El papel de la hidroelectricidad en el contexto de las energías renovables en España

En el artículo se discute el papel de la energía hidroeléctrica en el marco del sistema eléctrico español, donde existe una elevada penetración de energías no gestionables con una tendencia clara a aumentar en los próximos años. El desarrollo de nuevas centrales hidroeléctricas se basará probablemente en centrales reversibles. La energía hidroeléctrica es una tecnología madura y eficiente para el almacenamiento de energía a gran escala y contribuye por tanto de manera decisiva a la integración de fuentes renovables no gestionables. Los beneficios obtenidos con la operación punta-valle pueden ser insuficientes para compensar el coste de una nueva central. Sin embargo, los ingresos obtenidos pueden incrementarse sustancialmente mediante su participación en los servicios de ajuste del sistema. Ello requeriría un diseño apropiado del mercado eléctrico. La contribución de las centrales hidráulicas reversibles al balance producción-consumo puede extenderse a las horas valle utilizando, bien bombeo en velocidad variable o bien una configuración de cortocircuito hidráulico. La necesidad de mitigar los efectos hidrológicos aguas abajo de las centrales hidroeléctricas puede introducir algunas restricciones en la operación que limitaría de algún modo los servicios descritos más arriba. Sin embargo, cabe esperar que los efectos ambientales provocados por las centrales hidráulicas reversibles sean significativamente menores. In this paper the role of hydropower in electric power systems is discussed, in the framework of the Spanish system, where a high penetration of intermittent power sources exists, showing a clear trend to increase in next years. The development of new hydro power facilities will be likely based on pumped storage hydro power plants. Hydropower is a mature and efficient technology for large-scale energy storage and therefore represents a key contribution for the integration of intermittent power sources, such as wind or photovoltaic. The benefits obtained from load shifting may be insufficient to compensate the costs of a new plant. However, the obtained revenues can significantly increase through its contribution to providing ancillary services. This would require an appropriate design of the electricity market. The contribution of pumped storage hydro power plants to balancing services can be extended to off-peak hours, using either variable speed pumping or the hydraulic shortcircuit configuration. The need to mitigate hydrological effects downstream of hydro plants may introduce some operational constraints which could limit to some extent the services described above. However environmental effects caused by pumped storage hydro power plants are expected to be significantly smaller.

Evaluación de tecnologías de manejo de arvenses en el cultivo de la caña de azúcar (Saccharum spp. híbrido)

En Cuba, las arvenses que afectan al cultivo de la caña de azúcar son una de las causas fundamentales de los bajos rendimientos agrícolas y su control constituye unas de las principales partidas de gastos. En general, se aplican los herbicidas, así como otros métodos de control, sin tener en cuenta el tipo de suelo y las características de estas plantas. Sobre el manejo de arvenses no existen trabajos de investigación que aborden aspectos de eficiencia energética de las producciones y daños al ambiente. Por lo antes señalado, el objetivo de esta investigación fue evaluar diversas tecnologías de manejo de arvenses en el cultivo de la caña de azúcar (Saccharum spp. híbrido), en cepas de primavera y retoño, en tres tipos de suelos, con el propósito de obtener producciones sustentables. El área de estudio se localizó en los campos de la Empresa Azucarera del municipio “Majibacoa”, provincia de Las Tunas (oriente de Cuba), que posee condiciones edafoclimáticas que abundan a lo largo del país. Los tres tipos de suelos más representativos son Fersialítico Pardo Rojizo ócrico, Pardo Mullido y Vertisol Crómico gléyco. En dicha área se han identificado 31 especies de arvenses, 16 de la clase Liliopsida y 15 de la Magnoliopsida. En un primer grupo de experimentos, se desarrollaron nueve ensayos de campo para evaluar la efectividad de herbicidas y mezclas de estos en el manejo de arvenses en el cultivo de la caña de azúcar, tanto en cepas de primavera como de retoño, en los tres tipos de suelos. Se establecieron parcelas de 80 m2 distribuidas en bloques al azar con cuatro réplicas. La efectividad se evaluó por medio del porcentaje de cobertura por arvenses y la fitotoxicidad provocada a las plantas de caña, teniendo en cuenta el coste asociado a cada tratamiento. En aplicaciones preemergentes en caña planta de primavera, el herbicida más eficiente fue el Isoxaflutole con dosis de 0,15; 0,20 y 0,25 kg.ha-1 de producto comercial (pc) en los suelos Fersialítico, Pardo y Vertisol respectivamente. En aplicaciones postemergentes tempranas la mezcla más eficiente fue la de Isoxaflutole + Ametrina +2,4-D con las dosis de Isoxaflutole citadas anteriormente. En aplicaciones preemergentes en cepa de retoño, el herbicida más eficiente fue el Isoxaflutole a dosis de 0,20 kg.ha-1 pc para el suelo Fersialítico y a 0,25 kg.ha-1 pc para los suelos Pardo y Vertisol. En un segundo grupo, se realizaron seis ensayos de campo distribuidos en dos fases. En la primera fase, se desarrollaron tres experimentos, uno por cada tipo de suelo, para evaluar la eficiencia de nueve tecnologías de manejo de arvenses (químicas y físicas combinadas) en cepa de primavera de caña de azúcar. En la siguiente fase, los tres ensayos restantes (uno por tipo de suelo) evaluaron tecnologías de manejo de arvenses durante dos ciclos de producción de caña de azúcar (etapa de primavera y retoño). En la etapa de primavera se aplicó la tecnología más eficiente de los tres experimentos anteriores y durante la etapa de retoño se evaluaron otras nueve tecnologías propias de este tipo de cepa. En estos experimentos los diferentes tratamientos se aplicaron en franjas distribuidas al azar con cuatro réplicas. En las tecnologías evaluadas se emplearon los herbicidas y mezclas que resultaron más eficientes en el primer grupo de experimentos. En cada caso, se evaluaron la eficiencia energética de la producción de azúcar y otros derivados, la resistencia a la penetración de los suelos, la carga contaminante hacia la atmósfera producto de la combustión del diésel y los beneficios al aplicar las diferentes tecnologías. En la primera fase (cepa de primavera), la tecnología con mejor resultado fue la aplicación preemergente de Isoxaflutole inmediatamente después de la plantación, seguida de descepe químico con Glufosinato de amonio, más labor con grada múltiple aproximadamente a los 80 días de la plantación y aplicación pre-cierre con Glufosinato de amonio. En la segunda fase (dos ciclos del cultivo), el mejor resultado se obtuvo cuando en la etapa de retoño se realizó una aplicación preemergente de Isoxaflutole, descepe químico con Glufosinato de amonio y aplicación pre-cierre con este mismo herbicida. En los tres tipos de suelos durante los dos ciclos, la eficiencia energética tuvo valores de 7,2 - 7,5, la resistencia a la penetración 1,2 - 1,5 MPa, la carga contaminante hacia la atmósfera fue de 63,3 - 64,9 kg.t-1 de caña cosechada y beneficios de 8.324 - 8.455 pesos cubanos por hectárea. Este estudio demuestra que un control eficiente de las arvenses debe tener en cuenta necesariamente el tipo de suelo. Así, en los Vertisoles, con mayor contenido en arcilla, se requieren mayores dosis de Isoxaflutole y la eficiencia energética de la producción es menor. La persistencia de ciertas arvenses, especialmente de la clase Liliopsida, requiere de un manejo integrado que incluya diferentes tipos de herbicidas. ABSTRACT In Cuba, weeds affecting the sugarcane are one of the main causes of low agricultural yields, and their control constitutes some of the main items of expenditure. In general, herbicides are applied, as well as other control methods, without keeping in mind the soil type and the characteristics of these plants. Moreover, weed control research approaching aspects about energy efficiency of the crop production, and environmental damages are missing. Hence, the objective of this investigation was to evaluate diverse technologies of weed handling in sugarcane (Saccharum spp. hybrid), both in spring cane plant and ratoon, in three types of soils, with the purpose of obtaining sustainable productions. The study area was located in the fields of the Sugar Enterprise of the Municipality "Majibacoa”, Las Tunas province (east of Cuba) that possesses ecological conditions that are plentiful along the country. The three more representative types of soils are Fersialitic, Brown, and Vertisol. In this area 31 weeds species have been identified, 16 of the Class Liliopsida and 15 of the Magnoliopsida. In a first group of experiments, nine field rehearsals were developed to evaluate the effectiveness of herbicides and mixtures of these for weed handling in sugarcane, in spring cane plants as well as in ratoon, in the three types of soils. Plots of 80 m-2 were distributed at random blocks with four replications. The effectiveness was evaluated by means of the covering percentage by weeds and the provoked toxicity to the cane plants, keeping in mind the cost associated to each treatment. In preemergence applications in spring cane plant, the most efficient herbicide was the Isoxaflutole with dose of 0.15; 0.20 and 0.25 kg.ha-1 of commercial product (pc) in the soils Fersialítico, Brown and Vertisol respectively. In early postemergence applications the most efficient mixture was that of Isoxaflutole + Ametrina + 2,4-D with the doses of Isoxaflutole mentioned previously. In preemergence applications in ratoon, the most efficient herbicide was the Isoxaflutole at dose of 0.20 kg.ha-1 pc for the soil Fersialític and to 0.25 kg. ha-1 pc for the Brown soil and Vertisol. In a second group, six field rehearsals distributed in two phases were carried out. In the first phase, three experiments were developed, one for each soil type, to evaluate the efficiency of nine technologies of weed handling in spring cane plant. In the following phase, the three remaining rehearsals (one for each soil type) diverse technologies of weed handling were evaluated during two cycles of sugarcane production (spring stage and ratoon). In the spring stage the most efficient technology in the three previous experiments was applied and during ratoon stage other nine technologies were evaluated. In these experiments the different treatments were applied in fringes distributed at random with four replicas. In the evaluated technologies the herbicides and mixtures were used selecting those that were more efficient in the first group of experiments. In each case, the energy efficiency of the sugar production and other derivatives, the soil penetration resistance, the polluting load toward the atmosphere product of the combustion, and the benefits when applying the different technologies were all evaluated. In the first phase (spring cane plant), the technology with better result was the preemergence application of Isoxaflutole immediately after the plantation, followed by chemical eradication with Ammonia Glufosinate, hoeing work with multiple tier approximately to the 80 days of the plantation and pre-closing application with Ammonia Glufosinate. In the second phase (two cycles of the cultivation), the best result was obtained when a preemergence application of Isoxaflutole was carried out in sprout's stage, chemical eradication with Ammonia Glufosinate and pre-closing application with this same herbicide. In the three types of soils during the two cycles, the energy efficiency achieved values of 7.2 to 7.5, the resistance to the penetration 1.2 - 1.5 MPa, the polluting load toward the atmosphere was of 63.3 - 64.9 kg.t-1 of the harvested cane and the obtained benefits of 8,324 - 8,455 Cuban pesos per hectare. This study demonstrates that an efficient control of the weeds should necessarily keep in mind the soil type. This way, in the Vertisols, with more clay content, bigger dose of Isoxaflutole is required and the energy efficiency of the production is smaller. The persistence of certain weeds, especially of the class Liliopsida, requires of an integrated handling him to include different types of herbicides.

Estudio de la movilidad que presenta el diésel en un suelo contaminado empleando surfactantes

La contaminación de suelos con hidrocarburos de petróleo en México es un problema que se ha vuelto muy común en nuestros días, debido principalmente a derrames, así como a las actividades propias de la industria petrolera. Algunos suelos contaminados, principalmente en el sureste de México, contienen concentraciones de hidrocarburos hasta de 450,000 mg/kg. Por dichas razones, una de las preocupaciones de las autoridades ambientales es el desarrollo de tecnologías eficientes y económicamente factibles que permitan la eliminación de este tipo de contaminantes. El saneamiento del sitio se puede lograr a través de diversos procedimientos, como son la aplicación de métodos físicos, químicos y biológicos (o combinaciones de ellas). La elección de un método depende de la naturaleza del contaminante, su estado físico, concentración, tipo de suelo, espacio físico disponible, tiempo destinado para su tratamiento, así como de los recursos económicos disponibles. Previa a la aplicación de la tecnología es necesario la realización de un diagnóstico de la contaminación del suelo, con el fin de conocer el tipo, concentración y distribución de los contaminantes presentes, así como el volumen de suelo a tratar, las condiciones climáticas de la zona, y características físicas del lugar (vías de acceso y servicios, entre otros). En la presente tesis, el empleo de surfactantes, se ha propuesto como una técnica para incrementar la movilidad de contaminantes orgánicos hidrofóbicos (HOCs) como hidrocarburos totales del petróleo (HTPs), bifenilos policlorados (PCBs), Benceno, Tolueno, Xilenos, explosivos, clorofenoles, pesticidas, entre otros, y así facilitar su degradación. Los surfactantes debido a que reducen la tensión superficial del agua, son moléculas formadas por grupos polares hidrofílicos y largas cadenas carbonadas hidrofóbicas. Sus grupos polares forman puentes hidrógeno con las moléculas de agua, mientras que las cadenas carbonadas se asocian a los hidrocarburos debido a interacciones hidrofóbicas que estos presentan. En soluciones acuosas, los surfactantes forman estructuras esféricas organizadas llamadas micelas. La solubilización de los contaminantes se lleva a cabo solamente cuando se forma la fase micelar, la cual se obtiene cuando la concentración del surfactante es superior a la concentración micelar crítica (CMC), es decir, arriba de la concentración de la cual el monómero se comienza a auto-agregar. La eficiencia de desorción de diésel por un surfactante depende de su naturaleza, de la dosis empleada, de la hidrofobicidad del contaminante, de la interacción surfactante-suelo y del tiempo de contacto surfactante-suelo. Sin embargo, la mejor eficiencia de desorción no está siempre relacionada con la mejor eficiencia de movilidad o solubilidad, debido principalmente a que el empleo de una alta concentración de surfactante puede inhibir la movilización. De acuerdo con información proporcionada por la Procuraduría Federal de Protección al Ambiente (PROFEPA), a la fecha no se ha llevado a cabo en México ninguna restauración de sitios específicamente contaminados con diésel, la técnica de lavado de suelos. Por lo anterior existe la necesidad de emplear la técnica de lavado de suelos ex situ. Específicamente en el suelo extraído de la ex refinería 18 de marzo ubicada en el Distrito Federal México y empleando una solución de surfactantes con agua desionizada, la cual consiste ponerlos en contacto con el suelo contaminado con diésel por medio de columnas de lavado cilíndricas, para lograr la remoción del contaminante. Se emplearon como surfactantes el lauril sulfato de sodio, lauril éter sulfato de sodio y Glucopon AV-100 a diferentes concentraciones de 0.5 a 4.0 [g/L], lográndose obtener una eficiencia del 80 % con este último surfactante. El lavado de suelos contaminados con diésel empleado surfactantes, es una tecnología que requiere que se profundice en el estudio de algunas variables como son el tipo de surfactante, concentración, tiempo de lavado, fenómenos de difusión, desorción, propiedades termodinámicas, entre otros. Los cuales determinarán el éxito o fracaso de la técnica empleada. Nowadays, soil pollution with oil in Mexico is a very common issue due mainly to both oil spill and oil activities. For example, mainly in the southeast area of Mexico, polluted soil contains high concentrations of hydrocarbons, up to 450,000 mg/kg. For these reasons, enviromental authorities have the concern in developing economically feasible and efficient technology that allow the elimination of these type of contaminants. The sanitation in sites can be achieved through several procedures such as physical, chemical and biological methods (or a combination among them). The choice of a method depends on the nature and physical state of the contaminant, the concentration, type of soil, physical space available, time consumption and financial resources. Before any technological application, a diagnostic of the polluted soil is necessary in order to know the type, concentration and distribution of contaminants as well as the soil volume, climatic conditions and physical features of the place (access routes and services, among others). In this thesis, surfactants has been proposed as a technique to increase the mobility of hydrophobic-organic contaminants (HOCs), e.g. total hydrocarbons of petroleum, polychlorinated biphenyls, benzene, toluene, xylenes, explosives, chlorophenols, pesticides, among others, and, hence, to facilitate degradation. Since surfactants reduce the water surface tension, they are molecules comprised of hydrophilic polar groups and long-hydrophobic carbon chains. Surfactant’s polar groups form hydrogen bonding with water molecules while carbon chains, i.e. hydrocarbon chains, have hydrophobic interactios. In aqueous solutions, surfactants form self-organised spherical structures called micelles. The solubilisation of contaminants is carried out only when the micellar phase is formed. This is obtained when the surfactant concentration is higher than the crítical micelle concentration (CMC), i.e. above the concentration where the surfactant monomer begins to self-aggregate. The diesel efficiency desorption by surfactants depends on their nature, the dose use, the contaminant hydrophobicity, the surfactant-soil interaction and the contact time with surfactant soil. However, the best desorption is not always related with the best either mobility or solubility efficiency since high concentration of surfactant can inhibit mobilisation. According to information of the Federal Bureau of Environmental Protection (PROFEPA), up today, there is not any restauration of diesel-polluted sites using the washing-soil technique. Due to the above, there exist the necessity of employing the waching-soil technique ex situ. More specifically, a sample soil from the oil-refinery of “18 de marzo” in Mexico city was extracted and a surfactant solution with deionised water was put in contact with the diesel contaminated soil by means of cylindrical waching columns in order to remove the contaminant. The surfactants employed in this work were sodium lauryl sulfate, sodium lauryl ether sulfate and Glucopon AV-100 at different concentrations of 0.5 to 4 [g/L], obtaining a efficiency of 80 % with this last surfactant. The washing of diesel-polluted soil using surfactants is a technology which requires a deeper study of some variables such as the type of surfactant, concentration, washing time, difusión phenomena, desorption, thermodynamic properties, among others. These parameters determine the succes or failure of the employed technique.

The human side of social technology for climate change mitigation and human development: the case of "efficient stoves" in Brazil

Carbon management has gradually gained attention within the overall environmental management and corporate social responsibility agendas. The clean development mechanism, from Kyoto Protocol, was envisioned as connecting carbon market and sustainable development objectives in developing countries. Previous research has shown that this potential is rarely being achieved. The paper explores how the incorporation of the human side into carbon management reinforces its contribution to generate human development in local communities and to improve the company's image. A case study of a Brazilian company is presented, with the results of the application of an analytical model that incorporates the human side and human development. The selected project is an "efficient stoves" programme. "Efficient stoves" are recognised in Brazil as social technologies. Results suggest that the fact that social technologies value the human side of the technology plays a key role when it comes to analysing the co-benefits of the project implementation.

Analysis of frame-compatible subsampling structures for efficient 3DTV broadcast

The evolution of the television market is led by 3DTV technology, and this tendency can accelerate during the next years according to expert forecasts. However, 3DTV delivery by broadcast networks is not currently developed enough, and acts as a bottleneck for the complete deployment of the technology. Thus, increasing interest is dedicated to ste-reo 3DTV formats compatible with current HDTV video equipment and infrastructure, as they may greatly encourage 3D acceptance. In this paper, different subsampling schemes for HDTV compatible transmission of both progressive and interlaced stereo 3DTV are studied and compared. The frequency characteristics and preserved frequency content of each scheme are analyzed, and a simple interpolation filter is specially designed. Finally, the advantages and disadvantages of the different schemes and filters are evaluated through quality testing on several progressive and interlaced video sequences.

Development of Efficient FPGA-Based Multi-Channel Phase Meters for IR-Interferometers

Infrared (IR) interferometry is a method for measuring the line-electron density of fusion plasmas. The significant performance achieved by FPGAs in solving digital signal processing tasks advocates the use of this type of technology in two-color IR interferometers of modern stellarators, such as the TJ-II (Madrid, Spain) and the future W7-X (Greifswald, Germany). In this work the implementation of a line-average electron density measuring system in an FPGA device is described. Several optimizations for multichannel systems are detailed and test results from the TJ-II as well as from a W7-X prototype are presented.

Cost and energy efficient reconfigurable embedded platform using Spartan-6 FPGAs

Modern FPGAs with run-time reconfiguration allow the implementation of complex systems offering both the flexibility of software-based solutions combined with the performance of hardware. This combination of characteristics, together with the development of new specific methodologies, make feasible to reach new points of the system design space, and make embedded systems built on these platforms acquire more and more importance. However, the practical exploitation of this technique in fields that traditionally have relied on resource restricted embedded systems, is mainly limited by strict power consumption requirements, the cost and the high dependence of DPR techniques with the specific features of the device technology underneath. In this work, we tackle the previously reported problems, designing a reconfigurable platform based on the low-cost and low-power consuming Spartan-6 FPGA family. The full process to develop the platform will be detailed in the paper from scratch. In addition, the implementation of the reconfiguration mechanism, including two profiles, is reported. The first profile is a low-area and low-speed reconfiguration engine based mainly on software functions running on the embedded processor, while the other one is a hardware version of the same engine, implemented in the FPGA logic. This reconfiguration hardware block has been originally designed to the Virtex-5 family, and its porting process will be also described in this work, facing the interoperability problem among different families.

Efficient management of backtracking in and-parallelism

A backtracking algorithm for AND-Parallelism and its implementation at the Abstract Machine level are presented: first, a class of AND-Parallelism models based on goal independence is defined, and a generalized version of Restricted AND-Parallelism (RAP) introduced as characteristic of this class. A simple and efficient backtracking algorithm for R A P is then discussed. An implementation scheme is presented for this algorithm which offers minimum overhead, while retaining the performance and storage economy of sequent ial implementations and taking advantage of goal independence to avoid unnecessary backtracking ("restricted intelligent backtracking"). Finally, the implementation of backtracking in sequential and AND-Parallcl systems is explained through a number of examples.

The NACIR Project: New Applications for CPV'S: A fast way to improve reliability and Technology progress

The main goal of this proposal is to join together the owners of the most advanced CPV technology, with respect to the state of the art, in order to research from its leading position new applications for CPV systems. In addition to opening up new markets, it will unveil possible sources of failure in new environments outside Europe, in order to assure component reliability. The proposed project will also try to improve the current technology of the industrial partners (ISOFOTON and CONCENTRIX) by accelerating the learning curve that CPV must follow in order to reach the competitive market, and lowering the cost under the current flat panel PV significantly within 3-4 years. The use of CPV systems in remote areas, together with harsher radiation, ambient and infrastructure conditions will help to increase the rate of progress of this technology. In addition, the ISFOC s contribution, which brings together seven power plants from seven CPV technologies up to 3 MWpeak, will allow creating the most complete database of components and systems performance to be generated as well as the effects of radiation and meteorology on systems operations. Finally, regarding the new applications for CPV subject, the project will use a CPV system sized 25 kWp in a stand-alone station in Egypt (NWRC) for the first time for water pumping and irrigation purposes. In a similar way ISOFOTON will connect up to 25 kWp CPV to the Moroccan ONE utility grid. From the research content point of view of this project, which is directly addressed by the scope of the call, the cooperative research between UPM, FhG-ISE and the two companies will be favoured by the fact that all are progressing in similar directions: developing two-stage optics CPV systems. In addition to these technology improvements the UPM is very interested in developing a new concept of module, recently patented, which will fulfil all required characteristics of a good CPV with less components and reducing cost.

Towards cost reduction in concentrating solar power: innovative design for an efficient fresnel based solar field

Energía termosolar (de concentración) es uno de los nombres que hacen referencia en español al término inglés “concentrating solar power”. Se trata de una tecnología basada en la captura de la potencia térmica de la radiación solar, de forma que permita alcanzar temperaturas capaces de alimentar un ciclo termodinámico convencional (o avanzado); el futuro de esta tecnología depende principalmente de su capacidad para concentrar la radiación solar de manera eficiente y económica. La presente tesis está orientada hacia la resolución de ciertos problemas importantes relacionados con este objetivo. La mencionada necesidad de reducir costes en la concentración de radiación solar directa, asegurando el objetivo termodinámico de calentar un fluido hasta una determinada temperatura, es de vital importancia. Los colectores lineales Fresnel han sido identificados en la literatura científica como una tecnología con gran potencial para alcanzar esta reducción de costes. Dicha tecnología ha sido seleccionada por numerosas razones, entre las que destacan su gran libertad de diseño y su actual estado inmaduro. Con el objetivo de responder a este desafío se desarrollado un detallado estudio de las propiedades ópticas de los colectores lineales Fresnel, para lo cual se han utilizado métodos analíticos y numéricos de manera combinada. En primer lugar, se han usado unos modelos para la predicción de la localización y la irradiación normal directa del sol junto a unas relaciones analíticas desarrolladas para estudiar el efecto de múltiples variables de diseño en la energía incidente sobre los espejos. Del mismo modo, se han obtenido analíticamente los errores debidos al llamado “off-axis aberration”, a la apertura de los rayos reflejados en los espejos y a las sombras y bloqueos entre espejos. Esto ha permitido la comparación de diferentes formas de espejo –planos, circulares o parabólicos–, así como el diseño preliminar de la localización y anchura de los espejos y receptor sin necesidad de costosos métodos numéricos. En segundo lugar, se ha desarrollado un modelo de trazado de rayos de Monte Carlo con el objetivo de comprobar la validez del estudio analítico, pero sobre todo porque este no es preciso en el estudio de la reflexión en espejos. El código desarrollado está específicamente ideado para colectores lineales Fresnel, lo que ha permitido la reducción del tiempo de cálculo en varios órdenes de magnitud en comparación con un programa comercial más general. Esto justifica el desarrollo de un nuevo código en lugar de la compra de una licencia de otro programa. El modelo ha sido usado primeramente para comparar la intensidad de flujo térmico y rendimiento de colectores Fresnel, con y sin reflector secundario, con los colectores cilíndrico parabólicos. Finalmente, la conjunción de los resultados obtenidos en el estudio analítico con el programa numérico ha sido usada para optimizar el campo solar para diferentes orientaciones –Norte-Sur y Este-Oeste–, diferentes localizaciones –Almería y Aswan–, diferentes inclinaciones hacia el Trópico –desde 0 deg hasta 32 deg– y diferentes mínimos de intensidad del flujo en el centro del receptor –10 kW/m2 y 25 kW/m2–. La presente tesis ha conducido a importantes descubrimientos que deben ser considerados a la hora de diseñar un campo solar Fresnel. En primer lugar, los espejos utilizados no deben ser plano, sino cilíndricos o parabólicos, ya que los espejos curvos implican mayores concentraciones y rendimiento. Por otro lado, se ha llegado a la conclusión de que la orientación Este-Oeste es más propicia para localizaciones con altas latitudes, como Almería, mientras que en zonas más cercanas a los trópicos como Aswan los campos Norte-Sur conducen a mayores rendimientos. Es de destacar que la orientación Este-Oeste requiere aproximadamente la mitad de espejos que los campos Norte-Sur, puediendo estar inclinados hacia los Trópicos para mejorar el rendimiento, y que alcanzan parecidos valores de intensidad térmica en el receptor todos los días a mediodía. Sin embargo, los campos con orientación Norte-Sur permiten un flujo más constante a lo largo de un día. Por último, ha sido demostrado que el uso de diseños pre-optimizados analíticamente, con anchura de espejos y espaciado entre espejos variables a lo ancho del campo, pueden implicar aumentos de la energía generada por metro cuadrado de espejos de hasta el 6%. El rendimiento óptico anual de los colectores cilíndrico parabólicos es 23 % mayor que el rendimiento de los campos Fresnel en Almería, mientras que la diferencia es de solo 9 % en Aswan. Ello implica que, para alcanzar el mismo precio de electricidad que la tecnología de referencia, la reducción de costes de instalación por metro cuadrado de espejo debe estar entre el 10 % y el 25 %, y que los colectores lineales Fresnel tienen más posibilidades de ser desarrollados en zonas de bajas latitudes. Como consecuencia de los estudios desarrollados en esta tesis se ha patentado un sistema de almacenamiento que tiene en cuenta la variación del flujo térmico en el receptor a lo largo del día, especialmente para campos con orientación Este-Oeste. Este invento permitiría el aprovechamiento de la energía incidente durante más parte del año, aumentando de manera apreciable los rendimientos óptico y térmico. Abstract Concentrating solar power is the common name of a technology based on capturing the thermal power of solar radiation, in a suitable way to reach temperatures able to activate a conventional (or advanced) thermodynamic cycle to generate electricity; this quest mainly depends on our ability to concentrate solar radiation in a cheap and efficient way. The present thesis is focused to highlight and help solving some of the important issues related to this problem. The need of reducing costs in concentrating the direct solar radiation, but without jeopardizing the thermodynamic objective of heating a fluid up to the required temperature, is of prime importance. Linear Fresnel collectors have been identified in the scientific literature as a technology with high potential to reach this cost reduction. This technology has been selected because of a number of reasons, particularly the degrees of freedom of this type of concentrating configuration and its current immature state. In order to respond to this challenge, a very detailed exercise has been carried out on the optical properties of linear Fresnel collectors. This has been done combining analytic and numerical methods. First, the effect of the design variables on the ratio of energy impinging onto the reflecting surface has been studied using analytically developed equations, together with models that predict the location and direct normal irradiance of the sun at any moment. Similarly, errors due to off-axis aberration, to the aperture of the reflected energy beam and to shading and blocking effects have been obtained analytically. This has allowed the comparison of different shapes of mirrors –flat, cylindrical or parabolic–, as well as a preliminary optimization of the location and width of mirrors and receiver with no need of time-consuming numerical models. Second, in order to prove the validity of the analytic results, but also due to the fact that the study of the reflection process is not precise enough when using analytic equations, a Monte Carlo Ray Trace model has been developed. The developed code is designed specifically for linear Fresnel collectors, which has reduced the computing time by several orders of magnitude compared to a wider commercial software. This justifies the development of the new code. The model has been first used to compare radiation flux intensities and efficiencies of linear Fresnel collectors, both multitube receiver and secondary reflector receiver technologies, with parabolic trough collectors. Finally, the results obtained in the analytic study together with the numeric model have used in order to optimize the solar field for different orientations –North-South and East-West–, different locations –Almería and Aswan–, different tilts of the field towards the Tropic –from 0 deg to 32 deg– and different flux intensity minimum requirements –10 kW/m2 and 25 kW/m2. This thesis work has led to several important findings that should be considered in the design of Fresnel solar fields. First, flat mirrors should not be used in any case, as cylindrical and parabolic mirrors lead to higher flux intensities and efficiencies. Second, it has been concluded that, in locations relatively far from the Tropics such as Almería, East-West embodiments are more efficient, while in Aswan North- South orientation leads to a higher annual efficiency. It must be noted that East-West oriented solar fields require approximately half the number of mirrors than NS oriented fields, can be tilted towards the Equator in order to increase the efficiency and attain similar values of flux intensity at the receiver every day at midday. On the other hand, in NS embodiments the flux intensity is more even during each single day. Finally, it has been proved that the use of analytic designs with variable shift between mirrors and variable width of mirrors across the field can lead to improvements in the electricity generated per reflecting surface square meter up to 6%. The annual optical efficiency of parabolic troughs has been found to be 23% higher than the efficiency of Fresnel fields in Almería, but it is only around 9% higher in Aswan. This implies that, in order to attain the same levelized cost of electricity than parabolic troughs, the required reduction of installation costs per mirror square meter is in the range of 10-25%. Also, it is concluded that linear Fresnel collectors are more suitable for low latitude areas. As a consequence of the studies carried out in this thesis, an innovative storage system has been patented. This system takes into account the variation of the flux intensity along the day, especially for East-West oriented solar fields. As a result, the invention would allow to exploit the impinging radiation along longer time every day, increasing appreciably the optical and thermal efficiencies.

Application of low cost technology for the management of irrigation in organic orchards

Throughout history, humans have cyclically return to their old traditions such as the organic orchards. Nowadays, these have been integrated into the modern cities and could supply fresh vegetables to the daily food improving human health. Organic orchards grow crops without pesticides and artificial fertilizers thus, they are respectful with the environment and guarantee the food's safety . In modern society, the application of new technology is a must, in this case to obtain an efficient irrigation. In order to monitor a proper irrigation and save water and energy, soil water content probes are used to measure soil water content. Among them, capacitive probes ,monitored with a specific data logger, are typically used. Most of them, specially the data loggers, are expensive and in many cases are not used. In this work, we have applied the open hardware Arduino to build and program a low cost datalogger for the programming of irrigation in an experimental organic orchard. Results showed that the application of such as low cost technology, which is easily available in the market and easy to understand, everyone can built and program its own device helping in managing water resources in organic orchards .

Design, Technology and Characterization of Micromechanised Sensors and Actuators for Harsh Environments

Los sistemas micro electro mecánicos (MEMS) han demostrado ser una exitosa familia de dispositivos que pueden usarse como plataforma para el desarrollo de dispositivos con aplicaciones en óptica, comunicaciones, procesado de señal y sensorización. Los dispositivos MEMS estándar suelen estar fabricados usando tecnología de silicio. Sin embargo, el rendimiento de estos MEMS se puede mejorar si se usan otros materiales. Por ejemplo, el diamante nanocristalino (NCD) ofrece unas excelentes propiedades mecánicas, transparencia y una superficie fácil de funcionalizar. Por otro lado, el sistema de materiales (In; Ga; Al)N, los materiales IIIN, se pueden usar para producir estructuras monocristalinas con alta sensibilidad mecánica y química. Además, el AlN se puede depositar por pulverización catódica reactiva sobre varios substratos, incluyendo NCD, para formar capas policristalinas orientadas con alta respuesta piezoeléctrica. Adicionalmente, tanto el NCD como los materiales III-N muestran una gran estabilidad térmica y química, lo que los hace una elección idónea para desarrollar dispositivos para aplicaciones para alta temperatura, ambientes agresivos e incluso para aplicaciones biocompatibles. En esta tesis se han usado estos materiales para el diseño y medición de demostradores tecnológicos. Se han perseguido tres objetivos principales: _ Desarrollo de unos procesos de fabricación apropiados. _ Medición de las propiedades mecánicas de los materiales y de los factores que limitan el rendimiento de los dispositivos. _ Usar los datos medidos para desarrollar dispositivos demostradores complejos. En la primera parte de esta tesis se han estudiado varias técnicas de fabricación. La estabilidad de estos materiales impide el ataque y dificulta la producción de estructuras suspendidas. Los primeros capítulos de esta disertación se dedican al desarrollo de unos procesos de transferencia de patrones por ataque seco y a la optimización del ataque húmedo sacrificial de varios substratos propuestos. Los resultados de los procedimientos de ataque se presentan y se describe la optimización de las técnicas para la fabricación de estructuras suspendidas de NCD y materiales III-N. En un capítulo posterior se estudia el crecimiento de AlN por pulverización catódica. Como se ha calculado en esta disertación para obtener una actuación eficiente de MEMS, las capas de AlN han de ser finas, típicamente d < 200 nm, lo que supone serias dificultades para la obtención de capas orientadas con respuesta piezoeléctrica. Las condiciones de depósito se han mapeado para identificar las fronteras que proporcionan el crecimiento de material orientado desde los primeros pasos del proceso. Además, durante la optimización de los procesos de ataque se estudió un procedimiento para fabricar películas de GaN nanoporoso. Estas capas porosas pueden servir como capas sacrificiales para la fabricación de estructuras suspendidas de GaN con baja tensión residual o como capas para mejorar la funcionalización superficial de sensores químicos o biológicos. El proceso de inducción de poros se discutirá y también se presentarán experimentos de ataque y funcionalización. En segundo lugar, se han determinado las propiedades mecánicas del NCD y de los materiales III-N. Se han fabricado varias estructuras suspendidas para la medición del módulo de Young y de la tensión residual. Además, las estructuras de NCD se midieron en resonancia para calcular el rendimiento de los dispositivos en términos de frecuencia y factor de calidad. Se identificaron los factores intrínsecos y extrínsecos que limitan ambas figuras de mérito y se han desarrollado modelos para considerar estas imperfecciones en las etapas de diseño de los dispositivos. Por otra parte, los materiales III-N normalmente presentan grandes gradientes de deformación residual que causan la deformación de las estructuras al ser liberadas. Se han medido y modelado estos efectos para los tres materiales binarios del sistema para proporcionar puntos de interpolación que permitan predecir las características de las aleaciones del sistema III-N. Por último, los datos recabados se han usado para desarrollar modelos analíticos y numéricos para el diseño de varios dispositivos. Se han estudiado las propiedades de transducción y se proporcionan topologías optimizadas. En el último capítulo de esta disertación se presentan diseños optimizados de los siguientes dispositivos: _ Traviesas y voladizos de AlN=NCD con actuación piezoeléctrica aplicados a nanoconmutadores de RF para señales de alta potencia. _ Membranas circulares de AlN=NCD con actuación piezoeléctrica aplicadas a lentes sintonizables. _ Filtros ópticos Fabry-Pérot basados en cavidades aéreas y membranas de GaN actuadas electrostáticamente. En resumen, se han desarrollado unos nuevos procedimientos optimizados para la fabricación de estructuras de NCD y materiales III-N. Estas técnicas se han usado para producir estructuras que llevaron a la determinación de las principales propiedades mecánicas y de los parámetros de los dispositivos necesarios para el diseño de MEMS. Finalmente, los datos obtenidos se han usado para el diseño optimizado de varios dispositivos demostradores. ABSTRACT Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) have proven to be a successful family of devices that can be used as a platform for the development of devices with applications in optics, communications, signal processing and sensorics. Standard MEMS devices are usually fabricated using silicon based materials. However, the performance of these MEMS can be improved if other material systems are used. For instance, nanocrystalline diamond (NCD) offers excellent mechanical properties, optical transparency and ease of surface functionalization. On the other hand, the (In; Ga; Al)N material system, the III-N materials, can be used to produce single crystal structures with high mechanical and chemical sensitivity. Also, AlN can be deposited by reactive sputtering on various substrates, including NCD, to form oriented polycrystalline layers with high piezoelectric response. In addition, both NCD and III-N materials exhibit high thermal and chemical stability, which makes these material the perfect choice for the development of devices for high temperatures, harsh environments and even biocompatible applications. In this thesis these materials have been used for the design and measurement of technological demonstrators. Three main objectives have been pursued: _ Development of suitable fabrication processes. _ Measurement of the material mechanical properties and device performance limiting factors. _ Use the gathered data to design complex demonstrator devices. In a first part of the thesis several fabrication processes have been addressed. The stability of these materials hinders the etching of the layers and hampers the production of free standing structures. The first chapters of this dissertation are devoted to the development of a dry patterning etching process and to sacrificial etching optimization of several proposed substrates. The results of the etching processes are presented and the optimization of the technique for the manufacturing of NCD and III-N free standing structures is described. In a later chapter, sputtering growth of thin AlN layers is studied. As calculated in this dissertation, for efficient MEMS piezoelectric actuation the AlN layers have to be very thin, typically d < 200 nm, which poses serious difficulties to the production of c-axis oriented material with piezoelectric response. The deposition conditions have been mapped in order to identify the boundaries that give rise to the growth of c-axis oriented material from the first deposition stages. Additionally, during the etching optimization a procedure for fabricating nanoporous GaN layers was also studied. Such porous layers can serve as a sacrificial layer for the release of low stressed GaN devices or as a functionalization enhancement layer for chemical and biological sensors. The pore induction process will be discussed and etching and functionalization trials are presented. Secondly, the mechanical properties of NCD and III-N materials have been determined. Several free standing structures were fabricated for the measurement of the material Young’s modulus and residual stress. In addition, NCD structures were measured under resonance in order to calculate the device performance in terms of frequency and quality factor. Intrinsic and extrinsic limiting factors for both figures were identified and models have been developed in order to take into account these imperfections in the device design stages. On the other hand, III-N materials usually present large strain gradients that lead to device deformation after release. These effects have been measured and modeled for the three binary materials of the system in order to provide the interpolation points for predicting the behavior of the III-N alloys. Finally, the gathered data has been used for developing analytic and numeric models for the design of various devices. The transduction properties are studied and optimized topologies are provided. Optimized design of the following devices is presented at the last chapter of this dissertation: _ AlN=NCD piezoelectrically actuated beams applied to RF nanoswitches for large power signals. _ AlN=NCD piezoelectrically actuated circular membranes applied to tunable lenses. _ GaN based air gap tunable optical Fabry-Pérot filters with electrostatic actuation. On the whole, new optimized fabrication processes has been developed for the fabrication of NCD and III-N MEMS structures. These processing techniques was used to produce structures that led to the determination of the main mechanical properties and device parameters needed for MEMS design. Lastly, the gathered data was used for the design of various optimized demonstrator devices.

Contribution to the analysis and design of reflectarray antennas for reconfigurable beam applications at frequencies above 100 GHz using liquid crystal technology

El trabajo contenido en esta tesis doctoral está encuadrado en el desarrollo de antenas reconfigurables electrónicamente capaces de proporcionar prestaciones competitivas a las aplicaciones cada vez más comunes que operan a frecuencias superiores a 60 GHz. En concreto, esta tesis se centra en el estudio, diseño, e implementación de las antenas reflectarray, a las que se introduce la tecnología de cristal líquido como elemento característico con el que se consigue reconfigurabilidad de haz de forma electrónica. Desde un punto de vista muy general, se puede describir un cristal líquido como un material cuya permitividad eléctrica es variable y controlada por una excitación externa, que generalmente suele corresponderse con un campo eléctrico quasi-estático (AC). Las antenas reflectarray de cristal líquido se han escogido como objeto de estudio por varias razones. La primera de ellas tiene que ver con las ventajas que los reflectarrays, y en especial aquellos realizados en configuración planar, proporcionan con respecto a otras antenas de alta ganancia como los reflectores o los “phased-arrays”. En los reflectarrays, la alimentación a través de una fuente primaria común (característica de reflectores) y el elevado número de grados de libertad de las celdas que los componen (característica de arrays) hacen que estas antenas puedan proporcionar prestaciones eléctricas iguales o mejores que las anteriores, a un coste más reducido y con estructuras de antena más compactas. La segunda razón radica en la flexibilidad que ofrece el cristal líquido a ser confinado y polarizado en recintos de geometría variada, como consecuencia de su fluidez (propiedad de los líquidos). Por ello, la tecnología de cristal líquido permite que el propio elemento reconfigurable en las celdas de reflectarray se adapte a la configuración planar de manera que en sí mismo, el cristal líquido sea una o varias de las capas características de esta configuración. Esto simplifica de forma drástica la estructura y la fabricación de este tipo de antenas, incluso si se comparan con reflectarrays reconfigurables basados en otras tecnologías como diodos, MEMS, etc. Por tanto, su coste y desarrollo es muy reducido, lo que hace que se puedan fabricar reflectarrays reconfigurables eléctricamente grandes, a bajo coste, y en producción elevada. Un ejemplo claro de una estructura similar, y que ha tenido éxito comercial, son las pantallas de cristal líquido. La tercera razón reside en el hecho de que el cristal líquido es, hasta la fecha, de las pocas tecnologías capaces de ofrecer reconfigurabilidad del haz a frecuencias superiores a 60 GHz. De hecho, el cristal líquido permite reconfigurabilidad en un amplio margen de frecuencias, que va desde DC a frecuencias del espectro visible, incluyendo las microondas y los THz. Otras tecnologías, como los materiales ferroeléctricos, el grafeno o la tecnología CMOS “on chip” permiten también conmutar el haz en estas frecuencias. Sin embargo, la tecnología CMOS tiene un elevado coste y actualmente está limitada a frecuencias inferiores a 150 GHz, y aunque los materiales ferroeléctricos o el grafeno puedan conmutar a frecuencias más altas y en un rango más amplio, tienen serias dificultades que los hacen aún inmaduros. En el caso de los materiales ferroeléctricos, los elevados voltajes para conmutar el material los hacen poco atractivos, mientras que en el caso del grafeno, su modelado aún está en discusión, y todavía no se han arrojado resultados experimentales que validen su idoneidad. Estas tres razones hacen que los reflectarrays basados en cristal líquido sean atractivos para multitud de aplicaciones de haz reconfigurable a frecuencias superiores a 60 GHz. Aplicaciones como radar de escaneo de imágenes de alta resolución, espectroscopia molecular, radiómetros para observación atmosférica, o comunicaciones inalámbricas de alta frecuencia (WiGig) son algunas de ellas. La tesis está estructurada en tres partes. En la primera de ellas se describen las características más comunes de los cristales líquidos, centrándonos en detalle en aquellas propiedades ofrecidas por este material en fase nemática. En concreto, se estudiará la anisotropía dieléctrica (Ae) de los cristales líquidos uniaxiales, que son los que se emplean en esta tesis, definida como la diferencia entre la permitividad paralela (£//) y la perpendicular (e±): Ae = e,, - e±. También se estudiará la variación de este parámetro (Ae) con la frecuencia, y el modelado electromagnético macroscópico más general que, extraído a partir de aquella, permite describir el cristal líquido para cada tensión de polarización en celdas de geometría planar. Este modelo es de suma importancia para garantizar precisión en el desfasaje proporcionado por las diferentes celdas reconfigurables para reflectarrays que se describirán en la siguiente parte de la tesis. La segunda parte de la tesis se centra en el diseño de celdas reflectarray resonantes basadas en cristal líquido. La razón por la que se escogen estos tipos de celdas reside en el hecho de que son las únicas capaces de proporcionar rangos de fase elevados ante la reducida anisotropía dieléctrica que ofrecen los cristales líquidos. El objetivo de esta parte trata, por tanto, de obtener estructuras de celdas reflectarray que sean capaces de proporcionar buenas prestaciones eléctricas a nivel de antena, mejorando sustancialmente las prestaciones de las celdas reportadas en el estado del arte, así como de desarrollar una herramienta de diseño general para aquellas. Para ello, se estudian las prestaciones eléctricas de diferentes tipos de elementos resonantes de cristal líquido que van, desde el más sencillo, que ha limitado el estado de la técnica hasta el desarrollo de esta tesis y que está formado por un sólo resonador, a elementos que constan de varios resonadores (multi-resonantes) y que pueden ser monocapa o multicapa. En un primer paso, el procedimiento de diseño de estas estructuras hace uso de un modelo convencional de cristal líquido que ha venido siendo usado en el estado del arte para este tipo de celdas, y que considera el cristal líquido como un material homogéneo e isótropo cuya permitividad varía entre (e/7) y (e±). Sin embargo, en esta parte de la tesis se demuestra que dicho modelado no es suficiente para describir de forma genérica el comportamiento del cristal líquido en las celdas tipo reflectarray. En la tesis se proponen procedimientos más exactos para el análisis y diseño basados en un modelo más general que define el cristal líquido como un material anisótropo e inhomogeneo en tres dimensiones, y se ha implementado una técnica que permite optimizar celdas multi-resonantes de forma eficiente para conseguir elevadas prestaciones en cuanto a ancho de banda, rango de fase, pérdidas, o sensibilidad al ángulo de incidencia. Los errores cometidos en el uso del modelado convencional a nivel de celda (amplitud y fase) se han analizado para varias geometrías, usando medidas de varios prototipos de antena que usan un cristal líquido real a frecuencias superiores a 100 GHz. Las medidas se han realizado en entorno periódico mediante un banco cuasi-óptico, que ha sido diseñado especialmente para este fin. Uno de estos prototipos se ha optimizado a 100 GHz para conseguir un ancho de banda relativamente elevado (10%), pérdidas reducidas, un rango de fase mayor de 360º, baja sensibilidad al ángulo de incidencia, y baja influencia de la inhomogeneidad transversal del cristal líquido en la celda. Estas prestaciones a nivel de celda superan de forma clara aquellas conseguidas por otros elementos que se han reportado en la literatura, de manera que dicho prototipo se ha usado en la última parte de la tesis para realizar diversas antenas de barrido. Finalmente, en esta parte se presenta una estrategia de caracterización de la anisotropía macroscópica a partir de medidas de los elementos de reflectarray diseñados en banco cuasi-óptico, obteniendo resultados tanto en las frecuencias de interés en RF como en AC, y comparándolas con aquellas obtenidas mediante otros métodos. La tercera parte de la tesis consiste en el estudio, diseño, fabricación y medida de antenas reconfigurables basadas en cristal líquido en configuraciones complejas. En reflectarrays pasivos, el procedimiento de diseño de la antena se limita únicamente al ajuste en cada celda de la antena de las dimensiones de las metalizaciones que se emplean para el control de fase, mediante procesos de optimización bien conocidos. Sin embargo, en el caso de reflectarrays reconfigurables basados en cristal líquido, resulta necesario un paso adicional, que consiste en calcular de forma adecuada las tensiones de control en cada celda del reflectarray para configurar la fase requerida en cada una de ellas, así como diseñar la estructura y los circuitos de control que permitan direccionar a cada elemento su tensión correspondiente. La síntesis de tensiones es por tanto igual o más importante que el diseño de la geometría de las celdas, puesto que éstas son las que están directamente relacionadas con la fase. En el estado del arte, existen varias estrategias de síntesis de tensiones que se basan en la caracterización experimental de la curva de fase respecto al voltaje. Sin embargo, esta caracterización sólo puede hacerse a un solo ángulo de incidencia y para unas determinadas dimensiones de celda, lo que produce que las tensiones sintetizadas sean diferentes de las adecuadas, y en definitiva que se alcancen errores de fase mayores de 70º. De esta forma, hasta la fecha, las prestaciones a nivel de antena que se han conseguido son reducidas en cuanto a ancho de banda, rango de escaneo o nivel de lóbulos secundarios. En esta última parte de la tesis, se introduce una nueva estrategia de síntesis de tensiones que es capaz de predecir mediante simulaciones, y con alta precisión, las tensiones que deben introducirse en cada celda teniendo en cuenta su ángulo de incidencia, sus dimensiones, la frecuencia, así como la señal de polarización definida por su frecuencia y forma de onda AC. Esta estrategia se basa en modelar cada uno de los estados de permitividad del cristal líquido como un sustrato anisótropo con inhomogeneidad longitudinal (1D), o en ciertos casos, como un tensor equivalente homogéneo. La precisión de ambos modelos electromagnéticos también se discute. Con el objetivo de obtener una herramienta eficiente de cálculo de tensiones, también se ha escrito e implementado una herramienta de análisis basada en el Método de los Momentos en el Dominio Espectral (SD-MoM) para sustratos estratificados anisótropos, que se usa en cada iteración del procedimiento de síntesis para analizar cada una de las celdas de la antena. La síntesis de tensiones se ha diseñado además para reducir al máximo el efecto del rizado de amplitud en el diagrama de radiación, que es característico en los reflectarrays que están formados por celdas con pérdidas elevadas, lo que en sí, supone un avance adicional para la obtención de mejores prestaciones de antena. Para el cálculo de los diagramas de radiación empleados en el procedimiento de síntesis, se asume un análisis elemento a elemento considerando periodicidad local, y se propone el uso de un método capaz de modelar el campo incidente de forma que se elimine la limitación de la periodicidad local en la excitación. Una vez definida la estrategia adecuada de cálculo de las tensiones a aplicar al cristal líquido en cada celda, la estructura de direccionamiento de las mismas en la antena, y diseñados los circuitos de control, se diseñan, fabrican y miden dos prototipos diferentes de antena de barrido electrónico a 100 GHz usando las celdas anteriormente presentadas. El primero de estos prototipos es un reflectarray en configuración “single offset” con capacidad de escaneo en un plano (elevación o azimut). Aunque previamente se realizan diseños de antenas de barrido en 2D a varias frecuencias en el rango de milimétricas y sub-milimétricas, y se proponen ciertas estrategias de direccionamiento que permiten conseguir este objetivo, se desarrolla el prototipo con direccionamiento en una dimensión con el fin de reducir el número de controles y posibles errores de fabricación, y así también validar la herramienta de diseño. Para un tamaño medio de apertura (con un numero de filas y columnas entre 30 y 50 elementos, lo que significa un reflectarray con un número de elementos superior a 900), la configuración “single offset” proporciona rangos de escaneo elevados, y ganancias que pueden oscilar entre los 20 y 30 dBi. En concreto, el prototipo medido proporciona un haz de barrido en un rango angular de 55º, en el que el nivel de lóbulos secundarios (SLL) permanece mejor de -13 dB en un ancho de banda de un 8%. La ganancia máxima es de 19.4 dBi. Estas prestaciones superan de forma clara aquellas conseguidas por otros autores. El segundo prototipo se corresponde con una antena de doble reflector que usa el reflectarray de cristal líquido como sub-reflector para escanear el haz en un plano (elevación o azimut). El objetivo básico de esta geometría es obtener mayores ganancias que en el reflectarray “single offset” con una estructura más compacta, aunque a expensas de reducir el rango de barrido. En concreto, se obtiene una ganancia máxima de 35 dBi, y un rango de barrido de 12º. Los procedimientos de síntesis de tensiones y de diseño de las estructuras de las celdas forman, en su conjunto, una herramienta completa de diseño precisa y eficiente de antenas reflectarray reconfigurables basados en cristales líquidos. Dicha herramienta se ha validado mediante el diseño, la fabricación y la medida de los prototipos anteriormente citados a 100 GHz, que consiguen algo nunca alcanzado anteriormente en la investigación de este tipo de antenas: unas prestaciones competitivas y una predicción excelente de los resultados. El procedimiento es general, y por tanto se puede usar a cualquier frecuencia en la que el cristal líquido ofrezca anisotropía dieléctrica, incluidos los THz. Los prototipos desarrollados en esta tesis doctoral suponen también unas de las primeras antenas de barrido real a frecuencias superiores a 100 GHz. En concreto, la antena de doble reflector para escaneo de haz es la primera antena reconfigurable electrónicamente a frecuencias superiores a 60 GHz que superan los 25 dBi de ganancia, siendo a su vez la primera antena de doble reflector que contiene un reflectarray reconfigurable como sub-reflector. Finalmente, se proponen ciertas mejoras que aún deben se deben realizar para hacer que estas antenas puedan ser un producto completamente desarrollado y competitivo en el mercado. ABSTRACT The work presented in this thesis is focused on the development of electronically reconfigurable antennas that are able to provide competitive electrical performance to the increasingly common applications operating at frequencies above 60 GHz. Specifically, this thesis presents the study, design, and implementation of reflectarray antennas, which incorporate liquid crystal (LC) materials to scan or reconfigure the beam electronically. From a general point of view, a liquid crystal can be defined as a material whose dielectric permittivity is variable and can be controlled with an external excitation, which usually corresponds with a quasi-static electric field (AC). By changing the dielectric permittivity at each cell that makes up the reflectarray, the phase shift on the aperture is controlled, so that a prescribed radiation pattern can be configured. Liquid Crystal-based reflectarrays have been chosen for several reasons. The first has to do with the advantages provided by the reflectarray antenna with respect to other high gain antennas, such as reflectors or phased arrays. The RF feeding in reflectarrays is achieved by using a common primary source (as in reflectors). This arrangement and the large number of degrees of freedom provided by the cells that make up the reflectarray (as in arrays), allow these antennas to provide a similar or even better electrical performance than other low profile antennas (reflectors and arrays), but assuming a more reduced cost and compactness. The second reason is the flexibility of the liquid crystal to be confined in an arbitrary geometry due to its fluidity (property of liquids). Therefore, the liquid crystal is able to adapt to a planar geometry so that it is one or more of the typical layers of this configuration. This simplifies drastically both the structure and manufacture of this type of antenna, even when compared with reconfigurable reflectarrays based on other technologies, such as diodes MEMS, etc. Therefore, the cost of developing this type of antenna is very small, which means that electrically large reconfigurable reflectarrays could be manufactured assuming low cost and greater productions. A paradigmatic example of a similar structure is the liquid crystal panel, which has already been commercialized successfully. The third reason lies in the fact that, at present, the liquid crystal is one of the few technologies capable of providing switching capabilities at frequencies above 60 GHz. In fact, the liquid crystal allows its permittivity to be switched in a wide range of frequencies, which are from DC to the visible spectrum, including microwaves and THz. Other technologies, such as ferroelectric materials, graphene or CMOS "on chip" technology also allow the beam to be switched at these frequencies. However, CMOS technology is expensive and is currently limited to frequencies below 150 GHz, and although ferroelectric materials or graphene can switch at higher frequencies and in a wider range, they have serious difficulties that make them immature. Ferroelectric materials involve the use of very high voltages to switch the material, making them unattractive, whereas the electromagnetic modelling of the graphene is still under discussion, so that the experimental results of devices based on this latter technology have not been reported yet. These three reasons make LC-based reflectarrays attractive for many applications that involve the use of electronically reconfigurable beams at frequencies beyond 60 GHz. Applications such as high resolution imaging radars, molecular spectroscopy, radiometers for atmospheric observation, or high frequency wireless communications (WiGig) are just some of them. This thesis is divided into three parts. In the first part, the most common properties of the liquid crystal materials are described, especially those exhibited in the nematic phase. The study is focused on the dielectric anisotropy (Ac) of uniaxial liquid crystals, which is defined as the difference between the parallel (e/7) and perpendicular (e±) permittivities: Ae = e,, - e±. This parameter allows the permittivity of a LC confined in an arbitrary volume at a certain biasing voltage to be described by solving a variational problem that involves both the electrostatic and elastic energies. Thus, the frequency dependence of (Ae) is also described and characterised. Note that an appropriate LC modelling is quite important to ensure enough accuracy in the phase shift provided by each cell that makes up the reflectarray, and therefore to achieve a good electrical performance at the antenna level. The second part of the thesis is focused on the design of resonant reflectarray cells based on liquid crystal. The reason why resonant cells have been chosen lies in the fact that they are able to provide enough phase range using the values of the dielectric anisotropy of the liquid crystals, which are typically small. Thus, the aim of this part is to investigate several reflectarray cell architectures capable of providing good electrical performance at the antenna level, which significantly improve the electrical performance of the cells reported in the literature. Similarly, another of the objectives is to develop a general tool to design these cells. To fulfill these objectives, the electrical yields of different types of resonant reflectarray elements are investigated, beginning from the simplest, which is made up of a single resonator and limits the state of the art. To overcome the electrical limitations of the single resonant cell, several elements consisting of multiple resonators are considered, which can be single-layer or multilayer. In a first step, the design procedure of these structures makes use of a conventional electromagnetic model which has been used in the literature, which considers that the liquid crystal behaves as homogeneous and isotropic materials whose permittivity varies between (e/7) y (e±). However, in this part of the thesis it is shown that the conventional modelling is not enough to describe the physical behaviour of the liquid crystal in reflectarray cells accurately. Therefore, a more accurate analysis and design procedure based on a more general model is proposed and developed, which defines the liquid crystal as an anisotropic three-dimensional inhomogeneous material. The design procedure is able to optimize multi-resonant cells efficiently to achieve good electrical performance in terms of bandwidth, phase range, losses, or sensitivity to the angle of incidence. The errors made when the conventional modelling (amplitude and phase) is considered have been also analysed for various cell geometries, by using measured results from several antenna prototypes made up of real liquid crystals at frequencies above 100 GHz. The measurements have been performed in a periodic environment using a quasi-optical bench, which has been designed especially for this purpose. One of these prototypes has been optimized to achieve a relatively large bandwidth (10%) at 100 GHz, low losses, a phase range of more than 360º, a low sensitivity to angle of incidence, and a low influence of the transversal inhomogeneity of the liquid crystal in the cell. The electrical yields of this prototype at the cell level improve those achieved by other elements reported in the literature, so that this prototype has been used in the last part of the thesis to perform several complete antennas for beam scanning applications. Finally, in this second part of the thesis, a novel strategy to characterise the macroscopic anisotropy using reflectarray cells is presented. The results in both RF and AC frequencies are compared with those obtained by other methods. The third part of the thesis consists on the study, design, manufacture and testing of LCbased reflectarray antennas in complex configurations. Note that the design procedure of a passive reflectarray antenna just consists on finding out the dimensions of the metallisations of each cell (which are used for phase control), using well-known optimization processes. However, in the case of reconfigurable reflectarrays based on liquid crystals, an additional step must be taken into account, which consists of accurately calculating the control voltages to be applied to each cell to configure the required phase-shift distribution on the surface of the antenna. Similarly, the structure to address the voltages at each cell and the control circuitry must be also considered. Therefore, the voltage synthesis is even more important than the design of the cell geometries (dimensions), since the voltages are directly related to the phase-shift. Several voltage synthesis procedures have been proposed in the state of the art, which are based on the experimental characterization of the phase/voltage curve. However, this characterization can be only carried out at a single angle of incidence and at certain cell dimensions, so that the synthesized voltages are different from those needed, thus giving rise to phase errors of more than 70°. Thus, the electrical yields of the LCreflectarrays reported in the literature are limited in terms of bandwidth, scanning range or side lobes level. In this last part of the thesis, a new voltage synthesis procedure has been defined and developed, which allows the required voltage to be calculated at each cell using simulations that take into account the particular dimensions of the cells, their angles of incidence, the frequency, and the AC biasing signal (frequency and waveform). The strategy is based on the modelling of each one of the permittivity states of the liquid crystal as an anisotropic substrate with longitudinal inhomogeneity (1D), or in certain cases, as an equivalent homogeneous tensor. The accuracy of both electromagnetic models is also discussed. The phase errors made by using the proposed voltage synthesis are better than 7º. In order to obtain an efficient tool to analyse and design the reflectarray, an electromagnetic analysis tool based on the Method of Moments in the spectral domain (SD-MoM) has also written and developed for anisotropic stratified media, which is used at each iteration of the voltage synthesis procedure. The voltage synthesis is also designed to minimize the effect of amplitude ripple on the radiation pattern, which is typical of reflectarrays made up of cells exhibiting high losses and represents a further advance in achieving a better antenna performance. To calculate the radiation patterns used in the synthesis procedure, an element-by-element analysis is assumed, which considers the local periodicity approach. Under this consideration, the use of a novel method is proposed, which avoids the limitation that the local periodicity imposes on the excitation. Once the appropriate strategy to calculate the voltages to be applied at each cell is developed, and once it is designed and manufactured both the structure to address the voltages to the antenna and the control circuits, two complete LC-based reflectarray antennas that operate at 100 GHz have been designed, manufactured and tested using the previously presented cells. The first prototype consists of a single offset reflectarray with beam scanning capabilities on one plane (elevation and azimuth). Although several LC-reflectarray antennas that provide 2-D scanning capabilities are also designed, and certain strategies to achieve the 2-D addressing of the voltage are proposed, the manufactured prototype addresses the voltages in one dimension in order to reduce the number of controls and manufacturing errors, and thereby validating the design tool. For an average aperture size (with a number of rows and columns of between 30 and 50 elements, which means a reflectarray with more than 900 cells), the single offset configuration provides an antenna gain of between 20 and 30 dBi and a large scanning range. The prototype tested at 100 GHz exhibits an electronically scanned beam in an angular range of 55º and 8% of bandwidth, in which the side lobe level (SLL) remains better than -13 dB. The maximum gain is 19.4 dBi. The electrical performance of the antenna is clearly an improvement on those achieved by other authors in the state of the art. The second prototype corresponds to a dual reflector antenna with a liquid crystal-based reflectarray used as a sub-reflector for beam scanning in one plane (azimuth or elevation). The main objective is to obtain a higher gain than that provided by the single offset configuration, but using a more compact architecture. In this case, a maximum gain of 35 dBi is achieved, although at the expense of reducing the scanning range to 12°, which is inherent in this type of structure. As a general statement, the voltage synthesis and the design procedure of the cells, jointly make up a complete, accurate and efficient design tool of reconfigurable reflectarray antennas based on liquid crystals. The tool has been validated by testing the previously mentioned prototypes at 100 GHz, which achieve something never reached before for this type of antenna: a competitive electrical performance, and an excellent prediction of the results. The design procedure is general and therefore can be used at any frequency for which the liquid crystal exhibits dielectric anisotropy. The two prototypes designed, manufactured and tested in this thesis are also some of the first antennas that currently operate at frequencies above 100 GHz. In fact, the dual reflector antenna is the first electronically scanned dual reflector antenna at frequencies above 60 GHz (the operation frequency is 100 GHz) with a gain greater than 25 dBi, being in turn the first dual-reflector antenna with a real reconfigurable sub-reflectarray. Finally, some improvements that should be still investigated to make these antennas commercially competitive are proposed.

Efficient chemo-enzymatic gluten detoxification: reducing toxic epitopes for celiac patients improving functional properties

Protein engineering of gluten, the exogenous effector in celiac disease, seeking its detoxification by selective chemical modification of toxic epitopes is a very attractive strategy and promising technology when compared to pharmacological treatment or genetic engineering of wheat. Here we present a simple and efficient chemo-enzymatic methodology that decreases celiac disease toxic epitopes of gluten proteins improving its technological value through microbial transglutaminase-mediated transamidation of glutamine with n-butylamine under reducing conditions. First, we found that using low concentrations of amine-nucleophile under non-reducing conditions, the decrease in toxic epitopes is mainly due to transglutaminase-mediated cross-linking. Second, using high amine nucleophile concentrations protein cross-linking is substantially reduced. Third, reducing conditions increase 7-fold the transamidation reaction further decreasing toxic epitopes amount. Fourth, using n-butylamine improves gluten hydrophobicity that strengthens the gluten network. These results open the possibility of tailoring gluten for producing hypoallergenic flours while still taking advantage of the unique viscoelastic properties of gluten.