Estrategias de desarrollo sostenible de la arquitectura del oasis de M’hamid, desierto del Sahara

Esta investigación se plantea con la hipótesis radical de cómo habitar el desierto de forma sostenible, desde una actitud pragmática y experimental basada en el progreso. La justificación se basa en primer lugar en los 2.000 millones de personas en el mundo que viven en entornos desérticos, el 80% de ellas, en países en desarrollo, porque el 40% de la superficie terrestre está bajo amenaza de desertificación afectando al 37% de la población mundial, con 12 millones de hectáreas al año perdidas por esa causa, y por último, porque se considera el desierto como un entorno de gran atractivo y potencial. El contenido de la investigación se estructura en tres movimientos: posicionamiento, mirada y acción: Desde el posicionamiento se define en primer lugar la sostenibilidad, aportando un nuevo diagrama donde se incorpora el ámbito arquitectónico como uno de los pilares principales, y, posteriormente, se establecen los criterios de evaluación de la sostenibilidad, aportando un sistema de indicadores donde se incorporan parámetros adecuados a las circunstancias del oasis. Del mismo modo, se estudian y analizan metodologías de actuación y proyectos de desarrollo sostenible existentes que enmarcan el estado del arte, constatando la dificultad de adaptación de los mismos a las condiciones de los oasis, por lo que se elabora una metodología propia donde se modifica la dinámica estratégica, de forma que el impulso se plantea desde la acción social, a través de hipótesis de estrategias basadas en sistemas low-cost, autoconstruidas, asumibles económicamente y de implantación factible. El caso de estudio específico radica en la situación extrema de las condiciones en el oasis de M’hamid, donde se evidencia un proceso de desintegración y abandono. Esto es debido a una acumulación de circunstancias externas e internas, de múltiples factores: naturales y antrópicos que afectan al oasis, llevando al extremo las condiciones climáticas y la escasez de recursos, naturales y artificiales. Factores como el cambio climático, la sequía, los cambios en las políticas del agua, la amenaza de desertificación, los conflictos sociales, el desequilibrio ecológico, la escasez económica, la crisis energética, la obsolescencia arquitectónica, el patrimonio construido prácticamente destruido, y la malentendida nueva arquitectura. Es importante constatar la escasa documentación gráfica existente sobre la zona de actuación lo que ha conllevado un amplio trabajo de documentación, tanto cartográfica como de observación directa, aportada a la tesis como investigación de elaboración propia. La mirada analítica al caso de estudio permite conocer los recursos disponibles y las potencialidades latentes del oasis de M’hamid, que permitirán actuar para subvertir la dinámica involutiva imperante, de forma que los dibujos iniciales de apropiación contextual y análisis críticos derivan en mapas de acción diagramados conformados por un sistema de objetos y la definición de estrategias transversales, deconstruyendo el pasado y reconstruyendo el futuro, incorporando sistemas alternativos que se definen en 7 líneas estratégicas de acción formuladas desde los 3 ámbitos relacionados con el ecosistema: ecológico, socio- económico y arquitectónico. Así, la tesis defiende la acción arquitectónica como impulsora del desarrollo sostenible, apoyada en 3 elementos: - la creación de objetos “tecnoartesanos”, para el aprovechamiento de los recursos energéticos - las transformaciones arquitectónicas, para reformular el hábitat desde la eficiencia energética y el progreso - y el impulso de acciones cotidianas, que redefinan las relaciones sociales, creando entornos cooperativos y colaborativos. En el ámbito ecológico se proponen actuaciones anti desertificación mediante incubadoras de árboles; sistemas alternativos de gestión del agua, como la lluvia sólida; estrategias de potenciación de la producción agrícola; la construcción de mecanismos de obtención de energía a partir de residuos, como los paneles solares con botellas PET. En el ámbito socioeconómico se plantean nuevas formas de acción social y de reactivación económica. Por último, en el ámbito urbano-arquitectónico, se incorporan modificaciones morfológicas a la arquitectura existente y una relectura contemporánea de la tierra, como material que permite nuevas geometrías, obteniendo arena petrificada por procesos microbiológicos, y potenciando la tierra como recurso artístico. Esta tesis es un punto de partida, recoge sistemas, estrategias y experiencias, para funcionar como un estímulo o impulso dinamizador del futuro desarrollo sostenible del oasis, abriendo vías de investigación y experimentación. ABSTRACT This research puts forth the radical hypothesis of how to inhabit the desert in a sustainable way, using a pragmatic and experimental approach based on progress. The justification for this resides in the fact that there are 2,000 million people in the world living in desert environments, 80% of them in developing countries. Forty percent of the earth’s surface is under threat of desertification, affecting 37% of the world population and with 12 million hectares being lost each year. And finally, the desert is considered as an attractive environment and therefore, with great potential. The content of the research is structured in three main sections: positioning, observation and action: As a point of departure, sustainability is defined, proposing a new framework where architecture is incorporated as one of the main pillars. Then, the criteria for evaluating sustainability are established. These provide a system of indicators, which incorporate parameters based on the specific circumstances of the oasis. Methodologies and existing sustainable development projects that represent the state-of-the-art are analyzed, discussing the difficulty of adapting them to conditions of oases. A methodology that modifies strategic concepts is developed, whereby the catalyst is social action, and strategies are developed based on low-cost, self-built, and feasible implementation systems. The specific case study lies in the extreme conditions in the oasis of M'hamid, where a process of decay and neglect is evident. This deterioration is due to an accumulation of external and internal circumstances, and of natural and anthropogenic factors that affect the oasis, leading to extreme weather conditions and a shortage of both natural and artificial resources. Factors include; climate change, drought, changes in water policies, the threat of desertification, social conflicts, ecological imbalance, economic shortage, the energy crisis, architectural obsolescence, destruction of built heritage, and misunderstood new architecture. It is important to note the extremely limited graphic information about the area has led me to produce an extensive archive of maps and drawings, many developed by direct observation, that contribute to the research. The case study analysis of the oasis of M'hamid examines the resources available and the latent potential to slow the prevailing trend towards deterioration. The initial drawings of contextual appropriation and critical analysis result in maps and diagrams of action, which are formed by a system of objects and the definition of strategies. These can be thought of as understanding or “deconstructing” the past to reconstruct the future. Alternative approaches defined in seven strategies for action are based on three fields related to the ecosystem: ecological, socioeconomic and architectural. Thus, the thesis defends architectural action to promote sustainable development, based on three elements: - The creation of "techno-artisans", to make use of energy resources - Architectural changes, to reformulate habitat in terms of energy efficiency and progress - And the promotion of everyday actions, to redefine social relations, creating cooperative and collaborative environments. In the ecological field, I propose anti-desertification actions such as; tree incubators, alternative water management systems(such as solid rain),; strategies to empower the agricultural production, energy from low-cost systems made out from recycled materials(such as solar panels from PET bottles or wind turbine from bicycle wheels). In the socioeconomic sphere, I propose to implement new forms of social action and economic regeneration. Finally, within the urban and architectural field, I propose morphological changes to the existing architecture and a contemporary reinterpretation of the earth as a material that allows new geometries, creating petrified sand by microbiological processes or enhancing nature as an artistic and energy resource. This thesis is a starting point. It collects systems, strategies and experiences to serve as a stimulus or dynamic momentum for future sustainable development of the oasis, opening new avenues of research and experimentation. RÉSUMÉ Cette recherche part d'une hypothèse radicale : comment habiter le désert de façon durable, et ce à partir d'une approche pragmatique et expérimentale basée sur le progrès. Cette hypothèse se justifie en raison des 2 milliards de personnes qui dans le monde habitent des environnements désertiques, 80% d'entre eux dans des pays en voie de développement, mais aussi parce que 40% de la surface de la planète est sous menace de désertification, un phénomène affectant 37% de la population mondiale et qui cause la perte de 12 millions d'hectares par an; et enfin parce que le désert est considéré comme un environnement très attrayant et fort d’un grand potentiel. Le contenu de la recherche se divise en trois mouvements: le positionnement, le regard et l'action : Du point de vue du positionnement on définit tout d'abord la durabilité, présentant un nouveau schéma où le domaine de l'architecture devient un des principaux piliers, et, par la suite, des critères d'évaluation de la durabilité sont établis, en fournissant un système d’indicateurs qui intègre les paramètres appropriés aux circonstances de l'oasis. De même, des méthodologies et des projets de développement durable existants sont étudiés et analysés, ce qui encadre l'état de l'art, remarquant la difficulté de les adapter aux conditions des oasis. De cette difficulté découle l'élaboration d'une méthodologie qui modifie la dynamique stratégique, de sorte que l'impulsion provient de l'action sociale, à travers des hypothèses de stratégie basées sur des systèmes low-cost, auto-construits, et de mise en oeuvre économiquement viable. Le cas d'étude spécifique réside en la situation extrême des conditions de l'oasis de M’hamid, où un processus de décadence et de négligence est évident. Cela est dû à une accumulation de circonstances externes et internes, de multiples facteurs: les facteurs naturels et anthropiques qui affectent l'oasis, menant à l'extrême les conditions météorologiques et la pénurie de ressources, autant naturelles qu'artificielles. Des facteurs tels que le changement climatique, la sécheresse, les changements dans les politiques de l'eau, la menace de la désertification, les conflits sociaux, le déséquilibre écologique, la pénurie économique, la crise de l'énergie, l'obsolescence architecturale, le patrimoine bâti pratiquement détruit et une mauvais compréhensif de la nouvelle architecture. Il est important de de faire remarquer le peu d'informations graphiques du domaine d'action, ce qui a conduit à un vaste travail de documentation, autant cartographique que relative à l'observation directe. Cette documentation s'ajoute à la thèse en tant que recherche propre. Le regard analytique sur le cas d'étude permet de connaître les ressources disponibles et le potentiel latent de l'oasis de M’hamid, qui agiront pour renverser la dynamique d'involution en vigueur. Ainsi, les premiers dessins d'appropriation contextuelle et analyse critique deviennent des cartes d'action schématisées formées par un système d'objets et la définition de stratégies transversales, qui déconstruisent le passé et reconstruisent l'avenir, en incorporant des systèmes alternatifs qui se définissent sur 7 lignes stratégiques d'action formulées à partir des 3 domaines en relation avec l’écosystème: l’écologique, le socio-économique et l'architectural. Ainsi, la thèse défend l'action architecturale en tant que promotrice du développement durable, et ce basé sur 3 éléments: - la création d'objets "technoartisans" pour l'exploitation des ressources énergétiques - les modifications architecturales, pour reformuler l'habitat du point de vue de l'efficacité énergétique et le progrès - et la promotion des actions quotidiennes, pour redéfinir les relations sociales, et la création d'environnements de coopération et collaboration. Dans le domaine de l'écologie des actions de lutte contre la désertification sont proposées à travers des pépinières d'arbres, des systèmes alternatifs de gestion de l'eau comme par exemple la pluie solide, des stratégies de mise en valeur de la production agricole, la construction de mécanismes de production d'énergie à partir de résidus, tels que les panneaux solaires ou les bouteilles en PET. Dans le domaine socio-économique, l'on propose de nouvelles formes d'action sociale et de reprise économique. Enfin, dans le domaine de l'urbain et de l'architectural, on incorpore des changements morphologiques à l'architecture existante et une relecture contemporaine de la terre, comme matériau qui permet de nouvelles géométries, en obtenant du sable pétrifié par des procédés microbiologiques et en mettant en valeur la terre comme une ressource artistique. Cette thèse n'est qu'un point de départ. Elle recueille des systèmes, des stratégies et des expériences pour servir de stimulus ou d'impulsion dynamisatrice du futur développement durable de l'oasis, en ouvrant des voies de recherche et d'expérimentation.

A panel method free-wake code for aeroelastic rotor predictions

A panel method free-wake model to analyse the rotor flapping is presented. The aerodynamic model consists of a panel method, which takes into account the three-dimensional rotor geometry, and a free-wake model, to determine the wake shape. The main features of the model are the wake division into a near-wake sheet and a far wake represented by a single tip vortex, and the modification of the panel method formulation to take into account this particular wake description. The blades are considered rigid with a flap degree of freedom. The problem solution is approached using a relaxation method, which enforces periodic boundary conditions. Finally, several code validations against helicopter and wind turbine experimental data are performed, showing good agreement

The extended Betz–Lanchester limit

A proposal for an extended formulation of the power coefficient of a wind turbine is presented. This new formulation is a generalization of the Betz–Lanchester expression for the power coefficient as function of the axial deceleration of the wind speed provoked by the wind turbine in operation. The extended power coefficient takes into account the benefits of the power produced and the cost associated to the production of this energy. By the simple model proposed is evidenced that the purely energetic optimum operation condition giving rise to the Betz–Lanchester limit (maximum energy produced) does not coincide with the global optimum operational condition (maximum benefit generated) if cost of energy and degradation of the wind turbine during operation is considered. The new extended power coefficient is a general parameter useful to define global optimum operation conditions for wind turbines, considering not only the energy production but also the maintenance cost and the economic cost associated to the life reduction of the machine.

Power-frequency control of hydropower plants with long penstocks in isolated systems with wind generation

In this paper the power-frequency control of hydropower plants with long penstocks is addressed. In such configuration the effects of pressure waves cannot be neglected and therefore commonly used criteria for adjustment of PID governors would not be appropriate. A second-order Π model of the turbine-penstock based on a lumped parameter approach is considered. A correction factor is introduced in order to approximate the model frequency response to the continuous case in the frequency interval of interest. Using this model, several criteria are analysed for adjusting the PI governor of a hydropower plant operating in an isolated system. Practical criteria for adjusting the PI governor are given. The results are applied to a real case of a small island where the objective is to achieve a generation 100% renewable (wind and hydro). Frequency control is supposed to be provided exclusively by the hydropower plant. It is verified that the usual criterion for tuning the PI controller of isolated hydro plants gives poor results. However, with the new proposed adjustment, the time response is considerably improved

Selected topics in the Hydrodynamics of floating offshore wind turbines: heave damping and second order surge motions

La Energía eléctrica producida mediante tecnología eólica flotante es uno de los recursos más prometedores para reducir la dependencia de energía proveniente de combustibles fósiles. Esta tecnología es de especial interés en países como España, donde la plataforma continental es estrecha y existen pocas áreas para el desarrollo de estructuras fijas. Entre los diferentes conceptos flotantes, esta tesis se ha ocupado de la tipología semisumergible. Estas plataformas pueden experimentar movimientos resonantes en largada y arfada. En largada, dado que el periodo de resonancia es largo estos puede ser inducidos por efectos de segundo orden de deriva lenta que pueden tener una influencia muy significativa en las cargas en los fondeos. En arfada las fuerzas de primer orden pueden inducir grandes movimientos y por tanto la correcta determinación del amortiguamiento es esencial para la analizar la operatividad de la plataforma. Esta tesis ha investigado estos dos efectos, para ello se ha usado como caso base el diseño de una plataforma desarrollada en el proyecto Europeo Hiprwind. La plataforma se compone de 3 columnas cilíndricas unidas mediante montantes estructurales horizontales y diagonales, Los cilindros proporcionan flotabilidad y momentos adrizante. A la base de cada columna se le ha añadido un gran “Heave Plate” o placa de cierre. El diseño es similar a otros diseños previos (Windfloat). Se ha fabricado un modelo a escala de una de las columnas para el estudio detallado del amortiguamiento mediante oscilaciones forzadas. Las dimensiones del modelo (1m diámetro en la placa de cierre) lo hacen, de los conocidos por el candidato, el mayor para el que se han publicado datos. El diseño del cilindro se ha realizado de tal manera que permite la fijación de placas de cierre planas o con refuerzo, ambos modelos se han fabricado y analizado. El modelo con refuerzos es una reproducción exacta del diseño a escala real incluyendo detalles distintivos del mismo, siendo el más importante la placa vertical perimetral. Los ensayos de oscilaciones forzadas se han realizado para un rango de frecuencias, tanto para el disco plano como el reforzado. Se han medido las fuerzas durante los ensayos y se han calculado los coeficientes de amortiguamiento y de masa añadida. Estos coeficientes son necesarios para el cálculo del fondeo mediante simulaciones en el dominio del tiempo. Los coeficientes calculados se han comparado con la literatura existente, con cálculos potenciales y por ultimo con cálculos CFD. Para disponer de información relevante para el diseño estructural de la plataforma se han medido y analizado experimentalmente las presiones en la parte superior e inferior de cada placa de cierre. Para la correcta estimación numérica de las fuerzas de deriva lenta en la plataforma se ha realizado una campaña experimental que incluye ensayos con modelo cautivo de la plataforma completa en olas bicromaticas. Pese a que estos experimentos no reproducen un escenario de oleaje realista, los mismos permiten una verificación del modelo numérico mediante la comparación de fuerzas medidas en el modelo físico y el numérico. Como resultados de esta tesis podemos enumerar las siguientes conclusiones. 1. El amortiguamiento y la masa añadida muestran una pequeña dependencia con la frecuencia pero una gran dependencia con la amplitud del movimiento. siendo coherente con investigaciones existentes. 2. Las medidas con la placa de cierre reforzada con cierre vertical en el borde, muestra un amortiguamiento significativamente menor comparada con la placa plana. Esto implica que para ensayos de canal es necesario incluir estos detalles en el modelo. 3. La masa añadida no muestra grandes variaciones comparando placa plana y placa con refuerzos. 4. Un coeficiente de amortiguamiento del 6% del crítico se puede considerar conservador para el cálculo en el dominio de la frecuencia. Este amortiguamiento es equivalente a un coeficiente de “drag” de 4 en elementos de Morison cuadráticos en las placas de cierre usadas en simulaciones en el dominio del tiempo. 5. Se han encontrado discrepancias en algunos valores de masa añadida y amortiguamiento de la placa plana al comparar con datos publicados. Se han propuesto algunas explicaciones basadas en las diferencias en la relación de espesores, en la distancia a la superficie libre y también relacionadas con efectos de escala. 6. La presión en la placa con refuerzos son similares a las de la placa plana, excepto en la zona del borde donde la placa con refuerzo vertical induce una gran diferencias de presiones entre la cara superior e inferior. 7. La máxima diferencia de presión escala coherentemente con la fuerza equivalente a la aceleración de la masa añadida distribuida sobre la placa. 8. Las masas añadidas calculadas con el código potencial (WADAM) no son suficientemente precisas, Este software no contempla el modelado de placas de pequeño espesor con dipolos, la poca precisión de los resultados aumenta la importancia de este tipo de elementos al realizar simulaciones con códigos potenciales para este tipo de plataformas que incluyen elementos de poco espesor. 9. Respecto al código CFD (Ansys CFX) la precisión de los cálculos es razonable para la placa plana, esta precisión disminuye para la placa con refuerzo vertical en el borde, como era de esperar dado la mayor complejidad del flujo. 10. Respecto al segundo orden, los resultados, en general, muestran que, aunque la tendencia en las fuerzas de segundo orden se captura bien con los códigos numéricos, se observan algunas reducciones en comparación con los datos experimentales. Las diferencias entre simulaciones y datos experimentales son mayores al usar la aproximación de Newman, que usa únicamente resultados de primer orden para el cálculo de las fuerzas de deriva media. 11. Es importante remarcar que las tendencias observadas en los resultados con modelo fijo cambiarn cuando el modelo este libre, el impacto que los errores en las estimaciones de fuerzas segundo orden tienen en el sistema de fondeo dependen de las condiciones ambientales que imponen las cargas ultimas en dichas líneas. En cualquier caso los resultados que se han obtenido en esta investigación confirman que es necesaria y deseable una detallada investigación de los métodos usados en la estimación de las fuerzas no lineales en las turbinas flotantes para que pueda servir de guía en futuros diseños de estos sistemas. Finalmente, el candidato espera que esta investigación pueda beneficiar a la industria eólica offshore en mejorar el diseño hidrodinámico del concepto semisumergible. ABSTRACT Electrical power obtained from floating offshore wind turbines is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. The concept is the most competitive in countries, such as Spain, where the continental shelf is narrow and does not provide space for fixed structures. Among the different floating structures concepts, this thesis has dealt with the semisubmersible one. Platforms of this kind may experience resonant motions both in surge and heave directions. In surge, since the platform natural period is long, such resonance can be excited with second order slow drift forces and may have substantial influence on mooring loads. In heave, first order forces can induce significant motion, whose damping is a crucial factor for the platform downtime. These two topics have been investigated in this thesis. To this aim, a design developed during HiPRWind EU project, has been selected as reference case study. The platform is composed of three cylindrical legs, linked together by a set of structural braces. The cylinders provide buoyancy and restoring forces and moments. Large circular heave plates have been attached to their bases. The design is similar to other documented in literature (e.g. Windfloat), which implies outcomes could have a general value. A large scale model of one of the legs has been built in order to study heave damping through forced oscillations. The final dimensions of the specimen (one meter diameter discs) make it, to the candidate’s knowledge, the largest for which data has been published. The model design allows for the fitting of either a plain solid heave plate or a flapped reinforced one; both have been built. The latter is a model scale reproduction of the prototype heave plate and includes some distinctive features, the most important being the inclusion of a vertical flap on its perimeter. The forced oscillation tests have been conducted for a range of frequencies and amplitudes, with both the solid plain model and the vertical flap one. Forces have been measured, from which added mass and damping coefficients have been obtained. These are necessary to accurately compute time-domain simulations of mooring design. The coefficients have been compared with literature, and potential flow and CFD predictions. In order to provide information for the structural design of the platform, pressure measurements on the top and bottom side of the heave discs have been recorded and pressure differences analyzed. In addition, in order to conduct a detailed investigation on the numerical estimations of the slow-drift forces of the HiPRWind platform, an experimental campaign involving captive (fixed) model tests of a model of the whole platform in bichromatic waves has been carried out. Although not reproducing the more realistic scenario, these tests allowed a preliminary verification of the numerical model based directly on the forces measured on the structure. The following outcomes can be enumerated: 1. Damping and added mass coefficients show, on one hand, a small dependence with frequency and, on the other hand, a large dependence with the motion amplitude, which is coherent with previously published research. 2. Measurements with the prototype plate, equipped with the vertical flap, show that damping drops significantly when comparing this to the plain one. This implies that, for tank tests of the whole floater and turbine, the prototype plate, equipped with the flap, should be incorporated to the model. 3. Added mass values do not suffer large alterations when comparing the plain plate and the one equipped with a vertical flap. 4. A conservative damping coefficient equal to 6% of the critical damping can be considered adequate for the prototype heave plate for frequency domain analysis. A corresponding drag coefficient equal to 4.0 can be used in time domain simulations to define Morison elements. 5. When comparing to published data, some discrepancies in added mass and damping coefficients for the solid plain plate have been found. Explanations have been suggested, focusing mainly on differences in thickness ratio and distance to the free surface, and eventual scale effects. 6. Pressures on the plate equipped with the vertical flap are similar in magnitude to those of the plain plate, even though substantial differences are present close to the edge, where the flap induces a larger pressure difference in the reinforced case. 7. The maximum pressure difference scales coherently with the force equivalent to the acceleration of the added mass, distributed over the disc surface. 8. Added mass coefficient values predicted with the potential solver (WADAM) are not accurate enough. The used solver does not contemplate modeling thin plates with doublets. The relatively low accuracy of the results highlights the importance of these elements when performing potential flow simulations of offshore platforms which include thin plates. 9. For the full CFD solver (Ansys CFX), the accuracy of the computations is found reasonable for the plain plate. Such accuracy diminishes for the disc equipped with a vertical flap, an expected result considering the greater complexity of the flow. 10. In regards to second order effects, in general, the results showed that, although the main trend in the behavior of the second-order forces is well captured by the numerical predictions, some under prediction of the experimental values is visible. The gap between experimental and numerical results is more pronounced when Newman’s approximation is considered, making use exclusively of the mean drift forces calculated in the first-order solution. 11. It should be observed that the trends observed in the fixed model test may change when the body is free to float, and the impact that eventual errors in the estimation of the second-order forces may have on the mooring system depends on the characteristics of the sea conditions that will ultimately impose the maximum loads on the mooring lines. Nevertheless, the preliminary results obtained in this research do confirm that a more detailed investigation of the methods adopted for the estimation of the nonlinear wave forces on the FOWT would be welcome and may provide some further guidance for the design of such systems. As a final remark, the candidate hopes this research can benefit the offshore wind industry in improving the hydrodynamic design of the semi-submersible concept.