Estudio de las dinámicas de pérdida de peso corporal en los programas de ejercicio físico y nutrición = Study of the dynamics of body weight loss in exercise and nutritional programs

Introducción. La obesidad puede definirse como una enfermedad metabólica crónica de origen multifactorial, lo que provoca trastornos o problemas físicos y psicológicos a la persona, con patologías asociadas que limitan la esperanza de vida y deterioran la calidad de la misma, siendo determinante para sus áreas sociales y laborales. Este trastorno metabólico crónico se caracteriza por una acumulación excesiva de energía en el cuerpo en forma de grasa, lo que lleva a un aumento de peso con respecto al valor esperado por sexo, edad y altura. La gestión y el tratamiento de la obesidad tienen objetivos más amplios que la pérdida de peso e incluyen la reducción del riesgo y la mejora de la salud. Estos pueden ser alcanzados por la pérdida modesta de peso (es decir, 10.5% del peso corporal inicial), la mejora del contenido nutricional de la dieta y un modesto incremento en la actividad física y condición física. La dieta es uno de los métodos más populares para perder peso corporal. El ejercicio es otra alternativa para perder peso corporal. El aumento de ejercicio provoca un desequilibrio cuando se mantiene la ingesta calórica. También tiene ventajas, como la mejora del tono muscular, la capacidad cardiovascular, fuerza y flexibilidad, aumenta el metabolismo basal y mejora el sistema inmunológico. Objetivos. El objetivo de esta tesis es contribuir en un estudio de intervención para aclarar la evolución del peso corporal durante una intervención de dieta y ejercicio. Para ello, se evaluaron los efectos de la edad, sexo, índice de masa corporal inicial y el tipo de tratamiento en las tendencias de pérdida de peso. Otro objetivo de la tesis era crear un modelo de regresión lineal múltiple capaz de predecir la pérdida de peso corporal después del periodo de intervención. Y, por último, determinar el efecto sobre la composición corporal (peso corporal, índice de masa corporal, la masa grasa, y la masa libre de grasa) de las diferentes intervenciones basadas en ejercicios (fuerza, resistencia, resistencia combinada con fuerza, y las recomendaciones de actividad física (grupo control)) en combinación con dieta de adultos con sobrepeso y obesidad, después de la intervención, así como los cambios de la composición corporal 3 años más tarde. Diseño de la investigación. Los datos empleados en el análisis de esta tesis son parte del proyecto “Programas de Nutrición y Actividad Física para el tratamiento de la obesidad” (PRONAF). El proyecto PRONAF es un estudio clínico sobre programas de nutrición y actividad física para el sobrepeso y la obesidad, desarrollado en España durante varios años de intervención. Fue diseñado, en parte, para comparar diferentes tipos de intervención, con el objetivo de evaluar su impacto en las dinámicas de pérdida de peso, en personas con sobrepeso y obesidad. Como diseño experimental, el estudio se basó en una restricción calórica, a la que, en algunos casos, se le añadió un protocolo de entrenamiento (fuerza, resistencia, o combinado, en igualdad de volumen e intensidad). Las principales variables para la investigación que comprende esta tesis fueron: el peso corporal y la composición corporal (masa grasa y masa libre de grasa). Conclusiones. En esta tesis, para los programas de pérdida de peso en personas con sobrepeso y obesidad con un 25-30% de la restricción calórica, el peso corporal se redujo significativamente en ambos sexos, sin tener en cuenta la edad y el tipo de tratamiento seguido. Según los resultados del estudio, la pérdida de peso realizada por un individuo (hombre o mujer) durante los seis meses puede ser representada por cualquiera de las cinco funciones (lineal, potencial, exponencial, logarítmica y cuadrática) en ambos sexos, siendo la cuadrática la que tiende a representarlo mejor. Además, se puede concluir que la pérdida de peso corporal se ve afectada por el índice de masa corporal inicial y el sexo, siendo mayor para las personas obesas que para las de sobrepeso, que muestran diferencias entre sexos sólo en la condición de sobrepeso. Además, es posible calcular el peso corporal final de cualquier participante involucrado en una intervención utilizando la metodología del proyecto PRONAF sólo conociendo sus variables iniciales de composición corporal. Además, los cuatro tipos de tratamientos tuvieron resultados similares en cambios en la composición corporal al final del período de intervención, con la única excepción de la masa libre de grasa, siendo los grupos de entrenamiento los que la mantuvieron durante la restricción calórica. Por otro lado, sólo el grupo combinado logra mantener la reducción de la masa grasa (%) 3 años después del final de la intervención. ABSTRACT Introduction. Obesity can be defined as a chronic metabolic disease from a multifactorial origin, which leads to physical and psychological impacts to the person, with associated pathologies that limit the life expectancy and deteriorate the quality of it, being determinant for the social and labor areas of the person. This chronic metabolic disorder is characterized by an excessive accumulation of energy in the body as fat, leading to increased weight relative to the value expected by sex, age and height. The management and treatment of obesity have wider objectives than weight loss alone and include risk reduction and health improvement. These may be achieved by modest weight loss (i.e. 5–10% of initial body weight), improved nutritional content of the diet and modest increases in physical activity and fitness. Weight loss through diet is one of the most popular approaches to lose body weight. Exercise is another alternative to lose body weight. The increase of exercise causes an imbalance when the caloric intake is maintained. It also has advantages such as improved muscle tone, cardiovascular fitness, strength and flexibility, increases the basal metabolism and improves immune system. Objectives. The aim of this thesis is to contribute with an interventional study to clarify the evolution of the body weight during a diet and exercise intervention. For this, the effects of age, sex, initial body mass index and type of treatment on weight loss tendencies were evaluated. Another objective of the thesis was to create a multiple linear regression model able to predict the body weight loss after the intervention period. And, finally, to determine the effect upon body composition (body weight, body mass index, fat mass, and fat-free mass of different exercise-based interventions (strength, endurance, combined endurance and strength, and physical activity recommendations group (control group)) combined with diet in overweight and obese adults, after intervention as well as body composition changes 3 years later. Research Design. The data used in the analysis of this thesis are part of the project "Programs of Nutrition and Physical Activity for the treatment of obesity" (PRONAF). The PRONAF project is a clinical trial program about nutrition and physical activity for overweight and obesity, developed in Spain for several years of intervention. It was designed, in part, to compare different types of intervention, in order to assess their impact on the dynamics of weight loss in overweight and obese people. As experimental design, the study was based on caloric restriction, which, in some cases, added a training protocol (strength, endurance, or combined in equal volume and intensity). The main research variables comprising this thesis were: body weight and body composition outcomes (fat mass and fat-free mass). Conclusions. In this thesis, for weight loss programs in overweight and obese people with 25-30% of caloric restriction, the body weight was significantly decreased in both sexes, regardless the age and type of followed treatment. According to the results of the study, the weight loss performed by an individual (male or female) during six months can be represented by any of the five functions (linear, power law, exponential, logarithmic and quadratic) in both sexes, being the quadratic one which tends to represent it better. In addition, it can be concluded that the body weight loss is affected by the initial body mass index and sex condition, being greater for the obese people than for the overweight one, showing differences between sexes only in the overweight condition. Moreover, it is possible to calculate the final body weight of any participant engaged in an intervention using the PRONAF Project methodology only knowing their initial body composition variables. Furthermore, the four types of treatments had similar results on body composition changes at the end of the intervention period, with the only exception of fat-free mass, being the training groups the ones that maintained it during the caloric restriction. On the other hand, only the combined group achieved to maintain the fat mass (%) reduced 3 years after the end of the intervention.

CRYPT4YOU y la utilidad de los MOOCs en la formación online en lengua española.

En los últimos dos años la formación online ha experimentado un auge significativo gracias al paradigma de formación denominado MOOC (Massive Open Online Course). Un MOOC simplifica la formación a distancia gracias a sus características de abierto, colaborativo, masivo y gratuito. Por desgracia en lengua española la utilización de este tipo de recurso formativo todavía es minoritaria. La presente investigación recoge una experiencia de innovación educativa en la que se destaca el diseño, implementación y difusión del primer MOOC en lengua española dedicado a la seguridad de la información por parte de la Universidad Politécnica de Madrid. Esta experiencia aborda las ventajas e inconvenientes de este tipo de recurso formativo, debatiendo aspectos vitales para la elaboración prolongada de cursos tipo MOOC, como son la interactividad y retroalimentación con los usuarios del curso o la forma más adecuada de representar el contenido docente. Todas estas cuestiones reciben respuesta en el MOOC Crypt4you, que con más de 10 meses de vida permite vislumbrar un gran éxito de este tipo de cursos en la formación, al menos en lengua española, de hispanohablantes. ABSTRACT In the last two years, online training has boomed thanks to significant training paradigm called MOOC (Massive Open Online Course). A MOOC simplifies remote training thanks to its open, collaborativend free mass features. Unfortunately, the use of this kind of learning resource in Spanish teaching is still a minority. This research includes an educational experience which emphasizes the design, implementation and dissemination of the first Spanish-language MOOC devoted to information security by the Technical University of Madrid. This experiment addresses the advantages and disadvantages of this kind of learning resource discussing critical issues for developing type MOOC prolonged courses, such as interactivity and feedback from users of the course or the most appropriate way of representing the educational content. All these questions are answered in the MOOC Crypt4you which, over its 10 months of life, can glimpse a great success of this type of training course, at least in Spanish, Spanish-speakers.

Atlas-free Brain Tissue Segmentation Using a Single T1-weighted MRI Acquisition

Many studies investigating the aging brain or disease-induced brain alterations rely on accurate and reproducible brain tissue segmentation. Being a preliminary processing step prior to the segmentation, reliableskull-stripping the removal ofnon-brain tissue is also crucial for all later image assessment. Typically, segmentation algorithms rely on an atlas i.e. pre-segmented template data. Brain morphology, however, differs considerably depending on age, sex and race. In addition, diseased brains may deviate significantly from the atlas information typically gained from healthy volunteers. The imposed prior atlas information can thus lead to degradation of segmentation results. The recently introduced MP2RAGE sequence provides a bias-free T1 contrast with heavily reduced T2*- and PD-weighting compared to the standard MP-RAGE [1]. To this end, it acquires two image volumes at different inversion times in one acquisition, combining them to a uniform, i.e. homogenous image. In this work, we exploit the advantageous contrast properties of the MP2RAGE and combine it with a Dixon (i.e. fat-water separation) approach. The information gained by the additional fat image of the head considerably improves the skull-stripping outcome [2]. In conjunction with the pure T1 contrast of the MP2RAGE uniform image, we achieve robust skull-stripping and brain tissue segmentation without the use of an atlas

1000x shadow-free mirror-based Köhler concentrator

A new design for a photovoltaic concentrator, the most recent advance based on the Kohler concept, is presented. The system is mirror-based, and with geometry that guaranties a maximum sunlight collection area (without shadows, like those caused by secondary stages or receivers and heat-sinks in other mirror-based systems). Designed for a concentration of 1000x, this off axis system combines both good acceptance angle and good irradiance uniformity on the solar cell. The advanced performance features (concentration-acceptance products ?CAP- about 0.73 and affordable peak and average irradiances) are achieved through the combination of four reflective folds combined with four refractive surfaces, all of them free-form, performing Köhler integration 2 . In Köhler devices, the irradiance uniformity is not achieved through additional optical stages (TIR prisms), thus no complex/expensive elements to manufacture are required. The rim angle and geometry are such that the secondary stage and receivers are hidden below the primary mirrors, so maximum collection is assured. The entire system was designed to allow loose assembly/alignment tolerances (through high acceptance angle) and to be manufactured using already well-developed methods for mass production, with high potential for low cost. The optical surfaces for Köhler integration, although with a quite different optical behavior, have approximately the same dimensions and can be manufactured with the same techniques as the more traditional secondary optical elements used for concentration (typically plastic injection molding or glass molding).

Free-form optics for Fresnel-lens-based photovoltaic concentrators

The Concentrated Photovoltaics (CPV) promise relies upon the use of high-efficiency triple-junction solar cells (with proven efficiencies of over 44%) and upon high-performance optics that allow for high concentration concurrent with relaxed manufacturing tolerances (all key elements for low-cost mass production). Additionally, uniform illumination is highly desirable for efficiency and reliability reasons. All of these features have to be achieved with inexpensive optics containing only a few (in general no more than 2) optical elements. In this paper we show that the degrees of freedom using free-forms allow the introduction of multiple functionalities required for CPV with just 2 optical elements, one of which is a Fresnel lens.

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

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

On super free fall.

Villermaux & Pomeau (J. Fluid Mech., vol. 642, 2010, p. 147) analysed the motion of the interface of an inviscid liquid column released from rest in a vertical tube whose area expands gradually downwards, with application to an inverted conical container for which experimental measurements were carried out. An error in the analysis is found and corrected in the present investigation, which provides the new governing equation for the super-accelerated interface motion down gradually varying tubes in general, and integrated results for interface trajectories, velocities and accelerations down a conical tube in particular. Interestingly, the error does not affect any of the conclusions given in the 2010 paper. Further new results are reported here such as the equation governing the centre of mass and proof that the end point acceleration is exactly that of gravity

Numerical Investigation of the Flow Features around Heave Plates Oscillating Close to a Free Surface or Seabed

Performance of heave plates used in offshore structures is strongly influenced by their added mass and damping, which are affected by proximity to a boundary. A previous paper by the authors presented numerical simulations of the flow around a circular solid disk oscillating at varying elevations from seabed [1]. The force calculated was used to evaluate the added mass and damping coefficients for the disk. The simulations suggest that as the structure moves closer to the seabed the added mass and damping coefficients (Ca and Cb) increases continuously. In order to understand the physics behind the added mass and damping trends, when a heave plate is moving near a seabed or closer to the free surface, the flow characteristics around the heave plate are examined numerically in this paper. Flow around oscillating disks is dominated by generation and development of phase-dependent vortical structures, characterized by the KC number and the distance from the seabed or free surface to the heave plate. Numerical calculations presented in this paper have comprised the qualitative analysis of the vortex shedding and the investigation of the links between such vortex shedding and, on one hand the damping coefficient, and on the other hand, pairing mechanisms such as the shedding angle.

Identification of Ultraviolet radiation induced Gallic acid and Caffeic acid formation in Palm juice (Borassus flabellifer) by HPLC & Mass Spectra Technique.

Palm juice, a common-cheap-antioxidants rich natural plant juice has been investigated for optimizing the effect of UV-radiation on the antioxidant activity using a DPPH free radical scavenging activity method. In this study separate set of samples of raw palm juice has been treated with 365 and 254 nm UV-lights (UVL) respectively for different exposure time. When exposed for 15 min with 365 nm UVL induces concentration factor of caffeic acid, whereas, 254 nm UVL induces gallic acid accumulation, but overall antioxidant activity was higher for 365 nm UVradiation. Caffeic acid and other polyphenol compounds are increased by 5.5 ± 0.5 % than normal palm juice, observed after irradiation with 365 nm UVL. Even after the exposure of UV irradiation for 15 min, did not affect on peptide bond modification of protein molecules present in palm juice, therefore a green effect of UVL is explored for the effective increase of antioxidant activity.

Hydrodynamic forces on heave plates for offshore systems oscillating close to the seabed or the free surface

La energía eólica marina es uno de los recursos energéticos con mayor proyección pudiendo contribuir a reducir el consumo de combustibles fósiles y a cubrir la demanda de energía en todo el mundo. El concepto de aerogenerador marino está basado en estructuras fijas como jackets o en plataformas flotantes, ya sea una semisumergible o una TLP. Se espera que la energía eólica offshore juegue un papel importante en el perfil de producción energética de los próximos años; por tanto, las turbinas eólicas deben hacerse más fables y rentables para ser competitivas frente a otras fuentes de energía. Las estructuras flotantes pueden experimentar movimientos resonantes en estados de la mar con largos períodos de oleaje. Estos movimientos disminuyen su operatividad y pueden causar daños en los componentes eléctricos de las turbinas y en las palas, también en los risers y moorings. La respuesta de la componente vertical del movimiento puede reducirse mediante diferentes actuaciones: (1) aumentando la amortiguación del sistema, (2) manteniendo el período del movimiento vertical fuera del rango de la energía de la ola, y (3) reduciendo las fuerzas de excitación verticales. Un ejemplo típico para llevar a cabo esta reducción son las "Heave Plates". Las heave plates son placas que se utilizan en la industria offshore debido a sus características hidrodinámicas, ya que aumentan la masa añadida y la amortiguación del sistema. En un análisis hidrodinámico convencional, se considera una estructura sometida a un oleaje con determinadas características y se evalúan las cargas lineales usando la teoría potencial. El amortiguamiento viscoso, que juega un papel crucial en la respuesta en resonancia del sistema, es un dato de entrada para el análisis. La tesis se centra principalmente en la predicción del amortiguamiento viscoso y de la masa añadida de las heave plates usadas en las turbinas eólicas flotantes. En los cálculos, las fuerzas hidrodinámicas se han obtenido con el f n de estudiar cómo los coeficientes hidrodinámicos de masa añadida5 y amortiguamiento varían con el número de KC, que caracteriza la amplitud del movimiento respecto al diámetro del disco. Por otra parte, se ha investigado la influencia de la distancia media de la ‘heave plate’ a la superficie libre o al fondo del mar, sobre los coeficientes hidrodinámicos. En este proceso, un nuevo modelo que describe el trabajo realizado por la amortiguación en función de la enstrofía, es descrito en el presente documento. Este nuevo enfoque es capaz de proporcionar una correlación directa entre el desprendimiento local de vorticidad y la fuerza de amortiguación global. El análisis también incluye el estudio de los efectos de la geometría de la heave plate, y examina la sensibilidad de los coeficientes hidrodinámicos al incluir porosidad en ésta. Un diseño novedoso de una heave plate, basado en la teoría fractal, también fue analizado experimentalmente y comparado con datos experimentales obtenidos por otros autores. Para la resolución de las ecuaciones de Navier Stokes se ha usado un solver basado en el método de volúmenes finitos. El solver usa las librerías de OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation), para resolver un problema multifásico e incompresible, usando la técnica VOF (volume of fluid) que permite capturar el movimiento de la superficie libre. Los resultados numéricos han sido comparados con resultados experimentales llevados a cabo en el Canal del Ensayos Hidrodinámicos (CEHINAV) de la Universidad Politécnica de Madrid y en el Canal de Experiencias Hidrodinámicas (CEHIPAR) en Madrid, al igual que con otros experimentos realizados en la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Western Australia. Los principales resultados se presentan a continuación: 1. Para pequeños valores de KC, los coeficientes hidrodinámicos de masa añadida y amortiguamiento incrementan su valor a medida que el disco se aproxima al fondo marino. Para los casos cuando el disco oscila cerca de la superficie libre, la dependencia de los coeficientes hidrodinámicos es más fuerte por la influencia del movimiento de la superficie libre. 2. Los casos analizados muestran la existencia de un valor crítico de KC, donde la tendencia de los coeficientes hidrodinámicos se ve alterada. Dicho valor crítico depende de la distancia al fondo marino o a la superficie libre. 3. El comportamiento físico del flujo, para valores de KC cercanos a su valor crítico ha sido estudiado mediante el análisis del campo de vorticidad. 4. Introducir porosidad al disco, reduce la masa añadida para los valores de KC estudiados, pero se ha encontrado que la porosidad incrementa el valor del coeficiente de amortiguamiento cuando se incrementa la amplitud del movimiento, logrando un máximo de damping para un disco con 10% de porosidad. 5. Los resultados numéricos y experimentales para los discos con faldón, muestran que usar este tipo de geometrías incrementa la masa añadida cuando se compara con el disco sólido, pero reduce considerablemente el coeficiente de amortiguamiento. 6. Un diseño novedoso de heave plate basado en la teoría fractal ha sido experimentalmente estudiado a diferentes calados y comparado con datos experimentales obtenidos por otro autores. Los resultados muestran un comportamiento incierto de los coeficientes y por tanto este diseño debería ser estudiado más a fondo. ABSTRACT Offshore wind energy is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. Offshore wind turbine concepts are based on either a fixed structure as a jacket or a floating offshore platform like a semisubmersible, spar or tension leg platform. Floating offshore wind turbines have the potential to be an important part of the energy production profile in the coming years. In order to accomplish this wind integration, these wind turbines need to be made more reliable and cost efficient to be competitive with other sources of energy. Floating offshore artifacts, such oil rings and wind turbines, may experience resonant heave motions in sea states with long peak periods. These heave resonances may increase the system downtime and cause damage on the system components and as well as on risers and mooring systems. The heave resonant response may be reduced by different means: (1) increasing the damping of the system, (2) keeping the natural heave period outside the range of the wave energy, and (3) reducing the heave excitation forces. A typical example to accomplish this reduction are “Heave Plates”. Heave plates are used in the offshore industry due to their hydrodynamic characteristics, i.e., increased added mass and damping. Conventional offshore hydrodynamic analysis considers a structure in waves, and evaluates the linear and nonlinear loads using potential theory. Viscous damping, which is expected to play a crucial role in the resonant response, is an empirical input to the analysis, and is not explicitly calculated. The present research has been mainly focused on the prediction of viscous damping and added mass of floating offshore wind turbine heave plates. In the calculations, the hydrodynamic forces have been measured in order to compute how the hydrodynamic coefficients of added mass1 and damping vary with the KC number, which characterises the amplitude of heave motion relative to the diameter of the disc. In addition, the influence on the hydrodynamic coefficients when the heave plate is oscillating close to the free surface or the seabed has been investigated. In this process, a new model describing the work done by damping in terms of the flow enstrophy, is described herein. This new approach is able to provide a direct correlation between the local vortex shedding processes and the global damping force. The analysis also includes the study of different edges geometry, and examines the sensitivity of the damping and added mass coefficients to the porosity of the plate. A novel porous heave plate based on fractal theory has also been proposed, tested experimentally and compared with experimental data obtained by other authors for plates with similar porosity. A numerical solver of Navier Stokes equations, based on the finite volume technique has been applied. It uses the open-source libraries of OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation), to solve 2 incompressible, isothermal immiscible fluids using a VOF (volume of fluid) phase-fraction based interface capturing approach, with optional mesh motion and mesh topology changes including adaptive re-meshing. Numerical results have been compared with experiments conducted at Technical University of Madrid (CEHINAV) and CEHIPAR model basins in Madrid and with others performed at School of Mechanical Engineering in The University of Western Australia. A brief summary of main results are presented below: 1. At low KC numbers, a systematic increase in added mass and damping, corresponding to an increase in the seabed proximity, is observed. Specifically, for the cases when the heave plate is oscillating closer to the free surface, the dependence of the hydrodynamic coefficients is strongly influenced by the free surface. 2. As seen in experiments, a critical KC, where the linear trend of the hydrodynamic coefficients with KC is disrupted and that depends on the seabed or free surface distance, has been found. 3. The physical behavior of the flow around the critical KC has been explained through an analysis of the flow vorticity field. 4. The porosity of the heave plates reduces the added mass for the studied porosity at all KC numbers, but the porous heave plates are found to increase the damping coefficient with increasing amplitude of oscillation, achieving a maximum damping coefficient for the heave plate with 10% porosity in the entire KC range. 5. Another concept taken into account in this work has been the heave plates with flaps. Numerical and experimental results show that using discs with flaps will increase added mass when compared to the plain plate but may also significantly reduce damping. 6. A novel heave plate design based on fractal theory has tested experimentally for different submergences and compared with experimental data obtained by other authors for porous plates. Results show an unclear behavior in the coefficients and should be studied further. Future work is necessary in order to address a series of open questions focusing on 3D effects, optimization of the heave plates shapes, etc.

Production of biodiesel from animal fat using supercritical ethanol

Biodiesel is currently produced from a catalytic transesterification reaction of various types of edible and non-edible oil with methanol. The use of waste animal tallow instead of edible oils opens a route to recycle this waste. This material has the advantage of lower costs but the problem of high content of free fatty acids, becoming necessary a pre-esterification reaction that increases the cost of the catalytic process. The production of biodiesel using supercritical alcohols is appropriate for materials with high acidity and water content, therefore the use of this process with animal fat is a promising alternative. Ethanol has been used because it can be produced from biomass via fermentation resulting in a complete renewable biodiesel, instead of methanol that derives from fossil feedstocks. Two different processes have been studied: first, the direct transesterification of animal fat using supercritical ethanol and second a two-step process where the first step is a hydrolysis of the animal fat and the second step is the esterification of the resulting fatty acids. The temperature, the molar ratio ethanol:fat and the time have been modified in the different reactions to study the effect in the final conversion and the degradation of the unsaturated fatty acid esters, main inconvenient of these high temperature and pressure processes.