998 resultados para Célula TCD4
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La acuicultura es uno de los sectores con mayor crecimiento en la produccin animal mundial, con una tasa superior al 5% anual en la ltima dcada (Izquierdo et al., 2008). En la acuicultura, el xito del cultivo de cualquier especie de peces marinos est limitado por la cantidad y la calidad de la produccin en masa de sus alevines (Izquierdo y Fernndez - Palacios, 1997). Por lo tanto, para cubrir las crecientes demandas de la produccin de semillas, es necesario mejorar la calidad nutritiva de sus larvas, lo cual todava constituye una de las principales limitaciones para el desarrollo del cultivo de especies de peces marinos (Watanabe et al., 1983; Yfera y Pascual, 1984; Sargent et al. 1997; Izquierdo et al., 2000). Aunque la produccin Mediterrnea del cultivo de peces marinos se ha incrementado en varias especies, la dorada Sparus aurata contina siendo la especie mas cultivada (Izquierdo, 2005), con una produccin anual de alevines que supera los 120 millones/ ao. La demanda de alevines de buena calidad est aumentando a un ritmo del 10% anual, pero el xito de la produccin de los juveniles se ve muy afectado por la eficacia de la primera alimentacin y la calidad nutricional de la dieta de arranque (Kolkovski et al., 1993; Sargent et al., 1997; Izquierdo et al., 2000). En general, la dorada y la lubina europea (Dicentrarchus labrax) son las especies ms importantes de peces marinos criados en la regin mediterrnea y han caracterizado el desarrollo de la acuicultura marina en esta regin en las ltimas tres dcadas (FAO, 1999). Adems, en la produccin, de ambas especies, se prevee una mayor expansin (Basurco y Abelln, 1999). Sin embargo, a pesar de que el engorde de estas especies est bien controlado, el conocimiento de sus necesidades nutricionales, en comparacin con otras especies como salmnidos y carpas, sigue siendo incompleto (NRC, 1993). Por lo tanto, para obtener un mejor crecimiento y una mayor tasa de supervivencia, es esencial una dieta que responda a las necesidades nutricionales de las larvas, tanto cualitativas como cuantitativas (Kolkovski et al., 1993; Sargent et al., 1997). Adems, incluso antes de que comience el desarrollo larvario, los huevos de los peces deben contener todos los nutrientes que cubran los requerimientos adecuados para el desarrollo del embrin (Izquierdo y Fernndez - Palacios, 1997). En los ltimos aos, las investigaciones han prestado gran atencin a la importancia de los lpidos dietticos para larvas de peces marinos (Izquierdo et al., 2003), puesto que son esenciales para el crecimiento y el desarrollo de los mismos (Watanabe, 1982; Sargent et al., 1999a). Como reflejo de esta importancia, la dieta para dorada y lubina se ha convertido en una dieta altamente energtica (25% de lpidos) en comparacin con la dcada anterior (12% de lpidos) (Izquierdo et al., 2003). Los lpidos dietticos proporcionan una fuente rica de energa y fosfolpidos y son fundamentales para la estructura de las biomembranas. Los lpidos dietticos tambin sirven como vehculos para la absorcin de otros nutrientes, como las vitaminas liposolubles A, D, E, y K, y pigmentos naturales o sintticos. Los lpidos son componentes de las hormonas y precursores para la sntesis de diversos metabolitos funcionales, como las prostaglandinas y otros eicosonoides. Adems, los lpidos dietticos son reconocidos como uno de los factores nutricionales ms importantes que afectan el crecimiento y la supervivencia de las larvas (Watanabe et al., 1983), porque constituyen materiales esenciales para la formacin normal de célula, las membranas de los tejidos y el desarrollo de rganos (Izquierdo et al., 1998, 2003; Pousa et al., 2003). Sin embargo, la utilizacin de los lpidos dietticos por las larvas puede verse afectada directa o indirectamente por varios cambios morfolgicos y fisiolgicos que ocurren durante el desarrollo larvario. En los ltimos aos ha habido ms inters en todos estos aspectos nutricionales de los lpidos en las larvas de peces, debido a la importancia de utilizacin de los lpidos dieteticos para el ptimo crecimiento y supervivencia larvaria (Izquierdo et al., 2000).
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[ES] El siguiente artculo es un extracto de la tesis doctoral titulada ?Las dotes matrimoniales en las Canarias Orientales bajo el reinado del ltimo Austria (1665-1700)? que en la actualidad se encuentra en elaboracin. Este proyecto fue dotado con una beca de la Fundacin Universitaria y patrocinada por Nogal Metal, empresa sin la cual no hubiese sido posible su elaboracin. En esta ocasin hemos decidido centrarnos en las joyas y el calzado de las cartas dotales de la isla de Lanzarote a lo largo de 12 aos del reinado de Carlos II. No descubriramos nada relevante al declarar que la dote matrimonial es un documento de extraordinaria riqueza. Supone la unin de patrimonios y, por tanto, una especie de seguro material para financiar una nueva célula familiar. A la vez, es un elemento vital para refrendar el sacramento del matrimonio. De esta forma, lo sacro y lo profano quedan indisolublemente unidos.
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La urticaria es una enfermedad frecuente que involucra a los mastocitos cutneos como principal efector. Su activacin puede resultar de interacciones ligando-receptor o por activacin directa de seales intracelulares. Las consecuencias de la activacin son la degranulacin, la sntesis de leucotrienos y prostaglandinas y por ltimo la produccin de citoquinas y quimioquinas. El cuadro clnico final vara dependiendo de varios parmetros, incluyendo la naturaleza de los estmulos y la activacin de los mastocitos de los pacientes.
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En el paradigma clsico, los efectos biolgicos de la radiacin ionizante se atribuyen al dao en el ADN inducido en cada célula irradiada. La demostracin de efectos de vecindad causados por radiacin ionizante (EVIR) ha generado un cambio profundo en la concepcin actual de la radiobiologa. Los EVIR son aquellos efectos causados por la radiacin que se producen en células que no han sido irradiadas. Diversos avances tcnicos, en particular el empleo de microhaces, han permitido estudiar los EVIR in vitro. Se conocen dos vas por las cuales las células irradiadas pueden comunicarse con las no irradiadas, a saber: mediante uniones especializadas (nexos) que comunican los citoplasmas de células adyacentes, y mediante la secrecin de factores solubles al medio extracelular. Estos factores incluyen varias citokinas y especies reactivas del oxgeno y nitrgeno. Las vas de sealizacin en las células afectadas involucran en particular la activacin de protena kinasas activadas por mitgenos (MAPK) y del factor de transcripcin NFciclooxigenasa 2, sintasa de xido ntrico 2 y NAD(P)H oxidasa. Los EVIR pueden causar mutaciones puntuales y cambios epigenticos. Los efectos sobre las vas de sealizacin pueden persistir indefinidamente e incluso transmitirse a la descendencia. Paradjicamente, en ciertas condiciones los EVIR pueden ser adaptativos, es decir que tornan a las células afectadas ms resistentes a la radiacin. La adaptacin exige sntesis de protenas y mejora la capacidad celular de reparar el ADN y resistir el estrs oxidativo. Los EVIR tambin se han demostrado in vivo. Por tanto, pueden tener implicaciones importantes en radioterapia, tanto para mejorar la eficacia teraputica como para reducir la incidencia de efectos adversos. Asimismo, su mejor conocimiento puede influenciar las normas internacionales de radioproteccin.
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Este Trabajo Fin de Mster surge de la necesidad de evaluar la fiabilidad de los sistemas fotovoltaicos de concentracin, los cuales han sufrido una evolucin importante, pasando de usarse células solares de silicio con un 26% de rendimiento, a células multiunin III-V superando el 43% de rendimiento. Las células solares multinunin, mucho ms caras y complejas que las células de silicio, no podrn ser comercializadas hasta que no se demuestre que tienen una fiabilidad comparable a las células de silicio. Con el objetivo de disponer de resultados de fiabilidad en un periodo de tiempo adecuado, se utilizan ensayos acelerados. Los ensayos acelerados en células solares presentan una dificultad aadida, debido a la necesidad de que la célula solar est funcionando y adems sea caracterizada dentro de una cmara climtica. Mientras que para realizar ensayos acelerados en otros dispositivos es muy sencillo hacerlos funcionar dentro de la cmara climtica, en el caso de las células solares tanto el funcionamiento como la caracterizacin requieren de iluminacin dentro de la cmara climtica. Conseguir dicha iluminacin es complejo como se comentar en el desarrollo de esta memoria de Trabajo Fin de Mster, as como la solucin encontrada. A lo largo de esta memoria se desarrollar una primera parte terica, comenzando con una breve descripcin terica sobre células solares, aunque el estudio de las mismas no es el objetivo de este proyecto, por lo que se continuar con teora de fiabilidad. El objetivo de este Trabajo Fin de Mster es desarrollar un software capaz de realizar ensayos acelerados sobre células solares. El diseo del software desarrollado podra usarse para cualquier tipo de célula solar, u otro dispositivo similar como un LED o un diodo lser. El ltimo captulo terico desarrollado en este proyecto es una introduccin al lenguaje de programacin grfico, denominado lenguaje G, implementado con Labview, software elegido para el desarrollo del programa. Dado que estar destinado a su uso en otros proyectos, el desarrollo del sistema estar totalmente descrito y el cdigo comentado, para que en un futuro se pueda modificar de forma sencilla. El ncleo de la memoria es el desarrollo del software aunque tambin se mostrar el desarrollo hardware, que ha sido desarrollado en paralelo en otro Trabajo Fin de Mster y la instalacin necesaria para poder llevar a cabo los ensayos. Para finalizar la memoria, se documenta la instalacin realizada, mostrando las pruebas realizadas al software y al hardware y la puesta en funcionamiento de los ensayos con sus primeros resultados.
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Este proyecto, titulado Caracterizacin de colectores para concentracin fotovoltaica, consiste en una aplicacin en Labview para obtener las caractersticas de los elementos pticos utilizados en sistemas de concentracin fotovoltaica , atendiendo a la distribucin espacial del foco de luz concentrado que generan. Un sistema de concentracin fotovoltaica utiliza un sistema ptico para transmitir la radiacin luminosa a la célula solar aumentando la densidad de potencia luminosa. Estos sistemas pticos estn formados por espejos o lentes para recoger la radiacin incidente en ellos y concentrar el haz de luz en una superficie mucho menor. De esta manera se puede reducir el rea de material semiconductor necesario, lo que conlleva una importante reduccin del coste del sistema. Se pueden distinguir diferentes sistemas de concentracin dependiendo de la ptica que emplee, la estructura del receptor o el rango de concentracin. Sin embargo, ya que el objetivo es analizar la distribucin espacial, diferenciaremos dos tipos de concentradores dependiendo de la geometra que presenta el foco de luz. El concentrador lineal o cilndrico que enfoca sobre una lnea, y el concentrador de foco puntual o circular que enfoca la luz sobre un punto. Debido a esta diferencia el anlisis en ambos casos se realizar de forma distinta. El anlisis se realiza procesando una imagen del foco tomada en el lugar del receptor, este mtodo se llama LS-CCD (Difusin de luz y captura con CCD). Puede utilizarse en varios montajes dependiendo si se capta la imagen por reflexin o por transmisin en el receptor. En algunos montajes no es posible captar la imagen perpendicular al receptor por lo que la aplicacin realizar un ajuste de perspectiva para obtener el foco con su forma original. La imagen del foco ofrece informacin detallada acerca de la uniformidad del foco mediante el mapa de superficie, que es una representacin en 3D de la imagen pero que resulta poco manejable. Una representacin ms sencilla y til es la que ofrecen los llamados perfiles de intensidad. El perfil de intensidad o distribucin de la irradiancia que representa la distribucin de la luz para cada distancia al centro, y el perfil acumulado o irradiancia acumulada que representa la luz contenida en relacin tambin al centro. Las representaciones de estos perfiles en el caso de un concentrador lineal y otro circular son distintas debido a su diferente geometra. Mientras que para un foco lineal se expresa el perfil en funcin de la semi-anchura del receptor, para uno circular se expresa en funcin del radio. En cualquiera de los casos ofrecen informacin sobre la uniformidad y el tamao del foco de luz necesarios para disear el receptor. El objetivo de este proyecto es la creacin de una aplicacin software que realice el procesado y anlisis de las imgenes obtenidas del foco de luz de los sistemas pticos a caracterizar. La aplicacin tiene una interfaz sencilla e intuitiva para que pueda ser empleada por cualquier usuario. Los recursos necesarios para realizar el proyecto son: un PC con sistema operativo Windows, el software Labview 8.6 Professional Edition y los mdulos NI Vision Development Module (para trabajar con imgenes) y NI Report Generation Toolkit (para realizar reportes y guardar datos de la aplicacin). ABSTRACT This project, called Characterization of collectors for concentration photovoltaic systems, consists in a Labview application to obtain the characteristics of the optical elements used in photovoltaic concentrator, taking into account the spatial distribution of concentrated light source generated. A concentrator photovoltaic system uses an optical system to transmit light radiation to the solar cell by increasing the light power density. This optical system are formed by mirrors or lenses to collect the radiation incident on them and focus the beam of light in a much smaller surface area. In this way you can reduce the area of semiconductor material needed, which implies a significant reduction in system cost. There are different concentration systems depending on the optics used, receptor structure or concentration range. However, as the aim is to analyze the spatial distribution, distinguish between two types of concentrators depending on the geometry that has the light focus. The linear or cylindrical concentrator that focused on a line, and the circular concentrator that focused light onto a point. Because this difference in both cases the analysis will be carried out differently. The analysis is performed by processing a focus image taken at the receiver site, this method is called LS-CCD (Light Scattering and CCD recording). Can be used in several mountings depending on whether the image is captured by reflection or transmission on the receiver. In some mountings it is not possible to capture the image perpendicular to the receivers so that the application makes an adjustment of perspective to get the focus to its original shape. The focus image provides detail information about the uniformity of focus through the surface map, which is a 3D image representation but it is unwieldy. A simple and useful representation is provided by so called intensity profiles. The intensity profile or irradiance distribution which represents the distribution of light to each distance to the center. The accumulated profile or accumulated irradiance that represents the cumulative light contained in relation also to the center. The representation of these profiles in the case of a linear and a circular concentrator are different due to their distinct geometry. While for a line focus profile is expressed in terms of semi-width of the receiver, for a circular concentrator is expressed in terms of radius. In either case provides information about the uniformity and size of focus needed to design the receiver. The objective of this project is the creation of a software application to perform processing and analysis of images obtained from light source of optical systems to characterize.The application has a simple and a intuitive interface so it can be used for any users. The resources required for the project are: a PC with Windows operating system, LabVIEW 8.6 Professional Edition and the modules NI Vision Development Module (for working with images) and NI Report Generation Toolkit (for reports and store application data .)
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SUMMARY Concentration Photovoltaic Systems (CPV) have been proposed as an alternative to conventional systems. During the last years, there has been a boom of the CPV industry caused by the technological progress in all the elements of the system. and mainly caused by the use of multijunction solar cells based on III-V semiconductors, with efficiencies exceeding to 43%. III-V solar cells have been used with high reliability results in a great number of space missions without concentration. However, there are no previous results regarding their reliability in concentration terrestrial applications, where the working conditions are completely different. This lack of experience, together with the important industrial interest, has generated the need to evaluate the reliability of the cells. For this reason, nowadays there are several research centers around the undertaking this task. The evaluation of the reliability of this type of devices by means of accelerated tests is especially problematic when they work at medium or high concentration, because it is practically impossible to emulate real working conditions of the cell inside climatic chambers. In fact, as far as we know, the results that appear in this Thesis are the first estimating the Activation Energy of the failure mechanism involved, as well as the warranty of the III-V concentrator solar cells tested here. To evaluate the reliability of III-V very high concentrator solar cells by means of accelerated tests, a variety of activities, described in this Thesis have been carried out. The First Part of the memory presents the theoretical part of the Doctoral Thesis. After the Introduction, chapter 2 presents the state of the art in degradation and reliability of CPV systems and solar cells. Chapter 3 introduces some reliability definitions and the application of specific statistical functions to the evaluation of the reliability and parameters. From these functions, important parameters will be calculated to be used later in the experimental results of Thesis. The Second Part of the memory contains the experimental. Chapter 4 shows the types of accelerated tests and the main goals pursuit with them when carried out over CPV systems and solar cells. In order to evaluate quantitatively the reliability of the III-V concentrator solar cells used in these tests, some modifications have been introduced which discussion will be tackled here. Based on this analysis the working plan of the tests carried out in this Doctoral Thesis is presented. Chapter 5 presents a new methodology as well as the necessary instrumentation to carry out the tests described here. This new methodology takes into account the adaptation, improvement and novel techniques needed to test concentrator solar cells. The core of this memory is chapter 6, which presents the results of the characterization of the cells during the accelerated life tests and the analysis of the aforementioned results with the purpose of getting quantitative values of reliability in real working conditions. The acceleration factor of the accelerated life tests, under nominal working conditions has been calculated. Accordingly, the validity of the methodology as well as the calculations based on the reliability assessment, have also been demonstrated. Finally, quantitative values of degradation, reliability and warranty of the solar cells under field nominal working conditions have been calculated. With the development of this Doctoral Thesis the reliability of very high concentrator GaAs solar cells of small area has been evaluated. It is very interesting to generalize the procedures described up to this point to III-V multijunction solar cells of greater area. Therefore, chapter 7 develops this generalization and introduces also a useful thermal modeling by means of finite elements of the test cells circuits. In the last chapter, the summary of the results and the main contributions of this Thesis are outlined and future research activities are identified. RESUMEN Los Sistemas Fotovoltaicos de Concentracin (SFC) han sido propuestos como una alternativa a los sistemas convencionales de generacin de energa. Durante los ltimos aos ha habido un auge de los SFC debido a las mejoras tecnolgicas en todos los elementos del sistema, y principalmente por el uso de células multiunin III-V que superan el 43% de rendimiento. Las células solares III-V han sido utilizadas con elevada fiabilidad en aplicaciones espaciales sin concentracin, pero no existe experiencia de su fiabilidad en ambiente terrestre a altos niveles de concentracin solar. Esta falta de experiencia junto al gran inters industrial ha generado la necesidad de evaluar la fiabilidad de las células, y actualmente hay un significativo nmero de centros de investigacin trabajando en esta rea. La evaluacin de la fiabilidad de este tipo de dispositivos mediante ensayos acelerados es especialmente problemtica cuando trabajan a media o alta concentracin por la casi imposibilidad de emular las condiciones de trabajo reales de la célula dentro de cmaras climticas. De hecho, que sepamos, en los resultados de esta Tesis se evala por primera vez la Energa de Activacin del mecanismo de fallo de las células, as como la garanta en campo de las células de concentracin III-V analizadas. Para evaluar la fiabilidad de células solares III-V de muy alta concentracin mediante ensayos de vida acelerada se han realizado diversas actividades que han sido descritas en la memoria de la Tesis. En la Primera Parte de la memoria se presenta la parte terica de la Tesis Doctoral. Tras la Introduccin, en el captulo 2 se muestra el estado del arte en degradacin y fiabilidad de células y Sistemas Fotovoltaicos de Concentracin. En el captulo 3 se exponen de forma resumida las definiciones de fiabilidad y funciones estadsticas que se utilizan para la evaluacin de la fiabilidad y sus parmetros, las cuales se emplearn posteriormente en los ensayos descritos en este Tesis. La Segunda Parte de la memoria es experimental. En el captulo 4 se describen los tipos y objetivos de los ensayos acelerados actualmente aplicados a SFC y a las células, as como las modificaciones necesarias que permitan evaluar cuantitativamente la fiabilidad de las células solares de concentracin III-V. En base a este anlisis se presenta la planificacin de los trabajos realizados en esta Tesis Doctoral. A partir de esta planificacin y debido a la necesidad de adaptar, mejorar e innovar las tcnicas de ensayos de vida acelerada para una adecuada aplicacin a este tipo de dispositivos, en el captulo 5 se muestra la metodologa empleada y la instrumentacin necesaria para realizar los ensayos de esta Tesis Doctoral. El ncleo de la memoria es el captulo 6, en l se presentan los resultados de caracterizacin de las células durante los ensayos de vida acelerada y el anlisis de dichos resultados con el objetivo de obtener valores cuantitativos de fiabilidad en condiciones reales de trabajo. Se calcula el Factor de Aceleracin de los ensayos acelerados con respecto a las condiciones nominales de funcionamiento a partir de la Energa de Activacin obtenida, y se demuestra la validez de la metodologa y clculos empleados, que son la base de la evaluacin de la fiabilidad. Finalmente se calculan valores cuantitativos de degradacin, fiabilidad y garanta de las células en condiciones nominales en campo durante toda la vida de la célula. Con el desarrollo de esta Tesis Doctoral se ha evaluado la fiabilidad de células III-V de rea pequea, pero es muy interesante generalizar los procedimientos aqu desarrollados para las células III-V comerciales de rea grande. Por este motivo, en el captulo 7 se analiza dicha generalizacin, incluyendo el modelado trmico mediante elementos finitos de los circuitos de ensayo de las células. En el ltimo captulo se realiza un resume del trabajo y las aportaciones realizadas, y se identifican las lneas de trabajo a emprender en el futuro.
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Abstract This work is a contribution to the research and development of the intermediate band solar cell (IBSC), a high efficiency photovoltaic concept that features the advantages of both low and high bandgap solar cells. The resemblance with a low bandgap solar cell comes from the fact that the IBSC hosts an electronic energy band -the intermediate band (IB)- within the semiconductor bandgap. This IB allows the collection of sub-bandgap energy photons by means of two-step photon absorption processes, from the valence band (VB) to the IB and from there to the conduction band (CB). The exploitation of these low energy photons implies a more efficient use of the solar spectrum. The resemblance of the IBSC with a high bandgap solar cell is related to the preservation of the voltage: the open-circuit voltage (VOC) of an IBSC is not limited by any of the sub-bandgaps (involving the IB), but only by the fundamental bandgap (defined from the VB to the CB). Nevertheless, the presence of the IB allows new paths for electronic recombination and the performance of the IBSC is degraded at 1 sun operation conditions. A theoretical argument is presented regarding the need for the use of concentrated illumination in order to circumvent the degradation of the voltage derived from the increase in the recombination. This theory is supported by the experimental verification carried out with our novel characterization technique consisting of the acquisition of photogenerated current (IL)-VOC pairs under low temperature and concentrated light. Besides, at this stage of the IBSC research, several new IB materials are being engineered and our novel characterization tool can be very useful to provide feedback on their capability to perform as real IBSCs, verifying or disregarding the fulfillment of the voltage preservation principle. An analytical model has also been developed to assess the potential of quantum-dot (QD)-IBSCs. It is based on the calculation of band alignment of III-V alloyed heterojunc-tions, the estimation of the confined energy levels in a QD and the calculation of the detailed balance efficiency. Several potentially useful QD materials have been identified, such as InAs/AlxGa1-xAs, InAs/GaxIn1-xP, InAs1-yNy/AlAsxSb1-x or InAs1-zNz/Alx[GayIn1-y]1-xP. Finally, a model for the analysis of the series resistance of a concentrator solar cell has also been developed to design and fabricate IBSCs adapted to 1,000 suns. Resumen Este trabajo contribuye a la investigacin y al desarrollo de la célula solar de banda intermedia (IBSC), un concepto fotovoltaico de alta eficiencia que auna las ventajas de una célula solar de bajo y de alto gap. La IBSC se parece a una célula solar de bajo gap (o banda prohibida) en que la IBSC alberga una banda de energa -la banda intermedia (IB)-en el seno de la banda prohibida. Esta IB permite colectar fotones de energa inferior a la banda prohibida por medio de procesos de absorcin de fotones en dos pasos, de la banda de valencia (VB) a la IB y de all a la banda de conduccin (CB). El aprovechamiento de estos fotones de baja energa conlleva un empleo ms eficiente del espectro solar. La semejanza antre la IBSC y una célula solar de alto gap est relacionada con la preservacin del voltaje: la tensin de circuito abierto (Vbc) de una IBSC no est limitada por ninguna de las fracciones en las que la IB divide a la banda prohibida, sino que est nicamente limitada por el ancho de banda fundamental del semiconductor (definido entre VB y CB). No obstante, la presencia de la IB posibilita nuevos caminos de recombinacin electrnica, lo cual degrada el rendimiento de la IBSC a 1 sol. Este trabajo argumenta de forma terica la necesidad de emplear luz concentrada para evitar compensar el aumento de la recombinacin de la IBSC y evitar la degradacin del voltage. Lo anterior se ha verificado experimentalmente por medio de nuestra novedosa tcnica de caracterizacin consistente en la adquisicin de pares de corriente fotogenerada (IL)-VOG en concentracin y a baja temperatura. En esta etapa de la investigacin, se estn desarrollando nuevos materiales de IB y nuestra herramienta de caracterizacin est siendo empleada para realimentar el proceso de fabricacin, comprobando si los materiales tienen capacidad para operar como verdaderas IBSCs por medio de la verificacin del principio de preservacin del voltaje. Tambin se ha desarrollado un modelo analtico para evaluar el potencial de IBSCs de puntos cunticos. Dicho modelo est basado en el clculo del alineamiento de bandas de energa en heterouniones de aleaciones de materiales III-V, en la estimacin de la energa de los niveles confinados en un QD y en el clculo de la eficiencia de balance detallado. Este modelo ha permitido identificar varios materiales de QDs potencialmente tiles como InAs/AlxGai_xAs, InAs/GaxIni_xP, InAsi_yNy/AlAsxSbi_x InAsi_zNz/Alx[GayIni_y]i_xP. Finalmente, tambin se ha desarrollado un modelado terico para el anlisis de la resistencia serie de una célula solar de concentracin. Gracias a dicho modelo se han diseado y fabricado IBSCs adaptadas a 1.000 soles.
Advances in the modeling, characterization and reliability of concentrator multijunction solar cells
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Los sistemas de concentracin fotovoltaica (CPV) parecen ser una de las vas ms prometedoras para generar electricidad a gran escala a precios competitivos. La investigacin actual se centra en aumentar la eficiencia y la concentracin de los sistemas para abaratar costes. Al mismo tiempo se investiga sobre la fiabilidad de los diferentes componentes que integran un sistema de concentracin, ya que para que los sistemas de concentracin sean competitivos es necesario que tengan una fiabilidad al menos similar a los sistemas basados en células de silicio. En la presente tesis doctoral se ha llevado a cabo el estudio de aspectos avanzados de células solares multi-unin diseadas para trabajar a concentraciones ultra-altas. Para ello, se ha desarrollado un modelo circuital tridimensional distribuido con el que simular el comportamiento de las células solares triple-unin bajo distintas condiciones de funcionamiento, as mismo se ha realizado una caracterizacin avanzada de este tipo de células para comprender mejor su modo de operacin y as poder contribuir a mejorar su eficiencia. Finalmente, se han llevado a cabo ensayos de vida acelerados en células multiunin comerciales para conocer la fiabilidad de este tipo de células solares. Para la simulacin de células solares triple-unin se ha desarrollado en la presente tesis doctoral un modelo circuital tridimensinal distribuido el cul integra una descripcin completa de la unin tnel. De este modo, con el modelo desarrollado, hemos podido simular perfiles de luz sobre la célula solar que hacen que la densidad de corriente fotogenerada sea mayor a la densidad de corriente pico de la unin tnel. El modelo desarrollado tambin contempla la distribucin lateral de corriente en las capas semiconductoras que componen y rodean la unin tnel. Por tanto, se ha podido simular y analizar el efecto que tiene sobre el funcionamiento de la célula solar que los concentradores pticos produzcan perfiles de luz desuniformes, tanto en nivel de irradiancia como en el contenido espectral de la luz (aberracin cromtica). Con el objetivo de determinar cules son los mecanismos de recombinacin que estn limitando el funcionamiento de cada subcélula que integra una triple-unin, y as intentar reducirlos, se ha llevado a cabo la caracterizacin elctrica de células solares monouni n idnticas a las subcelulas de una triple-unin. Tambin se ha determinado la curva corriente-tensin en oscuridad de las subcélulas de GaInP y GaAs de una célula dobleunin mediante la utilizacin de un teorema de reciprocidad electro-ptico. Finalmente, se ha analizado el impacto de los diferentes mecanismos de recombinacin en el funcionamiento de la célula solar triple-unin en concentracin. Por ltimo, para determinar la fiabilidad de este tipo de células, se ha llevado a cabo un ensayo de vida acelerada en temperatura en células solares triple-unin comerciales. En la presente tesis doctoral se describe el diseo del ensayo, el progreso del mismo y los datos obtenidos tras el anlisis de los resultados preliminares. Abstract Concentrator photovoltaic systems (CPV) seem to be one of the most promising ways to generate electricity at competitive prices. Nowadays, the research is focused on increasing the efficiency and the concentration of the systems in order to reduce costs. At the same time, another important area of research is the study of the reliability of the different components which make up a CPV system. In fact, in order for a CPV to be cost-effective, it should have a warranty at least similar to that of the systems based on Si solar cells. In the present thesis, we will study in depth the behavior of multijunction solar cells under ultra-high concentration. With this purpose in mind, a three-dimensional circuital distributed model which is able to simulate the behavior of triple-junction solar cells under different working conditions has been developed. Also, an advanced characterization of these solar cells has been carried out in order to better understand their behavior and thus contribute to improving efficiency. Finally, accelerated life tests have been carried out on commercial lattice-matched triple-junction solar cells in order to determine their reliability. In order to simulate triple-junction solar cells, a 3D circuital distributed model which integrates a full description of the tunnel junction has been developed. We have analyzed the behavior of the multijunction solar cell under light profiles which cause the current density photo-generated in the solar cell to be higher than the tunnel junctions peak current density. The advanced model developed also takes into account the lateral current spreading through the semiconductor layers which constitute and surround the tunnel junction. Therefore, the effects of non-uniform light profiles, in both irradiance and the spectral content produced by the concentrators on the solar cell, have been simulated and analyzed. In order to determine which recombination mechanisms are limiting the behavior of each subcell in a triple-junction stack, and to try to reduce them when possible, an electrical characterization of single-junction solar cells that resemble the subcells in a triplejunction stack has been carried out. Also, the dark I-V curves of the GaInP and GaAs subcells in a dual-junction solar cell have been determined by using an electro-optical reciprocity theorem. Finally, the impact of the different recombination mechanisms on the behavior of the triple-junction solar cell under concentration has been analyzed. In order to determine the reliability of these solar cells, a temperature accelerated life test has been carried out on commercial triple-junction solar cells. In the present thesis, the design and the evolution of the test, as well as the data obtained from the analysis of the preliminary results, are presented.
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Esta tesis se centra en el estudio y desarrollo de dispositivos de aplicacin basados en cristal lquido polimrico. Las propiedades de los cristales lquidos los hacen interesantes para su uso en el desarrollo de dispositivos de seguridad para autenticacin de productos y marcas, y deteccin y prevencin de falsificaciones. Asimismo, pueden ser muy tiles para fabricar dispositivos basados en CLs dispersos en polmero, los cuales tienen a su vez mltiples aplicaciones. La orientacin de las molculas de cristal lquido y la birrefringencia son las dos caractersticas principales que afectan a las propiedades de estos dispositivos. Un dispositivo de cristal lquido estndar consiste en un sndwich formado por dos sustratos de vidrio transparente, dotados con electrodo de ITO (Indium Tin Oxide) en su superficie interna, que confinan el cristal lquido en su interior. En la primera parte de esta tesis se describen las caractersticas ms importantes que describen una célula de cristal lquido. Esta introduccin bsica en necesaria para la correcta comprensin de los captulos posteriores en los que se detalla el desarrollo concreto de los dispositivos desarrollados en la investigacin llevada a cabo. Por ejemplo, en el caso de los dispositivos de seguridad se han eliminado los sustratos de vidrio (en la ltima fase de su desarrollo) para conseguir dispositivos flexibles. En la segunda parte de la tesis se incluye la descripcin completa de los dispositivos fabricados, as como de los protocolos de fabricacin seguidos y diseados especficamente para ello. Tambin se detallan en esta parte los resultados obtenidos, as como las propiedades pticas y electropticas en cada caso, y el/los equipos de caracterizacin utilizados. Utilizando cristal lquido nemtico y colorante dicroico, se han desarrollado dispositivos que contienen mltiples imgenes latentes en cada cara del mismo. Utilizando distintas tcnicas de alineamiento se consigue crear cualquier tipo de motivo latente, ya sean smbolos sencillos, figuras, logotipos o incluso imgenes con escala de gris. Cuanto ms complejo es el dispositivo, mayor es la dificultad para reproducirlo en una eventual falsificacin. Para visualizar e identificar los motivos es necesario emplear luz polarizada, por ejemplo, con la ayuda de un sencillo polarizador lineal. Dependiendo de si el polarizador est colocado delante del dispositivo o detrs del l, se mostrarn las imgenes generadas en una u otra cara. Este efecto es posible gracias al colorante dicroico aadido al CL, a la orientacin inducida sobre las molculas, y a la estructura de twist utilizada en los dispositivos. En realidad, para ver el efecto de los dispositivos no es necesario el uso de un polarizador, basta con el reflejo de una superficie dieltrica (percialmente polarizado), o la luz emitida por la pantalla de dispositivos de consumo comunes como un televisor LCD, un monitor de ordenador o un smartphone. Por otro lado, utilizando una mezcla entre un CL nemtico polimrico y un CL nemtico no polimrico es posible fabricar dispositivos LCPC (Liquid Crystal Polymer Composite) con propiedades electropticas muy interesantes, que funcionan a tensiones de conmutacin bajas. El CL polimrico conforma una estructura de red en el interior del sndwich que mantiene confinado al CL nemtico en pequeos microdominios. Se han fabricado dispositivos LCPC con conmutacin inversa utilizando tanto alineamiento homogneo como homeotrpico. Debido a que tanto la estructura de CL polimrico como el CL nemtico que rellena los microdominios estn orientados en una misma direccin de alineamiento preinducida, la luz dispersada por el dispositivo se encuentra polarizada. La direccin de polarizacin coincide con la direccin de alineamiento. La innovacin aportada por esta investigacin: un nuevo dispositivo LCPC inverso de respuesta ultrarpida y polarizada basado en la mezcla de dos CL nemticos y, un dispositivo de seguridad y autenticacin, patentado internacionalmente, basado en CL nemticos dopados con colorante dicroico. Abstract This thesis is centered on the availability to use polymerizable liquid crystals to develop non-display application LC devices. Liquid crystal properties make them useful for the development of security devices in applications of authentication and detection of fakes, and also to achieve polymer dispersed LC devices to be used for different applications that will be studied here. Induced orientation of liquid crystal molecules and birefringence are the two main properties used in these devices. A standard liquid crystal device is a sandwich consisting of two parallel glass substrates carrying a thin transparent ITO (IndiumTinOxide) electrode on their inner surfaces with the liquid crystal in the middle. The first part of this thesis will describe the most important parameters describing a liquid crystal cell. This basis is necessary for the understanding of later chapters where models of the liquid crystal devices will be discussed and developed. In the case of security devices the standard structure of an LC device has been modified by eliminating the glass substrates in order to achieve plastic and flexible devices. The second part of the thesis includes a detailed description of the devices achieved and the manufacturing protocols that have been developed ad-hoc. The optical and electrooptical properties and the characterization equipment are described here as well. Employing nematic liquid crystal and dichroic colorants, we have developed devices that show, with the aid of a polarizer, multiple images on each side of the device. By different alignment techniques it is possible to create any kind of symbols, drawings or motifs with a grayscale; the more complex the created device is, the more difficult is to fake it. To identify the motifs it is necessary to use polarized light. Depending on whether the polarizer is located in front of the LC cell or behind it, different motifs from one or the other substrate are shown. The effect arises from the dopant color dye added to the liquid crystal, the induced orientation and the twist structure. In practice, a grazing reflection on a dielectric surface is polarized enough to see the effect. Any LC flat panel display (LCD TV, computer, mobile phone) can obviously be used as backlight as well. On the other hand, by using a mixture of polymerizable and non-polymerizable nematics liquid crystals it is also possible to achieve LCPC (Liquid Crystal Polymer Composite) devices that show really interesting electrooptical characteristics using low switching voltages. Polymerizable LC creates a hollow structure inside the sandwich glass cell that keep nematics liquid crystal confined creating microdomains. Homogeneous and homeotropic alignments have been used to develop inverse switching mode LCPCs. Due to the double LC oriented structure, the outgoing scattered light from these devices is already polarized. The polarization axis coincides with LC molecules director, the alignment direction promoted. The novelties derived from the investigation presented here, new ultrafast inverse LCPC with polarized outgoing scattered light based on oriented nematic LC mixture, and an internationally patented security and authentication device based on nematics (doped with dichroic dye) oriented polymerizable LC.
Resumo:
Esta tesis doctoral se enmarca dentro de la computacin con membranas. Se trata de un tipo de computacin bio-inspirado, concretamente basado en las células de los organismos vivos, en las que se producen mltiples reacciones de forma simultnea. A partir de la estructura y funcionamiento de las células se han definido diferentes modelos formales, denominados P sistemas. Estos modelos no tratan de modelar el comportamiento biolgico de una célula, sino que abstraen sus principios bsicos con objeto de encontrar nuevos paradigmas computacionales. Los P sistemas son modelos de computacin no deterministas y masivamente paralelos. De ah el inters que en los ltimos aos estos modelos han suscitado para la resolucin de problemas complejos. En muchos casos, consiguen resolver de forma terica problemas NP-completos en tiempo polinmico o lineal. Por otra parte, cabe destacar tambin la aplicacin que la computacin con membranas ha tenido en la investigacin de otros muchos campos, sobre todo relacionados con la biologa. Actualmente, una gran cantidad de estos modelos de computacin han sido estudiados desde el punto de vista terico. Sin embargo, el modo en que pueden ser implementados es un reto de investigacin todava abierto. Existen varias lneas en este sentido, basadas en arquitecturas distribuidas o en hardware dedicado, que pretenden acercarse en lo posible a su carcter no determinista y masivamente paralelo, dentro de un contexto de viabilidad y eficiencia. En esta tesis doctoral se propone la realizacin de un anlisis esttico del P sistema, como va para optimizar la ejecucin del mismo en estas plataformas. Se pretende que la informacin recogida en tiempo de anlisis sirva para configurar adecuadamente la plataforma donde se vaya a ejecutar posteriormente el P sistema, obteniendo como consecuencia una mejora en el rendimiento. Concretamente, en esta tesis se han tomado como referencia los P sistemas de transiciones para llevar a cabo el estudio de dicho anlisis esttico. De manera un poco ms especfica, el anlisis esttico propuesto en esta tesis persigue que cada membrana sea capaz de determinar sus reglas activas de forma eficiente en cada paso de evolucin, es decir, aquellas reglas que renen las condiciones adecuadas para poder ser aplicadas. En esta lnea, se afronta el problema de los estados de utilidad de una membrana dada, que en tiempo de ejecucin permitirn a la misma conocer en todo momento las membranas con las que puede comunicarse, cuestin que determina las reglas que pueden aplicarse en cada momento. Adems, el anlisis esttico propuesto en esta tesis se basa en otra serie de caractersticas del P sistema como la estructura de membranas, antecedentes de las reglas, consecuentes de las reglas o prioridades. Una vez obtenida toda esta informacin en tiempo de anlisis, se estructura en forma de rbol de decisin, con objeto de que en tiempo de ejecucin la membrana obtenga las reglas activas de la forma ms eficiente posible. Por otra parte, en esta tesis se lleva a cabo un recorrido por un nmero importante de arquitecturas hardware y software que diferentes autores han propuesto para implementar P sistemas. Fundamentalmente, arquitecturas distribuidas, hardware dedicado basado en tarjetas FPGA y plataformas basadas en microcontroladores PIC. El objetivo es proponer soluciones que permitan implantar en dichas arquitecturas los resultados obtenidos del anlisis esttico (estados de utilidad y rboles de decisin para reglas activas). En lneas generales, se obtienen conclusiones positivas, en el sentido de que dichas optimizaciones se integran adecuadamente en las arquitecturas sin penalizaciones significativas. Summary Membrane computing is the focus of this doctoral thesis. It can be considered a bio-inspired computing type. Specifically, it is based on living cells, in which many reactions take place simultaneously. From cell structure and operation, many different formal models have been defined, named P systems. These models do not try to model the biological behavior of the cell, but they abstract the basic principles of the cell in order to find out new computational paradigms. P systems are non-deterministic and massively parallel computational models. This is why, they have aroused interest when dealing with complex problems nowadays. In many cases, they manage to solve in theory NP problems in polynomial or lineal time. On the other hand, it is important to note that membrane computing has been successfully applied in many researching areas, specially related to biology. Nowadays, lots of these computing models have been sufficiently characterized from a theoretical point of view. However, the way in which they can be implemented is a research challenge, that it is still open nowadays. There are some lines in this way, based on distributed architectures or dedicated hardware. All of them are trying to approach to its non-deterministic and parallel character as much as possible, taking into account viability and efficiency. In this doctoral thesis it is proposed carrying out a static analysis of the P system in order to optimize its performance in a computing platform. The general idea is that after data are collected in analysis time, they are used for getting a suitable configuration of the computing platform in which P system is going to be performed. As a consequence, the system throughput will improve. Specifically, this thesis has made use of Transition P systems for carrying out the study in static analysis. In particular, the static analysis proposed in this doctoral thesis tries to achieve that every membrane can efficiently determine its active rules in every evolution step. These rules are the ones that can be applied depending on the system configuration at each computational step. In this line, we are going to tackle the problem of the usefulness states for a membrane. This state will allow this membrane to know the set of membranes with which communication is possible at any time. This is a very important issue in determining the set of rules that can be applied. Moreover, static analysis in this thesis is carried out taking into account other properties such as membrane structure, rule antecedents, rule consequents and priorities among rules. After collecting all data in analysis time, they are arranged in a decision tree structure, enabling membranes to obtain the set of active rules as efficiently as possible in run-time system. On the other hand, in this doctoral thesis is going to carry out an overview of hardware and software architectures, proposed by different authors in order to implement P systems, such as distributed architectures, dedicated hardware based on PFGA, and computing platforms based on PIC microcontrollers. The aim of this overview is to propose solutions for implementing the results of the static analysis, that is, usefulness states and decision trees for active rules. In general, conclusions are satisfactory, because these optimizations can be properly integrated in most of the architectures without significant penalties.
Resumo:
Classical imaging optics has been developed over centuries in many areas, such as its paraxial imaging theory and practical design methods like multi-parametric optimization techniques. Although these imaging optical design methods can provide elegant solutions to many traditional optical problems, there are more and more new design problems, like solar concentrator, illumination system, ultra-compact camera, etc., that require maximum energy transfer efficiency, or ultra-compact optical structure. These problems do not have simple solutions from classical imaging design methods, because not only paraxial rays, but also non-paraxial rays should be well considered in the design process. Non-imaging optics is a newly developed optical discipline, which does not aim to form images, but to maximize energy transfer efficiency. One important concept developed from non-imaging optics is the edge-ray principle, which states that the energy flow contained in a bundle of rays will be transferred to the target, if all its edge rays are transferred to the target. Based on that concept, many CPC solar concentrators have been developed with efficiency close to the thermodynamic limit. When more than one bundle of edge-rays needs to be considered in the design, one way to obtain solutions is to use SMS method. SMS stands for Simultaneous Multiple Surface, which means several optical surfaces are constructed simultaneously. The SMS method was developed as a design method in Non-imaging optics during the 90s. The method can be considered as an extension to the Cartesian Oval calculation. In the traditional Cartesian Oval calculation, one optical surface is built to transform an input wave-front to an out-put wave-front. The SMS method however, is dedicated to solve more than 1 wave-fronts transformation problem. In the beginning, only 2 input wave-fronts and 2 output wave-fronts transformation problem was considered in the SMS design process for rotational optical systems or free-form optical systems. Usually SMS 2D method stands for the SMS procedure developed for rotational optical system, and SMS 3D method for the procedure for free-form optical system. Although the SMS method was originally employed in non-imaging optical system designs, it has been found during this thesis that with the improved capability to design more surfaces and control more input and output wave-fronts, the SMS method can also be applied to imaging system designs and possesses great advantage over traditional design methods. In this thesis, one of the main goals to achieve is to further develop the existing SMS-2D method to design with more surfaces and improve the stability of the SMS-2D and SMS-3D algorithms, so that further optimization process can be combined with SMS algorithms. The benefits of SMS plus optimization strategy over traditional optimization strategy will be explained in details for both rotational and free-form imaging optical system designs. Another main goal is to develop novel design concepts and methods suitable for challenging non-imaging applications, e.g. solar concentrator and solar tracker. This thesis comprises 9 chapters and can be grouped into two parts: the first part (chapter 2-5) contains research works in the imaging field, and the second part (chapter 6-8) contains works in the non-imaging field. In the first chapter, an introduction to basic imaging and non-imaging design concepts and theories is given. Chapter 2 presents a basic SMS-2D imaging design procedure using meridian rays. In this chapter, we will set the imaging design problem from the SMS point of view, and try to solve the problem numerically. The stability of this SMS-2D design procedure will also be discussed. The design concepts and procedures developed in this chapter lay the path for further improvement. Chapter 3 presents two improved SMS 3 surfaces design procedures using meridian rays (SMS-3M) and skew rays (SMS-1M2S) respectively. The major improvement has been made to the central segments selections, so that the whole SMS procedures become more stable compared to procedures described in Chapter 2. Since these two algorithms represent two types of phase space sampling, their image forming capabilities are compared in a simple objective design. Chapter 4 deals with an ultra-compact SWIR camera design with the SMS-3M method. The difficulties in this wide band camera design is how to maintain high image quality meanwhile reduce the overall system length. This interesting camera design provides a playground for the classical design method and SMS design methods. We will show designs and optical performance from both classical design method and the SMS design method. Tolerance study is also given as the end of the chapter. Chapter 5 develops a two-stage SMS-3D based optimization strategy for a 2 freeform mirrors imaging system. In the first optimization phase, the SMS-3D method is integrated into the optimization process to construct the two mirrors in an accurate way, drastically reducing the unknown parameters to only few system configuration parameters. In the second optimization phase, previous optimized mirrors are parameterized into Qbfs type polynomials and set up in code V. Code V optimization results demonstrates the effectiveness of this design strategy in this 2-mirror system design. Chapter 6 shows an etendue-squeezing condenser optics, which were prepared for the 2010 IODC illumination contest. This interesting design employs many non-imaging techniques such as the SMS method, etendue-squeezing tessellation, and groove surface design. This device has theoretical efficiency limit as high as 91.9%. Chapter 7 presents a freeform mirror-type solar concentrator with uniform irradiance on the solar cell. Traditional parabolic mirror concentrator has many drawbacks like hot-pot irradiance on the center of the cell, insufficient use of active cell area due to its rotational irradiance pattern and small acceptance angle. In order to conquer these limitations, a novel irradiance homogenization concept is developed, which lead to a free-form mirror design. Simulation results show that the free-form mirror reflector has rectangular irradiance pattern, uniform irradiance distribution and large acceptance angle, which confirm the viability of the design concept. Chapter 8 presents a novel beam-steering array optics design strategy. The goal of the design is to track large angle parallel rays by only moving optical arrays laterally, and convert it to small angle parallel output rays. The design concept is developed as an extended SMS method. Potential applications of this beam-steering device are: skylights to provide steerable natural illumination, building integrated CPV systems, and steerable LED illumination. Conclusion and future lines of work are given in Chapter 9. Resumen La ptica de formacin de imagen clsica se ha ido desarrollando durante siglos, dando lugar tanto a la teora de ptica paraxial y los mtodos de diseo prcticos como a tcnicas de optimizacin multiparamtricas. Aunque estos mtodos de diseo ptico para formacin de imagen puede aportar soluciones elegantes a muchos problemas convencionales, siguen apareciendo nuevos problemas de diseo ptico, concentradores solares, sistemas de iluminacin, cmaras ultracompactas, etc. que requieren mxima transferencia de energa o dimensiones ultracompactas. Este tipo de problemas no se pueden resolver fcilmente con mtodos clsicos de diseo porque durante el proceso de diseo no solamente se deben considerar los rayos paraxiales sino tambin los rayos no paraxiales. La ptica anidlica o no formadora de imagen es una disciplina que ha evolucionado en gran medida recientemente. Su objetivo no es formar imagen, es maximazar la eficiencia de transferencia de energa. Un concepto importante de la ptica anidlica son los rayos marginales, que se pueden utilizar para el diseo de sistemas ya que si todos los rayos marginales llegan a nuestra rea del receptor, todos los rayos interiores tambin llegarn al receptor. Haciendo uso de este principio, se han diseado muchos concentradores solares que funcionan cerca del lmite terico que marca la termodinmica. Cuando consideramos ms de un haz de rayos marginales en nuestro diseo, una posible solucin es usar el mtodo SMS (Simultaneous Multiple Surface), el cul disea simultneamente varias superficies pticas. El SMS naci como un mtodo de diseo para ptica anidlica durante los aos 90. El mtodo puede ser considerado como una extensin del clculo del valo cartesiano. En el mtodo del valo cartesiano convencional, se calcula una superficie para transformar un frente de onda entrante a otro frente de onda saliente. El mtodo SMS permite transformar varios frentes de onda de entrada en frentes de onda de salida. Inicialmente, slo era posible transformar dos frentes de onda con dos superficies con simetra de rotacin y sin simetra de rotacin, pero esta limitacin ha sido superada recientemente. Nos referimos a SMS 2D como el mtodo orientado a construir superficies con simetra de rotacin y llamamos SMS 3D al mtodo para construir superficies sin simetra de rotacin o free-form. Aunque el mtodo originalmente fue aplicado en el diseo de sistemas anidlicos, se ha observado que gracias a su capacidad para disear ms superficies y controlar ms frentes de onda de entrada y de salida, el SMS tambin es posible aplicarlo a sistemas de formacin de imagen proporcionando una gran ventaja sobre los mtodos de diseo tradicionales. Uno de los principales objetivos de la presente tesis es extender el mtodo SMS-2D para permitir el diseo de sistemas con mayor nmero de superficies y mejorar la estabilidad de los algoritmos del SMS-2D y SMS-3D, haciendo posible combinar la optimizacin con los algoritmos. Los beneficios de combinar SMS y optimizacin comparado con el proceso de optimizacin tradicional se explican en detalle para sistemas con simetra de rotacin y sin simetra de rotacin. Otro objetivo importante de la tesis es el desarrollo de nuevos conceptos de diseo y nuevos mtodos en el rea de la concentracin solar fotovoltaica. La tesis est estructurada en 9 captulos que estn agrupados en dos partes: la primera de ellas (captulos 2-5) se centra en la ptica formadora de imagen mientras que en la segunda parte (captulos 6-8) se presenta el trabajo del rea de la ptica anidlica. El primer captulo consta de una breve introduccin de los conceptos bsicos de la ptica anidlica y la ptica en formacin de imagen. El captulo 2 describe un proceso de diseo SMS-2D sencillo basado en los rayos meridianos. En este captulo se presenta el problema de disear un sistema formador de imagen desde el punto de vista del SMS y se intenta obtener una solucin de manera numrica. La estabilidad de este proceso se analiza con detalle. Los conceptos de diseo y los algoritmos desarrollados en este captulo sientan la base sobre la cual se realizarn mejoras. El captulo 3 presenta dos procedimientos para el diseo de un sistema con 3 superficies SMS, el primero basado en rayos meridianos (SMS-3M) y el segundo basado en rayos oblicuos (SMS-1M2S). La mejora ms destacable recae en la seleccin de los segmentos centrales, que hacen ms estable todo el proceso de diseo comparado con el presentado en el captulo 2. Estos dos algoritmos representan dos tipos de muestreo del espacio de fases, su capacidad para formar imagen se compara diseando un objetivo simple con cada uno de ellos. En el captulo 4 se presenta un diseo ultra-compacto de una cmara SWIR diseada usando el mtodo SMS-3M. La dificultad del diseo de esta cmara de espectro ancho radica en mantener una alta calidad de imagen y al mismo tiempo reducir drsticamente sus dimensiones. Esta cmara es muy interesante para comparar el mtodo de diseo clsico y el mtodo de SMS. En este captulo se presentan ambos diseos y se analizan sus caractersticas pticas. En el captulo 5 se describe la estrategia de optimizacin basada en el mtodo SMS-3D. El mtodo SMS-3D calcula las superficies pticas de manera precisa, dejando slo unos pocos parmetros libres para decidir la configuracin del sistema. Modificando el valor de estos parmetros se genera cada vez mediante SMS-3D un sistema completo diferente. La optimizacin se lleva a cabo variando los mencionados parmetros y analizando el sistema generado. Los resultados muestran que esta estrategia de diseo es muy eficaz y eficiente para un sistema formado por dos espejos. En el captulo 6 se describe un sistema de compresin de la Etendue, que fue presentado en el concurso de iluminacin del IODC en 2010. Este interesante diseo hace uso de tcnicas propias de la ptica anidlica, como el mtodo SMS, el teselado de las lentes y el diseo mediante grooves. Este dispositivo tiene un lmite terica en la eficiencia del 91.9%. El captulo 7 presenta un concentrador solar basado en un espejo free-form con irradiancia uniforme sobre la célula. Los concentradores parablicos tienen numerosas desventajas como los puntos calientes en la zona central de la célula, uso no eficiente del rea de la célula al ser sta cuadrada y adems tienen ngulos de aceptancia de reducido. Para poder superar estas limitaciones se propone un novedoso concepto de homogeneizacin de la irrandancia que se materializa en un diseo con espejo free-form. El anlisis mediante simulacin demuestra que la irradiancia es homognea en una regin rectangular y con mayor ngulo de aceptancia, lo que confirma la viabilidad del concepto de diseo. En el captulo 8 se presenta un novedoso concepto para el diseo de sistemas afocales dinmicos. El objetivo del diseo es realizar un sistema cuyo haz de rayos de entrada pueda llegar con ngulos entre 45 mientras que el haz de rayos a la salida sea siempre perpendicular al sistema, variando nicamente la posicin de los elementos pticos lateralmente. Las aplicaciones potenciales de este dispositivo son varias: tragaluces que proporcionan iluminacin natural, sistemas de concentracin fotovoltaica integrados en los edificios o iluminacin direccionable con LEDs. Finalmente, el ltimo captulo contiene las conclusiones y las lneas de investigacin futura.
Resumo:
This PhD work is focused on liquid crystal based tunable phase devices with special emphasis on their design and manufacturing. In the course of the work a number of new manufacturing technologies have been implemented in the UPM clean room facilities, leading to an important improvement in the range of devices being manufactured in the laboratory. Furthermore, a number of novel phase devices have been developed, all of them including novel electrodes, and/or alignment layers. The most important manufacturing progress has been the introduction of reactive ion etching as a tool for achieving high resolution photolithography on indium-tin-oxide (ITO) coated glass and quartz substrates. Another important manufacturing result is the successful elaboration of a binding protocol of anisotropic conduction adhesives. These have been employed in high density interconnections between ITO-glass and flexible printed circuits. Regarding material characterization, the comparative study of nonstoichiometric silicon oxide (SiOx) and silica (SiO2) inorganic alignment layers, as well as the relationship between surface layer deposition, layer morphology and liquid crystal electrooptical response must be highlighted, together with the characterization of the degradation of liquid crystal devices in simulated space mission environment. A wide variety of phase devices have been developed, with special emphasis on beam steerers. One of these was developed within the framework of an ESA project, and consisted of a high density reconfigurable 1D blaze grating, with a spatial separation of the controlling microelectronics and the active, radiation exposed, area. The developed devices confirmed the assumption that liquid crystal devices with such a separation of components, are radiation hard, and can be designed to be both vibration and temperature sturdy. In parallel to the above, an evenly variable analog beam steering device was designed, manufactured and characterized, providing a narrow cone diffraction free beam steering. This steering device is characterized by a very limited number of electrodes necessary for the redirection of a light beam. As few as 4 different voltage levels were needed in order to redirect a light beam. Finally at the Wojskowa Akademia Techniczna (Military University of Technology) in Warsaw, Poland, a wedged analog tunable beam steering device was designed, manufactured and characterized. This beam steerer, like the former one, was designed to resist the harsh conditions both in space and in the context of the shuttle launch. Apart from the beam steering devices, reconfigurable vortices and modal lens devices have been manufactured and characterized. In summary, during this work a large number of liquid crystal devices and liquid crystal device manufacturing technologies have been developed. Besides their relevance in scientific publications and technical achievements, most of these new devices have demonstrated their usefulness in the actual work of the research group where this PhD has been completed. El presente trabajo de Tesis se ha centrado en el diseo, fabricacin y caracterizacin de nuevos dispositivos de fase basados en cristal lquido. Actualmente se estn desarrollando dispositivos basados en cristal lquido para aplicaciones diferentes a su uso habitual como displays. Poseen la ventaja de que los dispositivos pueden ser controlados por bajas tensiones y no necesitan elementos mecnicos para su funcionamiento. La fabricacin de todos los dispositivos del presente trabajo se ha realizado en la cmara limpia del grupo. La cmara limpia ha sido diseada por el grupo de investigacin, es de dimensiones reducidas pero muy verstil. Est dividida en distintas reas de trabajo dependiendo del tipo de proceso que se lleva a cabo. La cmara limpia est completamente cubierta de un material libre de polvo. Todas las entradas de suministro de gas y agua estn selladas. El aire filtrado es constantemente bombeado dentro de la zona limpia, a fin de crear una sobrepresin evitando as la entrada de aire sin filtrar. Las personas que trabajan en esta zona siempre deben de estar protegidas con un traje especial. Se utilizan trajes especiales que constan de: mono, mscara, guantes de ltex, gorro, patucos y gafas de proteccin UV, cuando sea necesario. Para introducir material dentro de la cmara limpia se debe limpiar con alcohol y paos especiales y posteriormente secarlos con nitrgeno a presin. La fabricacin debe seguir estrictamente unos pasos determinados, que pueden cambiar dependiendo de los requerimientos de cada dispositivo. Por ello, la fabricacin de dispositivos requiere la formulacin de varios protocolos de fabricacin. Estos protocolos deben ser estrictamente respetados a fin de obtener repetitividad en los experimentos, lo que lleva siempre asociado un proceso de fabricacin fiable. Una célula de cristal lquido est compuesta (de forma general) por dos vidrios ensamblados (sndwich) y colocados a una distancia determinada. Los vidrios se han sometido a una serie de procesos para acondicionar las superficies internas. La célula se llena con cristal lquido. De forma resumida, el proceso de fabricacin general es el siguiente: inicialmente, se cortan los vidrios (cuya cara interna es conductora) y se limpian. Despus se imprimen las pistas sobre el vidrio formando los pxeles. Estas pistas conductoras provienen del vidrio con la capa conductora de ITO (xido de indio y estao). Esto se hace a travs de un proceso de fotolitografa con una resina fotosensible, y un desarrollo y ataque posterior del ITO sin proteccin. Ms tarde, las caras internas de los vidrios se acondicionan depositando una capa, que puede ser orgnica o inorgnica (un polmero o un xido). Esta etapa es crucial para el funcionamiento del dispositivo: induce la orientacin de las molculas de cristal lquido. Una vez que las superficies estn acondicionadas, se depositan espaciadores en las mismas: son pequeas esferas o cilindros de tamao calibrado (pocos micrmetros) para garantizar un espesor homogneo del dispositivo. Despus en uno de los sustratos se deposita un adhesivo (gasket). A continuacin, los sustratos se ensamblan teniendo en cuenta que el gasket debe dejar una boca libre para que el cristal lquido se introduzca posteriormente dentro de la célula. El llenado de la célula se realiza en una cmara de vaco y despus la boca se sella. Por ltimo, la conexin de los cables a la célula y el montaje de los polarizadores se realizan fuera de la sala limpia (Figura 1). Dependiendo de la aplicacin, el cristal lquido empleado y los dems componentes de la célula tendrn unas caractersticas particulares. Para el diseo de los dispositivos de este trabajo se ha realizado un estudio de superficies inorgnicas de alineamiento del cristal lquido, que ser de gran importancia para la preparacin de los dispositivos de fase, dependiendo de las condiciones ambientales en las que vayan a trabajar. Los materiales inorgnicos que se han estudiado han sido en este caso SiOx y SiO2. El estudio ha comprendido tanto los factores de preparacin influyentes en el alineamiento, el comportamiento del cristal lquido al variar estos factores y un estudio de la morfologa de las superficies obtenidas.
Resumo:
Este trabajo presenta un estudio sobre el funcionamiento y aplicaciones de las células de combustible de membrana tipo PEM, o de intercambio de protones, alimentadas con hidrgeno puro y oxigeno obtenido de aire comprimido. Una vez evaluado el proceso de dichas células y las variables que intervienen en el mismo, como presin, humedad y temperatura, se presenta una variedad de mtodos para la instrumentacin de tales variables as como mtodos y sistemas para la estabilidad y control de las mismas, en torno a los valores ptimos para una mayor eficacia en el proceso. Tomando como variable principal a controlar la temperatura del proceso, y exponiendo los valores concretos en torno a 80 grados centgrados entre los que debe situarse, es realizado un modelo del proceso de calentamiento y evolucin de la temperatura en funcin de la potencia del calentador resistivo en el dominio de la frecuencia compleja, y a su vez implementado un sistema de medicin mediante sensores termopar de tipo K de respuesta casi lineal. La seal medida por los sensores es amplificada de manera diferencial mediante amplificadores de instrumentacin INA2126, y es desarrollado un algoritmo de correccin de error de unin fra (error producido por la inclusin de nuevos metales del conector en el efecto termopar). Son incluidos los datos de test referentes al sistema de medicin de temperatura , incluyendo las desviaciones o error respecto a los valores ideales de medida. Para la adquisicin de datos y implementacin de algoritmos de control, es utilizado un PC con el software Labview de National Instruments, que permite una programacin intuitiva, verstil y visual, y poder realizar interfaces de usuario grficas simples. La conexin entre el hardware de instrumentacin y control de la célula y el PC se realiza mediante un interface de adquisicin de datos USB NI 6800 que cuenta con un amplio nmero de salidas y entradas analgicas. Una vez digitalizadas las muestras de la seal medida, y corregido el error de unin fra anteriormente apuntado, es implementado en dicho software un controlador de tipo PID ( proporcional-integral-derivativo) , que se presenta como uno de los mtodos ms adecuados por su simplicidad de programacin y su eficacia para el control de este tipo de variables. Para la evaluacin del comportamiento del sistema son expuestas simulaciones mediante el software Matlab y Simulink determinando por tanto las mejores estrategias para desarrollar el control PID, as como los posibles resultados del proceso. En cuanto al sistema de calentamiento de los fluidos, es empleado un elemento resistor calentador, cuya potencia es controlada mediante un circuito electrnico compuesto por un detector de cruce por cero de la onda AC de alimentacin y un sistema formado por un elemento TRIAC y su circuito de accionamiento. De manera anloga se expone el sistema de instrumentacin para la presin de los gases en el circuito, variable que oscila en valores prximos a 3 atmosferas, para ello es empleado un sensor de presin con salida en corriente mediante bucle 4-20 mA, y un convertidor simple corriente a tensin para la entrada al sistema de adquisicin de datos. Consecuentemente se presenta el esquema y componentes necesarios para la canalizacin, calentamiento y humidificacin de los gases empleados en el proceso as como la situacin de los sensores y actuadores. Por ltimo el trabajo expone la relacin de algoritmos desarrollados y un apndice con informacin relativa al software Labview. ABTRACT This document presents a study about the operation and applications of PEM fuel cells (Proton exchange membrane fuel cells), fed with pure hydrogen and oxygen obtained from compressed air. Having evaluated the process of these cells and the variables involved on it, such as pressure, humidity and temperature, there is a variety of methods for implementing their control and to set up them around optimal values for greater efficiency in the process. Taking as primary process variable the temperature, and exposing its correct values around 80 degrees centigrade, between which must be placed, is carried out a model of the heating process and the temperature evolution related with the resistive heater power on the complex frequency domain, and is implemented a measuring system with thermocouple sensor type K performing a almost linear response. The differential signal measured by the sensor is amplified through INA2126 instrumentation amplifiers, and is developed a cold junction error correction algorithm (error produced by the inclusion of additional metals of connectors on the thermocouple effect). Data from the test concerning the temperature measurement system are included , including deviations or error regarding the ideal values of measurement. For data acquisition and implementation of control algorithms, is used a PC with LabVIEW software from National Instruments, which makes programming intuitive, versatile, visual, and useful to perform simple user interfaces. The connection between the instrumentation and control hardware of the cell and the PC interface is via a USB data acquisition NI 6800 that has a large number of analog inputs and outputs. Once stored the samples of the measured signal, and correct the error noted above junction, is implemented a software controller PID (proportional-integral-derivative), which is presented as one of the best methods for their programming simplicity and effectiveness for the control of such variables. To evaluate the performance of the system are presented simulations using Matlab and Simulink software thereby determining the best strategies to develop PID control, and possible outcomes of the process. As fluid heating system, is employed a heater resistor element whose power is controlled by an electronic circuit comprising a zero crossing detector of the AC power wave and a system consisting of a Triac and its drive circuit. As made with temperature variable it is developed an instrumentation system for gas pressure in the circuit, variable ranging in values around 3 atmospheres, it is employed a pressure sensor with a current output via 4-20 mA loop, and a single current to voltage converter to adequate the input to the data acquisition system. Consequently is developed the scheme and components needed for circulation, heating and humidification of the gases used in the process as well as the location of sensors and actuators. Finally the document presents the list of algorithms and an appendix with information about Labview software.
