MOVPE growth of III-V semiconductors on silicon for third generation solar cells

Esta Tesis trata sobre el desarrollo y crecimiento -mediante tecnología MOVPE (del inglés: MetalOrganic Vapor Phase Epitaxy)- de células solares híbridas de semiconductores III-V sobre substratos de silicio. Esta integración pretende ofrecer una alternativa a las células actuales de III-V, que, si bien ostentan el récord de eficiencia en dispositivos fotovoltaicos, su coste es, a día de hoy, demasiado elevado para ser económicamente competitivo frente a las células convencionales de silicio. De este modo, este proyecto trata de conjugar el potencial de alta eficiencia ya demostrado por los semiconductores III-V en arquitecturas de células fotovoltaicas multiunión con el bajo coste, la disponibilidad y la abundancia del silicio. La integración de semiconductores III-V sobre substratos de silicio puede afrontarse a través de diferentes aproximaciones. En esta Tesis se ha optado por el desarrollo de células solares metamórficas de doble unión de GaAsP/Si. Mediante esta técnica, la transición entre los parámetros de red de ambos materiales se consigue por medio de la formación de defectos cristalográficos (mayoritariamente dislocaciones). La idea es confinar estos defectos durante el crecimiento de sucesivas capas graduales en composición para que la superficie final tenga, por un lado, una buena calidad estructural, y por otro, un parámetro de red adecuado. Numerosos grupos de investigación han dirigido sus esfuerzos en los últimos años en desarrollar una estructura similar a la que aquí proponemos. La mayoría de éstos se han centrado en entender los retos asociados al crecimiento de materiales III-V, con el fin de conseguir un material de alta calidad cristalográfica. Sin embargo, prácticamente ninguno de estos grupos ha prestado especial atención al desarrollo y optimización de la célula inferior de silicio, cuyo papel va a ser de gran relevancia en el funcionamiento de la célula completa. De esta forma, y con el fin de completar el trabajo hecho hasta el momento en el desarrollo de células de III-V sobre silicio, la presente Tesis se centra, fundamentalmente, en el diseño y optimización de la célula inferior de silicio, para extraer su máximo potencial. Este trabajo se ha estructurado en seis capítulos, ordenados de acuerdo al desarrollo natural de la célula inferior. Tras un capítulo de introducción al crecimiento de semiconductores III-V sobre Si, en el que se describen las diferentes alternativas para su integración; nos ocupamos de la parte experimental, comenzando con una extensa descripción y caracterización de los substratos de silicio. De este modo, en el Capítulo 2 se analizan con exhaustividad los diferentes tratamientos (tanto químicos como térmicos) que deben seguir éstos para garantizar una superficie óptima sobre la que crecer epitaxialmente el resto de la estructura. Ya centrados en el diseño de la célula inferior, el Capítulo 3 aborda la formación de la unión p-n. En primer lugar se analiza qué configuración de emisor (en términos de dopaje y espesor) es la más adecuada para sacar el máximo rendimiento de la célula inferior. En este primer estudio se compara entre las diferentes alternativas existentes para la creación del emisor, evaluando las ventajas e inconvenientes que cada aproximación ofrece frente al resto. Tras ello, se presenta un modelo teórico capaz de simular el proceso de difusión de fosforo en silicio en un entorno MOVPE por medio del software Silvaco. Mediante este modelo teórico podemos determinar qué condiciones experimentales son necesarias para conseguir un emisor con el diseño seleccionado. Finalmente, estos modelos serán validados y constatados experimentalmente mediante la caracterización por técnicas analíticas (i.e. ECV o SIMS) de uniones p-n con emisores difundidos. Uno de los principales problemas asociados a la formación del emisor por difusión de fósforo, es la degradación superficial del substrato como consecuencia de su exposición a grandes concentraciones de fosfina (fuente de fósforo). En efecto, la rugosidad del silicio debe ser minuciosamente controlada, puesto que éste servirá de base para el posterior crecimiento epitaxial y por tanto debe presentar una superficie prístina para evitar una degradación morfológica y cristalográfica de las capas superiores. En este sentido, el Capítulo 4 incluye un análisis exhaustivo sobre la degradación morfológica de los substratos de silicio durante la formación del emisor. Además, se proponen diferentes alternativas para la recuperación de la superficie con el fin de conseguir rugosidades sub-nanométricas, que no comprometan la calidad del crecimiento epitaxial. Finalmente, a través de desarrollos teóricos, se establecerá una correlación entre la degradación morfológica (observada experimentalmente) con el perfil de difusión del fósforo en el silicio y por tanto, con las características del emisor. Una vez concluida la formación de la unión p-n propiamente dicha, se abordan los problemas relacionados con el crecimiento de la capa de nucleación de GaP. Por un lado, esta capa será la encargada de pasivar la subcélula de silicio, por lo que su crecimiento debe ser regular y homogéneo para que la superficie de silicio quede totalmente pasivada, de tal forma que la velocidad de recombinación superficial en la interfaz GaP/Si sea mínima. Por otro lado, su crecimiento debe ser tal que minimice la aparición de los defectos típicos de una heteroepitaxia de una capa polar sobre un substrato no polar -denominados dominios de antifase-. En el Capítulo 5 se exploran diferentes rutinas de nucleación, dentro del gran abanico de posibilidades existentes, para conseguir una capa de GaP con una buena calidad morfológica y estructural, que será analizada mediante diversas técnicas de caracterización microscópicas. La última parte de esta Tesis está dedicada al estudio de las propiedades fotovoltaicas de la célula inferior. En ella se analiza la evolución de los tiempos de vida de portadores minoritarios de la base durante dos etapas claves en el desarrollo de la estructura Ill-V/Si: la formación de la célula inferior y el crecimiento de las capas III-V. Este estudio se ha llevado a cabo en colaboración con la Universidad de Ohio, que cuentan con una gran experiencia en el crecimiento de materiales III-V sobre silicio. Esta tesis concluye destacando las conclusiones globales del trabajo realizado y proponiendo diversas líneas de trabajo a emprender en el futuro. ABSTRACT This thesis pursues the development and growth of hybrid solar cells -through Metal Organic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE)- formed by III-V semiconductors on silicon substrates. This integration aims to provide an alternative to current III-V cells, which, despite hold the efficiency record for photovoltaic devices, their cost is, today, too high to be economically competitive to conventional silicon cells. Accordingly, the target of this project is to link the already demonstrated efficiency potential of III-V semiconductor multijunction solar cell architectures with the low cost and unconstrained availability of silicon substrates. Within the existing alternatives for the integration of III-V semiconductors on silicon substrates, this thesis is based on the metamorphic approach for the development of GaAsP/Si dual-junction solar cells. In this approach, the accommodation of the lattice mismatch is handle through the appearance of crystallographic defects (namely dislocations), which will be confined through the incorporation of a graded buffer layer. The resulting surface will have, on the one hand a good structural quality; and on the other hand the desired lattice parameter. Different research groups have been working in the last years in a structure similar to the one here described, being most of their efforts directed towards the optimization of the heteroepitaxial growth of III-V compounds on Si, with the primary goal of minimizing the appearance of crystal defects. However, none of these groups has paid much attention to the development and optimization of the bottom silicon cell, which, indeed, will play an important role on the overall solar cell performance. In this respect, the idea of this thesis is to complete the work done so far in this field by focusing on the design and optimization of the bottom silicon cell, to harness its efficiency. This work is divided into six chapters, organized according to the natural progress of the bottom cell development. After a brief introduction to the growth of III-V semiconductors on Si substrates, pointing out the different alternatives for their integration; we move to the experimental part, which is initiated by an extensive description and characterization of silicon substrates -the base of the III-V structure-. In this chapter, a comprehensive analysis of the different treatments (chemical and thermal) required for preparing silicon surfaces for subsequent epitaxial growth is presented. Next step on the development of the bottom cell is the formation of the p-n junction itself, which is faced in Chapter 3. Firstly, the optimization of the emitter configuration (in terms of doping and thickness) is handling by analytic models. This study includes a comparison between the different alternatives for the emitter formation, evaluating the advantages and disadvantages of each approach. After the theoretical design of the emitter, it is defined (through the modeling of the P-in-Si diffusion process) a practical parameter space for the experimental implementation of this emitter configuration. The characterization of these emitters through different analytical tools (i.e. ECV or SIMS) will validate and provide experimental support for the theoretical models. A side effect of the formation of the emitter by P diffusion is the roughening of the Si surface. Accordingly, once the p-n junction is formed, it is necessary to ensure that the Si surface is smooth enough and clean for subsequent phases. Indeed, the roughness of the Si must be carefully controlled since it will be the basis for the epitaxial growth. Accordingly, after quantifying (experimentally and by theoretical models) the impact of the phosphorus on the silicon surface morphology, different alternatives for the recovery of the surface are proposed in order to achieve a sub-nanometer roughness which does not endanger the quality of the incoming III-V layers. Moving a step further in the development of the Ill-V/Si structure implies to address the challenges associated to the GaP on Si nucleation. On the one hand, this layer will provide surface passivation to the emitter. In this sense, the growth of the III-V layer must be homogeneous and continuous so the Si emitter gets fully passivated, providing a minimal surface recombination velocity at the interface. On the other hand, the growth should be such that the appearance of typical defects related to the growth of a polar layer on a non-polar substrate is minimized. Chapter 5 includes an exhaustive study of the GaP on Si nucleation process, exploring different nucleation routines for achieving a high morphological and structural quality, which will be characterized by means of different microscopy techniques. Finally, an extensive study of the photovoltaic properties of the bottom cell and its evolution during key phases in the fabrication of a MOCVD-grown III-V-on-Si epitaxial structure (i.e. the formation of the bottom cell; and the growth of III-V layers) will be presented in the last part of this thesis. This study was conducted in collaboration with The Ohio State University, who has extensive experience in the growth of III-V materials on silicon. This thesis concludes by highlighting the overall conclusions of the presented work and proposing different lines of work to be undertaken in the future.

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.

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.

Caracterización teórica y experimental de un reactor de lecho fluidizado para operaciones de termoquímica solar

El objetivo del presente trabajo es la caracterización, tanto teórica como experimental, de un reactor de lecho fluidizado para operaciones de termoquímica solar. En el apartado experimental se emplea un reactor de lecho fluidizado cedido por el CIEMAT. Para la parte numérica, se realiza un análisis óptico-energético y un estudio termofluidodinámico (dinámica de fluidos computacional, DFC). Se llevan a cabo ensayos en frío y en caliente para la parte experimental. Los ensayos en frío tienen el objetivo de demostrar la teoría establecida de fluidización, usando partículas de alúmina y ferritas de níquel. Los ensayos en caliente se realizan para observar el comportamiento de un reactor de lecho fluidizado irradiado. Se emplean partículas de carburo de silicio (SiC) y ferritas de níquel. El análisis óptico-energético se realiza usando el software de trazado de rayos TracePro. La simulación se hace con partículas de α-SiC. Las propiedades del material se obtienen con un software adicional. Por otra parte, el estudio DFC se realiza con una licencia académica de Ansys Fluent. Se hacen 2 simulaciones de un modelo euleriano de 2 fases, sin condiciones de calor y con 2 paredes con una temperatura fijada.

Diseño de sistema de orientación automática para energía solar

El sistema energético mundial actual es insostenible a largo plazo debido a la fuerte presencia de los combustibles fósiles. Es por ello que se está llevando a cabo gradualmente un proceso de cambio de modelo energético, teniendo como base la incorporación de las energías renovables. Dentro de este tipo de energías la energía solar, tanto fotovoltaica como de concentración, es una de las tecnologías con más crecimiento y potencial en el futuro. Las mejoras en materiales y dispositivos en energía solar permiten la reducción de costes y la mejora de la eficiencia causando un aumento en la competitividad de esta tecnología. El objetivo de este proyecto es el de diseñar y construir un sistema de orientación solar electrónico. Para ello será necesario la utilización de sensores de luminosidad, un controlador y un motor eléctrico. El sistema detectará el punto de mayor intensidad lumínica y orientará la superficie de una placa hacia este punto. El proyecto se desarrollará empleando la plataforma Arduino, una serie de micro procesadores de libre acceso destinados al uso en aplicaciones de electrónica general en el ámbito educativo y de bajo coste. Todo el sistema estará dirigido por un programa que controlará las lecturas de luz y el movimiento del motor.

Determinación y caracterización de los indicadores que intervienen en un sistema integral de iluminación natural y protección solar : aplicado a la incorporación de bandejas en los huecos de fachadas existentes

En esta tesis se estudia cómo lograr el equilibrio entre dos fenómenos naturales que afectan a los huecos de fachadas: la iluminación natural y la ganancia solar. Es decir, el cómo, conseguir la optimización de la iluminación natural que se introduce a través de las ventanas existentes, sin realizar una laboriosa intervención de sustitución de las mismas y el cómo, conseguir la protección de la radiación solar directa de la zona acristalada, para evitar tanto las ganancias térmicas innecesarias como el deslumbramiento que afecta a la calidad lumínica de los recintos. Para el desarrollo esta investigación se ha propuesto una metodología de estudio dividida en dos fases: La primera, de Análisis y Diagnóstico, en la que se han de definir los estándares a cumplir y las variables con las que se evaluarán las bandejas. Y, la segunda, de Evaluación y Comprobación en la que se han de establecer los criterios de valoración y ponderación de cada variable. En la primera fase, se definirán las variables físico-ambientales, para lo que se seleccionarán algunas ciudades a estudiar, a las cuales se les estudiará las necesidades de confort térmico, se determinarán las dimensiones que deben tener las protecciones solares en esas ciudades, además se determinarán las actuaciones a realizar en los huecos de fachada según sea su posición en el plano vertical de la misma. Así mismo, se plantea hacer un análisis de casos reales, para lo que se caracterizarán desde el punto de vista lumínico algunas viviendas, realizando medidas “in situ” y comparando resultados con los que se obtienen de los programas de simulación, para seleccionar las viviendas en las que la realidad y la simulación se aproximen más, una de estas viviendas servirá de modelo en las simulaciones que se realizará en la segunda fase. También, en esta primera fase, mediante un modelo neutro, se estudiará el comportamiento térmico y lumínico del tamaño del hueco en el que se insertará la bandeja posteriormente, para luego estudiar la posición de la bandeja en el plano vertical de la ventana, desde el punto de vista ergonómico. Y finalmente se estudiará, el comportamiento térmico y lumínico del modelo con la bandeja ubicada a 40, 50 y 60cm del techo. En la segunda fase, se establecerá la valoración y ponderación de las variables con las que seleccionar la bandeja que mejor equilibre los aspectos térmicos y lumínicos, teniendo en cuenta estrategias pasivas de acondicionamiento ambiental, como favorecer las ganancias solares en invierno en horas diurnas y evitar las pérdidas de calor en horas nocturnas; y en verano implementar sistemas de sombreamiento en la zona acristalada para evitar las ganancias de calor; y, tanto en verano como en invierno, aprovechar la iluminación natural, para favorecer la iluminancia útil y evitar el deslumbramiento. Una vez definidos los criterios de valoración y ponderación se aplicará a la evaluación térmica y lumínica del modelo neutro con la bandeja, consiguiendo seleccionar la bandeja con mejor comportamiento. Posteriormente se comprobará la metodología de estudio desarrollada en el modelo seleccionado, se evaluará el comportamiento térmico y lumínico, con la incorporación de algunas alternativas de bandeja. Con esta investigación se quiere demostrar que mediante la aplicación de esta metodología de estudio, es posible evaluar y seleccionar bandejas que respondan a las necesidades requeridas en distintos casos de estudio, por lo que se considera que, la bandeja puede ser un elemento arquitectónico aplicable tanto en rehabilitación como en nueva construcción, de espacios en los que sea necesario mejorar sus condiciones lumínicas y térmicas simultáneamente. ABSTRACT This thesis studies how to balance two natural events that affect the window opening of facades: daylighting and solar gain. That is to say, how to achieve optimization of natural light that gets in through the existing windows, without making a laborious intervention of replacing them and how to get protection from direct solar radiation from the glass area, to avoid unnecessary heat gain and glare affecting the light quality of the enclosures. To develop this research, it has been proposed a methodology of study divided into two phases: First phase, Analysis and Diagnostics, in which the variables with which the light shelf are evaluated will be defined along with the standards the light shelves will meet. The second phase, Assessment and Verification, in which the assessment criteria and weighting of each variable will be established. In the first phase, the physical and environmental variables shall be defined, various cities will be selected to be studied, and in each the needs of thermal comfort will be determined along with the dimensions of shading devices in the cities. In addition the actions to be taken in the window opening of the façade will be determined, depending on their position in the vertical plane. An analysis of real cases will be undertaken, which will be characterized from the luminous point of view, performing "in situ" measurements and comparing results with those obtained from simulation programs, to select places/dwellings where reality and simulation are closer, one of these places/dwellings will be a model, in the simulations to perform at the second phase. Also, in this first phase, by a neutral model, the thermal and light behavior of the size of the window opening will be studied, in which the light shelf is inserted later, the position of the light shelf in the vertical plane of the window is studied, from an ergonomic point of view. And finally to study the thermal and light behavior of the model with the light shelf located at 40, 50 and 60cm from the ceiling. In the second phase, the evaluation and weighting of the variables will be established selecting the light shelf that best balances the thermal and daylighting aspects, taking into account passive environmental conditioning strategies; such as getting solar gains in winter during daylight hours, and preventing heat loss during the night hours; and in summer implementing shading systems in the glazing area to avoid heat gains. And in both summer and winter, taking advantage of natural lighting, to improve useful illuminance and avoid glare. Once defined, the evaluation criteria and weighting will be applied to thermal and daylighting evaluation to the neutral model with the light shelf, the best performing light shelf will be selected. The study methodology developed in the selected model will be verified the thermal and daylighting performance with the addition of some light shelf alternative will also be studied. With this research, we want to show that by applying this study methodology it is possible to evaluate and select the light shelf that meets the needs required in different case studies, so it is considered that the light shelf may be an applicable architectural element in both refurbishment and new construction of spaces where necessary to improve their daylighting and thermal conditions simultaneously.

Incorporação do espalhamento Compton no modelo de TBC modificado

No último século, houve grande avanço no entendimento das interações das radiações com a matéria. Essa compreensão se faz necessária para diversas aplicações, entre elas o uso de raios X no diagnóstico por imagens. Neste caso, imagens são formadas pelo contraste resultante da diferença na atenuação dos raios X pelos diferentes tecidos do corpo. Entretanto, algumas das interações dos raios X com a matéria podem levar à redução da qualidade destas imagens, como é o caso dos fenômenos de espalhamento. Muitas abordagens foram propostas para estimar a distribuição espectral de fótons espalhados por uma barreira, ou seja, como no caso de um feixe de campo largo, ao atingir um plano detector, tais como modelos que utilizam métodos de Monte Carlo e modelos que utilizam aproximações analíticas. Supondo-se um espectro de um feixe primário que não interage com nenhum objeto após sua emissão pelo tubo de raios X, este espectro é, essencialmente representado pelos modelos propostos anteriormente. Contudo, considerando-se um feixe largo de radiação X, interagindo com um objeto, a radiação a ser detectada por um espectrômetro, passa a ser composta pelo feixe primário, atenuado pelo material adicionado, e uma fração de radiação espalhada. A soma destas duas contribuições passa a compor o feixe resultante. Esta soma do feixe primário atenuado, com o feixe de radiação espalhada, é o que se mede em um detector real na condição de feixe largo. O modelo proposto neste trabalho visa calcular o espectro de um tubo de raios X, em situação de feixe largo, o mais fidedigno possível ao que se medem em condições reais. Neste trabalho se propõe a discretização do volume de interação em pequenos elementos de volume, nos quais se calcula o espalhamento Compton, fazendo uso de um espectro de fótons gerado pelo Modelo de TBC, a equação de Klein-Nishina e considerações geométricas. Por fim, o espectro de fótons espalhados em cada elemento de volume é somado ao espalhamento dos demais elementos de volume, resultando no espectro total espalhado. O modelo proposto foi implementado em ambiente computacional MATLAB® e comparado com medições experimentais para sua validação. O modelo proposto foi capaz de produzir espectros espalhados em diferentes condições, apresentando boa conformidade com os valores medidos, tanto em termos quantitativos, nas quais a diferença entre kerma no ar calculado e kerma no ar medido é menor que 10%, quanto qualitativos, com fatores de mérito superiores a 90%.

Gaseificação de microalgas: estudo termogravimétrico e modelagem matemática do processo em reator solar.

Devido ao esgotamento de recursos não renováveis e o aumento das preocupações sobre as alterações climáticas, a produção de combustível renovável a partir de microalgas continua a atrair muita a atenção devido ao seu potencial para taxas rápidas de crescimento, alto teor de óleo, capacidade de crescer em cenários não convencionais e a neutralidade de carbono, além de eliminar a preocupação da disputa com as culturas alimentares. Em virtude disso, torna-se importante o desenvolvimento de um processo de conversão das microalgas em gás combustível, em destaque o gás de síntese. Visando essa importância, estudou-se a reação de gaseificação da microalga Chlorella vulgaris através de experimentos de análise termogravimétrica para estimar os parâmetros cinéticos das reações e através da simulação de um modelo matemático dinâmico termoquímico do processo usando equações de conservação de massa e energia acoplados a cinética de reação. Análises termogravimétricas isotérmicas e dinâmicas foram realizadas usando dois diferentes tipos de modelos cinéticos: isoconversionais e reações paralelas independentes (RPI). Em ambos os modelos, os valores dos parâmetros cinéticos estimados apresentaram bons ajustes e permaneceram dentro daqueles encontrados na literatura. Também foram analisados os efeitos dos parâmetros cinéticos do modelo RPI sobre a conversão da microalga no intuito de observar quais mais se pronunciavam diante a variação de valores. Na etapa de simulação do sistema controlado pelo reator solar, o modelo matemático desenvolvido foi validado por meio da comparação dos valores de temperatura e concentrações de produtos obtidos medidos experimentalmente pela literatura, apresentando boa aproximação nos valores e viabilizando, juntamente com a etapa experimental de termogravimetria, a produção de gás de síntese através da gaseificação da microalga Chlorella vulgaris.

Adaptabilidad de la energía solar fotovoltaica sobre fachadas urbanas

La integración de energía solar fotovoltaica en edificios es una estrategia energética y medioambiental acreditada con un futuro muy prometedor. Para su promoción, tan importantes son los incentivos económicos, el desarrollo legislativo y las mejoras tecnológicas, como la investigación en nuevas herramientas de simulación y análisis que sirvan de apoyo en el diseño de nuevas estrategias energéticas y medioambientales. La tesis pretende contribuir en esta labor de difusión, planteándose cómo incide la radiación solar sobre los entornos urbanos, con la finalidad de generar un procedimiento que obtenga el potencial de integración de energía solar fotovoltaica en fachadas. Se trabajará para lograr un método simplificado de simulación y cálculo de la energía producida en base a sistema de información geográfica (SIG), con la capacidad de generar mapas solares que muestren el potencial de integración arquitectónica fotovoltaica sobre fachadas a partir de la cartografía catastral. El nombre asignado para este método es AdaptaSolar. Con este objetivo se ha desarrollado la presente tesis que se estructura en seis capítulos, más las conclusiones y anexos, con los que se pretende definir y desarrollar el tema de tesis planteado. El primer capítulo, realiza una visión general sobre la integración arquitectónica de los sistemas fotovoltaicos, junto con el planteamiento y objetivos de la tesis. El segundo capítulo, plasma una revisión profunda sobre del estado actual de los temas relacionados con el planteamiento y objeto de esta tesis: estimación de la radiación solar, estimación de la radiación solar sobre fachadas y estudio del potencial de integración arquitectónica fotovoltaica en fachadas. El capítulo tres, de carácter teórico, recoge un análisis general sobre la energía solar fotovoltaica, desde el efecto fotovoltaico hasta las aplicaciones e instalación, sin perder de vista los objetivos generales marcados en la tesis. Destaca, sobre todo, la catalogación de las tecnologías fotovoltaicas más prometedoras, además, de la recopilación y análisis de los factores más importantes que influyen en la captación fotovoltaica. El capítulo cuatro, también de carácter teórico, profundiza en el modo en el que la radiación solar incide sobre la superficie terrestre, analizando la naturaleza de la radiación solar y la geometría del sistema solar. Destaca el exhaustivo análisis de los principales métodos de cálculo para la estimación de la radiación solar sobre superficies horizontales e inclinadas, especialmente, la recopilación de modelos numéricos para la estimación de la irradiación difusa. El capítulo cinco, desarrolla el concepto de integración fotovoltaica en edificios, sus principales características y las ventajas que reporta. Además, realiza un análisis muy interesante sobre la situación actual de la integración fotovoltaica en edificios en España. Por último, incluye una selección de los proyectos más relevantes de integración arquitectónica. El capítulo seis, desarrolla el método planteado para la evaluación de la adaptabilidad de energía solar fotovoltaica en entonos urbanos, objeto de la tesis. Siendo éste, por tanto, el capítulo más experimental y significativo de la misma. Este capítulo está dividido en seis subapartados, siendo los dos primeros la introducción y el modelo geométrico planteado para el desarrollo del método. Los tres siguientes apartados, muestra el desarrollo del método en tres fases consecutivas: estimación de la insolación, la radiación y el potencial de integración de sistemas fotovoltaicos sobre fachada. En cada uno de estos apartados, se realiza la correspondiente validación y análisis de resultados, mediante la generación de una serie de gráficas que muestran el comportamiento anual del sol sobre las fachadas y el efecto adverso del sombreado entre edificios. El sexto apartado de este capítulo, detalla los pasos seguidos para efectuar la implementación del método experimental en el SIG, desde la preparación y obtención de los datos cartográficos de partida, hasta el desarrollo y ejecución del algoritmo principal. Además se muestran los resultados obtenidos para un área urbana concreta de la ciudad de Madrid. Por último, el capítulo siete recoge las conclusiones más importantes del trabajo y propone una serie de líneas de investigación futuras que se consideran relevantes para la continuidad del método planteado en la tesis.

Avaliação do desempenho do sistema de mini-geração fotovoltaico na Faculdade de Ciências

Tese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016

Não-extensividade no contexto da atividade magnética solar: o problema da assimetria hemisférica

Solar activity indicators, each as sunspot numbers, sunspot area and flares, over the Sun’s photosphere are not considered to be symmetric between the northern and southern hemispheres of the Sun. This behavior is also known as the North-South Asymmetry of the different solar indices. Among the different conclusions obtained by several authors, we can point that the N-S asymmetry is a real and systematic phenomenon and is not due to random variability. In the present work, the probability distributions from the Marshall Space Flight Centre (MSFC) database are investigated using a statistical tool arises from well-known Non-Extensive Statistical Mechanics proposed by C. Tsallis in 1988. We present our results and discuss their physical implications with the help of theoretical model and observations. We obtained that there is a strong dependence between the nonextensive entropic parameter q and long-term solar variability presents in the sunspot area data. Among the most important results, we highlight that the asymmetry index q reveals the dominance of the North against the South. This behavior has been discussed and confirmed by several authors, but in no time they have given such behavior to a statistical model property. Thus, we conclude that this parameter can be considered as an effective measure for diagnosing long-term variations of solar dynamo. Finally, our dissertation opens a new approach for investigating time series in astrophysics from the perspective of non-extensivity.

Análise wavelet e modelo de manchas em curvas de luz estelares dos telescópios espaciais Kepler e CoRoT

Analogous to sunspots and solar photospheric faculae, which visibility is modulated by stellar rotation, stellar active regions consist of cool spots and bright faculae caused by the magnetic field of the star. Such starspots are now well established as major tracers used to estimate the stellar rotation period, but their dynamic behavior may also be used to analyze other relevant phenomena such as the presence of magnetic activity and its cycles. To calculate the stellar rotation period, identify the presence of active regions and investigate if the star exhibits or not differential rotation, we apply two methods: a wavelet analysis and a spot model. The wavelet procedure is also applied here to study pulsation in order to identify specific signatures of this particular stellar variability for different types of pulsating variable stars. The wavelet transform has been used as a powerful tool for treating several problems in astrophysics. In this work, we show that the time-frequency analysis of stellar light curves using the wavelet transform is a practical tool for identifying rotation, magnetic activity, and pulsation signatures. We present the wavelet spectral composition and multiscale variations of the time series for four classes of stars: targets dominated by magnetic activity, stars with transiting planets, those with binary transits, and pulsating stars. We applied the Morlet wavelet (6th order), which offers high time and frequency resolution. By applying the wavelet transform to the signal, we obtain the wavelet local and global power spectra. The first is interpreted as energy distribution of the signal in time-frequency space, and the second is obtained by time integration of the local map. Since the wavelet transform is a useful mathematical tool for nonstationary signals, this technique applied to Kepler and CoRoT light curves allows us to clearly identify particular signatures for different phenomena. In particular, patterns were identified for the temporal evolution of the rotation period and other periodicity due to active regions affecting these light curves. In addition, a beat-pattern vii signature in the local wavelet map of pulsating stars over the entire time span was also detected. The second method is based on starspots detection during transits of an extrasolar planet orbiting its host star. As a planet eclipses its parent star, we can detect physical phenomena on the surface of the star. If a dark spot on the disk of the star is partially or totally eclipsed, the integrated stellar luminosity will increase slightly. By analyzing the transit light curve it is possible to infer the physical properties of starspots, such as size, intensity, position and temperature. By detecting the same spot on consecutive transits, it is possible to obtain additional information such as the stellar rotation period in the planetary transit latitude, differential rotation, and magnetic activity cycles. Transit observations of CoRoT-18 and Kepler-17 were used to implement this model.

Projeto de reabilitação energética de piscinas interiores

O presente relatório de projeto explicita as etapas da elaboração e os resultados obtidos através da realização de um projeto de reabilitação energética de um complexo de piscinas interiores. Esta reabilitação energética tem por objetivo a redução dos custos energéticos através da subtração de consumos supérfluos de energia ou da melhoria da eficiência energética dos equipamentos. Para alcançar estes objetivos recorreu-se à simulação dinâmica do edifício de modo a estimar múltiplas variáveis energéticas e identificar quais os setores e equipamentos que maior influência têm no consumo energético do complexo em estudo. Para a realização da simulação, recorreu-se a um software desenvolvido pelo DOE dos Estados Unidos da América, o Energy Plus, com o auxílio do Design Builder, que permite a criação e edição do modelo de forma mais fácil e acessível. Os valores retirados da simulação foram posteriormente comparados com valores reais. Com o complexo caraterizado e os principais consumidores identificados foi possível iniciar o estudo das medidas de melhoria da eficiência energética. As principais medidas estudadas incidiram na instalação de coberturas isotérmicas nas piscinas para reduzir a perda de energia através da evaporação e da radiação, a introdução de fontes de energia renovável como alternativa energética, substituição de elementos do sistema de iluminação e o aproveitamento de energia dissipada em equipamentos. Com este estudo, a entidade gestora do complexo encontra-se mais informada e pronta a tomar decisões que influenciem de forma significativa o consumo de energia no complexo, podendo optar pela instalação de alguma das medidas propostas.

Medición y predicción de la radiación solar global UV-B bajo cielos claros y sin nubes

Se presentan mediciones experimentales de la radiación solar ultravioleta en el rango B del espectro solar (UV-B) y la radiación ultravioleta en el rango total RUV (UV-A+UV-B) en días claros y sin nubes en Heredia, Costa Rica. Se utilizó una radiómetro UV-B, que mide la radiación solar en el rango espectral 280-315 nm, y un radiómetro RUV, que mide la radiación solar en el rango espectral 280-385 nm. La dependencia entre entre UV-B y RUV también fue investigada, y se encontró un excelente grado de asociación entre ambas. Además se detalló que UV-B representa solamente un 5,4% de RUV, a pesar de que UV-B es mil veces más potente que UV-A. Los valores de UV-B medidos in situ fueron comparados con los valores predichos por un modelo atmosférico espectral, el cual utiliza como datos de entrada: la hora del día, la latitud, la altitud, el albedo superficial, la distancia Tierra-Sol, la turbiedad atmosférica y el ozono atmosférico. La comparación entre los valores medidos y predichos dio resultados satisfactorios.

Concentrating solar power + desalination plants (CSP+D): models and performance analysis

Tese submetida à Universidade de Lisboa, Instituto Superior Técnico e aprovada em provas públicas para a obtenção do Grau de Doutor em Sistemas Sustentáveis de Energia.