Novel Inductor‐less Conversion Strategy Based on Multiphase Transformer‐Coupled Converters: Analysis, Design and Applications

There are many the requirements that modern power converters should fulfill. Most of the applications where these converters are used, demand smaller converters with high efficiency, improved power density and a fast dynamic response. For instance, loads like microprocessors demand aggressive current steps with very high slew rates (100A/mus and higher); besides, during these load steps, the supply voltage of the microprocessor should be kept within tight limits in order to ensure its correct performance. The accomplishment of these requirements is not an easy task; complex solutions like advanced topologies - such as multiphase converters- as well as advanced control strategies are often needed. Besides, it is also necessary to operate the converter at high switching frequencies and to use capacitors with high capacitance and low ESR. Improving the dynamic response of power converters does not rely only on the control strategy but also the power topology should be suited to enable a fast dynamic response. Moreover, in later years, a fast dynamic response does not only mean accomplishing fast load steps but output voltage steps are gaining importance as well. At least, two applications that require fast voltage changes can be named: Low power microprocessors. In these devices, the voltage supply is changed according to the workload and the operating frequency of the microprocessor is changed at the same time. An important reduction in voltage dependent losses can be achieved with such changes. This technique is known as Dynamic Voltage Scaling (DVS). Another application where important energy savings can be achieved by means of changing the supply voltage are Radio Frequency Power Amplifiers. For example, RF architectures based on ‘Envelope Tracking’ and ‘Envelope Elimination and Restoration’ techniques can take advantage of voltage supply modulation and accomplish important energy savings in the power amplifier. However, in order to achieve these efficiency improvements, a power converter with high efficiency and high enough bandwidth (hundreds of kHz or even tens of MHz) is necessary in order to ensure an adequate supply voltage. The main objective of this Thesis is to improve the dynamic response of DC-DC converters from the point of view of the power topology. And the term dynamic response refers both to the load steps and the voltage steps; it is also interesting to modulate the output voltage of the converter with a specific bandwidth. In order to accomplish this, the question of what is it that limits the dynamic response of power converters should be answered. Analyzing this question leads to the conclusion that the dynamic response is limited by the power topology and specifically, by the filter inductance of the converter which is found in series between the input and the output of the converter. The series inductance is the one that determines the gain of the converter and provides the regulation capability. Although the energy stored in the filter inductance enables the regulation and the capability of filtering the output voltage, it imposes a limitation which is the concern of this Thesis. The series inductance stores energy and prevents the current from changing in a fast way, limiting the slew rate of the current through this inductor. Different solutions are proposed in the literature in order to reduce the limit imposed by the filter inductor. Many publications proposing new topologies and improvements to known topologies can be found in the literature. Also, complex control strategies are proposed with the objective of improving the dynamic response in power converters. In the proposed topologies, the energy stored in the series inductor is reduced; examples of these topologies are Multiphase converters, Buck converter operating at very high frequency or adding a low impedance path in parallel with the series inductance. Control techniques proposed in the literature, focus on adjusting the output voltage as fast as allowed by the power stage; examples of these control techniques are: hysteresis control, V 2 control, and minimum time control. In some of the proposed topologies, a reduction in the value of the series inductance is achieved and with this, the energy stored in this magnetic element is reduced; less stored energy means a faster dynamic response. However, in some cases (as in the high frequency Buck converter), the dynamic response is improved at the cost of worsening the efficiency. In this Thesis, a drastic solution is proposed: to completely eliminate the series inductance of the converter. This is a more radical solution when compared to those proposed in the literature. If the series inductance is eliminated, the regulation capability of the converter is limited which can make it difficult to use the topology in one-converter solutions; however, this topology is suitable for power architectures where the energy conversion is done by more than one converter. When the series inductor is eliminated from the converter, the current slew rate is no longer limited and it can be said that the dynamic response of the converter is independent from the switching frequency. This is the main advantage of eliminating the series inductor. The main objective, is to propose an energy conversion strategy that is done without series inductance. Without series inductance, no energy is stored between the input and the output of the converter and the dynamic response would be instantaneous if all the devices were ideal. If the energy transfer from the input to the output of the converter is done instantaneously when a load step occurs, conceptually it would not be necessary to store energy at the output of the converter (no output capacitor COUT would be needed) and if the input source is ideal, the input capacitor CIN would not be necessary. This last feature (no CIN with ideal VIN) is common to all power converters. However, when the concept is actually implemented, parasitic inductances such as leakage inductance of the transformer and the parasitic inductance of the PCB, cannot be avoided because they are inherent to the implementation of the converter. These parasitic elements do not affect significantly to the proposed concept. In this Thesis, it is proposed to operate the converter without series inductance in order to improve the dynamic response of the converter; however, on the other side, the continuous regulation capability of the converter is lost. It is said continuous because, as it will be explained throughout the Thesis, it is indeed possible to achieve discrete regulation; a converter without filter inductance and without energy stored in the magnetic element, is capable to achieve a limited number of output voltages. The changes between these output voltage levels are achieved in a fast way. The proposed energy conversion strategy is implemented by means of a multiphase converter where the coupling of the phases is done by discrete two-winding transformers instead of coupledinductors since transformers are, ideally, no energy storing elements. This idea is the main contribution of this Thesis. The feasibility of this energy conversion strategy is first analyzed and then verified by simulation and by the implementation of experimental prototypes. Once the strategy is proved valid, different options to implement the magnetic structure are analyzed. Three different discrete transformer arrangements are studied and implemented. A converter based on this energy conversion strategy would be designed with a different approach than the one used to design classic converters since an additional design degree of freedom is available. The switching frequency can be chosen according to the design specifications without penalizing the dynamic response or the efficiency. Low operating frequencies can be chosen in order to favor the efficiency; on the other hand, high operating frequencies (MHz) can be chosen in order to favor the size of the converter. For this reason, a particular design procedure is proposed for the ‘inductorless’ conversion strategy. Finally, applications where the features of the proposed conversion strategy (high efficiency with fast dynamic response) are advantageus, are proposed. For example, in two-stage power architectures where a high efficiency converter is needed as the first stage and there is a second stage that provides the fine regulation. Another example are RF power amplifiers where the voltage is modulated following an envelope reference in order to save power; in this application, a high efficiency converter, capable of achieving fast voltage steps is required. The main contributions of this Thesis are the following: The proposal of a conversion strategy that is done, ideally, without storing energy in the magnetic element. The validation and the implementation of the proposed energy conversion strategy. The study of different magnetic structures based on discrete transformers for the implementation of the proposed energy conversion strategy. To elaborate and validate a design procedure. To identify and validate applications for the proposed energy conversion strategy. It is important to remark that this work is done in collaboration with Intel. The particular features of the proposed conversion strategy enable the possibility of solving the problems related to microprocessor powering in a different way. For example, the high efficiency achieved with the proposed conversion strategy enables it as a good candidate to be used for power conditioning, as a first stage in a two-stage power architecture for powering microprocessors.

Diseño de un sistema de climatización para un edificio singular mediante el uso de fuentes de energía renovable

El proyecto consiste en el diseño del sistema de climatización de un edificio ubicado en la ciudad de Madrid que utilice la energía solar como fuente de calor y electricidad. El objetivo es que el edificio tenga un consumo energético lo más bajo posible y que utilice energías de origen renovable para su explotación. Se incluye el cálculo de cargas térmicas, el dimensionamiento del sistema de climatización y de los sistemas de captación de energía solar (térmica y fotovoltaica). Adicionalmente, se definen las principales características de un sistema de control centralizado que permita optimizar el rendimiento y monitorizar el funcionamiento de la instalación de forma continua. Se incluye el diseño de las instalaciones auxiliares con un grado de detalle suficiente que permita su valoración, tanto desde el punto de vista energético como económico. Como parte fundamental del proyecto, se extraen conclusiones acerca del ahorro energético de las instalaciones y se analiza la viabilidad económica de las inversiones. ABSTRACT The project covers the design of a Heating and Climatization System for a building located in the city of Madrid (Spain). The facilities will use solar energy as the main source for both heat and electricity. The main goals are to achieve the lowest possible energy consumption and to use renewable sources of energy to cover it. Calculation of thermal charges is included, together with the sizing of both the Climatization System and the Solar Energy (Thermal and PV) facilities. In addition, the main characteristics of a Centralized Control System are defined. This will help both to optimize the performance of the different systems involved and to monitor the operation. Design of all auxiliary systems is included with enough level of detail as to be able to evaluate them from both energetic and economic points of view. Paramount in this project is to be able to draw conclusions about the energy savings and the profitability (or not) of the main investments to be carried out

Diffuse illuminance availability on horizontal and vertical surfaces at Madrid, Spain

The overall objective of this work is to provide diffuse illuminance availability at Madrid (Spain) through a statistical analysis of illuminance values corresponding to a long-term data series. The illuminance values are obtained from irradiance measurements by means of different empirical models for luminous efficacy. The values of diffuse illuminance on a horizontal and on vertical surfaces facing the four cardinal points are estimated and the different aspects related to daylight availability in an area with specific climatic conditions are analyzed. The experimental data consist of global and diffuse irradiance measurements on a horizontal surface provided by the National Meteorological Agency in Spain (AEMET) for Madrid. These data consist of hourly values measured in the period of 1980–2005. The statistical results derived correspond to a daylight typical year for the five surfaces considered. This information will be useful to building experts to estimate natural illumination availability when daylighting techniques are applied in building design with the main aim of electric energy savings.

Morteros acumuladores con parafinas microencapsuladas para el aprovechamiento de la energía solar en suelos radiantes

Esta Tesis plantea la pregunta de si el uso de morteros con parafinas microencapsuladas combinado con colectores solares térmicos puede reducir el consumo de energías convencionales, en un sistema tradicional de suelo radiante. Se pretende contribuir al conocimiento acerca del efecto que produce en el edificio, el calor latente acumulado en suelos radiantes, utilizando morteros de cemento Portland con material de cambio de fase (PCM), en conjunto con la energía solar. Para cumplir con este propósito, la investigación se desarrolla considerando diversos aspectos. En primer lugar, se revisa y analiza la documentación disponible en la actualidad, de almacenamiento de energía mediante calor latente en la construcción, y en particular la aplicación de microcápsulas de PCM en morteros y suelos radiantes. También se revisa la documentación relacionada con la aplicación de la energía solar térmica y en suelo radiante. Se analiza la normativa vigente respecto al material, a los colectores solares y al suelo radiante. Se verifica que no hay normativa relacionada con mortero-PCM, debido a esto se aplica en la investigación una adaptación de la existente. La fase experimental desarrollada esta principalmente dirigida a la cuantificación, caracterización y evaluación de las propiedades físicas, mecánicas y térmicas del mortero de cemento Portland con parafinas microencapsuladas. Los resultados obtenidos y su análisis, permiten conocer el comportamiento de este tipo de morteros, con las diferentes variables aplicadas en la investigación. Además, permite disponer de la información necesaria, para crear una metodología para el diseño de morteros con parafina microencapsulada, tanto del punto de vista de su resistencia a la compresión y contenido de PCM, como de su comportamiento térmico como acumulador de calor. Esto se logra procesando la información obtenida y generando modelos matemáticos, para dosificar mezclas, y predecir la acumulación de calor en función de su composición. Se determinan los tipos y cantidades de PCM, y el cemento más adecuado. Se obtienen importantes conclusiones respecto a los aspectos constructivos a considerar en la aplicación de morteros con PCM, en suelo radiante. Se analiza y evalúa la demanda térmica que se puede cubrir con el suelo radiante, utilizando morteros con parafina microencapsulada, a través de la acumulación de energía solar producida por colectores solares, para condiciones climáticas, técnicas y tipologías constructivas específicas. Se determina que cuando los paneles cubren más de 60 % de la demanda por calefacción, se puede almacenar en los morteros con PCM, el excedente generado durante el día. Se puede cubrir la demanda de acumulación de energía con los morteros con PCM, en la mayoría de los casos analizados. Con esto, se determina que el uso de morteros con PCM, aporta a la eficiencia energética de los edificios, disminuyendo el consumo de energías convencionales, reemplazándola por energía solar térmica. En esta investigación, el énfasis está en las propiedades del material mortero de cemento-PCM y en poder generar metodologías que faciliten su uso. Se aborda el uso de la energía solar, para verificar que es posible su acumulación en morteros con PCM aplicados en suelo radiante, posibilitando el reemplazo de energías convencionales. Quedan algunos aspectos de la aplicación de energía solar a suelo radiante con morteros con PCM, que no han sido tratados con la profundidad que requieren, y que resultan interesantes de evaluar en este tipo de aplicaciones constructivas, como entre otros, los relacionados con la cuantificación de los ahorros de energía en las diferentes estaciones del año, de la estabilización de temperaturas internas, su análisis de costo y la optimización de este tipo de sistemas para utilización en verano, los que dan pie para otras Tesis o proyectos de investigación. ABSTRACT This Thesis proposes the question of whether the use of mortars with microencapsulated paraffin combined with solar thermal collectors can reduce conventional energy consumption in a traditional heating floor system. It aims to contribute to knowledge about the effect that it has on the building, the latent heat accumulated in heating floor, using Portland cement mortars with phase change material (PCM), in conjunction with solar energy. To fulfill this purpose, the research develops it considering various aspects. First, it reviews and analyzes the documentation available today, about energy storage by latent heat in the building, and in particular the application of PCM microcapsules in mortars and heating floors. It also reviews the documentation related to the application of solar thermal energy and heating floor. Additionally, it analyzes the current regulations regarding to material, solar collectors and heating floors. It verifies that there aren’t regulations related to PCM mortar, due to this, it applies an adaptation in the investigation. The experimental phase is aimed to the quantification, mainly, characterization and evaluation of physical, mechanical and thermal properties of Portland cement mortar with microencapsulated paraffin. The results and analysis, which allow us to know the behavior of this type of mortars with different variables applied in research. It also allows having the information necessary to create a methodology for designing mortars with microencapsulated paraffin, both from the standpoint of its resistance to compression and PCM content, and its thermal performance as a heat accumulator. This accomplishes by processing the information obtained, and generating mathematical models for dosing mixtures, and predicting heat accumulation depending on their composition. The research determines the kinds and amounts of PCM, and the most suitable cement. Relevant conclusions obtain it regarding constructive aspects to consider in the implementation of PCM mortars in heating floor. Also, it analyzes and evaluates the thermal demand that it can be covered in heating floor using microencapsulated paraffin mortars, through the accumulation of solar energy produced by solar collectors to weather conditions, technical and specific building typologies. It determines that if the panels cover more than 60% of the demand for heating, the surplus generated during the day can be stored in PCM mortars. It meets the demand of energy storage with PCM mortars, in most of the cases analyzed. With this, it determines that the use of PCM mortars contributes to building energy efficiency, reducing consumption of conventional energy, replacing it with solar thermal energy. In this research approaches the use of solar energy to determine that it’s possible to verify its accumulation in PCM mortars applied in heating floor, enabling the replacement of conventional energy. The emphasis is on material properties of PCM mortar and, in order to generate methodologies to facilitate their use. There are some aspects of solar energy application in PCM mortars in heating floor, which have not been discussed with the depth required, and that they are relevant to evaluate in this kind of construction applications, including among others: the applications related to the energy savings quantification in different seasons of the year, the stabilizing internal temperatures, its cost analysis and optimization of these systems for use in summer, which can give ideas for other thesis or research projects.

Auditoria energética de un edificio terciario : residencia de mayores

El presente proyecto surge como resultado de un proyecto real, consistente en la elaboración de un estudio energético a un edificio perteneciente al Sector Terciario. Pretende llevarse a cabo la realización de una auditoría energética en una Residencia de Mayores con el objetivo principal de obtener un conocimiento óptimo del perfil de los consumos energéticos, identificando y valorando las posibilidades de ahorro de energía según cada sistema, proponiendo medidas de mejora y realizando su evaluación técnica y económica. Para la consecución de este objetivo principal se ha necesitado realizar una campaña de medidas que ha consistido en la obtención de mediciones y registros de parámetros eléctricos, térmicos y de confort, inventariar equipos e instalaciones existentes, conocer las condiciones normales de funcionamiento del centro, analizar y estudiar los datos recogidos durante las visitas y la información aportada por el personal del centro. Con las medidas de mejora energética propuestas se reduce el consumo del edificio un 4,39 %, dando como resultado un periodo de retorno de 4,40 años. ABSTRACT The following project is the result of a real project, involving the development of an energy study to a building belonging to the Tertiary Sector. Energetic audit is performed at a home for the elderly with the main aim of getting knowledge on its optimal energy consumption profile. For this purpose, the possibilities in the energy savings for each system are identified and evaluated. To achieve our goal, we have carried out a measurement campaign consisting of: obtaining and recording measurements of electrical, thermal and comfort parameters, inventory of existing equipment and facilities, acquisition of knowledge about the normal operating conditions of the center, and analysis and study of the data collected during visits and information provided by the staff. As a conclusion of this study it should be noted that the proposed improvement measures will minimize energy consumption of the building 4.39%, resulting in a payback period of 4,40 years.

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

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

FPGA-Based Wireless Sensor Node Architecture for High Performance Applications

While for years traditional wireless sensor nodes have been based on ultra-low power microcontrollers with sufficient but limited computing power, the complexity and number of tasks of today’s applications are constantly increasing. Increasing the node duty cycle is not feasible in all cases, so in many cases more computing power is required. This extra computing power may be achieved by either more powerful microcontrollers, though more power consumption or, in general, any solution capable of accelerating task execution. At this point, the use of hardware based, and in particular FPGA solutions, might appear as a candidate technology, since though power use is higher compared with lower power devices, execution time is reduced, so energy could be reduced overall. In order to demonstrate this, an innovative WSN node architecture is proposed. This architecture is based on a high performance high capacity state-of-the-art FPGA, which combines the advantages of the intrinsic acceleration provided by the parallelism of hardware devices, the use of partial reconfiguration capabilities, as well as a careful power-aware management system, to show that energy savings for certain higher-end applications can be achieved. Finally, comprehensive tests have been done to validate the platform in terms of performance and power consumption, to proof that better energy efficiency compared to processor based solutions can be achieved, for instance, when encryption is imposed by the application requirements.

Temperaturas de confort e implicaciones energéticas en viviendas climatizadas mecánicamente. Estudio en clima cálido y húmedo

Este trabajo presenta un estudio de campo sobre confort térmico basado en la concepción adaptativa, para la determinación de las temperaturas y rangos de confort térmico de sujetos habituados a espacios enfriados mecánicamente en viviendas con aire acondicionado (AA) en el clima cálido y húmedo de la ciudad de Maracaibo (Venezuela) y las consecuentes implicaciones energéticas que tiene la satisfacción de esa demanda de confortabilidad en el sector residencial de la ciudad. Para la estimación de la temperatura de confort (Tc) y el rango de temperaturas de confort se aplican diferentes metodologías de análisis estadístico, las cuales son comparadas con las respectivas calculadas con el índice PMV; se analizan también otros aspectos asociados a la confortabilidad térmica, tales como las respuestas en las diferentes escalas de valoración de la confortabilidad, las preferencias, experiencias y expectativas térmicas de los sujetos. Las implicaciones energéticas se determinan en base al consumo de la energía eléctrica residencial debido exclusivamente a la variación de la Tc, entre la obtenida inicialmente en espacios naturalmente ventilados (NV) en Maracaibo (Bravo y Gonzalez 2001a) y la determinada ahora en espacios con AA. Para ello, se utiliza una metodología que es el resultado de la modificación parcial de la propuesta por Yamtraipat et al (2006). Entre los resultados y conclusiones derivadas de este estudio se encuentra que el 57 % de las personas prefieren las mismas condiciones confortables experimentadas en los ambientes con AA y solamente un 30 % prefieren experimentar ambientes ligeramente fríos y ligeramente calientes. Mientras tanto, las estimaciones de la Tc, y el respectivo rango, varían de acuerdo a la metodología empleada. Con la convencional metodología adaptativa, la Tc se estima en 25 °C en un amplio rango de 6 °C, entre 22 °C y 28 °C; mientras que con la metodología denominada “método de los promedios de los intervalos de las sensaciones térmicas” (Gómez-Azpeitia et al, 2007), la misma Tc se estima en 24 °C, en un rango estrecho de 22,5 °C a 25,5 °C y en un rango ampliado de 21 °C a 27 °C (amplitud 6 °C), donde se encuentran las tres cuartas partes de las personas del estudio. Ambas Tc son muy próximas a la temperatura operativa optima de 24,5 °C (rango de 23 °C a 26 °C) establecida por las normas internacionales ISO 7730:1994 y ASHRAE 55:1992 para el verano en climas templados. Sin embargo, la Tc estimada con los valores de PMV resulta ser superior en 1 °C y 2 °C a la Tc estimada con la metodología adaptativa (25 °C) y con el metodo de los promedios de los intervalos (24 °C), respectivamente. Con la metodología aplicada y la muestra del estudio se estima que de haberse registrado una Tbsint igual o próxima a 28 C (equivalente a la Tc en espacios NV en Maracaibo) en todos los espacios medidos (con Tbsint entre 19 C y 29 C), el ahorro total de la energía anual seria de 1.648,1 GWh en un ano respecto al consumo de AA en el año 2007 (2.522,3 GWh en un ano), mientras que el ahorro de energía asumiendo Tbsint de 24 C y de 25 C, resultan en 651,9 GWh en un ano y 425,7 GWh en un ano, respectivamente. Esto significa respectivos consumos adiciones de energía eléctrica equivalentes al 60,4 % y 74,2 %. Finalmente, los hábitos o conductas adoptadas por las personas de este estudio, sumado a las predominantes manifestaciones de confortabilidad en ambientes enfriados mecánicamente, redundan en mayores adaptaciones a condiciones de frio y exigencias de temperaturas de confort más bajas, con su consecuente consumo energético para proveerlas. ABSTRACT This investigation presents a study on thermal comfort following the adaptive approach for the determination of the thermal comfort temperatures and ranges of subjects accustomed to mechanically refrigerated spaces in dwellings with air conditioning (AA) systems in the hot and humid weather of the city of Maracaibo (Venezuela) and the ensuing energy use implications it has on the satisfaction of such demand of comfortability in the residential sector of the city. For the estimation of the comfort temperature (Tc) and the range of comfort temperatures different statistical analysis methodologies were used, which are then compared to the respective values calculated with the PMV index, also discusses other aspects related with thermal comfortability were analyzed, such as the responses on the different scales of perception of thermal comfortability, preferences, experiences and expectations of the analyzed subjects. The energetic implications are determined through the residential energy consumption related exclusively with the variation of the Tc between the originally calculated for naturally ventilated (NV) spaces in Maracaibo (Bravo y Gonzalez 2001a) and the one calculated on the present study with AA. For this, a new methodology was developed by partially modifying the Yamtraipat et al (2006) proposal. Among the results and conclusions of this study are that 57 % of the studied subjects prefer the same comfortable conditions experienced on AA environments and only a 30 % prefer to experience slightly cooler or warmer environments. Also, estimations of the Tc and its respective range vary according to the used methodology. With the conventional adaptive methodology, the Tc is estimated in 25 °C with a wide range of 6 °C, between 22 °C and 28 °C, while using the “thermal sensation intervals averages method” (Gomez-Azpeitia et al, 2007) the Tc is estimated in 24 °C on a narrow range between 22.5 °C and 25.5 °C and a widened range of 21 °C to 27 °C (6 °C in amplitude), a range where . of the studied subjects are located. Both Tc are very close to the optimum operation temperature of 24.5 °C (with a range between 23 °C and 26 °C) established on the ISO 7730:1994 and ASHRAE 55:1992 international norms for the summer on warm climates. However, the estimated Tc with the PMV indexes results to be 1 °C and 2 °C above the Tc estimated with the adaptive methodology (25 °C) and the thermal sensation intervals averages method (24 °C), respectively. With the applied methodology and this study sample, its estimated that if a Tbsint equal or close to 28 °C (equivalent to the Tc in NV spaces in Maracaibo) was registered in all measured spaces (with Tbsint between 19 °C and 29 °C) the total yearly energy savings would be of 1.648,1 GWh in a year with respect to the AA consumption in the year 2007 (2.522.3 GWh in a year), while the energy savings assuming a Tbinst of 24 °C and 25 °C result in 651.9 GWh and 425.7 Gwh in a year, respectively. This means that the respective additional electrical energy consumption amount to 60.4 % and 74.2 %, respectively. Finally, the habits or behaviors adopted by the subjects analyzed on this study, added to the predominant manifestations of comfortability in mechanically refrigerated environments result in greater adaptations to colder conditions and lower thermal comfort temperature demands, with the consequential increase in power consumption to meet them.

A swarm intelligence approach based on coupled oscillators: an application in demand side management with photovoltaic distributed generation

Esta Tesis aborda los problemas de eficiencia de las redes eléctrica desde el punto de vista del consumo. En particular, dicha eficiencia es mejorada mediante el suavizado de la curva de consumo agregado. Este objetivo de suavizado de consumo implica dos grandes mejoras en el uso de las redes eléctricas: i) a corto plazo, un mejor uso de la infraestructura existente y ii) a largo plazo, la reducción de la infraestructura necesaria para suplir las mismas necesidades energéticas. Además, esta Tesis se enfrenta a un nuevo paradigma energético, donde la presencia de generación distribuida está muy extendida en las redes eléctricas, en particular, la generación fotovoltaica (FV). Este tipo de fuente energética afecta al funcionamiento de la red, incrementando su variabilidad. Esto implica que altas tasas de penetración de electricidad de origen fotovoltaico es perjudicial para la estabilidad de la red eléctrica. Esta Tesis trata de suavizar la curva de consumo agregado considerando esta fuente energética. Por lo tanto, no sólo se mejora la eficiencia de la red eléctrica, sino que también puede ser aumentada la penetración de electricidad de origen fotovoltaico en la red. Esta propuesta conlleva grandes beneficios en los campos económicos, social y ambiental. Las acciones que influyen en el modo en que los consumidores hacen uso de la electricidad con el objetivo producir un ahorro energético o un aumento de eficiencia son llamadas Gestión de la Demanda Eléctrica (GDE). Esta Tesis propone dos algoritmos de GDE diferentes para cumplir con el objetivo de suavizado de la curva de consumo agregado. La diferencia entre ambos algoritmos de GDE reside en el marco en el cual estos tienen lugar: el marco local y el marco de red. Dependiendo de este marco de GDE, el objetivo energético y la forma en la que se alcanza este objetivo son diferentes. En el marco local, el algoritmo de GDE sólo usa información local. Este no tiene en cuenta a otros consumidores o a la curva de consumo agregado de la red eléctrica. Aunque esta afirmación pueda diferir de la definición general de GDE, esta vuelve a tomar sentido en instalaciones locales equipadas con Recursos Energéticos Distribuidos (REDs). En este caso, la GDE está enfocada en la maximización del uso de la energía local, reduciéndose la dependencia con la red. El algoritmo de GDE propuesto mejora significativamente el auto-consumo del generador FV local. Experimentos simulados y reales muestran que el auto-consumo es una importante estrategia de gestión energética, reduciendo el transporte de electricidad y alentando al usuario a controlar su comportamiento energético. Sin embargo, a pesar de todas las ventajas del aumento de auto-consumo, éstas no contribuyen al suavizado del consumo agregado. Se han estudiado los efectos de las instalaciones locales en la red eléctrica cuando el algoritmo de GDE está enfocado en el aumento del auto-consumo. Este enfoque puede tener efectos no deseados, incrementando la variabilidad en el consumo agregado en vez de reducirlo. Este efecto se produce porque el algoritmo de GDE sólo considera variables locales en el marco local. Los resultados sugieren que se requiere una coordinación entre las instalaciones. A través de esta coordinación, el consumo debe ser modificado teniendo en cuenta otros elementos de la red y buscando el suavizado del consumo agregado. En el marco de la red, el algoritmo de GDE tiene en cuenta tanto información local como de la red eléctrica. En esta Tesis se ha desarrollado un algoritmo autoorganizado para controlar el consumo de la red eléctrica de manera distribuida. El objetivo de este algoritmo es el suavizado del consumo agregado, como en las implementaciones clásicas de GDE. El enfoque distribuido significa que la GDE se realiza desde el lado de los consumidores sin seguir órdenes directas emitidas por una entidad central. Por lo tanto, esta Tesis propone una estructura de gestión paralela en lugar de una jerárquica como en las redes eléctricas clásicas. Esto implica que se requiere un mecanismo de coordinación entre instalaciones. Esta Tesis pretende minimizar la cantidad de información necesaria para esta coordinación. Para lograr este objetivo, se han utilizado dos técnicas de coordinación colectiva: osciladores acoplados e inteligencia de enjambre. La combinación de estas técnicas para llevar a cabo la coordinación de un sistema con las características de la red eléctrica es en sí mismo un enfoque novedoso. Por lo tanto, este objetivo de coordinación no es sólo una contribución en el campo de la gestión energética, sino también en el campo de los sistemas colectivos. Los resultados muestran que el algoritmo de GDE propuesto reduce la diferencia entre máximos y mínimos de la red eléctrica en proporción a la cantidad de energía controlada por el algoritmo. Por lo tanto, conforme mayor es la cantidad de energía controlada por el algoritmo, mayor es la mejora de eficiencia en la red eléctrica. Además de las ventajas resultantes del suavizado del consumo agregado, otras ventajas surgen de la solución distribuida seguida en esta Tesis. Estas ventajas se resumen en las siguientes características del algoritmo de GDE propuesto: • Robustez: en un sistema centralizado, un fallo o rotura del nodo central provoca un mal funcionamiento de todo el sistema. La gestión de una red desde un punto de vista distribuido implica que no existe un nodo de control central. Un fallo en cualquier instalación no afecta el funcionamiento global de la red. • Privacidad de datos: el uso de una topología distribuida causa de que no hay un nodo central con información sensible de todos los consumidores. Esta Tesis va más allá y el algoritmo propuesto de GDE no utiliza información específica acerca de los comportamientos de los consumidores, siendo la coordinación entre las instalaciones completamente anónimos. • Escalabilidad: el algoritmo propuesto de GDE opera con cualquier número de instalaciones. Esto implica que se permite la incorporación de nuevas instalaciones sin afectar a su funcionamiento. • Bajo coste: el algoritmo de GDE propuesto se adapta a las redes actuales sin requisitos topológicos. Además, todas las instalaciones calculan su propia gestión con un bajo requerimiento computacional. Por lo tanto, no se requiere un nodo central con un alto poder de cómputo. • Rápido despliegue: las características de escalabilidad y bajo coste de los algoritmos de GDE propuestos permiten una implementación rápida. No se requiere una planificación compleja para el despliegue de este sistema. ABSTRACT This Thesis addresses the efficiency problems of the electrical grids from the consumption point of view. In particular, such efficiency is improved by means of the aggregated consumption smoothing. This objective of consumption smoothing entails two major improvements in the use of electrical grids: i) in the short term, a better use of the existing infrastructure and ii) in long term, the reduction of the required infrastructure to supply the same energy needs. In addition, this Thesis faces a new energy paradigm, where the presence of distributed generation is widespread over the electrical grids, in particular, the Photovoltaic (PV) generation. This kind of energy source affects to the operation of the grid by increasing its variability. This implies that a high penetration rate of photovoltaic electricity is pernicious for the electrical grid stability. This Thesis seeks to smooth the aggregated consumption considering this energy source. Therefore, not only the efficiency of the electrical grid is improved, but also the penetration of photovoltaic electricity into the grid can be increased. This proposal brings great benefits in the economic, social and environmental fields. The actions that influence the way that consumers use electricity in order to achieve energy savings or higher efficiency in energy use are called Demand-Side Management (DSM). This Thesis proposes two different DSM algorithms to meet the aggregated consumption smoothing objective. The difference between both DSM algorithms lie in the framework in which they take place: the local framework and the grid framework. Depending on the DSM framework, the energy goal and the procedure to reach this goal are different. In the local framework, the DSM algorithm only uses local information. It does not take into account other consumers or the aggregated consumption of the electrical grid. Although this statement may differ from the general definition of DSM, it makes sense in local facilities equipped with Distributed Energy Resources (DERs). In this case, the DSM is focused on the maximization of the local energy use, reducing the grid dependence. The proposed DSM algorithm significantly improves the self-consumption of the local PV generator. Simulated and real experiments show that self-consumption serves as an important energy management strategy, reducing the electricity transport and encouraging the user to control his energy behavior. However, despite all the advantages of the self-consumption increase, they do not contribute to the smooth of the aggregated consumption. The effects of the local facilities on the electrical grid are studied when the DSM algorithm is focused on self-consumption maximization. This approach may have undesirable effects, increasing the variability in the aggregated consumption instead of reducing it. This effect occurs because the algorithm only considers local variables in the local framework. The results suggest that coordination between these facilities is required. Through this coordination, the consumption should be modified by taking into account other elements of the grid and seeking for an aggregated consumption smoothing. In the grid framework, the DSM algorithm takes into account both local and grid information. This Thesis develops a self-organized algorithm to manage the consumption of an electrical grid in a distributed way. The goal of this algorithm is the aggregated consumption smoothing, as the classical DSM implementations. The distributed approach means that the DSM is performed from the consumers side without following direct commands issued by a central entity. Therefore, this Thesis proposes a parallel management structure rather than a hierarchical one as in the classical electrical grids. This implies that a coordination mechanism between facilities is required. This Thesis seeks for minimizing the amount of information necessary for this coordination. To achieve this objective, two collective coordination techniques have been used: coupled oscillators and swarm intelligence. The combination of these techniques to perform the coordination of a system with the characteristics of the electric grid is itself a novel approach. Therefore, this coordination objective is not only a contribution in the energy management field, but in the collective systems too. Results show that the proposed DSM algorithm reduces the difference between the maximums and minimums of the electrical grid proportionally to the amount of energy controlled by the system. Thus, the greater the amount of energy controlled by the algorithm, the greater the improvement of the efficiency of the electrical grid. In addition to the advantages resulting from the smoothing of the aggregated consumption, other advantages arise from the distributed approach followed in this Thesis. These advantages are summarized in the following features of the proposed DSM algorithm: • Robustness: in a centralized system, a failure or breakage of the central node causes a malfunction of the whole system. The management of a grid from a distributed point of view implies that there is not a central control node. A failure in any facility does not affect the overall operation of the grid. • Data privacy: the use of a distributed topology causes that there is not a central node with sensitive information of all consumers. This Thesis goes a step further and the proposed DSM algorithm does not use specific information about the consumer behaviors, being the coordination between facilities completely anonymous. • Scalability: the proposed DSM algorithm operates with any number of facilities. This implies that it allows the incorporation of new facilities without affecting its operation. • Low cost: the proposed DSM algorithm adapts to the current grids without any topological requirements. In addition, every facility calculates its own management with low computational requirements. Thus, a central computational node with a high computational power is not required. • Quick deployment: the scalability and low cost features of the proposed DSM algorithms allow a quick deployment. A complex schedule of the deployment of this system is not required.

Simulation of an Integrated Gasification Combined Cycle with Chemical-Looping Combustion and CO2 sequestration

Chemical-looping combustion allows an integration of CO2 capture in a thermal power plant without energy penalty; secondly, a less exergy destruction in the combustion chemical transformation is achieved, leading to a greater overall thermal efficiency. This paper focus on the study of the energetic performance of this concept of combustion in an integrated gasification combined cycle power plant when synthesis gas is used as fuel for the gas turbines. After thermodynamic modelling and optimization of some cycle parameters, the power plant performance is evaluated under diverse working conditions and compared to a conventional integrated gasification combined cycle with precombustion capture. Energy savings in CO2 capture and storage has been quantified. The overall efficiency increase is found to be significant and even notable, reaching values of around 7%. In order to analyze the influence of syngas composition on the results, different H2-content fuels are considered.

Thermal shields for heat loss reduction in Siemens-type CVD reactors

The use of thermal shields to reduce radiation heat loss in Siemens-type CVD reactors is analyzed, both theoretically and experimentally. The potential savings from the use of the thermal shields is first explored using a radiation heat model that takes emissivity variations with wavelength into account, which is important for materials that do not behave as grey bodies. The theoretical calculations confirm that materials with lower surface emissivity lead to higher radiation savings. Assuming that radiation heat loss is responsible for around 50% of the total power consumption, a reduction of 32.9% and 15.5% is obtained if thermal shields with constant emissivities of 0.3 and 0.7 are considered, respectively. Experiments considering different thermal shields are conducted in a laboratory CVD reactor, confirming that the real materials do not behave as grey bodies, and proving that significant energy savings in the polysilicon deposition process are obtained. Using silicon as a thermal shield leads to energy savings of between 26.5-28.5%. For wavelength-dependent emissivities, the model shows that there are significant differences in radiation heat loss, of around 25%, when compared to that of constant emissivity. The results of the model highlight the importance of having reliable data on the emissivities within the relevant range of wavelengths, and at deposition temperatures, which remains a pending issue.

Análisis y reducción del riesgo de explosión por incendio en los almacenes de pirotecnia

Un incendio en el interior de un almacén de pirotecnia puede provocar la iniciación más o menos simultánea de los artículos existentes en su interior, con su consecuente onda de choque potenciada por la presión de los propios gases generados en su interior. La finalidad de esta tesis doctoral consiste en analizar los fenómenos que se desarrollan como consecuencia de un incendio interior en los almacenes de pirotecnia y establecer posibles medidas eficaces de prevención y protección con objeto de reducir el riesgo de explosión.. Inicialmente se llevó a cabo un análisis del riesgo de explosión, evaluando las consecuencias en caso de producirse un fuego interior. Los resultados fueron catastróficos. Finalmente, y con objeto de minimizar la posibilidad de producirse un incendio en el interior de un almacén, se evaluaron diferentes sistemas de detección y extinción automática de incendios para almacenes pirotécnicos, realizándose pruebas a escala real. En particular, la presente tesis consta de los siguientes trabajos: 1) Evaluación de la sobrepresión generada por la explosión de artificios pirotécnicos en el interior de almacenes, mediante pruebas de explosión de artículos pirotécnicos, con el fin de evaluar las posibles consecuencias en caso de materializarse una explosión, y disponer de información que permita conocer el grado de resistencia de las estructuras de los almacenes, así como el diseño adecuado de las mismas para soportar los efectos de tales explosiones. 2) Evaluación del efecto de un incendio en el interior de un almacén de pirotecnia mediante pruebas a escala real, con el fin de evaluar la posibilidad de la iniciación simultánea de los artículos pirotécnicos almacenados en su interior, y su consecuente explosión, así como las consecuencias en caso de materializarse la explosión. 3) Análisis de sistemas de detección y extinción automática de incendios para almacenes de pirotecnia, mediante la realización de pruebas a escala real para verificar la eficiencia y eficacia de tales sistemas y agentes para sofocar un incendio pirotécnico de forma tal que se evite la posible explosión asociada. 4) Evaluación de nuevos agentes extintores utilizados en los sistemas de extinción automática de incendios, que actualmente se están utilizando en el sector pirotécnico nacional, mediante la realización de pruebas a escala real. Los resultados obtenidos han permitido al Ministerio de Industria, Energía y Turismo actualizar la reglamentación vigente aplicable (Instrucción Técnica Complementaria número 17 del Reglamento de artículos pirotécnicos y cartuchería, aprobado por el Real Decreto 563/2010, de 7 de mayo). ABSTRACT A fire inside a pyrotechnics magazine can cause the more or less simultaneous initiation of the stored articles, with the wave of shock that is produced promoted by the pressure of the gases generated in its interior. The purpose of this PhD thesis is to analyze the phenomena that develop as a result of a fire inside the pyrotechnics stores and establish possible effective prevention and protection measures to reduce the risk of explosionAn analysis of the risk of explosion and fire consequences in a pyrotechnic magazine, testing to real scale, was initially carried out. The results were catastrophic. Finally, and in order to minimize the possibility of a fire inside a pyrotechnic magazine, different systems of detection and automatic extinction of fires in pyrotechnic magazines were evaluated, testing to real scale. Particularly, this thesis has the following parts: 1) Evaluation of the pressure generated by the pyrotechnic explosion in a magazine, with explosión tests of pyrotechnic articles, in order to evaluate the possible consequences in case of materialize an explosion, and provide information to know the resistance grade of the magazine structures, as well as the right design of those to withstand the effects of such explosions. 2) Evaluation of the effect of a fire inside a pyrotechnic magazine by full-scale tests, in order to evaluate the possibility of simultaneous initiation of the pyrotechnic articles stored inside, and the resulting explosion, as well as the consequences in case of materialize an explosion. 3) Analysis and evaluation of detection and automatic fire extinguishing in pyrotechnic magazines, by full-scale tests in order to verify the efficiency and effectiveness of such systems and agents to quell a pyrotechnic fire and avoid the posible mass explosion. 4) Evaluation of new extinguishing agent used in automatic fire extinguishers, which are currently being used in the national fireworks industry, by full-scale tests. The results obtained have allowed the Ministry of Industry, Energy and Tourism, update the current regulation (Complementary Technical Instruction 17 of the Regulation of Pyrotecnic Articles and Ammunition, approved by the Royal Decree 563/2010, of May 7).

Aplicación de los documentos reconocidos de evaluación de la demanda y certificación energética en España, para el diseño y análisis de tejidos urbanos : el caso de la intervención en barrios partiendo de criterios acústicos

El presente trabajo, trata del ahorro de energía en la edificación y en el urbanismo. Las premisas en este caso, son un contexto normativo europeo y nacional muy exigentes y encaminados de manera decidida hacia edificios cada vez más eficientes y económicos. Se centra el estudio en las decisiones iniciales que se adoptan sobre las condiciones de ocupación de la parcela urbana, las tipologías edificatorias más adecuadas, su morfología y escala y las consecuencias que tienen para el comportamiento energético final, tanto en términos objetivos como normativos. Se trata de cuantificar que suponen estas decisiones en términos de ahorro energético. Todo el análisis se realiza para un contexto climático concreto, el de la ciudad de Madrid. Para los análisis de las diferentes condiciones de implantación objeto del estudio, se han empleado unas herramientas informáticas singulares. Se trata de los programas de evaluación de la demanda y certificación energética de edificios, que el gobierno español pone a disposición de los usuarios de manera gratuita. Estas, son aplicaciones pensadas para la escala del edificio y/o parte de él, pero que con la metodología y simplificaciones que en el trabajo se detallan, pueden ser empleadas en la escala media de intervención urbana, tanto en nueva implantación como en rehabilitación. Hay que tener en cuenta que son estas aplicaciones las que se utilizarán en la mayoría de los casos como instrumento de evaluación y calificación del comportamiento energético de cada una de las unidades. Las tipologías objeto del estudio son: - Vivienda unifamiliar: aislada, pareada y adosada en hilera. - Bloque abierto - Bloque en H - Bloque en cruz - Torre - Manzana cerrada El contenido principal del trabajo se centra en el análisis individual de cada tipología y de su agrupación teórica sobre lo que podíamos llamar "unidad urbana", una manzana tipo de 10.000 m2, 1 ha. Se opta por esta unidad por tratarse de una superficie urbana lo suficientemente amplia para caracterizar la agrupación de las diferentes tipologías estudiadas y por adaptarse a las capacidades de las herramientas informáticas que se han utilizado. Se han analizado diferentes opciones tipológicas de ocupación, manteniendo constantes en todas las soluciones estudiadas, los siguientes parámetros: • el clima (Madrid), • la edificabilidad (en todas menos una en la que el modelo no permite alcanzar la edificabilidad de referencia), • la pureza formal del modelo, evitando los juegos compositivos de retranqueos y salientes de la envolvente que distorsionen el comportamiento de la volumetría primaria, • las soluciones constructivas de la envolvente y particiones interiores de los edificios, • las proporciones de huecos en la envolvente, • las soluciones de sus carpinterías y vidrios • y todas las condiciones operacionales que aplica el programa de simulación. Esta tesis, es un estudio analítico y evaluado, del comportamiento de cada uno de los tipos, su forma y posicionamiento en el espacio. Cada uno de los modelos se simula de manera individual y agrupados, con el fin de conseguir colmatar la edificabilidad de referencia sobre la parcela urbana de 1 ha. Todos los resultados se estudian de forma independiente y los resultados se expresan en diferentes tablas y un resumen en fichas individuales por tipos. La conclusión principal del trabajo es que la tipología elegida como contenedor residencial urbano determina en su elección acertada la primera medida de ahorro energético y reducción de emisiones cuantificables en más del 50% entre las tipologías más favorables y las más desfavorables. Una segunda parte del trabajo de investigación, consiste en la aplicación de esta metodología de simulación y empleando las mismas herramientas, en el estudio de casos reales en la comunidad de Madrid (principalmente en la ciudad de Madrid). El objetivo es validar el procedimiento y dichas herramientas, también para el caso de evaluación de tejidos urbanos consolidados. Como caso singular de estudio de rehabilitación urbana, se analizan las intervenciones de rehabilitación partiendo de criterios acústicos y las oportunidades que plantearía la inclusión de criterios térmicos aprovechando la sinergia entre ambas demandas, la de confort acústico y térmico. ABSTRACT This PhD work is about saving energy in buildings and urban planning. The premises in this case are a very demanding European and national policy, aimed decisively towards efficient and economic buildings. The study focuses on the initial decisions taken on the conditions of occupation of urban land, the most suitable building types, their morphology and scale and the implications for the final energy performance, always considering policy objectives. This essay tries to quantify how important this decisions are in energy savings terms. All analysis are performed for a particular climatic context, the city of Madrid. For the analysis of different implantation conditions under study, we have used a unique software tool. This software, a free tool available online, quantifies demand assessment and energy certification of buildings. It is designed for building scale and / or part of it. With the methodology and simplifications detailed in this paper, the software can be used in medium scale urban intervention. There are different types under study such as, isolated house, semi-detached, terraces row, open block, h block, cross block, tower, etc. The main content of the work focuses on the individual analysis of each type and its theoretical group, named urban unit group. This unit is chosen because it is an urban area large enough to characterize the grouping of the different types studied. It is also possible to simulate with the software tools. Different options of typological occupation have been analyzed taking in consideration the next parameters: climate, floor area, model formal purity, building envelope solutions and interior partitions of buildings, the proportions of voids in the facades. This thesis is an analytical and evaluated study of the behavior of each types, form and position in space. Each of the models is simulated individually and grouped, in order to get the reference buildable urban plot of 1 ha. All results are studied independently and the results are expressed in different tables and a summary in individual files by type. The main conclusion of the study is that the type chosen as urban residential container you choose determines the first step in successful energy savings and quantifiable reduction of emissions by more than 50% in the most favorable and the most unfavorable types. A second part of the research, is the application of this methodology and simulation using the same tools in the study of real cases in the community of Madrid (mainly in the city of Madrid). The aim is to validate the procedure and such tools, also for the case of evaluation of consolidated urban fabric. As a unique case study of urban renewal, rehabilitation interventions based on acoustic criteria and opportunities arise thermal criteria including leveraging the synergy between the two demands, acoustic and thermal comfort are analyzed.

Almacenamiento de energía térmica por calor latente en los edificios: bases para la optimización de aplicaciones pasivas, opacas y traslúcidas

La principal motivación para la elección del tema de la tesis es nuestra realidad energética y ambiental. Y más específicamente, la necesidad urgente de dar una respuesta a esta realidad desde el sector de la edificación. Por lo que, el trabajo parte de la búsqueda de soluciones pasivas que ayuden a la reducción del consumo energético y de las emisiones de C02 de los edificios, tanto nuevos como existentes. El objeto de estudio son aplicaciones innovadoras, basadas en el uso de materiales reactivos, con un efecto térmico de memoria bidireccional. La energía es un elemento imprescindible para el desarrollo. Sin embargo, el modelo energético predominante, basado principalmente en la utilización de combustibles de origen fósil, es uno de los importantes responsables del deterioro ambiental que sufre el planeta. Además, sus reservas son limitadas y están concentradas en unas pocas regiones del mundo, lo que genera problemas de dependencia, competitividad y de seguridad de suministro. Dado el gran potencial de ahorro energético del sector de la edificación, la Unión Europea en sus directivas enfatiza la necesidad de mejorar la eficiencia energética de los edificios. Añadiendo, además, la obligatoriedad de desarrollar edificios “energía casi nula”, cuyo prerrequisito es tener un muy alto rendimiento energético. En España, los edificios son responsables del 31% del consumo de energía primaria. La mayor parte de este consumo se relaciona a la utilización de sistemas activos de acondicionamiento. Una medida efectiva para reducir la demanda es mejorar la envolvente. Sin embargo, hay que buscar estrategias adicionales para aumentar aún más la eficiencia de los edificios nuevos y existentes. Para los climas de España, el uso de la inercia térmica ha probado ser una estrategia válida. Sin embargo, su funcionamiento está vinculado al peso y al volumen de los materiales utilizados. Esto limita sus posibilidades en la rehabilitación energética y en los nuevos edificios basados en la construcción ligera. Una alternativa es el uso de aplicaciones de almacenamiento térmico por calor latente, utilizando materiales de cambio de fase (PCM). Los PCM son sustancias con un muy alto calor de fusión, capaces de almacenar una gran cantidad de energía térmica sin requerir aumentos significativos de peso o volumen. Estas características los hacen idóneos para reducir el consumo relacionado con el acondicionamiento térmico, en edificios nuevos y existentes. En la parte preliminar de la investigación, se encontró que para lograr un aprovechamiento óptimo de las aplicaciones con PCM es necesario tener un conocimiento profundo de su funcionamiento y de las variables del sistema. De ahí que el objetivo principal de la presente tesis sea: establecer las bases para la optimizatión integral de las aplicaciones con almacenamiento de energía térmica por calor latente, identificando y validando sus variables más relevantes. La investigación consta de tres partes. La primera, documental, sistematizando y jerarquizando la información científica publicada; la segunda, numérica, basada en un análisis paramétrico de una aplicación con PCM, utilizando simulaciones térmicas; y la tercera, experimental, monitorizando el funcionamiento térmico y energético de diferentes aplicaciones con PCM en módulos a escala real. Los resultados brindan un más profundo entendimiento del funcionamiento de las aplicaciones evaluadas. Han permitido identificar sus variables relevantes, cuantificar su influencia, y determinar condiciones óptimas para su utilización así como situaciones en las que sería muy difícil justificar su uso. En el proceso, se realizó la caracterización térmica y energética de aplicaciones con PCM, tanto opacas como traslúcidas. Además, se ha encontrado que las aplicaciones con PCM son capaces de aumentar la eficiencia energética inclusive en recintos con diseños optimizados, demostrando ser una de las estrategias adecuadas para lograr el muy alto desempeño energético requerido en los edificios energía nula. ABSTRACT The main motivation for choosing the theme of the thesis is our energy and environmental reality. And more specifically, the urgent need to respond to this reality from the building sector. This is why, the work start with the search of passive solutions that help reduce energy consumption and C02 emissions of buildings, in both new and existing ones. The object of study is innovative applications based on the use of responsive materials, with bidirectional thermal memory. Energy is an essential element for development. However, the predominant energy model, based primarily on the use of fossil fuels, is one of the major responsible for the environmental deterioration of the planet, the cause of most of the CO2 emissions. Furthermore, reserves of fossil fuels are limited and are concentrated in a few regions of the world, which creates issues related to dependency, competitiveness, and security of supply. Given the large potential for energy savings in the building sector, the European Union in its directives emphasizes the need to improve energy efficiency in buildings. Also, adding the obligation to develop "nearly zero energy" buildings, whose first prerequisite is to achieve a very high energy efficiency. In Spain, buildings are responsible for 31% of primary energy consumption and most of this consumption is related to the used of HVAC systems. One of the most effective measures to reduce demand is to improve the envelope. However, it is necessary to look for additional strategies to further increase the efficiency of new and existing buildings. For the predominant climates in Spain, use of the thermal inertia may be a valid strategy. Nevertheless, its operation is linked to weight and volume of the materials used. This limits their possibilities in the existing buildings energy retrofitting and in the new buildings based on lightweight construction. An alternative is the use of latent heat thermal energy storage applications (LHTES), using phase change materials (PCM). PCM are substances with a high heat of fusion, capable of storing a large amount of thermal energy without requiring significant increases in weight or volume. These features make them ideal for reducing energy consumption associated with thermal conditioning in both new and existing buildings. In the preliminary part of the investigation, it was found that to get optimum utilization of the PCM applications is needed to have a deep understanding of its operation and, in particular, how the system variables affect its performance. Hence, the main objective of this thesis is: to establish the basis for the integral optimization of applications with latent heat thermal energy storage, identifying and validating the most relevant variables. The research comprises of three parts. The first, documentary, systematizing and prioritizing published scientific information. The second, numeric, based on a parametric analysis of an application PCM using thermal simulations. The third, experimental, monitoring the thermal and energy performance of different applications with PCM on real scale test cells. The results provide a complete understanding of the functioning of the evaluated LHTES application. They have allowed to identify their relevant variables, quantify their influence and determine optimum conditions for use as well as situations where it would be very difficult to justify its use. In the process, it was carried out the power and thermal characterization of various opaque and translucent PCM applications. Furthermore, it has been found that applications with PCM can increase the energy efficiency, even in buildings with optimized designs; proving to be one of the appropriate measures to achieve the high energy performance required in zero energy buildings.

Comportamiento térmico y mecánico del yeso con adiciones de aerogel de sílice granulado

La presente tesis doctoral aborda el estudio de un nuevo material mineral, compuesto principalmente por una matriz de yeso (proveniente de un conglomerante industrial basado en sulfato de calcio multifase) y partículas de aerogel de sílice hidrófugo mesoporoso, compatibilizadas mediante un surfactante polimérico, debido a su alto carácter hidrófugo. La investigación se centra en conocer los factores que influyen en las propiedades mecánicas y conductividad térmica del material compuesto generado. Este estudio pretende contribuir al conocimiento sobre el desarrollo de nuevos morteros de elevado aislamiento térmico que puedan ser utilizados en la rehabilitación energética de edificios de viviendas existentes, debido a que estos representan gran parte del consumo energético del parque de viviendas de España, aunque también a nivel internacional. De los materiales utilizados para desarrollar los morteros estudiados, el yeso, además de ser un material muy abundante, especialmente en España, requiere una menor cantidad de energía para la fabricación de un conglomerante (debido a una menor temperatura de fabricación), en comparación con el cemento o la cal, por lo que presenta una menor huella de carbono que estos últimos. Por otro lado, el aerogel de sílice hidrófugo mesoporoso es, de acuerdo con la documentación disponible, el material que posee actualmente la mayor capacidad de aislamiento térmico en el mercado. El desarrollo de nuevos morteros minerales con una capacidad de aislamiento térmico mayor que los materiales aislantes utilizados tradicionalmente, tiene una aplicación relevante en los casos de rehabilitación energética de edificios históricos y patrimoniales, en los que se requiere la aplicación del aislamiento por el interior de la fachada, ya que este tipo de soluciones tienen el inconveniente de reducir el espacio habitable de las áreas involucradas, especialmente en zonas climáticas en las que el aislamiento térmico puede suponer un espesor considerable, por lo que es ideal utilizar materiales de altas prestaciones de aislamiento térmico capaces de aportar el mismo nivel de aislamiento (o incluso mayor), pero en un espesor considerablemente menor. La investigación se desarrolla en tres etapas: bibliográfica, experimental y de simulación. La primera etapa, parte del estudio de la bibliografía existente, relacionada con materiales aislantes, incluyendo soluciones basadas, tanto en morteros aislantes, como en paneles de aislamiento térmico. La segunda, de carácter experimental, se centra en estudiar la influencia de la microestrucrura y macroestructura, del nuevo material mineral, en las propiedades físicas elementales, mecánicas y conductividad térmica del compuesto. La tercera etapa, mediante una simulación del consumo energético, consiste en cuantificar teóricamente el potencial ahorro energético que puede aportar este material en un caso de rehabilitación energética en particular. La investigación experimental se centró principalmente en conocer los factores principales que influyen en las propiedades mecánicas y conductividad térmica de los materiales compuestos minerales desarrollados en esta tesis. Para ello, se llevó a cabo una caracterización de los materiales de estudio, así como el desarrollo de distintas muestras de ensayo, de tal forma que se pudo estudiar, tanto la hidratación del yeso en los compuestos, como su posterior microestructura y macroestructura, aspectos fundamentales para el entendimiento de las propiedades mecánicas y conductividad térmica del compuesto aislante. De este modo, se pudieron conocer y cuantificar, los factores que influyen en las propiedades estudiadas, aportando una base de conocimiento y entendimiento de este tipo de compuestos minerales con aerogel de sílice hidrófugo, no existiendo estudios publicados hasta el momento de finalización de esta tesis, con la aproximación al material propuesta en este estudio, ni con yeso (basado en sulfato de calcio multifase), ni con otro tipo de conglomerantes. Particularmente, se determinó la influencia que tiene la incorporación de partículas de aerogel de sílice hidrófugo, en grandes proporciones en volumen, en un compuesto mineral basado en distintas fases de sulfato de calcio. No obstante, para llevar a cabo las mezclas, fue necesario utilizar un surfactante para compatibilizar este tipo de partículas, con el conglomerante basado en agua. El uso de este tipo de aditivos tiene una influencia, no solo en el aerogel, sino en las propiedades del compuesto en general, dependiendo de su concentración, por lo que se establecieron dos porcentajes de adición: la primera, determinada a partir de la cantidad mínima necesaria para compatibilizar las mezclas (0,1% del agua de amasado), y la segunda, como límite superior, la concentración utilizada habitualmente a nivel industrial para estabilizar burbujas de aire en hormigones espumados (5%). El surfactante utilizado mostró la capacidad de modificar la superficie del aerogel, cambiando el comportamiento de las partículas frente al agua, permitiendo una invasión parcial de su estructura porosa, por parte del agua de amasado. Este comportamiento supone un aumento muy importante en la relación agua/yeso, afectando el hábito cristalino e influenciando negativamente las propiedades mecánicas de la matriz de yeso, presentando un efecto aún notable a mayor concentración de surfactante (5%). En cuanto a las propiedades finales alcanzadas, fue posible lograr un compuesto mineral ultraligero (200 kg/m3), con alrededor de un 60% de aerogel en volumen y de alta capacidad aislante (0,028 W/m•K), presentando una conductividad térmica notablemente menor que los morteros aislantes del mercado, e incluso también menor que la de los aislantes tradicionales basado en las lanas minerales o EPS; no obstante, con la limitante de presentar bajas propiedades mecánicas, condicionando su posible aplicación futura. Entre los factores principales relacionados con las propiedades mecánicas, se encontró que estas dependen exponencialmente del volumen de yeso en el compuesto; no obstante, factores de segundo orden, como el grado de hidratación, o una mejor distribución del conglomerante entre las partículas de aerogel, debido al aumento de la superficie específica del polvo mineral, pueden aumentar las propiedades mecánicas entre el doble y el triple, dependiendo del volumen de aerogel en cuestión. Además, se encontró que el aerogel, en conjunto con el surfactante, es capaz de introducir una gran cantidad de aire (0,70 m3 por cada m3 de aerogel), que unido al agua evaporada (no consumida por el conglomerante durante la hidratación), el volumen de aire total alcanza, generalmente, un 40%, independientemente de la cantidad de aerogel en la mezcla. De este modo, el aire introducido en la matriz desplaza las proporciones en volumen del aerogel y del yeso, disminuyendo, tanto las propiedades mecánicas, como la capacidad aislante de compuesto mineral. Por otro lado, la conductividad térmica mostró tener una dependencia directa de la contribución de las tres fases principales en el compuesto: yeso, aerogel y aire ocluido. De este modo, se pudo desarrollar un modelo matemático, adaptado de uno existente, capaz de calcular, con bastante precisión, la relación de los tres componentes mencionados, en la conductividad térmica de los compuestos, para el rango de volúmenes y materiales utilizados en esta tesis. Finalmente, la simulación del consumo energético realizada a una vivienda típica de España, de los años 1900 a 1959 (basada en muros de ladrillo macizo), para las zonas climáticas estudiadas (A, D y E), permitió observar el potencial ahorro energético que puede aportar este material, dependiendo de su espesor, como aislamiento interior de los muros de fachada. Particularmente, para la zona A, se determinó un espesor óptimo de 1 cm, mientras que para la zona D y E, 3,5 y 3,9 cm respectivamente. En este sentido, el nuevo material estudiado es capaz de disminuir, entre un 35% y un 80%, el espesor de la capa aislante, en comparación con paneles de lana de roca o los morteros minerales de mayor capacidad aislante del mercado español respectivamente. ABSTRACT The present doctoral thesis studies a new mineral-based composite material, composed by a gypsum matrix (based on an industrial multiphase gypsum binder) and mesoporous hydrophobic silica aerogel particles, compatibilized with a polymeric surfactant due to the high hydrophobic character of the insulating particles. This study pretends to contribute to the development of new composite insulating materials that could be used in energy renovation of existing dwellings, in order to reduce their high energy consumption, as they represent a great part of the total energy consumed in Spain, but also internationally. Between the materials used to develop de studied insulating mortars, gypsum, besides being an abundant material, especially in Spain, requires less energy for the manufacture of a mineral binder (due to lower manufacturing temperatures), compared to lime or cement, thus presenting lower carbon footprint. In other hand, the hydrophobic mesoporous silica aerogel, is, according to the existing references, the material with the highest know insulating capacity in the market. The development of new mineral mortars with higher thermal insulation capacity than traditional insulating materials, presents a relevant application in energy retrofitting of historic and cultural heritage buildings, in which implies that the insulating material should be installed as an internal layer, rather than as an external insulating system. This type of solution involves a reduced internal useful area, especially in climatic zones where the demand for thermal insulation is higher, and so the insulating layer thickness, being idealistic to use materials with very high insulating properties, in order to reach same insulating level (or higher), but in lower thickness than the provided by traditional insulating materials. This research is developed in three main stages: bibliographic, experimental and simulation. The first stage starts by studying the existing references regarding thermally insulating materials, including existing insulating mortars and insulating panels. The second stage, mainly experimental, is centered in the study of the the influence of the microstructure and macrostructure in the physical and mechanical properties, and also in the thermal conductivity of the new mineral-based material. The thirds stage, through energy simulation, consists in theoretically quantifying the energy savings potential that can provide this type of insulating material, in a particular energy retrofitting case study. The experimental research is mainly focused in the study of the factors that influence the mechanical properties and the thermal conductivity of the thermal insulating mineral composites developed in this thesis. For this, the characterization of the studied materials has been performed, as well as the development of several experimental samples, in order to study the hydration of the mineral binder within the composites, but also the final microstructure and macrostructure, fundamental aspects for the understanding of the composite’s mechanical and insulating properties. Thus, is was possible to determine and quantify the factors that influence the studied material properties, providing a knowledge base and understanding of mineral composites that comprises mesoporous hydrophobic silica aerogel particles, being the first study up to date regarding the specific approach of the present study, regarding not just multiphase calcium sulfate plaster, but also other mineral binders. Particularly, the influence of the incorporation of hydrophobic silica aerogel particles, in high volume ratios into a mineral compound, based on different phases of calcium sulfate has been determined. However, to perform mixing, it is necessary to use a surfactant in order to compatibilize these particles with the water-based mineral binder. The use of such additives has an influence, not only in the aerogel, but the overall properties of the compound, so two different surfactant concentration has been studied: the first, the minimum amount of surfactant (used in this thesis) in order to develop the slurries (0.1% concentration of the mixing water), and the second, as the upper limit, the concentration usually used industrially to stabilize air bubbles in foamed concrete (5%). One of the side effects of using such additive, was the modification of the aerogel particles, by changing their behavior in respect to water, generating a partial invasion of the aerogel’s porous structure, by the mixing water. This behavior produces a very important increase in water/binder ratios, affecting the crystal habit and negatively influencing the mechanical properties of the gypsum matrix. This effect further increased when a higher concentration of surfactant (5%) is used. Regarding final materials properties, it was possible to achieve an ultra-lightweight mineral composite (200 kg/m3), with around 60% by volume of aerogel, presenting a very high insulating capacity (0.028 W/m•K), a noticeable lower thermal conductivity compared to the insulating mortars and traditional thermal insulating panels on the market, such as mineral wool or EPS; however, the limiting factor for future’s material application in buildings, is related to the very low mechanical properties achieved. Among the main factors related to the mechanical properties, it has been found an exponential correlation to the volume of gypsum in the composite. However, second-order factors such as the degree of hydration, or a better distribution of the binder between the aerogel particles, due to the increased surface area of the mineral powder, can increase the mechanical properties between two to three times, depending aerogel volume involved. In addition, it was found that the aerogel, together with the surfactant, is able to entrain a large amount of air volume (around 0.70 m3 per m3 of aerogel), which together with the evaporated water (not consumed by the binder during hydration), can reach generally around 40% of entrained air within the gypsum matrix, regardless of the amount of aerogel in the mixture. Thus, the entrained air into the matrix displaces the volume proportions of the aerogel and gypsum, reducing both mechanical and insulating properties of the mineral composite. On the other hand, it has been observed a direct contribution of three main phases into the thermal conductivity of the composite: gypsum, aerogel and entrained air. Thus, it was possible to develop a mathematical model (adapted from an existing one), capable of calculating quite accurate the thermal conductivity of such mineral composites, from the ratio these three components and for the range of volumes and materials used in this thesis. Finally, the energy simulation performed to a typical Spanish dwelling, from the years 1900 to 1959 (mainly constructed with massive clay bricks), within three climatic zones of Spain (A, D and E), showed the energy savings potential that can provide this type of insulating material, depending on the thickness of the applied layer. Particularly, for the climatic A zone, it has been found an optimal layer thickness of 1 cm, while for zone D and E, 3.5 and 3.9 cm respectively. In this manner, the new studied materials is capable of decreasing the thickness of the insulating layer by 35% and 80%, compared with rock wool panels or mineral mortars with the highest insulating performance of the Spanish market respectively.