Ultra-High Efficiency, High-Concentration PV System Based On Spectral Division Between GaInP/GaInAs/Ge And BPC Silicon Cells

A novel HCPV nonimaging concentrator concept with high concentration (>500×) is presented. It uses the combination of a commercial concentration GaInP∕GaInAs∕Ge 3J cell and a concentration Back‐Point‐Contact (BPC) concentration silicon cell for efficient spectral utilization, and external confinement techniques for recovering the 3J cell′s reflection. The primary optical element (POE) is a flat Fresnel lens and the secondary optical element (SOE) is a free‐form RXI‐type concentrator with a band‐pass filter embedded it, both POE and SOE performing Köhler integration to produce light homogenization. The band‐pass filter sends the IR photons in the 900–1200 nm band to the silicon cell. Computer simulations predict that four‐terminal terminal designs could achieve ∼46% added cell efficiencies using commercial 39% 3J and 26% Si cells. A first proof‐of concept receiver prototype has been manufactured using a simpler optical architecture (with a lower concentration, ∼ 100× and lower simulated added efficiency), and experimental measurements have shown up to 39.8% 4J receiver efficiency using a 3J with peak efficiency of 36.9%

F²TE³: A Transparent semi-monocoque VIP Envelope

This article examines a new lightweight, slim, high energy efficient, light-transmitting, self-supporting envelope system, providing for seamless, free-form designs for use in architectural projects. The system exploits vacuum insulation panel technology. The research was based on envelope components already existing on the market and patents and prototypes built by independent laboratories, especially components implemented with silica gel insulation, as this is the most effective transparent thermal insulation there is today. The tests run on these materials revealed that there is not one that has all the features required of the new envelope model, although some do have properties that could be exploited to generate this envelope, namely, the vacuum chamber of vacuum insulation panels, the use of monolithic aerogel as insulation in some prototypes, and reinforced polyester barriers. These three design components have been combined and tested to design a new, variable geometry, energy-saving envelope system that also solves many of the problems that other studies ascribe to the use of vacuum insulation panels.

Advances in the Simultaneous Multiple Surface optical design method for imaging and non-imaging applications

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 óptica de formación de imagen clásica se ha ido desarrollando durante siglos, dando lugar tanto a la teoría de óptica paraxial y los métodos de diseño prácticos como a técnicas de optimización multiparamétricas. Aunque estos métodos de diseño óptico para formación de imagen puede aportar soluciones elegantes a muchos problemas convencionales, siguen apareciendo nuevos problemas de diseño óptico, concentradores solares, sistemas de iluminación, cámaras ultracompactas, etc. que requieren máxima transferencia de energía o dimensiones ultracompactas. Este tipo de problemas no se pueden resolver fácilmente con métodos clásicos de diseño porque durante el proceso de diseño no solamente se deben considerar los rayos paraxiales sino también los rayos no paraxiales. La óptica anidólica 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 energía. Un concepto importante de la óptica anidólica son los “rayos marginales”, que se pueden utilizar para el diseño de sistemas ya que si todos los rayos marginales llegan a nuestra área del receptor, todos los rayos interiores también llegarán al receptor. Haciendo uso de este principio, se han diseñado muchos concentradores solares que funcionan cerca del límite teórico que marca la termodinámica. Cuando consideramos más de un haz de rayos marginales en nuestro diseño, una posible solución es usar el método SMS (Simultaneous Multiple Surface), el cuál diseña simultáneamente varias superficies ópticas. El SMS nació como un método de diseño para óptica anidólica durante los años 90. El método puede ser considerado como una extensión del cálculo del óvalo cartesiano. En el método del óvalo cartesiano convencional, se calcula una superficie para transformar un frente de onda entrante a otro frente de onda saliente. El método SMS permite transformar varios frentes de onda de entrada en frentes de onda de salida. Inicialmente, sólo era posible transformar dos frentes de onda con dos superficies con simetría de rotación y sin simetría de rotación, pero esta limitación ha sido superada recientemente. Nos referimos a “SMS 2D” como el método orientado a construir superficies con simetría de rotación y llamamos “SMS 3D” al método para construir superficies sin simetría de rotación o free-form. Aunque el método originalmente fue aplicado en el diseño de sistemas anidólicos, se ha observado que gracias a su capacidad para diseñar más superficies y controlar más frentes de onda de entrada y de salida, el SMS también es posible aplicarlo a sistemas de formación de imagen proporcionando una gran ventaja sobre los métodos de diseño tradicionales. Uno de los principales objetivos de la presente tesis es extender el método SMS-2D para permitir el diseño de sistemas con mayor número de superficies y mejorar la estabilidad de los algoritmos del SMS-2D y SMS-3D, haciendo posible combinar la optimización con los algoritmos. Los beneficios de combinar SMS y optimización comparado con el proceso de optimización tradicional se explican en detalle para sistemas con simetría de rotación y sin simetría de rotación. Otro objetivo importante de la tesis es el desarrollo de nuevos conceptos de diseño y nuevos métodos en el área de la concentración solar fotovoltaica. La tesis está estructurada en 9 capítulos que están agrupados en dos partes: la primera de ellas (capítulos 2-5) se centra en la óptica formadora de imagen mientras que en la segunda parte (capítulos 6-8) se presenta el trabajo del área de la óptica anidólica. El primer capítulo consta de una breve introducción de los conceptos básicos de la óptica anidólica y la óptica en formación de imagen. El capítulo 2 describe un proceso de diseño SMS-2D sencillo basado en los rayos meridianos. En este capítulo se presenta el problema de diseñar un sistema formador de imagen desde el punto de vista del SMS y se intenta obtener una solución de manera numérica. La estabilidad de este proceso se analiza con detalle. Los conceptos de diseño y los algoritmos desarrollados en este capítulo sientan la base sobre la cual se realizarán mejoras. El capítulo 3 presenta dos procedimientos para el diseño 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 más destacable recae en la selección de los segmentos centrales, que hacen más estable todo el proceso de diseño comparado con el presentado en el capítulo 2. Estos dos algoritmos representan dos tipos de muestreo del espacio de fases, su capacidad para formar imagen se compara diseñando un objetivo simple con cada uno de ellos. En el capítulo 4 se presenta un diseño ultra-compacto de una cámara SWIR diseñada usando el método SMS-3M. La dificultad del diseño de esta cámara de espectro ancho radica en mantener una alta calidad de imagen y al mismo tiempo reducir drásticamente sus dimensiones. Esta cámara es muy interesante para comparar el método de diseño clásico y el método de SMS. En este capítulo se presentan ambos diseños y se analizan sus características ópticas. En el capítulo 5 se describe la estrategia de optimización basada en el método SMS-3D. El método SMS-3D calcula las superficies ópticas de manera precisa, dejando sólo unos pocos parámetros libres para decidir la configuración del sistema. Modificando el valor de estos parámetros se genera cada vez mediante SMS-3D un sistema completo diferente. La optimización se lleva a cabo variando los mencionados parámetros y analizando el sistema generado. Los resultados muestran que esta estrategia de diseño es muy eficaz y eficiente para un sistema formado por dos espejos. En el capítulo 6 se describe un sistema de compresión de la Etendue, que fue presentado en el concurso de iluminación del IODC en 2010. Este interesante diseño hace uso de técnicas propias de la óptica anidólica, como el método SMS, el teselado de las lentes y el diseño mediante grooves. Este dispositivo tiene un límite teórica en la eficiencia del 91.9%. El capítulo 7 presenta un concentrador solar basado en un espejo free-form con irradiancia uniforme sobre la célula. Los concentradores parabólicos tienen numerosas desventajas como los puntos calientes en la zona central de la célula, uso no eficiente del área de la célula al ser ésta cuadrada y además tienen ángulos de aceptancia de reducido. Para poder superar estas limitaciones se propone un novedoso concepto de homogeneización de la irrandancia que se materializa en un diseño con espejo free-form. El análisis mediante simulación demuestra que la irradiancia es homogénea en una región rectangular y con mayor ángulo de aceptancia, lo que confirma la viabilidad del concepto de diseño. En el capítulo 8 se presenta un novedoso concepto para el diseño de sistemas afocales dinámicos. El objetivo del diseño es realizar un sistema cuyo haz de rayos de entrada pueda llegar con ángulos entre ±45º mientras que el haz de rayos a la salida sea siempre perpendicular al sistema, variando únicamente la posición de los elementos ópticos lateralmente. Las aplicaciones potenciales de este dispositivo son varias: tragaluces que proporcionan iluminación natural, sistemas de concentración fotovoltaica integrados en los edificios o iluminación direccionable con LEDs. Finalmente, el último capítulo contiene las conclusiones y las líneas de investigación futura.

Compact, high-efficiency sunlight harvesting

A new free-form optics design method could unleash the full potential of tracking integrated solar concentrators.

Advanced Fresnel Köhler concentrators for photovoltaic applications

La concentración fotovoltaica (CPV) es una de las formas más prometedoras de reducir el coste de la energía proveniente del sol. Esto es posible gracias a células solares de alta eficiencia y a una significativa reducción del tamaño de la misma, que está fabricada con costosos materiales semiconductores. Ambos aspectos están íntimamente ligados ya que las altas eficiencias solamente son posibles con materiales y tecnologías de célula caros, lo que forzosamente conlleva una reducción del tamaño de la célula si se quiere lograr un sistema rentable. La reducción en el tamaño de las células requiere que la luz proveniente del sol ha de ser redirigida (es decir, concentrada) hacia la posición de la célula. Esto se logra colocando un concentrador óptico encima de la célula. Estos concentradores para CPV están formados por diferentes elementos ópticos fabricados en materiales baratos, con el fin de reducir los costes de producción. El marco óptimo para el diseño de concentradores es la óptica anidólica u óptica nonimaging. La óptica nonimaging fue desarrollada por primera vez en la década de los años sesenta y ha ido evolucionando significativamente desde entonces. El objetivo de los diseños nonimaging es la transferencia eficiente de energía entre la fuente y el receptor (sol y célula respectivamente, en el caso de la CPV), sin tener en cuenta la formación de imagen. Los sistemas nonimaging suelen ser simples, están compuestos de un menor número de superficies que los sistemas formadores de imagen y son más tolerantes a errores de fabricación. Esto hace de los sistemas nonimaging una herramienta fundamental, no sólo en el diseño de concentradores fotovoltaicos, sino también en el diseño de otras aplicaciones como iluminación, proyección y comunicaciones inalámbricas ópticas. Los concentradores ópticos nonimaging son adecuados para aplicaciones CPV porque el objetivo no es la reproducción de una imagen exacta del sol (como sería el caso de las ópticas formadoras de imagen), sino simplemente la colección de su energía sobre la célula solar. Los concentradores para CPV pueden presentar muy diferentes arquitecturas y elementos ópticos, dando lugar a una gran variedad de posibles diseños. El primer elemento óptico que es atravesado por la luz del sol se llama Elemento Óptico Primario (POE en su nomenclatura anglosajona) y es el elemento más determinante a la hora de definir la forma y las propiedades del concentrador. El POE puede ser refractivo (lente) o reflexivo (espejo). Esta tesis se centra en los sistemas CPV que presentan lentes de Fresnel como POE, que son lentes refractivas delgadas y de bajo coste de producción que son capaces de concentrar la luz solar. El capítulo 1 expone una breve introducción a la óptica geométrica y no formadora de imagen (nonimaging), explicando sus fundamentos y conceptos básicos. Tras ello, la integración Köhler es presentada en detalle, explicando sus principios, válidos tanto para aplicaciones CPV como para iluminación. Una introducción a los conceptos fundamentales de CPV también ha sido incluida en este capítulo, donde se analizan las propiedades de las células solares multiunión y de los concentradores ópticos empleados en los sistemas CPV. El capítulo se cierra con una descripción de las tecnologías existentes empleadas para la fabricación de elementos ópticos que componen los concentradores. El capítulo 2 se centra principalmente en el diseño y desarrollo de los tres concentradores ópticos avanzados Fresnel Köhler que se presentan en esta tesis: Fresnel-Köhler (FK), Fresnel-Köhler curvo (DFK) y Fresnel-Köhler con cavidad (CFK). Todos ellos llevan a cabo integración Köhler y presentan una lente de Fresnel como su elemento óptico primario. Cada uno de estos concentradores CPV presenta sus propias propiedades y su propio procedimiento de diseño. Además, presentan todas las características que todo concentrador ha de tener: elevado factor de concentración, alta tolerancia de fabricación, alta eficiencia óptica, irradiancia uniforme sobre la superficie de la célula y bajo coste de producción. Los concentradores FK y DFK presentan una configuración de cuatro sectores para lograr la integración Köhler. Esto quiere decir que POE y SOE se dividen en cuatro sectores simétricos cada uno, y cada sector del POE trabaja conjuntamente con su correspondiente sector de SOE. La principal diferencia entre los dos concentradores es que el POE del FK es una lente de Fresnel plana, mientras que una lente curva de Fresnel es empleada como POE del DFK. El concentrador CFK incluye una cavidad de confinamiento externo integrada, que es un elemento óptico capaz de recuperar los rayos reflejados por la superficie de la célula con el fin de ser reabsorbidos por la misma. Por tanto, se aumenta la absorción de la luz, lo que implica un aumento en la eficiencia del módulo. Además, este capítulo también explica un método de diseño alternativo para los elementos faceteados, especialmente adecuado para las lentes curvas como el POE del DFK. El capítulo 3 se centra en la caracterización y medidas experimentales de los concentradores ópticos presentados en el capítulo 2, y describe sus procedimientos. Estos procedimientos son en general aplicables a cualquier concentrador basado en una lente de Fresnel, e incluyen tres tipos principales de medidas experimentales: eficiencia eléctrica, ángulo de aceptancia y uniformidad de la irradiancia en el plano de la célula. Los resultados que se muestran a lo largo de este capítulo validarán a través de medidas a sol real las características avanzadas que presentan los concentradores Köhler, y que se demuestran en el capítulo 2 mediante simulaciones de rayos. Cada concentrador (FK, DFK y CFK) está diseñado y optimizado teniendo en cuenta condiciones de operación realistas. Su rendimiento se modela de forma exhaustiva mediante el trazado de rayos en combinación con modelos distribuidos para la célula. La tolerancia es un asunto crítico de cara al proceso de fabricación, y ha de ser máxima para obtener sistemas de producción en masa rentables. Concentradores con tolerancias limitadas generan bajadas significativas de eficiencia a nivel de array, causadas por el desajuste de corrientes entre los diferentes módulos (principalmente debido a errores de alineación en la fabricación). En este sentido, la sección 3.5 presenta dos métodos matemáticos que estiman estas pérdidas por desajuste a nivel de array mediante un análisis de sus curvas I-V, y por tanto siendo innecesarias las medidas a nivel de mono-módulo. El capítulo 3 también describe la caracterización indoor de los elementos ópticos que componen los concentradores, es decir, de las lentes de Fresnel que actúan como POE y de los secundarios free-form. El objetivo de esta caracterización es el de evaluar los adecuados perfiles de las superficies y las transmisiones ópticas de los diferentes elementos analizados, y así hacer que el rendimiento del módulo sea el esperado. Esta tesis la cierra el capítulo 4, en el que la integración Köhler se presenta como una buena alternativa para obtener distribuciones uniformes en aplicaciones de iluminación de estado sólido (iluminación con LED), siendo particularmente eficaz cuando se requiere adicionalmente una buena mezcla de colores. En este capítulo esto se muestra a través del ejemplo particular de un concentrador DFK, el cual se ha utilizado para aplicaciones CPV en los capítulos anteriores. Otra alternativa para lograr mezclas cromáticas apropiadas está basada en un método ya conocido (deflexiones anómalas), y también se ha utilizado aquí para diseñar una lente TIR aplanética delgada. Esta lente cumple la conservación de étendue, asegurando así que no hay bloqueo ni dilución de luz simultáneamente. Ambos enfoques presentan claras ventajas sobre las técnicas clásicas empleadas en iluminación para obtener distribuciones de iluminación uniforme: difusores y mezcla caleidoscópica mediante guías de luz. ABSTRACT Concentrating Photovoltaics (CPV) is one of the most promising ways of reducing the cost of energy collected from the sun. This is possible thanks to both, very high-efficiency solar cells and a large decrease in the size of cells, which are made of costly semiconductor materials. Both issues are closely linked since high efficiency values are only possible with expensive cell materials and technologies, implying a compulsory area reduction if cost-effectiveness is desired. The reduction in the cell size requires that light coming from the sun must be redirected (i.e. concentrated) towards the cell position. This is achieved by placing an optical concentrator system on top of the cell. These CPV concentrators consist of different optical elements manufactured on cheap materials in order to maintain low production costs. The optimal framework for the design of concentrators is nonimaging optics. Nonimaging optics was first developed in the 60s decade and has been largely developed ever since. The aim of nonimaging devices is the efficient transfer of light power between the source and the receiver (sun and cell respectively in the case of CPV), disregarding image formation. Nonimaging systems are usually simple, comprised of fewer surfaces than imaging systems and are more tolerant to manufacturing errors. This renders nonimaging optics a fundamental tool, not only in the design of photovoltaic concentrators, but also in the design of other applications as illumination, projection and wireless optical communications. Nonimaging optical concentrators are well suited for CPV applications because the goal is not the reproduction of an exact image of the sun (as imaging optics would provide), but simply the collection of its energy on the solar cell. Concentrators for CPV may present very different architectures and optical elements, resulting in a vast variety of possible designs. The first optical element that sunlight goes through is called the Primary Optical Element (POE) and is the most determinant element in order to define the shape and properties of the whole concentrator. The POE can be either refractive (lens) or reflective (mirror). This thesis focuses on CPV systems based on Fresnel lenses as POE, which are thin and inexpensive refractive lenses able to concentrate sunlight. Chapter 1 exposes a short introduction to geometrical and nonimaging optics, explaining their fundamentals and basic concepts. Then, the Köhler integration is presented in detail, explaining its principles, valid for both applications: CPV and illumination. An introduction to CPV fundamental concepts is also included in this chapter, analyzing the properties of multijunction solar cells and optical concentrators employed in CPV systems. The chapter is closed with a description of the existing technologies employed for the manufacture of optical elements composing the concentrator. Chapter 2 is mainly devoted to the design and development of the three advanced Fresnel Köhler optical concentrators presented in this thesis work: Fresnel-Köhler (FK), Dome-shaped Fresnel-Köhler (DFK) and Cavity Fresnel-Köhler (CFK). They all perform Köhler integration and comprise a Fresnel lens as their Primary Optical Element. Each one of these CPV concentrators presents its own characteristics, properties and its own design procedure. Their performances include all the key issues in a concentrator: high concentration factor, large tolerances, high optical efficiency, uniform irradiance on the cell surface and low production cost. The FK and DFK concentrators present a 4-fold configuration in order to perform the Köhler integration. This means that POE and SOE are divided into four symmetric sectors each one, working each POE sector with its corresponding SOE sector by pairs. The main difference between both concentrators is that the POE of the FK is a flat Fresnel lens, while a dome-shaped (curved) Fresnel lens performs as the DFK’s POE. The CFK concentrator includes an integrated external confinement cavity, which is an optical element able to recover rays reflected by the cell surface in order to be re-absorbed by the cell. It increases the light absorption, entailing an increase in the efficiency of the module. Additionally, an alternative design method for faceted elements will also be explained, especially suitable for dome-shaped lenses as the POE of the DFK. Chapter 3 focuses on the characterization and experimental measurements of the optical concentrators presented in Chapter 2, describing their procedures. These procedures are in general applicable to any Fresnel-based concentrator as well and include three main types of experimental measurements: electrical efficiency, acceptance angle and irradiance uniformity at the solar cell plane. The results shown along this chapter will validate through outdoor measurements under real sun operation the advanced characteristics presented by the Köhler concentrators, which are demonstrated in Chapter 2 through raytrace simulation: high optical efficiency, large acceptance angle, insensitivity to manufacturing tolerances and very good irradiance uniformity on the cell surface. Each concentrator (FK, DFK and CFK) is designed and optimized looking at realistic performance characteristics. Their performances are modeled exhaustively using ray tracing combined with cell modeling, taking into account the major relevant factors. The tolerance is a critical issue when coming to the manufacturing process in order to obtain cost-effective mass-production systems. Concentrators with tight tolerances result in significant efficiency drops at array level caused by current mismatch among different modules (mainly due to manufacturing alignment errors). In this sense, Section 3.5 presents two mathematical methods that estimate these mismatch losses for a given array just by analyzing its full-array I-V curve, hence being unnecessary any single mono-module measurement. Chapter 3 also describes the indoor characterization of the optical elements composing the concentrators, i.e. the Fresnel lenses acting as POEs and the free-form SOEs. The aim of this characterization is to assess the proper surface profiles and optical transmissions of the different elements analyzed, so they will allow for the expected module performance. This thesis is closed by Chapter 4, in which Köhler integration is presented as a good approach to obtain uniform distributions in Solid State Lighting applications (i.e. illumination with LEDs), being particularly effective when dealing with color mixing requirements. This chapter shows it through the particular example of a DFK concentrator, which has been used for CPV applications in the previous chapters. An alternative known method for color mixing purposes (anomalous deflections) has also been used to design a thin aplanatic TIR lens. This lens fulfills conservation of étendue, thus ensuring no light blocking and no light dilution at the same time. Both approaches present clear advantages over the classical techniques employed in lighting to obtain uniform illumination distributions: diffusers and kaleidoscopic lightpipe mixing.

Field experiment of 800× off-axis XR-Köhler concentrator module on a carousel tracker

This paper presents the design and preliminary experimental results of a concentrator-type photovoltaic module based on a free-form off-axis 800×XR-Köhler concentrator. The off-axis XR-Köhler concentrator is one of the advanced concentrators that perform high concentration with a large acceptance angle and excellent irradiance uniformity on a solar cell. As a result of on-sun characterization of the unglazed single-cell unit test rig, the temperature-corrected DC module efficiency was 32.2% at 25 °C without an anti-reflective (AR) coating on the secondary optics, and the acceptance angle was more than ±1.0°. In addition, the non-corrected DC efficiency of an individual cell in a glazed 8-cell unit module mounted on a carousel tracking system was measured. The individual efficiency deviated in the range of 24.3-27.4%, owing to the mirror shape and alignment errors. The resultant series-connected efficiency was approximately 25% at direct normal irradiation (DNI) of 770 W/m2.

Pietilä: El proyecto de Dipoli

Dipoli es un edificio plurifuncional localizado en el campus de Otaniemi que acoge los servicios generales del alumnado. Tanto encargo como propiedad pertenecía, hasta 2013, a la Asociación de Estudiantes de Helsinki University of Technology TKK (actualmente conocida como Aalto University), cuando se vendió y traspasó a la propia universidad. La tesis estudia este proyecto (1961-66) como uno de los ejemplos más significativos de la obra de los arquitectos Reima (1923-93)y Raili Pietilä (1926-), quienes se unieron tanto personal como profesionalmente el mismo año de la convocatoria del concurso (1961). Debido a la dificultad del encargo por la dimensión y flexibilidad de los espacios requeridos, el primer premio quedó desierto puesto que ninguna propuesta cumplía con todos los requisitos establecidos. El jurado otorgó el segundo premio a su proyecto junto con Osmo Lappo y solicitó posteriormente a ambos un desarrollo más profundo del mismo. Finalmente optaron por construir el edificio planteado por los Pietilä. En él debía desarrollarse un amplio abanico de actividades sociales como reuniones, entretenimiento nocturno, actuaciones, proyecciones de películas, cenas y bailes, así como servir de comedor durante los meses de invierno y espacio destinado a congresos en la época estival. Además, en dicho edificio se pretendía acoger el Sindicato de Estudiantes de la Universidad Tecnológica de Helsinki y se localizaría en el nuevo campus de Otaniemi a escasos kilómetros de la capital, donde Alvar Aalto ya estaba diseñando varios equipamientos universitarios siguiendo el planeamiento general que proyectó en el concurso de 1949. El elemento más característico de este proyecto es la cubierta, una estructura continua formada a partir de un caparazón hueco de hormigón in situ capaz de absorber dos lenguajes diferentes y generar, bajo ella, un espacio singular con multitud de posibilidades funcionales. Su geometría permite dividir el programa en estancias de menor tamaño sin perder ni la identidad ni unidad formal. La manera en que se iluminan los espacios bajo ella se consigue de formas diferentes: si bien la volumetría de líneas cartesianas presenta un sistema de aperturas longitudinales por donde penetra la luz cenital, en la forma más libre aparecen un conjunto de lucernarios de diferente tamaños y posiciones aparentemente aleatorias que introducen la luz natural por el plano del techo de forma más controlada, apoyada por la disposición de las ventanas perimetrales. El juego de espesores de la cubierta ofrece un conjunto de matices que pretenden resolver los tres condicionantes principales del proyecto, la adecuación de los usos en su interior, la compatibilidad de circulaciones de los usuarios y la inserción en el lugar. La percepción de este plano horizontal atraviesa lecturas múltiples, desde su uso primario de cubrición y cuya distancia con el plano del suelo se comprime para tensionar la grieta de luz al tiempo que ofrece nuevas relaciones con el paisaje hasta convertirse en fachada al apoyarse en el suelo y crear un límite físico entre interior y exterior. El objetivo fundamental de la tesis es entender mejor la traza particular de Dipoli desde una visión rigurosa que amplíe el conocimiento del edificio y al mismo tiempo explique el espacio propuesto a través de las diferentes herramientas de proyecto. Para ello se ha elaborado una documentación de la obra que parte de recopilar, seleccionar y redibujar la información existente desde el estado previo a la construcción del objeto terminado. El sentido de volver al Centro de Estudiantes de Otaniemi, supone, además de ayudar a comprender el trabajo de sus autores, entender el proceso de la historia de la arquitectura finlandesa y detectar relaciones con otras obras más lejanas con las que pudiese compartir ciertos valores, facilitando un entendimiento más global de la historia. Esta investigación se inicia desde la hipótesis que la forma final del edificio y su relación con el lugar, para proponer un tipo de arquitectura que confía en la observación sensible del programa, del uso, de las escalas de los espacios, del movimiento de las personas y su relación y anclaje con el lugar. Y en este sentido, el trabajo se desarrolla guiado por estos aspectos que se manifiestan también desde la influencia y comprensión de otros trabajos propios y ajenos. Para detectar las claves de proyecto que les han permitido la construcción espacial y formal de su arquitectura, entendiendo éstas como el conjunto de herramientas y mecanismos que reflexionan sobre una particular composición volumétrica y espacios dinámicos que ofrecen un aspecto exterior expresivo, la tesis se articula sobre dos capítulos principales “Contextos” y “Proyecto y Construcción” donde se quiere estudiar el proyecto en su forma más completa. Esta pareja de apartados aborda la descripción del marco temporal, físico, cultural, personal y profesional de los arquitectos, el análisis y síntesis de la propuesta y, por último, la repercusión del proyecto. Contextos pretende ubicar la obra además de facilitar la comprensión del conjunto de aspectos y condicionantes que determinaron la materialización de Dipoli. Este capítulo se subdivide a su vez en cinco apartados: Contexto Histórico, Físico y Cultural, Personal, Profesional e Incidencia de Dipoli. El Contexto histórico se centra en la descripción pormenorizada del conjunto de situaciones que influyen en el arquitecto cuando se toman decisiones durante el proceso de proyectar. El objetivo es definir los condicionantes que pueden haber afectado directa o indirectamente la obra. El capítulo comienza subrayando los temas de interés comunes para el resto de sus homólogos finlandeses. Principalmente se centra en la década de 1950 como etapa previa a la gestación de Dipoli. También atiende el proceso de evolución de la arquitectura finlandesa desde finales del S.XIX unido a la crisis de identidad nacional que el maestro Alvar Aalto superará por sus obras pero también por su personalidad y supondrá una gran sombra al resto de sus compañeros en el marco nacional e internacional provocando una reacción contraria a sus proyectos y persona entre el resto de arquitectos. Por este motivo, al tiempo que se gestaba el proyecto de Dipoli emergieron un grupo de profesionales que defendían fuertemente las trazas cartesianas del racionalismo como Aulis Blomstedt o Juhani Pallasmaa y que consiguieron abrir una nueva perspectiva intelectual. Por tanto será inevitable que la presencia del maestro nórdico Alvar Aalto aparezca a lo largo de toda la tesis, permitiéndonos un mejor entendimiento de la carga orgánica y humana de sus trabajos desde la perspectiva de los Pietilä. Posteriormente este capítulo desgrana aquellos intereses que dominaban el marco arquitectónico internacional y que pudieron influir en las soluciones planteadas. Dipoli será puesto en relación a diversas arquitecturas contemporáneas que presentan un enfoque diferente al esbozado por el Movimiento Moderno y cuyo marco de referencias guarda algún tipo de relación con los mismos temas de proyecto. Es el caso del grupo Team 10 o determinados ejemplos de arquitectos alemanes como Hugo Häring y Hans Scharoun, incluso puntos en común con el sistema constructivista del vanguardismo soviético. Estas relaciones con otras arquitecturas matizan su carácter singular e incluso se revisa en qué medida esta propuesta amplifica los aspectos que comparten. En cuanto al Contexto físico y cultural, una primera aproximación al ámbito donde el edificio se sitúa nos revela las características generales de un lugar claramente diferente a la ubicación del resto de edificios del campus. A continuación se adentra en el origen del nuevo centro universitario desde el planeamiento urbanístico de Alvar Aalto y revela tanto la forma de disponer las construcciones como las propuestas que el maestro había desarrollado con anterioridad a la convocatoria del concurso. Además aquí se destacan aquellos aspectos que propiciaron la elección del solar. Prosigue adentrándose en el programa propuesto por el jurado –entre cuyos miembros se encontraba el propio Aalto- y el análisis de las propuestas presentadas por cada uno de los arquitectos que obtuvieron una mención. Por último, se estudian y definen las obras más relevantes localizadas en el entorno físico del proyecto y que existían con anterioridad, destacando principalmente el trabajo de los Siren (Heikki y Kaija) y Alvar Aalto por los motivos desarrollados en el punto anterior. Prosigue con el Contexto Personal donde se seleccionan de datos biográficos que expliquen, en parte, las circunstancias personales que perfilaron su manera de entender la arquitectura y que consecuentemente influyeron en su camino intelectual hasta llegar a Dipoli. A continuación se indaga en la relación profesional y personal con Raili Paatelainen para establecer en qué medida participaron ambos en la propuesta. Este apartado concluye con el estudio de la etapa docente que profundiza en los temas de proyecto que Pietilä presentaba a los alumnos en sus clases de proyectos. En el proceso de comprensión de la evolución teórica y proyectual de los arquitectos se considera imprescindible la revisión de otros edificios propios que se enmarcan en el Contexto profesional. Éstos forman parte de la etapa de mayor actividad del estudio como son el Pabellón de Finlandia para la Exposición de Bruselas (1956-58), la Iglesia de Kaleva en Tampere (1959-66) y el Pabellón Nórdico para la Bienal de Venecia de 1960. Se completa la visión de estos tres ejemplos previos a Dipoli desde las investigaciones teóricas que realizó de forma paralela y que se difundieron a través de varias exposiciones. Nos centraremos en aquellas tres que fueron más relevantes en la madurez del arquitecto (Morfología y Urbanismo, La Zona y Estudios Modulares) para establecer relaciones entre unos aspectos y otros. En esta sección no se pretende realizar un análisis en profundidad, ni tampoco recoger la mayor parte de la obra de los Pietilä, sino más bien revelar los rasgos más significativos que faciliten el entendimiento de los valores anteriormente mencionados. Por último, Incidencia de Dipoli se refiere a la repercusión del edificio durante su construcción y finalización. Desde esta premisa, recoge el conjunto de críticas publicadas en las revistas de mayor difusión internacional que decidieron mostrar la propuesta además desde el propio interés del proyecto, por tratarse de un arquitecto reconocido internacionalmente gracias a la repercusión que obtuvieron sus proyectos anteriores. Se analiza el contenido de los artículos para establecer diversos encuentros con el capítulo Contextos y con los propios escritos de Pietilä. También se recogen las opiniones de críticos relevantes como Kenneth Frampton, Bruno Zevi o Christian Norberg-Schulz, destacando aquellos aspectos por los que mostraron un interés mayor. También se recoge y valora la opinión de sus homólogos finlandeses y que contradictoriamente se sitúa en el polo opuesto a la del juicio internacional. Se adentra en las situaciones complejas que propició el rechazo del edificio al desvincularse por completo de la corriente racionalista que dominaba el pensamiento crítico finés unido a la búsqueda de nuevas alternativas proyectuales que les distanciase del éxito del maestro Alvar Aalto. Pretende esclarecer tanto la justificación de dichos comentarios negativos como los motivos por los cuales Reima y Raili no obtuvieron encargos durante casi diez años, tras la finalización de Dipoli. Nos referiremos también a la propia opinión de los arquitectos. Para ello, en el apartado Morfología Literal se recoge el texto que Reima Pietilä publicó en el número 9 de la revista Arkkitehti para contrarrestar las numerosas críticas recibidas. Se subraya aquellos aspectos de proyecto que inciden directamente en la percepción y razón de ser de la propuesta. Por último, se manifiesta la valoración crítica de dos personas muy próximas al entorno personal y profesional de los Pietilä: Roger Connah y Malcolm Quantrill. Ambas figuras son las que han adentrado en el trabajo de los arquitectos con mayor profundidad y aportado una visión más completa del contexto arquitectónico de Finlandia en el s.XX. Se han interesado principalmente por el conocimiento morfológico que les ha llevado a la observación de los fenómenos de la naturaleza. Se apunta también la falta de objetividad de sus opiniones originadas en parte por haber colaborado profesionalmente y ser amigo íntimo de la familia respectivamente. El valor de la documentación aportada por ambos reside principalmente en la fiel transmisión de las explicaciones del propio Pietilä. El último capítulo Proyecto y Construcción engloba tanto la descripción exhaustiva del proyecto como el análisis de la obra. Al tiempo que se explica la propuesta, se establecen continuamente relaciones y paralelismos con otras arquitecturas que ayudan a entenderla. Para ello, se establecen tres apartados elementales: “El lugar”, “Programa y geometrías” y “Presencia y materialidad física” y se pretende identificar aquellas herramientas de proyecto en las que confía para la materialización de la obra al tiempo que se profundiza en la evolución de la propuesta. En cuanto a El lugar, se describe de manera pormenorizada el recorrido hasta alcanzar el edificio y cómo la mirada atenta de la naturaleza que lo rodea está continuamente presente en todos los dibujos de la propuesta. Se realiza un estudio tanto de la multiplicidad de accesos como del vacío existente en planta baja que forma parte del espacio público y que atraviesa el edificio diagonalmente. Desde aquí se evaluará los espacios intermedios existentes que matizan los ámbitos donde se desarrolla cada una de las actividades. A continuación se enfoca el estudio de la ventana como elemento relevante en la transición de espacios interiores y exteriores para posteriormente adentrarnos en la importancia de los recorridos en la planta superior y cómo las salas polivalentes se acomodan a estos. Programas y geometrías explica la solución y desarrollo de la propuesta a través de los tanteos de la planta. Detecta simultáneamente aquellos aspectos que aparecen en otros proyectos y que pueden haber influido en el desarrollo de la obra. Una vez que han sido estudiados los dos niveles se introduce la sección para analizar las conexiones entre ambos planos, destacando los tipos de escaleras y accesos que propician la multiplicidad de recorridos y en consecuencia el movimiento de las personas. En el último apartado se identifica la geometría de la estructura a través de la descripción formal de la cubierta y sus apoyos en planta para conocer cómo responde el volumen definitivo a la adecuación de los usos. El carácter del edificio a través del empleo de los materiales y las técnicas de construcción utilizadas se indaga desde la Materialidad física. Este punto de vista esclarece temas de proyecto como la relación multisensorial de Dipoli y el concepto del tiempo relacionado con espacios de carácter dinámico o estático. Una vez se ha realizado un análisis de la obra construida a través de sus recorridos, se plantea un último regreso al exterior para observar la presencia del edificio a través de su tamaño, color y texturas. Este apartado nos mostrará la mirada atenta a la escala del proyecto como vector de dirección que pretende encontrar la inserción adecuada del edificio en el lugar, cerrando el proceso de proyecto. El motivo de desarrollar esta tesis en torno a Dipoli se apoya en su consideración como paradigma de una arquitectura que confía en la observación sensible del programa, uso, las escalas de los espacios, circulaciones y su relación y anclaje con el lugar como argumentos fundamentales de proyecto, cuya realidad concreta consigue situar la propuesta en el marco histórico de la arquitectura nórdica e internacional. Además la distancia histórica desde mundo actual respecto a la década de los años 60 del s.XX nos permite entender el contexto cultural donde se inserta Dipoli que continúa nuestra historia reciente de la arquitectura y concibe la obra construida como una extensión de nuestro mundo contemporáneo. Por ello se valora el proyecto desde la mirada hacia atrás que analiza las diferencias entre la realidad construida y las intenciones de partida. Esta revisión dotada de una distancia crítica nos permite adentrarnos en la investigación de manera objetiva. Igualmente presenta una distancia histórica (referida al tiempo transcurrido desde su construcción) y socio-cultural que favorece la atenuación de prejuicios y aspectos morales que puedan desviar una mirada analítica y se alejen de una valoración imparcial. Dipoli, enmarcada en dicho periodo, mantiene la capacidad crítica para ser analizada. ABSTRACT The dissertation defends Dipoli ( 1961-1966 ) as one of the most significant examples of the Reima ( 1923-1993 ) Raili Pietilä (1926 -), who joined both personally and professionally the same year of the project´s competition (1961). Due to the difficulty of the commission by the size and flexibility of the required areas, there was not first prize awarded because none of the submitted proposals met all the requirements. The jury awarded Dipoli with second prize together with a competing scheme by Osmo Lappo. The board subsequently asked for a further development of both proposals and finally selected the one by Pietilä. The completed project allows a wide range of social activities such as meetings, night entertainment, performances, film screenings, dinners and dance to take place while the facility can also serve as a dining hall during winter months and conference center in the summer when necessary. In addition, the building was intended to house the Helsinki University of Technology (now Aalto University) Student Union. The University, at the time being designed by Alvar Aalto following his successful entry to the master plan competition in 1949, was located a few kilometers from the capital on the new campus in Otaniemi. The most characteristic element of the project is its roof which can be described as a continuous form achieved an in-situ concrete cavity structure that can modulate two different geometric languages and generate a singular space under it. The building is, in general terms, an unique shell space with many functional possibilities. Its geometry allows the program to split its functions into smaller sizes without losing the identity or formal unity of the general object. The way in which the spaces are illuminated is solved in two different ways. First, while the Cartesian-line volume presents a series of longitudinal openings into which natural light penetrates, the free-form volume shows a set of skylights in apparently random positions that vary in size and that introduce natural light through the roof in a more controlled manner. In addition the perimeter openings are present that relate directly to the nature that surrounds the building. The adaptable thickness of the roof provides a set of solutions that resolve the three main issues of the project: the adequacy of the functions in the interior areas, the complex capability for user flows and circulation and the manner in which the building is inserted in its context. The perception of the roof´ horizontal plane offers multiple interpretations, from its primary use as a primitive cover whose distance from the ground compresses the void and creates a light tension, to the new relationships with the landscape where by the roof becomes a façade cladding and rests directly on the ground to create a physical boundary between interior and exterior. The main scope of this research is to better understand the particular trace of Dipoli from a rigorous architectural view to deep into the knowledge of the building and, at the same time, to explain the space through a series of project design tools that have been used. For this reason, an accurate documentation has arisen from collecting, selecting and redrawing the existing information from the sketching stage to the built object. A through reanalysis of the Otaniemi Student Center therefore provides not only a more complete understanding of the work of the architects, but also leads to a better comprehension of the history of Finnish architecture, which is related to other cultural relationships and which shares certain architectural values which a more comprehensive understanding of general architectural history. This research starts from the working hypothesis that the final shape of the building and its relationship to its place created a type of architecture that relies on a sensitive observation of the program, the use of varying scales of space, the movement and flow of people and finally the coexistence with the natural context. In this sense, the work is developed based on those aspects that are also reflected in the influence of others architects by understanding both their own and other architects´ work. In order to obtain a personal reading of the project facts that allowed the architects construct Dipoli (understanding the facts as a set of tools and project mechanisms that are able to generate a particular volumetric composition and dynamic spaces that at the same time provide an expressive exterior), the research hinges on two main sections, "Contexts" and "Design and Construction", that study the project from all perspectives. This two parts address the description of temporal , physical , cultural , personal and professional framework, analysis and synthesis of the proposal and finally, the national and international influences on the project. Contexts seek to place the work and to facilitate the understanding of all aspects and conditions that led to the creation of Dipoli. This chapter is subdivided into five sections: Historical Context, Cultural and Physical, Personal, Professional and Dipoli Influences. Historical Context focuses on a detailed description of a set of precedents that influenced the architect when making decisions during design process. The objective is to define the conditions that could directly or indirectly shape the work. This chapter begins by highlighting issues of common interest to the rest its Finnish counterparts. The text is mainly focused on the 1950s as a prelude to Dipoli´s conception. It will also address the process of Finnish architecture from the late nineteenth century as linked to the national identity crisis that the great master Alvar Aalto overcame with both his works and personality, being a great drain on the rest of his colleagues. This aspect caused a reaction against Aalto and his projects. For this reason, at the time that Dipoli came into being a number of professionals who strongly defended the traces of Cartesian Rationalism, including Juhani Pallasmaa and Aulis Blomstedt emerged and brought a new intellectual perspective to the Finnish architecture scene. It is thus inevitable that the presence of Alvar Aalto will be apparent throughout the dissertation to allow a better understanding of the organizational and human character of their work from the Pietiläs´ perspective. Later, this chapter identifies those interests that dominated the international architectural framework that could have influenced Dipoli. The project will be placed in relation to various contemporary architectural works that were created using a different approach to that outlined by the Modern Movement. This is present in the case of Team 10 group and with specific examples of German architects including Hans Scharoun and Hugo Häring, as well as some commonalities with Soviet Constructivism. These relationships with other architecture qualify its singular character and even extend how this proposal amplifies those shared aspects. Physical and Cultural Context involves the unique site where the building is located which includes different features from the location of other buildings on the campus. IT then progresses into the origin of the new campus from the urban planning of Alvar Aalto and reveals both the setting and proposed constructions that Aalto had developed. This section also highlights the aspects that led to the choice of the site. I go deep into the program proposed by the jury (of whom Aalto was a member) and the analysis of the alternative proposals that received a special commendation. Finally, I study and define the most relevant works located near Dipoli, emphasizing primarily the work of the Sirens (Heikki and Kaija) and Alvar Aalto for the reasons developed in the previous section. I then proceed with the Personal Context, where a series of biographical data are selected to begin to explain the personal circumstances that outlined the Pietilas´ architectural understanding and consequently could have influenced their intellectual approach to design Dipoli. Then the text explores their professional and personal relationship to establish what extent they participated in the proposal. This section concludes with the study of the Reima Pietilä´s teaching period at Oulu that explores the issues he presented to his students there. In the process of understanding the Pietiläs´ theoretical and design evolution, it must be considered essential to study other buildings that are part of their professional context. These projects belong to the most active stage of their office and include the Finnish Pavilion for the World´s Fair in Brussels (1956-1958), Kaleva Church in Tampere (1959-1966) and the Nordic Pavilion at the 1960 Venice Biennale. We will complete the view of Dipoli from previous theoretical investigations performed in parallel that were spread through several exhibitions. We will focus on the three that were most relevant to the evolution of the architect (Morphology and Urbanism, the Zone, and Stick Studies) to establish a series of useful relationships. This section is not intended to be an in-depth analysis nor to collect most of the work of the Pietiläs´; but rather to reveal the most significant features that facilitate an understanding of the above values. Finally, Dipoli´s Impact refers to the influence of the building from many points of view during its construction and after its completion. It collects the reviews published in the world's most relevant magazines which had decided to show the alternate proposals, generally conceived of by internationally-renowned architects. I analyze the content of the articles in order to establish a series of parallels with the chapter Contexts and own writings Pietilä to clarify if main design directions were clear at that time. The views of relevant critics, including Kenneth Frampton, Bruno Zevi and Christian Norberg -Schulz, are also collected here. This episode also collects and assesses the views of these critics´ Finnish counterparts that generally stood at the opposite side of the international debate. It delves into the complex situation that led to the rejection of the building by the rationalists that dominated the Finnish critical thinking while searching for new alternatives to distance themselves from the Alvar Aalto´s success. It aims to clarify both the justification for these negative comments and the reasons why Reima and Raili not obtain a single commission for nearly ten years after the completion of Dipoli. From the critics we will approach the opinion of Reima Pietilä himself. To do this, in the Literal Morphology section we will see how the architect tried to defend his position. Those design tool that directly affected the perception of the proposal are provided through the figures of Roger Connah and Malcolm Quantrill. Finally, a critical –personal and professional- review of these two very close figures will take place. Despite knowing that both delved into the work of architects with greater depth and provided a complete view of the Finnish architectural context in 20th century, they have focused mainly morphological knowledge which has led to the observation of natural phenomena. It also notes the lack of objectivity in their views caused in part by, in the case of Connah, collaborating professionally and in that of Quantrill being a close friend of the Pietilä family. The value of the documentation provided by both resides mainly in the faithful transmission of the Pietiläs´ own explanations. The final chapter covers both Design and Construction and provides a comprehensive project description in order tofaithfully analyse the work. As the proposal is being explained, relationships of its built form are continuously linked to other architectural projects to gain a better understanding of Dipoli itself. To do this we have set three basic sections: "The Place", "Geometries & Function" and "Presence and Materiality. Construction process" that intended to identify those project tools for the realization of the work while deepens the proposal´s evolution. The Place describes how to approach and reach the building in detail and how the view out towards the surrounding natural setting is continuously shown in the proposal´s drawings. We will study both the multiplicity of entrances as well as the corridor downstairs as part of the public space that diagonally goes through the building. Then, the existing voids in the concrete cave for public activities will be evaluated. Lastly, the study will focus on the openings as a significant element in the transition from interior and exterior areas to describe the importance of the circulation on the second floor and how function is able to accommodate through the areas of void. Geometries & Function explains the final solution and the development of the proposal through the floor plan. Simultaneously it detects those aspects that appear in other projects and that may have influenced the development of the work. Once we have analyzed both levels –ground and second floor- section drawings come into the topic to study the connections between the two levels and highlighting the types of hierarchy for the multiple paths to organize the flows of people inside the building. In the last section the structural geometry is identified through the description of the form and how it responds to the final volumetrical settings. The character of the building through the use of materials and construction techniques inquires from Presence and Materiality. This point of view clarifies multisensory project issues as Dipoli relationship to the dynamic or static character or different spaces inside the building. Once the analysis has been made we will step back to a final return to the building´s exterior to analyze the presence of the building through its scale, colour and textures. This section emphasizes the project´s scale and orientation to find the proper insertion of the building in place. In short, this dissertation has been done by the idea that Pietiläs´special abilities were allowed from a sensitive observation of the program, the creation of a variety of special scales, dynamic circulation and the relating relationship with the project´s location as fundamental design tools. From this aspect, Dipoli could be more usefully framed in the historical context of Nordic and international architecture. The dissertation allows us to better understand the cultural context of the 1960s, in which Dipoli was established since it continues our recent architectural history. The final built form is conceived as an extension of our contemporary world. Therefore the project is assessed through the comparison of the architects´ intentions and the final completed project.

Anastigmatic imaging with unconstrained object to image mapping

Anastigmatic imaging of an object to an image surfaces without the point-to-point mapping prescription and using a single optical surface is analyzed in 2D and 3D geometries (free-form and rotational-symmetric). Several design techniques are shown.

Diseño para fabricación digital: definición unívoca entre forma y fabricación en arquitectura

La presente investigación se inicia planteando el objetivo de identificar los parámetros geométricos que son exclusivos del proceso de generación de la Forma y relacionarlos con los invariantes relacionados con la Fabricación digital aplicada a la Arquitectura. Con ello se pretende recuperar la geometría como herramienta principal del proceso de Proyecto ampliando su ámbito de actuación al encontrar una relación con los procesos de fabricación digital. El primer capítulo describe los antecedentes y contexto histórico centrándose especialmente en la influencia de la capacidad de definir geometrías complejas digitalmente mediante la aplicación de algoritmos. En los primeros ejemplos la aproximación del Arquitecto a proyectos con geometrías complejas no euclídeas aún se emplea sin precisión en la comunicación de la geometría ideada para su puesta en obra. Las técnicas constructivas obligan a asumir una tolerancia de desviación entre proyecto y obra y la previsión del comportamiento de esa geometría no permite asegurar su comportamiento final. No será hasta la introducción de herramientas CAD en el proceso de ideación arquitectónica cuando el Arquitecto se capacite para generar geometrías no representables de forma analógica. Sin embargo, la imposibilidad de trasladar la geometría proyectada a la praxis constructiva impedirá la plasmación de un proceso completo, salvo en las contadas ocasiones que se recogen en este texto. “El análisis cronológico de las referencias establece como aspecto esencial para la construcción de geometrías complejas la capacidad primero para definir y comunicar de forma precisa e inequívoca la geometría y después la capacidad de analizar el desempeño prestacional de dicha propuesta geométrica”. La presente investigación se inicia planteando el objetivo de identificar los parámetros geométricos que son exclusivos del proceso de generación de la Forma y relacionarlos con los invariantes relacionados con la Fabricación digital aplicada a la Arquitectura. Con ello se pretende recuperar la geometría como herramienta principal del proceso de Proyecto ampliando su ámbito de actuación al encontrar una relación con los procesos de fabricación digital. El primer capítulo describe los antecedentes y contexto histórico centrándose especialmente en la influencia de la capacidad de definir geometrías complejas digitalmente mediante la aplicación de algoritmos. En los primeros ejemplos la aproximación del Arquitecto a proyectos con geometrías complejas no euclídeas aún se emplea sin precisión en la comunicación de la geometría ideada para su puesta en obra. Las técnicas constructivas obligan a asumir una tolerancia de desviación entre proyecto y obra y la previsión del comportamiento de esa geometría no permite asegurar su comportamiento final. No será hasta la introducción de herramientas CAD en el proceso de ideación arquitectónica cuando el Arquitecto se capacite para generar geometrías no representables de forma analógica. Sin embargo, la imposibilidad de trasladar la geometría proyectada a la praxis constructiva impedirá la plasmación de un proceso completo, salvo en las contadas ocasiones que se recogen en este texto. “El análisis cronológico de las referencias establece como aspecto esencial para la construcción de geometrías complejas la capacidad primero para definir y comunicar de forma precisa e inequívoca la geometría y después la capacidad de analizar el desempeño prestacional de dicha propuesta geométrica”. Establecida la primera conclusión, el capítulo de contexto histórico continúa enfocándose sobre la aplicación de las técnicas digitales en el Proceso de proyecto primero, y en la puesta en obra después. Los casos de estudio identifican claramente como un punto de inflexión para la generación de formas complejas mediante un software CAD el Museo Guggenheim de Bilbao en 1992. El motivo esencial para elegir este proyecto como el primer proyecto digital es el uso de la herramienta de definición digital de la geometría para su reproducción inequívoca en obra. “La revolución digital ha aportado al Arquitecto la posibilidad de abandonar las tipologías arquitectónicas basados en restricciones geométricas-constructivas. La aplicación de técnicas de fabricación digital ha permitido la capacidad de diseñar con independencia del sistema constructivo y libertad formal. En este nuevo contexto las prestaciones suponen los nuevos límites conceptuales, ya que el acceso y disposición de la información del comportamiento de las alternativas que cada geometría conlleva demanda del Arquitecto la jerarquización de los objetivos y la formulación en un conjunto coherente de parámetros”. Los proyectos que emplean herramientas digitales para la resolución de las distintas etapas del proceso proyectual se verán incrementados de forma exponencial desde 1992 hasta nuestros días. A pesar del importante auge de las técnicas de diseño asistido por ordenador el principal desafío sigue siendo la vinculación de las geometrías y materiales propuestos con las capacidades de las técnicas de manufactura y puesta en obra. El proceso de diseño para fabricación en un entorno digital es una tecnología madura en otras industrias como la aeroespacial o la automovilística, incluso la de productos de consumo y decoración, sin embargo en el sector de Construcción es un sistema inmaduro e inconexo. Las particularidades de la industria de la construcción aún no han sido abordadas en su totalidad y las propuestas de investigación realizadas en este ámbito se han centrado hasta 2015 en partes del proceso y no en el proceso total. “El principal obstáculo para la estandarización e implantación globalizada de un proceso digital desde el origen de la forma hasta la construcción es la inexistencia de un protocolo integrado que integre las limitaciones de fabricación, económicas y de puesta en obra junto a la evaluación de desempeño prestacional durante la fases iniciales de proyecto”. En el capítulo número 3 se estudian los distintos procesos de generación de la forma. Se propone una definición específica para el ámbito de la investigación de “forma” en el entendemos que se incluye la envolvente exterior y el conjunto organizativo de espacios interiores conectados. Por lo tanto no es excluyente del interior. El objetivo de este estudio es analizar y clasificar los procesos para la generación digital de formas en los distintos proyectos seleccionados como emblemáticos de cada tipología. Se concluye que la aproximación a este proceso es muy variada y compleja, con aplicación segregada y descoordinada entre los distintos agentes que han intervenir. En un proceso de generación formal analógico los parámetros que intervienen son en parte conscientes y en parte inconscientes o aprendidos. El Arquitecto sólo tiene control sobre la parte consciente de los parámetros a integrar en el diseño, de acuerdo a sus conocimientos y capacidades será capaz de manejar un número limitado de parámetros. La parte aprendida permanece en el inconsciente y dirige el proceso analógico, aportando prejuicios estéticos incorporados durante el proceso formativo y propio del entorno cultural. “El empleo de herramientas digitales basadas en la evaluación prestacional durante el proceso de selección formal permite al Arquitecto conocer “en tiempo real” el desempeño en el conjunto de prestaciones evaluadoras del conjunto de alternativas geométricas a la propuesta previamente definida por la intuición arquitectónica. El proceso definido no persigue identificar una solución óptima sino asistir al Arquitecto en el proceso de generación de la forma mediante la evaluación continua de los vectores direccionales más idóneos que el procedimiento generativo plantea”. La definición de complejidad en generación y producción de formas en relación con el proceso de diseño digital paramétrico global o integrado, es esencial para establecer un protocolo que optimice su gestión. “Se propone como definición de complejidad como factor resultante de multiplicar el número de agentes intervinientes por el número de parámetros e interacciones comunes que intervienen en el proceso de generación de la forma, dividido por la complejidad de intercambio de información digital desde el origen hasta la fase de fabricación y construcción”. Una vez analizados los procesos de generación digital de Arquitectura se propone identificar los parámetros geométricos que definen el proceso de Diseño digital, entendiendose por Diseño el proceso que engloba desde la proposición de una forma inicial basada en la intuición del Arquitecto, la generación y evaluación de variantes y posterior definición digital para producción, tanto de un objeto, un sistema o de la totalidad del Proyecto. En la actualidad el proceso de Diseño es discontinuo y lineal organizandose los parámetros por disciplinas en las que está estructurada las atribuciones profesionales en la industria de la construcción. Para simplificar la identificación y listado se han agrupado siguiendo estos grupos de conocimiento. Entendemos parametros invariables aquellos que son independientes de Tipologías arquitectónicas o que dependen del mismo proceso de generación de la Forma. “El listado de los parámetros que intervienen en un proceso de generación formal es una abstracción de una realidad compleja. La parametrización de las decisiones que intervienen en la selección de una forma determinada mediante “well defined problems” es imposible. El proceso que esta tesis describe entiende esta condición como un elemento que pone en valor el propio procedimiento generativo por la riqueza que la subjetividad que el equipo de diseño aporta”. La segunda parte esencial de esta investigación pretende extraer las restricciones propias del estado del arte de la fabricación digital para posteriormente incorporarlos en los procesos digitales de definición de la Forma arquitectónica. “La integración de las restricciones derivadas de las técnicas de fabricación y construcción digitales en el proceso de generación de formas desde el ámbito de la Arquitectura debe referirse a los condicionantes geométricos asociados a cada sistema constructivo, material y técnica de fabricación. La geometría es además el vínculo que permite asociar el conjunto de parámetros prestacionales seleccionados para un Proyecto con los sistemas de fabricación digital”. A estos condicionantes geométricos obtenidos del análisis de cada sistema de fabricación digital se les ha denominado “invariantes geométricos”. Bajo este término se engloban tanto límites dimensionales de fabricación, como materiales compatibles, tolerancias de manufactura e instalación y cualidades prestacionales asociadas. El objetivo de esta propuesta es emplear la geometría, herramienta fundamental y propia del Arquitecto, como nexo de unión entre el conjunto complejo y heterogéneo de parámetros previamente listados y analizados. Para ello se han simplificado en tablas específicas para cada parámetro prestacional los condicionantes geométricos que se derivan de los Sistemas de fabricación digital compatibles (ver apéndice 1). El estudio y evaluación de las capacidades y objetivos de las distintas plataformas de software disponibles y de las experiencias profesionales evaluadas en los proyectos presentados, permiten concluir que la propuesta de plataforma digital de diseño integral multi-paramétrico de formas arquitectónicas requiere de un protocolo de interoperatibilidad específico aún no universalmente establecido. Actualmente el enfoque de la estrategia para normalizar y universalizar el contexto normativo para regular la interoperatibilidad se centra en figura del gestor denominado “BIM manager”. Las atribuciones y roles de esta figura se enfocan a la gestión del continente y no del contenido (Definición de los formatos de intercambio, niveles de desarrollo (LOD) de los componentes o conjuntos constructivos, detección de interferencias y documentación del propio modelo). Siendo este ámbito un desarrollo necesario para la propuesta de universalización del sistema de diseño para fabricación digital integrado, la presente investigación aporta un organigrama y protocolo asociado. El protocolo: 1. Establece la responsabilidad de identificar y definir la Información que debe determinar el proceso de generación y desarrollo de la forma arquitectónica. 2. Define la forma digital apropiada para generar la geometría del Proyecto, incluyendo la precisión necesaria para cada componente y el nivel de detalle necesario para su exportación inequívoca al proceso de fabricación. 3. Define el tempo de cada etapa de diseño identificando un nivel de detalle acorde. 4. Acopla este organigrama dentro de las estructuras nuevas que se proponen en un entorno BIM para asegurar que no se producen solapes o vacíos con las atribuciones que se identifican para el BIM Manager. “El Arquitecto debe dirigir el protocolo de generación coordinada con los sistemas de producción digital para conseguir que la integración completa. El protocolo debe asistir al proceso de generación de forma mediante la evaluación del desempeño prestacional de cada variante en tiempo real. La comunicación entre herramientas digitales es esencial para permitir una ágil transmisión de información. Es necesario establecer un protocolo adaptado a los objetivos y las necesidades operativas de cada proyecto ya que la estandarización de un protocolo único no es posible”. Una decisión estratégica a la hora de planificar una plataforma de diseño digital común es establecer si vamos a optar por un Modelo digital único o diversos Modelos digitales federados. Cada uno de los modos de trabajo tiene fortalezas y debilidades, no obstante en el ámbito de investigación se ha concluido que un proceso integrado de Diseño que incorpore la evaluación prestacional y conceptual definida en el Capítulo 3, requiere necesariamente de varios modelos de software distintos que han de relacionarse entre sí mediante un protocolo de comunicación automatizado. Una plataforma basada en un modelo federado consiste en establecer un protocolo de comunicación entre los programas informáticos empleados por cada disciplina. En este modelo de operación cada equipo de diseño debe establecer las bases de comunicación en función del número y tipo de programas y procesos digitales a emplear. En esta investigación se propone un protocolo basado en los estándares de intercambio de información que estructura cualquier proceso de generación de forma paramétrico “La investigación establece el empleo de algoritmos evolutivos como el sistema actual óptimo para desarrollar un proceso de generación de formas basadas en la integración y coordinación de invariantes geométricos derivados de un conjunto de objetivos prestacionales y constructivos. No obstante, para la aplicación en el caso práctico realizado se ha podido verificar que la evaluación del desempeño aún no puede realizarse en una única herramienta y por lo tanto el proceso de selección de las variantes genéticas óptimas ha de ejecutarse de forma manual y acumulativa. El proceso debe realizarse de manera federada para la selección evolutiva de los invariantes geométricos dimensionales”. La evaluación del protocolo de integración y los condicionantes geométricos obtenidos como parámetros geométricos que controlan las posibles formas compatibles se realiza mediante su aplicación en un caso práctico. El ejercicio simula la colaboración multidisciplinar con modelos federados de plataformas distintas. La elección del tamaño y complejidad constructiva del proyecto se ha modulado para poder alcanzar un desarrollo completo de cada uno de los parámetros prestacionales seleccionados. Continuando con el mismo objetivo propuesto para los parámetros prestacionales, la tipología constructiva-estructural seleccionada para el ejercicio permite la aplicación la totalidad de invariantes geométricos asociados. El objetivo de este caso práctico es evaluar la capacidad alterar la forma inicialmente propuesta mediante la evaluación del desempeño prestacional de conjunto de variantes geométricas generadas a partir de un parámetro dimensional determinado. Para que este proceso tenga sentido, cada una de las variantes debe ser previamente validada conforme a las limitaciones geométricas propias de cada sistema de fabricación y montaje previstos. El interés de las conclusiones obtenidas es la identificación de una variante geométrica distante a la solución simétrica inicialmente como la solución óptima para el conjunto de parámetros seleccionados. Al tiempo se ha comprobado como la participación de un conjunto de parámetros multi-disciplinares que representan la realidad compleja de los objetivos arquitectónicos favorecen la aparición de variaciones genéticas con prestaciones mejoradas a la intuición inicial. “La herencias tipológicas suponen un límite para la imaginación de variantes formales al proceso de ideación arquitectónica. El ejercicio realizado demuestra que incluso en casos donde aparentemente la solución óptima aparenta ser obvia una variante aleatoria puede mejorar su desempeño global. La posibilidad de conocer las condiciones geométricas de las técnicas de fabricación digital compatibles con el conjunto de parámetros seleccionados por el Arquitecto para dirigir el proceso asegura que los resultados del algoritmo evolutivo empleado sean constructivamente viables. La mejora de imaginación humana con la aportación de geometrías realmente construibles supone el objetivo último de esta tesis”. ABSTRACT Architectural form generation process is shifting from analogical to digital. Digital technology has changed the way we design empowering Architects and Engineers to precisely define any complex geometry envisioned. At the same time, the construction industry, following aeronautical and automotive industries, is implementing digital manufacturing techniques to improve efficiency and quality. Consequently construction complexity will no longer be related to geometry complexity and it is associated to coordination with digital manufacturing capacities. Unfortunately it is agreed that non-standard geometries, even when proposed with performance optimization criteria, are only suitable for projects with non-restricted budgets. Furthemore, the lack of coordinated exportation protocol and geometry management between design and construction is avoiding the globalization of emergence process in built projects Present research first objective is to identify exclusive form-generation parameters related to digital manufacturing geometrical restraints. The intention was to use geometry as the form-generation tool and integrate the digital manufacturing capacities at first stages of the project. The first chapter of this text describes the investigation historical context focusing on the influence between accurate geometry definition at non-standard forms and its construction. At first examples of non-Euclidean geometries built the communication between design and construction were based on analogical partial and imprecise documentation. Deficient communication leads to geometry adaptation on site leaving the final form uncontrolled by the Architect. Computer Aided Design enable Architects to define univocally complex geometries that previously where impossible to communicate. “The univocally definition of the Form, and communication between design and construction is essential for complex geometry Projects”. The second chapter is focused on digital technologies application in form finding process and site construction. The case studies selected identifies a clear inflexion node at 1992 with the Guggenheim Museum in Bilbao. The singularity of this project was the use of Aeronautics software to define digitally the external envelope complex geometry to enable the contractor to build it. “The digital revolution has given the Architect the capacity to design buildings beyond the architectural archetypes driven by geometric-constructive limitations. The application of digital manufacturing techniques has enabled a free-form construction without geometrical limitations. In this new context performance shall be the responsible to set new conceptual boundaries, since the behavior of each possible geometry can be compare and analyze beforehand. The role of the Architect is to prioritize the performance and architectural objectives of each project in a complete and coherent set of parameters”. Projects using digital tools for solving various stages of the design process were increased exponentially since 1992 until today. Despite the significant rise of the techniques of computer-aided design the main challenge remains linking geometries and materials proposed at each design with the capabilities of digital manufacturing techniques. Design for manufacturing in a digital environment is a mature technology in other industries such as aerospace and automotive, including consumer products and decoration, but in the construction sector is an immature and disjointed system. The peculiarities of the construction industry have not yet been addressed in its entirety and research proposals made in this area until 2015 have focused in separate parts of the process and not the total process. “The main obstacle to global standardization and implementation of a complete digital process from the form-finding to construction site is the lack of an integrated protocol that integrates manufacturing, economic and commissioning limitations, together with the performance evaluation of each possible form”. The different form generation processes are studied at chapter number 3. At the introduction of this chapter there is a specific definition of "form" for the research field. Form is identified with the outer envelope geometry, including the organizational set of connected indoor spaces connected to it. Therefore it is not exclusive of the interior. The aim of this study is to analyze and classify the main digital form generation processes using different selected projects as emblematic of each type. The approach to this process is complex, with segregated and uncoordinated different actors have to intervene application. In an analogical form-generation process parameters involved are partly conscious and partly unconscious or learned. The architect has control only over limited part of the parameters to be integrated into the design, according to their knowledge and. There is also a learned aesthetical prejudice that leads the form generation process to a specific geometry leaving the performance and optimization criteria apart from the decision making process. “Using performance evaluation digital tools during form finding process provides real-time comparative information to the Architect enabling geometry selection based on its performance. The generative form generation process described at this document does not ambition to identify the optimum geometry for each set of parameters. The objective is to provide quick information at each generation of what direction is most favorable for the performance parameters selected”. Manufacturing complexity definition in relation to a global and integral process of digital design for manufacture is essential for establishing an efficient managing protocol. “The definition of complexity associated to design for production in Architecture is proposed as the factor between number of different agents involved in the process by the number of interactions required between them, divided by the percentage of the interchange of information that is standardized and proof of information loss”. Design in architecture is a multi-objective process by definition. Therefore, addressing generation process linked to a set of non-coherent parameters requires the selection of adequate generative algorithm and the interaction of the architect. During the second half of the twentieth century and early twenty-first century it have been developed various mathematical algorithms for multi-parametric digital design. Heuristic algorithms are the most adequate algorithms for architectural projects due to its nature. The advantage of such algorithms is the ability to efficiently handle large scale optimization cases where a large number of design objectives and variables are involved. These generative processes do not pursue the optimum solution, in fact it will be impossible to proof with such algorithm. This is not a problem in architectural design where the final goal is to guide the form finding process towards a better performance within the initial direction provided by the architect. This research has focused on genetic algorithms due to its capacity to generate geometric alternatives in multiple directions and evaluate the fitness against a set of parameters specified in a single process. "Any protocol seeks to achieve standardization. The design to manufacturing protocol aims to provide a coordinated and coherent form generation process between a set of design parameters and the geometrical requirements of manufacturing technique. The protocol also provides an information exchange environment where there is a communication path and the level of information is ensured. The research is focused on the process because it is considered that each project will have its own singularities and parameters but the process will stay the same. Again the development of a specific tool is not a goal for the research, the intention is to provide an open source protocol that is valid for any set of tools”. Once the digital generation processes are being analized and classified, the next step is to identify the geometric parameters that define the digital design process. The definition of design process is including from the initial shape proposal based on the intuition of the architect to the generation, evaluation, selection and production of alternatives, both of an object , system or of the entire project . The current design process in Architecture is discontinuous and linear, dividing the process in disciplines in which the construction industry is structured. The proposal is to unify all relevant parameters in one process. The parameters are listed in groups of knowledge for internal classification but the matrix used for parameter relationship determination are combined. “A multi-parameter determination of the form-finding process is the integration all the measurable decisions laying behind Architect intuition. It is not possible to formulate and solve with an algorithm the design in Architecture. It is not the intention to do so with the proposal of this research. The process aims to integrate in one open protocol a selection of parameters by using geometry as common language. There is no optimum solution for any step of the process, the outcome is an evaluation of performance of all the form variations to assist the Architect for the selection of the preferable solution for the project”. The research follows with the geometrical restrictions of today Digital manufacturing techniques. Once determined it has been integrated in the form-finding process. “Digital manufacturing techniques are integrated in the form-finding process using geometry as common language. Geometric restraints define the boundary for performance parametric form-finding process. Geometrical limitations are classified by material and constructive system”. Choose between one digital model or several federate models is a strategic decision at planning a digital design for manufacturing protocol. Each one of the working models have strengths and weakens, nevertheless for the research purposes federated models are required to manage the different performance evaluation software platforms. A protocol based on federated models shall establish a communication process between software platforms and consultants. The manager shall integrate each discipline requirements defining the communication basis. The proposed protocol is based on standards on information exchange with singularities of the digital manufacturing industry. “The research concludes evolutionary algorithms as current best system to develop a generative form finding process based on the integration and coordination of a set of performance and constructive objectives. However, for application in professional practice and standardize it, the performance evaluation cannot be done in only one tool and therefore the selection of optimal genetic variants must be run in several iterations with a cumulative result. Consequently, the evaluation process within the geometrical restraints shall be carried out with federated models coordinated following the information exchange protocol”. The integration protocol and geometric constraints evaluation is done by applying in a practical case study. The exercise simulates multidisciplinary collaboration across software platforms with federated models. The choice of size and construction complexity of the project has been modulated to achieve the full development of each of the parameters selected. Continuing with the same objective proposed for the performance parameters the constructive and structural type selected for the exercise allows the application all geometric invariants associated to the set of parameters selected. The main goal of the case study is to proof the capacity of the manufacturing integrated form finding process to generate geometric alternatives to initial form with performance improved and following the restrictions determined by the compatible digital manufacturing technologies. The process is to be divided in consecutive analysis each one limited by the geometrical conditions and integrated in a overall evaluation. The interest of this process is the result of a non-intuitive form that performs better than a double symmetrical form. The second conclusion is that one parameter evaluation alone will not justify the exploration of complex geometry variations, but when there is a set of parameters with multidisciplinary approach then the less obvious solution emerge as the better performing form. “Architectural typologies impose limitation for Architects capacity to imagine formal variations. The case study and the research conclusions proof that even in situations where the intuitive solution apparently is the optimum solution, random variations can perform better when integrating all parameters evaluation. The capacity of foreseing the geometrical properties linking each design parameter with compatible manufacturing technologies ensure the result of the form-finding process to be constructively viable. Finally, the propose of a complete process where the geometry alternatives are generated beyond the Architect intuition and performance evaluated by a set of parameters previously selected and coordinated with the manufacturing requirements is the final objective of the Thesis”.

Promiscuity in Rab–SNARE Interactions

Fusion of post-Golgi secretory vesicles with the plasma membrane in yeast requires the function of a Rab protein, Sec4p, and a set of v- and t-SNAREs, the Snc, Sso, and Sec9 proteins. We have tested the hypothesis that a selective interaction between Sec4p and the exocytic SNAREs is responsible for ensuring that secretory vesicles fuse with the plasma membrane but not with intracellular organelles. Assembly of Sncp and Ssop into a SNARE complex is defective in a sec4-8 mutant strain. However, Snc2p binds in vivo to many other syntaxin-like t-SNAREs, and binding of Sncp to the endosomal/Golgi t-SNARE Tlg2p is also reduced in sec4-8 cells. In addition, binding of Sncp to Ssop is reduced by mutations in two other Rab genes and four non-Rab genes that block the secretory pathway before the formation of secretory vesicles. In an alternate approach to look for selective Rab–SNARE interactions, we report that the nucleotide-free form of Sec4p coimmunoprecipitates with Ssop. However, Rab–SNARE binding is nonselective, because the nucleotide-free forms of six Rab proteins bind with similar low efficiency to three SNARE proteins, Ssop, Pep12p, and Sncp. We conclude that Rabs and SNAREs do not cooperate to specify the target membrane.

Residue 225 determines the Na(+)-induced allosteric regulation of catalytic activity in serine proteases.

Residue 225 in serine proteases is typically Pro or Tyr and specifies an important and unanticipated functional aspect of this class of enzymes. Proteases with Y225, like thrombin, are involved in highly specialized functions like blood coagulation and complement that are exclusively found in vertebrates. In these proteases, the catalytic activity is enhanced allosterically by Na+ binding. Proteases with P225, like trypsin, are typically involved in digestive functions and are also found in organisms as primitive as eubacteria. These proteases have no requirement for Na+ or other monovalent cations. The molecular origin of this physiologically important difference is remarkably simple and is revealed by a comparison of the Na+ binding loop of thrombin with the homologous region of trypsin. The carbonyl O atom of residue 224 makes a key contribution to the coordination shell of the bound Na+ in thrombin, but is oriented in a manner incompatible with Na+ binding in trypsin because of constraints imposed by P225 on the protein backbone. Pro at position 225 is therefore incompatible with Na+ binding and is a direct predictor of the lack of allosteric regulation in serine proteases. To directly test this hypothesis, we have engineered the thrombin mutant Y225P. This mutant has lost the ability to bind Na+ and behaves like the allosteric slow (Na(+)-free) form. The Na(+)-induced allosteric regulation also bears on the molecular evolution of serine proteases. A strong correlation exists between residue 225 and the codon used for the active site S195. Proteases with P225 typically use a TCN codon for S195, whereas proteases with Y225 use an AGY codon. It is proposed that serine proteases evolved from two main lineages: (i) TCN/P225 with a trypsin-like ancestor and (ii) AGY/Y225 with a thrombin-like ancestor. We predict that the Na(+)-induced allosteric regulation of catalytic activity can be introduced in the TCN/P225 lineage using the P225Y replacement.

Locust adipokinetic hormones: carrier-independent transport and differential inactivation at physiological concentrations during rest and flight.

Since concomitant release of structurally related peptide hormones with apparently similar functions seems to be a general concept in endocrinology, we have studied the dynamics of the lifetime of the three known adipokinetic hormones (AKHs) of the migratory locust, which control flight-directed mobilization of carbohydrate and lipid from fat body stores. Although the structure of the first member of the AKHs has been known for 20 years, until now, reliable data on their inactivation and removal from the hemolymph are lacking, because measurement requires AKHs with high specific radioactivity. Employing tritiated AKHs with high specific radioactivity, obtained by catalytic reduction with tritium gas of the dehydroLeu2 analogues of the AKHs synthesized by the solid-phase procedure, studies with physiological doses of as low as 1.0 pmol per locust could be conducted. The AKHs appear to be transported in the hemolymph in their free forms and not associated with a carrier protein, despite their strong hydrophobicity. Application of AKHs in their free form in in vivo and in vitro studies therefore now has been justified. We have studied the degradation of the three AKHs during rest and flight. The first cleavage step by an endopeptidase is crucial, since the resulting degradation products lack any adipokinetic activity. Half-lives for AKH-I, -II and -III were 51, 40, and 5 min, respectively, for rest conditions and 35, 37, and 3 min, respectively, during flight. The rapid and differential degradation of structurally related hormones leads to changes in the ratio in which they are released and therefore will have important consequences for concerted hormone action at the level of the target organ or organs, suggesting that each of the known AKHs may play its own biological role in the overall syndrome of insect flight.

Imobilização do fungo Penicillium citrinum CBMAI 1186 e lipase de Pseudomonas fluorescens em biopolímeros para aplicações em biocatálise

Diversos biomateriais podem ser aplicados como suportes na imobilização de células totais de fungos filamentosos ou enzimas isoladas, visando a manutenção e o prolongamento da atividade enzimática em processos biocatalíticos. Exemplos promissores de biomateriais são a fibroína da seda e o alginato de sódio. A fibroína é um material protéico com alta estabilidade térmica, elasticidade, resistência à tensão, não sofre ataque microbiano, baixo custo de purificação e alta tenacidade, o alginato é um biopolímero versátil, devido a suas propriedades gelificantes em soluções aquosas. Assim, neste trabalho empregou-se micélios do fungo derivado de ambiente marinho, Penicillium citrinum CBMAI 1186, livres e imobilizados em biopolímeros (fibra de algodão, fibra de fibroína da seda e fibra de paina) na biorredução quimiosseletiva, regiosseletiva e enantiosseletiva da ligação α,β-C=C de enonas α,β-, α,β,γ,δ- e di-α,β-insaturadas previamente sintetizados pela a reação de condensação aldólica. Foi possível a utilização do fungo P. citrinum CBMAI 1186 na redução quimiosseletiva, regiosseletiva e enantiosseletiva da ligação dupla carbono-carbono de sistemas α,β-insaturados. A imobilização do fungo P. citrinum CBMAI 1186 em biopolímeros (algodão, fibroína da seda, paina e quitosana) permitiu a prolongamento da atividade celular do fungo. O protocolo desenvolvido foi capaz de obter compostos até então descritos apenas por síntese clássica. Também foi realizado reações de resolução enzimática de derivados de haloidrinas por diferentes lipases microbianas de: Pseudomonas fluorescens, Candida cylindracea, Rhizopus niveus e Aspergillus niger. A lipase de P. fluorescens foi imobilizada em esferas de fibroína do bicho da seda (método 1, via adsorção) e em blenda com alginato de cálcio (método 2, via encapsulação) em diferentes condições, tais como, variação de solvente, variação da quantidade de enzima imobilizada e tempo de reação. As condições otimizadas foram empregadas em diferentes haloidrinas, rendendo elevados excessos enantioméricos (ee > 99%) e alta razão enanantiomérica (E > 200) para os produtos acetilados. Foi possível desenvolver um protocolo simples, barato e prático para a síntese enantiosseletiva de haloidrina reforçando a versatilidade da fibroína e do alginato como suportes de imobilização para catalisadores heterogêneos. Também foi possível utilizar a lipase imobilizada (método 2) na reação de transesterificação para obtenção do biodiesel etílico. As melhores condições para o bom funcionamento do biocatalisador foram: 30% do biocatalisador, 20% de n-hexano, relação óleo e etanol de 1:4 a 32 ºC por 48 h em agitação magnética (400 rpm). Essas condições permitiram a formação de 42% de rendimento do biodiesel etílico. O biocatalisador apresentou algumas limitações reacionais, tais como, fragilidade frente a elevadas temperaturas (> 32 ºC) e prolongado tempo de agitação magnética. Porém, permaneceu apto no meio por 4 ciclos consecutivas. Conclui-se que os biomateriais (fibroína, alginato e quitosana) podem ser utilizados como alternativas versáteis na imobilização de micélios de fungos filamentoso e de enzimas isoladas para aplicações em biocatalíticas.

Amination of enzymes to improve biocatalyst performance: coupling genetic modification and physicochemical tools

Improvement of the features of an enzyme is in many instances a pre-requisite for the industrial implementation of these exceedingly interesting biocatalysts. To reach this goal, the researcher may utilize different tools. For example, amination of the enzyme surface produces an alteration of the isoelectric point of the protein along with its chemical reactivity (primary amino groups are the most widely used to obtain the reaction of the enzyme with surfaces, chemical modifiers, etc.) and even its “in vivo” behavior. This review will show some examples of chemical (mainly modifying the carboxylic groups using the carbodiimide route), physical (using polycationic polymers like polyethyleneimine) and genetic amination of the enzyme surface. Special emphasis will be put on cases where the amination is performed to improve subsequent protein modifications. Thus, amination has been used to increase the intensity of the enzyme/support multipoint covalent attachment, to improve the interaction with cation exchanger supports or polymers, or to promote the formation of crosslinkings (both intra-molecular and in the production of crosslinked enzyme aggregates). In other cases, amination has been used to directly modulate the enzyme properties (both in immobilized or free form). Amination of the enzyme surface may also pursue other goals not related to biocatalysis. For example, it has been used to improve the raising of antibodies against different compounds (both increasing the number of haptamers per enzyme and the immunogenicity of the composite) or the ability to penetrate cell membranes. Thus, amination may be a very powerful tool to improve the use of enzymes and proteins in many different areas and a great expansion of its usage may be expected in the near future.

Computer aided design and manufacture for three dimensional milling

Advances in both computer technology and the necessary mathematical models capable of capturing the geometry of arbitarily shaped objects has led to the development in this thesis of a surface generation package called 'IBSCURF' aimed at providing a more economically viable solution to free-form surface manufacture. A suit of computer programs written in FORTRAN 77 has been developed to provide computer aids for every aspect of work in designing and machining free-form surfaces. A vector-valued parametric method was used for shape description and a lofting technique employed for the construction of the surface. The development of the package 'IBSCURF' consists of two phases. The first deals with CAD. The design process commences in defining the cross-sections which are represented by uniform B-spline curves as approximations to give polygons. The order of the curve and the position and number of the polygon vertices can be used as parameters for the modification to achieve the required curves. When the definitions of the sectional curves is complete, the surface is interpolated over them by cubic cardinal splines. To use the CAD function of the package to design a mould for a plastic handle, a mathematical model was developed. To facilitate the integration of design and machining using the mathematical representation of the surface, the second phase of the package is concerned with CAM which enables the generation of tool offset positions for ball-nosed cutters and a general post-processor has been developed which automatically generates NC tape programs for any CNC milling machine. The two phases of these programs have been successfully implemented, as a CAD/CAM package for free-form surfaces on the VAX 11/750 super-minicomputer with graphics facilities for displaying drawings interactively on the terminal screen. The development of this package has been beneficial in all aspects of design and machining of free form surfaces.