Free-form optical systems for nonimaging applications : Sistemas ópticos anamórficos para aplicaciones anidólicas

La óptica anidólica es una rama de la óptica cuyo desarrollo comenzó a mediados de la década de 1960. Este relativamente nuevo campo de la óptica se centra en la transferencia eficiente de la luz, algo necesario en muchas aplicaciones, entre las que destacamos los concentradores solares y los sistemas de iluminación. Las soluciones de la óptica clásica a los problemas de la transferencia de energía de la luz sólo son adecuadas cuando los rayos de luz son paraxiales. La condición paraxial no se cumple en la mayoría de las aplicaciones para concentración e iluminación. Esta tesis contiene varios diseños free-form (aquellos que no presentan ninguna simetría, ni de rotación ni lineal) cuyas aplicaciones van destinadas a estos dos campos. El término nonimaging viene del hecho de que estos sistemas ópticos no necesitan formar una imagen del objeto, aunque no formar la imagen no es una condición necesaria. Otra palabra que se utiliza a veces en lugar de nonimaging es la palabra anidólico, viene del griego "an+eidolon" y tiene el mismo significado. La mayoría de los sistemas ópticos diseñados para aplicaciones anidólicas no presentan ninguna simetría, es decir, son free-form (anamórficos). Los sistemas ópticos free-form están siendo especialmente relevantes durante los últimos años gracias al desarrollo de las herramientas para su fabricación como máquinas de moldeo por inyección y el mecanizado multieje. Sin embargo, solo recientemente se han desarrollado técnicas de diseño anidólicas capaces de cumplir con estos grados de libertad. En aplicaciones de iluminación el método SMS3D permite diseñar dos superficies free-form para controlar las fuentes de luz extensas. En los casos en que se requiere una elevada asimetría de la fuente, el objeto o las restricciones volumétricos, las superficies free-form permiten obtener soluciones de mayor eficiencia, o disponer de menos elementos en comparación con las soluciones de simetría de rotación, dado que las superficies free-form tienen más grados de libertad y pueden realizar múltiples funciones debido a su naturaleza anamórfica. Los concentradores anidólicos son muy adecuados para la captación de energía solar, ya que el objetivo no es la reproducción de una imagen exacta del sol, sino sencillamente la captura de su energía. En este momento, el campo de la concentración fotovoltaica (CPV) tiende hacia sistemas de alta concentración con el fin de compensar el gasto de las células solares multi-unión (MJ) utilizadas como receptores, reduciendo su área. El interés en el uso de células MJ radica en su alta eficiencia de conversión. Para obtener sistemas competitivos en aplicaciones terrestres se recurre a sistemas fotovoltaicos de alta concentración (HCPV), con factores de concentración geométrica por encima de 500x. Estos sistemas se componen de dos (o más) elementos ópticos (espejos y/o lentes). En los sistemas presentados a lo largo de este trabajo se presentan ejemplos de concentradores HCPV con elementos reflexivos como etapa primaria, así como concentradores con elementos refractivos (lente de Fresnel). Con la necesidad de aumentar la eficiencia de los sistemas HCPV reales y con el fin de proporcionar la división más eficiente del espectro solar, células conteniendo cuatro o más uniones (con un potencial de alcanzar eficiencias de más del 45% a una concentración de cientos de soles) se exploran hoy en día. En esta tesis se presenta una de las posibles arquitecturas de división del espectro (spectrum-splitting en la literatura anglosajona) que utilizan células de concentración comercial. Otro campo de aplicación de la óptica nonimaging es la iluminación, donde es necesario proporcionar un patrón de distribución de la iluminación específico. La iluminación de estado sólido (SSL), basada en la electroluminiscencia de materiales semiconductores, está proporcionando fuentes de luz para aplicaciones de iluminación general. En la última década, los diodos emisores de luz (LED) de alto brillo han comenzado a reemplazar a las fuentes de luz convencionales debido a la superioridad en la calidad de la luz emitida, elevado tiempo de vida, compacidad y ahorro de energía. Los colimadores utilizados con LEDs deben cumplir con requisitos tales como tener una alta eficiencia, un alto control del haz de luz, una mezcla de color espacial y una gran compacidad. Presentamos un colimador de luz free-form con microestructuras capaz de conseguir buena colimación y buena mezcla de colores con una fuente de LED RGGB. Una buena mezcla de luz es importante no sólo para simplificar el diseño óptico de la luminaria sino también para evitar hacer binning de los chips. La mezcla de luz óptica puede reducir los costes al evitar la modulación por ancho de pulso y otras soluciones electrónicas patentadas para regulación y ajuste de color. Esta tesis consta de cuatro capítulos. Los capítulos que contienen la obra original de esta tesis son precedidos por un capítulo introductorio donde se presentan los conceptos y definiciones básicas de la óptica geométrica y en el cual se engloba la óptica nonimaging. Contiene principios de la óptica no formadora de imagen junto con la descripción de sus problemas y métodos de diseño. Asimismo se describe el método de Superficies Múltiples Simultáneas (SMS), que destaca por su versatilidad y capacidad de controlar varios haces de rayos. Adicionalmente también se describe la integración Köhler y sus aplicaciones en el campo de la energía fotovoltaica. La concentración fotovoltaica y la iluminación de estado sólido son introducidas junto con la revisión de su estado actual. El Segundo y Tercer Capítulo contienen diseños ópticos avanzados con aplicación en la concentración solar principalmente, mientras que el Cuarto Capítulo describe el colimador free-form con surcos que presenta buena mezcla de colores para aplicaciones de iluminación. El Segundo Capítulo describe dos concentradores ópticos HCPV diseñados con el método SMS en tres dimensiones (SMS3D) que llevan a cabo integración Köhler en dos direcciones con el fin de proporcionar una distribución de irradiancia uniforme libre de aberraciones cromáticas sobre la célula solar. Uno de los diseños es el concentrador XXR free-form diseñado con el método SMS3D, donde el espejo primario (X) y la lente secundaria (R) se dividen en cuatro sectores simétricos y llevan a cabo la integración Köhler (proporcionando cuatro unidades del array Köhler), mientras que el espejo intermedio (X) presenta simetría rotacional. Otro concentrador HCPV presentado es el Fresnel-RXI (FRXI) con una lente de Fresnel funcionando como elemento primario (POE) y una lente RXI como elemento óptico secundario (SOE), que presenta configuración 4-fold con el fin de realizar la integración Köhler. Las lentes RXI son dispositivos nonimaging conocidos, pero su aplicación como elemento secundario es novedosa. Los concentradores XXR y FRXI Köhler son ejemplos académicos de muy alta concentración (más de 2,000x, mientras que los sistemas convencionales hoy en día no suelen llegar a 1,000x) preparados para las células solares N-unión (con N>3), que probablemente requerirán una mayor concentración y alta uniformidad espectral de irradiancia con el fin de obtener sistemas CPV terrestres eficientes y rentables. Ambos concentradores están diseñados maximizando funciones de mérito como la eficiencia óptica, el producto concentración-aceptancia (CAP) y la uniformidad de irradiancia sobre la célula libre de la aberración cromática (integración Köhler). El Tercer Capítulo presenta una arquitectura para la división del espectro solar basada en un módulo HCPV con alta concentración (500x) y ángulo de aceptancia alto (>1º) que tiene por objeto reducir ambas fuentes de pérdidas de las células triple unión (3J) comerciales: el uso eficiente del espectro solar y la luz reflejada de los contactos metálicos y de la superficie de semiconductor. El módulo para la división del espectro utiliza el espectro solar más eficiente debido a la combinación de una alta eficiencia de una célula de concentración 3J (GaInP/GaInAs/Ge) y una de contacto posterior (BPC) de concentración de silicio (Si), así como la técnica de confinamiento externo para la recuperación de la luz reflejada por la célula 3J con el fin de ser reabsorbida por la célula. En la arquitectura propuesta, la célula 3J opera con su ganancia de corriente optimizada (concentración geométrica de 500x), mientras que la célula de silicio trabaja cerca de su óptimo también (135x). El módulo de spectrum-splitting consta de una lente de Fresnel plana como POE y un concentrador RXI free-form como SOE con un filtro paso-banda integrado en él. Tanto POE como SOE realizan la integración Köhler para producir homogeneización de luz sobre la célula. El filtro paso banda envía los fotones IR en la banda 900-1,150nm a la célula de silicio. Hay varios aspectos prácticos de la arquitectura del módulo presentado que ayudan a reducir la complejidad de los sistemas spectrum-splitting (el filtro y el secundario forman una sola pieza sólida, ambas células son coplanarias simplificándose el cableado y la disipación de calor, etc.). Prototipos prueba-de-concepto han sido ensamblados y probados a fin de demostrar la fabricabilidad del filtro y su rendimiento cuando se combina con la técnica de reciclaje de luz externa. Los resultados obtenidos se ajustan bastante bien a los modelos y a las simulaciones e invitan al desarrollo de una versión más compleja de este prototipo en el futuro. Dos colimadores sólidos con surcos free-form se presentan en el Cuarto Capítulo. Ambos diseños ópticos están diseñados originalmente usando el método SMS3D. La segunda superficie ópticamente activa está diseñada a posteriori como una superficie con surcos. El diseño inicial de dos espejos (XX) está diseñado como prueba de concepto. En segundo lugar, el diseño RXI free-form es comparable con los colimadores RXI existentes. Se trata de un diseño muy compacto y eficiente que proporciona una muy buena mezcla de colores cuando funciona con LEDs RGB fuera del eje óptico como en los RGB LEDs convencionales. Estos dos diseños son dispositivos free-form diseñados con la intención de mejorar las propiedades de mezcla de colores de los dispositivos no aplanáticos RXI con simetría de revolución y la eficiencia de los aplanáticos, logrando una buena colimación y una buena mezcla de colores. La capacidad de mezcla de colores del dispositivo no-aplanático mejora añadiendo características de un aplanático a su homólogo simétrico sin pérdida de eficiencia. En el caso del diseño basado en RXI, su gran ventaja consiste en su menor coste de fabricación ya que el proceso de metalización puede evitarse. Aunque algunos de los componentes presentan formas muy complejas, los costes de fabricación son relativamente insensibles a la complejidad del molde, especialmente en el caso de la producción en masa (tales como inyección de plástico), ya que el coste del molde se reparte entre todas las piezas fabricadas. Por último, las últimas dos secciones son las conclusiones y futuras líneas de investigación. ABSTRACT Nonimaging optics is a branch of optics whose development began in the mid-1960s. This rather new field of optics focuses on the efficient light transfer necessary in many applications, among which we highlight solar concentrators and illumination systems. The classical optics solutions to the problems of light energy transfer are only appropriate when the light rays are paraxial. The paraxial condition is not met in most applications for the concentration and illumination. This thesis explores several free-form designs (with neither rotational nor linear symmetry) whose applications are intended to cover the above mentioned areas and more. The term nonimaging comes from the fact that these optical systems do not need to form an image of the object, although it is not a necessary condition not to form an image. Another word sometimes used instead of nonimaging is anidolic, and it comes from the Greek “an+eidolon” and has the same meaning. Most of the optical systems designed for nonimaging applications are without any symmetry, i.e. free-form. Free-form optical systems become especially relevant lately with the evolution of free-form tooling (injection molding machines, multi-axis machining techniques, etc.). Nevertheless, only recently there are nonimaging design techniques that are able to meet these degrees of freedom. In illumination applications, the SMS3D method allows designing two free-form surfaces to control very well extended sources. In cases when source, target or volumetric constrains have very asymmetric requirements free-form surfaces are offering solutions with higher efficiency or with fewer elements in comparison with rotationally symmetric solutions, as free-forms have more degrees of freedom and they can perform multiple functions due to their free-form nature. Anidolic concentrators are well suited for the collection of solar energy, because the goal is not the reproduction of an exact image of the sun, but instead the collection of its energy. At this time, Concentration Photovoltaics (CPV) field is turning to high concentration systems in order to compensate the expense of multi-junction (MJ) solar cells used as receivers by reducing its area. Interest in the use of MJ cells lies in their very high conversion efficiency. High Concentration Photovoltaic systems (HCPV) with geometric concentration of more than 500x are required in order to have competitive systems in terrestrial applications. These systems comprise two (or more) optical elements, mirrors and/or lenses. Systems presented in this thesis encompass both main types of HCPV architectures: concentrators with primary reflective element and concentrators with primary refractive element (Fresnel lens). Demand for the efficiency increase of the actual HCPV systems as well as feasible more efficient partitioning of the solar spectrum, leads to exploration of four or more junction solar cells or submodules. They have a potential of reaching over 45% efficiency at concentration of hundreds of suns. One possible architectures of spectrum splitting module using commercial concentration cells is presented in this thesis. Another field of application of nonimaging optics is illumination, where a specific illuminance distribution pattern is required. The Solid State Lighting (SSL) based on semiconductor electroluminescence provides light sources for general illumination applications. In the last decade high-brightness Light Emitting Diodes (LEDs) started replacing conventional light sources due to their superior output light quality, unsurpassed lifetime, compactness and energy savings. Collimators used with LEDs have to meet requirements like high efficiency, high beam control, color and position mixing, as well as a high compactness. We present a free-form collimator with microstructures that performs good collimation and good color mixing with RGGB LED source. Good light mixing is important not only for simplifying luminaire optical design but also for avoiding die binning. Optical light mixing may reduce costs by avoiding pulse-width modulation and other patented electronic solutions for dimming and color tuning. This thesis comprises four chapters. Chapters containing the original work of this thesis are preceded by the introductory chapter that addresses basic concepts and definitions of geometrical optics on which nonimaging is developed. It contains fundamentals of nonimaging optics together with the description of its design problems, principles and methods, and with the Simultaneous Multiple Surface (SMS) method standing out for its versatility and ability to control several bundles of rays. Köhler integration and its applications in the field of photovoltaics are described as well. CPV and SSL fields are introduced together with the review on their background and their current status. Chapter 2 and Chapter 3 contain advanced optical designs with primarily application in solar concentration; meanwhile Chapter 4 portrays the free-form V-groove collimator with good color mixing property for illumination application. Chapter 2 describes two HCPV optical concentrators designed with the SMS method in three dimensions (SMS3D). Both concentrators represent Köhler integrator arrays that provide uniform irradiance distribution free from chromatic aberrations on the solar cell. One of the systems is the XXR free-form concentrator designed with the SMS3D method. The primary mirror (X) of this concentrator and secondary lens (R) are divided in four symmetric sectors (folds) that perform Köhler integration; meanwhile the intermediate mirror (X) is rotationally symmetric. Second HCPV concentrator is the Fresnel-RXI (FRXI) with flat Fresnel lens as the Primary Optical Element (POE) and an RXI lens as the Secondary Optical Element (SOE). This architecture manifests 4-fold configuration for performing Köhler integration (4 array units), as well. The RXI lenses are well-known nonimaging devices, but their application as SOE is novel. Both XXR and FRXI Köhler HCPV concentrators are academic examples of very high concentration (more than 2,000x meanwhile conventional systems nowadays have up to 1,000x) prepared for the near future N-junction (N>3) solar cells. In order to have efficient and cost-effective terrestrial CPV systems, those cells will probably require higher concentrations and high spectral irradiance uniformity. Both concentrators are designed by maximizing merit functions: the optical efficiency, concentration-acceptance angle (CAP) and cell-irradiance uniformity free from chromatic aberrations (Köhler integration). Chapter 3 presents the spectrum splitting architecture based on a HCPV module with high concentration (500x) and high acceptance angle (>1º). This module aims to reduce both sources of losses of the actual commercial triple-junction (3J) solar cells with more efficient use of the solar spectrum and with recovering the light reflected from the 3J cells’ grid lines and semiconductor surface. The solar spectrum is used more efficiently due to the combination of a high efficiency 3J concentration cell (GaInP/GaInAs/Ge) and external Back-Point-Contact (BPC) concentration silicon (Si) cell. By employing external confinement techniques, the 3J cell’s reflections are recovered in order to be re-absorbed by the cell. In the proposed concentrator architecture, the 3J cell operates at its optimized current gain (at geometrical concentration of 500x), while the Si cell works near its optimum, as well (135x). The spectrum splitting module consists of a flat Fresnel lens (as the POE), and a free-form RXI-type concentrator with a band-pass filter embedded in it (as the SOE), both POE and SOE performing Köhler integration to produce light homogenization. The band-pass filter sends the IR photons in the 900-1,150nm band to the Si cell. There are several practical aspects of presented module architecture that help reducing the added complexity of the beam splitting systems: the filter and secondary are forming a single solid piece, both cells are coplanar so the heat management and wiring is simplified, etc. Two proof-of-concept prototypes are assembled and tested in order to prove filter manufacturability and performance, as well as the potential of external light recycling technique. Obtained measurement results agree quite well with models and simulations, and show an opened path to manufacturing of the Fresnel RXI-type secondary concentrator with spectrum splitting strategy. Two free-form solid V-groove collimators are presented in Chapter 4. Both free-form collimators are originally designed with the SMS3D method. The second mirrored optically active surface is converted in a grooved surface a posteriori. Initial two mirror (XX) design is presented as a proof-of-concept. Second, RXI free-form design is comparable with existing RXI collimators as it is a highly compact and a highly efficient design. It performs very good color mixing of the RGGB LED sources placed off-axis like in conventional RGB LEDs. Collimators described here improve color mixing property of the prior art rotationally symmetric no-aplanatic RXI devices, and the efficiency of the aplanatic ones, accomplishing both good collimation and good color mixing. Free-form V-groove collimators enhance the no-aplanatic device's blending capabilities by adding aplanatic features to its symmetric counterpart with no loss in efficiency. Big advantage of the RXI design is its potentially lower manufacturing cost, since the process of metallization may be avoided. Although some components are very complicated for shaping, the manufacturing costs are relatively insensitive to the complexity of the mold especially in the case of mass production (such as plastic injection), as the cost of the mold is spread in many parts. Finally, last two sections are conclusions and future lines of investigation.

An open-source simulation tool of grid-connected PV systems.

This paper will present an open-source simulation tool, which is being developed in the frame of an European research project1. The tool, whose final version will be freely available through a website, allows the modelling and the design of different types of grid-connected PV systems, such as large grid-connected plants and building-integrated installations. The tool is based on previous software developed by the IES-UPM2, whose models and energy losses scenarios have been validated in the commissioning of PV projects3 carried out in Spain, Portugal, France and Italy, whose aggregated capacity is nearly 300MW. This link between design and commissioning is one of the key points of tool presented here, which is not usually addressed by present commercial software. The tool provides, among other simulation results, the energy yield, the analysis and breakdown of energy losses, and the estimations of financial returns adapted to the legal and financial frameworks of each European country. Besides, educational facilities will be developed and integrated in the tool, not only devoted to learn how to use this software, but also to train the users on the best design PV systems practices. The tool will also include the recommendation of several PV community experts, which have been invited to identify present necessities in the field of PV systems simulation. For example, the possibility of using meteorological forecasts as input data, or modelling the integration of large energy storage systems, such as vanadium redox or lithium-ion batteries. Finally, it is worth mentioning that during the verification and testing stages of this software development, it will be also open to the suggestions received from the different actors of the PV community, such as promoters, installers, consultants, etc.

Automatic detection of PV systems failures from monitoring validated on 10,000 BIPV systems in Europe

The installers and owners show a growing interest in the follow-up of the performance of their photovoltaic (PV) systems. The owners are requesting reliable sources of information to ensure that their system is functioning properly, and the installers are actively looking for efficient ways of providing them the most useful possible information from the data available. Policy makers are becoming increasingly interested in the knowledge of the real performance of PV systems and the most frequent sources of problems that they suffer to be able to target the identified challenges properly. The scientific and industrial PV community is also requiring an access to massive operational data to pursue the technological improvements further.

Wide-angle, high-concentration photovoltaics to compete with flat plate systems

A novel photovoltaic concentrator enables highly uniform irradiance on a small number of efficient solar cells. The maximum electrical power of a photovoltaic (PV) energy installation depends on three factors: the available irradiance, the size of the systems collecting sunlight, and the rate at which the device transforms light into electricity (the conversion efficiency). Developers can maximize the irradiance by carefully selecting the site and orientation of the solar facility. But they can only expand their sunlight collection systems for standard flat plate PV devices by increasing the number of solar cells, at greater cost. Here, we consider the advantages of an alternative PV system that produces more energy without increasing the number of cells used (actually, reducing it), by improving the conversion rates.We also present a new device that may enhance the commercial viability of such technologies.

Evaluation of the reliability of commercial concentrator triple-junction solar cells by means of accelerated life tests (ALT)

A temperature accelerated life test on commercial concentrator lattice-matched GaInP/GaInAs/Ge triple-junction solar cells has been carried out. The solar cells have been tested at three different temperatures: 119, 126 and 164 °C and the nominal photo-current condition (820 X) has been emulated by injecting current in darkness. All the solar cells have presented catastrophic failures. The failure distributions at the three tested temperatures have been fitted to an Arrhenius-Weibull model. An Arrhenius activation energy of 1.58 eV was determined from the fit. The main reliability functions and parameters (reliability function, instantaneous failure rate, mean time to failure, warranty time) of these solar cells at the nominal working temperature (80 °C) have been obtained. The warranty time obtained for a failure population of 5 % has been 69 years. Thus, a long-term warranty could be offered for these particular solar cells working at 820 X, 8 hours per day at 80 °C.

NGCPV: a new generation of concentrator photovoltaic cells, modules and systems

Starting on June 2011, NGCPV is the first project funded jointly between the European Commission (EC) and the New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) of Japan to research on new generation concentration photovoltaics (CPV). The Project, through a collaborative research between seven European and nine Japanese leading research centers in the field of CPV, aims at lowering the cost of the CPVproduced photovoltaic kWh down to 5 ?cents. The main objective of the project is to improve the present concentrator cell, module and system efficiency, as well as developing advanced characterization tools for CPV components and systems. As particular targets, the project aims at achieving a cell efficiency of at least 45% and a CPV module with an efficiency greater than 35%. This paper describes the R&D activities that are being carried out within the NGCPV project and summarizes some of the most relevant results that have already been attained, for instance: the manufacturing of a 44.4% world record efficiency triple junction solar cell (by Sharp Corp.) and the installation of a 50 kWp experimental CPV plant in Spain, which will be used to obtain accurate forecasts of the energy produced at system level.

Experimental and modeling analysis of internal luminescence in III-V solar cells

In high quality solar cells, the internal luminescence can be harnessed to enhance the overall performance. Internal confinement of the photons can lead to an increased open-circuit voltage and short-circuit current. Alternatively, in multijunction solar cells the photons can be coupled from a higher bandgap junction to a lower bandgap junction for enhanced performance. We model the solar cell as an optical cavity and compare calculated performance characteristics with measurements. We also describe how very high luminescent coupling alleviates the need for top-cell thinning to achieve current-matching.

In situ control of the GE(100)surface domain structure for III-V multijunction solar cells

Vicinal Ge(100) is the common substrate for state of the art multi-junction solar cells grown by metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE). While triple junction solar cells based on Ge(100) present efficiencies mayor que 40%, little is known about the microscopic III-V/Ge(100) nucleation and its interface formation. A suitable Ge(100) surface preparation prior to heteroepitaxy is crucial to achieve low defect densities in the III-V epilayers. Formation of single domain surfaces with double layer steps is required to avoid anti-phase domains in the III-V films. The step formation processes in MOVPE environment strongly depends on the major process parameters such as substrate temperature, H2 partial pressure, group V precursors [1], and reactor conditions. Detailed investigation of these processes on the Ge(100) surface by ultrahigh vacuum (UHV) based standard surface science tools are complicated due to the presence of H2 process gas. However, in situ surface characterization by reflection anisotropy spectroscopy (RAS) allowed us to study the MOVPE preparation of Ge(100) surfaces directly in dependence on the relevant process parameters [2, 3, 4]. A contamination free MOVPE to UHV transfer system [5] enabled correlation of the RA spectra to results from UHV-based surface science tools. In this paper, we established the characteristic RA spectra of vicinal Ge(100) surfaces terminated with monohydrides, arsenic and phosphorous. RAS enabled in situ control of oxide removal, H2 interaction and domain formation during MOVPE preparation.

Side-Channel Attack Protection Techniques in FPGA Systems using Enhanced Dual-Rail Solutions

Esta tesis doctoral se centra principalmente en técnicas de ataque y contramedidas relacionadas con ataques de canal lateral (SCA por sus siglas en inglés), que han sido propuestas dentro del campo de investigación académica desde hace 17 años. Las investigaciones relacionadas han experimentado un notable crecimiento en las últimas décadas, mientras que los diseños enfocados en la protección sólida y eficaz contra dichos ataques aún se mantienen como un tema de investigación abierto, en el que se necesitan iniciativas más confiables para la protección de la información persona de empresa y de datos nacionales. El primer uso documentado de codificación secreta se remonta a alrededor de 1700 B.C., cuando los jeroglíficos del antiguo Egipto eran descritos en las inscripciones. La seguridad de la información siempre ha supuesto un factor clave en la transmisión de datos relacionados con inteligencia diplomática o militar. Debido a la evolución rápida de las técnicas modernas de comunicación, soluciones de cifrado se incorporaron por primera vez para garantizar la seguridad, integridad y confidencialidad de los contextos de transmisión a través de cables sin seguridad o medios inalámbricos. Debido a las restricciones de potencia de cálculo antes de la era del ordenador, la técnica de cifrado simple era un método más que suficiente para ocultar la información. Sin embargo, algunas vulnerabilidades algorítmicas pueden ser explotadas para restaurar la regla de codificación sin mucho esfuerzo. Esto ha motivado nuevas investigaciones en el área de la criptografía, con el fin de proteger el sistema de información ante sofisticados algoritmos. Con la invención de los ordenadores se ha acelerado en gran medida la implementación de criptografía segura, que ofrece resistencia eficiente encaminada a obtener mayores capacidades de computación altamente reforzadas. Igualmente, sofisticados cripto-análisis han impulsado las tecnologías de computación. Hoy en día, el mundo de la información ha estado involucrado con el campo de la criptografía, enfocada a proteger cualquier campo a través de diversas soluciones de cifrado. Estos enfoques se han fortalecido debido a la unificación optimizada de teorías matemáticas modernas y prácticas eficaces de hardware, siendo posible su implementación en varias plataformas (microprocesador, ASIC, FPGA, etc.). Las necesidades y requisitos de seguridad en la industria son las principales métricas de conducción en el diseño electrónico, con el objetivo de promover la fabricación de productos de gran alcance sin sacrificar la seguridad de los clientes. Sin embargo, una vulnerabilidad en la implementación práctica encontrada por el Prof. Paul Kocher, et al en 1996 implica que un circuito digital es inherentemente vulnerable a un ataque no convencional, lo cual fue nombrado posteriormente como ataque de canal lateral, debido a su fuente de análisis. Sin embargo, algunas críticas sobre los algoritmos criptográficos teóricamente seguros surgieron casi inmediatamente después de este descubrimiento. En este sentido, los circuitos digitales consisten típicamente en un gran número de celdas lógicas fundamentales (como MOS - Metal Oxide Semiconductor), construido sobre un sustrato de silicio durante la fabricación. La lógica de los circuitos se realiza en función de las innumerables conmutaciones de estas células. Este mecanismo provoca inevitablemente cierta emanación física especial que puede ser medida y correlacionada con el comportamiento interno del circuito. SCA se puede utilizar para revelar datos confidenciales (por ejemplo, la criptografía de claves), analizar la arquitectura lógica, el tiempo e incluso inyectar fallos malintencionados a los circuitos que se implementan en sistemas embebidos, como FPGAs, ASICs, o tarjetas inteligentes. Mediante el uso de la comparación de correlación entre la cantidad de fuga estimada y las fugas medidas de forma real, información confidencial puede ser reconstruida en mucho menos tiempo y computación. Para ser precisos, SCA básicamente cubre una amplia gama de tipos de ataques, como los análisis de consumo de energía y radiación ElectroMagnética (EM). Ambos se basan en análisis estadístico y, por lo tanto, requieren numerosas muestras. Los algoritmos de cifrado no están intrínsecamente preparados para ser resistentes ante SCA. Es por ello que se hace necesario durante la implementación de circuitos integrar medidas que permitan camuflar las fugas a través de "canales laterales". Las medidas contra SCA están evolucionando junto con el desarrollo de nuevas técnicas de ataque, así como la continua mejora de los dispositivos electrónicos. Las características físicas requieren contramedidas sobre la capa física, que generalmente se pueden clasificar en soluciones intrínsecas y extrínsecas. Contramedidas extrínsecas se ejecutan para confundir la fuente de ataque mediante la integración de ruido o mala alineación de la actividad interna. Comparativamente, las contramedidas intrínsecas están integradas en el propio algoritmo, para modificar la aplicación con el fin de minimizar las fugas medibles, o incluso hacer que dichas fugas no puedan ser medibles. Ocultación y Enmascaramiento son dos técnicas típicas incluidas en esta categoría. Concretamente, el enmascaramiento se aplica a nivel algorítmico, para alterar los datos intermedios sensibles con una máscara de manera reversible. A diferencia del enmascaramiento lineal, las operaciones no lineales que ampliamente existen en criptografías modernas son difíciles de enmascarar. Dicho método de ocultación, que ha sido verificado como una solución efectiva, comprende principalmente la codificación en doble carril, que está ideado especialmente para aplanar o eliminar la fuga dependiente de dato en potencia o en EM. En esta tesis doctoral, además de la descripción de las metodologías de ataque, se han dedicado grandes esfuerzos sobre la estructura del prototipo de la lógica propuesta, con el fin de realizar investigaciones enfocadas a la seguridad sobre contramedidas de arquitectura a nivel lógico. Una característica de SCA reside en el formato de las fuentes de fugas. Un típico ataque de canal lateral se refiere al análisis basado en la potencia, donde la capacidad fundamental del transistor MOS y otras capacidades parásitas son las fuentes esenciales de fugas. Por lo tanto, una lógica robusta resistente a SCA debe eliminar o mitigar las fugas de estas micro-unidades, como las puertas lógicas básicas, los puertos I/O y las rutas. Las herramientas EDA proporcionadas por los vendedores manipulan la lógica desde un nivel más alto, en lugar de realizarlo desde el nivel de puerta, donde las fugas de canal lateral se manifiestan. Por lo tanto, las implementaciones clásicas apenas satisfacen estas necesidades e inevitablemente atrofian el prototipo. Por todo ello, la implementación de un esquema de diseño personalizado y flexible ha de ser tomado en cuenta. En esta tesis se presenta el diseño y la implementación de una lógica innovadora para contrarrestar SCA, en la que se abordan 3 aspectos fundamentales: I. Se basa en ocultar la estrategia sobre el circuito en doble carril a nivel de puerta para obtener dinámicamente el equilibrio de las fugas en las capas inferiores; II. Esta lógica explota las características de la arquitectura de las FPGAs, para reducir al mínimo el gasto de recursos en la implementación; III. Se apoya en un conjunto de herramientas asistentes personalizadas, incorporadas al flujo genérico de diseño sobre FPGAs, con el fin de manipular los circuitos de forma automática. El kit de herramientas de diseño automático es compatible con la lógica de doble carril propuesta, para facilitar la aplicación práctica sobre la familia de FPGA del fabricante Xilinx. En este sentido, la metodología y las herramientas son flexibles para ser extendido a una amplia gama de aplicaciones en las que se desean obtener restricciones mucho más rígidas y sofisticadas a nivel de puerta o rutado. En esta tesis se realiza un gran esfuerzo para facilitar el proceso de implementación y reparación de lógica de doble carril genérica. La viabilidad de las soluciones propuestas es validada mediante la selección de algoritmos criptográficos ampliamente utilizados, y su evaluación exhaustiva en comparación con soluciones anteriores. Todas las propuestas están respaldadas eficazmente a través de ataques experimentales con el fin de validar las ventajas de seguridad del sistema. El presente trabajo de investigación tiene la intención de cerrar la brecha entre las barreras de implementación y la aplicación efectiva de lógica de doble carril. En esencia, a lo largo de esta tesis se describirá un conjunto de herramientas de implementación para FPGAs que se han desarrollado para trabajar junto con el flujo de diseño genérico de las mismas, con el fin de lograr crear de forma innovadora la lógica de doble carril. Un nuevo enfoque en el ámbito de la seguridad en el cifrado se propone para obtener personalización, automatización y flexibilidad en el prototipo de circuito de bajo nivel con granularidad fina. Las principales contribuciones del presente trabajo de investigación se resumen brevemente a continuación: Lógica de Precharge Absorbed-DPL logic: El uso de la conversión de netlist para reservar LUTs libres para ejecutar la señal de precharge y Ex en una lógica DPL. Posicionamiento entrelazado Row-crossed con pares idénticos de rutado en redes de doble carril, lo que ayuda a aumentar la resistencia frente a la medición EM selectiva y mitigar los impactos de las variaciones de proceso. Ejecución personalizada y herramientas de conversión automática para la generación de redes idénticas para la lógica de doble carril propuesta. (a) Para detectar y reparar conflictos en las conexiones; (b) Detectar y reparar las rutas asimétricas. (c) Para ser utilizado en otras lógicas donde se requiere un control estricto de las interconexiones en aplicaciones basadas en Xilinx. Plataforma CPA de pruebas personalizadas para el análisis de EM y potencia, incluyendo la construcción de dicha plataforma, el método de medición y análisis de los ataques. Análisis de tiempos para cuantificar los niveles de seguridad. División de Seguridad en la conversión parcial de un sistema de cifrado complejo para reducir los costes de la protección. Prueba de concepto de un sistema de calefacción auto-adaptativo para mitigar los impactos eléctricos debido a la variación del proceso de silicio de manera dinámica. La presente tesis doctoral se encuentra organizada tal y como se detalla a continuación: En el capítulo 1 se abordan los fundamentos de los ataques de canal lateral, que abarca desde conceptos básicos de teoría de modelos de análisis, además de la implementación de la plataforma y la ejecución de los ataques. En el capítulo 2 se incluyen las estrategias de resistencia SCA contra los ataques de potencia diferencial y de EM. Además de ello, en este capítulo se propone una lógica en doble carril compacta y segura como contribución de gran relevancia, así como también se presentará la transformación lógica basada en un diseño a nivel de puerta. Por otra parte, en el Capítulo 3 se abordan los desafíos relacionados con la implementación de lógica en doble carril genérica. Así mismo, se describirá un flujo de diseño personalizado para resolver los problemas de aplicación junto con una herramienta de desarrollo automático de aplicaciones propuesta, para mitigar las barreras de diseño y facilitar los procesos. En el capítulo 4 se describe de forma detallada la elaboración e implementación de las herramientas propuestas. Por otra parte, la verificación y validaciones de seguridad de la lógica propuesta, así como un sofisticado experimento de verificación de la seguridad del rutado, se describen en el capítulo 5. Por último, un resumen de las conclusiones de la tesis y las perspectivas como líneas futuras se incluyen en el capítulo 6. Con el fin de profundizar en el contenido de la tesis doctoral, cada capítulo se describe de forma más detallada a continuación: En el capítulo 1 se introduce plataforma de implementación hardware además las teorías básicas de ataque de canal lateral, y contiene principalmente: (a) La arquitectura genérica y las características de la FPGA a utilizar, en particular la Xilinx Virtex-5; (b) El algoritmo de cifrado seleccionado (un módulo comercial Advanced Encryption Standard (AES)); (c) Los elementos esenciales de los métodos de canal lateral, que permiten revelar las fugas de disipación correlacionadas con los comportamientos internos; y el método para recuperar esta relación entre las fluctuaciones físicas en los rastros de canal lateral y los datos internos procesados; (d) Las configuraciones de las plataformas de pruebas de potencia / EM abarcadas dentro de la presente tesis. El contenido de esta tesis se amplia y profundiza a partir del capítulo 2, en el cual se abordan varios aspectos claves. En primer lugar, el principio de protección de la compensación dinámica de la lógica genérica de precarga de doble carril (Dual-rail Precharge Logic-DPL) se explica mediante la descripción de los elementos compensados a nivel de puerta. En segundo lugar, la lógica PA-DPL es propuesta como aportación original, detallando el protocolo de la lógica y un caso de aplicación. En tercer lugar, dos flujos de diseño personalizados se muestran para realizar la conversión de doble carril. Junto con ello, se aclaran las definiciones técnicas relacionadas con la manipulación por encima de la netlist a nivel de LUT. Finalmente, una breve discusión sobre el proceso global se aborda en la parte final del capítulo. El Capítulo 3 estudia los principales retos durante la implementación de DPLs en FPGAs. El nivel de seguridad de las soluciones de resistencia a SCA encontradas en el estado del arte se ha degenerado debido a las barreras de implantación a través de herramientas EDA convencionales. En el escenario de la arquitectura FPGA estudiada, se discuten los problemas de los formatos de doble carril, impactos parásitos, sesgo tecnológico y la viabilidad de implementación. De acuerdo con estas elaboraciones, se plantean dos problemas: Cómo implementar la lógica propuesta sin penalizar los niveles de seguridad, y cómo manipular un gran número de celdas y automatizar el proceso. El PA-DPL propuesto en el capítulo 2 se valida con una serie de iniciativas, desde características estructurales como doble carril entrelazado o redes de rutado clonadas, hasta los métodos de aplicación tales como las herramientas de personalización y automatización de EDA. Por otra parte, un sistema de calefacción auto-adaptativo es representado y aplicado a una lógica de doble núcleo, con el fin de ajustar alternativamente la temperatura local para equilibrar los impactos negativos de la variación del proceso durante la operación en tiempo real. El capítulo 4 se centra en los detalles de la implementación del kit de herramientas. Desarrollado sobre una API third-party, el kit de herramientas personalizado es capaz de manipular los elementos de la lógica de circuito post P&R ncd (una versión binaria ilegible del xdl) convertido al formato XDL Xilinx. El mecanismo y razón de ser del conjunto de instrumentos propuestos son cuidadosamente descritos, que cubre la detección de enrutamiento y los enfoques para la reparación. El conjunto de herramientas desarrollado tiene como objetivo lograr redes de enrutamiento estrictamente idénticos para la lógica de doble carril, tanto para posicionamiento separado como para el entrelazado. Este capítulo particularmente especifica las bases técnicas para apoyar las implementaciones en los dispositivos de Xilinx y su flexibilidad para ser utilizado sobre otras aplicaciones. El capítulo 5 se enfoca en la aplicación de los casos de estudio para la validación de los grados de seguridad de la lógica propuesta. Se discuten los problemas técnicos detallados durante la ejecución y algunas nuevas técnicas de implementación. (a) Se discute el impacto en el proceso de posicionamiento de la lógica utilizando el kit de herramientas propuesto. Diferentes esquemas de implementación, tomando en cuenta la optimización global en seguridad y coste, se verifican con los experimentos con el fin de encontrar los planes de posicionamiento y reparación optimizados; (b) las validaciones de seguridad se realizan con los métodos de correlación y análisis de tiempo; (c) Una táctica asintótica se aplica a un núcleo AES sobre BCDL estructurado para validar de forma sofisticada el impacto de enrutamiento sobre métricas de seguridad; (d) Los resultados preliminares utilizando el sistema de calefacción auto-adaptativa sobre la variación del proceso son mostrados; (e) Se introduce una aplicación práctica de las herramientas para un diseño de cifrado completa. Capítulo 6 incluye el resumen general del trabajo presentado dentro de esta tesis doctoral. Por último, una breve perspectiva del trabajo futuro se expone, lo que puede ampliar el potencial de utilización de las contribuciones de esta tesis a un alcance más allá de los dominios de la criptografía en FPGAs. ABSTRACT This PhD thesis mainly concentrates on countermeasure techniques related to the Side Channel Attack (SCA), which has been put forward to academic exploitations since 17 years ago. The related research has seen a remarkable growth in the past decades, while the design of solid and efficient protection still curiously remain as an open research topic where more reliable initiatives are required for personal information privacy, enterprise and national data protections. The earliest documented usage of secret code can be traced back to around 1700 B.C., when the hieroglyphs in ancient Egypt are scribed in inscriptions. Information security always gained serious attention from diplomatic or military intelligence transmission. Due to the rapid evolvement of modern communication technique, crypto solution was first incorporated by electronic signal to ensure the confidentiality, integrity, availability, authenticity and non-repudiation of the transmitted contexts over unsecure cable or wireless channels. Restricted to the computation power before computer era, simple encryption tricks were practically sufficient to conceal information. However, algorithmic vulnerabilities can be excavated to restore the encoding rules with affordable efforts. This fact motivated the development of modern cryptography, aiming at guarding information system by complex and advanced algorithms. The appearance of computers has greatly pushed forward the invention of robust cryptographies, which efficiently offers resistance relying on highly strengthened computing capabilities. Likewise, advanced cryptanalysis has greatly driven the computing technologies in turn. Nowadays, the information world has been involved into a crypto world, protecting any fields by pervasive crypto solutions. These approaches are strong because of the optimized mergence between modern mathematical theories and effective hardware practices, being capable of implement crypto theories into various platforms (microprocessor, ASIC, FPGA, etc). Security needs from industries are actually the major driving metrics in electronic design, aiming at promoting the construction of systems with high performance without sacrificing security. Yet a vulnerability in practical implementation found by Prof. Paul Kocher, et al in 1996 implies that modern digital circuits are inherently vulnerable to an unconventional attack approach, which was named as side-channel attack since then from its analysis source. Critical suspicions to theoretically sound modern crypto algorithms surfaced almost immediately after this discovery. To be specifically, digital circuits typically consist of a great number of essential logic elements (as MOS - Metal Oxide Semiconductor), built upon a silicon substrate during the fabrication. Circuit logic is realized relying on the countless switch actions of these cells. This mechanism inevitably results in featured physical emanation that can be properly measured and correlated with internal circuit behaviors. SCAs can be used to reveal the confidential data (e.g. crypto-key), analyze the logic architecture, timing and even inject malicious faults to the circuits that are implemented in hardware system, like FPGA, ASIC, smart Card. Using various comparison solutions between the predicted leakage quantity and the measured leakage, secrets can be reconstructed at much less expense of time and computation. To be precisely, SCA basically encloses a wide range of attack types, typically as the analyses of power consumption or electromagnetic (EM) radiation. Both of them rely on statistical analyses, and hence require a number of samples. The crypto algorithms are not intrinsically fortified with SCA-resistance. Because of the severity, much attention has to be taken into the implementation so as to assemble countermeasures to camouflage the leakages via "side channels". Countermeasures against SCA are evolving along with the development of attack techniques. The physical characteristics requires countermeasures over physical layer, which can be generally classified into intrinsic and extrinsic vectors. Extrinsic countermeasures are executed to confuse the attacker by integrating noise, misalignment to the intra activities. Comparatively, intrinsic countermeasures are built into the algorithm itself, to modify the implementation for minimizing the measurable leakage, or making them not sensitive any more. Hiding and Masking are two typical techniques in this category. Concretely, masking applies to the algorithmic level, to alter the sensitive intermediate values with a mask in reversible ways. Unlike the linear masking, non-linear operations that widely exist in modern cryptographies are difficult to be masked. Approved to be an effective counter solution, hiding method mainly mentions dual-rail logic, which is specially devised for flattening or removing the data-dependent leakage in power or EM signatures. In this thesis, apart from the context describing the attack methodologies, efforts have also been dedicated to logic prototype, to mount extensive security investigations to countermeasures on logic-level. A characteristic of SCA resides on the format of leak sources. Typical side-channel attack concerns the power based analysis, where the fundamental capacitance from MOS transistors and other parasitic capacitances are the essential leak sources. Hence, a robust SCA-resistant logic must eliminate or mitigate the leakages from these micro units, such as basic logic gates, I/O ports and routings. The vendor provided EDA tools manipulate the logic from a higher behavioral-level, rather than the lower gate-level where side-channel leakage is generated. So, the classical implementations barely satisfy these needs and inevitably stunt the prototype. In this case, a customized and flexible design scheme is appealing to be devised. This thesis profiles an innovative logic style to counter SCA, which mainly addresses three major aspects: I. The proposed logic is based on the hiding strategy over gate-level dual-rail style to dynamically overbalance side-channel leakage from lower circuit layer; II. This logic exploits architectural features of modern FPGAs, to minimize the implementation expenses; III. It is supported by a set of assistant custom tools, incorporated by the generic FPGA design flow, to have circuit manipulations in an automatic manner. The automatic design toolkit supports the proposed dual-rail logic, facilitating the practical implementation on Xilinx FPGA families. While the methodologies and the tools are flexible to be expanded to a wide range of applications where rigid and sophisticated gate- or routing- constraints are desired. In this thesis a great effort is done to streamline the implementation workflow of generic dual-rail logic. The feasibility of the proposed solutions is validated by selected and widely used crypto algorithm, for thorough and fair evaluation w.r.t. prior solutions. All the proposals are effectively verified by security experiments. The presented research work attempts to solve the implementation troubles. The essence that will be formalized along this thesis is that a customized execution toolkit for modern FPGA systems is developed to work together with the generic FPGA design flow for creating innovative dual-rail logic. A method in crypto security area is constructed to obtain customization, automation and flexibility in low-level circuit prototype with fine-granularity in intractable routings. Main contributions of the presented work are summarized next: Precharge Absorbed-DPL logic: Using the netlist conversion to reserve free LUT inputs to execute the Precharge and Ex signal in a dual-rail logic style. A row-crossed interleaved placement method with identical routing pairs in dual-rail networks, which helps to increase the resistance against selective EM measurement and mitigate the impacts from process variations. Customized execution and automatic transformation tools for producing identical networks for the proposed dual-rail logic. (a) To detect and repair the conflict nets; (b) To detect and repair the asymmetric nets. (c) To be used in other logics where strict network control is required in Xilinx scenario. Customized correlation analysis testbed for EM and power attacks, including the platform construction, measurement method and attack analysis. A timing analysis based method for quantifying the security grades. A methodology of security partitions of complex crypto systems for reducing the protection cost. A proof-of-concept self-adaptive heating system to mitigate electrical impacts over process variations in dynamic dual-rail compensation manner. The thesis chapters are organized as follows: Chapter 1 discusses the side-channel attack fundamentals, which covers from theoretic basics to analysis models, and further to platform setup and attack execution. Chapter 2 centers to SCA-resistant strategies against generic power and EM attacks. In this chapter, a major contribution, a compact and secure dual-rail logic style, will be originally proposed. The logic transformation based on bottom-layer design will be presented. Chapter 3 is scheduled to elaborate the implementation challenges of generic dual-rail styles. A customized design flow to solve the implementation problems will be described along with a self-developed automatic implementation toolkit, for mitigating the design barriers and facilitating the processes. Chapter 4 will originally elaborate the tool specifics and construction details. The implementation case studies and security validations for the proposed logic style, as well as a sophisticated routing verification experiment, will be described in Chapter 5. Finally, a summary of thesis conclusions and perspectives for future work are included in Chapter 5. To better exhibit the thesis contents, each chapter is further described next: Chapter 1 provides the introduction of hardware implementation testbed and side-channel attack fundamentals, and mainly contains: (a) The FPGA generic architecture and device features, particularly of Virtex-5 FPGA; (b) The selected crypto algorithm - a commercially and extensively used Advanced Encryption Standard (AES) module - is detailed; (c) The essentials of Side-Channel methods are profiled. It reveals the correlated dissipation leakage to the internal behaviors, and the method to recover this relationship between the physical fluctuations in side-channel traces and the intra processed data; (d) The setups of the power/EM testing platforms enclosed inside the thesis work are given. The content of this thesis is expanded and deepened from chapter 2, which is divided into several aspects. First, the protection principle of dynamic compensation of the generic dual-rail precharge logic is explained by describing the compensated gate-level elements. Second, the novel DPL is originally proposed by detailing the logic protocol and an implementation case study. Third, a couple of custom workflows are shown next for realizing the rail conversion. Meanwhile, the technical definitions that are about to be manipulated above LUT-level netlist are clarified. A brief discussion about the batched process is given in the final part. Chapter 3 studies the implementation challenges of DPLs in FPGAs. The security level of state-of-the-art SCA-resistant solutions are decreased due to the implementation barriers using conventional EDA tools. In the studied FPGA scenario, problems are discussed from dual-rail format, parasitic impact, technological bias and implementation feasibility. According to these elaborations, two problems arise: How to implement the proposed logic without crippling the security level; and How to manipulate a large number of cells and automate the transformation. The proposed PA-DPL in chapter 2 is legalized with a series of initiatives, from structures to implementation methods. Furthermore, a self-adaptive heating system is depicted and implemented to a dual-core logic, assumed to alternatively adjust local temperature for balancing the negative impacts from silicon technological biases on real-time. Chapter 4 centers to the toolkit system. Built upon a third-party Application Program Interface (API) library, the customized toolkit is able to manipulate the logic elements from post P&R circuit (an unreadable binary version of the xdl one) converted to Xilinx xdl format. The mechanism and rationale of the proposed toolkit are carefully convoyed, covering the routing detection and repairing approaches. The developed toolkit aims to achieve very strictly identical routing networks for dual-rail logic both for separate and interleaved placement. This chapter particularly specifies the technical essentials to support the implementations in Xilinx devices and the flexibility to be expanded to other applications. Chapter 5 focuses on the implementation of the case studies for validating the security grades of the proposed logic style from the proposed toolkit. Comprehensive implementation techniques are discussed. (a) The placement impacts using the proposed toolkit are discussed. Different execution schemes, considering the global optimization in security and cost, are verified with experiments so as to find the optimized placement and repair schemes; (b) Security validations are realized with correlation, timing methods; (c) A systematic method is applied to a BCDL structured module to validate the routing impact over security metric; (d) The preliminary results using the self-adaptive heating system over process variation is given; (e) A practical implementation of the proposed toolkit to a large design is introduced. Chapter 6 includes the general summary of the complete work presented inside this thesis. Finally, a brief perspective for the future work is drawn which might expand the potential utilization of the thesis contributions to a wider range of implementation domains beyond cryptography on FPGAs.

Steady state analysis of a storage integrated solar thermophotovoltaic (SISTPV) system

This paper presents the theoretical analysis of a storage integrated solar thermophotovoltaic (SISTPV) system operating in steady state. These systems combine thermophotovoltaic (TPV) technology and high temperature thermal storage phase-change materials (PCM) in the same unit, providing a great potential in terms of efficiency, cost reduction and storage energy density. The main attraction in the proposed system is its simplicity and modularity compared to conventional Concentrated Solar Power (CSP) technologies. This is mainly due to the absence of moving parts. In this paper we analyze the use of Silicon as the phase change material (PCM). Silicon is an excellent candidate because of its high melting point (1680 K) and its very high latent heat of fusion of 1800 kJ/kg, which is about ten times greater than the conventional PCMs like molten salts. For a simple system configuration, we have demonstrated that overall conversion efficiencies up to ?35% are approachable. Although higher efficiencies are expected by incorporating more advanced devices like multijunction TPV cells, narrow band selective emitters or adopting near-field TPV configurations as well as by enhancing the convective/conductive heat transfer within the PCM. In this paper, we also discuss about the optimum system configurations and provide the general guidelines for designing these systems. Preliminary estimates of night time operations indicate it is possible to achieve over 10 h of operation with a relatively small quantity of Silicon.

Energy Storage Systems for Electric Vehicles: Performance Comparison based on a Simple Equivalent Circuit and Experimental Tests

The decision to select the most suitable type of energy storage system for an electric vehicle is always difficult, since many conditionings must be taken into account. Sometimes, this study can be made by means of complex mathematical models which represent the behavior of a battery, ultracapacitor or some other devices. However, these models are usually too dependent on parameters that are not easily available, which usually results in nonrealistic results. Besides, the more accurate the model, the more specific it needs to be, which becomes an issue when comparing systems of different nature. This paper proposes a practical methodology to compare different energy storage technologies. This is done by means of a linear approach of an equivalent circuit based on laboratory tests. Via these tests, the internal resistance and the self-discharge rate are evaluated, making it possible to compare different energy storage systems regardless their technology. Rather simple testing equipment is sufficient to give a comparative idea of the differences between each system, concerning issues such as efficiency, heating and self-discharge, when operating under a certain scenario. The proposed methodology is applied to four energy storage systems of different nature for the sake of illustration.

Durability of dielectric fluids for concentrating photovoltaic systems

Several dielectric fluids that might be used for immersing optics are analyzed in this paper. Their transmittances, both before and after an accelerated exposure to ultraviolet (UV) radiation equivalent to several years under real sun, are presented. In addition, the photocurrent losses caused by the decrease in transmittance experienced by each fluid are estimated for current III?V multijunction (MJ) solar cells. The most stable fluids were found to be paraffin and silicone oils whose transmittances remained practically unaltered after a UV dosage equivalent to 3 years of AM1.5D radiation.

Electrical energy balance contest in Solar Decathlon Europe 2012

Solar Decathlon Europe (SDE) is an international multidisciplinary competition in which 20 universityteams build and operate energy-efficient solar-powered houses. The aim of SDE is not only scientificbut also educational and divulgative, making visitors to understand the problems presented by realengineering applications and architecture. From a research perspective, the energy data gathered dur-ing the competition constitutes a very promising information for the analysis and understanding of thephotovoltaic systems, grid structures, energy balances and energy efficiency of the set of houses. Thisarticle focuses on the electrical energy components of SDE competition, the energy performance of thehouses and the strategies and behaviors followed by the teams. The rules evaluate the houses? electricalenergy self-sufficiency by looking at the electricity autonomy in terms of aggregated electrical energybalance; the temporary generation-consumption profile pattern correlation; and the use of electricityper measurable area. Although the houses are evaluated under the same climatological and consump-tion conditions, production results are very different due to the specific engineering solutions (differentelectrical topologies, presence or absence of batteries, diverse photovoltaic module solutions, etc.)

Distributed control strategies for photovoltaic systems in urban environments

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

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

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