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

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

Consideraciones técnico-económicas para la aplicación de la tecnología al desarrollo en el diseño y fabricación de una válvula de apertura y cierre para un punto de agua

Es conocida la importancia del agua como factor clave en el Desarrollo Humano. El agua debe ser suficiente para cubrir las necesidades básicas de las personas (de 50 a 100 litros/persona/día) y con unas condiciones mínimas de calidad (3 litros/persona/día de agua potable). Los problemas principales relacionados con el agua son el acceso, la cantidad y calidad de la misma, y el coste. La falta de calidad da lugar a enfermedades, que en muchos casos son mortales al complicarse con problemas relacionados con una deficiente alimentación y/o con otras enfermedades, falta de medicamentos o de asistencia médica. En otros casos, está relacionada con el acceso incorrecto al saneamiento y la falta higiene. Y en todos los casos, la población afectada es la más pobre. Sin embargo, a pesar que los agentes implicados en las labores de cooperación como ONGs, agencias donantes de ayuda al desarrollo, etc. adoptan el “Modelo de Respuesta a la Demanda”, estudios existentes sobre los puntos de agua (un punto de agua es la parte de la instalación de abastecimiento de agua por donde se accede al agua) y su relación con la tecnología utilizada en los proyectos de instalación de sistemas de abastecimiento de agua, ponen de manifiesto que en los primeros cinco años de funcionamiento, aproximadamente un 30% de los puntos de agua se convierten en no funcionales. En el presente proyecto se estudian las causas del abandono de los sistemas de abastecimiento de agua, presentando una solución de bajo coste a uno de sus problemas técnicos más frecuentes, como es el diseño de la válvula de apertura y cierre de la instalación de abastecimiento de agua, o grifo.

Fibras ópticas: interacción dispersion-chirp en sistemas ópticos modulados directamente

En los sistemas de comunicación por fibra óptica, la configuración usualmente empleada para velocidades de transmisión no superiores a 10 Gb/s es la modulación directa del láser (DML). Esta configuración presenta diversas ventajas frente a la modulación externa, como son un bajo coste, simplicidad de diseño, tamaño reducido y una elevada potencia de emisión. Sin embargo, el desplazamiento de la frecuencia nominal del láser (chirp) asociado al DML es un grave inconveniente al que deben enfrentarse los sistemas que trabajan con este modelo de transmisor. En este trabajo se propone un método para la optimización de los sistemas modulados directamente. Este método determina bajo qué condiciones se consigue contrarrestar la dispersión acumulada en el enlace ajustando adecuadamente el chirp del láser y los fenómenos no lineales que se generan en la fibra óptica.

Diseño de herramientas de labranza combinando criterios biomiméticos y métodos numéricos.

El laboreo de conservación requiere el diseño de herramientas de labranza que cumplan criterios de calidad de la labor, resistencia al desgaste y reducción del consumo energético (debido fundamentalmente a la adherencia suelo/herramienta). La biomimética es la ciencia que refiere al estudio de la estructura y la función de los sistemas biológicos como modelos para el diseño y fabricación de materiales y máquinas, en un proceso de ingeniería inversa en que el ser humano saca provecho de los procesos evolutivos de la naturaleza. En este trabajo de revisión, 1998-2013, se describen las respuestas adaptativas de diversos seres vivos al problema de la adherencia, y se analiza el caso concreto de optimización de una vertedera, un brazo de subsolador y un disco de corte empleando modelos numéricos y criterios biomiméticos. En todos los casos las etapas llevadas a cabo por distintos investigadores son: formulación del modelo de elementos finitos del apero, para posteriormente (en función de las condiciones de contorno) y de propiedades del suelo, obtener los resultados de la simulación. Por último se verifica experimentalmente con datos reales (sólo en dos de los tres ejemplos). Como resultado, comprobamos que en el caso del disco de corte la tensión total que soporta el material se reduce en un 34% con un diseño optimizado, mientras que en el caso del subsolador biomimético la resistencia horizontal y vertical se reducen en un 7% y 24% respectivamente.

Propuesta metodológica para el estudio de Sistemas Topográficos aplicados a la representación gráfica de bodegas subterráneas tradicionales

Mediante la elaboración de esta tesis doctoral se pretende diseñar una metodología para inventariar y documentar gráfica y cartográficamente bodegas subterráneas como componentes esenciales del paisaje cultural y patrimonio rural construido. Para desarrollar esta línea de investigación se realizarán levantamientos topográficos y fotogramétricos de algunas de ellas, previamente seleccionadas por su emplazamiento y condiciones. Estas construcciones vernáculas forman parte de un paisaje cultural rural en una expresión patrimonial muy singular, muy común en la Península Ibérica, aunque variable en sus diferentes formas y ubicaciones, en el caso que nos ocupa se ha elegido el término municipal de Atauta en Soria, en el ámbito de influencia de la cuenca del río Duero. Esta tesis incluye trabajos experimentales de los que se extraerán recomendaciones y conclusiones encaminadas a la optimización de la instrumentación utilizada, las técnicas de observación, diseño y cálculo necesarias para la ejecución de dichos levantamientos, garantizando las tolerancias mínimas exigidas. Por tanto, al final se dispondrá de una metodología adecuada que podrá ayudar a preservar, rehabilitar, restaurar o reconstruir este patrimonio como bien de interés cultural. Las aproximaciones y etapas de los trabajos que forman parte de esta investigación se han integrado en cada capítulo y son las siguientes: En el primer capítulo, titulado Introducción, se realiza una breve reflexión justificativa de la elección del tema tratado, se formula la hipótesis de partida y se enumeran los distintos objetivos que se pretenden alcanzar. En el segundo capítulo, titulado Antecedentes, se analizan, a lo largo de la historia, la presencia de las cuevas y bodegas subterráneas. También se recogen las distintas tipologías de bodegas subterráneas construidas en España. Se realiza un estudio de los distintos sistemas topográficos utilizados para la documentación y representación gráfica a lo largo del tiempo, finalmente se da un enfoque respecto de la necesidad de conservar y divulgar este patrimonio histórico cultural. En el tercer capítulo, titulado Geovisualización y representación gráfica de bodegas subterráneas: aplicación, se analiza el estudio comparativo mediante distintas técnicas de observación, cálculo y diseño para así poder seleccionar la técnica óptima para inventariar las bodegas subterráneas. El capítulo cuarto, titulado Caracterización de las bodegas subterráneas mediante la combinación de técnicas GNSS, LÍDAR y Georradar, describe la combinación de diversas técnicas para la definición precisa de los límites de las bodegas de forma individualizada o bien formando parte de un espacio singular. Esta combinación de técnicas también tiene como objetivo señalar con precisión partes enterradas y ocultas. En el capítulo cinco, titulado Propuesta metodológica, se propone y justifica la necesidad de establecer una metodología de estudio para estos espacios que conlleve un ahorro de tiempo de ejecución y recursos, tanto humanos como materiales. El último capítulo se refiere a las Conclusiones, donde se establecen una serie de resultados como consecuencia del desarrollo de los capítulos anteriores para finalizar enunciando posibles desarrollos y líneas de investigación futuros.

Diseño y caracterización de un sistema microfónico de intemperie para la localización de fuentes sonoras distantes

Hoy en día el ruido presente en los aeropuertos se ha convertido en un problema importante en las poblaciones cercanas a éstos por el incremento del tráfico aéreo año tras año. Gracias a que los aviones son cada vez menos ruidosos y el esfuerzo por parte de los gestores aeroportuarios en disminuir el ruido en su entorno los niveles de presión sonora se han rebajado con el paso del tiempo. A pesar de esa reducción de nivel de presión sonora existen algunas maniobras especialmente ruidosas que generan gran molestia a la población. Una de esas maniobras es el uso del sistema de frenado de reversa. Este sistema consiste en desviar el flujo de aire que sale del motor, produciéndose una rápida reducción de la velocidad, con el inconveniente de la gran generación de ruido. El uso de este sistema está prohibido en los grandes aeropuertos europeos bajo condiciones normales, pero a pesar de eso algunas aeronaves lo utilizan y no son sancionadas por no existir forma de comprobar que la reversa ha sido activada sin acceder a la caja negra del avión. En el año 2013 la Universidad Politécnica de Madrid patenta un sistema para detectar la activación del freno de reversa mediante procedimientos acústicos, concretamente con técnicas basadas en la estimación de la potencia acústica. Dicho sistema hace uso de dos micrófonos de medida para captar las ondas de presión sonora, y localizar su proveniencia para poder estimar la potencia acústica utilizando un modelo matemático inverso. Esos micrófonos han de estar durante periodos de tiempo indeterminados al aire libre, por ese motivo es necesario el diseño de algún tipo de sistema para proteger la instrumentación de la intemperie. Aunque existen soluciones comerciales generalistas para la medida de ruido en exteriores, dichas soluciones tienen un coste muy elevado que dificulta que el sistema de detección patentado pueda ser desarrollado comercialmente, por ello la motivación de este proyecto surge con la intención de diseñar elementos que puedan ser utilizados de manera conjunta con el sistema de detección de ruido de reversa para que en un futuro se pueda llegar a comercializar un producto completo con esta tecnología. El objetivo principal de este proyecto es diseñar y caracterizar desde el punto de vista acústico un sistema microfónico de intemperie, para cuantificar el efecto que provoca el uso del sistema que se va a implementar sobre la localización de eventos sonoros para que posteriormente se pueda valorar si desde el punto de vista técnico el prototipo diseñado puede ser utilizado junto con el sistema de detección de la reversa. Este Trabajo Fin de Máster se centrará en el diseño y caracterización de un sistema de localización de eventos sonoros, basado en la medida de la diferencia de tiempos de llegada de la onda acústica a dos micrófonos, así como en el diseño y medida del efecto que tiene un sistema de intemperie diseñado específicamente para esta aplicación, con la intención de que sea utilizado en las líneas de investigación abiertas del Grupo de Instrumentación y Acústica Aplicada de la Universidad Politécnica de Madrid. En el informe primero se hará una introducción en la que se expondrá la base teórica de la localización sonora y los métodos que generalmente se utilizan para su medida. También se realizará un análisis de los sistemas de medición acústica en intemperie para aplicar dichos conocimientos en el diseño que se propondrá más tarde. A continuación se expondrá la metodología propuesta para la caracterización del sistema implementado, consistente en una combinación de medidas de laboratorio con ensayos in situ. También se definirán los parámetros a definir que se consideran indispensables para conocer el correcto funcionamiento de un sistema de localización. Posteriormente se realizará un análisis de los resultados obtenidos en las mediciones, realizando comparaciones entre las distintas configuraciones adoptadas y valorando críticamente el funcionamiento del sistema de intemperie diseñado. Por último, se comentarán las conclusiones obtenidas tras el estudio, desarrollo y análisis de resultados obtenidos en este trabajo fin de máster. También se propondrán trabajos para el futuro que permitan perfeccionar el sistema diseñado frente a las condiciones de intemperie, y que además permitan aumentar su rango de funcionamiento.

Sistema de monitorización de sistemas distribuidos

La computación distribuida ha estado presente desde hace unos cuantos años, pero es quizás en la actualidad cuando está contando con una mayor repercusión. En los últimos años el modelo de computación en la nube (Cloud computing) ha ganado mucha popularidad, prueba de ello es la cantidad de productos existentes. Todo sistema informático requiere ser controlado a través de sistemas de monitorización que permiten conocer el estado del mismo, de tal manera que pueda ser gestionado fácilmente. Hoy en día la mayoría de los productos de monitorización existentes limitan a la hora de visualizar una representación real de la arquitectura de los sistemas a monitorizar, lo que puede dificultar la tarea de los administradores. Es decir, la visualización que proporcionan de la arquitectura del sistema, en muchos casos se ve influenciada por el diseño del sistema de visualización, lo que impide ver los niveles de la arquitectura y las relaciones entre estos. En este trabajo se presenta un sistema de monitorización para sistemas distribuidos o Cloud, que pretende dar solución a esta problemática, no limitando la representación de la arquitectura del sistema a monitorizar. El sistema está formado por: agentes, que se encargan de la tarea de recolección de las métricas del sistema monitorizado; un servidor, al que los agentes le envían las métricas para que las almacenen en una base de datos; y una aplicación web, a través de la que se visualiza toda la información. El sistema ha sido probado satisfactoriamente con la monitorización de CumuloNimbo, una plataforma como servicio (PaaS), que ofrece interfaz SQL y procesamiento transaccional altamente escalable sobre almacenes clave valor. Este trabajo describe la arquitectura del sistema de monitorización, y en concreto, el desarrollo de la principal contribución al sistema, la aplicación web. ---ABSTRACT---Distributed computing has been around for quite a long time, but now it is becoming more and more important. In the last few years, cloud computing, a branch of distributed computing has become very popular, as its different products in the market can prove. Every computing system requires to be controlled through monitoring systems to keep them functioning correctly. Currently, most of the monitoring systems in the market only provide a view of the architectures of the systems monitored, which in most cases do not permit having a real view of the system. This lack of vision can make administrators’ tasks really difficult. If they do not know the architecture perfectly, controlling the system based on the view that the monitoring system provides is extremely complicated. The project introduces a new monitoring system for distributed or Cloud systems, which shows the real architecture of the system. This new system is composed of several elements: agents, which collect the metrics of the monitored system; a server, which receives the metrics from the agents and saves them in a database; and a web application, which shows all the data collected in an easy way. The monitoring system has been tested successfully with Cumulonimbo. CumuloNimbo is a platform as a service (PaaS) which offers an SQL interface and a high-scalable transactional process. This platform works over key-value storage. This project describes the architecture of the monitoring system, especially, the development of the web application, which is the main contribution to the system.

Sistemas de aprendizaje colaborativo móvil en realidad aumentada

La realidad aumentada educativa es una tecnología que actualmente está mejorando la calidad de enseñanza, la utilización de dispositivos móviles permite que el estudiante sea protagonista de su aprendizaje sin estar confinado a un espacio o tiempo específico para aprender. Aplicaciones colaborativas con realidad aumentada están siendo empleadas cada vez más en la educación, de tal forma que fomentan el trabajo en grupo donde los estudiantes comparten conocimiento, dudas, opiniones logrando un mejor nivel cognitivo que trabajando individualmente. En este trabajo se presenta el estado de la cuestión de Aplicaciones Educativas con Realidad Aumentada en dispositivos móviles, y Aplicaciones Educativas colaborativas con Realidad Aumentada, desarrolladas desde el 2002 e implementadas en instituciones educativas. Así mismo se realiza un estudio sobre la Realidad Aumentada, Realidad Aumentada móvil y Aprendizaje Móvil. Además, a partir de las características del estudio de las aplicaciones con Realidad Aumenta, se realiza un análisis y diseño de una Aplicación Móvil para el proyecto de inicio de los alumnos de nuevo ingreso de la UPM. Así como también una herramienta de autoría para las gestiones de las actividades propuestas por los docentes de la UPM. Finalmente se presenta un caso de prueba en el que se implementa parte de la propuesta de este trabajo, logrando construir un parte funcional para el proyecto inicial denominado PIANI – UPM. ---ABSTRACT---Educational Augmented reality is a technology that is improving the quality of teaching, use of mobile devices enables the student to be protagonists of their learning without being confined to a specific space or time to learn. Collaborative augmented reality applications applied in education are being used gradually encourage group work where students share knowledge, doubts, opinions so they achieve better cognitive level than working individually. In this paper the description of educational applications is presented with Augmented Reality using mobile devices, and collaborative educational Augmented Reality applications, developed since 2002 and implemented in educational institutions. Also a study on Augmented Reality, Mobile Augmented Reality and Mobile Learning is performed. Furthermore, from the study of the characteristics of Reality applications increases, an analysis and design of a mobile application for the proposed start of new students of UPM is performed. As well as an authoring tool for the efforts of the activities proposed by the teachers of the UPM. Finally a test case is presented in which part of the proposal of this work is implemented, obtaining building an initial prototype called PIANI - UPM.

Sistemas de control de acceso alternativos a passwords

La finalidad de este proyecto es la de estudiar las alternativas empleadas hoy en día para asegurar y garantizar el correcto acceso a infraestructuras sensibles, evitando el uso de las clásicas passwords por los problemas que acarrean, detallados en el apartado 2.2. Autenticación mediante passwords y problemas en su uso. Se analizarán y estudiarán algunas de las soluciones más factibles para garantizar un correcto acceso a sistemas sensibles, destacando las ventajas y problemas de cada una de las soluciones. Con esto se quiere decir que no se tratará de solucionar los problemas de seguridad y gestión de acceso a la hora de acceder a las diversas plataformas web, como puedan ser redes sociales o sistemas de pago y/o transacciones. El estudio se va a limitar al caso dado en el centro de supercomputación CeSViMa, pudiéndose extender a cualquier infraestructura física, siempre y cuando se tenga en cuenta que para el acceso a la infraestructura se pueden necesitar medios o periféricos hardware que, obviamente, serán controlados por la empresa o sistema alojado en dicha infraestructura. Tras dicho estudio, se procederá al diseño de la que se considere mejor opción en una instalación real. El estudio del sistema se llevará a cabo, tal y como se ha mencionado, en el centro de supercomputación CeSViMa ubicado en el Campus Montegancedo.

Análisis de usabilidad y aplicación de los resultados en el desarrollo de plataformas web

Este trabajo trata cómo se pueden aplicar las técnicas de análisis de usabilidad al desarrollo de plataformas web. Actualmente es común que los servicios sean ofrecidos mediante plataformas web para un grupo muy heterogéneo de personas. Por otra parte, los análisis de usabilidad son una herramienta muy útil para conocer cómo interactúan las personas con los ordenadores y mejorar el diseño de las aplicaciones. Realizar un buen diseño permite mejorar la experiencia de usuario, factor fundamental para el éxito de cualquier producto que requiera interacción con el usuario. A continuación se describen las diferentes fases de los test de usabilidad y se detalla cómo han sido aplicadas durante el desarrollo del proyecto. Finalmente, se presentarán los resultados obtenidos durante la evaluación de la plataforma y el análisis de los mismos indicando cómo han afectado al diseño de la plataforma. ---ABSTRACT---This document discusses how to apply usability test techniques over web platform development. Nowadays, it is common that services are offered through web platforms for a large group of heterogeneous people. Moreover, usability tests are a very useful tool to understand human-computer interaction and improve the design of the applications. A good design can improve user experience, which is essential for the success of any product that requires user interaction. The following pages describes the different phases of usability testing and detail how these have been applied during the development of the project. Finally, the results obtained during the platform evaluation are presented and analysed, explaining how they have affected the design of the platform.

Diseño de un videojuego orientado a mejorar el proceso de enseñanza-aprendizaje de la lengua inglesa

Desde que el proceso de la globalización empezó a tener efectos en la sociedad actual, la lengua inglesa se ha impuesto como primera opción de comunicación entre las grandes empresas y sobre todo en el ámbito de los negocios. Por estos motivos se hace necesario el conocimiento de esta lengua que con el paso de los años ha ido creciendo en número de hablantes. Cada vez son más las personas que quieren dominar la lengua inglesa. El aprendizaje en esta doctrina se va iniciando en edades muy tempranas, facilitando y mejorando así la adquisición de una base de conocimientos con todas las destrezas que tiene la lengua inglesa: lectura, escritura, expresión oral y comprensión oral. Con este proyecto se quiso mejorar el proceso de enseñanza-aprendizaje de la lengua inglesa en un rango de población menor de 13 años. Se propuso crear un método de aprendizaje que motivara al usuario y le reportase una ayuda constante durante su progreso en el conocimiento de la lengua inglesa. El mejor método que se pensó para llevar a cabo este objetivo fue la realización de un videojuego que cumpliese todas las características propuestas anteriormente. Un videojuego de aprendizaje en inglés, que además incluyese algo tan novedoso como el reconocimiento de voz para mejorar la expresión oral del usuario, ayudaría a la población a mejorar el nivel de inglés básico en todas las destrezas así como el establecimiento de una base sólida que serviría para asentar mejor futuros conocimientos más avanzados. ABSTRACT Since Globalization began to have an effect on today's society, the English language has emerged as the first choice for communication among companies and especially in the field of business. Therefore, the command of this language, which over the years has grown in number of speakers, has become more and more necessary. Increasingly people want to master the English language. They start learning at very early age, thus facilitating and improving the acquisition of a new knowledge like English language. The skills of English must be practiced are: reading, writing, listening and speaking. If people learnt all these skills, they could achieve a high level of English. In this project, the aim is to improve the process of teaching and learning English in a range of population less than 13 years. To do so, an interactive learning video game that motivates the users and brings them constant help during their progress in the learning of the English language is designed. The video game designed to learn English, also includes some novelties from the point of view of the technology used as is speech recognition. The aim of this integration is to improve speaking skills of users, who will therefore improve the standard of English in all four basic learning skills and establish a solid base that would facilitate the acquisition of future advanced knowledge.

Diseño del módulo de cálculo de potencia eléctrica para su aplicación en una CDF = Design of the power subsystem of a concurrent design facility (CFD) for satellite projects

El desarrollo del presente trabajo sigue, tanto una línea cronológica de las tareas realizadas, como una lógica, en la que se parte de un conocimiento mínimo de los sistemas espaciales hasta llegar al diseño completo de un Módulo de Cálculo de Potencia Eléctrica de un satélite para su aplicación en una instalación de diseño concurrente o CDF.

Diseño y ensayos en tierra de las baterías para un satélite de órbita baja = Design and testing procedures of a Low Earth Orbit (LEO) satellite battery

Este proyecto consiste en el estudio y dimensionado inicial del sistema de potencia de un satélite de observación, que sirva de ayuda a otros sistemas de mayor precisión a la hora de detectar posibles terremotos y actividad volcánica mediante el análisis de señales electromagnéticas presentes en la ionosfera. Para ello el satélite incorpora, entre otros elementos sensores eléctricos, un analizador de plasma, y un detector de partículas. Con esta instrumentación se pretenden detectar los cambios que se producen en el campo electromagnético terrestre como consecuencia del movimiento de las placas tectónicas, y descubrir así las posibles anomalías que preceden a un seísmo. Para no sobrepasar el presupuesto con el que se ha ideado el proyecto se utilizarán sistemas que permitan la lectura de datos de la forma más simple, pudiendo ocurrir que los datos recogidos no se transmitan al control de Tierra en tiempo real, impidiendo a los científicos analizar los datos recogidos hasta unos días después, de ahí que este satélite experimental deba emplearse, en principio, como apoyo a programas de detención de terremotos más sofisticados y con mayores medios técnicos. Evidentemente, con este sistema también se podrán recoger datos tras los seísmos y examinarlos posteriormente. La órbita del satélite será una órbita LEO (Low Earth Orbit) de una altitud aproximada de 670 Km, estimándose el tiempo de vida del satélite en 5 años. Intentando emplear la mayor parte de los recursos económicos en el equipamiento científico, la estructura será la más simple posible, esto es, un paralelepípedo de dimensiones compactas con un peso aproximado de 185 kg, contando con paneles solares desplegables y en su interior con baterías que proporcionarán potencia al satélite durante la fase de lanzamiento y en momentos concretos.

Integración arquitectónica y constructiva de sistemas fotovoltaicos de tecnología de lámina delgada en relación con la disipación térmica y almacenamiento de calor

Esta tesis doctoral contribuye al análisis y desarrollo de nuevos elementos constructivos que integran sistemas de generación eléctrica a través de células fotovoltaicas (FV); particularmente, basados en tecnología FV de lámina delgada. Para ello se estudia el proceso de la integración arquitectónica de éstos elementos (conocido internacionalmente como “Building Integrated Photovoltaic – BIPV”) mediante diferentes metodologías. Se inicia con el estudio de los elementos fotovoltaicos existentes y continúa con los materiales que conforman actualmente las pieles de los edificios y su posible adaptación a las diferentes tecnologías. Posteriormente, se propone una estrategia de integración de los elementos FV en los materiales constructivos. En ésta se considera la doble función de los elementos BIPV, eléctrica y arquitectónica, y en especial se plantea el estudio de la integración de elementos de disipación térmica y almacenamiento de calor mediante los materiales de cambio de fase (“Phase Change Materials – PCM”), todo esto con el objeto de favorecer el acondicionamiento térmico pasivo a través del elemento BIPV. Para validar dicha estrategia, se desarrolla una metodología experimental que consiste en el diseño y desarrollo de un prototipo denominado elemento BIPV/TF – PCM, así como un método de medida y caracterización en condiciones de laboratorio. Entre los logros alcanzados, destaca la multifuncionalidad de los elementos BIPV, el aprovechamiento de la energía residual del elemento, la reducción de los excedentes térmicos que puedan modificar el balance térmico de la envolvente del edificio, y las mejoras conseguidas en la producción eléctrica de los módulos fotovoltaicos por reducción de temperatura, lo que hará más sostenible la solución BIPV. Finalmente, como resultado del análisis teórico y experimental, esta tesis contribuye significativamente al estudio práctico de la adaptabilidad de los elementos BIPV en el entorno urbano por medio de una metodología que se basa en el desarrollo y puesta en marcha de una herramienta informática, que sirve tanto a ingenieros como arquitectos para verificar la calidad de la integración arquitectónica y calidad eléctrica de los elementos FV, antes, durante y después de la ejecución de un proyecto constructivo. ABSTRACT This Doctoral Thesis contributes to the analysis and development of new building elements that integrate power generation systems using photovoltaic solar cells (PV), particularly based on thin-film PV technology. For this propose, the architectural integration process is studied (concept known as "Building Integrated Photovoltaic - BIPV") by means of different methodologies. It begins with the study of existing PV elements and materials that are currently part of the building skins and the possible adaptation to different technologies. Subsequently, an integration strategy of PV elements in building materials is proposed. Double function of BIPV elements is considered, electrical and architectural, especially the heat dissipation and heat storage elements are studied, particularly the use Phase Change Materials– PCM in order to favor the thermal conditioning of buildings by means of the BIPV elements. For this propose, an experimental methodology is implemented, which consist of the design and develop of a prototype "BIPV/TF- PCM element" and measurement method (indoor laboratory conditions) in order to validate this strategy. Among the most important achievements obtained of this develop and results analysis includes, in particular, the multifunctionality of BIPV elements, the efficient use of the residual energy of the element, reduction of the excess heat that it can change the heat balance of the building envelope and improvements in electricity production of PV modules by reducing the temperature, are some benefits achieved that make the BIPV element will be more sustainable. Finally, as a result of theoretical and experimental analysis, this thesis contributes significantly to the practical study of the adaptability of BIPV elements in the urban environment by means of a novel methodology based on the development and implementation by computer software of a useful tool which serves as both engineers and architects to verify the quality of architectural integration and electrical performance of PV elements before, during, and after execution of a building projects.

Diseño de una arquitectura escalable y de alta disponibilidad para un sistema middleware

El objetivo de este proyecto es el estudio de soluciones de escalabilidad y alta disponibilidad en sistemas distribuidos, así como su implantación en aquel de los sistemas analizados por Telefónica Digital, PopBox y Rush, que se consideré más adecuado. Actualmente, muchos servicios y aplicaciones están alojados directamente en laWeb, permitiendo abaratar el uso de ciertos servicios y mejorando la productividad y la competitividad de las empresas que los usan. Este crecimiento de las tecnologías en cloud experimentado en los últimos años plantea la necesidad de realizar sistemas que sean escalables, fiables y estén disponibles la mayor parte del tiempo posible. Un fallo en el servicio no afecta a una sola empresa, sino a todas las que están haciendo uso de dicho servicio. A lo largo de este proyecto se estudiarán las soluciones de alta disponibilidad y escalabilidad implementadas en varios sistemas distribuidos y se realizará una evaluación crítica de cada una de ellas. También se analizará la idoneidad de estas soluciones para los sistemas en los que posteriormente se aplicarán: PopBox y Rush. Se han diseñado diferentes soluciones para las plataformas implicadas, siguiendo varias aproximaciones y realizando un análisis exhaustivo de cada una de ellas, teniendo en cuenta el rendimiento y fiabilidad de cada aproximación. Una vez se ha determinado cuál es la estrategia más adecuada, se ha realizado una implementación fiable del sistema. Para cada uno de los módulos implementados se ha llevado a cabo una fase de testing unitario y de integración para asegurar el buen comportamiento del sistema y la integridad de éste cuando se realicen cambios. Específicamente, los objetivos que se alcanzarán son los siguientes: 1. Análisis exhaustivo de los sistemas de escalabilidad y alta escalabilidad que existen actualmente. 2. Diseño de una solución general HA1 y escalable teniendo en cuenta el objetivo anterior. 3. Análisis de la idoneidad de los sistemas PopBox y Rush para el diseño de un entorno distribuido escalable. 4. Diseño e implantación de una solución ad-hoc en el sistema elegido. ---ABSTRACT---The aim of this project is the study of solutions in scalability and high availability in distributed systems, and also its implementation in one of the systems developed y Telefónica I+D, PopBox and Rush, deemed more suitable. Nowadays, a lot of services and applications are stored directly in the Web, allowing companies to reduce the costs of using certain services and improving the productivity and competitiveness of those who use these services. This increase of the use of cloud tecnologies experimented in the last few years has led to the need of developing high available, scalable, and reliable systems. A failure in the service does not affect a single company but all the companies using this service. Throughout this project, I will study several solutions in High Availability and Scalability developed in some distributed systems and I will make a critic analysis of each one. Also I will analize the suitability of these solutions in the systems in which they will be applied: PopBox and Rush. I have designed different solutions for the platforms involved, following several approaches and making an exhaustive analysis of each one, taking into account their performance and reliability of each approach. Once I had determined which is the best strategy, I have developed a reliable implementation of the system. For each module implemented, I have carried out a set of unitary and integration tests to ensure the good behaviour of the system and the integrity of it when it changes. Specifically, the objectives to be achieved are as follows: 1. Exhaustive analysis of the systems in scalability and high availability that currently exist. 2. Design of a general solution taking into account the previous point. 3. Analysis of the suitability of the sistems PopBox and Rush for the design of a scalable distributed system. 4. Design and implementation of an ad-hoc solution in the chosen system.