Fracture strength of drilled wafers: study of the stress concentration factor and determination of the weibull distribution of the fracture stress

In the photovoltaic field, the back contact solar cells technology has appeared as an alternative to the traditional silicon modules. This new type of cells places both positive and negative contacts on the back side of the cells maximizing the exposed surface to the light and making easier the interconnection of the cells in the module. The Emitter Wrap-Through solar cell structure presents thousands of tiny holes to wrap the emitter from the front surface to the rear surface. These holes are made in a first step over the silicon wafers by means of a laser drilling process. This step is quite harmful from a mechanical point of view since holes act as stress concentrators leading to a reduction in the strength of these wafers. This paper presents the results of the strength characterization of drilled wafers. The study is carried out testing the samples with the ring on ring device. Finite Element models are developed to simulate the tests. The stress concentration factor of the drilled wafers under this load conditions is determined from the FE analysis. Moreover, the material strength is characterized fitting the fracture stress of the samples to a three-parameter Weibull cumulative distribution function. The parameters obtained are compared with the ones obtained in the analysis of a set of samples without holes to validate the method employed for the study of the strength of silicon drilled wafers.

Evolutionary computation of forests with Degree- and Role-Constrained Minimum Spanning Trees

Finding the degree-constrained minimum spanning tree (DCMST) of a graph is a widely studied NP-hard problem. One of its most important applications is network design. Here we deal with a new variant of the DCMST problem, which consists of finding not only the degree- but also the role-constrained minimum spanning tree (DRCMST), i.e., we add constraints to restrict the role of the nodes in the tree to root, intermediate or leaf node. Furthermore, we do not limit the number of root nodes to one, thereby, generally, building a forest of DRCMSTs. The modeling of network design problems can benefit from the possibility of generating more than one tree and determining the role of the nodes in the network. We propose a novel permutation-based representation to encode these forests. In this new representation, one permutation simultaneously encodes all the trees to be built. We simulate a wide variety of DRCMST problems which we optimize using eight different evolutionary computation algorithms encoding individuals of the population using the proposed representation. The algorithms we use are: estimation of distribution algorithm, generational genetic algorithm, steady-state genetic algorithm, covariance matrix adaptation evolution strategy, differential evolution, elitist evolution strategy, non-elitist evolution strategy and particle swarm optimization. The best results are for the estimation of distribution algorithms and both types of genetic algorithms, although the genetic algorithms are significantly faster.

Ultra-High Efficiency, High-Concentration PV System Based On Spectral Division Between GaInP/GaInAs/Ge And BPC Silicon Cells

A novel HCPV nonimaging concentrator concept with high concentration (>500×) is presented. It uses the combination of a commercial concentration GaInP∕GaInAs∕Ge 3J cell and a concentration Back‐Point‐Contact (BPC) concentration silicon cell for efficient spectral utilization, and external confinement techniques for recovering the 3J cell′s reflection. The primary optical element (POE) is a flat Fresnel lens and the secondary optical element (SOE) is a free‐form RXI‐type concentrator with a band‐pass filter embedded it, both POE and SOE performing Köhler integration to produce light homogenization. The band‐pass filter sends the IR photons in the 900–1200 nm band to the silicon cell. Computer simulations predict that four‐terminal terminal designs could achieve ∼46% added cell efficiencies using commercial 39% 3J and 26% Si cells. A first proof‐of concept receiver prototype has been manufactured using a simpler optical architecture (with a lower concentration, ∼ 100× and lower simulated added efficiency), and experimental measurements have shown up to 39.8% 4J receiver efficiency using a 3J with peak efficiency of 36.9%

Síntesis de series temporales de centelleo troposférico

Los sistemas de telecomunicación que trabajan en frecuencias milimétricas pueden verse severamente afectados por varios fenómenos atmosféricos, tales como la atenuación por gases, nubes y el centelleo troposférico. Una adecuada caracterización es imprescindible en el diseño e implementación de estos sistemas. El presente Proyecto Fin de Grado tiene como objetivo el estudio estadístico a largo plazo de series temporales de centelleo troposférico en enlaces de comunicaciones en trayecto inclinado sobre la banda Ka a 19,7 GHz. Para la realización de este estudio, se dispone como punto de partida de datos experimentales procedentes de la baliza en banda Ka a 19,7 GHz del satélite Eutelsat Hot Bird 13A que han sido recopilados durante siete años entre julio de 2006 y junio de 2013. Además, se cuenta como referencia teórica con la aplicación práctica del método UIT-R P.618-10 para el modelado del centelleo troposférico en sistemas de telecomunicación Tierra-espacio. Esta información permite examinar la validez de la aplicación práctica del método UIT-R P.1853-1 para la síntesis de series temporales de centelleo troposférico. Sobre este sintetizador se variará la serie temporal de contenido integrado de vapor de agua en una columna vertical por datos reales obtenidos de bases de datos meteorológicas ERA-Interim y GNSS con el objetivo de comprobar el impacto de este cambio. La primera parte del Proyecto comienza con la exposición de los fundamentos teóricos de los distintos fenómenos que afectan a la propagación en un enlace por satélite, incluyendo los modelos de predicción más importantes. Posteriormente, se presentan los fundamentos teóricos que describen las series temporales, así como su aplicación al modelado de enlaces de comunicaciones. Por último, se describen los recursos específicos empleados en la realización del experimento. La segunda parte del Proyecto se inicia con la muestra del proceso de análisis de los datos disponibles que, más tarde, permiten obtener resultados que caracterizan el centelleo troposférico en ausencia de precipitación, o centelleo seco, para los tres casos de estudio sobre los datos experimentales, sobre el modelo P.618-10 y sobre el sintetizador P.1853-1 con sus modificaciones. Al haber mantenido en todo momento las mismas condiciones de frecuencia, localización, clima y periodo de análisis, el estudio comparativo de los resultados obtenidos permite extraer las conclusiones oportunas y proponer líneas futuras de investigación. ABSTRACT. Telecommunication systems working in the millimetre band are severely affected by various atmospheric impairments, such as attenuation due to clouds, gases and tropospheric scintillation. An adequate characterization is essential in the design and implementation of these systems. This Final Degree Project aims to a long-term statistical study of time series of tropospheric scintillation on slant path communications links in Ka band at 19.7 GHz. To carry out this study, experimental data from the beacon in Ka band at 19.7 GHz for the Eutelsat Hot Bird 13A satellite are available as a starting point. These data have been collected during seven years between July 2006 and June 2013. In addition, the practical application of the ITU-R P.618-10 method for tropospheric scintillation modeling of Earth-space telecommunication systems has been the theoretical reference used. This information allows us to examine the validity of the practical application of the ITU-R P.1853-1 method for tropospheric scintillation time series synthesis. In this synthesizer, the time series of water vapor content in a vertical column will be substituted by actual data from meteorological databases ERA-Interim and GNSS in order to test the impact of this change. The first part of the Project begins with the exposition of the theoretical foundations of the various impairments that affect propagation in a satellite link, including the most important prediction models. Subsequently, it presents the theoretical foundations that describe the time series, and its application to communication links modeling. Finally, the specific resources used in the experiment are described. The second part of the Project starts with the exhibition of the data analysis process to obtain results that characterize the tropospheric scintillation in the absence of precipitation, or dry scintillation, for the three study cases on the experimental data, on the P.618-10 model and on the P.1853-1 synthesizer with its modifications. The fact that the same conditions of frequency, location, climate and period of analysis are always maintained, allows us to draw conclusions and propose future research lines by comparing the results.

Study of PM10 and PM2.5 levels in three European cities: Analysis of intra and inter urban variations

In the present paper, 1-year PM10 and PM 2.5 data from roadside and urban background monitoring stations in Athens (Greece), Madrid (Spain) and London (UK) are analysed in relation to other air pollutants (NO,NO2,NOx,CO,O3 and SO2)and several meteorological parameters (wind velocity, temperature, relative humidity, precipitation, solar radiation and atmospheric pressure), in order to investigate the sources and factors affecting particulate pollution in large European cities. Principal component and regression analyses are therefore used to quantify the contribution of both combustion and non-combustion sources to the PM10 and PM 2.5 levels observed. The analysis reveals that the EU legislated PM 10 and PM2.5 limit values are frequently breached, forming a potential public health hazard in the areas studied. The seasonal variability patterns of particulates varies among cities and sites, with Athens and Madrid presenting higher PM10 concentrations during the warm period and suggesting the larger relative contribution of secondary and natural particles during hot and dry days. It is estimated that the contribution of non-combustion sources varies substantially among cities, sites and seasons and ranges between 38-67% and 40-62% in London, 26-50% and 20-62% in Athens, and 31-58% and 33-68% in Madrid, for both PM10 and PM 2.5. Higher contributions from non-combustion sources are found at urban background sites in all three cities, whereas in the traffic sites the seasonal differences are smaller. In addition, the non-combustion fraction of both particle metrics is higher during the warm season at all sites. On the whole, the analysis provides evidence of the substantial impact of non-combustion sources on local air quality in all three cities. While vehicular exhaust emissions carry a large part of the risk posed on human health by particle exposure, it is most likely that mitigation measures designed for their reduction will have a major effect only at traffic sites and additional measures will be necessary for the control of background levels. However, efforts in mitigation strategies should always focus on optimal health effects.

Depth dependent lattice disorder and strain in Mn-implanted and post-annealed InAs thin films

The lattice order degree and the strain in as-grown, Mn-implanted and post-implantedannealedInAsthinfilms were investigated with depth resolution by means of Rutherford backscattering spectrometry in channeling conditions (RBS/C). Three main crystallographic axes were analyzed for both In and As sublattices. The behaviour of the induced defects was evaluated in two regions with different native defects: the interface and the surface. The results show that Mn implantation and post-implantation annealing are anisotropic processes, affecting in a different way the In and As sublattices. The mechanisms influencing the enhancement and deterioration of the crystal quality during the implantation are discussed in relation to the as-grown defects and the segregation of the elements

Free-form Fresnel RXI-RR Köhler design for high-concentration photovoltaics with spectrum-splitting

Development of a novel HCPV nonimaging concentrator with high concentration (>500x) and built-in spectrum splitting concept is presented. It uses the combination of a commercial concentration GaInP/GaInAs/Ge 3J cell and a concentration Back-Point-Contact (BPC) silicon cell for efficient spectral utilization, and external confinement techniques for recovering the 3J cell's reflection. The primary optical element (POE) is a flat Fresnel lens and the secondary optical element (SOE) is a free-form RXI-type concentrator with a band-pass filter embedded in it - Both the POE and SOE performing Köhler integration to produce light homogenization on the receiver. The band-pass filter transmits the IR photons in the 900-1200 nm band to the silicon cell. A design target of an "equivalent" cell efficiency ~46% is predicted using commercial 39% 3J and 26% Si cells. A projected CPV module efficiency of greater than 38% is achievable at a concentration level larger than 500X with a wide acceptance angle of ±1°. A first proof-of concept receiver prototype has been manufactured using a simpler optical architecture (with a lower concentration, ~100x and lower simulated added efficiency), and experimental measurements have shown up to 39.8% 4J receiver efficiency using a 3J cell with a peak efficiency of 36.9%.

Mixing effect on volume growth of Fagus sylvatica and Pinus sylvestris is modulated by stand density

Despite the increasing relevance of mixed stands due to their potential benefits; little information is available with regard to the effect of mixtures on yield in forest systems. Hence, it is necessary to study inter-specific relationships, and the resulting yield in mixed stands, which may vary with stand development, site or stand density, etc. In Spain, the province of Navarra is considered one of the biodiversity reservoirs; however, mixed forests occupy only a small area, probably as a consequence of management plans, in which there is an excessive focus on the productivity aspect, favoring the presence of pure stands of the most marketable species. The aim of this paper is to study how growth efficiencies of beech (Fagus sylvatica) and pine (Pinus sylvestris) are modified by the admixture of the other species and to determine whether stand density modifies interspecific relationships and to what extent. Two models were fitted from Spanish National Forest Inventory data, for P. sylvestris and F. sylvatica respectively, which relate the growth efficiency of the species, i.e. the volume increment of the species divided by the species proportion by area, with dominant height, quadratic mean diameter, stocking degree, and the species proportions by area of each species. Growth efficiency of pine increased with the admixture of beech, decreasing this positive effect when stocking degree increased. However, the positive effect of pine admixture on beech growth was greater at higher stocking degrees. Growth efficiency of beech was also dependent on stand dominant height, resulting in a net negative mixing effect when stand dominant heights and stocking degrees were simultaneously low. There is a relatively large range of species proportions and stocking degrees which results in transgressive overyielding: higher volume increments in mixed stands than that of the most productive pure pine stands. We concluded that stocking degree is a key factor in between-species interactions, being the effects of mixing not always greater at higher stand densities, but it depends on species composition.

Aplicación de distintas metodologías a la monitorización de la humedad del suelo y al cálculo del balance hídrico diario

Dada la importancia de conocer la humedad del suelo de forma precisa y en tiempo real, se ha realizado este trabajo de investigación cuyo objetivo principal ha sido seleccionar un Balance Hídrico del Suelo (BHS) diario y validar sus estimaciones de humedad del suelo frente a medidas obtenidas “in situ”, aplicándolo a tres emplazamientos seleccionados en la zona centro con características edáficas y climáticas diferentes, y de este modo estimar con cierta precisión la humedad del suelo como Agua Disponible (AD) para las plantas y a su vez permitir la realización de estudios climáticos. Los observatorios meteorológicos seleccionados fueron: Guadalajara/El Serranillo en la zona aluvial del río Henares; Colmenar Viejo/Base Famet en la rampa sur del Guadarrama sobre rocas metamórficas; y Radiosondeo/Madrid(Barajas) en arenas arcósicas de grano grueso. Se realizó una caracterización morfológica y un estudio de las propiedades físicas, químicas e hidrofísicas de los suelos en cada emplazamiento. El suelo de Guadalajara, Xerorthent Típico presenta una secuencia genética de horizontes (Ap-AC-C1-C2) siendo su clase textural entre franco-arenosa a franca, con menos del 2% de elementos gruesos, presencia de caliza a lo largo de todo el perfil, destacando la homogeneidad en vertical y horizontal de sus propiedades. El suelo de Colmenar, Xerorthent Dystrico, presenta una secuencia genética de horizontes (A-C-C/R) apareciendo el horizonte C/R entre 20-30 cm; y la roca aproximadamente a unos 30 cm; destacando en este perfil su acidez y el alto contenido de elementos gruesos. El suelo de Radiosondeo, Haploxeralf Típico, presenta la secuencia normal de horizontes de los alfisoles (A-Bt1-Bt2-C/Bt); destacando su heterogeneidad principalmente en el plano horizontal, con presencia del Bt a diferentes profundidades en un corto espacio longitudinal. En una primera fase de experimentación (2007-2008) se seleccionaron BHS diarios que sólo utilizaban como datos de entrada la información de variables meteorológicas y el valor del Agua Disponible Total (ADT) para cada tipo de suelo y profundidad. Se probaron BHS diarios con agotamiento exponencial y directo de la reserva, utilizando la evapotranspiración de referencia de Penman-Monteith recomendada por FAO. Al mismo tiempo que se disponía de los datos estimados de humedad de suelo mediante diferentes BHS diarios en los tres emplazamientos, también se realizó una monitorización de la humedad del suelo “in situ” mediante el método gravimétrico, con adaptación de dicha metodología a la problemática de cada suelo, para determinar en cada fecha tanto la humedad del suelo como su contenido de AD para una profundidad de 0 a 30 cm. Se tomaron en cada fecha de muestreo 5 muestras para la profundidad 0- 10 cm, otras cinco para 10-20 cm y otras cinco para 20-30 cm, realizándose el correspondiente tratamiento estadístico de los datos. El ADT se calculó a partir de los datos de capacidad de campo y punto de marchitez obtenidos en laboratorio con membrana de Richards. Los resultados de esta primera fase permitieron conocer que el BHS exponencial diario era el que mejor estimaba el AD en Guadalajara considerando la capacidad de campo a una presión de 33 kPa, mientras que en Colmenar se debían considerar para un mejor ajuste, 10 kPa en lugar de 33 kPa. En el observatorio de Radiosondeo debido a que en cada fecha de muestreo la profundidad en la que aparecía el horizonte Bt era diferente, no se pudo demostrar si el BHS exponencial diario tenía un buen comportamiento. En una segunda fase de experimentación (2009-2012) y con el objeto de aminorar los problemas encontrados en Radiosondeo para la medida de humedad del suelo por el método gravimétrico, se procedió a la instalación y utilización de diferentes sensores de medida de humedad de suelo en el mismo observatorio: TDR (time domain reflectometry - TRIME T3 de IMKO); FDR capacitivo (frecuency domain reflectometry - ECH2O EC-20 de DECAGON) y otros. Esta segunda fase de experimentación tuvo una duración de 4 años y se compararon las medidas de humedad de suelo obtenidas a partir de los sensores con las estimadas del BHS exponencial hasta una profundidad de 0 a 85 cm. En laboratorio se realizaron calibraciones específicas de los sensores TDR y FDR para cada uno de los horizontes más diferenciados del Haploxeralf Típico, utilizando diferentes tipos de regresión. Los valores de humedad de suelo con el equipo TDR, corregidos mediante la calibración específica de laboratorio, fueron los que más se ajustaron a las medidas realizadas por método gravimétrico “in situ”, por lo que se utilizó el TDR para las comparaciones con los valores obtenidos del BHS exponencial diario durante los cuatro años de esta segunda fase experimental. Se realizaron diferentes estimaciones del ADT, partiendo de datos de laboratorio y/o de datos procedentes de humedad de los sensores en campo. Los resultados mostraron de nuevo la conveniencia de utilizar el BHS exponencial diario, pero en este caso, con la estimación del ADT realizada a partir de las gráficas de los sensores. Mediante la utilización de los datos de humedad del BHS exponencial diario se han realizado comparaciones con el mismo tipo de balance pero utilizando un periodo semanal o mensual en lugar de diario, para conocer las diferencias. Los valores obtenidos con periodicidad mensual han dado valores de AD inferiores a los balances calculados semanalmente o diariamente. Por último se ha comprobado que los resultados de un BHS exponencial diario pueden complementar la información que se obtiene del Índice de Precipitación Estandarizado (SPI) y pueden mejorar el estudio de la sequía agrícola. ABSTRACT Due to the importance of a better knowledge of soil water at real time and in a more precisely way, this research work has being carried out with the main objective of selecting a daily Soil Water Balance (SWB) to estimate soil water content, and validate it in comparison to “in situ” measurements. Three locations, differing in soil and climate characteristics, were selected in central Spain in order to estimate with certain acuity soil water as plant-Available Water (AW) and to serve as a tool for the climatic studies. The selected places near meteorology stations were: Guadalajara/El Serranillo an alluvium of the Henares watershed; Colmenar Viejo/Base Famet, in the south raised area of the Guadarrama river basin, over metamorphic rocks; and Radiosondeo/Madrid (Barajas) in coarse arkosic sandstone. Morphology characterization, physical, chemical and hydrologic soil properties were studied in each area. In Guadalajara the soil is a Typic Xerorthent with a (Ap-AC-C1- C2) genetic horizon sequence, loam-sandy to loam textural class, less than 2% of rock fragments, presence of equivalent CaCO3 through the whole profile, outstanding the vertical and horizontal homogeneity of the properties. In Colmenar the soil is represented by a Dystric Xerorthent with a (A-C-C/R) genetic horizon sequence, the C/R is 20-30 cm deep where rock outcrops are approximately at 30 cm; a characteristic feature of this profile is its high acidity and high rock fragments content. In Radiosondeo the soil is represented by a Typic Haploxeralf, with the usual alfisol genetic horizon sequence (A-Bt1-Bt2-C/Bt); outstanding its horizontal heterogeneity, “the variability of the Bt (clay enriched horizon) depth in short distances”. In a first experimental stage (2007-2008), the daily SWB chosen was that which only uses as input data the information from the meteorology variables and plant-Total Available Water (TAW) for each soil type and depth. Different daily SWB (with exponential or direct plant-Available Water depletion) were applied, using the Penman- Monteith reference evapotranspiration (ETo) recommended by FAO. At the same time as soil water content was estimated from the different daily SWB at the three locations, also soil water content was being monitored by “in situ” gravimetric methodology, adapting it to each soil characteristic, to determine every time soil water content and AW to a depth of 0 to 30 cm. In each sampling date, 5 samples for each depth were taken: 0-10 cm; 10-20 cm and 20-30 cm and the data were submitted to the corresponding statistical analysis. The TAW was calculated based on field capacity (FC) and permanent wilting point (PWP) data obtained from laboratory by the Richards pressure plate. Results from this first experimental stage show that the daily exponential SWB was the one which better estimated the AW in Guadalajara considering field capacity at -33 kPa, though in Colmenar, field capacity at -10 kPa must be considered instead of -33 kPa for a better estimation. In Radiosondeo due to the fact that the Bt horizon depth varied in different sampling dates, it could not be established if the daily exponential SWB had a good performance. In a second experimental stage (20019-2012) and with the objective of minimizing the problems encountered in Radiosondeo for measuring “in situ” soil water content by the gravimetric method, the installation of different sensors for measuring soil water content were established and used in the same field location: TDR (time domain reflectometry - TRIME T3 from IMKO), capacitance FDR (frecuency domain reflectometry - ECH2O EC-20 from DECAGON) and others. This second experimental stage lasted 4 years in order to compare the soil water measures from the sensors with the estimations by the exponential SWB form 0 to 85 cm soil depths. At laboratory, specific calibrations for TDR and FDR sensors of the Typic Haploxeralf more differentiated horizons were done using different types of regressions. The results showed that soil water data obtained by the TDR equipment, corrected by the specific laboratory calibration, best fitted to “in situ” gravimetric soil water measures. In this way TDR was used for comparing to the daily exponential SWB during the four years of this second experimentation stage. Various estimations for obtaining TAW were tested; based on laboratory data – and/or on the data obtained of the soil water content field sensors. Results confirmed again, the convenience of using the daily exponential SWB, though in this case, with the TAW obtained from the field sensors graphics. Soil water estimated by exponential SWB on daily basis was compared to weekly and monthly periods, in order to know their reliability. The results obtained for a monthly period gave less AW than the ones obtained in a weekly or daily period. Finally it has been proved that the results obtained from the exponential SWB in a daily bases can be used as a useful tool in order to give complementary information to the SPI (Precipitation Standardized Index) and to help in agricultural drought studies.

Nueva tecnología para la separación de gases atmosféricos y captura de dióxido de carbono por aplicación de campos electromagnéticos y fotoionización

Son numerosos los expertos que predicen que hasta pasado 2050 no se utilizarán masivamente las energías de origen renovable, y que por tanto se mantendrá la emisión de dióxido de carbono de forma incontrolada. Entre tanto, y previendo que este tipo de uso se mantenga hasta un horizonte temporal aún más lejano, la captura, concentración y secuestro o reutilización de dióxido de carbono es y será una de las principales soluciones a implantar para paliar el problema medioambiental causado. Sin embargo, las tecnologías existentes y en desarrollo de captura y concentración de este tipo de gas, presentan dos limitaciones: las grandes cantidades de energía que consumen y los grandes volúmenes de sustancias potencialmente dañinas para el medioambiente que producen durante su funcionamiento. Ambas razones hacen que no sean atractivas para su implantación y uso de forma extensiva. La solución planteada en la presente tesis doctoral se caracteriza por la ausencia de residuos producidos en la operación de captura y concentración del dióxido de carbono, por no utilizar substancias químicas y físicas habituales en las técnicas actuales, por disminuir los consumos energéticos al carecer de sistemas móviles y por evitar la regeneración química y física de los materiales utilizados en la actualidad. Así mismo, plantea grandes retos a futuras innovaciones sobre la idea propuesta que busquen fundamentalmente la disminución de la energía utilizada durante su funcionamiento y la optimización de sus componentes principales. Para conseguir el objetivo antes citado, la presente tesis doctoral, una vez establecido el planteamiento del problema al que se busca solución (capítulo 1), del estudio de las técnicas de separación de gases atmosféricos utilizadas en la actualidad, así como del de los sistemas fundamentales de las instalaciones de captura y concentración del dióxido de carbono (capítulo 2) y tras una definición del marco conceptual y teórico (capítulo 3), aborda el diseño de un prototipo de ionización fotónica de los gases atmosféricos para su posterior separación electrostática, a partir del estudio, adaptación y mejora del funcionamiento de los sistemas de espectrometría de masas. Se diseñarán y desarrollarán los sistemas básicos de fotoionización, mediante el uso de fuentes de fotones coherentes, y los de separación electrostática (capítulo 4), en que se basa el funcionamiento de este sistema de separación de gases atmosféricos y de captura y concentración de dióxido de carbono para construir un prototipo a nivel laboratorio. Posteriormente, en el capítulo 5, serán probados utilizando una matriz experimental que cubra los rangos de funcionamiento previstos y aporte suficientes datos experimentales para corregir y desarrollar el marco teórico real, y con los que se pueda establecer y corregir un modelo físico– matemático de simulación (capítulo 6) aplicable a la unidad en su conjunto. Finalmente, debido a la utilización de unidades de ionización fotónica, sistemas láseres intensos y sistemas eléctricos de gran potencia, es preciso analizar el riesgo biológico a las personas y al medioambiente debido al impacto de la radiación electromagnética producida (capítulo 7), minimizando su impacto y cumpliendo con la legislación vigente. En el capítulo 8 se planteará un diseño escalable a tamaño piloto de la nueva tecnología propuesta y sus principales modos de funcionamiento, así como un análisis de viabilidad económica. Como consecuencia de la tesis doctoral propuesta y del desarrollo de la unidad de separación atmosférica y de captura y concentración de dióxido de carbono, surgen diversas posibilidades de estudio que pueden ser objeto de nuevas tesis doctorales y de futuros desarrollos de ingeniería. El capítulo 9 tratará de incidir en estos aspectos indicando líneas de investigación para futuras tesis y desarrollos industriales. ABSTRACT A large number of experts predict that until at least 2050 renewable energy sources will not be massively used, and for that reason, current Primary Energy sources based on extensive use of fossil fuel will be used maintaining out of control emissions, Carbon Dioxide above all. Meanwhile, under this scenario and considering its extension until at least 2050, Carbon Capture, Concentration, Storage and/or Reuse is and will be one of the main solutions to minimise Greenhouse Gasses environmental effect. But, current Carbon Capture and Storage technology state of development has two main problems: it is a too large energy consuming technology and during normal use it produces a large volume of environmentally dangerous substances. Both reasons are limiting its development and its extensive use. This Ph Degree Thesis document proposes a solution to get the expected effect using a new atmospheric gasses separation system with the following characteristics: absence of wastes produced, it needs no chemical and/or physical substances during its operation, it reduces to minimum the internal energy consumptions due to absence of mobile equipment and it does not need any chemical and/or physical regeneration of substances. This system is beyond the State of the Art of current technology development. Additionally, the proposed solution raises huge challenges for future innovations of the proposed idea finding radical reduction of internal energy consumption during functioning, as well as regarding optimisation of main components, systems and modes of operation. To achieve this target, once established the main problem, main challenge and potential solving solutions (Chapter 1), it is established an initial starting point fixing the Atmospheric Gasses Separation and Carbon Capture and Storage developments (Chapter 2), as well as it will be defined the theoretical and basic model, including existing and potential new governing laws and mathematical formulas to control its system functioning (Chapter 3), this document will deal with the design of an installation of an operating system based on photonic ionization of atmospheric gasses to be separated in a later separation system based on the application of electrostatic fields. It will be developed a basic atmospheric gasses ionization prototype based on intense radioactive sources capable to ionize gasses by coherent photonic radiation, and a basic design of electrostatic separation system (Chapter 4). Both basic designs are the core of the proposed technology that separates Atmospheric Gasses and captures and concentrates Carbon Dioxide. Chapter 5 will includes experimental results obtained from an experimental testing matrix covering expected prototype functioning regimes. With the obtained experimental data, theoretical model will be corrected and improved to act as the real physical and mathematical model capable to simulate real system function (Chapter 6). Finally, it is necessary to assess potential biological risk to public and environment due to the proposed use of units of intense energy photonic ionization, by laser beams or by non–coherent sources and large electromagnetic systems with high energy consumption. It is necessary to know the impact in terms of and electromagnetic radiation taking into account National Legislation (Chapter 7). On Chapter 8, an up scaled pilot plant will be established covering main functioning modes and an economic feasibility assessment. As a consequence of this PhD Thesis, a new field of potential researches and new PhD Thesis are opened, as well as future engineering and industrial developments (Chapter 9).

Comportamiento hidrológico de cuencas de media montaña españolas: efectos de los procesos de acumulación / fusión de nieve en terrenos permeables sobre la infiltración y régimen de caudales Alto Tajo

La infiltración de agua en el suelo y la recarga profunda del agua subterránea contenida en los acuíferos es un proceso lento en relación con otros fenómenos hidrológicos. La redacción de esta tesis ha pretendido contribuir al estudio de la influencia que el almacenamiento de la precipitación sólida en forma de manto de nieve y su eventual fusión puedan tener sobre dicho proceso en áreas de media montaña (1.000 – 2.000 m.) en las que con gran frecuencia se sitúan las cabeceras de los ríos peninsulares. Para ello se ha partido del análisis de las diferentes variables intervinientes durante un determinado periodo temporal y sobre un espacio geográfico concreto, por lo que su metodología es de naturaleza empírica. La extensión del periodo (2002/03 a 2010/11) ha venido condicionada por la disponibilidad de los valores de algunas de sus principales variables, como han sido el equivalente en agua de la nieve acumulada y los caudales procedentes de su fusión. Éstos se han obtenido como resultado de la aplicación del modelo ASTER, desarrollado en el programa de Evaluación de los Recursos Hídricos procedentes de la Innivación (ERHIN), calibrado – entre otros- con datos de precipitaciones, temperatura y caudales provenientes a su vez del Sistema Automático de Información Hidrológica (SAIH). Ambos programas fueron implantados por la Administración en las diferentes Confederaciones Hidrográficas y en determinados Organismos de cuenca actuales, en cuyo desarrollo participó el autor de esta tesis. En cuanto a la zona de estudio se ha procedido a su elección considerando las posibles áreas de media montaña en las que la presencia de la nieve fuera hidrológicamente significativa y estuvieran constituidas litológicamente por afloramientos permeables que no impidieran la infiltración en el terreno y la formación de acuíferos de cierta relevancia. El interés se centró discrecionalmente en la cuenca del Tajo, tanto por el carácter estratégico de la misma -como suministradora en la actualidad de excedentes a otras cuencas deficitarias- como por el valor representativo de sus condiciones climáticas y orográficas en relación con otras cuencas hidrográficas peninsulares. Para ello se partió de las cabeceras de ríos identificadas por el programa ERHIN por su interés nivológico para la implantación del modelo ASTER y de las Masas de Agua Subterráneas MASb (antes Unidades Hidrogeológicas UUHH) definidas en los planes hidrológicos. La intersección en el territorio de ambos criterios condujo, finalmente, a la zona del Alto Tajo, en la que se cumplen ambos requisitos. El tramo quedó concretado en el comprendido entre las cabeceras de los ríos Tajo y Guadiela y la cola de los embalses de Entrepeñas y Buendía respectivamente, puntos de cierre para la calibración llevada a cabo en la modelización ASTER. Gran parte de éste discurre, en su parte alta, sobre rocas carbonatadas (calizas y dolomías del Jurásico y Cretácico), relacionados con las MASb de Tajuña-Montes Universales, Molina de Aragón y Sigüenza-Maranchón. Los valores diarios de las reservas de agua en forma de nieve, evapotranspiración y caudales procedentes de la fusión se han obtenido a partir de los resultados del mencionado modelo, procediéndose al cálculo de la infiltración por balance hídrico durante el periodo de estudio considerado, teniendo en cuenta los valores de precipitación, evapotranspiración y aportaciones de caudales. Esto ha requerido el estudio previo de las condiciones hidrogeológicas de la zona seleccionada con objeto de conocer las posibles interconexiones subterráneas que pudieran alterar los saldos entre las variables intervinientes anteriormente citadas. Para ello se ha llevado a cabo la recopilación y análisis de la información hidrogeológica correspondiente a la documentación de los planes hidrológicos del Tajo (Plan Hidrológico de la cuenca del Tajo RD 1664/1998 y el actual Plan Hidrológico de la parte española de la Demarcación Hidrográfica del Tajo RD 270/2014) y de los estudios previos realizados por el organismo de cuenca y el Instituto Geológico y Minero de España (lGME) fundamentalmente. En relación con la MASb Tajuña-Montes Universales -cuya extensión supera la zona seleccionada- dichos estudios consideran su estructura geológica y distribución litológica, con intercalaciones impermeables que actúan como barreras, dividiendo a éstas en Subunidades e identificando las zonas de drenaje de sus respectivos acuíferos. También se ha considerado la documentación y estudios previos del Plan Hidrológico Nacional sobre las Unidades Hidrogeológicas compartidas entre ámbitos geográficos de diferentes planes hidrológicos. Se concluye que las divisorias hidrográficas de las cabeceras son sensiblemente coincidentes o abarcan las Subunidades Montes Universales meridionales, Priego, Cifuentes, Zaorejas, u Montes Universales septentrionales, que drenan hacia el Tajo/Guadiela (bien directamente, bien a través de afluentes como el Gallo, Ablanquejo, Cabrillas, Cuervo…), MASb Molina de Aragón, que drena al Tajo a través del río Gallo y MASb Sigüenza—Maranchón, que drena su parte correspondiente hacia el Tajo a través del Ablanquejo. Se descartan – salvo la pequeña salvedad del manantial de Cifuentes- las conexiones hidrogeológicas con otras MASb o Subunidades por lo que las cabeceras del Tajo y del Guadiela pueden considerarse como un Sistema independiente donde las precipitaciones no evaporadas escurren superficialmente o se infiltran y descargan hacia los embalses de Entrepeñas y Buendía. La cuantificación diaria y acumulada de los balances hídricos ha permitido calcular la evolución aproximada de las reservas de agua subterránea desde la fecha inicial. Originalmente los balances se realizaron de forma separada en las cabeceras del Tajo y del Guadiela, cuyos valores acumulados manifestaron una tendencia creciente en la primera y decreciente en la segunda. Dicha situación se equilibra cuando el balance se practica conjuntamente en ambas, apreciándose en la variación del volumen de agua subterránea una evolución acorde hidrológicamente con los ciclos de verano/invierno y periodos de sequía, manteniéndose sus valores medios a largo/medio plazo, poniendo en evidencia la existencia de interconexiones subterráneas entre ambas cuencas. El balance conjunto, agregando la cabecera del Tajuña (que también comparte los materiales permeables de la MASb Tajuña-Montes Universales) no reveló la existencia de nuevas interrelaciones hidrogeológicas que influyeran en los balances hídricos realizados Tajo/Guadiela, confirmando las conclusiones de los estudios hidrogeológicos anteriormente analizados. Se ha procedido a confrontar y validar los resultados obtenidos de la evolución de las reservas de agua subterránea mediante los siguientes procedimientos alternativos: - Cálculo de los parámetros de desagüe de la curva de agotamiento correspondiente al volumen de agua subterránea drenante hacia el Tajo/Guadiela. Éste se ha realizado a partir de las aportaciones mensuales entrantes en los embalses de Entrepeñas y Buendía durante los meses de junio, julio, agosto y septiembre, cuyos valores responden al perfil típico de descargas de un acuífero. A partir de éstos se ha determinado el volumen drenante correspondiente al primero de junio de cada año de la serie histórica considerada. - Determinación del caudal base por el método Wallingford y deducción de los volúmenes drenantes. Estimación de las recarga anuales - Cuantificación de la recarga anual por el método Sanz, Menéndez Pidal de Navascués y Távara. Se obtuvieron valores de recarga muy aproximados entre los calculados por los dos últimos procedimientos citados. Respecto a las reservas de agua subterránea almacenadas siguen una evolución semejante en todos los casos, lo que ha permitido considerar válidos los resultados conseguidos mediante balance hídrico. Confirmada su solidez, se han buscado correlaciones simples entre el volumen de las reservas subterráneas (como indicador estimativo del efecto de la infiltración) y los volúmenes procedentes de la fusión. La conclusión es que estos últimos no tienen un efecto determinante a escala anual sobre la infiltración,recarga y variación de los volúmenes de agua subterránea, frente al peso de otras variables (precipitación y evapotranspiración). No obstante se ha encontrado una buena correlación múltiple entre la recarga estimada y la precipitación eficaz (precipitación menos evapotranspiración) y fusión, que ha permitido cuantificar la contribución de esta última. Posteriormente se ha recurrido a la selección de los episodios más intensos de acumulación /fusión en las cabeceras del Tajo y Guadiela. Y se procedió a la comparación entre los resultados obtenidos por aplicación del modelo de simulación en los mismos periodos (normalmente de varios días de duración) con datos reales y con datos ficticios de temperatura que anularan o disminuyeran la presencia de nieve, apreciándose una gran sensibilidad del efecto de la temperatura sobre la evapotranspiración y estableciéndose nuevamente correlaciones lineales entre los volúmenes de fusión y el incremento de reservas subterráneas. Las mismas confirman el efecto “favorecedor” de la acumulación de agua en forma de nieve y su posterior licuación, sobre sobre la infiltración de agua en el suelo y almacenamiento subterráneo. Finalmente se establecieron varios escenarios climáticos (+1ºC; +3ºC; +1ºC y – 10% precipitación; y 3ºC – 10% precipitación) compatibles con las previsiones del IPCC para mediados y finales del presente siglo, determinándose mediante simulación ASTER los correspondientes valores de fusión. La correlación establecida a escala anual ha permitido evaluar el efecto de la disminución del volumen de fusión - en los diferentes escenarios – sobre la recarga, pronosticando un descenso de los caudales de estiaje y la desaparición del “efecto nieve” sobre la infiltración y recarga con un aumento de 3ºC de temperatura. Teniendo en cuenta las condiciones de representatividad de la zona elegida, resulta verosímil la extensión de las anteriores conclusiones a otras cabeceras fluviales enclavadas en áreas de media montaña situadas entre 1000 a 2000m y sus efectos aguas abajo.Water infiltration into the soil and groundwater recharge deep water in aquifers is slow relative to other hydrological phenomena. The wording of this thesis aims to contribute to the study of the influence that the storage of solid precipitation as snow cover and its eventual melting may have on this process in mid-mountain areas (1000 - 2,000 m) where very often the headwaters of the peninsular rivers are located. For this party analysis of the different variables involved has over a given time period and a particular geographical area, so that their methodology is empirical in nature. The extension of the period (2002/03 to 2010/11) has been conditioned by the availability of the values of some of its key variables, as were the water equivalent of the snow and flows from melting. These have been obtained as a result of the application of ASTER model, developed in the program Evaluation of Water Resources from the Innivation (ERHIN), calibrated - among others data of rainfall, temperature and flow from turn System Automatic Hydrological Information (SAIH). Both programs were implemented by the Administration in the different Water Boards and to undertakings for current basin, in which the author participated development of this thesis. As for the study area has proceeded at its option considering the possible areas of midmountain in the presence of snow outside hydrological meaningful and they were lithology consisting of permeable outcrops that did not prevent infiltration into the ground and forming aquifers of some significance. We were interested discretion in the Tagus basin, therefore the strategic nature of it, as currently supplying surplus to other basins deficit- as the representative value of its climate and terrain conditions in relation to other peninsular river basins . To do this we started from the headwaters identified by the ERHIN program for its implementation snow interest to the ASTER model and Ground Water Bodies MASb (before UUHH Hydrogeological Units) defined in hydrological plans. The intersection in the territory of both criteria led eventually to the Alto Tajo, in which both requirements are met. The section was finalized in the period between the headwaters of the Tagus and Guadiela rivers and reservoirs end Entrepeñas and Buendia respectively checking points for calibration performed in ASTER modeling. Much of it runs on carbonate rocks (limestones and dolomites of Jurassic and Cretaceous) related MASb of Tajuña -Montes Universal, Molina de Aragón and Sigüenza-Maranchón. The daily values of water reserves in the form of snow, evapotranspiration and flow from melting were obtained from the results of this model, proceeding to the calculation of infiltration water balance during the study period considered, taking into account values of precipitation, evapotranspiration and input flow. This has required the prior examination of the hydrogeological conditions of your required in order to know the possible underground interconnections that could alter the balance between the intervening variables aforementioned area. For this we have carried out the collection and analysis of hydrogeological information relevant documentation Tagus river management plans (Hydrological Plan Tajo Basin RD 1664/1998 and the current Hydrological Plan of the Spanish part of the River Basin Tagus RD 270/2014) and previous studies by the basin organization and the Geological Survey of Spain (IGME) mainly. Regarding the MASb Tajuña- Montes Universal - whose length exceeds the area selected - these studies consider its geological structure and lithology distribution with waterproof collations that act as barriers, dividing it into subunits and identifying areas draining their respective aquifers. It has also considered the documentation and previous studies of the National Hydrological Plan on shared among different geographical areas management plans Hydrogeological Units. We conclude that river dividing the headers are substantially coincident or covering Subunits southern Universal Montes, Priego Cifuentes, Zaorejas and northern Universal Mounts, which drain into the Tagus / Guadiela (either directly or through tributaries such as Gallo, Ablanquejo , whitecaps , Raven ...), MASb Molina de Aragón which drains through the Tajo del Gallo and MASb Sigüenza- Maranchón river that drains into the Tagus using the Ablanquejo . Discarded - except the small exception of spring Cifuentes -hydrogeological connections with other MASb or Subunits so the headwaters of the Tagus and Guadiela be considered as a separate system, where rainfall not evaporated runs on surface or infiltrates and eventually discharged into reservoirs Entrepeñas and Buendia. The daily and cumulative quantification of water balances allowed us to compute the approximate evolution of groundwater reserves from its initial date. Initially balances were performed separately in the headwaters of the Tagus and Guadiela, whose cumulative values showed an increasing trend in the first and decreasing in the second. This situation is balanced when the balance is practiced together in both , appreciating the change in volume of groundwater hydrological evolution commensurate with the cycles of summer / winter and drought periods , keeping their average long / medium term values and putting in shows the existence of underground interconnections between the two basins. The overall balance, adding header Tajuña (which also shares the permeable materials MASb Tajuña -Montes Universal ) did not reveal the existence of new hydrogeological interrelationships that influenced water balances made Tajo / Guadiela, confirming the findings of the hydrogeological studies previously analyzed. We proceeded to confront and validate the results of the evolution of groundwater reserves by the following alternative procedures: - Calculate the parameters drain depletion curve corresponding to the volume of groundwater draining into the Tajo / Guadiela. This has been made from monthly inflows in the reservoirs of Entrepeñas and Buendia during the months of June, July, August and September, whose values match the typical profile of an aquifer discharges. From these has been determined for the first of June each year of the time series considered drainage volume - Determination of base flow by Wallingford method and deduction of drainage volumes. Estimate of annual recharge - Quantification of the annual recharge by the method Sanz Menéndez Pidal of Navascués and Távara. Very approximate values recharge between calculated for the last two mentioned methods were obtained. Concerning groundwater reserves stored follow a similar pattern in all cases, allowing consider valid the results achieved through water balance. Confirmed its robustness, simple correlations were sought between the volume of groundwater reserves (as estimated indicator of the effect of infiltration) and volumes from the melting. The conclusion is that the latter do not have a decisive effect on the annual scale infiltration, recharge and variation in volumes of groundwater, against the weight of other variables (precipitation and evapotranspiration). However found a good multiple correlation between the estimated recharge and effective precipitation (precipitation minus evapotranspiration) and fusion, which allowed quantify the contribution of the latter. Subsequently it has resorted to the selection of the most intense episodes of accumulation / melting in the headwaters of the Tagus and Guadiela. And we proceeded to the comparison between the results obtained by application of the simulation model in the same periods (usually several days) with real data and fictitious temperature data to annul or decrease the presence of snow, appreciating a great sensitivity of the effect of temperature on evapotranspiration and establishing linear correlations between the volumes of melting and increased groundwater reserves again. They confirm the “flattering " effect of water accumulation as snow and subsequent liquefaction of the infiltration of water into the soil and underground storage. Finally various climate scenarios (+1ºC; +3ºC; +1ºC y – 10% precipitation; y 3ºC – 10% precipitation) were established consistent with IPCC projections for mid - to late - century, determined through simulation ASTER corresponding values of melting. The correlation established on an annual scale has allowed to evaluate the effect of decreasing the volume of melt - in different scenarios - on recharge, predicting a decline in low flows and the disappearance of "snow effect" on infiltration and recharge with an increase of 3°C temperature. Given the conditions of representativeness of the chosen area, plausible extension of the above findings to other landlocked headwaters in mid-mountain areas located between 1000 to 2000m and its downstream effects.