Method of Detecting System Function by Measuring Frequency Response

Methods of rapidly measuring an impedance spectrum of an energy storage device in-situ over a limited number of logarithmically distributed frequencies are described. An energy storage device is excited with a known input signal, and aresponse is measured to ascertain the impedance spectrum. An excitation signal is a limited time duration sum-of-sines consisting of a select number offrequencies. In one embodiment, magnitude and phase of each frequency ofinterest within the sum-of-sines is identified when the selected frequencies and sample rate are logarithmic integer steps greater than two. This technique requires a measurement with a duration of one period of the lowest frequency. In another embodiment, where selected frequencies are distributed in octave steps, the impedance spectrum can be determined using a captured time record that is reduced to a half-period of the lowest frequency.

Vascular turbine powering a cardiac pacemaker: an in-vivo case study

Background: Today’s medical devices are powered by batteries with a limited energy storage capacity. Depleted batteries have to be replaced, exposing the patients to the risk of adverse events. Thus, a method for harvesting energy inside the body is desirable since it would allow building devices without batteries. Methods: A miniaturized intravascular Tesla turbine was implanted as an arteriovenous shunt between the common carotid artery and external jugular vein of a pig. The harvested energy was used to power a custom-built temporary cardiac pacemaker. Results: At a flow rate of ~150 ml/min, an output power of 0.4 mW was measured. Successful ventricular pacing was performed. Conclusion: Harvesting energy from the circulation using an intravascular turbine is technically feasible and provides enough energy to power a cardiac pacemaker.

Layer-by-layer grown scalable redox-active ruthenium-based molecular multilayer thin films for electrochemical applications and beyond

Here we report the first study on the electrochemical energy storage application of a surface-immobilized ruthenium complex multilayer thin film with anion storage capability. We employed a novel dinuclear ruthenium complex with tetrapodal anchoring groups to build well-ordered redox-active multilayer coatings on an indium tin oxide (ITO) surface using a layer-by-layer self-assembly process. Cyclic voltammetry (CV), UV-Visible (UV-Vis) and Raman spectroscopy showed a linear increase of peak current, absorbance and Raman intensities, respectively with the number of layers. These results indicate the formation of well-ordered multilayers of the ruthenium complex on ITO, which is further supported by the X-ray photoelectron spectroscopy analysis. The thickness of the layers can be controlled with nanometer precision. In particular, the thickest layer studied (65 molecular layers and approx. 120 nm thick) demonstrated fast electrochemical oxidation/reduction, indicating a very low attenuation of the charge transfer within the multilayer. In situ-UV-Vis and resonance Raman spectroscopy results demonstrated the reversible electrochromic/redox behavior of the ruthenium complex multilayered films on ITO with respect to the electrode potential, which is an ideal prerequisite for e.g. smart electrochemical energy storage applications. Galvanostatic charge–discharge experiments demonstrated a pseudocapacitor behavior of the multilayer film with a good specific capacitance of 92.2 F g−1 at a current density of 10 μA cm−2 and an excellent cycling stability. As demonstrated in our prototypical experiments, the fine control of physicochemical properties at nanometer scale, relatively good stability of layers under ambient conditions makes the multilayer coatings of this type an excellent material for e.g. electrochemical energy storage, as interlayers in inverted bulk heterojunction solar cell applications and as functional components in molecular electronics applications.

Heat fluxes and surface radiation measurements from Samoylov Island, Lena Delta, Siberia, April to September 2007

In this article, we present a study on the surface energy balance of a polygonal tundra landscape in northeast Siberia. The study was performed during half-year periods from April to September in each of 2007 and 2008. The surface energy balance is obtained from independent measurements of the net radiation, the turbulent heat fluxes, and the ground heat flux at several sites. Short-wave radiation is the dominant factor controlling the magnitude of all the other components of the surface energy balance during the entire observation period. About 50% of the available net radiation is consumed by the latent heat flux, while the sensible and the ground heat flux are each around 20 to 30%. The ground heat flux is mainly consumed by active layer thawing. About 60% of the energy storage in the ground is attributed to the phase change of soil water. The remainder is used for soil warming down to a depth of 15 m. In particular, the controlling factors for the surface energy partitioning are snow cover, cloud cover, and the temperature gradient in the soil. The thin snow cover melts within a few days, during which the equivalent of about 20% of the snow-water evaporates or sublimates. Surface temperature differences of the heterogeneous landscape indicate spatial variabilities of sensible and latent heat fluxes, which are verified by measurements. However, spatial differences in the partitioning between sensible and latent heat flux are only measured during conditions of high radiative forcing, which only occur occasionally.

Combined effects of low pH and low oxygen on the early-life stages of the barnacle Balanus amphitrite

Ocean acidification (OA) is anticipated to interact with the more frequently occurring hypoxic conditions in shallow coastal environments. These could exert extreme stress on the barnacle-dominated fouling communities. However, the interactive effect of these two emerging stressors on early-life stages of fouling organisms remains poorly studied. We investigated both the independent and interactive effect of low pH (7.6 vs. ambient 8.2) and low oxygen (LO; 3 mg/l vs. ambient 5 mg/l) from larval development through settlement (attachment and metamorphosis) and juvenile growth of the widespread fouling barnacle, Balanus amphitrite. In particular, we focused on the critical transition between planktonic and benthic phases to examine potential limiting factors (i.e. larval energy storage and the ability to perceive cues) that may restrain barnacle recruitment under the interactive stressors. LO significantly slowed naupliar development, while the interaction with low pH (LO-LP) seemed to alleviate the negative effect. However, 20-50% of the larvae became cyprid within 4 d post-hatching, regardless of treatment. Under the two stressors interaction (LO-LP), the barnacle larvae increased their feeding rate, which may explain why their energy reserves at competency were not different from any other treatment. In the absence of a settlement-inducing cue, a significantly lower percentage of cyprids (15% lower) settled in LO and LO-LP. The presence of an inducing cue, however, elevated attachment up to 50-70% equally across all treatments. Post-metamorphic growth was not altered, although the condition index was different between LO and LO-LP treatments, potentially indicating that less and/or weaker calcified structures were developed when the two stressors were experienced simultaneously. LO was the major driver for the responses observed and its interaction with low pH should be considered in future studies to avoid underestimating the sensitivity of biofouling species to OA and associated climate change stressors.

Estudio de un sistema de almacenamiento de energía eólica por medio de baterias

El objetivo de este trabajo consiste en evaluar los beneficios de la utilización de sistemas de almacenamiento de energía para incrementar el valor de un parque eólico. Debido a la naturaleza aleatoria inherente a la producción eléctrica de origen eólico, su integración en red plantea importantes problemas que suponen un reto tecnológico cada vez mayor a medida que la penetración de la energía eólica en el mix de generación aumenta. A su vez, las aplicaciones de los sistemas de almacenamiento de energía representan la oportunidad de mitigar los efectos indeseables de la producción eléctrica eólica. Los conocimientos adquiridos a lo largo de este proyecto se aplicarán para determinar qué sistema de almacenamiento de energía es óptimo para implantar en el parque eólico objeto del estudio, así como para cuantificar los beneficios derivados de la hibridación. ABSTRACT The aim of this work consist of assess the benefits of the use of energy storage systems for wind farm value enhacement. Due to the random nature inherent to wind electric generation, its grid integration carry important issues that represent a technology challenge that increases as wind generation penetration within energy mix increases as well. At the same time, energy storage systems applications represent an opportunity to mitigate the undesirable effects of wind generation. The knowledge gained throughout this project will be applied to determine which energy storage system is ideally suited for implementation within the wind farm under study, as well as quantify the benefits of hybridization.

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.

Multiple Input-Output Bidirectional Solid State Transformer Based on a Series Resonant Converter

Las fuentes de alimentación de modo conmutado (SMPS en sus siglas en inglés) se utilizan ampliamente en una gran variedad de aplicaciones. La tarea más difícil para los diseñadores de SMPS consiste en lograr simultáneamente la operación del convertidor con alto rendimiento y alta densidad de energía. El tamaño y el peso de un convertidor de potencia está dominado por los componentes pasivos, ya que estos elementos son normalmente más grandes y más pesados que otros elementos en el circuito. Para una potencia de salida dada, la cantidad de energía almacenada en el convertidor que ha de ser entregada a la carga en cada ciclo de conmutación, es inversamente proporcional a la frecuencia de conmutación del convertidor. Por lo tanto, el aumento de la frecuencia de conmutación se considera un medio para lograr soluciones más compactas con los niveles de densidad de potencia más altos. La importancia de investigar en el rango de alta frecuencia de conmutación radica en todos los beneficios que se pueden lograr: además de la reducción en el tamaño de los componentes pasivos, el aumento de la frecuencia de conmutación puede mejorar significativamente prestaciones dinámicas de convertidores de potencia. Almacenamiento de energía pequeña y el período de conmutación corto conducen a una respuesta transitoria del convertidor más rápida en presencia de las variaciones de la tensión de entrada o de la carga. Las limitaciones más importantes del incremento de la frecuencia de conmutación se relacionan con mayores pérdidas del núcleo magnético convencional, así como las pérdidas de los devanados debido a los efectos pelicular y proximidad. También, un problema potencial es el aumento de los efectos de los elementos parásitos de los componentes magnéticos - inductancia de dispersión y la capacidad entre los devanados - que causan pérdidas adicionales debido a las corrientes no deseadas. Otro factor limitante supone el incremento de las pérdidas de conmutación y el aumento de la influencia de los elementos parásitos (pistas de circuitos impresos, interconexiones y empaquetado) en el comportamiento del circuito. El uso de topologías resonantes puede abordar estos problemas mediante el uso de las técnicas de conmutaciones suaves para reducir las pérdidas de conmutación incorporando los parásitos en los elementos del circuito. Sin embargo, las mejoras de rendimiento se reducen significativamente debido a las corrientes circulantes cuando el convertidor opera fuera de las condiciones de funcionamiento nominales. A medida que la tensión de entrada o la carga cambian las corrientes circulantes incrementan en comparación con aquellos en condiciones de funcionamiento nominales. Se pueden obtener muchos beneficios potenciales de la operación de convertidores resonantes a más alta frecuencia si se emplean en aplicaciones con condiciones de tensión de entrada favorables como las que se encuentran en las arquitecturas de potencia distribuidas. La regulación de la carga y en particular la regulación de la tensión de entrada reducen tanto la densidad de potencia del convertidor como el rendimiento. Debido a la relativamente constante tensión de bus que se encuentra en arquitecturas de potencia distribuidas los convertidores resonantes son adecuados para el uso en convertidores de tipo bus (transformadores cc/cc de estado sólido). En el mercado ya están disponibles productos comerciales de transformadores cc/cc de dos puertos que tienen muy alta densidad de potencia y alto rendimiento se basan en convertidor resonante serie que opera justo en la frecuencia de resonancia y en el orden de los megahercios. Sin embargo, las mejoras futuras en el rendimiento de las arquitecturas de potencia se esperan que vengan del uso de dos o más buses de distribución de baja tensión en vez de una sola. Teniendo eso en cuenta, el objetivo principal de esta tesis es aplicar el concepto del convertidor resonante serie que funciona en su punto óptimo en un nuevo transformador cc/cc bidireccional de puertos múltiples para atender las necesidades futuras de las arquitecturas de potencia. El nuevo transformador cc/cc bidireccional de puertos múltiples se basa en la topología de convertidor resonante serie y reduce a sólo uno el número de componentes magnéticos. Conmutaciones suaves de los interruptores hacen que sea posible la operación en las altas frecuencias de conmutación para alcanzar altas densidades de potencia. Los problemas posibles con respecto a inductancias parásitas se eliminan, ya que se absorben en los Resumen elementos del circuito. El convertidor se caracteriza con una muy buena regulación de la carga propia y cruzada debido a sus pequeñas impedancias de salida intrínsecas. El transformador cc/cc de puertos múltiples opera a una frecuencia de conmutación fija y sin regulación de la tensión de entrada. En esta tesis se analiza de forma teórica y en profundidad el funcionamiento y el diseño de la topología y del transformador, modelándolos en detalle para poder optimizar su diseño. Los resultados experimentales obtenidos se corresponden con gran exactitud a aquellos proporcionados por los modelos. El efecto de los elementos parásitos son críticos y afectan a diferentes aspectos del convertidor, regulación de la tensión de salida, pérdidas de conducción, regulación cruzada, etc. También se obtienen los criterios de diseño para seleccionar los valores de los condensadores de resonancia para lograr diferentes objetivos de diseño, tales como pérdidas de conducción mínimas, la eliminación de la regulación cruzada o conmutación en apagado con corriente cero en plena carga de todos los puentes secundarios. Las conmutaciones en encendido con tensión cero en todos los interruptores se consiguen ajustando el entrehierro para obtener una inductancia magnetizante finita en el transformador. Se propone, además, un cambio en los señales de disparo para conseguir que la operación con conmutaciones en apagado con corriente cero de todos los puentes secundarios sea independiente de la variación de la carga y de las tolerancias de los condensadores resonantes. La viabilidad de la topología propuesta se verifica a través una extensa tarea de simulación y el trabajo experimental. La optimización del diseño del transformador de alta frecuencia también se aborda en este trabajo, ya que es el componente más voluminoso en el convertidor. El impacto de de la duración del tiempo muerto y el tamaño del entrehierro en el rendimiento del convertidor se analizan en un ejemplo de diseño de transformador cc/cc de tres puertos y cientos de vatios de potencia. En la parte final de esta investigación se considera la implementación y el análisis de las prestaciones de un transformador cc/cc de cuatro puertos para una aplicación de muy baja tensión y de decenas de vatios de potencia, y sin requisitos de aislamiento. Abstract Recently, switch mode power supplies (SMPS) have been used in a great variety of applications. The most challenging issue for designers of SMPS is to achieve simultaneously high efficiency operation at high power density. The size and weight of a power converter is dominated by the passive components since these elements are normally larger and heavier than other elements in the circuit. If the output power is constant, the stored amount of energy in the converter which is to be delivered to the load in each switching cycle is inversely proportional to the converter’s switching frequency. Therefore, increasing the switching frequency is considered a mean to achieve more compact solutions at higher power density levels. The importance of investigation in high switching frequency range comes from all the benefits that can be achieved. Besides the reduction in size of passive components, increasing switching frequency can significantly improve dynamic performances of power converters. Small energy storage and short switching period lead to faster transient response of the converter against the input voltage and load variations. The most important limitations for pushing up the switching frequency are related to increased conventional magnetic core loss as well as the winding loss due to the skin and proximity effect. A potential problem is also increased magnetic parasitics – leakage inductance and capacitance between the windings – that cause additional loss due to unwanted currents. Higher switching loss and the increased influence of printed circuit boards, interconnections and packaging on circuit behavior is another limiting factor. Resonant power conversion can address these problems by using soft switching techniques to reduce switching loss incorporating the parasitics into the circuit elements. However the performance gains are significantly reduced due to the circulating currents when the converter operates out of the nominal operating conditions. As the input voltage or the load change the circulating currents become higher comparing to those ones at nominal operating conditions. Multiple Input-Output Many potential gains from operating resonant converters at higher switching frequency can be obtained if they are employed in applications with favorable input voltage conditions such as those found in distributed power architectures. Load and particularly input voltage regulation reduce a converter’s power density and efficiency. Due to a relatively constant bus voltage in distributed power architectures the resonant converters are suitable for bus voltage conversion (dc/dc or solid state transformation). Unregulated two port dc/dc transformer products achieving very high power density and efficiency figures are based on series resonant converter operating just at the resonant frequency and operating in the megahertz range are already available in the market. However, further efficiency improvements of power architectures are expected to come from using two or more separate low voltage distribution buses instead of a single one. The principal objective of this dissertation is to implement the concept of the series resonant converter operating at its optimum point into a novel bidirectional multiple port dc/dc transformer to address the future needs of power architectures. The new multiple port dc/dc transformer is based on a series resonant converter topology and reduces to only one the number of magnetic components. Soft switching commutations make possible high switching frequencies to be adopted and high power densities to be achieved. Possible problems regarding stray inductances are eliminated since they are absorbed into the circuit elements. The converter features very good inherent load and cross regulation due to the small output impedances. The proposed multiple port dc/dc transformer operates at fixed switching frequency without line regulation. Extensive theoretical analysis of the topology and modeling in details are provided in order to compare with the experimental results. The relationships that show how the output voltage regulation and conduction losses are affected by the circuit parasitics are derived. The methods to select the resonant capacitor values to achieve different design goals such as minimum conduction losses, elimination of cross regulation or ZCS operation at full load of all the secondary side bridges are discussed. ZVS turn-on of all the switches is achieved by relying on the finite magnetizing inductance of the Abstract transformer. A change of the driving pattern is proposed to achieve ZCS operation of all the secondary side bridges independent on load variations or resonant capacitor tolerances. The feasibility of the proposed topology is verified through extensive simulation and experimental work. The optimization of the high frequency transformer design is also addressed in this work since it is the most bulky component in the converter. The impact of dead time interval and the gap size on the overall converter efficiency is analyzed on the design example of the three port dc/dc transformer of several hundreds of watts of the output power for high voltage applications. The final part of this research considers the implementation and performance analysis of the four port dc/dc transformer in a low voltage application of tens of watts of the output power and without isolation requirements.

Medida de la conductividad térmica con el método de la aguja térmica, basado en la fuente lineal de calor transitorio, para su aplicación en los cerramientos de adobes y bloques de tierra comprimida

Existe un creciente interés internacional por el ahorro energético y la sostenibilidad en la edificación con importantes repercusiones en la Arquitectura. La inercia térmica es un parámetro fundamental para poder valorar energéticamente un edificio en condiciones reales. Para ello es necesario cambiar el enfoque tradicional de transmisión de calor en régimen estacionario por otro en régimen dinámico en el que se analizan las ondas térmicas y el flujo de calor oscilante que atraviesan los cerramientos. Los parámetros que definen la inercia térmica son: el espesor, la difusividad y el ciclo térmico. A su vez la difusividad está determinada por la conductividad térmica, la densidad y el calor específico del material. De estos parámetros la conductividad es el más complejo, variable y difícil de medir, especialmente en los cerramientos de tierra debido a su heterogeneidad y complejidad higrotérmica. En general, los métodos de medida de la conductividad o transmitancias en los paramentos presentan inconvenientes a la hora de medir un edificio construido con tierra: dificultades de implementación, el elevado coste o la fiabilidad de los resultados, principalmente. El Método de la Aguja Térmica (MAT) se basa en el principio de la evolución en el tiempo del calor emitido por una fuente lineal al insertarse en el seno de un material. Se ha escogido este método porque resulta práctico, de bajo coste y de fácil aplicación a gran escala pero tiene serios problemas de fiabilidad y exactitud. En esta tesis se desarrolla un método de medida de la conductividad térmica para Piezas de Albañilería de Tierra Cruda en laboratorio basado en el MAT, se mejora su fiabilidad, se analiza su incertidumbre, se compara con otros métodos de referencia y se aplica en adobes, Bloques de Tierra Comprimida y probetas de tierra estabilizada con distintas proporciones de paja. Este método servirá de base a una posterior aplicación in situ. Finalmente se proponen modelos matemáticos para mejorar la exactitud del dispositivo utilizado y para la estimación de la conductividad de cerramientos de tierra en función de su densidad. Con los resultados obtenidos se analizan las posibilidades de amortiguación y retardo de las ondas térmicas y capacidad de almacenaje de energía de los cerramientos en función de su densidad y humedad. There is growing international interest in energy saving and sustainability in buildings with significant impact on Architecture. Thermal inertia is a key parameter to assess energy in buildings in real conditions. This requires changing the traditional approach to heat transfer in steady state by another in dynamic regime which analyzes the thermal waves and oscillating heat flux passing through the external walls. The parameters defining the thermal inertia are: the thickness, the diffusivity and the thermal cycle. In turn, the diffusivity is determined by the thermal conductivity, density and specific heat of the material. Of these parameters, thermal conductivity is the most complex, variable and difficult to measure, especially in earth walls due to their heterogeneity and hygrothermal complexity. In general, the methods of measurement of conductivity and transmittance in walls have drawbacks when measuring a building with earth: implementation difficulties, high cost, or reliability of the results, mainly. The Thermal Needle Procedure (TNP) is based on the principle of evolution in time of heat from a line source when inserted within a material. This method was chosen because it is a practical, low cost and easy to implement on a large scale but has serious problems of reliability and accuracy. This thesis develops a laboratory method for measuring the thermal conductivity of Masonry Units Unfire Earth-based based on TNP, its uncertainty is analyzed, compared to other reference methods and applies in adobes, Compressed Earth Blocks and stabilized soil specimens with different proportions of straw. This method will form the basis of a subsequent application in situ. Finally, mathematical models are proposed to improve the accuracy of the device used, and to estimate the conductivity of earth enclosures depending on its density. With the results obtained earth enclosures are analyzed to estimate their possibilities of delay and buffer of termal waves and energy storage capacity according to their density and moisture.

An open-source simulation tool of grid-connected PV systems.

This paper will present an open-source simulation tool, which is being developed in the frame of an European research project1. The tool, whose final version will be freely available through a website, allows the modelling and the design of different types of grid-connected PV systems, such as large grid-connected plants and building-integrated installations. The tool is based on previous software developed by the IES-UPM2, whose models and energy losses scenarios have been validated in the commissioning of PV projects3 carried out in Spain, Portugal, France and Italy, whose aggregated capacity is nearly 300MW. This link between design and commissioning is one of the key points of tool presented here, which is not usually addressed by present commercial software. The tool provides, among other simulation results, the energy yield, the analysis and breakdown of energy losses, and the estimations of financial returns adapted to the legal and financial frameworks of each European country. Besides, educational facilities will be developed and integrated in the tool, not only devoted to learn how to use this software, but also to train the users on the best design PV systems practices. The tool will also include the recommendation of several PV community experts, which have been invited to identify present necessities in the field of PV systems simulation. For example, the possibility of using meteorological forecasts as input data, or modelling the integration of large energy storage systems, such as vanadium redox or lithium-ion batteries. Finally, it is worth mentioning that during the verification and testing stages of this software development, it will be also open to the suggestions received from the different actors of the PV community, such as promoters, installers, consultants, etc.

El papel de la hidroelectricidad en el contexto de las energías renovables en España

En el artículo se discute el papel de la energía hidroeléctrica en el marco del sistema eléctrico español, donde existe una elevada penetración de energías no gestionables con una tendencia clara a aumentar en los próximos años. El desarrollo de nuevas centrales hidroeléctricas se basará probablemente en centrales reversibles. La energía hidroeléctrica es una tecnología madura y eficiente para el almacenamiento de energía a gran escala y contribuye por tanto de manera decisiva a la integración de fuentes renovables no gestionables. Los beneficios obtenidos con la operación punta-valle pueden ser insuficientes para compensar el coste de una nueva central. Sin embargo, los ingresos obtenidos pueden incrementarse sustancialmente mediante su participación en los servicios de ajuste del sistema. Ello requeriría un diseño apropiado del mercado eléctrico. La contribución de las centrales hidráulicas reversibles al balance producción-consumo puede extenderse a las horas valle utilizando, bien bombeo en velocidad variable o bien una configuración de cortocircuito hidráulico. La necesidad de mitigar los efectos hidrológicos aguas abajo de las centrales hidroeléctricas puede introducir algunas restricciones en la operación que limitaría de algún modo los servicios descritos más arriba. Sin embargo, cabe esperar que los efectos ambientales provocados por las centrales hidráulicas reversibles sean significativamente menores. In this paper the role of hydropower in electric power systems is discussed, in the framework of the Spanish system, where a high penetration of intermittent power sources exists, showing a clear trend to increase in next years. The development of new hydro power facilities will be likely based on pumped storage hydro power plants. Hydropower is a mature and efficient technology for large-scale energy storage and therefore represents a key contribution for the integration of intermittent power sources, such as wind or photovoltaic. The benefits obtained from load shifting may be insufficient to compensate the costs of a new plant. However, the obtained revenues can significantly increase through its contribution to providing ancillary services. This would require an appropriate design of the electricity market. The contribution of pumped storage hydro power plants to balancing services can be extended to off-peak hours, using either variable speed pumping or the hydraulic shortcircuit configuration. The need to mitigate hydrological effects downstream of hydro plants may introduce some operational constraints which could limit to some extent the services described above. However environmental effects caused by pumped storage hydro power plants are expected to be significantly smaller.

Transformer-coupled converter for voltage modulation techniques

In high performance digital systems as well as in RF systems, voltage scaling and modulation techniques have been adopted to achieve a more efficient processing of the energy. The implementation of such techniques relies on a power supply that is capable of rapidly adjusting the system supply voltage. In this paper, a pulsewidth modulation multiphase topology with magnetic coupling is proposed for its use in voltage modulation techniques. Since the magnetic coupling in this topology is done with transformers instead of coupled inductors, the energy storage is reduced and very fast voltage changes are achieved. Advantages and drawbacks of this topology have been previously presented in the literature and in this paper, the design criteria for implementing a power supply for the envelope elimination and restoration technique in an RF system are presented along with an implementation of the power supply.

Evaluación de la tecnología CAES como sistema de almacenamiento de energía eólica. Caso de estudio en España

Se presenta a continuación un modelo de una planta del almacenamiento de energía mediante aire comprimido siguiendo un proceso adiabático. En esta planta la energía eólica sobrante se usa para comprimir aire mediante un tren de compresión de 25 MW, el aire comprimido será después almacenado en una caverna de sal a 770 metros de profundidad. La compresión se llevará a cabo por la noche, durante 6 horas, debido a los bajos precios de electricidad. Cuando los precios de la electricidad suben durante el día, el aire comprimido es extraído de la caverna de sal y es utilizado para producir energía en un tren de expansión de 70 MW durante 3 horas. La localización elegida para la planta es el norte de Burgos (Castilla y León, España), debido a la coincidencia de la existencia de muchos parques eólicos y una formación con las propiedades necesarias para el almacenamiento. El aspecto más importante de este proyecto es la utilización de un almacenamiento térmico que permitirá aprovechar el calor de la compresión para calentar el aire a la entrada de la expansión, eliminando combustibles fósiles del sistema. Por consiguiente, este proyecto es una atractiva solución en un posible futuro con emisiones de carbono restringidas, cuando la integración de energía renovable en la red eléctrica supone un reto importante. ABSTRACT: A model of an adiabatic compressed air energy storage plant is presented. In this plant surplus wind energy is used to compress air by means of a 25 MW compression train, the compressed air will be later stored in a salt cavern at 770 meters depth. Compression is carried out at night time, during 6 hours, because power prices are lower. When power prices go up during the day, the compressed air is withdrawn from the salt cavern and is used to produce energy in an expansion train of 70 MW during 3 hours. The chosen location for the plant is in the north of Burgos (Castilla y León, Spain), due to both the existence of several wind farms and a suitable storage facility with good properties at the same place. The relevance of this project is that it is provided with a thermal storage, which allows using the generated heat in the compression for re-heating the air before the expansion, eliminating fossil fuels from the system. Hence, this system is an attractive load balancing solution in a possibly carbon-constrained future, where the integration of renewable energy sources into the electric grid is a major challenge.

Optimización de la densidad de energía en vigas de material compuesto (PRF) sometidas a flexión pura

Las necesidades energéticas actuales requieren el desarrollo de tecnologías eficaces y eficientes en producción, transporte y distribución de energía. Estas necesidades han impulsado nuevos desarrollos en el ámbito energético, entre los cuales se encuentran sistemas de almacenamiento de energía. El avance en ingeniería de materiales permite pensar en la posibilidad de almacenamiento mediante deformación elástica de vigas. Concretamente se parte de un concepto de mecanismo acumulador de energía basado en la deformación elástica de resortes espirales a torsión. Dichos resortes se pueden considerar como elementos vigas sometidos a flexión pura y grandes deflexiones. Esta Tesis de centra en el diseño y optimización de estos elementos con el fin de maximizar la densidad de energía que son capaces de absorber. El proceso de optimización comienza con la identificación del factor crítico del que depende dicho proceso, en este caso de trata de la densidad de energía. Dicho factor depende de la geometría de la sección resistente y del material empleado en su construcción. En los últimos años ha existido un gran desarrollo de los materiales compuestos de tipo polimérico reforzados con fibras (PRF). Estos materiales están sustituyendo gradualmente a otros materiales, como los metales, debido principalmente a su excelente relación entre propiedades mecánicas y peso. Por otro lado, analizando las posibles geometrías para la sección resistente, se observó que la más adecuada es una estructura tipo sándwich. Se implementa así un procedimiento de diseño de vigas sándwich sometidas a flexión pura, con las pieles fabricadas en materiales compuestos tipo PRF y un núcleo que debe garantizar el bajo peso de la estructura. Se desarrolla así un procedimiento sistemático que se puede particularizar dependiendo de los parámetros de entrada de la viga, y que tiene en cuenta y analiza la aparición de todos los posibles modos de fallo posibles. Así mismo se desarrollan una serie de mapas o ábacos de diseño que permiten seleccionar rápidamente las dimensiones preliminares de la viga. Finalmente se llevan a cabo ensayos que permiten, por un lado, validar el concepto del mecanismo acumulador de energía a través del ensayo de un muelle con sección monolítica, y por otro validar los distintos diseños de vigas sándwich propuestos y mostrar el incremento de la densidad de energía con respecto a la alternativa monolítica. Como líneas futuras de investigación se plantean la investigación en nuevos materiales, como la utilización de nanotubos de carbono, y la optimización del mecanismo de absorción de energía; optimizando el mecanismo de absorción a flexión pura e implementando sistemas que permitan acumular energía mediante la deformación elástica debida a esfuerzos de tracción-compresión. ABSTRACT Energy supply requires the development of effective and efficient technologies for the production, transport and distribution of energy. In recent years, many energy storage systems have been developed. Advances in the field of materials engineering has allowed the development of new concepts as the energy storage by elastic deformation of beams. Particularly, in this Thesis an energy storage device based on the elastic deformation of torsional springs has been studied. These springs can be considered as beam elements subjected to pure bending loads and large deflections. This Thesis is focused on the design and optimization of these beam elements in order to maximize its density of stored energy. The optimization process starts with the identification of the critical factors for the elastic energy storage: the density. This factor depends on the geometry of the cross section of the beam and the materials from which it is made. In the last 20 years, major advances in the field of composite materials have been made, particularly in the field of fiber reinforced polymers (FRP). This type of material is substituting gradually metallic materials to their excellent weight-mechanical properties ratio. In the other side, several possible geometries are analyzed for its use in the cross section of the beam; it was concluded that the best option, for maximum energy density, is using a sandwich beam. A design procedure for sandwich beams with skins made up with FRP composites and a light weight core is developed. This procedure can be particularized for different input parameters and it analyzes all the possible failure modes. Abacus and failure mode maps have been developed in order to simplify the design process. Finally several tested was made. Firstly, a prototype of the energy storage system which uses a monolithic composite beam was tested in order to validate the concept of the energy storage by elastic deformation. After that sandwich beam samples are built and tested, validating the design and showing the increase of energy density with respect to the monolithic beam. As futures research lines the following are proposed: research in new materials, as carbon nanotubes; and the optimization of the energy storage mechanism, that means optimizing the pure bending storage mechanism and developing new ones based on traction-compression mechanisms.

Wireless communication enhancement methods for mobile robots in radiation environments

En entornos hostiles tales como aquellas instalaciones científicas donde la radiación ionizante es el principal peligro, el hecho de reducir las intervenciones humanas mediante el incremento de las operaciones robotizadas está siendo cada vez más de especial interés. CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, tiene alrededor de unos 50 km de superficie subterránea donde robots móviles controlador de forma remota podrían ayudar en su funcionamiento, por ejemplo, a la hora de llevar a cabo inspecciones remotas sobre radiación en los diferentes áreas destinados al efecto. No solo es preciso considerar que los robots deben ser capaces de recorrer largas distancias y operar durante largos periodos de tiempo, sino que deben saber desenvolverse en los correspondientes túneles subterráneos, tener en cuenta la presencia de campos electromagnéticos, radiación ionizante, etc. y finalmente, el hecho de que los robots no deben interrumpir el funcionamiento de los aceleradores. El hecho de disponer de un sistema de comunicaciones inalámbrico fiable y robusto es esencial para la correcta ejecución de las misiones que los robots deben afrontar y por supuesto, para evitar tales situaciones en las que es necesario la recuperación manual de los robots al agotarse su energía o al perder el enlace de comunicaciones. El objetivo de esta Tesis es proveer de las directrices y los medios necesarios para reducir el riesgo de fallo en la misión y maximizar las capacidades de los robots móviles inalámbricos los cuales disponen de almacenamiento finito de energía al trabajar en entornos peligrosos donde no se dispone de línea de vista directa. Para ello se proponen y muestran diferentes estrategias y métodos de comunicación inalámbrica. Teniendo esto en cuenta, se presentan a continuación los objetivos de investigación a seguir a lo largo de la Tesis: predecir la cobertura de comunicaciones antes y durante las misiones robotizadas; optimizar la capacidad de red inalámbrica de los robots móviles con respecto a su posición; y mejorar el rango operacional de esta clase de robots. Por su parte, las contribuciones a la Tesis se citan más abajo. El primer conjunto de contribuciones son métodos novedosos para predecir el consumo de energía y la autonomía en la comunicación antes y después de disponer de los robots en el entorno seleccionado. Esto es importante para proporcionar conciencia de la situación del robot y evitar fallos en la misión. El consumo de energía se predice usando una estrategia propuesta la cual usa modelos de consumo provenientes de diferentes componentes en un robot. La predicción para la cobertura de comunicaciones se desarrolla usando un nuevo filtro de RSS (Radio Signal Strength) y técnicas de estimación con la ayuda de Filtros de Kalman. El segundo conjunto de contribuciones son métodos para optimizar el rango de comunicaciones usando novedosas técnicas basadas en muestreo espacial que son robustas frente a ruidos de campos de detección y radio y que proporcionan redundancia. Se emplean métodos de diferencia central finitos para determinar los gradientes 2D RSS y se usa la movilidad del robot para optimizar el rango de comunicaciones y la capacidad de red. Este método también se valida con un caso de estudio centrado en la teleoperación háptica de robots móviles inalámbricos. La tercera contribución es un algoritmo robusto y estocástico descentralizado para la optimización de la posición al considerar múltiples robots autónomos usados principalmente para extender el rango de comunicaciones desde la estación de control al robot que está desarrollando la tarea. Todos los métodos y algoritmos propuestos se verifican y validan usando simulaciones y experimentos de campo con variedad de robots móviles disponibles en CERN. En resumen, esta Tesis ofrece métodos novedosos y demuestra su uso para: predecir RSS; optimizar la posición del robot; extender el rango de las comunicaciones inalámbricas; y mejorar las capacidades de red de los robots móviles inalámbricos para su uso en aplicaciones dentro de entornos peligrosos, que como ya se mencionó anteriormente, se destacan las instalaciones científicas con emisión de radiación ionizante. En otros términos, se ha desarrollado un conjunto de herramientas para mejorar, facilitar y hacer más seguras las misiones de los robots en entornos hostiles. Esta Tesis demuestra tanto en teoría como en práctica que los robots móviles pueden mejorar la calidad de las comunicaciones inalámbricas mediante la profundización en el estudio de su movilidad para optimizar dinámicamente sus posiciones y mantener conectividad incluso cuando no existe línea de vista. Los métodos desarrollados en la Tesis son especialmente adecuados para su fácil integración en robots móviles y pueden ser aplicados directamente en la capa de aplicación de la red inalámbrica. ABSTRACT In hostile environments such as in scientific facilities where ionising radiation is a dominant hazard, reducing human interventions by increasing robotic operations are desirable. CERN, the European Organization for Nuclear Research, has around 50 km of underground scientific facilities, where wireless mobile robots could help in the operation of the accelerator complex, e.g. in conducting remote inspections and radiation surveys in different areas. The main challenges to be considered here are not only that the robots should be able to go over long distances and operate for relatively long periods, but also the underground tunnel environment, the possible presence of electromagnetic fields, radiation effects, and the fact that the robots shall in no way interrupt the operation of the accelerators. Having a reliable and robust wireless communication system is essential for successful execution of such robotic missions and to avoid situations of manual recovery of the robots in the event that the robot runs out of energy or when the robot loses its communication link. The goal of this thesis is to provide means to reduce risk of mission failure and maximise mission capabilities of wireless mobile robots with finite energy storage capacity working in a radiation environment with non-line-of-sight (NLOS) communications by employing enhanced wireless communication methods. Towards this goal, the following research objectives are addressed in this thesis: predict the communication range before and during robotic missions; optimise and enhance wireless communication qualities of mobile robots by using robot mobility and employing multi-robot network. This thesis provides introductory information on the infrastructures where mobile robots will need to operate, the tasks to be carried out by mobile robots and the problems encountered in these environments. The reporting of research work carried out to improve wireless communication comprises an introduction to the relevant radio signal propagation theory and technology followed by explanation of the research in the following stages: An analysis of the wireless communication requirements for mobile robot for different tasks in a selection of CERN facilities; predictions of energy and communication autonomies (in terms of distance and time) to reduce risk of energy and communication related failures during missions; autonomous navigation of a mobile robot to find zone(s) of maximum radio signal strength to improve communication coverage area; and autonomous navigation of one or more mobile robots acting as mobile wireless relay (repeater) points in order to provide a tethered wireless connection to a teleoperated mobile robot carrying out inspection or radiation monitoring activities in a challenging radio environment. The specific contributions of this thesis are outlined below. The first sets of contributions are novel methods for predicting the energy autonomy and communication range(s) before and after deployment of the mobile robots in the intended environments. This is important in order to provide situational awareness and avoid mission failures. The energy consumption is predicted by using power consumption models of different components in a mobile robot. This energy prediction model will pave the way for choosing energy-efficient wireless communication strategies. The communication range prediction is performed using radio signal propagation models and applies radio signal strength (RSS) filtering and estimation techniques with the help of Kalman filters and Gaussian process models. The second set of contributions are methods to optimise the wireless communication qualities by using novel spatial sampling based techniques that are robust to sensing and radio field noises and provide redundancy features. Central finite difference (CFD) methods are employed to determine the 2-D RSS gradients and use robot mobility to optimise the communication quality and the network throughput. This method is also validated with a case study application involving superior haptic teleoperation of wireless mobile robots where an operator from a remote location can smoothly navigate a mobile robot in an environment with low-wireless signals. The third contribution is a robust stochastic position optimisation algorithm for multiple autonomous relay robots which are used for wireless tethering of radio signals and thereby to enhance the wireless communication qualities. All the proposed methods and algorithms are verified and validated using simulations and field experiments with a variety of mobile robots available at CERN. In summary, this thesis offers novel methods and demonstrates their use to predict energy autonomy and wireless communication range, optimise robots position to improve communication quality and enhance communication range and wireless network qualities of mobile robots for use in applications in hostile environmental characteristics such as scientific facilities emitting ionising radiations. In simpler terms, a set of tools are developed in this thesis for improving, easing and making safer robotic missions in hostile environments. This thesis validates both in theory and experiments that mobile robots can improve wireless communication quality by exploiting robots mobility to dynamically optimise their positions and maintain connectivity even when the (radio signal) environment possess non-line-of-sight characteristics. The methods developed in this thesis are well-suited for easier integration in mobile robots and can be applied directly at the application layer of the wireless network. The results of the proposed methods have outperformed other comparable state-of-the-art methods.