Multidisciplinary Design Optimization Application to Conceptual Design of University-class Microsatellite Projects

Esta tesis se ha realizado en el contexto del proyecto UPMSat-2, que es un microsatélite diseñado, construido y operado por el Instituto Universitario de Microgravedad "Ignacio Da Riva" (IDR / UPM) de la Universidad Politécnica de Madrid. Aplicación de la metodología Ingeniería Concurrente (Concurrent Engineering: CE) en el marco de la aplicación de diseño multidisciplinar (Multidisciplinary Design Optimization: MDO) es uno de los principales objetivos del presente trabajo. En los últimos años, ha habido un interés continuo en la participación de los grupos de investigación de las universidades en los estudios de la tecnología espacial a través de sus propios microsatélites. La participación en este tipo de proyectos tiene algunos desafíos inherentes, tales como presupuestos y servicios limitados. Además, debido al hecho de que el objetivo principal de estos proyectos es fundamentalmente educativo, por lo general hay incertidumbres en cuanto a su misión en órbita y cargas útiles en las primeras fases del proyecto. Por otro lado, existen limitaciones predeterminadas para sus presupuestos de masa, volumen y energía, debido al hecho de que la mayoría de ellos están considerados como una carga útil auxiliar para el lanzamiento. De este modo, el costo de lanzamiento se reduce considerablemente. En este contexto, el subsistema estructural del satélite es uno de los más afectados por las restricciones que impone el lanzador. Esto puede afectar a diferentes aspectos, incluyendo las dimensiones, la resistencia y los requisitos de frecuencia. En la primera parte de esta tesis, la atención se centra en el desarrollo de una herramienta de diseño del subsistema estructural que evalúa, no sólo las propiedades de la estructura primaria como variables, sino también algunas variables de nivel de sistema del satélite, como la masa de la carga útil y la masa y las dimensiones extremas de satélite. Este enfoque permite que el equipo de diseño obtenga una mejor visión del diseño en un espacio de diseño extendido. La herramienta de diseño estructural se basa en las fórmulas y los supuestos apropiados, incluyendo los modelos estáticos y dinámicos del satélite. Un algoritmo genético (Genetic Algorithm: GA) se aplica al espacio de diseño para optimizaciones de objetivo único y también multiobjetivo. El resultado de la optimización multiobjetivo es un Pareto-optimal basado en dos objetivo, la masa total de satélites mínimo y el máximo presupuesto de masa de carga útil. Por otro lado, la aplicación de los microsatélites en misiones espaciales es de interés por su menor coste y tiempo de desarrollo. La gran necesidad de las aplicaciones de teledetección es un fuerte impulsor de su popularidad en este tipo de misiones espaciales. Las misiones de tele-observación por satélite son esenciales para la investigación de los recursos de la tierra y el medio ambiente. En estas misiones existen interrelaciones estrechas entre diferentes requisitos como la altitud orbital, tiempo de revisita, el ciclo de vida y la resolución. Además, todos estos requisitos puede afectar a toda las características de diseño. Durante los últimos años la aplicación de CE en las misiones espaciales ha demostrado una gran ventaja para llegar al diseño óptimo, teniendo en cuenta tanto el rendimiento y el costo del proyecto. Un ejemplo bien conocido de la aplicación de CE es la CDF (Facilidad Diseño Concurrente) de la ESA (Agencia Espacial Europea). Está claro que para los proyectos de microsatélites universitarios tener o desarrollar una instalación de este tipo parece estar más allá de las capacidades del proyecto. Sin embargo, la práctica de la CE a cualquier escala puede ser beneficiosa para los microsatélites universitarios también. En la segunda parte de esta tesis, la atención se centra en el desarrollo de una estructura de optimización de diseño multidisciplinar (Multidisciplinary Design Optimization: MDO) aplicable a la fase de diseño conceptual de microsatélites de teledetección. Este enfoque permite que el equipo de diseño conozca la interacción entre las diferentes variables de diseño. El esquema MDO presentado no sólo incluye variables de nivel de sistema, tales como la masa total del satélite y la potencia total, sino también los requisitos de la misión como la resolución y tiempo de revisita. El proceso de diseño de microsatélites se divide en tres disciplinas; a) diseño de órbita, b) diseño de carga útil y c) diseño de plataforma. En primer lugar, se calculan diferentes parámetros de misión para un rango práctico de órbitas helio-síncronas (sun-synchronous orbits: SS-Os). Luego, según los parámetros orbitales y los datos de un instrumento como referencia, se calcula la masa y la potencia de la carga útil. El diseño de la plataforma del satélite se estima a partir de los datos de la masa y potencia de los diferentes subsistemas utilizando relaciones empíricas de diseño. El diseño del subsistema de potencia se realiza teniendo en cuenta variables de diseño más detalladas, como el escenario de la misión y diferentes tipos de células solares y baterías. El escenario se selecciona, de modo de obtener una banda de cobertura sobre la superficie terrestre paralelo al Ecuador después de cada intervalo de revisita. Con el objetivo de evaluar las interrelaciones entre las diferentes variables en el espacio de diseño, todas las disciplinas de diseño mencionados se combinan en un código unificado. Por último, una forma básica de MDO se ajusta a la herramienta de diseño de sistema de satélite. La optimización del diseño se realiza por medio de un GA con el único objetivo de minimizar la masa total de microsatélite. Según los resultados obtenidos de la aplicación del MDO, existen diferentes puntos de diseños óptimos, pero con diferentes variables de misión. Este análisis demuestra la aplicabilidad de MDO para los estudios de ingeniería de sistema en la fase de diseño conceptual en este tipo de proyectos. La principal conclusión de esta tesis, es que el diseño clásico de los satélites que por lo general comienza con la definición de la misión y la carga útil no es necesariamente la mejor metodología para todos los proyectos de satélites. Un microsatélite universitario, es un ejemplo de este tipo de proyectos. Por eso, se han desarrollado un conjunto de herramientas de diseño para encarar los estudios de la fase inicial de diseño. Este conjunto de herramientas incluye diferentes disciplinas de diseño centrados en el subsistema estructural y teniendo en cuenta una carga útil desconocida a priori. Los resultados demuestran que la mínima masa total del satélite y la máxima masa disponible para una carga útil desconocida a priori, son objetivos conflictivos. En este contexto para encontrar un Pareto-optimal se ha aplicado una optimización multiobjetivo. Según los resultados se concluye que la selección de la masa total por satélite en el rango de 40-60 kg puede considerarse como óptima para un proyecto de microsatélites universitario con carga útil desconocida a priori. También la metodología CE se ha aplicado al proceso de diseño conceptual de microsatélites de teledetección. Los resultados de la aplicación del CE proporcionan una clara comprensión de la interacción entre los requisitos de diseño de sistemas de satélites, tales como la masa total del microsatélite y la potencia y los requisitos de la misión como la resolución y el tiempo de revisita. La aplicación de MDO se hace con la minimización de la masa total de microsatélite. Los resultados de la aplicación de MDO aclaran la relación clara entre los diferentes requisitos de diseño del sistema y de misión, así como que permiten seleccionar las líneas de base para el diseño óptimo con el objetivo seleccionado en las primeras fase de diseño. ABSTRACT This thesis is done in the context of UPMSat-2 project, which is a microsatellite under design and manufacturing at the Instituto Universitario de Microgravedad “Ignacio Da Riva” (IDR/UPM) of the Universidad Politécnica de Madrid. Application of Concurrent Engineering (CE) methodology in the framework of Multidisciplinary Design application (MDO) is one of the main objectives of the present work. In recent years, there has been continuing interest in the participation of university research groups in space technology studies by means of their own microsatellites. The involvement in such projects has some inherent challenges, such as limited budget and facilities. Also, due to the fact that the main objective of these projects is for educational purposes, usually there are uncertainties regarding their in orbit mission and scientific payloads at the early phases of the project. On the other hand, there are predetermined limitations for their mass and volume budgets owing to the fact that most of them are launched as an auxiliary payload in which the launch cost is reduced considerably. The satellite structure subsystem is the one which is most affected by the launcher constraints. This can affect different aspects, including dimensions, strength and frequency requirements. In the first part of this thesis, the main focus is on developing a structural design sizing tool containing not only the primary structures properties as variables but also the satellite system level variables such as payload mass budget and satellite total mass and dimensions. This approach enables the design team to obtain better insight into the design in an extended design envelope. The structural design sizing tool is based on the analytical structural design formulas and appropriate assumptions including both static and dynamic models of the satellite. A Genetic Algorithm (GA) is applied to the design space for both single and multiobejective optimizations. The result of the multiobjective optimization is a Pareto-optimal based on two objectives, minimum satellite total mass and maximum payload mass budget. On the other hand, the application of the microsatellites is of interest for their less cost and response time. The high need for the remote sensing applications is a strong driver of their popularity in space missions. The satellite remote sensing missions are essential for long term research around the condition of the earth resources and environment. In remote sensing missions there are tight interrelations between different requirements such as orbital altitude, revisit time, mission cycle life and spatial resolution. Also, all of these requirements can affect the whole design characteristics. During the last years application of the CE in the space missions has demonstrated a great advantage to reach the optimum design base lines considering both the performance and the cost of the project. A well-known example of CE application is ESA (European Space Agency) CDF (Concurrent Design Facility). It is clear that for the university-class microsatellite projects having or developing such a facility seems beyond the project capabilities. Nevertheless practicing CE at any scale can be beneficiary for the university-class microsatellite projects. In the second part of this thesis, the main focus is on developing a MDO framework applicable to the conceptual design phase of the remote sensing microsatellites. This approach enables the design team to evaluate the interaction between the different system design variables. The presented MDO framework contains not only the system level variables such as the satellite total mass and total power, but also the mission requirements like the spatial resolution and the revisit time. The microsatellite sizing process is divided into the three major design disciplines; a) orbit design, b) payload sizing and c) bus sizing. First, different mission parameters for a practical range of sun-synchronous orbits (SS-Os) are calculated. Then, according to the orbital parameters and a reference remote sensing instrument, mass and power of the payload are calculated. Satellite bus sizing is done based on mass and power calculation of the different subsystems using design estimation relationships. In the satellite bus sizing, the power subsystem design is realized by considering more detailed design variables including a mission scenario and different types of solar cells and batteries. The mission scenario is selected in order to obtain a coverage belt on the earth surface parallel to the earth equatorial after each revisit time. In order to evaluate the interrelations between the different variables inside the design space all the mentioned design disciplines are combined in a unified code. The integrated satellite system sizing tool developed in this section is considered as an application of the CE to the conceptual design of the remote sensing microsatellite projects. Finally, in order to apply the MDO methodology to the design problem, a basic MDO framework is adjusted to the developed satellite system design tool. Design optimization is done by means of a GA single objective algorithm with the objective function as minimizing the microsatellite total mass. According to the results of MDO application, there exist different optimum design points all with the minimum satellite total mass but with different mission variables. This output demonstrates the successful applicability of MDO approach for system engineering trade-off studies at the conceptual design phase of the design in such projects. The main conclusion of this thesis is that the classical design approach for the satellite design which usually starts with the mission and payload definition is not necessarily the best approach for all of the satellite projects. The university-class microsatellite is an example for such projects. Due to this fact an integrated satellite sizing tool including different design disciplines focusing on the structural subsystem and considering unknown payload is developed. According to the results the satellite total mass and available mass for the unknown payload are conflictive objectives. In order to find the Pareto-optimal a multiobjective GA optimization is conducted. Based on the optimization results it is concluded that selecting the satellite total mass in the range of 40-60 kg can be considered as an optimum approach for a university-class microsatellite project with unknown payload(s). Also, the CE methodology is applied to the remote sensing microsatellites conceptual design process. The results of CE application provide a clear understanding of the interaction between satellite system design requirements such as satellite total mass and power and the satellite mission variables such as revisit time and spatial resolution. The MDO application is done with the total mass minimization of a remote sensing satellite. The results from the MDO application clarify the unclear relationship between different system and mission design variables as well as the optimum design base lines according to the selected objective during the initial design phases.

Large aperture antenna arrays with subband delay compensation for reception of wideband satellite signals

Con esta disertación se pretenden resolver algunos de los problemas encontrados actualmente en la recepción de señales de satélites bajo dos escenarios particularmente exigentes: comunicaciones de Espacio Profundo y en banda Ka. Las comunicaciones con sondas de Espacio Profundo necesitan grandes aperturas en tierra para poder incrementar la velocidad de datos. La opción de usar antennas con diámetro mayor de 35 metros tiene serios problemas, pues antenas tan grandes son caras de mantener, difíciles de apuntar, pueden tener largos tiempo de reparación y además tienen una efeciencia decreciente a medida que se utilizan bandas más altas. Soluciones basadas en agrupaciones de antenas de menor tamaño (12 ó 35 metros) son mas ecónomicas y factibles técnicamente. Las comunicaciones en banda Ka tambien pueden beneficiarse de la combinación de múltiples antennas. Las antenas de menor tamaño son más fáciles de apuntar y además tienen un campo de visión mayor. Además, las técnicas de diversidad espacial pueden ser reemplazadas por una combinación de antenas para así incrementar el margen del enlace. La combinación de antenas muy alejadas sobre grandes anchos de banda, bien por recibir una señal de banda ancha o múltiples de banda estrecha, es complicada técnicamente. En esta disertación se demostrará que el uso de conformador de haz en el dominio de la frecuencia puede ayudar a relajar los requisitos de calibración y, al mismo tiempo, proporcionar un mayor campo de visión y mayores capacidades de ecualización. Para llevar esto a cabo, el trabajo ha girado en torno a tres aspectos fundamentales. El primero es la investigación bibliográfica del trabajo existente en este campo. El segundo es el modelado matemático del proceso de combinación y el desarrollo de nuevos algoritmos de estimación de fase y retardo. Y el tercero es la propuesta de nuevas aplicaciones en las que usar estas técnicas. La investigación bibliográfica se centra principalmente en los capítulos 1, 2, 4 y 5. El capítulo 1 da una breve introducción a la teoría de combinación de antenas de gran apertura. En este capítulo, los principales campos de aplicación son descritos y además se establece la necesidad de compensar retardos en subbandas. La teoría de bancos de filtros se expone en el capítulo 2; se selecciona y simula un banco de filtros modulado uniformemente con fase lineal. Las propiedades de convergencia de varios filtros adaptativos se muestran en el capítulo 4. Y finalmente, las técnicas de estimación de retardo son estudiadas y resumidas en el capítulo 5. Desde el punto de vista matemático, las principales contribución de esta disertación han sido: • Sección 3.1.4. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en pasos discretos en frecuencia intermedia. • Sección 3.2. Modelo matemático de un conformador de haz en subbandas. • Sección 3.2.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz en subbandas con un buffer de retardo grueso. • Sección 3.2.4. Análisis de la influencia de los alias internos en la compensación en subbandas de retardo y fase. • Sección 3.2.4.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en subbandas. • Sección 3.2.6. Cálculo de la ganancia de relación señal a ruido de la agrupación de antenas en cada una de las subbandas. • Sección 3.3.2. Modelado de la función de transferencia de la agrupación de antenas bajo errores de estimación de retardo. • Sección 3.3.3. Modelado de los efectos de derivas de fase y retardo entre actualizaciones de las estimaciones. • Sección 3.4. Cálculo de la directividad de la agrupación de antenas con y sin compensación de retardos en subbandas. • Sección 5.2.6. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase y el retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos estacionarios. • Sección 5.5.1. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase, el retardo y la deriva de retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos no estacionarios. Las aplicaciones que se pueden beneficiar de estas técnicas son descritas en el capítulo 7: • Sección 6.2. Agrupaciones de antenas para comunicaciones de Espacio Profundo con capacidad multihaz y sin requisitos de calibración geométrica o de retardo de grupo. • Sección 6.2.6. Combinación en banda ancha de antenas con separaciones de miles de kilómetros, para recepción de sondas de espacio profundo. • Secciones 6.4 and 6.3. Combinación de estaciones remotas en banda Ka en escenarios de diversidad espacial, para recepción de satélites LEO o GEO. • Sección 6.3. Recepción de satélites GEO colocados con arrays de antenas multihaz. Las publicaciones a las que ha dado lugar esta tesis son las siguientes • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. En esta pulicación se resumen los resultados de las secciones 3.2, 3.2.2, 3.3.2, los algoritmos en las secciones 5.2.6, 5.5.1 y la aplicación destacada en 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. En esta segunda se muestran los resultados de la sección 3.2.4, el algoritmo en la sección 5.2.6.1 , y la aplicación mostrada en 6.3. ABSTRACT This dissertation is an attempt to solve some of the problems found nowadays in the reception of satellite signals under two particular challenging scenarios: Deep Space and Ka-band communications. Deep Space communications require from larger apertures on ground in order to increase the data rate. The option of using single dishes with diameters larger than 35 meters has severe drawbacks. Such antennas are expensive to maintain, prone to long downtimes, difficult to point and have a degraded performance in high frequency bands. The array solution, either with 12 meter or 35 meter antennas is deemed to be the most economically and technically feasible solution. Ka-band communications can also benefit from antenna arraying technology. The smaller aperture antennas that make up the array are easier to point and have a wider field of view allowing multiple simultaneous beams. Besides, site diversity techniques can be replaced by pure combination in order to increase link margin. Combination of far away antennas over a large bandwidth, either because a wideband signal or multiple narrowband signals are received, is a demanding task. This dissertation will show that the use of frequency domain beamformers with subband delay compensation can help to ease calibration requirements and, at the same time, provide with a wider field of view and enhanced equalization capabilities. In order to do so, the work has been focused on three main aspects. The first one is the bibliographic research of previous work on this subject. The second one is the mathematical modeling of the array combination process and the development of new phase/delay estimation algorithms. And the third one is the proposal of new applications in which these techniques can be used. Bibliographic research is mainly done in chapters 1, 2, 4 and 5. Chapter 1 gives a brief introduction to previous work in the field of large aperture antenna arraying. In this chapter, the main fields of application are described and the need for subband delay compensation is established. Filter bank theory is shown in chapter 2; a linear phase uniform modulated filter bank is selected and simulated under diverse conditions. The convergence properties of several adaptive filters are shown in chapter 4. Finally, delay estimation techniques are studied and summarized in chapter 5. From a mathematical point of view, the main contributions of this dissertation have been: • Section 3.1.4. Calculation of beam squint of an IF beamformer with delay compensation at discrete time steps. • Section 3.2. Establishment of a mathematical model of a subband beamformer. • Section 3.2.2. Calculation of beam squint in a subband beamformer with a coarse delay buffer. • Section 3.2.4. Analysis of the influence of internal aliasing on phase and delay subband compensation. • Section 3.2.4.2. Calculation of beam squint of a beamformer with subband delay compensation. • Section 3.2.6. Calculation of the array SNR gain at each of the subbands. • Section 3.3.2. Modeling of the transfer function of an array subject to delay estimation errors. • Section 3.3.3. Modeling of the effects of phase and delay drifts between estimation updates. • Section 3.4. Calculation of array directivity with and without subband delay compensation. • Section 5.2.6. Development of an algorithm to estimate relative delay and phase between two signals from their subband decomposition in stationary environments. • Section 5.5.1. Development of an algorithm to estimate relative delay rate, delay and phase between two signals from their subband decomposition in non stationary environments. The applications that can benefit from these techniques are described in chapter 7: • Section 6.2. Arrays of antennas for Deep Space communications with multibeam capacity and without geometric or group delay calibration requirement. • Section 6.2.6. Wideband antenna arraying over long distances, in the range of thousands of kilometers, for reception of Deep Space probes. • Sections 6.4 y 6.3. Combination of remote stations in Ka-band site diversity scenarios for reception of LEO or GEO satellites. • Section 6.3. Reception of GEO collocated satellites with multibeam antenna arrays. The publications that have been made from the work in this dissertation are • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. This article shows the results in sections 3.2, 3.2.2, 3.3.2, the algorithms in sections 5.2.6, 5.5.1 and the application in section 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. This second article shows among others the results in section 3.2.4, the algorithm in section 5.2.6.1 , and the application in section 6.3.

PV power forecast using a nonparametric PV model

Forecasting the AC power output of a PV plant accurately is important both for plant owners and electric system operators. Two main categories of PV modeling are available: the parametric and the nonparametric. In this paper, a methodology using a nonparametric PV model is proposed, using as inputs several forecasts of meteorological variables from a Numerical Weather Forecast model, and actual AC power measurements of PV plants. The methodology was built upon the R environment and uses Quantile Regression Forests as machine learning tool to forecast AC power with a confidence interval. Real data from five PV plants was used to validate the methodology, and results show that daily production is predicted with an absolute cvMBE lower than 1.3%.

Towards downscaling of aerosol gridded dataset for improving solar resource assessment, an application to Spain

Solar radiation estimates with clear sky models require estimations of aerosol data. The low spatial resolution of current aerosol datasets, with their remarkable drift from measured data, poses a problem in solar resource estimation. This paper proposes a new downscaling methodology by combining support vector machines for regression (SVR) and kriging with external drift, with data from the MACC reanalysis datasets and temperature and rainfall measurements from 213 meteorological stations in continental Spain. The SVR technique was proven efficient in aerosol variable modeling. The Linke turbidity factor (TL) and the aerosol optical depth at 550 nm (AOD 550) estimated with SVR generated significantly lower errors in AERONET positions than MACC reanalysis estimates. The TL was estimated with relative mean absolute error (rMAE) of 10.2% (compared with AERONET), against the MACC rMAE of 18.5%. A similar behavior was seen with AOD 550, estimated with rMAE of 8.6% (compared with AERONET), against the MACC rMAE of 65.6%. Kriging using MACC data as an external drift was found useful in generating high resolution maps (0.05° × 0.05°) of both aerosol variables. We created high resolution maps of aerosol variables in continental Spain for the year 2008. The proposed methodology was proven to be a valuable tool to create high resolution maps of aerosol variables (TL and AOD 550). This methodology shows meaningful improvements when compared with estimated available databases and therefore, leads to more accurate solar resource estimations. This methodology could also be applied to the prediction of other atmospheric variables, whose datasets are of low resolution.

Storage requirements for PV power ramp-rate control

Short-term variability in the power generated by large grid-connected photovoltaic (PV) plants can negatively affect power quality and the network reliability. New grid-codes require combining the PV generator with some form of energy storage technology in order to reduce short-term PV power fluctuation. This paper proposes an effective method in order to calculate, for any PV plant size and maximum allowable ramp-rate, the maximum power and the minimum energy storage requirements alike. The general validity of this method is corroborated with extensive simulation exercises performed with real 5-s one year data of 500 kW inverters at the 38.5 MW Amaraleja (Portugal) PV plant and two other PV plants located in Navarra (Spain), at a distance of more than 660 km from Amaraleja.

SOPHIA CPV module round robin: power rating at CSOC

Within the European funded project SOPHIA, a Round Robin measurement on CPV module has been initiated. Seven different test laboratories located in Europe between 48°N and 37°N perform measurements of four SOITEC CPV modules. The modules are electrically characterized with different measurement equipment under various climatic conditions. One pyrheliometer and one spectral sensor based on component cells are shipped together with the modules. This ensures that the irradiance and spectrum, two factors with high impact on CPV module performance, are measured with the identical equipment at each site. The round robin activity is performed in closeco-operation with the IEC TC82 WG7 power rating team in order to support the work on the CPV module power rating draft standard 62670-3. The resultingrated module power outputs at CSOC (Concentrator Standard Operating Conditions) are compared amongst the power rating methods and amongst the test labs. In this manner, a deviation in rated power output between different test labs and power rating methods is determined.

Mixed-criticality design of a satellite software system

The continuous increment of processors computational power and the requirements on additional functionality and services are motivating a change in the way embedded systems are built. Components with different criticality level are allocated in the same processor, which give rise to mixed-criticality systems. The use of partitioned systems is a way of preventing undesirable interferences between components with different criticality level. An hypervisor provides these partitions or virtual machines, ensuring spatial, temporal and fault isolation between them. The purpose of this paper is to illustrate the development of a mixed-critical system. The attitude control subsystem is used for showing the different steps, which are supported by a toolset developed in the context of the MultiPARTES research project.

3D simulation of complex shading affecting PV systems taking benefit from the power of graphics cards developed for the video game industry

Shading reduces the power output of a photovoltaic (PV) system. The design engineering of PV systems requires modeling and evaluating shading losses. Some PV systems are affected by complex shading scenes whose resulting PV energy losses are very difficult to evaluate with current modeling tools. Several specialized PV design and simulation software include the possibility to evaluate shading losses. They generally possess a Graphical User Interface (GUI) through which the user can draw a 3D shading scene, and then evaluate its corresponding PV energy losses. The complexity of the objects that these tools can handle is relatively limited. We have created a software solution, 3DPV, which allows evaluating the energy losses induced by complex 3D scenes on PV generators. The 3D objects can be imported from specialized 3D modeling software or from a 3D object library. The shadows cast by this 3D scene on the PV generator are then directly evaluated from the Graphics Processing Unit (GPU). Thanks to the recent development of GPUs for the video game industry, the shadows can be evaluated with a very high spatial resolution that reaches well beyond the PV cell level, in very short calculation times. A PV simulation model then translates the geometrical shading into PV energy output losses. 3DPV has been implemented using WebGL, which allows it to run directly from a Web browser, without requiring any local installation from the user. This also allows taken full benefits from the information already available from Internet, such as the 3D object libraries. This contribution describes, step by step, the method that allows 3DPV to evaluate the PV energy losses caused by complex shading. We then illustrate the results of this methodology to several application cases that are encountered in the world of PV systems design. Keywords: 3D, modeling, simulation, GPU, shading, losses, shadow mapping, solar, photovoltaic, PV, WebGL

On the effects of windbreaks on the aerodynamic loads over parabolic solar troughs

Parabolic reflectors, also known as parabolic troughs, are widely used in solar thermal power plants. This kind of power plants is usually located on desert climates, where the combined action of wind and dust can be of paramount importance. In some cases it becomes necessary to protect these devices from the joined wind and sand action, which is normally accomplished through solid windbreaks. In this paper the results of a wind tunnel test campaign, of a scale parabolic trough row having different windward windbreaks, are reported. The windbreaks herein considered consist of a solid wall with an upper porous fence. Different geometrical configurations, varying the solid wall height and the separation between the parabolic trough row and the windbreak have been considered. From the measured time series, both the mean and peak values of the aerodynamic loads were determined. As it would be expected, mean aerodynamic drag, as well as peak values, decrease as the distance between the windbreak and the parabolic increases, and after a threshold value, such drag loads increase with the distance.

Understanding and improving the chemical vapor deposition process for solar grade silicon production

Esta Tesis Doctoral se centra en la investigación del proceso de producción de polisilicio para aplicaciones fotovoltaicas (FV) por la vía química; mediante procesos de depósito en fase vapor (CVD). El polisilicio para la industria FV recibe el nombre de silicio de grado solar (SoG Si). Por un lado, el proceso que domina hoy en día la producción de SoG Si está basado en la síntesis, destilación y descomposición de triclorosilano (TCS) en un reactor CVD -denominado reactor Siemens-. El material obtenido mediante este proceso es de muy alta pureza, pero a costa de un elevado consumo energético. Así, para alcanzar los dos principales objetivos de la industria FV basada en silicio, bajos costes de producción y bajo tiempo de retorno de la energía invertida en su fabricación, es esencial disminuir el consumo energético de los reactores Siemens. Por otro lado, una alternativa al proceso Siemens considera la descomposición de monosilano (MS) en un reactor de lecho fluidizado (FBR). Este proceso alternativo tiene un consumo energético mucho menor que el de un reactor Siemens, si bien la calidad del material resultante es también menor; pero ésta puede ser suficiente para la industria FV. A día de hoy los FBR deben aún abordar una serie de retos para que su menor consumo energético sea una ventaja suficiente comparada con otras desventajas de estos reactores. En resumen, la investigación desarrollada se centra en el proceso de depósito de polysilicio por CVD a partir de TCS -reactor Siemens-; pero también se investiga el proceso de producción de SoG Si en los FBR exponiendo las fortalezas y debilidades de esta alternativa. Para poder profundizar en el conocimiento del proceso CVD para la producción de polisilicio es clave el conocimiento de las reacciones químicas fundamentales y cómo éstas influencian la calidad del producto resultante, al mismo tiempo que comprender los fenómenos responsables del consumo energético. Por medio de un reactor Siemens de laboratorio en el que se llevan a cabo un elevado número de experimentos de depósito de polisilicio de forma satisfactoria se adquiere el conocimiento previamente descrito. Se pone de manifiesto la complejidad de los reactores CVD y de los problemas asociados a la pérdidas de calor de estos procesos. Se identifican las contribuciones a las pérdidas de calor de los reactores CVD, éstas pérdidas de calor son debidas principalmente a los fenómenos de radiación y, conducción y convección vía gases. En el caso de los reactores Siemens el fenómeno que contribuye en mayor medida al alto consumo energético son las pérdidas de calor por radiación, mientras que en los FBRs tanto la radiación como el calor transferido por transporte másico contribuyen de forma importante. Se desarrolla un modelo teórico integral para el cálculo de las pérdidas de calor en reactores Siemens. Este modelo está formado a su vez por un modelo para la evaluación de las pérdidas de calor por radiación y modelos para la evaluación de las pérdidas de calor por conducción y convección vía gases. Se ponen de manifiesto una serie de limitaciones del modelo de pérdidas de calor por radiación, y se desarrollan una serie de modificaciones que mejoran el modelo previo. El modelo integral se valida por medio un reactor Siemens de laboratorio, y una vez validado se presenta su extrapolación a la escala industrial. El proceso de conversión de TCS y MS a polisilicio se investiga mediante modelos de fluidodinámica computacional (CFD). Se desarrollan modelados CFD para un reactor Siemens de laboratorio y para un prototipo FBR. Los resultados obtenidos mediante simulación son comparados, en ambos casos, con resultados experimentales. Los modelos desarrollados se convierten en herramientas para la identificación de aquellos parámetros que tienen mayor influencia en los procesos CVD. En el caso del reactor Siemens, ambos modelos -el modelo integral y el modelado CFD permiten el estudio de los parámetros que afectan en mayor medida al elevado consumo energético, y mediante su análisis se sugieren modificaciones para este tipo de reactores que se traducirían en un menor número de kilovatios-hora consumidos por kilogramo de silicio producido. Para el caso del FBR, el modelado CFD permite analizar el efecto de una serie de parámetros sobre la distribución de temperaturas en el lecho fluidizado; y dicha distribución de temperaturas está directamente relacionada con los principales retos de este tipo de reactores. Por último, existen nuevos conceptos de depósito de polisilicio; éstos se aprovechan de la ventaja teórica de un mayor volumen depositado por unidad de tiempo -cuando una mayor superficie de depósito está disponible- con el objetivo de reducir la energía consumida por los reactores Siemens. Estos conceptos se exploran mediante cálculos teóricos y pruebas en el reactor Siemens de laboratorio. ABSTRACT This Doctoral Thesis comprises research on polysilicon production for photovoltaic (PV) applications through the chemical route: chemical vapor deposition (CVD) process. PV polysilicon is named solar grade silicon (SoG Si). On the one hand, the besetting CVD process for SoG Si production is based on the synthesis, distillation, and decomposition of thriclorosilane (TCS) in the so called Siemens reactor; high purity silicon is obtained at the expense of high energy consumption. Thus, lowering the energy consumption of the Siemens process is essential to achieve the two wider objectives for silicon-based PV technology: low production cost and low energy payback time. On the other hand, a valuable variation of this process considers the use of monosilane (MS) in a fluidized bed reactor (FBR); lower output material quality is obtained but it may fulfil the requirements for the PV industry. FBRs demand lower energy consumption than Siemens reactors but further research is necessary to address the actual challenges of these reactors. In short, this work is centered in polysilicon CVD process from TCS -Siemens reactor-; but it also offers insights on the strengths and weaknesses of the FBR for SoG Si production. In order to aid further development in polysilicon CVD is key the understanding of the fundamental reactions and how they influence the product quality, at the same time as to comprehend the phenomena responsible for the energy consumption. Experiments conducted in a laboratory Siemens reactor prove the satisfactory operation of the prototype reactor, and allow to acquire the knowledge that has been described. Complexity of the CVD reactors is stated and the heat loss problem associated with polysilicon CVD is addressed. All contributions to the energy consumption of Siemens reactors and FBRs are put forward; these phenomena are radiation and, conduction and convection via gases heat loss. In a Siemens reactor the major contributor to the energy consumption is radiation heat loss; in case of FBRs radiation and heat transfer due to mass transport are both important contributors. Theoretical models for radiation, conduction and convection heat loss in a Siemens reactor are developed; shaping a comprehensive theoretical model for heat loss in Siemens reactors. Limitations of the radiation heat loss model are put forward, and a novel contribution to the existing model is developed. The comprehensive model for heat loss is validated through a laboratory Siemens reactor, and results are scaled to industrial reactors. The process of conversion of TCS and MS gases to solid polysilicon is investigated by means of computational fluid-dynamics models. CFD models for a laboratory Siemens reactor and a FBR prototype are developed. Simulated results for both CVD prototypes are compared with experimental data. The developed models are used as a tool to investigate the parameters that more strongly influence both processes. For the Siemens reactors, both, the comprehensive theoretical model and the CFD model allow to identify the parameters responsible for the great power consumption, and thus, suggest some modifications that could decrease the ratio kilowatts-hour per kilogram of silicon produced. For the FBR, the CFD model allows to explore the effect of a number of parameters on the thermal distribution of the fluidized bed; that is the main actual challenge of these type of reactors. Finally, there exist new deposition surface concepts that take advantage of higher volume deposited per time unit -when higher deposition area is available- trying to reduce the high energy consumption of the Siemens reactors. These novel concepts are explored by means of theoretical calculations and tests in the laboratory Siemens prototype.

Temperature of solar cells with regard to photoactive and non-photoactive light absorption in concentrator PV modules

A new method has recently been proposed by us for accurate measurement of the solar cell temperature in any operational regime, in particular, at a maximum power point (MPP) of the I-V curve (T-p-n(MPP)). For this, fast switching of a cell from MPP to open circuit (OC) regime is carried out and open circuit voltage V-oc is measured immediately (within about 1 millisecond), so that this value becomes to be an indicator of T-p-n(MPP). In the present work, we have considered a practical case, when a solar cell is heated not only by absorption of light incident upon its surface (called "photoactive" absorption of power), but also by heat transferred from structural elements surrounding the cell and heated by absorption of direct or diffused sunlight ("non-photoactive" absorption of power with respect to a solar cell). This process takes place in any concentrator module with non-ideal concentrators. Low overheating temperature of the p-n junction (or p-n junctions in a multijunction cell) is a cumulative parameter characterizing the quality of a solar module by the factor of heat removal effectiveness and, at the same time, by the factor of low "non-photoactive" losses.

Frequency control support of a wind-solar isolated system by a hydropower plant with long tail-race tunnel

Pumped storage hydro plants (PSHP) can provide adequate energy storage and frequency regulation capacities in isolated power systems having significant renewable energy resources. Due to its high wind and solar potential, several plans have been developed for La Palma Island in the Canary archipelago, aimed at increasing the penetration of these energy sources. In this paper, the performance of the frequency control of La Palma power system is assessed, when the demand is supplied by the available wind and solar generation with the support of a PSHP which has been predesigned for this purpose. The frequency regulation is provided exclusively by the PSHP. Due to topographic and environmental constraints, this plant has a long tail-race tunnel without a surge tank. In this configuration, the effects of pressure waves cannot be neglected and, therefore, usual recommendations for PID governor tuning provide poor performance. A PI governor tuning criterion is proposed for the hydro plant and compared with other criteria according to several performance indices. Several scenarios considering solar and wind energy penetration have been simulated to check the plant response using the proposed criterion. This tuning of the PI governor maintains La Palma system frequency within grid code requirements.

Aplicación de la energía solar térmica en una incubadora comercial de perdiz roja y supervisión de la actividad biológica mediante sensores inteligentes

La perdiz roja es la especie cinegética por excelencia en la península ibérica, cuya cría en cautividad y suelta controlada comenzó a regularse en los años 70 con la aparición del ICONA. La incubación controlada de huevos de perdiz es imprescindible, con fines cinegéticos y de preservación de la especie, y se desarrolla con incubadoras comerciales de pequeña y mediana escala, distribuidas en zonas rurales con acceso limitado y/o deficiente al suministro eléctrico. En nuestras latitudes el aporte de energía solar térmica se perfila como una posibilidad de mejorar la eficiencia energética de éstas y otras instalaciones y de reducir la dependencia energética exterior. Hay diversos factores físico-químicos que influyen en la calidad de la incubación: temperatura, humedad relativa, y concentración de gases, de los cuales sólo los dos primeros son habitualmente supervisados y controlados en este tipo de incubadoras. Esta Tesis surge en el marco de dos proyectos de cooperación con la AECID, y tiene como objetivos: la caracterización espacial de variables relevantes (temperatura (T), humedad relativa (HR)) en la incubadora comercial durante el proceso de incubación, la determinación de la relación existente entre la evolución de variables ambientales durante el proceso de incubación y la tasa de nacimientos (35-77%), así como el diseño y evaluación del sistema de apoyo solar térmico para determinar su potencial de utilización durante las incubaciones comerciales. La instalación de un número limitado de sensores permite la monitorización precisa del proceso de incubación de los huevos. Los resultados más relevantes indican que en incubaciones comerciales los gradientes de T y HR han sido despreciables (1ºC de diferencia entre las posiciones con mayor y menor T media y un 4,5% de diferencia entre las posiciones con mayor y menor HR), mientras que el seguimiento y ajuste (mediante modelos de crecimiento) de la concentración de CO2 (r2 entre 0,948 y 0,987 en las 5 incubaciones, para un total de 43315 huevos) permite valorar la actividad fisiológica de los huevos e incluso predecir la tasa de éxito (nacimientos), basándose en la concentración de CO2 estimada mediante modelos de crecimiento en el día 20 de incubación (r2 entre 0,997 y 0,994 según el modelo de estimación empleado). El sistema ha sido valorado muy positivamente por los productores (Finca Cinegética Dehesa Vieja de Galapagar). El aporte térmico se ha diseñado (con mínima intrusión en el sistema comercial) sobre la base de un sistema de enfriamiento de emergencia original de la incubadora, al que se han incorporado un colector solar, un depósito, un sistema de electroválvulas, una bomba de circulación y sensores de T en distintos puntos del sistema, y cuyo control ha sido automatizado. En esta Tesis se muestra que la contribución solar puede aportar hasta un 42% de las demandas de energía en nuestras condiciones geográficas para una temperatura de consigna dentro de la incubadora de 36.8ºC, sin afectar a la estabilidad de la temperatura. Además, el rendimiento del colector solar se ha acotado entre un 44% y un 85%, de acuerdo con los cálculos termodinámicos; valores que se mantienen dentro del rango aportado por el fabricante (61%). En el futuro se plantea evaluar el efecto de distintas estrategias de control, tales como controladores difusos, que incorporan el conocimiento experto al control automático. ABSTRACT The partridge is the quintessential game species in the Iberian Peninsula, which controlled breeding and release, began to be regulated in the 70s with the emergence of ICONA. The controlled incubation of eggs is essential, and takes place in commercial incubators of small and medium scale, distributed in rural areas with limited and/or inadequate access to power. In our latitudes the contribution of solar thermal energy is emerging as a possibility to improve the energy efficiency of the facilities and to reduce external energy dependence. There are various physicochemical factors influencing the quality of incubation: temperature, relative humidity and concentration of gases, of which only the first two are typically monitored and controlled in such incubators. This PhD comes within the framework of two cooperation projects with AECID and aims: the spatial characterization of relevant variables in a commercial incubator (temperature (T), and relative humidity (HR)), determining the relationships in the changes in environmental variables during incubation and birth rates (35-77%) as well as the design and evaluation of solar thermal support system to determine its potential use during commercial incubations; the installation of a limited number of sensors has allowed accurate monitoring of incubation of eggs. The most relevant results indicate that in commercial incubations, the gradients in T and HR have been negligible (1°C difference between the highest and lowest positions T and average 4.5% difference between the highest and lowest positions HR), while monitoring and fit using growth models of the concentration of CO2 (r2 between 0.948 and 0.987 in 5 incubations, for a total amount of 43,315 eggs) allows assessing the physiological activity of the eggs and even predict the success rate (hatchability), based on the estimated concentration of CO2 by using growth models on day 20 of incubation (r2 between 0.997 and 0.994 depending on the fit model).The system has been highly valued by producers (Finca Cinegética Dehesa Vieja de Galapagar). The hybrid heat system is designed (with minimal intrusion into the commercial system) based on an emergency cooling device, original in the incubator. New elements have been incorporated: a solar collector, a tank, a system of solenoid valves, a circulating pump and T sensors at various points of the system, whose control has been automated. This PhD shows that the solar contribution is responsible for up to 42% of energy demands in our geographical conditions for a setpoint temperature inside the incubator of 36.8ºC, without questioning the stability of the temperature. Furthermore, the efficiency of the solar collector has been bounded between 44% and 85%, according to thermodynamic calculations; values remain within the range provided by the manufacturer (61%). In the future it is proposed to evaluate the effect of different control strategies, such as fuzzy controllers, which incorporate the expertise to automated control.

Thermal control of SUNRISE, a balloon-borne solar telescope

SUNRISE is a balloon-borne solar telescope flown with a long-duration balloon by NASA's Columbia Scientific Balloon Facility team from Esrange (Swedish Space Corporation), on 8 June 2009. SUNRISE has been a challenging mission from the thermal point of view because of its size and power dissipation. Thus, a dedicated thermal analysis has been carried out to find a solution that allows all the devices to be kept within their appropriate temperature ranges, without exceeding the allowable temperature gradients, critical for optical devices. In this article, the thermal design of SUNRISE is described. A geometrical mathematical model and a thermal mathematical model of the whole system have been set up for the different load cases in order to obtain the temperature distribution and gradients in the system. Some trade-offs have been necessary to fulfil all the thermal requirements. The thermal hardware used to achieve it is described. Finally, the temperatures obtained with the models have been compared with flight data.

Thermal control of SUNRISE, a balloon-borne solar telescope

SUNRISE is a balloon-borne solar telescope flown with a long-duration balloon by NASA's Columbia Scientific Balloon Facility team from Esrange (Swedish Space Corporation), on 8 June 2009. SUNRISE has been a challenging mission from the thermal point of view because of its size and power dissipation. Thus, a dedicated thermal analysis has been carried out to find a solution that allows all the devices to be kept within their appropriate temperature ranges, without exceeding the allowable temperature gradients, critical for optical devices. In this article, the thermal design of SUNRISE is described. A geometrical mathematical model and a thermal mathematical model of the whole system have been set up for the different load cases in order to obtain the temperature distribution and gradients in the system. Some trade-offs have been necessary to fulfil all the thermal requirements. The thermal hardware used to achieve it is described. Finally, the temperatures obtained with the models have been compared with flight data.