Fertilization Management: Assessing New Techniques and Key Interactions to Increase Crop Yields With Less N2O Emissions

El óxido nitroso (N2O) es un potente gas de efecto invernadero (GHG) proveniente mayoritariamente de la fertilización nitrogenada de los suelos agrícolas. Identificar estrategias de manejo de la fertilización que reduzcan estas emisiones sin suponer un descenso de los rendimientos es vital tanto a nivel económico como medioambiental. Con ese propósito, en esta Tesis se han evaluado: (i) estrategias de manejo directo de la fertilización (inhibidores de la nitrificación/ureasa); y (ii) interacciones de los fertilizantes con (1) el manejo del agua, (2) residuos de cosecha y (3) diferentes especies de plantas. Para conseguirlo se llevaron a cabo meta-análisis, incubaciones de laboratorio, ensayos en invernadero y experimentos de campo. Los inhibidores de la nitrificación y de la actividad ureasa se proponen habitualmente como medidas para reducir las pérdidas de nitrógeno (N), por lo que su aplicación estaría asociada al uso eficiente del N por parte de los cultivos (NUE). Sin embargo, su efecto sobre los rendimientos es variable. Con el objetivo de evaluar en una primera fase su efectividad para incrementar el NUE y la productividad de los cultivos, se llevó a cabo un meta-análisis. Los inhibidores de la nitrificación dicyandiamide (DCD) y 3,4-dimetilepyrazol phosphate (DMPP) y el inhibidor de la ureasa N-(n-butyl) thiophosphoric triamide (NBPT) fueron seleccionados para el análisis ya que generalmente son considerados las mejores opciones disponibles comercialmente. Nuestros resultados mostraron que su uso puede ser recomendado con el fin de incrementar tanto el rendimiento del cultivo como el NUE (incremento medio del 7.5% y 12.9%, respectivamente). Sin embargo, se observó que su efectividad depende en gran medida de los factores medioambientales y de manejo de los estudios evaluados. Una mayor respuesta fue encontrada en suelos de textura gruesa, sistemas irrigados y/o en cultivos que reciben altas tasas de fertilizante nitrogenado. En suelos alcalinos (pH ≥ 8), el inhibidor de la ureasa NBPT produjo el mayor efecto. Dado que su uso representa un coste adicional para los agricultores, entender las mejores prácticas que permitan maximizar su efectividad es necesario para posteriormente realizar comparaciones efectivas con otras prácticas que incrementen la productividad de los cultivos y el NUE. En base a los resultados del meta-análisis, se seleccionó el NBPT como un inhibidor con gran potencial. Inicialmente desarrollado para reducir la volatilización de amoniaco (NH3), en los últimos años algunos investigadores han demostrado en estudios de campo un efecto mitigador de este inhibidor sobre las pérdidas de N2O provenientes de suelos fertilizados bajo condiciones de baja humedad del suelo. Dada la alta variabilidad de los experimentos de campo, donde la humedad del suelo cambia rápidamente, ha sido imposible entender mecanísticamente el potencial de los inhibidores de la ureasa (UIs) para reducir emisiones de N2O y su dependencia con respecto al porcentaje de poros llenos de agua del suelo (WFPS). Por lo tanto se realizó una incubación en laboratorio con el propósito de evaluar cuál es el principal mecanismo biótico tras las emisiones de N2O cuando se aplican UIs bajo diferentes condiciones de humedad del suelo (40, 60 y 80% WFPS), y para analizar hasta qué punto el WFPS regula el efecto del inhibidor sobre las emisiones de N2O. Un segundo UI (i.e. PPDA) fue utilizado para comparar el efecto del NBPT con el de otro inhibidor de la ureasa disponible comercialmente; esto nos permitió comprobar si el efecto de NBPT es específico de ese inhibidor o no. Las emisiones de N2O al 40% WFPS fueron despreciables, siendo significativamente más bajas que las de todos los tratamientos fertilizantes al 60 y 80% WFPS. Comparado con la urea sin inhibidor, NBPT+U redujo las emisiones de N2O al 60% WFPS pero no tuvo efecto al 80% WFPS. La aplicación de PPDA incrementó significativamente las emisiones con respecto a la urea al 80% WFPS mientras que no se encontró un efecto significativo al 60% WFPS. Al 80% WFPS la desnitrificación fue la principal fuente de las emisiones de N2O en todos los tratamientos mientras que al 60% tanto la nitrificación como la desnitrificación tuvieron un papel relevante. Estos resultados muestran que un correcto manejo del NBPT puede suponer una estrategia efectiva para mitigar las emisiones de N2O. Con el objetivo de trasladar nuestros resultados de los estudios previos a condiciones de campo reales, se desarrolló un experimento en el que se evaluó la efectividad del NBPT para reducir pérdidas de N y aumentar la productividad durante un cultivo de cebada (Hordeum vulgare L.) en secano Mediterráneo. Se determinó el rendimiento del cultivo, las concentraciones de N mineral del suelo, el carbono orgánico disuelto (DOC), el potencial de desnitrificación, y los flujos de NH3, N2O y óxido nítrico (NO). La adición del inhibidor redujo las emisiones de NH3 durante los 30 días posteriores a la aplicación de urea en un 58% y las emisiones netas de N2O y NO durante los 95 días posteriores a la aplicación de urea en un 86 y 88%, respectivamente. El uso de NBPT también incrementó el rendimiento en grano en un 5% y el consumo de N en un 6%, aunque ninguno de estos incrementos fue estadísticamente significativo. Bajo las condiciones experimentales dadas, estos resultados demuestran el potencial del inhibidor de la ureasa NBPT para mitigar las emisiones de NH3, N2O y NO provenientes de suelos arables fertilizados con urea, mediante la ralentización de la hidrólisis de la urea y posterior liberación de menores concentraciones de NH4 + a la capa superior del suelo. El riego por goteo combinado con la aplicación dividida de fertilizante nitrogenado disuelto en el agua de riego (i.e. fertirriego por goteo) se considera normalmente una práctica eficiente para el uso del agua y de los nutrientes. Algunos de los principales factores (WFPS, NH4 + y NO3 -) que regulan las emisiones de GHGs (i.e. N2O, CO2 y CH4) y NO pueden ser fácilmente manipulados por medio del fertirriego por goteo sin que se generen disminuciones del rendimiento. Con ese propósito se evaluaron opciones de manejo para reducir estas emisiones en un experimento de campo durante un cultivo de melón (Cucumis melo L.). Los tratamientos incluyeron distintas frecuencias de riego (semanal/diario) y tipos de fertilizantes nitrogenados (urea/nitrato cálcico) aplicados por fertirriego. Fertirrigar con urea en lugar de nitrato cálcico aumentó las emisiones de N2O y NO por un factor de 2.4 y 2.9, respectivamente (P < 0.005). El riego diario redujo las emisiones de NO un 42% (P < 0.005) pero aumentó las emisiones de CO2 un 21% (P < 0.05) comparado con el riego semanal. Analizando el Poder de Calentamiento global en base al rendimiento así como los factores de emisión del NO, concluimos que el fertirriego semanal con un fertilizante de tipo nítrico es la mejor opción para combinar productividad agronómica con sostenibilidad medioambiental en este tipo de agroecosistemas. Los suelos agrícolas en las áreas semiáridas Mediterráneas se caracterizan por su bajo contenido en materia orgánica y bajos niveles de fertilidad. La aplicación de residuos de cosecha y/o abonos es una alternativa sostenible y eficiente desde el punto de vista económico para superar este problema. Sin embargo, estas prácticas podrían inducir cambios importantes en las emisiones de N2O de estos agroecosistemas, con impactos adicionales en las emisiones de CO2. En este contexto se llevó a cabo un experimento de campo durante un cultivo de cebada (Hordeum vulgare L.) bajo condiciones Mediterráneas para evaluar el efecto de combinar residuos de cosecha de maíz con distintos inputs de fertilizantes nitrogenados (purín de cerdo y/o urea) en estas emisiones. La incorporación de rastrojo de maíz incrementó las emisiones de N2O durante el periodo experimental un 105%. Sin embargo, las emisiones de NO se redujeron significativamente en las parcelas enmendadas con rastrojo. La sustitución parcial de urea por purín de cerdo redujo las emisiones netas de N2O un 46 y 39%, con y sin incorporación de residuo de cosecha respectivamente. Las emisiones netas de NO se redujeron un 38 y un 17% para estos mismos tratamientos. El ratio molar DOC:NO3 - demostró predecir consistentemente las emisiones de N2O y NO. El efecto principal de la interacción entre el fertilizante nitrogenado y el rastrojo de maíz se dio a los 4-6 meses de su aplicación, generando un aumento del N2O y una disminución del NO. La sustitución de urea por purín de cerdo puede considerarse una buena estrategia de manejo dado que el uso de este residuo orgánico redujo las emisiones de óxidos de N. Los pastos de todo el mundo proveen numerosos servicios ecosistémicos pero también suponen una importante fuente de emisión de N2O, especialmente en respuesta a la deposición de N proveniente del ganado mientras pasta. Para explorar el papel de las plantas como mediadoras de estas emisiones, se analizó si las emisiones de N2O dependen de la riqueza en especies herbáceas y/o de la composición específica de especies, en ausencia y presencia de una deposición de orina. Las hipótesis fueron: 1) las emisiones de N2O tienen una relación negativa con la productividad de las plantas; 2) mezclas de cuatro especies generan menores emisiones que monocultivos (dado que su productividad será mayor); 3) las emisiones son menores en combinaciones de especies con distinta morfología radicular y alta biomasa de raíz; y 4) la identidad de las especies clave para reducir el N2O depende de si hay orina o no. Se establecieron monocultivos y mezclas de dos y cuatro especies comunes en pastos con rasgos funcionales divergentes: Lolium perenne L. (Lp), Festuca arundinacea Schreb. (Fa), Phleum pratense L. (Php) y Poa trivialis L. (Pt), y se cuantificaron las emisiones de N2O durante 42 días. No se encontró relación entre la riqueza en especies y las emisiones de N2O. Sin embargo, estas emisiones fueron significativamente menores en ciertas combinaciones de especies. En ausencia de orina, las comunidades de plantas Fa+Php actuaron como un sumidero de N2O, mientras que los monocultivos de estas especies constituyeron una fuente de N2O. Con aplicación de orina la comunidad Lp+Pt redujo (P < 0.001) las emisiones de N2O un 44% comparado con los monocultivos de Lp. Las reducciones de N2O encontradas en ciertas combinaciones de especies pudieron explicarse por una productividad total mayor y por una complementariedad en la morfología radicular. Este estudio muestra que la composición de especies herbáceas es un componente clave que define las emisiones de N2O de los ecosistemas de pasto. La selección de combinaciones de plantas específicas en base a la deposición de N esperada puede, por lo tanto, ser clave para la mitigación de las emisiones de N2O. ABSTRACT Nitrous oxide (N2O) is a potent greenhouse gas (GHG) directly linked to applications of nitrogen (N) fertilizers to agricultural soils. Identifying mitigation strategies for these emissions based on fertilizer management without incurring in yield penalties is of economic and environmental concern. With that aim, this Thesis evaluated: (i) the use of nitrification and urease inhibitors; and (ii) interactions of N fertilizers with (1) water management, (2) crop residues and (3) plant species richness/identity. Meta-analysis, laboratory incubations, greenhouse mesocosm and field experiments were carried out in order to understand and develop effective mitigation strategies. Nitrification and urease inhibitors are proposed as means to reduce N losses, thereby increasing crop nitrogen use efficiency (NUE). However, their effect on crop yield is variable. A meta-analysis was initially conducted to evaluate their effectiveness at increasing NUE and crop productivity. Commonly used nitrification inhibitors (dicyandiamide (DCD) and 3,4-dimethylepyrazole phosphate (DMPP)) and the urease inhibitor N-(n-butyl) thiophosphoric triamide (NBPT) were selected for analysis as they are generally considered the best available options. Our results show that their use can be recommended in order to increase both crop yields and NUE (grand mean increase of 7.5% and 12.9%, respectively). However, their effectiveness was dependent on the environmental and management factors of the studies evaluated. Larger responses were found in coarse-textured soils, irrigated systems and/or crops receiving high nitrogen fertilizer rates. In alkaline soils (pH ≥ 8), the urease inhibitor NBPT produced the largest effect size. Given that their use represents an additional cost for farmers, understanding the best management practices to maximize their effectiveness is paramount to allow effective comparison with other practices that increase crop productivity and NUE. Based on the meta-analysis results, NBPT was identified as a mitigation option with large potential. Urease inhibitors (UIs) have shown to promote high N use efficiency by reducing ammonia (NH3) volatilization. In the last few years, however, some field researches have shown an effective mitigation of UIs over N2O losses from fertilized soils under conditions of low soil moisture. Given the inherent high variability of field experiments where soil moisture content changes rapidly, it has been impossible to mechanistically understand the potential of UIs to reduce N2O emissions and its dependency on the soil water-filled pore space (WFPS). An incubation experiment was carried out aiming to assess what is the main biotic mechanism behind N2O emission when UIs are applied under different soil moisture conditions (40, 60 and 80% WFPS), and to analyze to what extent the soil WFPS regulates the effect of the inhibitor over N2O emissions. A second UI (i.e. PPDA) was also used aiming to compare the effect of NBPT with that of another commercially available urease inhibitor; this allowed us to see if the effect of NBPT was inhibitor-specific or not. The N2O emissions at 40% WFPS were almost negligible, being significantly lower from all fertilized treatments than that produced at 60 and 80% WFPS. Compared to urea alone, NBPT+U reduced the N2O emissions at 60% WFPS but had no effect at 80% WFPS. The application of PPDA significantly increased the emissions with respect to U at 80% WFPS whereas no significant effect was found at 60% WFPS. At 80% WFPS denitrification was the main source of N2O emissions for all treatments. Both nitrification and denitrification had a determinant role on these emissions at 60% WFPS. These results suggest that adequate management of the UI NBPT can provide, under certain soil conditions, an opportunity for N2O mitigation. We translated our previous results to realistic field conditions by means of a field experiment with a barley crop (Hordeum vulgare L.) under rainfed Mediterranean conditions in which we evaluated the effectiveness of NBPT to reduce N losses and increase crop yields. Crop yield, soil mineral N concentrations, dissolved organic carbon (DOC), denitrification potential, NH3, N2O and nitric oxide (NO) fluxes were measured during the growing season. The inclusion of the inhibitor reduced NH3 emissions in the 30 d following urea application by 58% and net N2O and NO emissions in the 95 d following urea application by 86 and 88%, respectively. NBPT addition also increased grain yield by 5% and N uptake by 6%, although neither increase was statistically significant. Under the experimental conditions presented here, these results demonstrate the potential of the urease inhibitor NBPT in abating NH3, N2O and NO emissions from arable soils fertilized with urea, slowing urea hydrolysis and releasing lower concentrations of NH4 + to the upper soil layer. Drip irrigation combined with split application of N fertilizer dissolved in the irrigation water (i.e. drip fertigation) is commonly considered best management practice for water and nutrient efficiency. Some of the main factors (WFPS, NH4 + and NO3 -) regulating the emissions of GHGs (i.e. N2O, carbon dioxide (CO2) and methane (CH4)) and NO can easily be manipulated by drip fertigation without yield penalties. In this study, we tested management options to reduce these emissions in a field experiment with a melon (Cucumis melo L.) crop. Treatments included drip irrigation frequency (weekly/daily) and type of N fertilizer (urea/calcium nitrate) applied by fertigation. Crop yield, environmental parameters, soil mineral N concentrations, N2O, NO, CH4, and CO2 fluxes were measured during the growing season. Fertigation with urea instead of calcium nitrate increased N2O and NO emissions by a factor of 2.4 and 2.9, respectively (P < 0.005). Daily irrigation reduced NO emissions by 42% (P < 0.005) but increased CO2 emissions by 21% (P < 0.05) compared with weekly irrigation. Based on yield-scaled Global Warming Potential as well as NO emission factors, we conclude that weekly fertigation with a NO3 --based fertilizer is the best option to combine agronomic productivity with environmental sustainability. Agricultural soils in semiarid Mediterranean areas are characterized by low organic matter contents and low fertility levels. Application of crop residues and/or manures as amendments is a cost-effective and sustainable alternative to overcome this problem. However, these management practices may induce important changes in the nitrogen oxide emissions from these agroecosystems, with additional impacts on CO2 emissions. In this context, a field experiment was carried out with a barley (Hordeum vulgare L.) crop under Mediterranean conditions to evaluate the effect of combining maize (Zea mays L.) residues and N fertilizer inputs (organic and/or mineral) on these emissions. Crop yield and N uptake, soil mineral N concentrations, dissolved organic carbon (DOC), denitrification capacity, N2O, NO and CO2 fluxes were measured during the growing season. The incorporation of maize stover increased N2O emissions during the experimental period by c. 105 %. Conversely, NO emissions were significantly reduced in the plots amended with crop residues. The partial substitution of urea by pig slurry reduced net N2O emissions by 46 and 39 %, with and without the incorporation of crop residues respectively. Net emissions of NO were reduced 38 and 17 % for the same treatments. Molar DOC:NO3 - ratio was found to be a robust predictor of N2O and NO fluxes. The main effect of the interaction between crop residue and N fertilizer application occurred in the medium term (4-6 month after application), enhancing N2O emissions and decreasing NO emissions as consequence of residue incorporation. The substitution of urea by pig slurry can be considered a good management strategy since N2O and NO emissions were reduced by the use of the organic residue. Grassland ecosystems worldwide provide many important ecosystem services but they also function as a major source of N2O, especially in response to N deposition by grazing animals. In order to explore the role of plants as mediators of these emissions, we tested whether and how N2O emissions are dependent on grass species richness and/or specific grass species composition in the absence and presence of urine deposition. We hypothesized that: 1) N2O emissions relate negatively to plant productivity; 2) four-species mixtures have lower emissions than monocultures (as they are expected to be more productive); 3) emissions are lowest in combinations of species with diverging root morphology and high root biomass; and 4) the identity of the key species that reduce N2O emissions is dependent on urine deposition. We established monocultures and two- and four-species mixtures of common grass species with diverging functional traits: Lolium perenne L. (Lp), Festuca arundinacea Schreb. (Fa), Phleum pratense L. (Php) and Poa trivialis L. (Pt), and quantified N2O emissions for 42 days. We found no relation between plant species richness and N2O emissions. However, N2O emissions were significantly reduced in specific plant species combinations. In the absence of urine, plant communities of Fa+Php acted as a sink for N2O, whereas the monocultures of these species constituted a N2O source. With urine application Lp+Pt plant communities reduced (P < 0.001) N2O emissions by 44% compared to monocultures of Lp. Reductions in N2O emissions by species mixtures could be explained by total biomass productivity and by complementarity in root morphology. Our study shows that plant species composition is a key component underlying N2O emissions from grassland ecosystems. Selection of specific grass species combinations in the context of the expected nitrogen deposition regimes may therefore provide a key management practice for mitigation of N2O emissions.

New concepts and techniques for the development of high-efficiency concentrating photovoltaic modules

El interés por los sistemas fotovoltaicos de concentración (CPV) ha resurgido en los últimos años amparado por el desarrollo de células multiunión de muy alta eficiencia basadas en semiconductores de los grupos III-V. Estas células han permitido obtener módulos de concentración con eficiencias que prácticamente duplican las del panel plano y que llegan al 35% en los módulos récord. Esta tesis está dedicada al diseño y la implementación experimental de nuevos conceptos que permitan obtener módulos CPV que no sólo alcancen una eficiencia alta en condiciones estándar sino que, además, sean lo suficientemente tolerantes a errores de montaje, seguimiento, temperatura y variaciones espectrales para que la energía que producen a lo largo del año sea máxima. Una de las primeras cuestiones que se abordan es el diseño de elementos ópticos secundarios para sistemas cuyo primario es una lente de Fresnel y que permiten, para una concentración fija, aumentar el ángulo de aceptancia y la tolerancia del sistema. Varios secundarios reflexivos y refractivos han sido diseñados y analizados mediante trazado de rayos. En particular, utilizando óptica anidólica y basándose en el diseño de una sola etapa conocido como ‘concentrador dieléctrico que funciona por reflexión total interna‘, se ha diseñado, fabricado y caracterizado un secundario con salida cuadrada que, usado junto con una lente de Fresnel, permite alcanzar simultáneamente una elevada eficiencia, concentración y aceptancia. Además, se ha propuesto y prototipado un método alternativo de fabricación para otro de los secundarios, denominado domo, consistente en el sobremoldeo de silicona sobre células solares. Una de las características que impregna todo el trabajo realizado en esta tesis es la aproximación holística en el diseño de módulos CPV, es decir, se ha prestado especial atención al diseño conjunto de la célula y la óptica para garantizar que el sistema total alcance la mayor eficiencia posible. En este sentido muchos sistemas ópticos desarrollados en esta tesis han sido diseñados, caracterizados y optimizados teniendo en cuenta que el ajuste de corriente entre las distintas subcélulas que comprenden la célula multiunión bajo el concentrador sea muy próximo a uno. La capa antirreflectante sobre la célula funciona, en cierto modo, como interfaz entre la óptica y la célula, por lo que se ha diseñado un método de optimización de capas antirreflectantes que considera no sólo el amplio rango de longitudes de onda para el que las células multiunión son sensibles sino también la distribución angular de intensidad sobre la célula creada por la óptica de concentración. Además, la cuestión de la falta de uniformidad también se ha abordado mediante la comparación de las distribuciones espectrales y espaciales de irradiancia que crean diferentes ópticas (simuladas mediante trazado de rayos y fotografiadas) y las pérdidas de eficiencia que experimentan las células iluminadas por dichas ópticas de concentración medidas experimentalmente. El efecto de la temperatura en la óptica de concentración también ha sido objeto de estudio de esta tesis. En particular, mediante simulaciones de elementos finitos se han dado los primeros pasos para el análisis de las deformaciones que sufren los dientes de las lentes de Fresnel híbridas (vidrio-silicona), así como el cambio de índice de refracción con la temperatura y la influencia de ambos efectos sobre el funcionamiento de los sistemas. Se ha implementado un modelo que tiene por objeto considerar las variaciones ambientales, principalmente temperatura y contenido espectral de la radiación directa, así como las sensibilidades térmica y espectral de los sistemas CPV, con el fin de maximizar la energía producida por un módulo de concentración a lo largo de un año en un emplazamiento determinado. Los capítulos 5 y 6 de este libro están dedicados al diseño, fabricación y caracterización de un nuevo concepto de módulo fotovoltaico denominado FluidReflex y basado en una única etapa reflexiva con dieléctrico fluido. En este nuevo concepto la presencia del fluido aporta algunas ventajas significativas como son: un aumento del producto concentración por aceptancia (CAP, en sus siglas en inglés) alcanzable al rodear la célula con un medio cuyo índice de refracción es mayor que uno, una mejora de la eficiencia óptica al disminuir las pérdidas por reflexión de Fresnel en varias interfaces, una mejora de la disipación térmica ya que el calor que se concentra junto a la célula se trasmite por convección natural y conducción en el fluido y un aislamiento eléctrico mejorado. Mediante la construcción y medida de varios prototipos de unidad elemental se ha demostrado que no existe ninguna razón fundamental que impida la implementación práctica del concepto teórico alcanzando una elevada eficiencia. Se ha realizado un análisis de fluidos candidatos probando la existencia de al menos dos de ellos que cumplen todos los requisitos (en particular el de estabilidad bajo condiciones de luz concentrada) para formar parte del sistema de concentración FluidReflex. Por ´ultimo, se han diseñado, fabricado y caracterizado varios prototipos preindustriales de módulos FluidReflex para lo cual ha sido necesario optimizar el proceso de fabricación de la óptica multicavidad a fin de mantener el buen comportamiento óptico obtenido en la fabricación de la unidad elemental. Los distintos prototipos han sido medidos, tanto en el laboratorio como bajo el sol real, analizando el ajuste de corriente de la célula iluminada por el concentrador FluidReflex bajo diferentes distribuciones espectrales de la radiación incidente así como el excelente comportamiento térmico del módulo. ABSTRACT A renewed interest in concentrating photovoltaic (CPV) systems has emerged in recent years encouraged by the development of high-efficiency multijunction solar cells based in IIIV semiconductors that have led to CPV module efficiencies which practically double that of flat panel PV and which reach 35% for record modules. This thesis is devoted to the design and experimental implementation of new concepts for obtaining CPV modules that not only achieve high efficiency under standard conditions but also have such a wide tolerance to assembly errors, tracking, temperature and spectral variations, that the energy generated by them throughout the year is maximized. One of the first addressed issues is the design of secondary optical elements whose primary optics is a Fresnel lens and which, for a fixed concentration, allow an increased acceptance angle and tolerance of the system. Several reflective and refractive secondaries have been designed and analyzed using ray tracing. In particular, using nonimaging optics and based on the single-stage design known as ‘dielectric totally internally reflecting concentrator’, a secondary with square output has been designed, fabricated and characterized. Used together with a Fresnel lens, the secondary can simultaneously achieve high efficiency, concentration and acceptance. Furthermore, an alternative method has been proposed and prototyped for the fabrication of the secondary named dome. The optics is manufactured by direct overmolding of silicone over the solar cells. One characteristic that permeates all the work done in this thesis is the holistic approach in the design of CPV modules, meaning that special attention has been paid to the joint design of the solar cell and the optics to ensure that the total system achieves the highest attainable efficiency. In this regard, many optical systems developed in the thesis have been designed, characterized and optimized considering that the current matching among the subcells within the multijunction solar cell beneath the optics must be close to one. Antireflective coating over the cell acts, somehow, as an interface between the optics and the cell. Consequently, a method has been designed to optimize antireflective coatings that takes into account not only the broad wavelength range that multijunction solar cells are sensitive to but also the angular intensity distribution created by the concentrating optics. In addition, the issue of non-uniformity has also been addressed by comparing the spectral and spatial distributions of irradiance created by different optics (simulated by ray tracing and photographed) and the efficiency losses experienced by cells illuminated by those concentrating optics experimentally determined. The effect of temperature on the concentrating optics has also been studied in this thesis. In particular, finite element simulations have been use to analyze the deformations experienced by the facets of hybrid (silicon-glass) Fresnel lenses, the change of refractive index with temperature and the influence of both effects on the system performance. A model has been implemented which take into consideration atmospheric variations, mainly temperature and spectral content of the direct normal irradiance, as well as thermal and spectral sensitivities of systems, with the aim of maximizing the energy harvested by a CPV module throughout the year in a particular location. Chapters 5 and 6 of this book are devoted to the design, fabrication, and characterization of a new concentrator concept named FluidReflex and based on a single-stage reflective optics with fluid dielectric. In this new concept, the presence of the fluid provides some significant advantages such as: an increased concentration acceptance angle product (CAP) achievable by surrounding the cell with a medium whose refractive index is greater than one, an improvement of the optical efficiency by reducing losses due to Fresnel reflection at several interfaces, an improvement in heat dissipation as the heat concentrated near the cell is transmitted by natural convection and conduction in the fluid, and an improved electrical insulation. By fabricating and characterizing several elementary-unit prototypes it was shown that there is no fundamental reason that prevents the practical implementation of this theoretical concept reaching high efficiency. Several fluid candidates were investigated proving the existence of at least to fluids that meet all the requirements (including the stability under concentrated light) to become part of the FluidReflex concentrator. Finally, several pre-industrial FluidReflex module prototypes have been designed and fabricated. An optimization process for the manufacturing of the multicavity optics was necessary to attain such an optics quality as the one achieved by the single unit. The module prototypes have been measured, both indoors and outdoors, analyzing the current matching of the solar cells beneath the concentrator for different spectral distribution of the incident irradiance. Additionally, the module showed an excellent thermal performance.

Application of NMR techniques for the evaluation of fruit internal quality and physical properties of food

Los alimentos son sistemas complejos, formados por diversas estructuras a diferentes escalas: macroscópica y microscópica. Muchas propiedades de los alimentos, que son importantes para su procesamiento, calidad y tratamiento postcosecha, están relacionados con su microestructura. La presente tesis doctoral propone una metodología completa para la determinación de la estructura de alimentos desde un punto de vista multi-escala, basándose en métodos de Resonancia Magnética Nuclear (NMR). Las técnicas de NMR son no invasivas y no destructivas y permiten el estudio tanto de macro- como de microestructura. Se han utilizado distintos procedimientos de NMR dependiendo del nivel que se desea estudiar. Para el nivel macroestructural, la Imagen de Resonancia Magnética (MRI) ha resultado ser muy útil para la caracterización de alimentos. Para el estudio microestructural, la MRI requiere altos tiempos de adquisición, lo que hace muy difícil la transferencia de esta técnica a aplicaciones en industria. Por tanto, la optimización de procedimientos de NMR basados en secuencias relaxometría 2D T1/T2 ha resultado ser una estrategia primordial en esta tesis. Estos protocolos de NMR se han implementado satisfactoriamente por primera vez en alto campo magnético. Se ha caracterizado la microestructura de productos alimentarios enteros por primera vez utilizando este tipo de protocolos. Como muestras, se han utilizado dos tipos de productos: modelos de alimentos y alimentos reales (manzanas). Además, como primer paso para su posterior implementación en la industria agroalimentaria, se ha mejorado una línea transportadora, especialmente diseñada para trabajar bajo condiciones de NMR en trabajos anteriores del grupo LPF-TAGRALIA. Se han estudiado y seleccionado las secuencias más rápidas y óptimas para la detección de dos tipos de desórdenes internos en manzanas: vitrescencia y roturas internas. La corrección de las imágenes en movimiento se realiza en tiempo real. Asimismo, se han utilizado protocolos de visión artificial para la clasificación automática de manzanas potencialmente afectadas por vitrescencia. El presente documento está dividido en diferentes capítulos: el Capítulo 2 explica los antecedentes de la presente tesis y el marco del proyecto en el que se ha desarrollado. El Capítulo 3 recoge el estado del arte. El Capítulo 4 establece los objetivos de esta tesis doctoral. Los resultados se dividen en cinco sub-secciones (dentro del Capítulo 5) que corresponden con los trabajos publicados bien en revistas revisadas por pares, bien en congresos internacionales o bien como capítulos de libros revisados por pares. La Sección 5.1. es un estudio del desarrollo de la vitrescencia en manzanas mediante MRI y lo relaciona con la posición de la fruta dentro de la copa del árbol. La Sección 5.2 presenta un trabajo sobre macro- y microestructura en modelos de alimentos. La Sección 5.3 es un artículo en revisión en una revista revisada por pares, en el que se hace un estudio microestrcutural no destructivo mediante relaxometría 2D T1/T2. la Sección 5.4, hace una comparación entre manzanas afectadas por vitrescencia mediante dos técnicas: tomografía de rayos X e MRI, en manzana. Por último, en la Sección 5.5 se muestra un trabajo en el que se hace un estudio de secuencias de MRI en línea para la evaluación de calidad interna en manzanas. Los siguientes capítulos ofrecen una discusión y conclusiones (Capítulo 6 y 7 respectivamente) de todos los capítulos de esta tesis doctoral. Finalmente, se han añadido tres apéndices: el primero con una introducción de los principios básicos de resonancia magnética nuclear (NMR) y en los otros dos, se presentan sendos estudios sobre el efecto de las fibras en la rehidratación de cereales de desayuno extrusionados, mediante diversas técnicas. Ambos trabajos se presentaron en un congreso internacional. Los resultados más relevantes de la presente tesis doctoral, se pueden dividir en tres grandes bloques: resultados sobre macroestructura, resultados sobre microestructura y resultados sobre MRI en línea. Resultados sobre macroestructura: - La imagen de resonancia magnética (MRI) se aplicó satisfactoriamente para la caracterización de macroestructura. En particular, la reconstrucción 3D de imágenes de resonancia magnética permitió identificar y caracterizar dos tipos distintos de vitrescencia en manzanas: central y radial, que se caracterizan por el porcentaje de daño y la conectividad (número de Euler). - La MRI proveía un mejor contraste para manzanas afectadas por vitrescencia que las imágenes de tomografía de rayos X (X-Ray CT), como se pudo verificar en muestras idénticas de manzana. Además, el tiempo de adquisición de la tomografía de rayos X fue alrededor de 12 veces mayor (25 minutos) que la adquisición de las imágenes de resonancia magnética (2 minutos 2 segundos). Resultados sobre microestructura: - Para el estudio de microestructura (nivel subcelular) se utilizaron con éxito secuencias de relaxometría 2D T1/T2. Estas secuencias se usaron por primera vez en alto campo y sobre piezas de alimento completo, convirtiéndose en una forma no destructiva de llevar a cabo estudios de microestructura. - El uso de MRI junto con relaxometría 2D T1/T2 permite realizar estudios multiescala en alimentos de forma no destructiva. Resultados sobre MRI en línea: - El uso de imagen de resonancia magnética en línea fue factible para la identificación de dos tipos de desórdenes internos en manzanas: vitrescencia y podredumbre interna. Las secuencias de imagen tipo FLASH resultaron adecuadas para la identificación en línea de vitrescencia en manzanas. Se realizó sin selección de corte, debido a que la vitrescencia puede desarrollarse en cualquier punto del volumen de la manzana. Se consiguió reducir el tiempo de adquisición, de modo que se llegaron a adquirir 1.3 frutos por segundos (758 ms por fruto). Las secuencias de imagen tipo UFLARE fueron adecuadas para la detección en línea de la podredumbre interna en manzanas. En este caso, se utilizó selección de corte, ya que se trata de un desorden que se suele localizar en la parte central del volumen de la manzana. Se consiguió reducir el tiempo de adquisicón hasta 0.67 frutos por segundo (1475 ms por fruto). En ambos casos (FLASH y UFLARE) fueron necesarios algoritmos para la corrección del movimiento de las imágenes en tiempo real. ABSTRACT Food is a complex system formed by several structures at different scales: macroscopic and microscopic. Many properties of foods that are relevant to process engineering or quality and postharvest treatments are related to their microstructure. This Ph.D Thesis proposes a complete methodology for food structure determination, in a multiscale way, based on the Nuclear Magnetic Resonance (NMR) phenomenon since NMR techniques are non-invasive and non-destructive, and allow both, macro- and micro-structure study. Different NMR procedures are used depending on the structure level under study. For the macrostructure level, Magnetic Resonance Imaging (MRI) revealed its usefulness for food characterization. For microstructure insight, MRI required high acquisition times, which is a hindrance for transference to industry applications. Therefore, optimization of NMR procedures based on T1/T2 relaxometry sequences was a key strategy in this Thesis. These NMR relaxometry protocols, are successfully implemented in high magnetic field. Microstructure of entire food products have been characterized for the first time using these protocols. Two different types of food products have been studied: food models and actual food (apples). Furthermore, as a first step for the food industry implementation, a grading line system, specially designed for working under NMR conditions in previous works of the LPF-TAGRALIA group, is improved. The study and selection of the most suitable rapid sequence to detect two different types of disorders in apples (watercore and internal breakdown) is performed and the real time image motion correction is applied. In addition, artificial vision protocols for the automatic classification of apples potentially affected by watercore are applied. This document is divided into seven different chapters: Chapter 2 explains the thesis background and the framework of the project in which it has been worked. Chapter 3 comprises the state of the art. Chapter 4 establishes de objectives of this Ph.D thesis. The results are divided into five different sections (in Chapter 5) that correspond to published peered reviewed works. Section 5.1 assesses the watercore development in apples with MRI and studies the effect of fruit location in the canopy. Section 5.2 is an MRI and 2D relaxometry study for macro- and microstructure assessment in food models. Section 5.3 is a non-destructive microstructural study using 2D T1/T2 relaxometry on watercore affected apples. Section 5.4 makes a comparison of X-ray CT and MRI on watercore disorder of different apple cultivars. Section 5.5, that is a study of online MRI sequences for the evaluation of apple internal quality. The subsequent chapters offer a general discussion and conclusions (Chapter 6 and Chapter 7 respectively) of all the works performed in the frame of this Ph.D thesis (two peer reviewed journals, one book chapter and one international congress).Finally, three appendices are included in which an introduction to NMR principles is offered and two published proceedings regarding the effect of fiber on the rehydration of extruded breakfast cereal are displayed. The most relevant results can be summarized into three sections: results on macrostructure, results on microstructure and results on on-line MRI. Results on macrostructure: - MRI was successfully used for macrostructure characterization. Indeed, 3D reconstruction of MRI in apples allows to identify two different types of watercore (radial and block), which are characterized by the percentage of damage and the connectivity (Euler number). - MRI provides better contrast for watercore than X-Ray CT as verified on identical samples. Furthermore, X-Ray CT images acquisition time was around 12 times higher (25 minutes) than MRI acquisition time (2 minutes 2 seconds). Results on microstructure: - 2D T1/T2 relaxometry were successfully applied for microstructure (subcellular level) characterization. 2D T1/T2 relaxometry sequences have been applied for the first time on high field for entire food pieces, being a non-destructive way to achieve microstructure study. - The use of MRI together with 2D T1/T2 relaxometry sequences allows a non-destructive multiscale study of food. Results on on-line MRI: - The use of on-line MRI was successful for the identification of two different internal disorders in apples: watercore and internal breakdown. FLASH imaging was a suitable technique for the on-line detection of watercore disorder in apples, with no slice selection, since watercore is a physiological disorder that may be developed anywhere in the apple volume. 1.3 fruits were imaged per second (768 ms per fruit). UFLARE imaging is a suitable sequence for the on-line detection of internal breakdown disorder in apples. Slice selection was used, as internal breakdown is usually located in the central slice of the apple volume. 0.67 fruits were imaged per second (1475 ms per fruit). In both cases (FLASH and UFLARE) motion correction was performed in real time, during the acquisition of the images.

Research on wide-bandgap intermediate band solar cells and development of experimental techniques for their characterization

El trabajo que ha dado lugar a esta Tesis Doctoral se enmarca en la invesitagación en células solares de banda intermedia (IBSCs, por sus siglas en inglés). Se trata de un nuevo concepto de célula solar que ofrece la posibilidad de alcanzar altas eficiencias de conversión fotovoltaica. Hasta ahora, se han demostrado de manera experimental los fundamentos de operación de las IBSCs; sin embargo, esto tan sólo has sido posible en condicines de baja temperatura. El concepto de banda intermedia (IB, por sus siglas en inglés) exige que haya desacoplamiento térmico entre la IB y las bandas de valencia y conducción (VB and CB, respectivamente, por sus siglas en inglés). Los materiales de IB actuales presentan un acoplamiento térmico demasiado fuerte entre la IB y una de las otras dos bandas, lo cual impide el correcto funcionamiento de las IBSCs a temperatura ambiente. En el caso particular de las IBSCs fabricadas con puntos cuánticos (QDs, por sus siglas en inglés) de InAs/GaAs - a día de hoy, la tecnología de IBSC más estudiada - , se produce un rápido intercambio de portadores entre la IB y la CB, por dos motivos: (1) una banda prohibida estrecha (< 0.2 eV) entre la IB y la CB, E^, y (2) la existencia de niveles electrónicos entre ellas. El motivo (1) implica, a su vez, que la máxima eficiencia alcanzable en estos dispositivos es inferior al límite teórico de la IBSC ideal, en la cual E^ = 0.71 eV. En este contexto, nuestro trabajo se centra en el estudio de IBSCs de alto gap (o banda prohibida) fabricadsas con QDs, o lo que es lo mismo, QD-IBSCs de alto gap. Hemos fabricado e investigado experimentalmente los primeros prototipos de QD-IBSC en los que se utiliza AlGaAs o InGaP para albergar QDs de InAs. En ellos demostramos une distribución de gaps mejorada con respecto al caso de InAs/GaAs. En concreto, hemos medido valores de E^ mayores que 0.4 eV. En los prototipos de InAs/AlGaAs, este incremento de E^ viene acompaado de un incremento, en más de 100 meV, de la energía de activación del escape térmico. Además, nuestros dispositivos de InAs/AlGaAs demuestran conversión a la alza de tensión; es decir, la producción de una tensión de circuito abierto mayor que la energía de los fotones (dividida por la carga del electrón) de un haz monocromático incidente, así como la preservación del voltaje a temperaura ambiente bajo iluminación de luz blanca concentrada. Asimismo, analizamos el potencial para detección infrarroja de los materiales de IB. Presentamos un nuevo concepto de fotodetector de infrarrojos, basado en la IB, que hemos llamado: fotodetector de infrarrojos activado ópticamente (OTIP, por sus siglas en inglés). Nuestro novedoso dispositivo se basa en un nuevo pricipio físico que permite que la detección de luz infrarroja sea conmutable (ON y OFF) mediante iluminación externa. Hemos fabricado un OTIP basado en QDs de InAs/AlGaAs con el que demostramos fotodetección, bajo incidencia normal, en el rango 2-6/xm, activada ópticamente por un diodoe emisor de luz de 590 nm. El estudio teórico del mecanismo de detección asistido por la IB en el OTIP nos lleva a poner en cuestión la asunción de quasi-niveles de Fermi planos en la zona de carga del espacio de una célula solar. Apoyados por simuaciones a nivel de dispositivo, demostramos y explicamos por qué esta asunción no es válida en condiciones de corto-circuito e iluminación. También llevamos a cabo estudios experimentales en QD-IBSCs de InAs/AlGaAs con la finalidad de ampliar el conocimiento sobre algunos aspectos de estos dispositivos que no han sido tratados aun. En particular, analizamos el impacto que tiene el uso de capas de disminución de campo (FDLs, por sus siglas en inglés), demostrando su eficiencia para evitar el escape por túnel de portadores desde el QD al material anfitrión. Analizamos la relación existente entre el escape por túnel y la preservación del voltaje, y proponemos las medidas de eficiencia cuántica en función de la tensión como una herramienta útil para evaluar la limitación del voltaje relacionada con el túnel en QD-IBSCs. Además, realizamos medidas de luminiscencia en función de la temperatura en muestras de InAs/GaAs y verificamos que los resltados obtenidos están en coherencia con la separación de los quasi-niveles de Fermi de la IB y la CB a baja temperatura. Con objeto de contribuir a la capacidad de fabricación y caracterización del Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid (IES-UPM), hemos participado en la instalación y puesta en marcha de un reactor de epitaxia de haz molecular (MBE, por sus siglas en inglés) y el desarrollo de un equipo de caracterización de foto y electroluminiscencia. Utilizando dicho reactor MBE, hemos crecido, y posteriormente caracterizado, la primera QD-IBSC enteramente fabricada en el IES-UPM. ABSTRACT The constituent work of this Thesis is framed in the research on intermediate band solar cells (IBSCs). This concept offers the possibility of achieving devices with high photovoltaic-conversion efficiency. Up to now, the fundamentals of operation of IBSCs have been demonstrated experimentally; however, this has only been possible at low temperatures. The intermediate band (IB) concept demands thermal decoupling between the IB and the valence and conduction bands. Stateof- the-art IB materials exhibit a too strong thermal coupling between the IB and one of the other two bands, which prevents the proper operation of IBSCs at room temperature. In the particular case of InAs/GaAs quantum-dot (QD) IBSCs - as of today, the most widely studied IBSC technology - , there exist fast thermal carrier exchange between the IB and the conduction band (CB), for two reasons: (1) a narrow (< 0.2 eV) energy gap between the IB and the CB, EL, and (2) the existence of multiple electronic levels between them. Reason (1) also implies that maximum achievable efficiency is below the theoretical limit for the ideal IBSC, in which EL = 0.71 eV. In this context, our work focuses on the study of wide-bandgap QD-IBSCs. We have fabricated and experimentally investigated the first QD-IBSC prototypes in which AlGaAs or InGaP is the host material for the InAs QDs. We demonstrate an improved bandgap distribution, compared to the InAs/GaAs case, in our wide-bandgap devices. In particular, we have measured values of EL higher than 0.4 eV. In the case of the AlGaAs prototypes, the increase in EL comes with an increase of more than 100 meV of the activation energy of the thermal carrier escape. In addition, in our InAs/AlGaAs devices, we demonstrate voltage up-conversion; i. e., the production of an open-circuit voltage larger than the photon energy (divided by the electron charge) of the incident monochromatic beam, and the achievement of voltage preservation at room temperature under concentrated white-light illumination. We also analyze the potential of an IB material for infrared detection. We present a IB-based new concept of infrared photodetector that we have called the optically triggered infrared photodetector (OTIP). Our novel device is based on a new physical principle that allows the detection of infrared light to be switched ON and OFF by means of an external light. We have fabricated an OTIP based on InAs/AlGaAs QDs with which we demonstrate normal incidence photodetection in the 2-6 /xm range optically triggered by a 590 nm light-emitting diode. The theoretical study of the IB-assisted detection mechanism in the OTIP leads us to questioning the assumption of flat quasi-Fermi levels in the space-charge region of a solar cell. Based on device simulations, we prove and explain why this assumption is not valid under short-circuit and illumination conditions. We perform new experimental studies on InAs/GaAs QD-IBSC prototypes in order to gain knowledge on yet unexplored aspects of the performance of these devices. Specifically, we analyze the impact of the use of field-damping layers, and demonstrate this technique to be efficient for avoiding tunnel carrier escape from the QDs to the host material. We analyze the relationship between tunnel escape and voltage preservation, and propose voltage-dependent quantum efficiency measurements as an useful technique for assessing the tunneling-related limitation to the voltage preservation of QD-IBSC prototypes. Moreover, we perform temperature-dependent luminescence studies on InAs/GaAs samples and verify that the results are consistent with a split of the quasi-Fermi levels for the CB and the IB at low temperature. In order to contribute to the fabrication and characterization capabilities of the Solar Energy Institute of the Universidad Polite´cnica de Madrid (IES-UPM), we have participated in the installation and start-up of an molecular beam epitaxy (MBE) reactor and the development of a photo and electroluminescence characterization set-up. Using the MBE reactor, we have manufactured and characterized the first QD-IBSC fully fabricated at the IES-UPM.

Fault management techniques for systems with SRAM-based FPGAs

Las Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) SRAM se construyen sobre una memoria de configuración de tecnología RAM Estática (SRAM). Presentan múltiples características que las hacen muy interesantes para diseñar sistemas empotrados complejos. En primer lugar presentan un coste no-recurrente de ingeniería (NRE) bajo, ya que los elementos lógicos y de enrutado están pre-implementados (el diseño de usuario define su conexionado). También, a diferencia de otras tecnologías de FPGA, pueden ser reconfiguradas (incluso en campo) un número ilimitado de veces. Es más, las FPGAs SRAM de Xilinx soportan Reconfiguración Parcial Dinámica (DPR), la cual permite reconfigurar la FPGA sin interrumpir la aplicación. Finalmente, presentan una alta densidad de lógica, una alta capacidad de procesamiento y un rico juego de macro-bloques. Sin embargo, un inconveniente de esta tecnología es su susceptibilidad a la radiación ionizante, la cual aumenta con el grado de integración (geometrías más pequeñas, menores tensiones y mayores frecuencias). Esta es una precupación de primer nivel para aplicaciones en entornos altamente radiativos y con requisitos de alta confiabilidad. Este fenómeno conlleva una degradación a largo plazo y también puede inducir fallos instantáneos, los cuales pueden ser reversibles o producir daños irreversibles. En las FPGAs SRAM, los fallos inducidos por radiación pueden aparecer en en dos capas de arquitectura diferentes, que están físicamente superpuestas en el dado de silicio. La Capa de Aplicación (o A-Layer) contiene el hardware definido por el usuario, y la Capa de Configuración contiene la memoria de configuración y la circuitería de soporte. Los fallos en cualquiera de estas capas pueden hacer fracasar el sistema, lo cual puede ser ás o menos tolerable dependiendo de los requisitos de confiabilidad del sistema. En el caso general, estos fallos deben gestionados de alguna manera. Esta tesis trata sobre la gestión de fallos en FPGAs SRAM a nivel de sistema, en el contexto de sistemas empotrados autónomos y confiables operando en un entorno radiativo. La tesis se centra principalmente en aplicaciones espaciales, pero los mismos principios pueden aplicarse a aplicaciones terrenas. Las principales diferencias entre ambas son el nivel de radiación y la posibilidad de mantenimiento. Las diferentes técnicas para la gestión de fallos en A-Layer y C-Layer son clasificados, y sus implicaciones en la confiabilidad del sistema son analizados. Se proponen varias arquitecturas tanto para Gestores de Fallos de una capa como de doble-capa. Para estos últimos se propone una arquitectura novedosa, flexible y versátil. Gestiona las dos capas concurrentemente de manera coordinada, y permite equilibrar el nivel de redundancia y la confiabilidad. Con el objeto de validar técnicas de gestión de fallos dinámicas, se desarrollan dos diferentes soluciones. La primera es un entorno de simulación para Gestores de Fallos de C-Layer, basado en SystemC como lenguaje de modelado y como simulador basado en eventos. Este entorno y su metodología asociada permite explorar el espacio de diseño del Gestor de Fallos, desacoplando su diseño del desarrollo de la FPGA objetivo. El entorno incluye modelos tanto para la C-Layer de la FPGA como para el Gestor de Fallos, los cuales pueden interactuar a diferentes niveles de abstracción (a nivel de configuration frames y a nivel físico JTAG o SelectMAP). El entorno es configurable, escalable y versátil, e incluye capacidades de inyección de fallos. Los resultados de simulación para algunos escenarios son presentados y comentados. La segunda es una plataforma de validación para Gestores de Fallos de FPGAs Xilinx Virtex. La plataforma hardware aloja tres Módulos de FPGA Xilinx Virtex-4 FX12 y dos Módulos de Unidad de Microcontrolador (MCUs) de 32-bits de propósito general. Los Módulos MCU permiten prototipar Gestores de Fallos de C-Layer y A-Layer basados en software. Cada Módulo FPGA implementa un enlace de A-Layer Ethernet (a través de un switch Ethernet) con uno de los Módulos MCU, y un enlace de C-Layer JTAG con el otro. Además, ambos Módulos MCU intercambian comandos y datos a través de un enlace interno tipo UART. Al igual que para el entorno de simulación, se incluyen capacidades de inyección de fallos. Los resultados de pruebas para algunos escenarios son también presentados y comentados. En resumen, esta tesis cubre el proceso completo desde la descripción de los fallos FPGAs SRAM inducidos por radiación, pasando por la identificación y clasificación de técnicas de gestión de fallos, y por la propuesta de arquitecturas de Gestores de Fallos, para finalmente validarlas por simulación y pruebas. El trabajo futuro está relacionado sobre todo con la implementación de Gestores de Fallos de Sistema endurecidos para radiación. ABSTRACT SRAM-based Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) are built on Static RAM (SRAM) technology configuration memory. They present a number of features that make them very convenient for building complex embedded systems. First of all, they benefit from low Non-Recurrent Engineering (NRE) costs, as the logic and routing elements are pre-implemented (user design defines their connection). Also, as opposed to other FPGA technologies, they can be reconfigured (even in the field) an unlimited number of times. Moreover, Xilinx SRAM-based FPGAs feature Dynamic Partial Reconfiguration (DPR), which allows to partially reconfigure the FPGA without disrupting de application. Finally, they feature a high logic density, high processing capability and a rich set of hard macros. However, one limitation of this technology is its susceptibility to ionizing radiation, which increases with technology scaling (smaller geometries, lower voltages and higher frequencies). This is a first order concern for applications in harsh radiation environments and requiring high dependability. Ionizing radiation leads to long term degradation as well as instantaneous faults, which can in turn be reversible or produce irreversible damage. In SRAM-based FPGAs, radiation-induced faults can appear at two architectural layers, which are physically overlaid on the silicon die. The Application Layer (or A-Layer) contains the user-defined hardware, and the Configuration Layer (or C-Layer) contains the (volatile) configuration memory and its support circuitry. Faults at either layers can imply a system failure, which may be more ore less tolerated depending on the dependability requirements. In the general case, such faults must be managed in some way. This thesis is about managing SRAM-based FPGA faults at system level, in the context of autonomous and dependable embedded systems operating in a radiative environment. The focus is mainly on space applications, but the same principles can be applied to ground applications. The main differences between them are the radiation level and the possibility for maintenance. The different techniques for A-Layer and C-Layer fault management are classified and their implications in system dependability are assessed. Several architectures are proposed, both for single-layer and dual-layer Fault Managers. For the latter, a novel, flexible and versatile architecture is proposed. It manages both layers concurrently in a coordinated way, and allows balancing redundancy level and dependability. For the purpose of validating dynamic fault management techniques, two different solutions are developed. The first one is a simulation framework for C-Layer Fault Managers, based on SystemC as modeling language and event-driven simulator. This framework and its associated methodology allows exploring the Fault Manager design space, decoupling its design from the target FPGA development. The framework includes models for both the FPGA C-Layer and for the Fault Manager, which can interact at different abstraction levels (at configuration frame level and at JTAG or SelectMAP physical level). The framework is configurable, scalable and versatile, and includes fault injection capabilities. Simulation results for some scenarios are presented and discussed. The second one is a validation platform for Xilinx Virtex FPGA Fault Managers. The platform hosts three Xilinx Virtex-4 FX12 FPGA Modules and two general-purpose 32-bit Microcontroller Unit (MCU) Modules. The MCU Modules allow prototyping software-based CLayer and A-Layer Fault Managers. Each FPGA Module implements one A-Layer Ethernet link (through an Ethernet switch) with one of the MCU Modules, and one C-Layer JTAG link with the other. In addition, both MCU Modules exchange commands and data over an internal UART link. Similarly to the simulation framework, fault injection capabilities are implemented. Test results for some scenarios are also presented and discussed. In summary, this thesis covers the whole process from describing the problem of radiationinduced faults in SRAM-based FPGAs, then identifying and classifying fault management techniques, then proposing Fault Manager architectures and finally validating them by simulation and test. The proposed future work is mainly related to the implementation of radiation-hardened System Fault Managers.

Methods and Techniques for the Generation and Eficient Exploitation of RDB2RDF Mappings

RDB to RDF Mapping Language (R2RML) es una recomendación del W3C que permite especificar reglas para transformar bases de datos relacionales a RDF. Estos datos en RDF se pueden materializar y almacenar en un sistema gestor de tripletas RDF (normalmente conocidos con el nombre triple store), en el cual se pueden evaluar consultas SPARQL. Sin embargo, hay casos en los cuales la materialización no es adecuada o posible, por ejemplo, cuando la base de datos se actualiza frecuentemente. En estos casos, lo mejor es considerar los datos en RDF como datos virtuales, de tal manera que las consultas SPARQL anteriormente mencionadas se traduzcan a consultas SQL que se pueden evaluar sobre los sistemas gestores de bases de datos relacionales (SGBD) originales. Para esta traducción se tienen en cuenta los mapeos R2RML. La primera parte de esta tesis se centra en la traducción de consultas. Se propone una formalización de la traducción de SPARQL a SQL utilizando mapeos R2RML. Además se proponen varias técnicas de optimización para generar consultas SQL que son más eficientes cuando son evaluadas en sistemas gestores de bases de datos relacionales. Este enfoque se evalúa mediante un benchmark sintético y varios casos reales. Otra recomendación relacionada con R2RML es la conocida como Direct Mapping (DM), que establece reglas fijas para la transformación de datos relacionales a RDF. A pesar de que ambas recomendaciones se publicaron al mismo tiempo, en septiembre de 2012, todavía no se ha realizado un estudio formal sobre la relación entre ellas. Por tanto, la segunda parte de esta tesis se centra en el estudio de la relación entre R2RML y DM. Se divide este estudio en dos partes: de R2RML a DM, y de DM a R2RML. En el primer caso, se estudia un fragmento de R2RML que tiene la misma expresividad que DM. En el segundo caso, se representan las reglas de DM como mapeos R2RML, y también se añade la semántica implícita (relaciones de subclase, 1-N y M-N) que se puede encontrar codificada en la base de datos. Esta tesis muestra que es posible usar R2RML en casos reales, sin necesidad de realizar materializaciones de los datos, puesto que las consultas SQL generadas son suficientemente eficientes cuando son evaluadas en el sistema gestor de base de datos relacional. Asimismo, esta tesis profundiza en el entendimiento de la relación existente entre las dos recomendaciones del W3C, algo que no había sido estudiado con anterioridad. ABSTRACT. RDB to RDF Mapping Language (R2RML) is a W3C recommendation that allows specifying rules for transforming relational databases into RDF. This RDF data can be materialized and stored in a triple store, so that SPARQL queries can be evaluated by the triple store. However, there are several cases where materialization is not adequate or possible, for example, if the underlying relational database is updated frequently. In those cases, RDF data is better kept virtual, and hence SPARQL queries over it have to be translated into SQL queries to the underlying relational database system considering that the translation process has to take into account the specified R2RML mappings. The first part of this thesis focuses on query translation. We discuss the formalization of the translation from SPARQL to SQL queries that takes into account R2RML mappings. Furthermore, we propose several optimization techniques so that the translation procedure generates SQL queries that can be evaluated more efficiently over the underlying databases. We evaluate our approach using a synthetic benchmark and several real cases, and show positive results that we obtained. Direct Mapping (DM) is another W3C recommendation for the generation of RDF data from relational databases. While R2RML allows users to specify their own transformation rules, DM establishes fixed transformation rules. Although both recommendations were published at the same time, September 2012, there has not been any study regarding the relationship between them. The second part of this thesis focuses on the study of the relationship between R2RML and DM. We divide this study into two directions: from R2RML to DM, and from DM to R2RML. From R2RML to DM, we study a fragment of R2RML having the same expressive power than DM. From DM to R2RML, we represent DM transformation rules as R2RML mappings, and also add the implicit semantics encoded in databases, such as subclass, 1-N and N-N relationships. This thesis shows that by formalizing and optimizing R2RML-based SPARQL to SQL query translation, it is possible to use R2RML engines in real cases as the resulting SQL is efficient enough to be evaluated by the underlying relational databases. In addition to that, this thesis facilitates the understanding of bidirectional relationship between the two W3C recommendations, something that had not been studied before.

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

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