Advances in the Simultaneous Multiple Surface optical design method for imaging and non-imaging applications

Classical imaging optics has been developed over centuries in many areas, such as its paraxial imaging theory and practical design methods like multi-parametric optimization techniques. Although these imaging optical design methods can provide elegant solutions to many traditional optical problems, there are more and more new design problems, like solar concentrator, illumination system, ultra-compact camera, etc., that require maximum energy transfer efficiency, or ultra-compact optical structure. These problems do not have simple solutions from classical imaging design methods, because not only paraxial rays, but also non-paraxial rays should be well considered in the design process. Non-imaging optics is a newly developed optical discipline, which does not aim to form images, but to maximize energy transfer efficiency. One important concept developed from non-imaging optics is the “edge-ray principle”, which states that the energy flow contained in a bundle of rays will be transferred to the target, if all its edge rays are transferred to the target. Based on that concept, many CPC solar concentrators have been developed with efficiency close to the thermodynamic limit. When more than one bundle of edge-rays needs to be considered in the design, one way to obtain solutions is to use SMS method. SMS stands for Simultaneous Multiple Surface, which means several optical surfaces are constructed simultaneously. The SMS method was developed as a design method in Non-imaging optics during the 90s. The method can be considered as an extension to the Cartesian Oval calculation. In the traditional Cartesian Oval calculation, one optical surface is built to transform an input wave-front to an out-put wave-front. The SMS method however, is dedicated to solve more than 1 wave-fronts transformation problem. In the beginning, only 2 input wave-fronts and 2 output wave-fronts transformation problem was considered in the SMS design process for rotational optical systems or free-form optical systems. Usually “SMS 2D” method stands for the SMS procedure developed for rotational optical system, and “SMS 3D” method for the procedure for free-form optical system. Although the SMS method was originally employed in non-imaging optical system designs, it has been found during this thesis that with the improved capability to design more surfaces and control more input and output wave-fronts, the SMS method can also be applied to imaging system designs and possesses great advantage over traditional design methods. In this thesis, one of the main goals to achieve is to further develop the existing SMS-2D method to design with more surfaces and improve the stability of the SMS-2D and SMS-3D algorithms, so that further optimization process can be combined with SMS algorithms. The benefits of SMS plus optimization strategy over traditional optimization strategy will be explained in details for both rotational and free-form imaging optical system designs. Another main goal is to develop novel design concepts and methods suitable for challenging non-imaging applications, e.g. solar concentrator and solar tracker. This thesis comprises 9 chapters and can be grouped into two parts: the first part (chapter 2-5) contains research works in the imaging field, and the second part (chapter 6-8) contains works in the non-imaging field. In the first chapter, an introduction to basic imaging and non-imaging design concepts and theories is given. Chapter 2 presents a basic SMS-2D imaging design procedure using meridian rays. In this chapter, we will set the imaging design problem from the SMS point of view, and try to solve the problem numerically. The stability of this SMS-2D design procedure will also be discussed. The design concepts and procedures developed in this chapter lay the path for further improvement. Chapter 3 presents two improved SMS 3 surfaces’ design procedures using meridian rays (SMS-3M) and skew rays (SMS-1M2S) respectively. The major improvement has been made to the central segments selections, so that the whole SMS procedures become more stable compared to procedures described in Chapter 2. Since these two algorithms represent two types of phase space sampling, their image forming capabilities are compared in a simple objective design. Chapter 4 deals with an ultra-compact SWIR camera design with the SMS-3M method. The difficulties in this wide band camera design is how to maintain high image quality meanwhile reduce the overall system length. This interesting camera design provides a playground for the classical design method and SMS design methods. We will show designs and optical performance from both classical design method and the SMS design method. Tolerance study is also given as the end of the chapter. Chapter 5 develops a two-stage SMS-3D based optimization strategy for a 2 freeform mirrors imaging system. In the first optimization phase, the SMS-3D method is integrated into the optimization process to construct the two mirrors in an accurate way, drastically reducing the unknown parameters to only few system configuration parameters. In the second optimization phase, previous optimized mirrors are parameterized into Qbfs type polynomials and set up in code V. Code V optimization results demonstrates the effectiveness of this design strategy in this 2-mirror system design. Chapter 6 shows an etendue-squeezing condenser optics, which were prepared for the 2010 IODC illumination contest. This interesting design employs many non-imaging techniques such as the SMS method, etendue-squeezing tessellation, and groove surface design. This device has theoretical efficiency limit as high as 91.9%. Chapter 7 presents a freeform mirror-type solar concentrator with uniform irradiance on the solar cell. Traditional parabolic mirror concentrator has many drawbacks like hot-pot irradiance on the center of the cell, insufficient use of active cell area due to its rotational irradiance pattern and small acceptance angle. In order to conquer these limitations, a novel irradiance homogenization concept is developed, which lead to a free-form mirror design. Simulation results show that the free-form mirror reflector has rectangular irradiance pattern, uniform irradiance distribution and large acceptance angle, which confirm the viability of the design concept. Chapter 8 presents a novel beam-steering array optics design strategy. The goal of the design is to track large angle parallel rays by only moving optical arrays laterally, and convert it to small angle parallel output rays. The design concept is developed as an extended SMS method. Potential applications of this beam-steering device are: skylights to provide steerable natural illumination, building integrated CPV systems, and steerable LED illumination. Conclusion and future lines of work are given in Chapter 9. Resumen La óptica de formación de imagen clásica se ha ido desarrollando durante siglos, dando lugar tanto a la teoría de óptica paraxial y los métodos de diseño prácticos como a técnicas de optimización multiparamétricas. Aunque estos métodos de diseño óptico para formación de imagen puede aportar soluciones elegantes a muchos problemas convencionales, siguen apareciendo nuevos problemas de diseño óptico, concentradores solares, sistemas de iluminación, cámaras ultracompactas, etc. que requieren máxima transferencia de energía o dimensiones ultracompactas. Este tipo de problemas no se pueden resolver fácilmente con métodos clásicos de diseño porque durante el proceso de diseño no solamente se deben considerar los rayos paraxiales sino también los rayos no paraxiales. La óptica anidólica o no formadora de imagen es una disciplina que ha evolucionado en gran medida recientemente. Su objetivo no es formar imagen, es maximazar la eficiencia de transferencia de energía. Un concepto importante de la óptica anidólica son los “rayos marginales”, que se pueden utilizar para el diseño de sistemas ya que si todos los rayos marginales llegan a nuestra área del receptor, todos los rayos interiores también llegarán al receptor. Haciendo uso de este principio, se han diseñado muchos concentradores solares que funcionan cerca del límite teórico que marca la termodinámica. Cuando consideramos más de un haz de rayos marginales en nuestro diseño, una posible solución es usar el método SMS (Simultaneous Multiple Surface), el cuál diseña simultáneamente varias superficies ópticas. El SMS nació como un método de diseño para óptica anidólica durante los años 90. El método puede ser considerado como una extensión del cálculo del óvalo cartesiano. En el método del óvalo cartesiano convencional, se calcula una superficie para transformar un frente de onda entrante a otro frente de onda saliente. El método SMS permite transformar varios frentes de onda de entrada en frentes de onda de salida. Inicialmente, sólo era posible transformar dos frentes de onda con dos superficies con simetría de rotación y sin simetría de rotación, pero esta limitación ha sido superada recientemente. Nos referimos a “SMS 2D” como el método orientado a construir superficies con simetría de rotación y llamamos “SMS 3D” al método para construir superficies sin simetría de rotación o free-form. Aunque el método originalmente fue aplicado en el diseño de sistemas anidólicos, se ha observado que gracias a su capacidad para diseñar más superficies y controlar más frentes de onda de entrada y de salida, el SMS también es posible aplicarlo a sistemas de formación de imagen proporcionando una gran ventaja sobre los métodos de diseño tradicionales. Uno de los principales objetivos de la presente tesis es extender el método SMS-2D para permitir el diseño de sistemas con mayor número de superficies y mejorar la estabilidad de los algoritmos del SMS-2D y SMS-3D, haciendo posible combinar la optimización con los algoritmos. Los beneficios de combinar SMS y optimización comparado con el proceso de optimización tradicional se explican en detalle para sistemas con simetría de rotación y sin simetría de rotación. Otro objetivo importante de la tesis es el desarrollo de nuevos conceptos de diseño y nuevos métodos en el área de la concentración solar fotovoltaica. La tesis está estructurada en 9 capítulos que están agrupados en dos partes: la primera de ellas (capítulos 2-5) se centra en la óptica formadora de imagen mientras que en la segunda parte (capítulos 6-8) se presenta el trabajo del área de la óptica anidólica. El primer capítulo consta de una breve introducción de los conceptos básicos de la óptica anidólica y la óptica en formación de imagen. El capítulo 2 describe un proceso de diseño SMS-2D sencillo basado en los rayos meridianos. En este capítulo se presenta el problema de diseñar un sistema formador de imagen desde el punto de vista del SMS y se intenta obtener una solución de manera numérica. La estabilidad de este proceso se analiza con detalle. Los conceptos de diseño y los algoritmos desarrollados en este capítulo sientan la base sobre la cual se realizarán mejoras. El capítulo 3 presenta dos procedimientos para el diseño de un sistema con 3 superficies SMS, el primero basado en rayos meridianos (SMS-3M) y el segundo basado en rayos oblicuos (SMS-1M2S). La mejora más destacable recae en la selección de los segmentos centrales, que hacen más estable todo el proceso de diseño comparado con el presentado en el capítulo 2. Estos dos algoritmos representan dos tipos de muestreo del espacio de fases, su capacidad para formar imagen se compara diseñando un objetivo simple con cada uno de ellos. En el capítulo 4 se presenta un diseño ultra-compacto de una cámara SWIR diseñada usando el método SMS-3M. La dificultad del diseño de esta cámara de espectro ancho radica en mantener una alta calidad de imagen y al mismo tiempo reducir drásticamente sus dimensiones. Esta cámara es muy interesante para comparar el método de diseño clásico y el método de SMS. En este capítulo se presentan ambos diseños y se analizan sus características ópticas. En el capítulo 5 se describe la estrategia de optimización basada en el método SMS-3D. El método SMS-3D calcula las superficies ópticas de manera precisa, dejando sólo unos pocos parámetros libres para decidir la configuración del sistema. Modificando el valor de estos parámetros se genera cada vez mediante SMS-3D un sistema completo diferente. La optimización se lleva a cabo variando los mencionados parámetros y analizando el sistema generado. Los resultados muestran que esta estrategia de diseño es muy eficaz y eficiente para un sistema formado por dos espejos. En el capítulo 6 se describe un sistema de compresión de la Etendue, que fue presentado en el concurso de iluminación del IODC en 2010. Este interesante diseño hace uso de técnicas propias de la óptica anidólica, como el método SMS, el teselado de las lentes y el diseño mediante grooves. Este dispositivo tiene un límite teórica en la eficiencia del 91.9%. El capítulo 7 presenta un concentrador solar basado en un espejo free-form con irradiancia uniforme sobre la célula. Los concentradores parabólicos tienen numerosas desventajas como los puntos calientes en la zona central de la célula, uso no eficiente del área de la célula al ser ésta cuadrada y además tienen ángulos de aceptancia de reducido. Para poder superar estas limitaciones se propone un novedoso concepto de homogeneización de la irrandancia que se materializa en un diseño con espejo free-form. El análisis mediante simulación demuestra que la irradiancia es homogénea en una región rectangular y con mayor ángulo de aceptancia, lo que confirma la viabilidad del concepto de diseño. En el capítulo 8 se presenta un novedoso concepto para el diseño de sistemas afocales dinámicos. El objetivo del diseño es realizar un sistema cuyo haz de rayos de entrada pueda llegar con ángulos entre ±45º mientras que el haz de rayos a la salida sea siempre perpendicular al sistema, variando únicamente la posición de los elementos ópticos lateralmente. Las aplicaciones potenciales de este dispositivo son varias: tragaluces que proporcionan iluminación natural, sistemas de concentración fotovoltaica integrados en los edificios o iluminación direccionable con LEDs. Finalmente, el último capítulo contiene las conclusiones y las líneas de investigación futura.

Gestión del boil off gas en la planta de regasificación de Cartagena

Este proyecto trata sobre la gestión del boil-off gas, o BOG (vapor de gas natural que se produce en las instalaciones de gas natural licuado de las plantas de regasificación), generado en la planta de regasificación de Gas Natural Licuado de Cartagena, tanto en las situaciones en las que se opera por debajo del mínimo técnico, como en las cargas y descargas de buques, en las cuales se ha de gestionar una cantidad del boil-off adicional. Para recuperar el boil-off, las plantas cuentan con un relicuador (intercambiador de calor) en el que el BOG es relicuado por el GNL que se envía a los vaporizadores para ser regasificado y emitido a la red. De forma complementaria cuentan también con una antorcha/venteo donde se quema el exceso de boil-off que no puede ser tratado por el relicuador. Se procede a un análisis de la situación actual, y de cómo la baja demanda de regasificación dificulta la gestión del boil-off. Se simula el proceso de relicuación actual en distintas situaciones de operación. Ante la situación de baja demanda, ha aumentado considerablemente el número de días en los que las plantas españolas en general, y la planta de Cartagena en particular, operan por debajo del mínimo técnico, que es el nivel de producción mínimo para recuperar todo el boil-off generado en cualquier situación de operación al tiempo que mantiene en frío todas las instalaciones, y garantiza el 100% de disponibilidad inmediata del resto de los equipos en condiciones de seguridad de funcionamiento estable. Esta situación supone inconvenientes tanto operativos como medioambientales y acarrea mayores costes económicos, a los cuales da solución el presente proyecto, decidiendo qué alternativa técnica es la más adecuada y definiéndola. Abstract This project is about the management of the boil-off gas (BOG), natural vapour gas that is produced in liquefied natural gas (LNG) regasification plants. Specifically, the study is focused on the LNG regasification plant located in Cartagena, when it operates both below the technical minimum level of regasification and in the loading/unloading of LNG carriers, situations when it is needed to handle additional BOG. In order to make the most of BOG, the plants have a re-condenser (heat exchanger). Here, the BOG is re-liquefied by the LNG that is submitted to the vaporizers and delivered to the grid. The plants also have a flare/vent where the excess of BOG that cannot be treated by the re-condenser is burned. An analysis of the current situation of the demand is performed, evaluating how low markets demand for regasification difficult the BOG management. Besides, it is simulated the current re-liquefaction operating in different environments. Due to the reduction of the demand for natural gas, the periods when Spanish LNG regasification plants (and particularly the factory of Cartagena) are operating below the technical minimum level of regasification are more usual. This level is the minimum production to recover all the BOG generated in any operating situation while maintaining cold all facilities, fully guaranteeing the immediate availability from other equipment in a safely and stable operation. This situation carries both operational and environmental drawbacks, and leads to higher economic costs. This project aims to solve this problem, presenting several technical solutions and deciding which is the most appropriate.

Dry cooling with night cool storage to enhance solar power plants performance in extreme conditions areas

Solar thermal power plants are usually installed in locations with high yearly average solar radiation, often deserts. In such conditions, cooling water required for thermodynamic cycles is rarely available. Moreover, when solar radiation is high, ambient temperature is very high as well; this leads to excessive condensation temperature, especially when air-condensers are used, and decreases the plant efficiency. However, temperature variation in deserts is often very high, which drives to relatively low temperatures during the night. This fact can be exploited with the use of a closed cooling system, so that the coolant (water) is chilled during the night and store. Chilled water is then used during peak temperature hours to cool the condenser (dry cooling), thus enhancing power output and efficiency. The present work analyzes the performance improvement achieved by night thermal cool storage, compared to its equivalent air cooled power plant. Dry cooling is proved to be energy-effective for moderately high day–night temperature differences (20 °C), often found in desert locations. The storage volume requirement for different power plant efficiencies has also been studied, resulting on an asymptotic tendency.

Aproximaciones y Procedimientos Creativos en los Procesos de Aprendizaje-Des_aprendizaje Proyectual

Se aborda como objetivo una reflexión operativa sobre los actos creativos en el proyecto de arquitectura investigando los procedimientos que intervienen recurrentemente en los procesos del aprendizaje y proyectación. Aprendizaje entendido como actitud ininterrumpida en el discurso del creador, estado inacabado, en constante evolución, continuo, no suscrito al momento particular, como situación connatural al hecho creativo. El marco epistemológico de la Creatividad y sus técnicas asociadas en constante aplicación en otras disciplinas se desvela como un sustrato gnoseológico referencial para el entendimiento de los procesos de génesis y producción del proyecto y su aprendizaje. Se inscribe la investigación de la tesis en una doble línea de pensamiento lógico-racional y lógico-intuitivo, mediante inferencias de naturaleza deductiva, inductiva y abductiva. Se busca suscitar un interés por la creatividad que contribuya a extender el campo de investigación sobre cómo se genera y se produce la arquitectura y su aplicación al aprendizaje. Proponemos la elaboración de una cartografía taxonómica de procedimientos creativos en el proyectar, de tal manera que nos conduzca hacia la enunciación de una Metaheurística de la Creatividad. Metaheurística que contenga el mapa operativo de Procedimientos y de sus Metaprincipios de aplicación a distintos entornos y problemas, con capacidad de respuesta adaptativa en todos los estados divergentes del proceso. Cartografía, en definitiva, de relaciones más que de sistematizaciones. Este mapa creativo estará formado por 9 Procedimientos resultado de 9 aproximaciones que constituyen 9 Lógicas de acción y razonamiento, en unas condiciones de campo hologramáticas. Enfocadas hacia una nueva actitud creativa, desprejuiciada, atenta a los flujos transdisciplinares, regida indistintamente por el azar y el rigor, expansiva y condensadora, múltiple y poliédrica, abierta e inconclusa, lúdica y frívola, automática e impredecible. Actitud creativa que actúa con lógicas procedimentales relacionales, siempre en constante redefinición, alejadas de toda teorización, sin constituir un meta-relato, más como gestión de información que como dispositivo disciplinar: abductiva, analógica, sinéctica, metafórica, difusa, azarosa, suspendida, divergente y des_aprendida. ABSTRACT Abstract: An operative reflection is approached as aim on the creative acts in the project of architecture, investigating the procedures involved recursively in the processes of learning and project. Learning understood as uninterrupted attitude in the speech of the creator, in unfinished condition, in constant evolution, continuous, not signed to the particular moment, as inherent to the creative fact. The epistemological framework of the Creativity and its techniques associated in constant application in other disciplines is revealed as a referential gnoseologic substratum for the understanding of the processes of genesis and production of the project and his learning. The investigation of the thesis registers in a double line of logical - rational and logical - intuitive thought, by means of inferences of deductive, inductive and abductive nature. One seeks to arouse an interest in the creativity that will help to extend the field of investigation on how it is generated and produces the architecture and its application to the learning. We propose the elaboration of a taxonomic mapping creative procedures in the project, in such a way to lead us towards the enunciation of a Metaheuristic of creativity. Metaheuristic that contains containing the operative map of Procedures and their Metaprinciples of application to different environments and problems, with capacity of adaptive response in all the divergent conditions of the process. Cartography, definitively, of relationships rather than of systematizings. The map of procedures will be formed by 9 procedures as result of 9 approaches that constitute 9 logics of action and reasoning, in hologramatics conditions of field. Focused on a new creative attitude, ideologically unbiased, attentive to transdisciplinary flows, governed either by random and rigor, expansive and condenser, multiple and multifaceted, open and unfinished, playful and frivolous, automatic and unpredictable. Creative attitude that acts with procedural relational logics, always in constant redefinition, away from all theorizing, without being a meta-relate, more like information that discipline as device management: abductive, analogical, synectical, metaphorical, diffuse, randomness, suspended, divergent and mis_learnt.