Characterisation of the operation & maintenance phase in PV rural electrification programmes

Con 1.300 millones de personas en el mundo sin acceso a la electricidad (la mayoría en entornos rurales de países empobrecidos), la energía solar fotovoltaica constituye una solución viable técnica y económicamente para electrificar las zonas más remotas del planeta donde las redes eléctricas convencionales no llegan. Casi todos los países en el mundo han desarrollado algún tipo de programa de electrificación fotovoltaica rural durante los últimos 40 años, principalmente los países más pobres, donde a través de diferentes modelos de financiación, se han instalado millones de sistemas solares domiciliarios (pequeños sistemas fotovoltaicos para uso doméstico). Durante este largo período, se han ido superando muchas barreras, como la mejora de la calidad de los sistemas fotovoltaicos, la reducción de costes, la optimización del diseño y del dimensionado de los sistemas, la disponibilidad financiera para implantar programas de electrificación rural, etc. Gracias a esto, la electrificación rural descentralizada ha experimentado recientemente un salto de escala caracterizada por la implantación de grandes programas con miles de sistemas solares domiciliarios e integrando largos períodos de mantenimiento. Muchos de estos grandes programas se están llevando a cabo con limitado éxito, ya que generalmente parten de supuestos e hipótesis poco contrastadas con la realidad, comprometiendo así un retorno económico que permita el desarrollo de esta actividad a largo plazo. En este escenario surge un nuevo reto: el de cómo garantizar la sostenibilidad de los grandes programas de electrificación rural fotovoltaica. Se argumenta que la principal causa de esta falta de rentabilidad es el imprevisto alto coste de la fase de operación y mantenimiento. Cuestiones clave tales como la estructura de costes de operación y mantenimiento o la fiabilidad de los componentes del sistema fotovoltaico no están bien caracterizados hoy en día. Esta situación limita la capacidad de diseñar estructuras de mantenimiento capaces de asegurar la sostenibilidad y la rentabilidad del servicio de operación y mantenimiento en estos programas. Esta tesis doctoral tiene como objetivo responder a estas cuestiones. Se ha realizado varios estudios sobre la base de un gran programa de electrificación rural fotovoltaica real llevado a cabo en Marruecos con más de 13.000 sistemas solares domiciliarios instalados. Sobre la base de este programa se ha hecho una evaluación en profundidad de la fiabilidad de los sistemas solares a partir de los datos de mantenimiento recogidos durante 5 años con más de 80.000 inputs. Los resultados han permitido establecer las funciones de fiabilidad de los equipos tal y como se comportan en condiciones reales de operación, las tasas de fallos y los tiempos medios hasta el fallo para los principales componentes del sistema, siendo este el primer caso de divulgación de resultados de este tipo en el campo de la electrificación rural fotovoltaica. Los dos principales componentes del sistema solar domiciliario, la batería y el módulo fotovoltaico, han sido analizados en campo a través de una muestra de 41 sistemas trabajando en condiciones reales pertenecientes al programa solar marroquí. Por un lado se ha estudiado la degradación de la capacidad de las baterías y por otro la degradación de potencia de los módulos fotovoltaicos. En el caso de las baterías, los resultados nos han permitido caracterizar la curva de degradación en capacidad llegando a obtener una propuesta de nueva definición del umbral de vida útil de las baterías en electrificación rural. También sobre la base del programa solar de Marruecos se ha llevado a cabo un estudio de caracterización de los costes reales de operación y mantenimiento a partir de la base de datos de contabilidad del programa registrados durante 5 años. Los resultados del estudio han permitido definir cuáles son costes que más incidencia tienen en el coste global. Se han obtenido los costes unitarios por sistema instalado y se han calculado los montantes de las cuotas de mantenimiento de los usuarios para garantizar la rentabilidad de la operación y mantenimiento. Finalmente, se propone un modelo de optimización matemática para diseñar estructuras de mantenimiento basado en los resultados de los estudios anteriores. La herramienta, elaborada mediante programación lineal entera mixta, se ha aplicado al programa marroquí con el fin de validar el modelo propuesto. ABSTRACT With 1,300 million people worldwide deprived of access to electricity (mostly in rural environments), photovoltaic solar energy has proven to be a cost‐effective solution and the only hope for electrifying the most remote inhabitants of the planet, where conventional electric grids do not reach because they are unaffordable. Almost all countries in the world have had some kind of rural photovoltaic electrification programme during the past 40 years, mainly the poorer countries, where through different organizational models, millions of solar home systems (small photovoltaic systems for domestic use) have been installed. During this long period, many barriers have been overcome, such as quality enhancement, cost reduction, the optimization of designing and sizing, financial availability, etc. Thanks to this, decentralized rural electrification has recently experienced a change of scale characterized by new programmes with thousands of solar home systems and long maintenance periods. Many of these large programmes are being developed with limited success, as they have generally been based on assumptions that do not correspond to reality, compromising the economic return that allows long term activity. In this scenario a new challenge emerges, which approaches the sustainability of large programmes. It is argued that the main cause of unprofitability is the unexpected high cost of the operation and maintenance of the solar systems. In fact, the lack of a paradigm in decentralized rural services has led to many private companies to carry out decentralized electrification programmes blindly. Issues such as the operation and maintenance cost structure or the reliability of the solar home system components have still not been characterized. This situation does not allow optimized maintenance structure to be designed to assure the sustainability and profitability of the operation and maintenance service. This PhD thesis aims to respond to these needs. Several studies have been carried out based on a real and large photovoltaic rural electrification programme carried out in Morocco with more than 13,000 solar home systems. An in‐depth reliability assessment has been made from a 5‐year maintenance database with more than 80,000 maintenance inputs. The results have allowed us to establish the real reliability functions, the failure rate and the main time to failure of the main components of the system, reporting these findings for the first time in the field of rural electrification. Both in‐field experiments on the capacity degradation of batteries and power degradation of photovoltaic modules have been carried out. During the experiments both samples of batteries and modules were operating under real conditions integrated into the solar home systems of the Moroccan programme. In the case of the batteries, the results have enabled us to obtain a proposal of definition of death of batteries in rural electrification. A cost assessment of the Moroccan experience based on a 5‐year accounting database has been carried out to characterize the cost structure of the programme. The results have allowed the major costs of the photovoltaic electrification to be defined. The overall cost ratio per installed system has been calculated together with the necessary fees that users would have to pay to make the operation and maintenance affordable. Finally, a mathematical optimization model has been proposed to design maintenance structures based on the previous study results. The tool has been applied to the Moroccan programme with the aim of validating the model.

Unearthing the roots of degradation of Quercus pyrenaica coppices: an integrative perspective from clonal structure to carbon budgets

Quercus pyrenaica es una especie rebrotadora de raíz intensa e históricamente aprovechada en monte bajo para la obtención de leñas, carbón y pastos. Debido al éxodo rural y a la aparición de nuevas fuentes energéticas, este aprovechamiento fue abandonado en la década de 1970. Desde entonces, las bajas producciones de madera y bellota y el puntisecado de los pies evidencian el generalizado estancamiento de estas masas. Uno de los mayores retos actuales de la selvicultura en el ámbito mediterráneo es encontrar usos alternativos para estos montes abandonados, siendo la conversión a monte alto una de las alternativas preferidas. Se han realizado resalveos de conversión, sin embrago, éstos se aplican sin un conocimiento integral de las causas de la degradación. En esta tesis doctoral, estudiamos un hipotético desequilibrio entre la parte radical y la parte aérea (R:S) de las cepas de rebollo como causa subyacente de su decaimiento. En una parcela experimental, aprovechada al menos desde el siglo XII, se realizaron análisis genéticos a priori para elucidar la estructura genética del rodal, y así estudiar la influencia del tamaño clonal en el funcionamiento de las cepas. Las cepas de mayor tamaño presentaron un menor crecimiento diametral de sus pies, así como mayores tasas de respiración radical, estimadas a partir de flujos internos de CO2 a través del xilema (FT) y de los flujos de CO2 del suelo. Estos resultados sugieren que el desequilibrio R:S aumenta con el tamaño clonal, dado que la eliminación periódica de órganos aéreos, al mismo tiempo que las raíces permanecen intactas, da lugar a un gran desarrollo del sistema radical que consume gran parte de los carbohidratos no estructurales (NSC) en respiración de mantenimiento, comprometiendo así el desarrollo de órganos aéreos. Se excavaron y pesaron dos cepas compuestas por cuatro y ocho pies, las cuales mostraron ratios R:S (0.5 y 1, respectivamente) superiores a los registrados en pies de origen sexual. Al igual que en otras especies rebrotadoras de raíz, se observaron altas concentraciones de NSC en las raíces (> 20% en primavera) y una gran proporción de albura en el sistema radical (52%) que alberga una notable reserva de NSC (87 kg en la cepa de mayor tamaño). En el sistema radical de dicha cepa, estimada mediante dataciones radiocarbónicas en 550 años de edad, se contaron 248 uniones radicales. La persistencia de sistemas radicales grandes, viejos, y altamente interconectados sugiere que la gran cantidad de recursos almacenados y consumidos en las raíces compensan un pobre desarrollo aéreo con una alta resiliencia vegetativa. Para un mejor entendimiento de los balances de carbono y del agotamiento de NSC en las cepas de rebollo, se midieron los flujos internos y externos de CO2 en troncos y los flujos de CO2 del suelo, y se estimó la respiración de órganos aéreos (RS) y subterráneos (RR). Estacionalmente, RS y RR reflejaron las dinámicas de flujo de savia y de crecimiento del tronco, y estuvieron determinadas principalmente por los flujos externos de CO2, dada la escasa contribución de FT a RS y RR (< 10% y < 2%, respectivamente). En una escala circadiana, la contribución de FT a RS aumentó hasta un 25% en momentos de alta transpiración. Las bajas concentraciones de CO2 en el xilema ([CO2] hasta un 0.11%) determinaron comparativamente unos bajos FT, probablemente causados por una limitada respiración del xilema y una baja resistencia a la difusión radial del CO2 impuestos por la sequía estival. Los pulsos de [CO2] observados tras las primeras lluvias de otoño apoyan esta idea. A lo largo del periodo vegetativo, el flujo medio de CO2 procedente del suelo (39 mol CO2 day-1) fue el mayor flujo respiratorio, tres y cuatro veces superior a RS (12 mol CO2 day-1) y RR (8-9 mol CO2 day-1), respectivamente. Ratios RR/RS menores que la unidad evidencian un importante peso de la respiración aérea como sumidero de carbono adicional. Finalmente, se ensayó el zanjado de raíces y el anillamiento de troncos como tratamientos selvícolas alternativos con el objetivo de aumentar las reservas de NSC en los troncos de las cepas. Los resultados preliminares desaconsejan el zanjado de raíces por el alto coste derivado posiblemente de la cicatrización de las heridas. El anillado de troncos imposibilitó el transporte de NSC a las raíces y aumentó la concentración de almidón por encima de la zona anillada, mientras que sistema radical se mantiene por los pies no anillados de la cepa. Son necesarias más mediciones y datos adicionales para comprobar el mantenimiento de esta respuesta positiva a largo plazo. Para concluir, destacamos la necesidad de estudios multidisciplinares que permitan una comprensión integral de la degradación de los rebollares ibéricos para poder aplicar a posteriori una gestión adecuada en estos montes bajos abandonados. ABSTRACT Quercus pyrenaica is a vigorous root-resprouting species intensively and historically coppiced for firewood, charcoal and woody pastures. Due to the rural exodus and the appearance of new energy sources, coppicing was abandoned towards 1970. Since then, tree overaging has resulted in stand stagnation displayed by slow stem growth, branch dieback, and scarce acorn production. The urgent need to find new alternative uses for abandoned coppices is recognized as one of the biggest challenges which currently faces Mediterranean silviculture; conversion into high forest by thinning is one of the preferred alternatives. For this aim, thinning has been broadly applied and seldom tested, although without a comprehensive understanding of the causes of stand stagnation. In this PhD study, we test the hypothesis of an imbalance between above- and below-ground organs, result of long term coppicing, as the underlying cause of Q. pyrenaica decay. In an experimental plot coppiced since at least the 12th century, genetic analyses were performed a priori to elucidate inconspicuous clonal structure of Q. pyrenaica to evaluate how clonal size affects the functioning of these multi-stemmed trees. Clonal size negatively affected diametric stem growth, whereas root respiration rates, measured by internal fluxes of CO2 through xylem (FT) and soil CO2 efflux, increased with clonal size. These results suggest root-to-shoot (R:S) imbalance intensifying with clonal size: periodic removal of aboveground organs whilst belowground organs remain undisturbed may have led to massive root systems which consume a great proportion of non-structural carbohydrates (NSC) for maintenance respiration, thus constraining aboveground performance. Furthermore, excavation of two multi-stemmed trees, composed by four and eight stems, revealed R:S ratios (0.5 and 1, respectively) greater than those reported for sexually regenerated trees. Moreover, as similarly observed in several root-resprouting species, NSC allocation to roots was favored ([NSC] > 20% in spring): a large proportion of sapwood maintained throughout the root system (52%) stored a remarkable NSC pool of 87 kg in the case of the largest clone. In this root system of the eight-stemmed tree, 248 root connections were counted and, by radiocarbon dating, its age was estimated to be 550-years-old. Persistence of massive, old and highly interconnected root systems suggests that enhanced belowground NSC storage and consumption reflects a trade-off between vegetative resilience and aboveground development. For a better understanding of tree carbon budget and the potential role of carbon starvation in Q. pyrenaica decay, internal and external stem CO2 fluxes and soil CO2 effluxes were monitored to evaluate respiratory costs above- and below-ground. On a seasonal scale, stem and root respiration (RS and RR) mirrored sap flow and stem growth dynamics. Respiration was determined to the greatest extent by external fluxes of CO2 to the atmosphere or soil, since FT accounted for a low proportion of RS and RR (< 10% and < 2%, respectively). On a diel scale, the contribution of FT to RS increased up to 25% at high transpiration rates. Comparatively low FT was determined by the low concentration of xylem CO2 registered ([CO2] as low as 0.11%), likely as a consequence of constrained xylem respiration and reduced resistance to CO2 radial diffusion imposed by summer drought. Xylem [CO2] pulses following first autumn rains support this idea. Averaged over the growing season, soil CO2 efflux was the greatest respiratory flux (39 mol CO2 day-1), three and four times greater than RS (12 mol CO2 day-1) and RR (8-9 mol CO2 day-1), respectively. Ratios of RR/RS below one evidence an additional and important weight of aboveground respiration as a tree carbon sink. Finally, root trenching and stem girdling were tested as complimentary treatments to thinning as a means to improve carbon reserves in stems of clonal trees. Preliminary results discouraged root trenching due to the high cost likely incurred for wound closure. Stem girdling successfully blocked NSC translocation downward, increasing starch concentrations above the girdled zone whilst the root system is fed by non-girdled stems within the clone. Further measurements and ancillary data are necessary to verify that this positive effect hold over time. To conclude, the need of multidisciplinary approaches for an integrative understanding on the functioning of abandoned Q pyrenaica coppices is highlighted for an appropriate management of these stands.

Persuasive system design methods to deliver a cardio-rehabilitation program of post mi outpatients

Las enfermedades no transmisibles provocan cada ano 38 millones de fallecimientos en el mundo. Entre ellas, tan solo cuatro enfermedades son responsables del 82% de estas muertes: las enfermedades cardiovasculares, las enfermedades crónicas respiratorias, la diabetes, y el cáncer. Se prevé que estas cifras aumenten en los próximos anos, ya que las tendencias indican que en el año 2030 las muertes por esta causa ascenderán a 53 millones de personas. La Organización Mundial de la Salud (OMS) considera importante buscar soluciones para afrontar esta situación y ha solicitado a los gobiernos del mundo la implementación de intervenciones para mejorar los hábitos de vida de las personas y reducir así el riesgo de desarrollo de enfermedades no trasmisibles. Cada año se producen 32 millones de infartos de miocardio y derrames celebrales, de los cuales 12.5 son mortales. En el mundo entre el 40% y 75% de la víctimas de un infarto de miocardio mueren antes de su ingreso en el hospital. En los casos que sobreviven, la adopción de un estilo de vida saludable puede evitar infartos sucesivo, y supone un ahorro potencial de 6 billones de euros al año. La rehabilitación cardiaca es un programa individualizado que aplica un método multidisciplinar para ayudar al paciente a recuperar su condición física, a gestionar la enfermedad cardiovascular y sus comorbilidades, a adoptar hábitos de vida saludables, y a promover su salud mental. La rehabilitación cardiaca requiere la total involucración y motivación del paciente, solo de esta manera se podrán promover hábitos saludables y mejorar la gestión y prevención de su enfermedad. Aunque la participación en los programas de rehabilitación cardiaca es baja, hoy en día existen programas de rehabilitación cardiaca que el paciente puede realizar en su casa. Estos suponen una solución prometedora para aumentar la participación. La rehabilitación cardiaca se considera una intervención integral donde los modelos de psicología de la salud son aplicados para promover un cambio en el estilo de vida de las personas así como para ayudarles a afrontar su propia enfermedad. Existen métodos para implementar cambios de hábitos y de aptitud, y también se considera muy relevante promover no solo el bienestar físico sino también el mental. Existen tecnologías que promueven los cambios de comportamientos en los seres humanos. En concreto, las tecnologías persuasivas y los sistemas de apoyo al cambio de comportamientos modelan las características, las estrategias y los métodos de diseño para promover cambios usando la tecnología. Pero estos modelos tienen algunas limitaciones: todavía no se ha definido que rol tienen las emociones en el cambio de comportamientos y como traducir los métodos de la psicología de la salud en la tecnología. Esta tesis se centra en tres elementos que tienen un rol clave en los cambios de hábitos y actitud: el estado físico, el estado mental, y la tecnología. -Estado de salud: un estado de salud critico puede modificar la actitud del ser humano respecto al cambio. A la vez un buen estado de salud hace que la necesidad del cambio sea menos percibida. -Estado emocional: la actitud tiene un componente afectivo. Los estados emocionales negativos pueden reducir la habilidad de una persona para adoptar nuevos comportamientos. La salud mental es la situación ideal donde los individuos tienen predisposición a los cambios. La tecnología puede ayudar a las personas a adoptar nuevos hábitos, así como a mantener una salud física y mental. Este trabajo de investigación se centra en el diseño de tecnologías para la mejora del estado físico y emocional de las personas. Se ha propuesto un marco de diseño llamado “Well.Be.Sign”. El marco se basa en tres aspectos: El marco teórico: representa los elementos que se tienen que definir para diseñar tecnologías para promover el bienestar de las personas. -El diagrama de influencia: presenta las fuerzas de ‘persuasión’ en el contexto de la salud. El rol de las tecnologías persuasivas ha sido contextualizado en una dimensión donde otros elementos influencian el usuario.  El proceso de diseño: describe el proceso de diseño utilizando una metodología iterativa e incremental que aplica una combinación de métodos de diseño existentes (Diseño Orientado a Objetivos, Diseño de Sistemas Persuasivos) así como elementos originales de este trabajo de investigación. Los métodos se han aplicados para diseñar un sistema que ofrezca un programa de tele-rehabilitación cardiaca. Inicialmente se ha diseñado un prototipo de acuerdo con las necesidades del usuario. En segundo lugar, el prototipo se ha extendido especificando la intervención requerida para al programa de rehabilitación cardiaca. Finalmente el sistema se ha desarrollado y validado en un ensayo clínico con grupo control, donde se observaron las variaciones del estado cardiovascular, el nivel de conocimiento acerca de la enfermedad, la percepción de la enfermedad, la persistencia de hábitos saludables, y la aceptabilidad del sistema. Los resultados muestran que el grupo de intervención tiene una superior capacidad cardiovascular, mejor conocimiento acerca de la enfermedad, y más percepción de control de la enfermedad. Asimismo, en algunos casos se ha registrado persistencia de los hábitos de ejercicios 6 meses después del uso del sistema. Otros dos estudios se han presentado para demonstrar la relevancia del estado emocional del usuario en el diseño de aplicaciones para la promoción del bienestar.  En personas con una grave enfermedad crónica como la insuficiencia cardiaca, donde se ha presentado las conexiones entre estado de salud y estado emocional. En el estudio se ensena la relaciones que tienen los síntomas y las emociones negativas y como un estado negativo emocional puede empeorar la condición física del paciente. -Personas con trastornos del humor: el estudio muestra como las emociones pueden tener un impacto en la percepción de la tecnología por parte del usuario. ABSTRACT Noncommunicable diseases (NCDs) cause the death of 38 million people every year. Four major NCDs are responsible for 82% of these deaths: cardio vascular disease, chronic respiratory disease, diabetes and cancer. These pandemic numbers are projected to raise to 53 million deaths in 2030, and for this reason the assembly of the World Health Organization (WHO) considers communicable diseases as an urgent need to be addressed. It is also a trend to advocate the adoption of mobile technology to deliver health services and to promote healthy behaviours among citizens, but adopting healthS promoting lifestyle is still a difficult task facing human tendencies. Within this context, there is a promising opportunity: persuasive technologies. These technologies are intentionally designed to change a person’s attitudes or behaviours; when applied in this context, than can be used to change health-related attitudes, beliefs, and behaviours. Each year there are 32 million heart attacks and strokes globally, of which about 12.5 million are fatal. Worldwide between 40 and 75% of all heart-attack victims die before reaching hospital. Avoiding a second heart attack by improving adherence to lifestyle and medication regimens has a cost saving potential of around €6 billion per year. In most of the cases the cardiovascular event has been provoked by unhealthy lifestyle. Furthermore, after an MI event the patient's decision to adopt or not healthier behaviour will influence the progress of the disease. Cardio-rehabilitation is an individualized program that follows a multidisciplinary approach to support the user to recover from the Myocardial Infarction, manage the Cardio Vascular Disease and the comorbidities, adopt healthy habits, and cope with any emotional distress. Cardio- rehabilitation requires patient participation and willingness to perform behavioral modifications and change the attitude toward the management and prevention of the disease. Participation in the Cardio Rehabilitation program is not high; the home-based rehabilitation program is a promising solution to increase participation. Nowadays cardio rehabilitation is considered a comprehensive intervention in which models of health psychology are applied to promote the behaviour change of the individuals. Relevant methods that have been successfully applied to foster healthy habits include the Health Belief Model and the Trans Theoretical Model. Studies also demonstrate the importance to promote not only the physical but also the mental well being of the individuals. The idea of also promoting behaviour change using technologies has been defined by the literature as persuasive technologies or behaviour change support systems, in which the features, the strategies and the design method have been modelled to foster the behaviour change using technology. Limitations have been found in this model: there is still research to be done on the role of the emotions and how psychological health intervention can be translated into computer methods. This research focuses on three elements that could foster behaviour change in individuals: the physical and emotional status of the person, and the technology. Every component can influence the user's attitude and behaviour in the following ways: ' Physical status: bad physical status could change human attitude toward the necessity to adopt health behaviours; at the same time, good health status reduces the need to adopt healthy habits. ' Emotional status: the attitude has an affective component, negative emotional state can reduce the ability of a person to adopt new behaviours, and mental well being is the ideal situation in which individuals have a predisposition to adopt healthy behaviours. ' Technology: it can help users to adopt new behaviours and can also be support to promote physical and emotional status. Following this approach the idea driven in this research is that technology that is designed to improve the physical status and the emotional status of the individual could better foster behaviour change. According to this principle, the Well.Be.Sign framework has been proposed. The framework is based on three views: ' The theoretical framework: it represents the patterns that have to be defined to design the technologies to promote well being. ' The influence diagram: it shows the persuasive forces in the context of health care. The role of the persuasive technologies is contextualized in a wider universe where other factors and persuasive forces influence a patient. ' The design process: it shows the process of design using an iterative, incremental methodology that applies a combination of existing methodologies (Goal Directed Design and Persuasive System Design) and others that are original to this research. The methods have been applied to design a system to deliver cardio rehabilitation at home: first a prototype has been defined according to the user’s needs, then it has been extended with the specific intervention required for the cardio–rehabilitation, finally the system has been developed and validated in a controlled clinical study in which the cardiovascular fitness, the level of knowledge, the perception of the illness, the persistence of healthy habits and the system acceptance (only the intervention group) were measured. The results show that the intervention group increased cardiovascular capacity, knowledge, feeling of control of illness and perceived benefits of exercise at the end of the study. After six months of the study, a followSup of the exercise habits was performed. Some individuals of the intervention group continued to be engaged in the running exercise sessions promoted in the designed system. Two other cases have been presented to demonstrate the foundations of the Well.Be.Sign’s approach to promote both physical and emotional status: ' People affected by Heart Failure, in which a bidirectional connection between health status and emotions has been discussed with patients. Two correlations were demonstrated: the relationship between symptoms and negative emotional response, and that negative emotional status is correlated with worsening of chronic conditions. ' People with mood disorders: the study shows that emotions could also impact how the user perceives the technology.