Ms. or. 42 - Evangelium Johannis

Vorbesitzer: Samuel Gobat; Eduard Rüppell

Targeting TRAF6 for Cancer Therapeutical Development

Tumor necrosis factor (TNF)-Receptor Associated Factors (TRAFs) are a family of signal transducer proteins. TRAF6 is a unique member of this family in that it is involved in not only the TNF superfamily, but the toll-like receptor (TLR)/IL-1R (TIR) superfamily. The formation of the complex consisting of Receptor Activator of Nuclear Factor κ B (RANK), with its ligand (RANKL) results in the recruitment of TRAF6, which activates NF-κB, JNK and MAP kinase pathways. TRAF6 is critical in signaling with leading to release of various growth factors in bone, and promotes osteoclastogenesis. TRAF6 has also been implicated as an oncogene in lung cancer and as a target in multiple myeloma. In the hopes of developing small molecule inhibitors of the TRAF6-RANK interaction, multiple steps were carried out. Computational prediction of hot spot residues on the protein-protein interaction of TRAF6 and RANK were examined. Three methods were used: Robetta, KFC2, and HotPoint, each of which uses a different methodology to determine if a residue is a hot spot. These hot spot predictions were considered the basis for resolving the binding site for in silico high-throughput screening using GOLD and the MyriaScreen database of drug/lead-like compounds. Computationally intensive molecular dynamics simulations highlighted the binding mechanism and TRAF6 structural changes upon hit binding. Compounds identified as hits were verified using a GST-pull down assay, comparing inhibition to a RANK decoy peptide. Since many drugs fail due to lack of efficacy and toxicity, predictive models for the evaluation of the LD50 and bioavailability of our TRAF6 hits, and these models can be used towards other drugs and small molecule therapeutics as well. Datasets of compounds and their corresponding bioavailability and LD50 values were curated based, and QSAR models were built using molecular descriptors of these compounds using the k-nearest neighbor (k-NN) method, and quality of these models were cross-validated.

Determinación de la rentabilidad de la recría de bovinos de carne en la provincia de Mendoza, Argentina

Se determinó la rentabilidad de la recría bovina en la provincia de Mendoza para distintos escenarios productivos y económicos, postulando la hipótesis que aquélla depende de la escala productiva y su interrelación con los escenarios contemplados. La información de base provino de entrevistas a emprendimientos y a referentes clave, y de publicaciones especializadas. Se estimaron la tasa interna de retorno (TIR) y el valor actual neto (VAN) para el análisis de los distintos escenarios productivos. La cantidad de animales año-1 para alcanzar una TIR mayor al 12% fue siempre menor en la recría con tierra alquilada que con tierra propia. La recría en la provincia de Mendoza sería factible desde el punto de vista técnico y económico. De los escenarios productivos considerados influyeron en grado de importancia decreciente sobre la cantidad de animales necesarios para alcanzar rentabilidad, el rango de peso vivo de ingreso - egreso de los animales; aumento de las inversiones y gastos operativos; precio de compra - venta de los animales y la ganancia diaria de peso vivo. Con los precios de la hacienda a marzo de 2010 la unidad económica en la recría sin usufructo de compensación sería 674 y 772 animales al año en tierra alquilada y propia, respectivamente.

La producción de leche orgánica en la región Puno : Una alternativa de desarrollo sostenible

El consumo de productos orgánicos viene creciendo en todo el mundo y la leche orgánica no es la excepción. En Puno, por sus características geográficas, culturales e históricas, la producción agropecuaria aún mantiene tecnologías de producción ancestrales, buscando el equilibrio con el medio ambiente, con un uso mínimo de fertilizantes y pesticidas, con lo que se muestra un enfoque en la sostenibilidad y una tendencia a producir orgánicamente. El objetivo de este trabajo fue determinar mediante una simulación la viabilidad económica y el riesgo de producir leche orgánica como una alternativa de desarrollo sostenible. Se consideró la producción por encima de los 3.000 metros de altura, área de 6,5 has, una vaca (criolla) por hectárea produciendo 10 litros de leche/día. Los indicadores económicos resultaron positivos: el VAN fue S/. 2.916,38, TIR 24, VAE S/. 866,33, ratio B/C S/. 1,48 (se aclaro en la metodología) y el período de recuperación de la inversión resultó de 5,88 años, evidenciando que la producción de leche orgánica es económicamente viable pero con riesgo elevado: la simulación de Monte Carlo mostró que existe 71,43 de probabilidad de no resultar viable

La producción de leche orgánica en la región Puno : Una alternativa de desarrollo sostenible

El consumo de productos orgánicos viene creciendo en todo el mundo y la leche orgánica no es la excepción. En Puno, por sus características geográficas, culturales e históricas, la producción agropecuaria aún mantiene tecnologías de producción ancestrales, buscando el equilibrio con el medio ambiente, con un uso mínimo de fertilizantes y pesticidas, con lo que se muestra un enfoque en la sostenibilidad y una tendencia a producir orgánicamente. El objetivo de este trabajo fue determinar mediante una simulación la viabilidad económica y el riesgo de producir leche orgánica como una alternativa de desarrollo sostenible. Se consideró la producción por encima de los 3.000 metros de altura, área de 6,5 has, una vaca (criolla) por hectárea produciendo 10 litros de leche/día. Los indicadores económicos resultaron positivos: el VAN fue S/. 2.916,38, TIR 24, VAE S/. 866,33, ratio B/C S/. 1,48 (se aclaro en la metodología) y el período de recuperación de la inversión resultó de 5,88 años, evidenciando que la producción de leche orgánica es económicamente viable pero con riesgo elevado: la simulación de Monte Carlo mostró que existe 71,43 de probabilidad de no resultar viable

La producción de leche orgánica en la región Puno : Una alternativa de desarrollo sostenible

El consumo de productos orgánicos viene creciendo en todo el mundo y la leche orgánica no es la excepción. En Puno, por sus características geográficas, culturales e históricas, la producción agropecuaria aún mantiene tecnologías de producción ancestrales, buscando el equilibrio con el medio ambiente, con un uso mínimo de fertilizantes y pesticidas, con lo que se muestra un enfoque en la sostenibilidad y una tendencia a producir orgánicamente. El objetivo de este trabajo fue determinar mediante una simulación la viabilidad económica y el riesgo de producir leche orgánica como una alternativa de desarrollo sostenible. Se consideró la producción por encima de los 3.000 metros de altura, área de 6,5 has, una vaca (criolla) por hectárea produciendo 10 litros de leche/día. Los indicadores económicos resultaron positivos: el VAN fue S/. 2.916,38, TIR 24, VAE S/. 866,33, ratio B/C S/. 1,48 (se aclaro en la metodología) y el período de recuperación de la inversión resultó de 5,88 años, evidenciando que la producción de leche orgánica es económicamente viable pero con riesgo elevado: la simulación de Monte Carlo mostró que existe 71,43 de probabilidad de no resultar viable

Global Fuelbed Dataset

This dataset presents the first global fuel map, containing all the parameters required to be input in the Fuel Characteristic Classification System (FCCS). The dataset was developed from different spatial variables, both based on satellite Earth observation products and fuel databases, and is comprised by a global fuelbed map and a database that includes the parameters of each fuelbed that affect fire behavior and effects. A total of 274 fuelbeds were created and parameterized, and can be input into FCCS to obtain fire potentials, surface fire behavior and carbon biomass for each fuelbed. The global fuel dataset can be used for a varied range of applications, including fire danger assessment, fire behavior estimations, fuel consumption calculations and emissions inventories.

Real-time reliability test for a CPV module based on a power degradation model

Models based on degradation are powerful and useful tools to evaluate the reliability of those devices in which failure happens because of degradation in the performance parameters. This paper presents a procedure for assessing the reliability of concentrator photovoltaic (CPV) modules operating outdoors in real-time conditions. With this model, the main reliability functions are predicted. This model has been applied to a real case with a module composed of GaAs single-junction solar cells and total internal reflection (TIR) optics

Design, manufacturing and measurements of a metal-less V-groove RXI collimator

A metal-less RXI collimator has been designed. Unlike to the conventional RXI collimators, whose back surface and central part of the front surface have to be metalized, this collimator does not include any mirrored surface. The back surface is designed as a grooved surface providing two TIR reflections for all rays impinging on it. The main advantage of the presented design is lower manufacturing cost since there is no need for the expensive process of metalization. Also, unlike to the conventional RXI collimators this design performs good colour mixing. The first prototype of V-groove RXI collimator has been made of PMMA by direct cutting using a five axis diamond turning machine. The experimental measurements of the first prototype are presented.

La cañada termosolar : Generación sustentable en Santiago del Estero

En este proyecto se desarrolla una de las soluciones propuestas del Proyecto PARA el Desarrollo Integral de Santiago del Estero (PARADISE). Se diseña una planta solar térmica de 150 MW como solución a largo plazo. Se calcula la mejor ubicación dentro de la provincia de Santiago del Estero para servir al conjunto de la capital. Se desarrolla el estudio económico de varias alternativas para obtener la potencia indicada. El criterio de elección se relaciona con los valores que obtenidos en los índices de referencia que se calculan, Pay-Back, VAN y TIR. La elección final no solo depende de los valores de los criterios económicos sino también de aquel proyecto que ofrece un buen balance con los aspectos técnicos. ABSTRACT The purpose of the following project is to develop one of the proposed solutions of the Project for the Integral Development of Santiago del Estero (PARADISE). It will be designed a solar thermal plant of 150 MW. The best location it is calculated inside the area of Santiago del Estero to serve the whole capital. There is an economic project of various alternatives to obtain the same indicated power. The selection it is related to the values obtained in the reference index calculated, Pay Back, Net Present Value (NPV), Internal Rate of Return (IRR). The final selection do not depend only on the values of the economic calculations but also the project which offers a good balance with the technical specifications.

1000x shadow-free mirror-based Köhler concentrator

A new design for a photovoltaic concentrator, the most recent advance based on the Kohler concept, is presented. The system is mirror-based, and with geometry that guaranties a maximum sunlight collection area (without shadows, like those caused by secondary stages or receivers and heat-sinks in other mirror-based systems). Designed for a concentration of 1000x, this off axis system combines both good acceptance angle and good irradiance uniformity on the solar cell. The advanced performance features (concentration-acceptance products ?CAP- about 0.73 and affordable peak and average irradiances) are achieved through the combination of four reflective folds combined with four refractive surfaces, all of them free-form, performing Köhler integration 2 . In Köhler devices, the irradiance uniformity is not achieved through additional optical stages (TIR prisms), thus no complex/expensive elements to manufacture are required. The rim angle and geometry are such that the secondary stage and receivers are hidden below the primary mirrors, so maximum collection is assured. The entire system was designed to allow loose assembly/alignment tolerances (through high acceptance angle) and to be manufactured using already well-developed methods for mass production, with high potential for low cost. The optical surfaces for Köhler integration, although with a quite different optical behavior, have approximately the same dimensions and can be manufactured with the same techniques as the more traditional secondary optical elements used for concentration (typically plastic injection molding or glass molding).

Estudio de la viabilidad técnica y económica del establecimiento de una terminal de contenedores automatizada en el Mediterráneo español

Esta Tesis analiza, en primer lugar, las posibilidades y condiciones de los puertos españoles de Algeciras, Valencia y Barcelona para acoger en el futuro una terminal totalmente automatizada (robotizada) de contenedores con una capacidad aproximada de 1,3-1,4 millones de contenedores/año o 2 millones de TEU/año. Entre las posibles amenazas y oportunidades que pueden afectar al actual tráfico de esos puertos, la Tesis se centra en el desvío del tráfico de contenedores de transbordo, la sustitución de los tráficos marinos por tráficos ferroviarios, la posibilidad de convertir al Mediterráneo español en la puerta de entrada de productos asiáticos, el cambio de la ruta Asia-Europa a través del Canal de Suez por la ruta Asia-Europa a través del Ártico, la posibilidad de circunvalar África para evitar el Canal de Suez y la próxima apertura de nuevo Canal de Panamá ampliado. La Tesis describe el Estado del Arte de la tecnología para las terminales de contenedores automatizadas que pudiera ser aplicada en nuestro país y desarrolla una terminal automatizada con la capacidad ya mencionada de 2 millones de TEU/año. El tema del ferrocarril en las terminales de contenedores, como futura lanzadera para la proyección de la influencia de los puertos, está desarrollado como una parte esencial de una terminal de contenedores. Se investiga, también, la automatización total o parcial en la transferencia de mercancía buque-ferrocarril La Tesis también desarrolla una metodología para desglosar los costes e ingresos de una terminal automatizada. A través de esos costes e ingresos se va desarrollando, mediante la utilización de hojas Excel relacionadas, el método para mostrar la estructuración de los hitos económicos fundamentales hasta llegar al VAN, TIR y Periodo de Retorno de la Inversión como elementos clave para la calificación de la terminal como proyecto de inversión. La Tesis realiza la misma metodología para la terminal convencional de contenedores más habitual en el Mediterráneo español: la terminal que utiliza sistemas de grúas sobre ruedas (RTG) en el patio de contenedores. Por último, la Tesis establece la comparativa entre los dos tipos de terminales analizadas: la convencional y la automatizada, basándose en el coste de la mano de obra portuaria como elemento clave para dicha comparativa. Se establece la frontera que determina en qué niveles de coste del personal portuario la terminal automatizada es mejor proyecto de inversión que la terminal convencional con RTG. Mediante la creación de la metodología descrita, la Tesis permite: - La comparativa entre diferentes tipos de terminales - La posibilidad de analizar un modelo de terminal variando sus parámetros fundamentales: costes de los estibadores, nuevas tecnologías de manipulación, diferentes rendimientos, variación de los ingresos, etc. - Descubrir el modelo más rentable de una futura terminal mediante la comparación de las diferentes tecnologías que se puedan emplear para la construcción de dicha terminal ABSTRACT This Thesis examines, first, the possibilities and conditions of the Spanish ports of Algeciras, Valencia and Barcelona to host in the future a fully automated container terminal (robotized) with a capacity of approximately 1.3-1.4 million containers/year or 2 million TEU/year. Among the potential threats and opportunities that may affect the current traffic of these ports, the thesis focuses on the diversion of container transhipment traffic, the replacing of marine traffic by rail traffic, the possibility of converting the Spanish Mediterranean in the door input of Asian products, the changing of the Asia-Europe route through the Suez Canal by the Asia-Europe route through the Arctic, the possibility of circumnavigating Africa to avoid the Suez Canal and the upcoming opening of the new expanded Canal of Panama. The Thesis describes the state-of-the-art technology for automated container terminals that could be applied in our country and develops an automated terminal with the listed capacity of 2 million TEUs / year. The use of the railway system in container terminals to be used as future shuttle to the projection of the influence of the ports is developed as an essential part of a container terminal. We also investigate the total or partial automation in transferring goods from ship to rail. The Thesis also develops a methodology to break down the costs and revenues of an automated terminal. Through these costs and revenues is developed, using linked Excel sheets, the method to show the formation of structured key economic milestones until the NPV, IRR and Period of Return of Investment as key to determining the terminal as an investment project. The Thesis takes the same methodology for the conventional container terminal more common in the Spanish Mediterranean: the terminal using rubber tyred cranes (RTG) in the container yard. Finally, the Thesis provides a comparison between the two types of analyzed terminals: conventional and automated, based on the cost of stevedores labor as a key point for that comparison. It establishes the boundary that determines what levels of stevedore costs make automated terminal to be better investment project than a conventional terminal using RTG. By creating the above methodology, the Thesis allows: - The comparison between different types of terminals - The possibility of analyzing a model of terminal varying its key parameters: stevedores costs, new technologies of container handling, different loading/unloading rates, changes in incomes and so on - Unveil the most profitable model for a future terminal by comparing the different technologies that can be employed for the construction of that terminal

Advanced Fresnel Köhler concentrators for photovoltaic applications

La concentración fotovoltaica (CPV) es una de las formas más prometedoras de reducir el coste de la energía proveniente del sol. Esto es posible gracias a células solares de alta eficiencia y a una significativa reducción del tamaño de la misma, que está fabricada con costosos materiales semiconductores. Ambos aspectos están íntimamente ligados ya que las altas eficiencias solamente son posibles con materiales y tecnologías de célula caros, lo que forzosamente conlleva una reducción del tamaño de la célula si se quiere lograr un sistema rentable. La reducción en el tamaño de las células requiere que la luz proveniente del sol ha de ser redirigida (es decir, concentrada) hacia la posición de la célula. Esto se logra colocando un concentrador óptico encima de la célula. Estos concentradores para CPV están formados por diferentes elementos ópticos fabricados en materiales baratos, con el fin de reducir los costes de producción. El marco óptimo para el diseño de concentradores es la óptica anidólica u óptica nonimaging. La óptica nonimaging fue desarrollada por primera vez en la década de los años sesenta y ha ido evolucionando significativamente desde entonces. El objetivo de los diseños nonimaging es la transferencia eficiente de energía entre la fuente y el receptor (sol y célula respectivamente, en el caso de la CPV), sin tener en cuenta la formación de imagen. Los sistemas nonimaging suelen ser simples, están compuestos de un menor número de superficies que los sistemas formadores de imagen y son más tolerantes a errores de fabricación. Esto hace de los sistemas nonimaging una herramienta fundamental, no sólo en el diseño de concentradores fotovoltaicos, sino también en el diseño de otras aplicaciones como iluminación, proyección y comunicaciones inalámbricas ópticas. Los concentradores ópticos nonimaging son adecuados para aplicaciones CPV porque el objetivo no es la reproducción de una imagen exacta del sol (como sería el caso de las ópticas formadoras de imagen), sino simplemente la colección de su energía sobre la célula solar. Los concentradores para CPV pueden presentar muy diferentes arquitecturas y elementos ópticos, dando lugar a una gran variedad de posibles diseños. El primer elemento óptico que es atravesado por la luz del sol se llama Elemento Óptico Primario (POE en su nomenclatura anglosajona) y es el elemento más determinante a la hora de definir la forma y las propiedades del concentrador. El POE puede ser refractivo (lente) o reflexivo (espejo). Esta tesis se centra en los sistemas CPV que presentan lentes de Fresnel como POE, que son lentes refractivas delgadas y de bajo coste de producción que son capaces de concentrar la luz solar. El capítulo 1 expone una breve introducción a la óptica geométrica y no formadora de imagen (nonimaging), explicando sus fundamentos y conceptos básicos. Tras ello, la integración Köhler es presentada en detalle, explicando sus principios, válidos tanto para aplicaciones CPV como para iluminación. Una introducción a los conceptos fundamentales de CPV también ha sido incluida en este capítulo, donde se analizan las propiedades de las células solares multiunión y de los concentradores ópticos empleados en los sistemas CPV. El capítulo se cierra con una descripción de las tecnologías existentes empleadas para la fabricación de elementos ópticos que componen los concentradores. El capítulo 2 se centra principalmente en el diseño y desarrollo de los tres concentradores ópticos avanzados Fresnel Köhler que se presentan en esta tesis: Fresnel-Köhler (FK), Fresnel-Köhler curvo (DFK) y Fresnel-Köhler con cavidad (CFK). Todos ellos llevan a cabo integración Köhler y presentan una lente de Fresnel como su elemento óptico primario. Cada uno de estos concentradores CPV presenta sus propias propiedades y su propio procedimiento de diseño. Además, presentan todas las características que todo concentrador ha de tener: elevado factor de concentración, alta tolerancia de fabricación, alta eficiencia óptica, irradiancia uniforme sobre la superficie de la célula y bajo coste de producción. Los concentradores FK y DFK presentan una configuración de cuatro sectores para lograr la integración Köhler. Esto quiere decir que POE y SOE se dividen en cuatro sectores simétricos cada uno, y cada sector del POE trabaja conjuntamente con su correspondiente sector de SOE. La principal diferencia entre los dos concentradores es que el POE del FK es una lente de Fresnel plana, mientras que una lente curva de Fresnel es empleada como POE del DFK. El concentrador CFK incluye una cavidad de confinamiento externo integrada, que es un elemento óptico capaz de recuperar los rayos reflejados por la superficie de la célula con el fin de ser reabsorbidos por la misma. Por tanto, se aumenta la absorción de la luz, lo que implica un aumento en la eficiencia del módulo. Además, este capítulo también explica un método de diseño alternativo para los elementos faceteados, especialmente adecuado para las lentes curvas como el POE del DFK. El capítulo 3 se centra en la caracterización y medidas experimentales de los concentradores ópticos presentados en el capítulo 2, y describe sus procedimientos. Estos procedimientos son en general aplicables a cualquier concentrador basado en una lente de Fresnel, e incluyen tres tipos principales de medidas experimentales: eficiencia eléctrica, ángulo de aceptancia y uniformidad de la irradiancia en el plano de la célula. Los resultados que se muestran a lo largo de este capítulo validarán a través de medidas a sol real las características avanzadas que presentan los concentradores Köhler, y que se demuestran en el capítulo 2 mediante simulaciones de rayos. Cada concentrador (FK, DFK y CFK) está diseñado y optimizado teniendo en cuenta condiciones de operación realistas. Su rendimiento se modela de forma exhaustiva mediante el trazado de rayos en combinación con modelos distribuidos para la célula. La tolerancia es un asunto crítico de cara al proceso de fabricación, y ha de ser máxima para obtener sistemas de producción en masa rentables. Concentradores con tolerancias limitadas generan bajadas significativas de eficiencia a nivel de array, causadas por el desajuste de corrientes entre los diferentes módulos (principalmente debido a errores de alineación en la fabricación). En este sentido, la sección 3.5 presenta dos métodos matemáticos que estiman estas pérdidas por desajuste a nivel de array mediante un análisis de sus curvas I-V, y por tanto siendo innecesarias las medidas a nivel de mono-módulo. El capítulo 3 también describe la caracterización indoor de los elementos ópticos que componen los concentradores, es decir, de las lentes de Fresnel que actúan como POE y de los secundarios free-form. El objetivo de esta caracterización es el de evaluar los adecuados perfiles de las superficies y las transmisiones ópticas de los diferentes elementos analizados, y así hacer que el rendimiento del módulo sea el esperado. Esta tesis la cierra el capítulo 4, en el que la integración Köhler se presenta como una buena alternativa para obtener distribuciones uniformes en aplicaciones de iluminación de estado sólido (iluminación con LED), siendo particularmente eficaz cuando se requiere adicionalmente una buena mezcla de colores. En este capítulo esto se muestra a través del ejemplo particular de un concentrador DFK, el cual se ha utilizado para aplicaciones CPV en los capítulos anteriores. Otra alternativa para lograr mezclas cromáticas apropiadas está basada en un método ya conocido (deflexiones anómalas), y también se ha utilizado aquí para diseñar una lente TIR aplanética delgada. Esta lente cumple la conservación de étendue, asegurando así que no hay bloqueo ni dilución de luz simultáneamente. Ambos enfoques presentan claras ventajas sobre las técnicas clásicas empleadas en iluminación para obtener distribuciones de iluminación uniforme: difusores y mezcla caleidoscópica mediante guías de luz. ABSTRACT Concentrating Photovoltaics (CPV) is one of the most promising ways of reducing the cost of energy collected from the sun. This is possible thanks to both, very high-efficiency solar cells and a large decrease in the size of cells, which are made of costly semiconductor materials. Both issues are closely linked since high efficiency values are only possible with expensive cell materials and technologies, implying a compulsory area reduction if cost-effectiveness is desired. The reduction in the cell size requires that light coming from the sun must be redirected (i.e. concentrated) towards the cell position. This is achieved by placing an optical concentrator system on top of the cell. These CPV concentrators consist of different optical elements manufactured on cheap materials in order to maintain low production costs. The optimal framework for the design of concentrators is nonimaging optics. Nonimaging optics was first developed in the 60s decade and has been largely developed ever since. The aim of nonimaging devices is the efficient transfer of light power between the source and the receiver (sun and cell respectively in the case of CPV), disregarding image formation. Nonimaging systems are usually simple, comprised of fewer surfaces than imaging systems and are more tolerant to manufacturing errors. This renders nonimaging optics a fundamental tool, not only in the design of photovoltaic concentrators, but also in the design of other applications as illumination, projection and wireless optical communications. Nonimaging optical concentrators are well suited for CPV applications because the goal is not the reproduction of an exact image of the sun (as imaging optics would provide), but simply the collection of its energy on the solar cell. Concentrators for CPV may present very different architectures and optical elements, resulting in a vast variety of possible designs. The first optical element that sunlight goes through is called the Primary Optical Element (POE) and is the most determinant element in order to define the shape and properties of the whole concentrator. The POE can be either refractive (lens) or reflective (mirror). This thesis focuses on CPV systems based on Fresnel lenses as POE, which are thin and inexpensive refractive lenses able to concentrate sunlight. Chapter 1 exposes a short introduction to geometrical and nonimaging optics, explaining their fundamentals and basic concepts. Then, the Köhler integration is presented in detail, explaining its principles, valid for both applications: CPV and illumination. An introduction to CPV fundamental concepts is also included in this chapter, analyzing the properties of multijunction solar cells and optical concentrators employed in CPV systems. The chapter is closed with a description of the existing technologies employed for the manufacture of optical elements composing the concentrator. Chapter 2 is mainly devoted to the design and development of the three advanced Fresnel Köhler optical concentrators presented in this thesis work: Fresnel-Köhler (FK), Dome-shaped Fresnel-Köhler (DFK) and Cavity Fresnel-Köhler (CFK). They all perform Köhler integration and comprise a Fresnel lens as their Primary Optical Element. Each one of these CPV concentrators presents its own characteristics, properties and its own design procedure. Their performances include all the key issues in a concentrator: high concentration factor, large tolerances, high optical efficiency, uniform irradiance on the cell surface and low production cost. The FK and DFK concentrators present a 4-fold configuration in order to perform the Köhler integration. This means that POE and SOE are divided into four symmetric sectors each one, working each POE sector with its corresponding SOE sector by pairs. The main difference between both concentrators is that the POE of the FK is a flat Fresnel lens, while a dome-shaped (curved) Fresnel lens performs as the DFK’s POE. The CFK concentrator includes an integrated external confinement cavity, which is an optical element able to recover rays reflected by the cell surface in order to be re-absorbed by the cell. It increases the light absorption, entailing an increase in the efficiency of the module. Additionally, an alternative design method for faceted elements will also be explained, especially suitable for dome-shaped lenses as the POE of the DFK. Chapter 3 focuses on the characterization and experimental measurements of the optical concentrators presented in Chapter 2, describing their procedures. These procedures are in general applicable to any Fresnel-based concentrator as well and include three main types of experimental measurements: electrical efficiency, acceptance angle and irradiance uniformity at the solar cell plane. The results shown along this chapter will validate through outdoor measurements under real sun operation the advanced characteristics presented by the Köhler concentrators, which are demonstrated in Chapter 2 through raytrace simulation: high optical efficiency, large acceptance angle, insensitivity to manufacturing tolerances and very good irradiance uniformity on the cell surface. Each concentrator (FK, DFK and CFK) is designed and optimized looking at realistic performance characteristics. Their performances are modeled exhaustively using ray tracing combined with cell modeling, taking into account the major relevant factors. The tolerance is a critical issue when coming to the manufacturing process in order to obtain cost-effective mass-production systems. Concentrators with tight tolerances result in significant efficiency drops at array level caused by current mismatch among different modules (mainly due to manufacturing alignment errors). In this sense, Section 3.5 presents two mathematical methods that estimate these mismatch losses for a given array just by analyzing its full-array I-V curve, hence being unnecessary any single mono-module measurement. Chapter 3 also describes the indoor characterization of the optical elements composing the concentrators, i.e. the Fresnel lenses acting as POEs and the free-form SOEs. The aim of this characterization is to assess the proper surface profiles and optical transmissions of the different elements analyzed, so they will allow for the expected module performance. This thesis is closed by Chapter 4, in which Köhler integration is presented as a good approach to obtain uniform distributions in Solid State Lighting applications (i.e. illumination with LEDs), being particularly effective when dealing with color mixing requirements. This chapter shows it through the particular example of a DFK concentrator, which has been used for CPV applications in the previous chapters. An alternative known method for color mixing purposes (anomalous deflections) has also been used to design a thin aplanatic TIR lens. This lens fulfills conservation of étendue, thus ensuring no light blocking and no light dilution at the same time. Both approaches present clear advantages over the classical techniques employed in lighting to obtain uniform illumination distributions: diffusers and kaleidoscopic lightpipe mixing.

Detección de patrones y anomalías espectrales del terreno mediante espectrometría de imagen de alta resolución : reconocimiento, optimización y evaluación multiescenario

El objeto de esta Tesis doctoral es el desarrollo de una metodologia para la deteccion automatica de anomalias a partir de datos hiperespectrales o espectrometria de imagen, y su cartografiado bajo diferentes condiciones tipologicas de superficie y terreno. La tecnologia hiperespectral o espectrometria de imagen ofrece la posibilidad potencial de caracterizar con precision el estado de los materiales que conforman las diversas superficies en base a su respuesta espectral. Este estado suele ser variable, mientras que las observaciones se producen en un numero limitado y para determinadas condiciones de iluminacion. Al aumentar el numero de bandas espectrales aumenta tambien el numero de muestras necesarias para definir espectralmente las clases en lo que se conoce como Maldicion de la Dimensionalidad o Efecto Hughes (Bellman, 1957), muestras habitualmente no disponibles y costosas de obtener, no hay mas que pensar en lo que ello implica en la Exploracion Planetaria. Bajo la definicion de anomalia en su sentido espectral como la respuesta significativamente diferente de un pixel de imagen respecto de su entorno, el objeto central abordado en la Tesis estriba primero en como reducir la dimensionalidad de la informacion en los datos hiperespectrales, discriminando la mas significativa para la deteccion de respuestas anomalas, y segundo, en establecer la relacion entre anomalias espectrales detectadas y lo que hemos denominado anomalias informacionales, es decir, anomalias que aportan algun tipo de informacion real de las superficies o materiales que las producen. En la deteccion de respuestas anomalas se asume un no conocimiento previo de los objetivos, de tal manera que los pixeles se separan automaticamente en funcion de su informacion espectral significativamente diferenciada respecto de un fondo que se estima, bien de manera global para toda la escena, bien localmente por segmentacion de la imagen. La metodologia desarrollada se ha centrado en la implicacion de la definicion estadistica del fondo espectral, proponiendo un nuevo enfoque que permite discriminar anomalias respecto fondos segmentados en diferentes grupos de longitudes de onda del espectro, explotando la potencialidad de separacion entre el espectro electromagnetico reflectivo y emisivo. Se ha estudiado la eficiencia de los principales algoritmos de deteccion de anomalias, contrastando los resultados del algoritmo RX (Reed and Xiaoli, 1990) adoptado como estandar por la comunidad cientifica, con el metodo UTD (Uniform Targets Detector), su variante RXD-UTD, metodos basados en subespacios SSRX (Subspace RX) y metodo basados en proyecciones de subespacios de imagen, como OSPRX (Orthogonal Subspace Projection RX) y PP (Projection Pursuit). Se ha desarrollado un nuevo metodo, evaluado y contrastado por los anteriores, que supone una variacion de PP y describe el fondo espectral mediante el analisis discriminante de bandas del espectro electromagnetico, separando las anomalias con el algortimo denominado Detector de Anomalias de Fondo Termico o DAFT aplicable a sensores que registran datos en el espectro emisivo. Se han evaluado los diferentes metodos de deteccion de anomalias en rangos del espectro electromagnetico del visible e infrarrojo cercano (Visible and Near Infrared-VNIR), infrarrojo de onda corta (Short Wavelenght Infrared-SWIR), infrarrojo medio (Meadle Infrared-MIR) e infrarrojo termico (Thermal Infrared-TIR). La respuesta de las superficies en las distintas longitudes de onda del espectro electromagnetico junto con su entorno, influyen en el tipo y frecuencia de las anomalias espectrales que puedan provocar. Es por ello que se han utilizado en la investigacion cubos de datos hiperepectrales procedentes de los sensores aeroportados cuya estrategia y diseno en la construccion espectrometrica de la imagen difiere. Se han evaluado conjuntos de datos de test de los sensores AHS (Airborne Hyperspectral System), HyMAP Imaging Spectrometer, CASI (Compact Airborne Spectrographic Imager), AVIRIS (Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer), HYDICE (Hyperspectral Digital Imagery Collection Experiment) y MASTER (MODIS/ASTER Simulator). Se han disenado experimentos sobre ambitos naturales, urbanos y semiurbanos de diferente complejidad. Se ha evaluado el comportamiento de los diferentes detectores de anomalias a traves de 23 tests correspondientes a 15 areas de estudio agrupados en 6 espacios o escenarios: Urbano - E1, Semiurbano/Industrial/Periferia Urbana - E2, Forestal - E3, Agricola - E4, Geologico/Volcanico - E5 y Otros Espacios Agua, Nubes y Sombras - E6. El tipo de sensores evaluados se caracteriza por registrar imagenes en un amplio rango de bandas, estrechas y contiguas, del espectro electromagnetico. La Tesis se ha centrado en el desarrollo de tecnicas que permiten separar y extraer automaticamente pixeles o grupos de pixeles cuya firma espectral difiere de manera discriminante de las que tiene alrededor, adoptando para ello como espacio muestral parte o el conjunto de las bandas espectrales en las que ha registrado radiancia el sensor hiperespectral. Un factor a tener en cuenta en la investigacion ha sido el propio instrumento de medida, es decir, la caracterizacion de los distintos subsistemas, sensores imagen y auxiliares, que intervienen en el proceso. Para poder emplear cuantitativamente los datos medidos ha sido necesario definir las relaciones espaciales y espectrales del sensor con la superficie observada y las potenciales anomalias y patrones objetivos de deteccion. Se ha analizado la repercusion que en la deteccion de anomalias tiene el tipo de sensor, tanto en su configuracion espectral como en las estrategias de diseno a la hora de registrar la radiacion prodecente de las superficies, siendo los dos tipos principales de sensores estudiados los barredores o escaneres de espejo giratorio (whiskbroom) y los barredores o escaneres de empuje (pushbroom). Se han definido distintos escenarios en la investigacion, lo que ha permitido abarcar una amplia variabilidad de entornos geomorfologicos y de tipos de coberturas, en ambientes mediterraneos, de latitudes medias y tropicales. En resumen, esta Tesis presenta una tecnica de deteccion de anomalias para datos hiperespectrales denominada DAFT en su variante de PP, basada en una reduccion de la dimensionalidad proyectando el fondo en un rango de longitudes de onda del espectro termico distinto de la proyeccion de las anomalias u objetivos sin firma espectral conocida. La metodologia propuesta ha sido probada con imagenes hiperespectrales reales de diferentes sensores y en diferentes escenarios o espacios, por lo tanto de diferente fondo espectral tambien, donde los resultados muestran los beneficios de la aproximacion en la deteccion de una gran variedad de objetos cuyas firmas espectrales tienen suficiente desviacion respecto del fondo. La tecnica resulta ser automatica en el sentido de que no hay necesidad de ajuste de parametros, dando resultados significativos en todos los casos. Incluso los objetos de tamano subpixel, que no pueden distinguirse a simple vista por el ojo humano en la imagen original, pueden ser detectados como anomalias. Ademas, se realiza una comparacion entre el enfoque propuesto, la popular tecnica RX y otros detectores tanto en su modalidad global como local. El metodo propuesto supera a los demas en determinados escenarios, demostrando su capacidad para reducir la proporcion de falsas alarmas. Los resultados del algoritmo automatico DAFT desarrollado, han demostrado la mejora en la definicion cualitativa de las anomalias espectrales que identifican a entidades diferentes en o bajo superficie, reemplazando para ello el modelo clasico de distribucion normal con un metodo robusto que contempla distintas alternativas desde el momento mismo de la adquisicion del dato hiperespectral. Para su consecucion ha sido necesario analizar la relacion entre parametros biofisicos, como la reflectancia y la emisividad de los materiales, y la distribucion espacial de entidades detectadas respecto de su entorno. Por ultimo, el algoritmo DAFT ha sido elegido como el mas adecuado para sensores que adquieren datos en el TIR, ya que presenta el mejor acuerdo con los datos de referencia, demostrando una gran eficacia computacional que facilita su implementacion en un sistema de cartografia que proyecte de forma automatica en un marco geografico de referencia las anomalias detectadas, lo que confirma un significativo avance hacia un sistema en lo que se denomina cartografia en tiempo real. The aim of this Thesis is to develop a specific methodology in order to be applied in automatic detection anomalies processes using hyperspectral data also called hyperspectral scenes, and to improve the classification processes. Several scenarios, areas and their relationship with surfaces and objects have been tested. The spectral characteristics of reflectance parameter and emissivity in the pattern recognition of urban materials in several hyperspectral scenes have also been tested. Spectral ranges of the visible-near infrared (VNIR), shortwave infrared (SWIR) and thermal infrared (TIR) from hyperspectral data cubes of AHS (Airborne Hyperspectral System), HyMAP Imaging Spectrometer, CASI (Compact Airborne Spectrographic Imager), AVIRIS (Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer), HYDICE (Hyperspectral Digital Imagery Collection Experiment) and MASTER (MODIS/ASTER Simulator) have been used in this research. It is assumed that there is not prior knowledge of the targets in anomaly detection. Thus, the pixels are automatically separated according to their spectral information, significantly differentiated with respect to a background, either globally for the full scene, or locally by the image segmentation. Several experiments on different scenarios have been designed, analyzing the behavior of the standard RX anomaly detector and different methods based on subspace, image projection and segmentation-based anomaly detection methods. Results and their consequences in unsupervised classification processes are discussed. Detection of spectral anomalies aims at extracting automatically pixels that show significant responses in relation of their surroundings. This Thesis deals with the unsupervised technique of target detection, also called anomaly detection. Since this technique assumes no prior knowledge about the target or the statistical characteristics of the data, the only available option is to look for objects that are differentiated from the background. Several methods have been developed in the last decades, allowing a better understanding of the relationships between the image dimensionality and the optimization of search procedures as well as the subpixel differentiation of the spectral mixture and its implications in anomalous responses. In other sense, image spectrometry has proven to be efficient in the characterization of materials, based on statistical methods using a specific reflection and absorption bands. Spectral configurations in the VNIR, SWIR and TIR have been successfully used for mapping materials in different urban scenarios. There has been an increasing interest in the use of high resolution data (both spatial and spectral) to detect small objects and to discriminate surfaces in areas with urban complexity. This has come to be known as target detection which can be either supervised or unsupervised. In supervised target detection, algorithms lean on prior knowledge, such as the spectral signature. The detection process for matching signatures is not straightforward due to the complications of converting data airborne sensor with material spectra in the ground. This could be further complicated by the large number of possible objects of interest, as well as uncertainty as to the reflectance or emissivity of these objects and surfaces. An important objective in this research is to establish relationships that allow linking spectral anomalies with what can be called informational anomalies and, therefore, identify information related to anomalous responses in some places rather than simply spotting differences from the background. The development in recent years of new hyperspectral sensors and techniques, widen the possibilities for applications in remote sensing of the Earth. Remote sensing systems measure and record electromagnetic disturbances that the surveyed objects induce in their surroundings, by means of different sensors mounted on airborne or space platforms. Map updating is important for management and decisions making people, because of the fast changes that usually happen in natural, urban and semi urban areas. It is necessary to optimize the methodology for obtaining the best from remote sensing techniques from hyperspectral data. The first problem with hyperspectral data is to reduce the dimensionality, keeping the maximum amount of information. Hyperspectral sensors augment considerably the amount of information, this allows us to obtain a better precision on the separation of material but at the same time it is necessary to calculate a bigger number of parameters, and the precision lowers with the increase in the number of bands. This is known as the Hughes effects (Bellman, 1957) . Hyperspectral imagery allows us to discriminate between a huge number of different materials however some land and urban covers are made up with similar material and respond similarly which produces confusion in the classification. The training and the algorithm used for mapping are also important for the final result and some properties of thermal spectrum for detecting land cover will be studied. In summary, this Thesis presents a new technique for anomaly detection in hyperspectral data called DAFT, as a PP's variant, based on dimensionality reduction by projecting anomalies or targets with unknown spectral signature to the background, in a range thermal spectrum wavelengths. The proposed methodology has been tested with hyperspectral images from different imaging spectrometers corresponding to several places or scenarios, therefore with different spectral background. The results show the benefits of the approach to the detection of a variety of targets whose spectral signatures have sufficient deviation in relation to the background. DAFT is an automated technique in the sense that there is not necessary to adjust parameters, providing significant results in all cases. Subpixel anomalies which cannot be distinguished by the human eye, on the original image, however can be detected as outliers due to the projection of the VNIR end members with a very strong thermal contrast. Furthermore, a comparison between the proposed approach and the well-known RX detector is performed at both modes, global and local. The proposed method outperforms the existents in particular scenarios, demonstrating its performance to reduce the probability of false alarms. The results of the automatic algorithm DAFT have demonstrated improvement in the qualitative definition of the spectral anomalies by replacing the classical model by the normal distribution with a robust method. For their achievement has been necessary to analyze the relationship between biophysical parameters such as reflectance and emissivity, and the spatial distribution of detected entities with respect to their environment, as for example some buried or semi-buried materials, or building covers of asbestos, cellular polycarbonate-PVC or metal composites. Finally, the DAFT method has been chosen as the most suitable for anomaly detection using imaging spectrometers that acquire them in the thermal infrared spectrum, since it presents the best results in comparison with the reference data, demonstrating great computational efficiency that facilitates its implementation in a mapping system towards, what is called, Real-Time Mapping.