbedores Puntuales Aplicados a la Conversión de Energía Undimotriz

La energía transportada por el oleaje a través de los océanos (energía undimotriz) se enmarca dentro de las denominadas energías oceánicas. Su aprovechamiento para generar energía eléctrica (o ser aprovechada de alguna otra forma) es una idea reflejada ya hace más de dos siglos en una patente (1799). Desde entonces, y con especial intensidad desde los años 70, ha venido despertando el interés de instituciones ligadas al I+D+i y empresas del sector energético y tecnológico, debido principalmente a la magnitud del recurso disponible. Actualmente se puede considerar al sector en un estado precomercial, con un amplio rango de dispositivos y tecnologías en diferente grado de desarrollo en los que ninguno destaca sobre los otros (ni ha demostrado su viabilidad económica), y sin que se aprecie una tendencia a converger un único dispositivo (o un número reducido de ellos). El recurso energético que se está tratando de aprovechar, pese a compartir la característica de no-controlabilidad con otras fuentes de energía renovable como la eólica o la solar, presenta una variabilidad adicional. De esta manera, diferentes localizaciones, pese a poder presentar recursos de contenido energético similar, presentan oleajes de características muy diferentes en términos de alturas y periodos de oleaje, y en la dispersión estadística de estos valores. Esta variabilidad en el oleaje hace que cobre especial relevancia la adecuación de los dispositivos de aprovechamiento de energía undimotriz (WEC: Wave Energy Converter) a su localización, de cara a mejorar su viabilidad económica. Parece razonable suponer que, en un futuro, el proceso de diseño de un parque de generación undimotriz implique un rediseño (en base a una tecnología conocida) para cada proyecto de implantación en una nueva localización. El objetivo de esta tesis es plantear un procedimiento de dimensionado de una tecnología de aprovechamiento de la energía undimotriz concreta: los absorbedores puntuales. Dicha metodología de diseño se plantea como un problema de optimización matemático, el cual se resuelve utilizando un algoritmo de optimización bioinspirado: evolución diferencial. Este planteamiento permite automatizar la fase previa de dimensionado implementando la metodología en un código de programación. El proceso de diseño de un WEC es un problema de ingería complejo, por lo que no considera factible el planteamiento de un diseño completo mediante un único procedimiento de optimización matemático. En vez de eso, se platea el proceso de diseño en diferentes etapas, de manera que la metodología desarrollada en esta tesis se utilice para obtener las dimensiones básicas de una solución de referencia de WEC, la cual será utilizada como punto de partida para continuar con las etapas posteriores del proceso de diseño. La metodología de dimensionado previo presentada en esta tesis parte de unas condiciones de contorno de diseño definidas previamente, tales como: localización, características del sistema de generación de energía eléctrica (PTO: Power Take-Off), estrategia de extracción de energía eléctrica y concepto concreto de WEC). Utilizando un algoritmo de evolución diferencial multi-objetivo se obtiene un conjunto de soluciones factibles (de acuerdo con una ciertas restricciones técnicas y dimensionales) y óptimas (de acuerdo con una serie de funciones objetivo de pseudo-coste y pseudo-beneficio). Dicho conjunto de soluciones o dimensiones de WEC es utilizado como caso de referencia en las posteriores etapas de diseño. En el documento de la tesis se presentan dos versiones de dicha metodología con dos modelos diferentes de evaluación de las soluciones candidatas. Por un lado, se presenta un modelo en el dominio de la frecuencia que presenta importantes simplificaciones en cuanto al tratamiento del recurso del oleaje. Este procedimiento presenta una menor carga computacional pero una mayor incertidumbre en los resultados, la cual puede traducirse en trabajo adicional en las etapas posteriores del proceso de diseño. Sin embargo, el uso de esta metodología resulta conveniente para realizar análisis paramétricos previos de las condiciones de contorno, tales como la localización seleccionada. Por otro lado, la segunda metodología propuesta utiliza modelos en el domino estocástico, lo que aumenta la carga computacional, pero permite obtener resultados con menos incertidumbre e información estadística muy útil para el proceso de diseño. Por este motivo, esta metodología es más adecuada para su uso en un proceso de dimensionado completo de un WEC. La metodología desarrollada durante la tesis ha sido utilizada en un proyecto industrial de evaluación energética preliminar de una planta de energía undimotriz. En dicho proceso de evaluación, el método de dimensionado previo fue utilizado en una primera etapa, de cara a obtener un conjunto de soluciones factibles de acuerdo con una serie de restricciones técnicas básicas. La selección y refinamiento de la geometría de la solución geométrica de WEC propuesta fue realizada a posteriori (por otros participantes del proyecto) utilizando un modelo detallado en el dominio del tiempo y un modelo de evaluación económica del dispositivo. El uso de esta metodología puede ayudar a reducir las iteraciones manuales y a mejorar los resultados obtenidos en estas últimas etapas del proyecto. ABSTRACT The energy transported by ocean waves (wave energy) is framed within the so-called oceanic energies. Its use to generate electric energy (or desalinate ocean water, etc.) is an idea expressed first time in a patent two centuries ago (1799). Ever since, but specially since the 1970’s, this energy has become interesting for R&D institutions and companies related with the technological and energetic sectors mainly because of the magnitude of available energy. Nowadays the development of this technology can be considered to be in a pre-commercial stage, with a wide range of devices and technologies developed to different degrees but with none standing out nor economically viable. Nor do these technologies seem ready to converge to a single device (or a reduce number of devices). The energy resource to be exploited shares its non-controllability with other renewable energy sources such as wind and solar. However, wave energy presents an additional short-term variability due to its oscillatory nature. Thus, different locations may show waves with similar energy content but different characteristics such as wave height or wave period. This variability in ocean waves makes it very important that the devices for harnessing wave energy (WEC: Wave Energy Converter) fit closely to the characteristics of their location in order to improve their economic viability. It seems reasonable to assume that, in the future, the process of designing a wave power plant will involve a re-design (based on a well-known technology) for each implementation project in any new location. The objective of this PhD thesis is to propose a dimensioning method for a specific wave-energy-harnessing technology: point absorbers. This design methodology is presented as a mathematical optimization problem solved by using an optimization bio-inspired algorithm: differential evolution. This approach allows automating the preliminary dimensioning stage by implementing the methodology in programmed code. The design process of a WEC is a complex engineering problem, so the complete design is not feasible using a single mathematical optimization procedure. Instead, the design process is proposed in different stages, so the methodology developed in this thesis is used for the basic dimensions of a reference solution of the WEC, which would be used as a starting point for the later stages of the design process. The preliminary dimensioning methodology presented in this thesis starts from some previously defined boundary conditions such as: location, power take-off (PTO) characteristic, strategy of energy extraction and specific WEC technology. Using a differential multi-objective evolutionary algorithm produces a set of feasible solutions (according to certain technical and dimensional constraints) and optimal solutions (according to a set of pseudo-cost and pseudo-benefit objective functions). This set of solutions or WEC dimensions are used as a reference case in subsequent stages of design. In the document of this thesis, two versions of this methodology with two different models of evaluation of candidate solutions are presented. On the one hand, a model in the frequency domain that has significant simplifications in the treatment of the wave resource is presented. This method implies a lower computational load but increased uncertainty in the results, which may lead to additional work in the later stages of the design process. However, use of this methodology is useful in order to perform previous parametric analysis of boundary conditions such as the selected location. On the other hand, the second method uses stochastic models, increasing the computational load, but providing results with smaller uncertainty and very useful statistical information for the design process. Therefore, this method is more suitable to be used in a detail design process for full dimensioning of the WEC. The methodology developed throughout the thesis has been used in an industrial project for preliminary energetic assessment of a wave energy power plant. In this assessment process, the method of previous dimensioning was used in the first stage, in order to obtain a set of feasible solutions according to a set of basic technical constraints. The geometry of the WEC was refined and selected subsequently (by other project participants) using a detailed model in the time domain and a model of economic evaluation of the device. Using this methodology can help to reduce the number of design iterations and to improve the results obtained in the last stages of the project.

Hacia un modelo dinámico para la isla de calor urbana de Madrid = Towards a Dynamic Model for the Urban Heat Island of Madrid

Esta investigación se enmarca dentro del proyecto MODIFICA (modelo predictivo - Edificios - Isla de Calor Urbano), financiado por el Programa de I + D + i Orientada a los Retos de la sociedad 'Retos Investigación' de 2013. Está dirigido a desarrollar un modelo predictivo de eficiencia energética para viviendas, bajo el efecto de isla de calor urbano (AUS) con el fin de ponerla en práctica en la evaluación de la demanda de energía real y el consumo en las viviendas. A pesar de los grandes avances que se han logrado durante los últimos años en el rendimiento energético de edificios, los archivos de tiempo utilizados en la construcción de simulaciones de energía se derivan generalmente de estaciones meteorológicas situadas en las afueras de la ciudad. Por lo tanto, el efecto de la Isla de Calor Urbano (ICU) no se considera en estos cálculos, lo que implica una importante falta de precisión. Centrado en explorar cómo incluir los fenómenos ICU, el presente trabajo recopila y analiza la dinámica por hora de la temperatura en diferentes lugares dentro de la ciudad de Madrid. Abstract This research is framed within the project MODIFICA (Predictive model - Buildings - Urban Heat Island), funded by Programa de I+D+i orientada a los retos de la sociedad 'Retos Investigación' 2013. It is aimed at developing a predictive model for dwelling energy performance under the Urban Heat Island (UHI) effect in order to implement it in the evaluation of real energy demand and consumption in dwellings. Despite great advances on building energy performance have been achieved during the last years, weather files used in building energy simulations are usually derived from weather stations placed in the outskirts of the city. Hence, Urban Heat Island (UHI) effect is not considered in this calculations, which implies an important lack of accuracy. Focused on exploring how to include the UHI phenomena, the present paper compiles and analyses the hourly dynamics of temperature in different locations within the city of Madrid.

Generalized optoelectronic model of series-connected multijunction solar cells

The emission of light from each junction in a series-connected multijunction solar cell both complicates and elucidates the understanding of its performance under arbitrary conditions. Bringing together many recent advances in this understanding, we present a general 1-D model to describe luminescent coupling that arises from both voltage-driven electroluminescence and voltage-independent photoluminescence in nonideal junctions that include effects such as Sah-Noyce-Shockley (SNS) recombination with n ≠ 2, Auger recombination, shunt resistance, reverse-bias breakdown, series resistance, and significant dark area losses. The individual junction voltages and currents are experimentally determined from measured optical and electrical inputs and outputs of the device within the context of the model to fit parameters that describe the devices performance under arbitrary input conditions. Techniques to experimentally fit the model are demonstrated for a four-junction inverted metamorphic solar cell, and the predictions of the model are compared with concentrator flash measurements.