As the data rate demands of the cellular users increase, together with their number, it is expected that unprecedented capacity demands should be met in wireless networks in the forthcoming years. However, the energy consumption to meet these rates is expected to increase exponentially, according to trends. This can become a serious issue for both the environment, due to CO2 emissions, and the operators, which will have to pay more for electricity. Hence, several energy-efficient solutions have been proposed, such as multiple antenna systems, dynamic spectrum allocation, heterogeneous networks, and Network Coding, to name a few. Based on the above, the aim of this thesis to propose low-complexity and energy-efficient physical layer-based solutions compared to the already existing approaches, without sacrificing the quality of performance. More specifically, the focus is on the technologies of Spatial Modulation and Analog Network Coding. Both schemes offer the so-called multiplexing gain, which means that multiple streams can be transmitted without sacrificing resources, such as bandwidth. As far as Spatial Modulation is concerned, Spatial Modulation-based schemes are proposed that are more energy efficient than state-of-the-art technologies. Regarding Analog Network Coding, we study its implementation in relay-based scenarios and how it compares in terms of energy efficiency with conventional protocols, such as the time-division multiple access protocol. From the obtained results, the conclusion that can be drawn is that depending on the scenario both Spatial Modulation and Analog Network Coding can provide significant energy gains compared to existing technologies without sacrificing performance. / A medida que las demandas de velocidad de datos de los usuarios de redes celulares aumentan, así como su número, se espera que las demandas de capacidad sin precedentes se deban cumplir en las redes inalámbricas en los próximos años. Sin embargo, se espera que aumente de forma exponencial el consumo de energía para satisfacer estas tasas, de acuerdo a las tendencias. Esto puede convertirse en un grave problema ambos para el medio ambiente, debido a las emisiones de CO2, y los operadores, que tendrán que pagar más por la electricidad. Por lo tanto, se han propuesto varias soluciones de eficiencia energética, tales como sistemas de múltiples antenas, la asignación de espectro dinámico, redes heterogéneas, y Network Coding, para nombrar unos pocos. Con base en lo anterior, el objetivo de esta tesis es proponer soluciones de baja complejidad y de eficiencia energética basadas en la capa física, en comparación con los enfoques ya existentes, sin sacrificar la calidad del funcionamiento. Más específicamente, la atención se centra en las tecnologías de Spatial Modulation y Analog Network Coding. Ambos esquemas ofrecen la llamada ganancia de multiplexación, lo que significa que múltiples flujos pueden ser transmitidos sin sacrificar recursos, tales como el ancho de banda. En lo que se refiere a Spatial Modulation, se proponen esquemas basados en Spatial Modulation que son más energéticamente que tecnologías ya existentes. En cuanto a Analog Network Coding, se estudia su aplicación en escenarios inalámbricos basados en relays y cómo se compara en términos de eficiencia energética con los protocolos convencionales, tales como el protocolo de acceso mútiple por división de tiempo. De los resultados obtenidos, la conclusión que se puede extraer es que dependiendo del escenario, ambos Spatial Modulation y Analog Network Coding pueden proporcionar beneficios significativos de energía en comparación con las tecnologías existentes sin sacrificar el funcionamiento.

La presente tesis de enmarca dentro del área de la Seguridad de Comunicaciones. Concretamente, se estudian aquí mecanismos de seguridad adecuados a los entornos de Red de Área Local, proponiéndose y evaluándose un conjunto de mecanismos de protección de las comunicaciones para redes locales extendidas de tipo 802.3/Ethernet. (… ) Nace como un intento de formalizar desde un punto de vista “académico” los mecanismos de seguridad diseñados durante las dos fases de este proyecto, realizando al mismo tiempo un estudio comparativo, en cuanto a prestaciones, con otros mecanismos similares existentes

En los últimos años, las nuevas aplicaciones de Internet tales como aplicaciones multimedia, video a demanda, etc, requieren progresivamente mayor capacidad y garantías de calidad de servicio. En ese sentido el modelo de transmisión de tráfico ha ido cambiando hacia Redes Ópticas las cuales proporcionan mayor capacidad y fiabilidad. Esta Tesis se encamina a proporcionar nuevos mecanismos de routing basados en conceptos predictivos para ser aplicados tanto en Redes Ópticas como redes IP/MPLS. El proceso de routing implica seleccionar la ruta (o ruta y longitud de onda en Redes Ópticas) que mejor transporta la información desde el nodo fuente hasta el nodo destino en una red. El routing en redes IP/MPLS se conoce como QoS (Quality of Service) routing cuando calcula rutas que requieren ciertas garantías de calidad de servicio. Por otro lado, el routing en redes ópticas debe seleccionar no sólo el camino físico o ruta sino también la longitud de onda por donde el tráfico debe de ser transportado (conocido como problema de Routing and Wavelength Assignment, RWA). Con el propósito de introducir el escenario del problema ilustraremos el caso para redes ópticas. Las más recientes soluciones propuestas en la literatura para el problema de Routing and Wavelength Assignment, RWA, utilizan mecanismos distribuidos basados en routing de fuente. En routing distribuido, los nodos fuentes seleccionan la ruta y la longitud de onda basándose en la información de estado de la red contenida en sus bases de datos. En este escenario aparece el problema del routing inexacto (routing inaccuracy problem) porque por diferentes razones esta información de estado de la red contenida en las bases de datos no es exacta. El problema del routing inexacto describe el impacto en el rendimiento global debido a tomar decisiones RWA a partir de información inexacta o desactualizada. En general, una parte importante de un mecanismo de routing es la política de actualización. En routing distribuido los nodos fuentes deben intercambiar información sobre los recursos (ancho de banda disponible o longitudes de onda disponibles) de sus enlaces. En la literatura hay diferentes propuestas tratando el problema del routing inexacto. Estos trabajos proponen tanto nuevos algoritmos de routing como nuevas políticas de actualización. Acerca de las políticas de actualización, cuando la frecuencia de actualización de las bases de datos es alta, la información de estado de la red será más precisa. Pero debe existir un compromiso entre la frecuencia de actualización y la sobrecarga de señalización generada por los mensajes de actualización en la red. Incluso, asumiendo en una red óptica que la sobrecarga de señalización no es un problema porque una fibra o longitud de onda se dedica a tareas de señalización (fuera de banda), es posible que la información no sea completamente precisa. Existe un tiempo mínimo de propagación necesario para diseminar esta información en la red y para que se estabilice esta información en las bases de datos. Por otro lado, hasta ahora Internet sólo proporcionaba un modelo de transmisión ‘best effort’. Las aplicaciones a tiempo real mencionadas no pueden ser soportadas en este modelo ‘best effort’, ya que requieren cierto grado de calidad de servicio. El volumen de información que los nodos fuente deben intercambiar cuando se tienen en cuenta los parámetros de calidad de servicio es mayor, y esto impacta negativamente en la sobrecarga de señalización. Esta Tesis propone un nuevo mecanismo de routing, llamado Prediciton-Based Routing (PBR), basado en conceptos predictivos, el cual no necesita mensajes de actualización con información de estado de la red. La principal idea subyacente es que a frecuencias de actualización asequibles la información de estado obtenida en los mensajes de actualización puede no ser útil. Por lo tanto, no utilizar esta información es mejor ya que su efecto tiene un impacto negativo en el rendimiento global de la red. El mecanismo Prediction-Based Routing (PBR) propuesto en esta Tesis tiene el propósito de reducir tanto la sobrecarga de señalización como los efectos negativos del problema del routing inexacto. La información de estado utilizada por los nodos fuentes no se actualiza mediante mensajes sino que es deducida del comportamiento de peticiones de conexión previas. Es decir, el mecanismo PBR tiene en cuenta los bloqueos de conexión previamente producidos en el mismo ‘lightpath’ (ruta y longitud de onda). Además, otra importante característica del PBR es su simplicidad comparado con algoritmos propuestos previamente.

El objetivo principal de esta Tesis se centra en la mejora de la resolución axial de los sistemas de ultrasonidos basados en la medida del tiempo de vuelo y/o la recepción de ecos, utilizando soluciones de bajo coste. Se propone como excitación del transductor el uso de formas de onda simples cuyos parámetros básicos han sido obtenidos a partir del análisis de las características presentadas por uno de los pulsos acústicos emitido y recibido por el propio transductor. Esta técnica se muestra particularmente eficaz al aplicarla a transductores muy poco amortiguados, es decir, con un factor Q alto, lo que hace que sea muy adecuada para utilizarla con transductores de aire, cuyos pulsos presentan una respuesta transitoria de duración excesiva en forma de "colas de emisión".Tras la introducción del principio de funcionamiento en que se basa la técnica de cancelación por pulso, se desarrolla la teoría necesaria para poder determinar los parámetros básicos del pulso de cancelación, tanto en el dominio temporal como en el frecuencial. Previamente se han justificado los requisitos que debe cumplir la envolvente del pulso que se desea cancelar en parte.Se ha desarrollado un procedimiento de simulación basado en el software HSPICE para poder evaluar a priori la mejora introducida por la técnica de cancelación por pulso. Se evita así el tener que realizar medidas experimentales para determinar las características de la excitación necesaria. Los resultados obtenidos con simulación fueron contrastados con medidas experimentales viendo que existía una estrecha correlación entre ellos.Se hace también un estudio de la excitación específica que requiere uno de los transductores utilizados en este trabajo. El objetivo de este estudio será la comparación entre los resultados aportados por la técnica de cancelación por pulso y por la técnica de excitación basada en la inversa de la respuesta impulsional del transductor. Los pulsos acústicos emitidos con esta última técnica son analizados atendiendo a criterios energéticos. Se propone un nuevo procedimiento para determinar con precisión la respuesta impulsional de un sistema que ha sido aplicado a la caracterización de transductores de ultrasonidos.Se ha realizado un estudio sobre las mejoras introducidas en diversos sistemas de medida por ultrasonidos cuando a ellas se aplica la técnica de cancelación por pulso. El resultado es que se mejora notablemente la resolución de la medida y las prestaciones de los equipos de medida sin que ello signifique un coste adicional para el equipo.En resumen, como contribución fundamental de este trabajo de Tesis se ha formalizado la técnica de cancelación por pulso aportando la teoría necesaria para la obtención de los parámetros básicos característicos del pulso de cancelación.

Debido a los actuales niveles de integración que permite la tecnología de fabricación de circuitos integrados, las interconexiones juegan cada vez un papel más importante en el comportamiento de dichos circuitos introduciendo efectos que pueden causar errores en su funcionamiento.Los objetivos de esta tesis son por una parte la modelación adecuada de las interconexiones en circuitos integrados, y por otra parte un estudio del efecto de las señales espureas producidas por efectos parásitos de interconexiones. Se han considerado diferentes modelos de interconexiones con parámetros distribuidos y concentrados, para determinar el rango de validez de cada modelo en función de parámetros de diseño como son longitud de la línea y características de fuente y carga de la línea. Se han realizado medidas experimentales y simulaciones para el caso de líneas sobre sustrato semiconductor para una correcta modelación de estas, observándose que el efecto de la conductancia del sustrato no hace falta incluirlo en el modelo.Finalmente, se ha estudiado el efecto de señales espureas sobre circuitos digitales en base al concepto de curvas de propagación, que han sido calculadas teóricamente y obtenido experimentalmente para ciertos casos.

This Ph.D. thesis dissertation addresses multi-resolution image decomposition, a key issue in signal processing that in recent years has contributed to the emergence of the JPEG2000 image compression standard. JPEG2000 incorporates many interesting features, mainly due to the discrete wavelet transform stage and to the EBCOT entropy coder.Wavelet analysis perform multi-resolution decompositions that decorrelate signal and separate information in useful frequency-bands, allowing flexible post-coding. In JPEG2000, decomposition is computed through the lifting scheme, the so-called second generation wavelets. This fact has focused the community interest on this tool. Many works have been recently proposed in which lifting is modified, improved, or included in a complete image coding algorithm.The Ph.D. thesis dissertation follows this research line. Lifting is analyzed, proposals are made within the scheme, and their possibilities are explored. Image compression is the main objective and it is principally assessed by means of coding transformed signal with EBCOT and SPIHT coders. Starting from this context, the work diverges in two distinct paths, the linear and the nonlinear one.The linear lifting filter construction is based on the idea of quadratic interpolation and the underlying linear restriction due to the wavelet transform coefficients. The result is a flexible framework that allows the creation of new transforms using different criteria and that may adapt to the image statistics. The nonlinear part is founded on the adaptive lifting scheme, which is extensively analyzed and as a consequence, a generalization of the lifting is proposed. The discrete version of the generalized lifting is developed leading to filters that achieve good compression results, specially for biomedical and remote sensing images. / Esta tesis aborda el problema de la descomposición multi-resolución, tema clave en procesado del señal que ha llevado estos últimos años a la creación del sobresaliente estándar JPEG2000 de compresión de imágenes. JPEG2000 incorpora una serie de funcionalidades muy interesantes debido básicamente a la transformada wavelet discreta y al codificador entrópico EBCOT.La transformada wavelet realiza una descomposición multi-resolución que decorrela la señal separando la información en un conjunto de bandas frecuenciales útiles para la posterior codificación. En JPEG2000, la descomposición se calcula mediante el esquema lifting, también llamado wavelet de segunda generación. La integración del esquema lifting en el estándar ha centrado el interés de muchos investigadores en esta herramienta. Recientemente, han aparecido numerosos trabajos proponiendo modificaciones y mejoras del lifting, así como su inclusión en nuevos algoritmos de codificación de imágenes.La tesis doctoral sigue esta línea de investigación. Se estudia el lifting, se hacen propuestas dentro del esquema y sus posibilidades se exploran. Se ha fijado la compresión de imágenes como el principal objetivo para la creación de nuevas transformadas wavelet, que se evalúan en su mayor parte mediante la codificación de la señal transformada con EBCOT o SPIHT. Dentro de este contexto, el trabajo diverge en dos caminos distintos, el lineal y el no lineal.La construcción de filtros lifting lineales se basa en la idea de interpolación cuadrática y la restricción lineal subyacente de los coeficientes wavelet. El resultado es un marco de trabajo flexible que permite la creación de transformadas con distintos criterios y adaptables a la estadística de la imagen.La parte no lineal tiene sus fundamentos en el esquema lifting adaptativo, del cuál se ofrece un extenso análisis y como consecuencia se propone una generalización del lifting. Su versión discreta se desarrolla consiguiendo filtros lifting que obtienen buenos resultados, sobretodo en imágenes biomédicas y de detección remota.

En aquesta tesi s'utilitza la noció de resistor lliure de pèrdues (LFR) per dissenyar fonts d'alimentació destinades a iluminació eficient com son els light emmiting diodes (LEDs), làmpades d'alta intensitat de descàrrega (HID) i làmpades d'inducció sense electrodes (IEFL), amb la finalitat de reduir el consum elèctric tant en aplicacions domèstiques com industrials. Aprofitant la naturalesa del LFR, es a dir, un resistència emulada al port d'entrada y una font de potència al port de sortida, les làmpades mencionades anteriorment son alimentades a potència constant independentment del tipus de làmpada i de la seva impedància. La técnica de control en mode de lliscament ha sigut aplicada als convertidors per imposar el comportament de LFR treballant en mode de conducció contínu (CCM) en alguns casos, i en d'altres a la frontera entre CCM i mode de conducció discontinu (DCM). Aquesta técnica de control que s'ha utilitzat al llarg de la tesi, ha estat implementada mitjançant técniques de control analògiques i digitals, permetent regular la llum de les làmpades. / En esta tesis se usa la noción de resistor libre de pérdidas (LFR) para diseñar fuentes de alimentación destinadas iluminación eficiente como por ejemplo light emmiting diodes (LEDs), lamparas de alta intensidad de descarga (HID) y lámparas de inducción sin electrodos (IEFL), con el fin de reducir el consumo eléctrico tanto en aplicaciones domésticas como industriales. Aprovechando la naturaleza del LFR, es decir, una resistencia emulada en el puerto de entrada y una fuente de potencia en el puerto de salida, las lámparas mencionadas anteriormente son alimentadas a potencia constante independientemente del tipo de lámpara e impedancia de la misma, . La técnica de control en modo de deslizamiento es aplicada en los convertidores para imponer el comportamiento de LFR trabajando en modo de conducción continuo (CCM) en algunos casos, y en otros en la frontera entre CCM y modo de conducción discontinuo (DCM). Ésta técnica de control que se a implementado a lo largo de toda la tesis ha sido implementada mediante técnicas de control tanto analógicas como digitales permitiendo regular la luz de las lámparas. / In this thesis, the notion of loss-free resistor (LFR) is used systematically to design power supplies for efficient lighting, namely light emitting diodes (LEDs), high intensity-discharge lamps (HID) and induction electrode-less fluorescent lamps (IEFLs) with the aim of reducing the electrical energy consumption in domestic or industrial applications. The different lamps previously mentioned are supplied at constant power independently of the lamp type and impedance, taking advantage of the LFR nature, i.e. an emulated resistance in the input port and a power source in the output port. The sliding -mode control technique is applied in the converters to impose the LFR behaviour in continuous conduction mode (CCM) in some cases, and in the boundary between CCM and discontinuous conduction mode (DCM) in other cases. This control technique has been implemented throughout the thesis by either analogue or digital controllers and allows regulating the light emitted by the lamps.

La regulación de la actividad de la distribución, aspecto sobre el cual versa esta tesis, ha presentado un horizonte cambiante en los últimos años. Tales cambios se hallan relacionados con aspectos como:Retribución debido a la nueva estructuración de los mercados energéticos,· Calidad debido a la necesidad de un suministro de energía con unas características cada vez más estrictas como consecuencia de la participación creciente de sistemas de información y datos sensibles a estos aspectos,· Eficiencia energética, aspecto importante en el horizonte actual por su creciente importancia dentro del panorama de sostenibilidad ambiental en el que se suscribe el sector eléctrico.· Generación Distribuida, la cual hace que pensemos en una demanda y oferta más activa que la que hasta hace algún tiempo teníamos en mente dentro del sector eléctrico y específicamente en la distribución de energía eléctrica.El propósito de esta tesis es brindar en el proceso regulatorio herramientas no solo para la mejora de la regulación de la distribución por si misma sino para la evaluación del proceso a través de herramientas de simulación.De esta forma se presentan diferentes capítulos en los que se establecen diversas propuestas y metodologías para el desarrollo de una regulación de la distribución cercana a las necesidades actuales. En ellas, por ejemplo, se establece una metodología para la evaluación de la calidad de las empresas de distribución con una técnica de cálculo llamada DEA-Data Envelopment Analysis, igualmente se presentan aportes regulatorios en aspectos como el cálculo contable de las empresas de distribución, la eficiencia energética, la generación distribuida y otros aspectos relacionados con estas empresas.Para el análisis de los diversas propuestas regulatorias, se plantea la utilización de herramientas de simulación basadas en diversas plataformas, entre ellas las principales han sido elaboradas bajo metodologías de cálculo basadas en Dinámica de Sistemas (STELLA ITHINK). Se proponen, por lo tanto, herramientas que permiten simular el Valor Agregado de Distribución de una empresa VAD, el Costo promedio de capital WACC y los beneficios de instalar generación distribuida en una zona desde el punto de vista del generador y desde el punto de vista del distribuidor.Los resultados principales del estudio se muestran en cada capítulo; sin embargo, para este resumen cabe aclarar que se hacen propuestas en los siguientes:Análisis de la Regulación de la distribución desde el punto de vista metodológico y su aplicación en diversos países.Comparación internacional de la aplicación de las metodologías de regulación de la distribución en diversos países.Propuesta metodológica y aplicación de la metodología DEA para la comparación de la calidad en empresas de distribución.Propuestas regulatorias para evaluar diversos aspectos involucrados con la regulación de la distribución.Desarrollo de Modelos y Herramientas de cálculo para evaluar y simular efectos de políticas regulatorias en la retribución de la distribución.Análisis y propuestas para involucrar en el proceso retributivo de la distribución la eficiencia energética.Análisis y propuestas para involucrar en el proceso retributivo de la distribución de energía eléctrica los efectos de la generación distribuida.De un modo general, se establece una metodología que permite generar propuestas regulatorias para el sector de la distribución de energía eléctrica y su evaluación con herramientas de simulación. / The regulation of the distribution activity, aspect that deals with this thesis, has been submitted changing horizons in recent years. Such changes are related to issues such as:· Retribution: due to the new structuring of energy markets· Quality: due to the need of a supply energy with increasing stringent characteristics as a result of participation growing information systems and sensitive data these,· Energy efficiency, which is important in current horizon of it's growing importance within environmental sustainability of the landscape in which supports the electricity sector.· Distributed Generation, which makes think of a more active demand and supply than until some time had in mind within the electricity sector and specifically in the distribution electricity.The purpose of this thesis is to provide in the process regulatory tools not only for improving regulation of the distribution per se, but for through process evaluation tools simulation.This will have different chapters in establishing various proposals and methodologies development of a regulation of the distribution close to current needs. In them, example, establishing a methodology for assessing the quality of companies distribution with a technique called DEA-calculation DataEnvelopment Analysis, also presented regulatory contributions in areas such as the calculationAccounting for distribution companies, efficiency energy, distributed generation and other aspects associated with these companies.For the analysis of the various regulatory proposals, we propose the use of tools simulation based on various platforms, including the major have been produced under calculation methodologies based on System Dynamics (STELLA iThink). We propose, therefore, tools to simulate the Value AddedVAD distribution company, the average cost of WACC capital and the benefits of installing generation distributed in an area from the point of view generator and from the point of view of the distributor.The main results are shown in each chapter, but for this summary shall be clear that proposals are made as follows:Analysis of the regulation of the distribution from methodological point of view and it's application in various countries.International comparison of the implementation of methodologies for regulating the distribution various countries.Methodological proposal and application of the methodology DEA to compare the quality of distribution companies.Regulatory proposals to assess various aspects involved in the regulation of the distribution.Development of models and calculation tools evaluates and simulate effects of regulatory policies the remuneration of the distribution.Analysis and proposals to engage in the process remuneration of the distribution efficiency energy.Analysis and proposals to engage in the process remuneration of the electricity distribution effects of distributed generation.In general, establishing a methodology allows the generation of regulatory proposals for the sector of electricity distribution and evaluation simulation tools.

Las pilas de combustible son muy ventajosas debido a su alta eficiencia en la conversión de energía y nula contaminación. En esta tesis se realiza un extenso estudio sobre el control y diseño de sistemas de generación eléctrica basados en pilas de combustible. El núcleo principal de la misma son los sistemas híbridos con pilas de combustible y supercapacitores como elementos almacenadores de energía, orientado a aplicaciones automotrices. La determinación del Grado de Hibridización (i.e. la determinación del tamaño de la pila de combustible y del número de supercapacitores) se realiza mediante una metodología propuesta con el objetivo de satisfacer requisitos de conductibilidad y consumiendo la menor cantidad de hidrógeno posible.El proceso de diseño comienza con la determinación de la estructura eléctrica de generación del vehículo y utiliza un modelo detallado realizado en ADVISOR, una herramienta para modelado y estudio de sistemas híbridos. Se analiza el flujo de energía a través de los componentes del vehículo cuando el vehículo sigue diferentes ciclos de conducción estándares, mostrando las pérdidas en cada componente que degradan la eficiencia del sistema y limitan la recuperación de energía de frenado. Con respecto a la recuperación de energía, se ha definido y analizado un parámetro que cuantifica la cantidad de energía que realmente es reaprovechada: el ratio frenado/hidrógeno.Para controlar el flujo de energía entre la pila de combustible, los almacenadores de energía y la carga eléctrica, se proponen tres Estrategias de Gestión de Energía (EMS) para Vehículos Híbridos con Pila de Combustible (FCHVs) basadas en el mapa de eficiencia de la pila y se validan mediante un montaje experimental desarrollado para emular el sistema híbrido. Los resultados de consumo de hidrógeno son comparados con dos referencias: el consumo correspondiente al caso del vehículo sin hibridización y el caso óptimo con el menor consumo para el vehículo propuesto. El consumo óptimo se calcula mediante una metodología propuesta que, a diferencia de otras, evita la discretización de las variables de estado.Para operar el sistema eficientemente, la pila de combustible es controlada mediante una metodología de control, basada en Control de Matriz Dinámica (DMC). Esta metodología de control utiliza como variables de control el voltaje de compresor y una nueva variable propuesta: la apertura de una válvula proporcional ubicada a la salida del cátodo. Los objetivos de control son controlar el exceso de oxígeno en el cátodo y el voltaje generado por la pila. Se analiza tanto en régimen estacionario como transitorio las ventajas de emplear esta nueva variable de control y se muestran resultados de funcionamiento por simulación del controlador ante perturbaciones en la corriente de carga.Por otro lado, se aborda el diagnóstico y el control tolerante a fallos del sistema basado en pila de combustible proponiendo una metodología de diagnóstico basada en las sensibilidades relativas de los fallos y se muestra que la estructura de control con las dos variables propuestas tiene buena capacidad de rechazo a fallos en el compresor cuando se controla el exceso de oxígeno en el cátodo. / The use of fuel cell systems based on hydrogen is advantageous because of their high efficiency in the energy conversion and null emissions. In this thesis, an extensive study about the control and design of electrical generation systems based on fuel cells is performed. The main focus is in hybrid systems composed of fuel cells and supercapacitors as energy storage elements, oriented to automotive applications. The determination of the hybridization degree (i.e. the determination of the fuel cell size and the number of supercapacitors) is performed through a proposed methodology with the objective to fulfil the conductibility requirements and to consume the lowest amount of hydrogen.The process of design starts with the determination of the electrical structure and utilizes a detail model developed using ADVISOR, a MATLAB toolbox for modelling and studying hybrid vehicles. The energy flow between the vehicle components is analyzed when the vehicle is tested with different Standard Driving Cycles, showing how the losses in each component degrade the efficiency of the system and limit the energy recovery from braking.With regard to the energy recovery, a parameter to quantify the amount of energy that is actually reused is defined and analyzed: the braking/hydrogen ratio.To control the energy flow between the fuel cell, the energy storage system, and the electrical load in Fuel Cell Hybrid Vehicles (FCHVs), three Energy Management Strategies (EMSs) based on the fuel cell efficiency map are presented and validated through an experimental setup, which is developed to emulate the FCHV. The resulting hydrogen consumptions are compared with two references: the consumption of the pure fuel cell case, a vehicle without hybridization, and the optimal case with the minimum consumption. The optimal consumption for a given vehicle is determined through a methodology proposed that, unlike other previous methodologies, avoids the discretization of the state variables.To operate the fuel cell system efficiently, the system is controlled through a proposed control technique, which is based on Dynamic Matrix Control (DMC). This control technique utilizes the compressor voltage as control variable and also a new proposed variable: the opening area of a proportional valve at the cathode outlet. The control objectives are the control of the oxygen excess ratio at the cathode and the fuel cell voltage. The advantages of this new control variable are analyzed both in steady state and transient state. Simulation results show and adequate performance of the controller when a series of step changes in the load current is applied.On the other hand, the diagnosis and fault-tolerant control of the fuel cell-based system is approached. A diagnosis methodology based on the relative fault sensitivity is proposed. The performance of the methodology to detect and isolate a set of proposed failures is analyzed and simulation results in an environment developed to include the set of faults are given. The fault-tolerant control is approached showing that the proposed control structure with two control variables has good capability against faults in the compressor when the oxygen excess ratio in the cathode is controlled.

Los dispositivos de almacenamiento de energía térmica son ampliamente usados en diversos sistemas térmicos caracterizados por un desfase temporal entre la producción de energia y su consumo, como es el caso de los sistemas de energía solar térmica. El diseño optimizado de estos equipos puede representar un considerable aumento en el rendimiento térmico de la instalación de la cual forman parte. En la línea de optimización de sistemas y equipos térmicos, en los últimos años la Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) se ha consolidado como una herramienta básica, proporcionando a investigadores e ingenieros un método para ensayar virtualmente sus diseños, disminuyendo los costes en términos de tiempo, recursos y personal. Es en esta línea se encuentran las principales aportaciones de esta tesis, la cual tiene como principal objetivo la simulación numérica de procesos de convección laminar en régimen transitorio y dominios cilíndricos para su aplicación al estudio de los fenómenos de transferencia de calor y dinámica de fluidos que tienen lugar en los tanques de almacenamiento de energía.Se presenta la metodología seguida para la resolución de las ecuaciones gobernantes de la transferencia de calor y dinámica de fluidos en coordenadas cilíndricas, mostrando las principales particularidades de su discretización para este tipo de geometrías y se detalla el tratamiento realizado para resolver estas singularidades dentro del código numérico. Posteriormente, se expone la metodología para la solución de flujos transitorios e incompresibles y se realiza un riguroso proceso de verificación del código y las soluciones numéricas obtenidas. Esta metodología se aplica al estudio del comportamiento de los tanques de almacenamiento de energía estratificados. Un aspecto básico del funcionamiento de estos equipos es la calidad de la energía almacenada. Esta calidad viene determinada por el grado de estratificación térmica, en la cual influyen diferentes factores como la mezcla que ocurre debido a las corrientes de fluido que entran durante los procesos de carga y descarga térmica y también debido al intercambio de calor con el ambiente. En este sentido, en este trabajo se analiza la estratificación térmica para diferentes condiciones de trabajo y configuraciones por medio de las simulaciones numéricas multidimensionales. Para medir el grado de estratificación se han tenido en cuenta diferentes parámetros y como resultado del estudio, se propone un parámetro adimensional basado en un análisis exergético. Esta exergía adimensional ha permitido comparar el funcionamiento de los tanques en las diferentes situaciones analizadas y se ha mostrado útil para cuantificar la calidad de la energía almacenada.Por otra parte, se estudia el comportamiento térmico de los tanques de almacenamiento durante su modo de operación estático y considerando las pérdidas de energía al ambiente. Este estudio tiene como objetivo fundamental caracterizar el proceso de enfriamiento del fluido en tanques que forman parte de sistemas solares térmicos para el rango de bajas y medianas temperaturas. Se presenta la metodología seguida para el análisis, desde la identificación de los números adimensionales que definen el problema, la formulación de un modelo zonal para la predicción del comportamiento térmico, el estudio paramétrico llevado a cabo y el posterior post-proceso de los resultados con el objetivo de proporcionar los parámetros necesarios para alimentar el modelo zonal. El modelo propuesto, junto con las correlaciones obtenidas, predicen correctamente el comportamiento del fluido, constituyendo una alternativa interesante para reproducir el proceso de enfriamiento del fluido en los tanques durante largos periodos de tiempo. / Thermal storage devices are widely used in many thermal systems and applications that are characterised by the delay between energy production and consumption, such as thermal solar systems. The improvement in their design and optimisation is a key aspect in the thermal optimisation of the system, where a good preformance of the storage tank can represent a considerable increase in the overall efficiency of the installation. In the subject of optimisation of thermal equipment, Computational Fluid Dynamics have been consolidated as an indispensable tool providing researchers and engineers with a method to test virtually their prototypes with low effort in time, personnel and resources. This thesis is focused in the numerical simulation of unsteady laminar convection in cylindrical domains and its application to the study of the heat transfer and fluid flow that take place in stratified storage tanks. The first part of this document is devoted to present the methodology followed for the numerical resolution of the governing equation of heat and fluid flow in cylindrical coordinates. The main particularities of the discretisation of the equations in these geometries, as well as the solution procedure for incompressible and transient flow problems are also presented. Special emphasis is given to the verification of the code, the appropriateness of the discretisation adopted and the verification of the numerical solution obtained.The second part of this thesis is focused on the study of the heat transfer and fluid flow phenomena that take place in stratified storage tanks, including the performance measures and modeling efforts of these devices. The quality of the energy stored is determined by the degree of the thermal stratification of the storage tank, which is affected by several factors such as the mixing due to the inlet streams during load and unload, the heat losses to the environment, among others. In this sense, thermal stratification analysis is carried out by means of the virtual prototyping of the tanks for different working conditions and configurations. In order to measure the performance of the tanks, different parameters are considered. The analysis led to the proposition of a new exergy-based parameter as a tool for assessing and comparing storage tanks. The usefulness of this parameter for quantifying the quality of the energy stored is also shown.Furthermore, the thermal behaviour of storage tanks during the static mode of operation considering the heat losses to the environment is also analysed. The study is addressed to characterise the cool down of the fluid inside storage tanks for solar thermal systems in the low-to-medium temperature range. The methodology followed, from the identification of the significant non-dimensional parameters that define the problem, the formulation of a zonal prediction model, a parametric numerical study by means of detailed multidimensional CFD computations and the post-processing of the results in order to feed the global model are exposed in detail. Zonal model presented, together with the correlations given are in good agreement with the numerical results and constitute an alternative for the prediction of the long-term performance of the storage tanks during the cooling process.