Side-Channel Attack Protection Techniques in FPGA Systems using Enhanced Dual-Rail Solutions

Esta tesis doctoral se centra principalmente en técnicas de ataque y contramedidas relacionadas con ataques de canal lateral (SCA por sus siglas en inglés), que han sido propuestas dentro del campo de investigación académica desde hace 17 años. Las investigaciones relacionadas han experimentado un notable crecimiento en las últimas décadas, mientras que los diseños enfocados en la protección sólida y eficaz contra dichos ataques aún se mantienen como un tema de investigación abierto, en el que se necesitan iniciativas más confiables para la protección de la información persona de empresa y de datos nacionales. El primer uso documentado de codificación secreta se remonta a alrededor de 1700 B.C., cuando los jeroglíficos del antiguo Egipto eran descritos en las inscripciones. La seguridad de la información siempre ha supuesto un factor clave en la transmisión de datos relacionados con inteligencia diplomática o militar. Debido a la evolución rápida de las técnicas modernas de comunicación, soluciones de cifrado se incorporaron por primera vez para garantizar la seguridad, integridad y confidencialidad de los contextos de transmisión a través de cables sin seguridad o medios inalámbricos. Debido a las restricciones de potencia de cálculo antes de la era del ordenador, la técnica de cifrado simple era un método más que suficiente para ocultar la información. Sin embargo, algunas vulnerabilidades algorítmicas pueden ser explotadas para restaurar la regla de codificación sin mucho esfuerzo. Esto ha motivado nuevas investigaciones en el área de la criptografía, con el fin de proteger el sistema de información ante sofisticados algoritmos. Con la invención de los ordenadores se ha acelerado en gran medida la implementación de criptografía segura, que ofrece resistencia eficiente encaminada a obtener mayores capacidades de computación altamente reforzadas. Igualmente, sofisticados cripto-análisis han impulsado las tecnologías de computación. Hoy en día, el mundo de la información ha estado involucrado con el campo de la criptografía, enfocada a proteger cualquier campo a través de diversas soluciones de cifrado. Estos enfoques se han fortalecido debido a la unificación optimizada de teorías matemáticas modernas y prácticas eficaces de hardware, siendo posible su implementación en varias plataformas (microprocesador, ASIC, FPGA, etc.). Las necesidades y requisitos de seguridad en la industria son las principales métricas de conducción en el diseño electrónico, con el objetivo de promover la fabricación de productos de gran alcance sin sacrificar la seguridad de los clientes. Sin embargo, una vulnerabilidad en la implementación práctica encontrada por el Prof. Paul Kocher, et al en 1996 implica que un circuito digital es inherentemente vulnerable a un ataque no convencional, lo cual fue nombrado posteriormente como ataque de canal lateral, debido a su fuente de análisis. Sin embargo, algunas críticas sobre los algoritmos criptográficos teóricamente seguros surgieron casi inmediatamente después de este descubrimiento. En este sentido, los circuitos digitales consisten típicamente en un gran número de celdas lógicas fundamentales (como MOS - Metal Oxide Semiconductor), construido sobre un sustrato de silicio durante la fabricación. La lógica de los circuitos se realiza en función de las innumerables conmutaciones de estas células. Este mecanismo provoca inevitablemente cierta emanación física especial que puede ser medida y correlacionada con el comportamiento interno del circuito. SCA se puede utilizar para revelar datos confidenciales (por ejemplo, la criptografía de claves), analizar la arquitectura lógica, el tiempo e incluso inyectar fallos malintencionados a los circuitos que se implementan en sistemas embebidos, como FPGAs, ASICs, o tarjetas inteligentes. Mediante el uso de la comparación de correlación entre la cantidad de fuga estimada y las fugas medidas de forma real, información confidencial puede ser reconstruida en mucho menos tiempo y computación. Para ser precisos, SCA básicamente cubre una amplia gama de tipos de ataques, como los análisis de consumo de energía y radiación ElectroMagnética (EM). Ambos se basan en análisis estadístico y, por lo tanto, requieren numerosas muestras. Los algoritmos de cifrado no están intrínsecamente preparados para ser resistentes ante SCA. Es por ello que se hace necesario durante la implementación de circuitos integrar medidas que permitan camuflar las fugas a través de "canales laterales". Las medidas contra SCA están evolucionando junto con el desarrollo de nuevas técnicas de ataque, así como la continua mejora de los dispositivos electrónicos. Las características físicas requieren contramedidas sobre la capa física, que generalmente se pueden clasificar en soluciones intrínsecas y extrínsecas. Contramedidas extrínsecas se ejecutan para confundir la fuente de ataque mediante la integración de ruido o mala alineación de la actividad interna. Comparativamente, las contramedidas intrínsecas están integradas en el propio algoritmo, para modificar la aplicación con el fin de minimizar las fugas medibles, o incluso hacer que dichas fugas no puedan ser medibles. Ocultación y Enmascaramiento son dos técnicas típicas incluidas en esta categoría. Concretamente, el enmascaramiento se aplica a nivel algorítmico, para alterar los datos intermedios sensibles con una máscara de manera reversible. A diferencia del enmascaramiento lineal, las operaciones no lineales que ampliamente existen en criptografías modernas son difíciles de enmascarar. Dicho método de ocultación, que ha sido verificado como una solución efectiva, comprende principalmente la codificación en doble carril, que está ideado especialmente para aplanar o eliminar la fuga dependiente de dato en potencia o en EM. En esta tesis doctoral, además de la descripción de las metodologías de ataque, se han dedicado grandes esfuerzos sobre la estructura del prototipo de la lógica propuesta, con el fin de realizar investigaciones enfocadas a la seguridad sobre contramedidas de arquitectura a nivel lógico. Una característica de SCA reside en el formato de las fuentes de fugas. Un típico ataque de canal lateral se refiere al análisis basado en la potencia, donde la capacidad fundamental del transistor MOS y otras capacidades parásitas son las fuentes esenciales de fugas. Por lo tanto, una lógica robusta resistente a SCA debe eliminar o mitigar las fugas de estas micro-unidades, como las puertas lógicas básicas, los puertos I/O y las rutas. Las herramientas EDA proporcionadas por los vendedores manipulan la lógica desde un nivel más alto, en lugar de realizarlo desde el nivel de puerta, donde las fugas de canal lateral se manifiestan. Por lo tanto, las implementaciones clásicas apenas satisfacen estas necesidades e inevitablemente atrofian el prototipo. Por todo ello, la implementación de un esquema de diseño personalizado y flexible ha de ser tomado en cuenta. En esta tesis se presenta el diseño y la implementación de una lógica innovadora para contrarrestar SCA, en la que se abordan 3 aspectos fundamentales: I. Se basa en ocultar la estrategia sobre el circuito en doble carril a nivel de puerta para obtener dinámicamente el equilibrio de las fugas en las capas inferiores; II. Esta lógica explota las características de la arquitectura de las FPGAs, para reducir al mínimo el gasto de recursos en la implementación; III. Se apoya en un conjunto de herramientas asistentes personalizadas, incorporadas al flujo genérico de diseño sobre FPGAs, con el fin de manipular los circuitos de forma automática. El kit de herramientas de diseño automático es compatible con la lógica de doble carril propuesta, para facilitar la aplicación práctica sobre la familia de FPGA del fabricante Xilinx. En este sentido, la metodología y las herramientas son flexibles para ser extendido a una amplia gama de aplicaciones en las que se desean obtener restricciones mucho más rígidas y sofisticadas a nivel de puerta o rutado. En esta tesis se realiza un gran esfuerzo para facilitar el proceso de implementación y reparación de lógica de doble carril genérica. La viabilidad de las soluciones propuestas es validada mediante la selección de algoritmos criptográficos ampliamente utilizados, y su evaluación exhaustiva en comparación con soluciones anteriores. Todas las propuestas están respaldadas eficazmente a través de ataques experimentales con el fin de validar las ventajas de seguridad del sistema. El presente trabajo de investigación tiene la intención de cerrar la brecha entre las barreras de implementación y la aplicación efectiva de lógica de doble carril. En esencia, a lo largo de esta tesis se describirá un conjunto de herramientas de implementación para FPGAs que se han desarrollado para trabajar junto con el flujo de diseño genérico de las mismas, con el fin de lograr crear de forma innovadora la lógica de doble carril. Un nuevo enfoque en el ámbito de la seguridad en el cifrado se propone para obtener personalización, automatización y flexibilidad en el prototipo de circuito de bajo nivel con granularidad fina. Las principales contribuciones del presente trabajo de investigación se resumen brevemente a continuación: Lógica de Precharge Absorbed-DPL logic: El uso de la conversión de netlist para reservar LUTs libres para ejecutar la señal de precharge y Ex en una lógica DPL. Posicionamiento entrelazado Row-crossed con pares idénticos de rutado en redes de doble carril, lo que ayuda a aumentar la resistencia frente a la medición EM selectiva y mitigar los impactos de las variaciones de proceso. Ejecución personalizada y herramientas de conversión automática para la generación de redes idénticas para la lógica de doble carril propuesta. (a) Para detectar y reparar conflictos en las conexiones; (b) Detectar y reparar las rutas asimétricas. (c) Para ser utilizado en otras lógicas donde se requiere un control estricto de las interconexiones en aplicaciones basadas en Xilinx. Plataforma CPA de pruebas personalizadas para el análisis de EM y potencia, incluyendo la construcción de dicha plataforma, el método de medición y análisis de los ataques. Análisis de tiempos para cuantificar los niveles de seguridad. División de Seguridad en la conversión parcial de un sistema de cifrado complejo para reducir los costes de la protección. Prueba de concepto de un sistema de calefacción auto-adaptativo para mitigar los impactos eléctricos debido a la variación del proceso de silicio de manera dinámica. La presente tesis doctoral se encuentra organizada tal y como se detalla a continuación: En el capítulo 1 se abordan los fundamentos de los ataques de canal lateral, que abarca desde conceptos básicos de teoría de modelos de análisis, además de la implementación de la plataforma y la ejecución de los ataques. En el capítulo 2 se incluyen las estrategias de resistencia SCA contra los ataques de potencia diferencial y de EM. Además de ello, en este capítulo se propone una lógica en doble carril compacta y segura como contribución de gran relevancia, así como también se presentará la transformación lógica basada en un diseño a nivel de puerta. Por otra parte, en el Capítulo 3 se abordan los desafíos relacionados con la implementación de lógica en doble carril genérica. Así mismo, se describirá un flujo de diseño personalizado para resolver los problemas de aplicación junto con una herramienta de desarrollo automático de aplicaciones propuesta, para mitigar las barreras de diseño y facilitar los procesos. En el capítulo 4 se describe de forma detallada la elaboración e implementación de las herramientas propuestas. Por otra parte, la verificación y validaciones de seguridad de la lógica propuesta, así como un sofisticado experimento de verificación de la seguridad del rutado, se describen en el capítulo 5. Por último, un resumen de las conclusiones de la tesis y las perspectivas como líneas futuras se incluyen en el capítulo 6. Con el fin de profundizar en el contenido de la tesis doctoral, cada capítulo se describe de forma más detallada a continuación: En el capítulo 1 se introduce plataforma de implementación hardware además las teorías básicas de ataque de canal lateral, y contiene principalmente: (a) La arquitectura genérica y las características de la FPGA a utilizar, en particular la Xilinx Virtex-5; (b) El algoritmo de cifrado seleccionado (un módulo comercial Advanced Encryption Standard (AES)); (c) Los elementos esenciales de los métodos de canal lateral, que permiten revelar las fugas de disipación correlacionadas con los comportamientos internos; y el método para recuperar esta relación entre las fluctuaciones físicas en los rastros de canal lateral y los datos internos procesados; (d) Las configuraciones de las plataformas de pruebas de potencia / EM abarcadas dentro de la presente tesis. El contenido de esta tesis se amplia y profundiza a partir del capítulo 2, en el cual se abordan varios aspectos claves. En primer lugar, el principio de protección de la compensación dinámica de la lógica genérica de precarga de doble carril (Dual-rail Precharge Logic-DPL) se explica mediante la descripción de los elementos compensados a nivel de puerta. En segundo lugar, la lógica PA-DPL es propuesta como aportación original, detallando el protocolo de la lógica y un caso de aplicación. En tercer lugar, dos flujos de diseño personalizados se muestran para realizar la conversión de doble carril. Junto con ello, se aclaran las definiciones técnicas relacionadas con la manipulación por encima de la netlist a nivel de LUT. Finalmente, una breve discusión sobre el proceso global se aborda en la parte final del capítulo. El Capítulo 3 estudia los principales retos durante la implementación de DPLs en FPGAs. El nivel de seguridad de las soluciones de resistencia a SCA encontradas en el estado del arte se ha degenerado debido a las barreras de implantación a través de herramientas EDA convencionales. En el escenario de la arquitectura FPGA estudiada, se discuten los problemas de los formatos de doble carril, impactos parásitos, sesgo tecnológico y la viabilidad de implementación. De acuerdo con estas elaboraciones, se plantean dos problemas: Cómo implementar la lógica propuesta sin penalizar los niveles de seguridad, y cómo manipular un gran número de celdas y automatizar el proceso. El PA-DPL propuesto en el capítulo 2 se valida con una serie de iniciativas, desde características estructurales como doble carril entrelazado o redes de rutado clonadas, hasta los métodos de aplicación tales como las herramientas de personalización y automatización de EDA. Por otra parte, un sistema de calefacción auto-adaptativo es representado y aplicado a una lógica de doble núcleo, con el fin de ajustar alternativamente la temperatura local para equilibrar los impactos negativos de la variación del proceso durante la operación en tiempo real. El capítulo 4 se centra en los detalles de la implementación del kit de herramientas. Desarrollado sobre una API third-party, el kit de herramientas personalizado es capaz de manipular los elementos de la lógica de circuito post P&R ncd (una versión binaria ilegible del xdl) convertido al formato XDL Xilinx. El mecanismo y razón de ser del conjunto de instrumentos propuestos son cuidadosamente descritos, que cubre la detección de enrutamiento y los enfoques para la reparación. El conjunto de herramientas desarrollado tiene como objetivo lograr redes de enrutamiento estrictamente idénticos para la lógica de doble carril, tanto para posicionamiento separado como para el entrelazado. Este capítulo particularmente especifica las bases técnicas para apoyar las implementaciones en los dispositivos de Xilinx y su flexibilidad para ser utilizado sobre otras aplicaciones. El capítulo 5 se enfoca en la aplicación de los casos de estudio para la validación de los grados de seguridad de la lógica propuesta. Se discuten los problemas técnicos detallados durante la ejecución y algunas nuevas técnicas de implementación. (a) Se discute el impacto en el proceso de posicionamiento de la lógica utilizando el kit de herramientas propuesto. Diferentes esquemas de implementación, tomando en cuenta la optimización global en seguridad y coste, se verifican con los experimentos con el fin de encontrar los planes de posicionamiento y reparación optimizados; (b) las validaciones de seguridad se realizan con los métodos de correlación y análisis de tiempo; (c) Una táctica asintótica se aplica a un núcleo AES sobre BCDL estructurado para validar de forma sofisticada el impacto de enrutamiento sobre métricas de seguridad; (d) Los resultados preliminares utilizando el sistema de calefacción auto-adaptativa sobre la variación del proceso son mostrados; (e) Se introduce una aplicación práctica de las herramientas para un diseño de cifrado completa. Capítulo 6 incluye el resumen general del trabajo presentado dentro de esta tesis doctoral. Por último, una breve perspectiva del trabajo futuro se expone, lo que puede ampliar el potencial de utilización de las contribuciones de esta tesis a un alcance más allá de los dominios de la criptografía en FPGAs. ABSTRACT This PhD thesis mainly concentrates on countermeasure techniques related to the Side Channel Attack (SCA), which has been put forward to academic exploitations since 17 years ago. The related research has seen a remarkable growth in the past decades, while the design of solid and efficient protection still curiously remain as an open research topic where more reliable initiatives are required for personal information privacy, enterprise and national data protections. The earliest documented usage of secret code can be traced back to around 1700 B.C., when the hieroglyphs in ancient Egypt are scribed in inscriptions. Information security always gained serious attention from diplomatic or military intelligence transmission. Due to the rapid evolvement of modern communication technique, crypto solution was first incorporated by electronic signal to ensure the confidentiality, integrity, availability, authenticity and non-repudiation of the transmitted contexts over unsecure cable or wireless channels. Restricted to the computation power before computer era, simple encryption tricks were practically sufficient to conceal information. However, algorithmic vulnerabilities can be excavated to restore the encoding rules with affordable efforts. This fact motivated the development of modern cryptography, aiming at guarding information system by complex and advanced algorithms. The appearance of computers has greatly pushed forward the invention of robust cryptographies, which efficiently offers resistance relying on highly strengthened computing capabilities. Likewise, advanced cryptanalysis has greatly driven the computing technologies in turn. Nowadays, the information world has been involved into a crypto world, protecting any fields by pervasive crypto solutions. These approaches are strong because of the optimized mergence between modern mathematical theories and effective hardware practices, being capable of implement crypto theories into various platforms (microprocessor, ASIC, FPGA, etc). Security needs from industries are actually the major driving metrics in electronic design, aiming at promoting the construction of systems with high performance without sacrificing security. Yet a vulnerability in practical implementation found by Prof. Paul Kocher, et al in 1996 implies that modern digital circuits are inherently vulnerable to an unconventional attack approach, which was named as side-channel attack since then from its analysis source. Critical suspicions to theoretically sound modern crypto algorithms surfaced almost immediately after this discovery. To be specifically, digital circuits typically consist of a great number of essential logic elements (as MOS - Metal Oxide Semiconductor), built upon a silicon substrate during the fabrication. Circuit logic is realized relying on the countless switch actions of these cells. This mechanism inevitably results in featured physical emanation that can be properly measured and correlated with internal circuit behaviors. SCAs can be used to reveal the confidential data (e.g. crypto-key), analyze the logic architecture, timing and even inject malicious faults to the circuits that are implemented in hardware system, like FPGA, ASIC, smart Card. Using various comparison solutions between the predicted leakage quantity and the measured leakage, secrets can be reconstructed at much less expense of time and computation. To be precisely, SCA basically encloses a wide range of attack types, typically as the analyses of power consumption or electromagnetic (EM) radiation. Both of them rely on statistical analyses, and hence require a number of samples. The crypto algorithms are not intrinsically fortified with SCA-resistance. Because of the severity, much attention has to be taken into the implementation so as to assemble countermeasures to camouflage the leakages via "side channels". Countermeasures against SCA are evolving along with the development of attack techniques. The physical characteristics requires countermeasures over physical layer, which can be generally classified into intrinsic and extrinsic vectors. Extrinsic countermeasures are executed to confuse the attacker by integrating noise, misalignment to the intra activities. Comparatively, intrinsic countermeasures are built into the algorithm itself, to modify the implementation for minimizing the measurable leakage, or making them not sensitive any more. Hiding and Masking are two typical techniques in this category. Concretely, masking applies to the algorithmic level, to alter the sensitive intermediate values with a mask in reversible ways. Unlike the linear masking, non-linear operations that widely exist in modern cryptographies are difficult to be masked. Approved to be an effective counter solution, hiding method mainly mentions dual-rail logic, which is specially devised for flattening or removing the data-dependent leakage in power or EM signatures. In this thesis, apart from the context describing the attack methodologies, efforts have also been dedicated to logic prototype, to mount extensive security investigations to countermeasures on logic-level. A characteristic of SCA resides on the format of leak sources. Typical side-channel attack concerns the power based analysis, where the fundamental capacitance from MOS transistors and other parasitic capacitances are the essential leak sources. Hence, a robust SCA-resistant logic must eliminate or mitigate the leakages from these micro units, such as basic logic gates, I/O ports and routings. The vendor provided EDA tools manipulate the logic from a higher behavioral-level, rather than the lower gate-level where side-channel leakage is generated. So, the classical implementations barely satisfy these needs and inevitably stunt the prototype. In this case, a customized and flexible design scheme is appealing to be devised. This thesis profiles an innovative logic style to counter SCA, which mainly addresses three major aspects: I. The proposed logic is based on the hiding strategy over gate-level dual-rail style to dynamically overbalance side-channel leakage from lower circuit layer; II. This logic exploits architectural features of modern FPGAs, to minimize the implementation expenses; III. It is supported by a set of assistant custom tools, incorporated by the generic FPGA design flow, to have circuit manipulations in an automatic manner. The automatic design toolkit supports the proposed dual-rail logic, facilitating the practical implementation on Xilinx FPGA families. While the methodologies and the tools are flexible to be expanded to a wide range of applications where rigid and sophisticated gate- or routing- constraints are desired. In this thesis a great effort is done to streamline the implementation workflow of generic dual-rail logic. The feasibility of the proposed solutions is validated by selected and widely used crypto algorithm, for thorough and fair evaluation w.r.t. prior solutions. All the proposals are effectively verified by security experiments. The presented research work attempts to solve the implementation troubles. The essence that will be formalized along this thesis is that a customized execution toolkit for modern FPGA systems is developed to work together with the generic FPGA design flow for creating innovative dual-rail logic. A method in crypto security area is constructed to obtain customization, automation and flexibility in low-level circuit prototype with fine-granularity in intractable routings. Main contributions of the presented work are summarized next: Precharge Absorbed-DPL logic: Using the netlist conversion to reserve free LUT inputs to execute the Precharge and Ex signal in a dual-rail logic style. A row-crossed interleaved placement method with identical routing pairs in dual-rail networks, which helps to increase the resistance against selective EM measurement and mitigate the impacts from process variations. Customized execution and automatic transformation tools for producing identical networks for the proposed dual-rail logic. (a) To detect and repair the conflict nets; (b) To detect and repair the asymmetric nets. (c) To be used in other logics where strict network control is required in Xilinx scenario. Customized correlation analysis testbed for EM and power attacks, including the platform construction, measurement method and attack analysis. A timing analysis based method for quantifying the security grades. A methodology of security partitions of complex crypto systems for reducing the protection cost. A proof-of-concept self-adaptive heating system to mitigate electrical impacts over process variations in dynamic dual-rail compensation manner. The thesis chapters are organized as follows: Chapter 1 discusses the side-channel attack fundamentals, which covers from theoretic basics to analysis models, and further to platform setup and attack execution. Chapter 2 centers to SCA-resistant strategies against generic power and EM attacks. In this chapter, a major contribution, a compact and secure dual-rail logic style, will be originally proposed. The logic transformation based on bottom-layer design will be presented. Chapter 3 is scheduled to elaborate the implementation challenges of generic dual-rail styles. A customized design flow to solve the implementation problems will be described along with a self-developed automatic implementation toolkit, for mitigating the design barriers and facilitating the processes. Chapter 4 will originally elaborate the tool specifics and construction details. The implementation case studies and security validations for the proposed logic style, as well as a sophisticated routing verification experiment, will be described in Chapter 5. Finally, a summary of thesis conclusions and perspectives for future work are included in Chapter 5. To better exhibit the thesis contents, each chapter is further described next: Chapter 1 provides the introduction of hardware implementation testbed and side-channel attack fundamentals, and mainly contains: (a) The FPGA generic architecture and device features, particularly of Virtex-5 FPGA; (b) The selected crypto algorithm - a commercially and extensively used Advanced Encryption Standard (AES) module - is detailed; (c) The essentials of Side-Channel methods are profiled. It reveals the correlated dissipation leakage to the internal behaviors, and the method to recover this relationship between the physical fluctuations in side-channel traces and the intra processed data; (d) The setups of the power/EM testing platforms enclosed inside the thesis work are given. The content of this thesis is expanded and deepened from chapter 2, which is divided into several aspects. First, the protection principle of dynamic compensation of the generic dual-rail precharge logic is explained by describing the compensated gate-level elements. Second, the novel DPL is originally proposed by detailing the logic protocol and an implementation case study. Third, a couple of custom workflows are shown next for realizing the rail conversion. Meanwhile, the technical definitions that are about to be manipulated above LUT-level netlist are clarified. A brief discussion about the batched process is given in the final part. Chapter 3 studies the implementation challenges of DPLs in FPGAs. The security level of state-of-the-art SCA-resistant solutions are decreased due to the implementation barriers using conventional EDA tools. In the studied FPGA scenario, problems are discussed from dual-rail format, parasitic impact, technological bias and implementation feasibility. According to these elaborations, two problems arise: How to implement the proposed logic without crippling the security level; and How to manipulate a large number of cells and automate the transformation. The proposed PA-DPL in chapter 2 is legalized with a series of initiatives, from structures to implementation methods. Furthermore, a self-adaptive heating system is depicted and implemented to a dual-core logic, assumed to alternatively adjust local temperature for balancing the negative impacts from silicon technological biases on real-time. Chapter 4 centers to the toolkit system. Built upon a third-party Application Program Interface (API) library, the customized toolkit is able to manipulate the logic elements from post P&R circuit (an unreadable binary version of the xdl one) converted to Xilinx xdl format. The mechanism and rationale of the proposed toolkit are carefully convoyed, covering the routing detection and repairing approaches. The developed toolkit aims to achieve very strictly identical routing networks for dual-rail logic both for separate and interleaved placement. This chapter particularly specifies the technical essentials to support the implementations in Xilinx devices and the flexibility to be expanded to other applications. Chapter 5 focuses on the implementation of the case studies for validating the security grades of the proposed logic style from the proposed toolkit. Comprehensive implementation techniques are discussed. (a) The placement impacts using the proposed toolkit are discussed. Different execution schemes, considering the global optimization in security and cost, are verified with experiments so as to find the optimized placement and repair schemes; (b) Security validations are realized with correlation, timing methods; (c) A systematic method is applied to a BCDL structured module to validate the routing impact over security metric; (d) The preliminary results using the self-adaptive heating system over process variation is given; (e) A practical implementation of the proposed toolkit to a large design is introduced. Chapter 6 includes the general summary of the complete work presented inside this thesis. Finally, a brief perspective for the future work is drawn which might expand the potential utilization of the thesis contributions to a wider range of implementation domains beyond cryptography on FPGAs.

Contribución a integración de sistemas fotovoltaicos conectados a la red: recurso solar y predicción de la generación

En los últimos años se ha producido un aumento constante en la potencia fotovoltaica instalada a nivel mundial. Este crecimiento, acompañado de crecimientos similares en el resto de energías renovables, está motivado por la necesidad de dar respuesta a varios de los retos que planteados al sector energético: creciente preocupación por los efectos en el medioambiente de las emisiones de gases de efecto invernadero, entre los que cabe destacar el cambio climático (IPCC 2011); el inevitable agotamiento de algunas fuentes tradicionales de energía eléctrica, basadas en combustibles fósiles, que llevara aparejado en las próximas décadas un aumento en el coste asociado a producir energía eléctrica mediante estas fuentes como indican Bentley (2002), Gori (2007), Kjastard (2009), Owen (2010) y Hughes (2011), y la necesidad para algunos países de asegurar su independencia energética, factor especialmente crítico para los países europeos debido a su escasez en reservas naturales de combustibles fósiles. La energía solar fotovoltaica, al igual que el resto de energías renovables, proporciona energía eléctrica de manera limpia y segura y plantea soluciones a los problemas mencionados. Asimismo, las energías renovables también presentan beneficios sociales como la creación de empleo cualificado en actividades de ingeniería, fabricación, instalación y mantenimiento, así como en la investigación, desarrollo e innovación. Es por estos motivos que las energías renovables se han visto beneficiadas a lo largo de las últimas décadas de mecanismos favorables, subvenciones y primas a la producción, conducentes a su implantación y desarrollo. La Figura 1.1 muestra la evolución de la potencia total instalada a nivel mundial y su tasa de crecimiento del 2000 al 2012, de acuerdo con datos proporcionados por la Agencia Internacional de la Energía: IEA (2012a, 2013). Los datos incluidos en la Figura 1.1 solo incluyen a los países que pertenecen a la Agencia Internacional de la Energía: Alemania, Australia, Austria, Bélgica, Canadá, China, Corea, Dinamarca, España, Estados Unidos, Finlandia, Francia, Holanda, Israel, Italia, Japón, Malasia, México, Noruega, Portugal, Reino Unido, Suecia, Suiza y Turquía. La potencia instalada muestra un crecimiento de tipo exponencial, incrementándose cada año un 41,6% de media. A los 88,5 GWP de potencia fotovoltaica instalada en todos los países miembros de la IEA a finales de 2012 habría que añadir, siempre según la IEA (2013), 7 GWP adicionales repartidos en seis países que no pertenecen a este organismo: Republica Checa, Grecia, Bulgaria, Eslovaquia, Ucrania y Tailandia. Esta tendencia en la tasa de crecimiento se mantiene incluso en los últimos años del periodo cuando varios países han reducido los incentivos a las energías renovables. Como consecuencia de este crecimiento en algunos países la proporción de energía eléctrica total de origen fotovoltaico empieza a ser apreciable. Para los casos de España, Alemania e Italia, el porcentaje de energía eléctrica final producida sistemas fotovoltaicos conectados a la red (SFCR) fue, respectivamente, de 3,1% y 4,7% en 2012 y de 3,1% en 2011 en Italia. La potencia instalada, la energía producida y la demanda total en estos países desde el año 2006 al 2012, de acuerdo con REE (2012, 2012, 2013), BMU (2013) y TERNA (2013), se recoge en la Tabla 1.1. Para el caso de Italia se incluyen únicamente datos hasta el año 2011 por no encontrarse disponibles datos para 2012. A medida que el nivel de penetración de la energía solar fotovoltaica en los sistemas eléctricos aumenta la necesidad de que este tipo de energía se integre de manera efectiva en dichos sistemas aumenta. La integración efectiva de un generador en el sistema eléctrico requiere que su producción sea conocida de antemano para poder incluirlo en la planificación del sistema eléctrico con el objetivo de que la producción programada para los distintos generadores iguale a la demanda esperada. Esta planificación del sistema eléctrico se suele hacer a escala diaria. Asimismo, además de equilibrar la generación con la demanda esperada un generador eléctrico debe ser capaz de proporcionar servicios auxiliares al sistema eléctrico como compensación de desequilibrios entre generación y consumo, regulación de tensión o inyección de potencia reactiva, entre otros. Por ejemplo, los sistemas fotovoltaicos cuya potencia sea superior a 2 MWP deben contribuir en España desde el 2010 a garantizar la continuidad del suministro eléctrico frente a huecos de tensión (España, 2010), aplicándose a estos sistemas fotovoltaicos el mismo procedimiento de operación – PO 12.3, REE(2006) – que ya se aplicó en su día a los generadores eólicos (España, 2007). La energía fotovoltaica, junto a otras energías renovables como la eólica, ha sido considerada tradicionalmente una fuente de energía no regulable. En consecuencia, no ha sido tenida en cuenta por los operadores de los sistemas eléctricos como una fuente de energía fiable. Esta consideración de la fotovoltaica como fuente de energía no fiable se debe a su dependencia de las condiciones meteorológicas, radiación y temperatura, para producir energía. Si la producción de un sistema fotovoltaico pudiese conocerse con exactitud y con la suficiente antelación se facilitaría su integración en los sistemas eléctricos. Sin embargo, la mera predicción de cuanta energía producirá un sistema fotovoltaico, aun cuando esta predicción se haga sin error, puede no ser suficiente; la energía producida por el sistema fotovoltaico sigue estando limitada por las condiciones meteorológicas y no es posible regular esta producción de energía. Como ya se ha comentado, la capacidad por parte de un generador eléctrico de regular su potencia de salida, tanto anticipadamente como en tiempo real, es crucial a la hora de su integración en el sistema eléctrico.

Influencia de las condiciones de ejecución en la resistencia de anclajes en convencional y autocompactante

A través de los años las estructuras de hormigón armado han ido aumentando su cuota de mercado, sustituyendo a las estructuras de fábrica de piedra o ladrillo y restándole participación a las estructuras metálicas. Uno de los primeros problemas que surgieron al ejecutar las estructuras de hormigón armado, era cómo conectar una fase de una estructura de este tipo a una fase posterior o a una modificación posterior. Hasta los años 80-90 las conexiones de una fase de una estructura de hormigón armado, con otra posterior se hacían dejando en la primera fase placas de acero con garrotas embebidas en el hormigón fresco o barras grifadas recubiertas de poliestireno expandido. Una vez endurecido el hormigón se podían conectar nuevas barras, para la siguiente fase mediante soldadura a la placa de la superficie o enderezando las barras grifadas, para embeberlas en el hormigón fresco de la fase siguiente. Estos sistemas requerían conocer la existencia y alcance de la fase posterior antes de hormigonar la fase previa. Además requerían un replanteo muy exacto y complejo de los elementos de conexión. Otro problema existente en las estructuras de hormigón era la adherencia de un hormigón fresco a un hormigón endurecido previamente, ya que la superficie de contacto de ambos hormigones suponía un punto débil, con una adherencia baja. A partir de los años 80, la industria química de la construcción experimentó un gran avance en el desarrollo de productos capaces de generar una buena adherencia sobre el hormigón endurecido. Este avance tecnológico tenía aplicación tanto en la adherencia del hormigón fresco sobre el hormigón endurecido, como en la adherencia de barras post-instaladas en agujeros de hormigón endurecido. Este sistema se denominó “anclajes adherentes de barras de acero en hormigón endurecido”. La forma genérica de ejecutarlos es hacer una perforación cilíndrica en el soporte de hormigón, con una herramienta especifica como un taladro, limpiar la perforación, llenarla del material adherente y finalmente introducir la barra de acero. Los anclajes adherentes se dividen en anclajes cementosos y anclajes químicos, siendo estos últimos los más habituales, fiables, resistentes y fáciles de ejecutar. El uso del anclaje adherente de barras de acero en hormigón endurecido se ha extendido por todo el espectro productivo, siendo muy habitual tanto en construcción de obras de hormigón armado de obra civil y edificación, como en obras industriales, instalaciones o fijación de elementos. La ejecución de un anclaje de una barra de acero en hormigón endurecido depende de numerosas variables, que en su conjunto, o de forma aislada pueden afectar de forma notable a la resistencia del anclaje. Nos referimos a variables de los anclajes, que a menudo no se consideran tales como la dirección de la perforación, la máquina de perforación y el útil de perforación utilizado, la diferencia de diámetros entre el diámetro del taladro y la barra, el tipo de material de anclaje, la limpieza del taladro, la humedad del soporte, la altura del taladro, etc. La utilización en los últimos años de los hormigones Autocompactables, añade una variable adicional, que hasta ahora apenas ha sido estudiada. En línea con lo apuntado, la presente tesis doctoral tiene como objetivo principal el estudio de las condiciones de ejecución en la resistencia de los anclajes en hormigón convencional y autocompactable. Esta investigación se centra principalmente en la evaluación de la influencia de una serie de variables sobre la resistencia de los anclajes, tanto en hormigón convencional como en un hormigón autocompactable. Para este estudio ha sido necesaria la fabricación de dos soportes de hormigón sobre los cuales desarrollar los ensayos. Uno de los bloques se ha fabricado con hormigón convencional y el otro con hormigón autocompactable. En cada pieza de hormigón se han realizado 174 anclajes con barras de acero, variando los parámetros a estudiar, para obtener resultados de todas las variables consideradas. Los ensayos a realizar en ambos bloques son exactamente iguales, para poder comparar la diferencia entre un anclaje en un soporte de hormigón con vibrado convencional (HVC) y un hormigón autocompactante (HAC). De cada tipo de ensayo deseado se harán dos repeticiones en la misma pieza. El ensayo de arrancamiento de las barras se realizara con un gato hidráulico hueco, con un sistema de instrumentación de lectura y registro de datos en tiempo real. El análisis de los resultados, realizado con una potente herramienta estadística, ha permitido determinar y evaluar numéricamente la influencia de los variables consideradas en la resistencia de los anclajes realizados. Así mismo ha permitido diferenciar los resultados obtenidos en los hormigones convencionales y autocompactantes, tanto desde el punto de vista de la resistencia mecánica, como de las deformaciones sufridas en el arrancamiento. Se define la resistencia mecánica de un anclaje, como la fuerza desarrollada en la dirección de la barra, para hacer su arrancamiento del soporte. De la misma forma se considera desplazamiento, a la separación entre un punto fijo de la barra y otro del soporte, en la dirección de la barra. Dichos puntos se determinan cuando se ha terminado el anclaje, en la intersección de la superficie plana del soporte, con la barra. Las conclusiones obtenidas han permitido establecer qué variables afectan a la ejecución de los anclajes y en qué cuantía lo hacen, así como determinar la diferencia entre los anclajes en hormigón vibrado convencional y hormigón autocompactante, con resultados muy interesantes, que permiten valorar la influencia de dichas variables. Dentro de las conclusiones podemos destacar tres grupos, que denominaremos como de alta influencia, baja influencia y sin influencia. En todos los casos hay que hacer el estudio en términos de carga y de desplazamiento. Podemos considerar como de alta influencia, en términos de carga las variables de máquina de perforación y el material de anclaje. En términos de desplazamiento podemos considerar de alta influencia además de la máquina de perforación y el material de anclaje, el diámetro del taladro, así como la limpieza y humedad del soporte. Podemos considerar de baja influencia, en términos de carga las variables de tipo de hormigón, dirección de perforación, limpieza y humedad del soporte. En términos de desplazamiento podemos considerar de baja influencia el tipo de hormigón y la dirección de perforación. Podemos considerar en el apartado de “sin influencia”, en términos de carga las variables de diámetro de perforación y altura del taladro. En términos de desplazamiento podemos considerar como “sin influencia” la variable de altura del taladro. Podemos afirmar que las diferencias entre los valores de carga aumentan de forma muy importante en términos de desplazamiento. ABSTRACT Over the years the concrete structures have been increasing their market share, replacing the masonry structures of stone or brick and subtracting as well the participation of the metallic structures. One of the first problems encountered in the implementing of the reinforced concrete structures was connecting a phase structure of this type at a later stage or a subsequent amendment. Until the 80s and 90s the connections of one phase of a reinforced concrete structure with a subsequent first phase were done by leaving the steel plates embedded in the fresh concrete using hooks or bent bars coated with expanded polystyrene. Once the concrete had hardened new bars could be connected to the next stage by welding them to the surface plate or by straightening the bent bars to embed them in the fresh concrete of the next phase. These systems required a previous knowledge of the existence and scope of the subsequent phase before concreting the previous one. They also required a very precise and complex rethinking of the connecting elements. Another existing problem in the concrete structures was the adhesion of a fresh concrete to a previously hardened concrete, since the contact surface of both concretes leaded to a weak point with low adherence. Since the 80s, the chemicals construction industry experienced a breakthrough in the development of products that generate a good grip on the concrete. This technological advance had its application both in the grip on one hardened fresh concrete and in the adhesion of bar post-installed in holes of hardened concrete. This system was termed as adherent anchors of steel bars in hardened concrete. The generic way of executing this system is by firstly drilling a cylindrical hole in the concrete support using a specific tool such as a drill. Then, cleaning the bore and filling it with bonding material to lastly, introduce the steel bar. These adherent anchors are divided into cement and chemical anchors, the latter being the most common, reliable, durable and easy to run. The use of adhesive anchor of steel bars in hardened concrete has spread across the production spectrum turning itself into a very common solution in both construction of reinforced concrete civil engineering and construction, and industrial works, installations and fixing elements as well. The execution of an anchor of a steel bar in hardened concrete depends on numerous variables which together or as a single solution may significantly affect the strength of the anchor. We are referring to variables of anchors which are often not considered, such as the diameter difference between the rod and the bore, the drilling system, cleansing of the drill, type of anchor material, the moisture of the substrate, the direction of the drill, the drill’s height, etc. During recent years, the emergence of self-compacting concrete adds an additional variable which has hardly been studied so far. According to mentioned this thesis aims to study the main performance conditions in the resistance of conventional and self-compacting concrete anchors. This research is primarily focused on the evaluation of the influence of several variables on the strength of the anchoring, both in conventional concrete and self-compacting concrete. In order to complete this study it has been required the manufacture of two concrete supports on which to develop the tests. One of the blocks has been manufactured with conventional concrete and the other with self-compacting concrete. A total of 174 steel bar anchors have been made in each one of the concrete pieces varying the studied parameters in order to obtain results for all variables considered. The tests to be performed on both blocks are exactly the same in order to compare the difference between an anchor on a stand with vibrated concrete (HVC) and a self-compacting concrete (SCC). Each type of test required two repetitions in the same piece. The pulling test of the bars was made with a hollow jack and with an instrumentation system for reading and recording data in real time. The use of a powerful statistical tool in the analysis of the results allowed to numerically determine and evaluate the influence of the variables considered in the resistance of the anchors made. It has likewise enabled to differentiate the results obtained in the self-compacting and conventional concretes, from both the outlook of the mechanical strength and the deformations undergone by uprooting. The mechanical strength of an anchor is defined as the strength undergone in a direction of the bar to uproot it from the support. Likewise, the movement is defined as the separation between a fixed point of the bar and a fixed point from the support considering the direction of the bar. These points are only determined once the anchor is finished, with the bar, at the intersection in the flat surface of the support. The conclusions obtained have established which variables affect the execution of the anchors and in what quantity. They have also permitted to determine the difference between the anchors in vibrated concrete and selfcompacting concrete with very interesting results that also allow to assess the influence of these mentioned variables. Three groups are highlighted among the conclusions called high influence, low influence and no influence. In every case is necessary to perform the study in terms of loading and movement. In terms of loading, there are considered as high influence two variables: drilling machinery and anchorage material. In terms of movement, there are considered as high influence the drilling diameter and the cleaning and moisture of the support, besides the drilling machinery and the anchorage material. Variables such as type of concrete, drilling direction and cleaning and moisture of the support are considered of low influence in terms of load. In terms of movement, the type of concrete and the direction of the drilling are considered variables of low influence. Within the no influence section in terms of loading, there are included the diameter of the drilling and the height of the drill. In terms of loading, the height of the drill is considered as a no influence variable. We can affirm that the differences among the loading values increase significantly in terms of movement.

Diferencias en composición química y relaciones con la calidad de la proteína de las harinas de soja según origen

La harina de soja (HS) es la principal fuente de proteína utilizada en la fabricación de piensos. En Europa, la mayor parte de las HS procede de uno de los tres principales países productores: Estados Unidos (USA), Brasil (BRA) y Argentina (ARG). La composición y valor nutricional de las HS varía entre países de origen en función de las variedades cultivadas, las condiciones agronómicas y las condiciones de procesado (Grieshop et al., 2003; De Coca et al., 2008, 2010; Frikha et al., 2012). En un trabajo anterior Mateos et al. (2011) presentaron los resultados obtenidos de una colección de 385 muestras de HS recogidas entre los años 2007 y 2010 procedentes de estos tres países. El presente trabajo tiene como objetivo complementar los resultados anteriores con nuevas muestras procedentes de las cosechas de los años 2011 y 2012. Asimismo se presentarán las correlaciones más destacadas entre componentes analíticos y las variables de calidad de la proteína habitualmente utilizadas por la industria.

Algoritmo para el análisis del Comportamiento de fresas periféricas en condiciones variables

La simulación de procesos de mecanizado supone hoy en día una herramienta de gran interés para predecir el comportamiento de la herramienta en las operaciones de corte y por lo tanto, la posibilidad de optimizar estas operaciones, permitiendo alcanzar una mayor productividad en los procesos de fabricación. Los algoritmos que actualmente se están utilizando para la predicción de fuerzas de corte son variados y su eficiencia diferente. La mayoría de los algoritmos desarrollados se centran en determinar la evolución de las fuerzas de corte en cada vuelta de la herramienta sin variar las condiciones de mecanizado en este intervalo. En este sentido, se ha desarrollado un algoritmo para fresado periférico basado en el espesor de viruta medio, que permite simplificar el algoritmo de estimación de fuerzas y ser ejecutado con una mayor velocidad, manteniendo el mismo nivel de precisión en la estimación. Con este nuevo modelo es posible realizar la estimación de fuerzas en fresado no solo cuando las condiciones de corte son uniformes sino también cuando se producen cambios en la configuración del corte.

Modelado de las Fuerzas de Corte en el Fresado de Piezas de Paredes Delgadas

En este trabajo se aborda el problema de la simulación de las fuerzas de corte en fresado cuando la pieza a mecanizar es flexible. Se presenta el desarrollo de un modelo matemático de tipo mecanicista que relaciona las fuerzas de corte y las deformaciones de la pieza durante la operación de fabricación. El énfasis del desarrollo de este modelo está puesto en la rapidez de cálculo de las fuerzas de corte. Esta característica facilitaría la implementación del modelo en sistemas de corrección de la deformación en tiempo real. El estudio experimental consiste en la validación del modelo propuesto mediante la comparación de fuerzas simuladas y fuerzas medidas, y en el desarrollo de un sistema de medición en línea de la deformación de la pieza, orientado a aplicaciones de compensación activa de la deformación. El modelo propuesto permite la estimación rápida y precisa de las fuerzas de corte y la deformación de la pieza en operaciones de fresado periférico de piezas flexibles.

Comportamiento eléctrico de cerámicas débilment cristalizadas con base de Te02

Los electrolitos vítreos se presentan como una alternativa de gran interés por sus ventajas inherentes a este particular “estado” de la materia: su carácter isotrópico en determinadas dimensiones, los métodos relativamente simples de fabricación, la ausencia del bloqueo por bordes de grano y la facilidad que presentan para poder controlar casi a voluntad su composición química para obtener una dada capacidad de conducción iónica, electrónica o mixta.

Reducción de Costes con la Implementación de la Gestión del Ciclo de Vida en un Fabricante de Aerogeneradores

El propósito de este artículo es desarrollar sobre una aplicación genérica PLM (Product Lifecycle Management), una solución que ayudará a las empresas proveedoras de servicios de ingeniería y fabricación del sector aeronáutico y renovables, a superar nuevos retos. En estos sectores los fabricantes de primer nivel (OEM?s) tienden a subcontratar el desarrollo y la fabricación de componentes a proveedores mediante paquetes de trabajo, como en el caso de los aerogeneradores. La gestión de dichos paquetes por los proveedores puede optimizarse mediante la implantación de una solución PLM. Esta herramienta es clave para garantizar el cumplimiento de los requerimientos del fabricante, y que el desarrollo de los paquetes se realizan en tiempo, coste y alcance. Una función a cubrir por la solución desarrollada sobre el PLM seleccionado será la Gestión de Programas y Proyectos. Es imprescindible que la solución aporte una Gestión de la Documentación que centralice todos los documentos, incluyendo entregables al cliente, de uso interno,? Para cumplir con las exigencias de calidad y normas de la industria, la aplicación contará con Gestión de la Configuración que asegure la validez de un producto obtenido durante cualquiera de las etapas del ciclo de vida, mediante control de cambios y última versión.

Estudio de las propiedades de morteros con nano sílice orientadas a nuevas aplicaciones de uso.

En la actualidad el uso de adiciones activas en las dosificaciones de morteros y hormigones es una práctica ampliamente extendida. En este trabajo de investigación se estudiaron morteros con incorporación de nanosílice que nos permitiesen ampliar las perspectivas de uso de este tipo de material. Como objetivo último se trataría de extrapolar el comportamiento de este material a microhormigones. Dentro de las posibilidades de uso que se proponían para este nuevo material se podrían encontrar la fabricación de losas de pavimento, la puesta en obra en continuo, el uso en elementos decorativos y funcionales de bajo coste, expuestos a ambientes moderados de abrasión, etc. En las dosificaciones ensayadas se determinó el comportamiento mecánico del material, mediante La determinación de las resistencias a compresión y flexión, y la determinación de la energía de fractura del material, a 7, 28 y 90 días. Se evaluó la dureza superficial antes y después de un proceso de carbonatación acelerada. Se realizaron medidas del desgaste del material por choque usando el ensayo de Los Ángeles. Los resultados obtenidos indican que el material propuesto presenta una dureza superficial similar al de rocas naturales después del proceso de carbonatación de las muestras. Existe cierta relación entre la adherencia que presenta el material (determinado a partir del coeficiente de Los Ángeles) y la tenacidad del material (evaluada a través de la determinación de la energía de fractura).

Influencia de la adición de nano sílice, en algunos aspectos de la durabilidad, en hormigones autocompactantes de alta resistencia

Con objeto de mejorar las prestaciones de los materiales y en particular los materiales de construcción, se está estudiando la incorporación de nano partículas en la fabricación de morteros y hormigones. En este trabajo se estudia el efecto de la incorporación de nano sílice a un hormigón autocompactante. Para ello se han seleccionado dos dosificaciones de nano sílice, 2,5% y 5% y se ha comparado su comportamiento con un hormigón autocompactante con la misma relación de material cementante. Se han evaluado las diferencias de comportamiento tanto en estado fresco como endurecido. En el trabajo se ha analizado el comportamiento mecánico (resistencia a compresión), microestructural (porosimetría por intrusión de mercurio y análisis termogravimétrico) y durable, (migración de cloruros y resistividad eléctrica), de las dosificaciones seleccionadas. Los resultados de los ensayos de resistencia a compresión muestran una relación directa entre este parámetro y el porcentaje de nano sílice adicionada. Los resultados de la caracterización microestructural ponen de manifiesto un refinamiento de la matriz porosa, con aumento de la cantidad de geles hidratados y reducción del tamaño de poro, mas significativo cuanto mayor es el porcentaje de adición. En cuanto a la resistencia del material a la penetración de cloruros se observa una disminución significativa cuanto mayor es el porcentaje de nano adición. Los datos obtenidos del ensayo de migración y de resistividad eléctrica muestran un mejor comportamiento por efecto de la adición. Sin embrago la variación relativa de la variable estimada en cada uno de los ensayos es sensiblemente diferente.

Influencia de la adición de nano sílice, en algunos aspectos de la durabilidad, en hormigones autocompactantes de alta resistencia.

Con objeto de mejorar las prestaciones de los materiales y en particular los materiales de construcción, se está estudiando la incorporación de nano partículas en la fabricación de morteros y hormigones. En este trabajo se estudia el efecto en la durabilidad de un hormigón autocompactante al incorporar nanosílice. Para ello se han seleccionado dos dosificaciones de nano sílice, 2,5% y 5% y se ha comparado su comportamiento con un hormigón autocompactante con la misma relación de material cementante. Se han evaluado las diferencias de comportamiento tanto en estado fresco como endurecido. En el trabajo se ha analizado el comportamiento mecánico (resistencia a compresión), microestructural (porosimetría por intrusión de mercurio, análisis termogravimétrico y micrografía) y durable, (migración de cloruros, difusión de cloruros y resistividad eléctrica), de las dosificaciones seleccionadas. Los resultados de los ensayos de resistencia a compresión muestran una relación directa entre éste parámetro y el porcentaje de nano sílice adicionada. Los resultados de la caracterización microestructural ponen de manifiesto un refinamiento de la matriz porosa, con aumento de la cantidad de geles hidratados y reducción del tamaño de poro, más significativo cuanto mayor es el porcentaje de adición. Las imágenes de SEM revelan cambios en la morfología de los productos hidratados de la matriz cementicia. Se observa un aumento significativo de la resistencia del material a la penetración de cloruros cuando se incorpora la nano sílice. Los coeficientes tanto de migración como de difusión de cloruros se reducen a menos de la mitad con la adición del 2,5% de nano sílice, no existiendo diferencias significativas en dichos coeficientes en las mezclas con 2,5% y 5% de nano adición. La resistividad eléctrica se revela como un parámetro que si bien sigue la misma tendencia que el coeficiente de migración, el orden de magnitud de las variaciones entre las distintas dosificaciones existen diferencias significativas.

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.

Influencia de la adición de nano sílice y nano alúmina en morteros de cemento de uso agro-ganadero.

Con objeto de mejorar las prestaciones de los materiales y en particular los materiales de construcción, se está estudiando la incorporación de nano partículas en la fabricación de morteros y hormigones. En este trabajo se estudia el efecto en la durabilidad de un hormigón autocompactante al incorporar nanosílice. Para ello se han seleccionado dos dosificaciones de nano sílice, 2,5% y 5% y se ha comparado su comportamiento con un hormigón autocompactante con la misma relación de material cementante. Se han evaluado las diferencias de comportamiento tanto en estado fresco como endurecido. En el trabajo se ha analizado el comportamiento mecánico (resistencia a compresión), microestructural (porosimetría por intrusión de mercurio, análisis termogravimétrico y micrografía) y durable, (migración de cloruros, difusión de cloruros y resistividad eléctrica), de las dosificaciones seleccionadas. Los resultados de los ensayos de resistencia a compresión muestran una relación directa entre éste parámetro y el porcentaje de nano sílice adicionada. Los resultados de la caracterización microestructural ponen de manifiesto un refinamiento de la matriz porosa, con aumento de la cantidad de geles hidratados y reducción del tamaño de poro, más significativo cuanto mayor es el porcentaje de adición. Las imágenes de SEM revelan cambios en la morfología de los productos hidratados de la matriz cementicia. Se observa un aumento significativo de la resistencia del material a la penetración de cloruros cuando se incorpora la nano sílice. Los coeficientes tanto de migración como de difusión de cloruros se reducen a menos de la mitad con la adición del 2,5% de nano sílice, no existiendo diferencias significativas en dichos coeficientes en las mezclas con 2,5% y 5% de nano adición. La resistividad eléctrica se revela como un parámetro que si bien sigue la misma tendencia que el coeficiente de migración , el orden de magnitud de las variaciones entre las distintas dosificaciones existen diferencias significativas.

New concepts and techniques for the development of high-efficiency concentrating photovoltaic modules

El interés por los sistemas fotovoltaicos de concentración (CPV) ha resurgido en los últimos años amparado por el desarrollo de células multiunión de muy alta eficiencia basadas en semiconductores de los grupos III-V. Estas células han permitido obtener módulos de concentración con eficiencias que prácticamente duplican las del panel plano y que llegan al 35% en los módulos récord. Esta tesis está dedicada al diseño y la implementación experimental de nuevos conceptos que permitan obtener módulos CPV que no sólo alcancen una eficiencia alta en condiciones estándar sino que, además, sean lo suficientemente tolerantes a errores de montaje, seguimiento, temperatura y variaciones espectrales para que la energía que producen a lo largo del año sea máxima. Una de las primeras cuestiones que se abordan es el diseño de elementos ópticos secundarios para sistemas cuyo primario es una lente de Fresnel y que permiten, para una concentración fija, aumentar el ángulo de aceptancia y la tolerancia del sistema. Varios secundarios reflexivos y refractivos han sido diseñados y analizados mediante trazado de rayos. En particular, utilizando óptica anidólica y basándose en el diseño de una sola etapa conocido como ‘concentrador dieléctrico que funciona por reflexión total interna‘, se ha diseñado, fabricado y caracterizado un secundario con salida cuadrada que, usado junto con una lente de Fresnel, permite alcanzar simultáneamente una elevada eficiencia, concentración y aceptancia. Además, se ha propuesto y prototipado un método alternativo de fabricación para otro de los secundarios, denominado domo, consistente en el sobremoldeo de silicona sobre células solares. Una de las características que impregna todo el trabajo realizado en esta tesis es la aproximación holística en el diseño de módulos CPV, es decir, se ha prestado especial atención al diseño conjunto de la célula y la óptica para garantizar que el sistema total alcance la mayor eficiencia posible. En este sentido muchos sistemas ópticos desarrollados en esta tesis han sido diseñados, caracterizados y optimizados teniendo en cuenta que el ajuste de corriente entre las distintas subcélulas que comprenden la célula multiunión bajo el concentrador sea muy próximo a uno. La capa antirreflectante sobre la célula funciona, en cierto modo, como interfaz entre la óptica y la célula, por lo que se ha diseñado un método de optimización de capas antirreflectantes que considera no sólo el amplio rango de longitudes de onda para el que las células multiunión son sensibles sino también la distribución angular de intensidad sobre la célula creada por la óptica de concentración. Además, la cuestión de la falta de uniformidad también se ha abordado mediante la comparación de las distribuciones espectrales y espaciales de irradiancia que crean diferentes ópticas (simuladas mediante trazado de rayos y fotografiadas) y las pérdidas de eficiencia que experimentan las células iluminadas por dichas ópticas de concentración medidas experimentalmente. El efecto de la temperatura en la óptica de concentración también ha sido objeto de estudio de esta tesis. En particular, mediante simulaciones de elementos finitos se han dado los primeros pasos para el análisis de las deformaciones que sufren los dientes de las lentes de Fresnel híbridas (vidrio-silicona), así como el cambio de índice de refracción con la temperatura y la influencia de ambos efectos sobre el funcionamiento de los sistemas. Se ha implementado un modelo que tiene por objeto considerar las variaciones ambientales, principalmente temperatura y contenido espectral de la radiación directa, así como las sensibilidades térmica y espectral de los sistemas CPV, con el fin de maximizar la energía producida por un módulo de concentración a lo largo de un año en un emplazamiento determinado. Los capítulos 5 y 6 de este libro están dedicados al diseño, fabricación y caracterización de un nuevo concepto de módulo fotovoltaico denominado FluidReflex y basado en una única etapa reflexiva con dieléctrico fluido. En este nuevo concepto la presencia del fluido aporta algunas ventajas significativas como son: un aumento del producto concentración por aceptancia (CAP, en sus siglas en inglés) alcanzable al rodear la célula con un medio cuyo índice de refracción es mayor que uno, una mejora de la eficiencia óptica al disminuir las pérdidas por reflexión de Fresnel en varias interfaces, una mejora de la disipación térmica ya que el calor que se concentra junto a la célula se trasmite por convección natural y conducción en el fluido y un aislamiento eléctrico mejorado. Mediante la construcción y medida de varios prototipos de unidad elemental se ha demostrado que no existe ninguna razón fundamental que impida la implementación práctica del concepto teórico alcanzando una elevada eficiencia. Se ha realizado un análisis de fluidos candidatos probando la existencia de al menos dos de ellos que cumplen todos los requisitos (en particular el de estabilidad bajo condiciones de luz concentrada) para formar parte del sistema de concentración FluidReflex. Por ´ultimo, se han diseñado, fabricado y caracterizado varios prototipos preindustriales de módulos FluidReflex para lo cual ha sido necesario optimizar el proceso de fabricación de la óptica multicavidad a fin de mantener el buen comportamiento óptico obtenido en la fabricación de la unidad elemental. Los distintos prototipos han sido medidos, tanto en el laboratorio como bajo el sol real, analizando el ajuste de corriente de la célula iluminada por el concentrador FluidReflex bajo diferentes distribuciones espectrales de la radiación incidente así como el excelente comportamiento térmico del módulo. ABSTRACT A renewed interest in concentrating photovoltaic (CPV) systems has emerged in recent years encouraged by the development of high-efficiency multijunction solar cells based in IIIV semiconductors that have led to CPV module efficiencies which practically double that of flat panel PV and which reach 35% for record modules. This thesis is devoted to the design and experimental implementation of new concepts for obtaining CPV modules that not only achieve high efficiency under standard conditions but also have such a wide tolerance to assembly errors, tracking, temperature and spectral variations, that the energy generated by them throughout the year is maximized. One of the first addressed issues is the design of secondary optical elements whose primary optics is a Fresnel lens and which, for a fixed concentration, allow an increased acceptance angle and tolerance of the system. Several reflective and refractive secondaries have been designed and analyzed using ray tracing. In particular, using nonimaging optics and based on the single-stage design known as ‘dielectric totally internally reflecting concentrator’, a secondary with square output has been designed, fabricated and characterized. Used together with a Fresnel lens, the secondary can simultaneously achieve high efficiency, concentration and acceptance. Furthermore, an alternative method has been proposed and prototyped for the fabrication of the secondary named dome. The optics is manufactured by direct overmolding of silicone over the solar cells. One characteristic that permeates all the work done in this thesis is the holistic approach in the design of CPV modules, meaning that special attention has been paid to the joint design of the solar cell and the optics to ensure that the total system achieves the highest attainable efficiency. In this regard, many optical systems developed in the thesis have been designed, characterized and optimized considering that the current matching among the subcells within the multijunction solar cell beneath the optics must be close to one. Antireflective coating over the cell acts, somehow, as an interface between the optics and the cell. Consequently, a method has been designed to optimize antireflective coatings that takes into account not only the broad wavelength range that multijunction solar cells are sensitive to but also the angular intensity distribution created by the concentrating optics. In addition, the issue of non-uniformity has also been addressed by comparing the spectral and spatial distributions of irradiance created by different optics (simulated by ray tracing and photographed) and the efficiency losses experienced by cells illuminated by those concentrating optics experimentally determined. The effect of temperature on the concentrating optics has also been studied in this thesis. In particular, finite element simulations have been use to analyze the deformations experienced by the facets of hybrid (silicon-glass) Fresnel lenses, the change of refractive index with temperature and the influence of both effects on the system performance. A model has been implemented which take into consideration atmospheric variations, mainly temperature and spectral content of the direct normal irradiance, as well as thermal and spectral sensitivities of systems, with the aim of maximizing the energy harvested by a CPV module throughout the year in a particular location. Chapters 5 and 6 of this book are devoted to the design, fabrication, and characterization of a new concentrator concept named FluidReflex and based on a single-stage reflective optics with fluid dielectric. In this new concept, the presence of the fluid provides some significant advantages such as: an increased concentration acceptance angle product (CAP) achievable by surrounding the cell with a medium whose refractive index is greater than one, an improvement of the optical efficiency by reducing losses due to Fresnel reflection at several interfaces, an improvement in heat dissipation as the heat concentrated near the cell is transmitted by natural convection and conduction in the fluid, and an improved electrical insulation. By fabricating and characterizing several elementary-unit prototypes it was shown that there is no fundamental reason that prevents the practical implementation of this theoretical concept reaching high efficiency. Several fluid candidates were investigated proving the existence of at least to fluids that meet all the requirements (including the stability under concentrated light) to become part of the FluidReflex concentrator. Finally, several pre-industrial FluidReflex module prototypes have been designed and fabricated. An optimization process for the manufacturing of the multicavity optics was necessary to attain such an optics quality as the one achieved by the single unit. The module prototypes have been measured, both indoors and outdoors, analyzing the current matching of the solar cells beneath the concentrator for different spectral distribution of the incident irradiance. Additionally, the module showed an excellent thermal performance.

Análisis de la influencia del borde de salida abierto en perfiles aerodinámicos a bajos números de Reynolds

El objetivo del presente trabajo es analizar la influencia que tiene sobre el comportamiento aerodinámico del perfil el hecho de que este presente un borde de salida más grueso que el perfil original del que se partía. Este estudio se ha centrado fundamentalmente en la influencia sobre su sustentación aerodinámica, resistencia aerodinámica y, especialmente, sobre la eficiencia aerodinámica del perfil, es decir sobre la relación entre la sustentación y la resistencia aerodinámica. También se ha analizado su influencia en otros aspectos aerodinámicos de los perfiles, como la entrada en pérdida, el ángulo de ataque de sustentación máxima, el ángulo de ataque de eficiencia máxima, el coeficiente de momento aerodinámico y la posición del centro aerodinámico. Estas imperfecciones en el borde de salida pueden aparecer en algunos procesos de fabricación de determinados elementos aerodinámicos, como alas de aviones no tripulados o palas de aeroturbina. Este fenómeno no ha sido analizado en profundidad en la literatura científica, aunque si que se ha analizado por varios autores la influencia sobre el perfil con el borde de salida truncado, o perfiles con la parte final regruesada, utilizados en otras aplicaciones. Para la realización de este estudio se han analizado perfiles de distinto tipo, laminares y no laminares, perfiles simétricos y con curvatura, así como perfiles con distinto espesor, a fin de comparar el grado de influencia del fenómeno estudiado sobre cada tipo de perfil para comparar su grado de sensibilidad a dicha anomalía geométrica. El estudio se ha realizado experimentalmente utilizando una cámara de ensayos diseñada específicamente a tal efecto, así como una balanza electrónica para medir las fuerzas y los momentos sobre el perfil, y un escáner de presiones para medir la distribución de presiones en determinados casos. También se ha abordado el estudio del comportamiento de perfiles con borde de salida más grueso que el nominal pero redondeado en vez de romo, con el objeto de analizar la eficacia de redondear el borde de salida, que es uno de los métodos que se puede utilizar para mitigar este efecto. Por otro lado, como el comportamiento de los perfiles aerodinámicos tiene una fuerte dependencia del número de Reynolds, el estudio se ha centrado en el análisis del comportamiento a bajos números de Reynolds debido a su uso reciente en una amplia gama de aplicaciones, desde vehículos aéreos no tripulados (UAV) hasta palas de aeroturbinas de baja potencia, e incluso debido a su uso potencial en aeronaves diseñadas para volar en atmósferas de baja densidad como la que existe en Marte. El interés de este estudio está orientado al establecimiento de criterios para cuantificar la influencia que tiene el hecho de que el borde de salida sea más grueso que el nominal en la degradación de su eficiencia aerodinámica máxima, con el objeto de poder establecer los límites de aceptación o rechazo de estas piezas una vez fabricadas, según el tipo de perfil aerodinámico utilizado. Del resultado del análisis de los casos estudiados se puede concluir que según aumenta el espesor del borde de salida, dentro del intervalo de estudio, la sustentación aerodinámica aumenta, así como la sustentación máxima, pero aumenta en mayor proporción la resistencia aerodinámica, por lo que se produce una reducción de la eficiencia aerodinámica, en particular de su valor máximo. Por otro lado, el hecho de redondear el borde de salida del perfil ayuda ligeramente a reducir este efecto. ABSTRACT The aim of this thesis is to analyze the effects of airfoil trailing edges thickness when this is thicker than the airfoil nominal. Several factors may lead to an airfoil trailing edge being thicker than the nominal airfoil, and this may affect various aerodynamic parameters. This study has focus on its influence on the airfoil’s aerodynamic lift, drag and, particularly on the aerodynamic efficiency of the airfoil, that is, the relationship between the aerodynamic lift and drag. It has also been studied how this fact may alter some other aerodynamic aspects of airfoils, such as stall, angle of attack of maximum lift, angle of maximum efficiency, aerodynamic moment coefficient and aerodynamic center position. These imperfections in the trailing edge may appear in some manufacturing processes of certain aerodynamic elements, such as unmanned aircraft wings or wind turbine blades. This phenomenon has not been deeply analyzed in the literature, although several authors have discussed its influence on airfoil with truncated trailing edge, or airfoils with thickened end, used in other applications. Various types of airfoils have been analyzed, laminar and non-laminar, symmetric and curved airfoils, and airfoils with different thickness, in order to compare the degree of influence of the phenomenon studied on each airfoil type and thus, to estimate the degree of sensitivity to the anomaly geometry. The study was carried out experimentally using a test chamber designed specifically for this purpose, as well as an electronic balance to measure the forces and moments on the airfoil, and a pressure scanner to measure distribution of pressures in certain cases. It has also been investigated the behavior of airfoils with trailing edge thicker than the nominal, but rounded instead of blunt, in order to analyze the effectiveness of the trailing edge rounding, which is one of the methods that can be used to mitigate this phenomenon. Moreover, as the behavior of the airfoil is highly dependent on the Reynolds number, the study has been focused on the analysis of the behavior at low Reynolds numbers due to recent use of low Reynolds numbers airfoils in a wide range of applications, from unmanned aerial vehicles (UAV) to low power wind turbine blades, or even due to their potential use in aircraft designed to fly in low density atmospheres as the one existing in Mars. The main purpose of this research is to establish a set of criteria for quantifying the influence that a thicker-than–nominal-trailing edge has in the degradation of maximum aerodynamic efficiency, aiming at establishing the acceptance limits for these pieces when they are manufactured, according to the type of airfoil used. Based on the results obtained from the analysis of the cases under study it can be concluded that increasing the thickness of the trailing edge, within the range of study, increases aerodynamic lift, as well as maximum lift, but the aerodynamic drag increases in a higher proportion, and consequently there is a reduction of aerodynamic efficiency, particularly, of its maximum value. On the other hand, rounding the trailing edge of the airfoil slightly helps to reduce this effect.