The submitted Ph.D. thesis is a contribution to the development of pico-satellites and nano-satellites for Earth Observation and Technology Demonstrators. Development of satellites with a mass from 1 kg up to 10 kg has really boosted during the past 15 years offering large costs reduction with respect to conventional (larger) satellites at compromised performances. However, these performances are increasing step by step, and their potential is about to explode. With 1.3 kg and a volume of 1 liter, 3Cat-1 is the first pico-satellite class satellite with up to seven different payloads on board: a harvesting energy powered beacon, a new topology solar cells, an optical sensor, a Geiger counter, a mono-atomic MEMS oxygen detector, a graphene transistor, and a Wireless Power Transfer experiment. Additionally, many main subsystems like the Electrical Power, the Attitude Determination and Control, and the Communication subsystems have been developed during this PhD. A description of each subsystem and how they have been integrated under these constrains are described in this PhD Thesis report. In the subsystems and in the experiments there are novel concepts and designs that will be explained. Some have been already published in the technical and scientific literature, others will be in the near future. / Tesi doctoral és una contribució al desenvolupament de pico-satèl.lits per a observació de la Terra i demostradors tecnològics. El desenvolupament de satèl¿lits amb massa d'entre 1 kg i 10 kg ha crescut ràpidament durant els darrers 15 anys, oferint importants reduccions de cost respecte els satèl.lits més convencionals (i més grans) amb unes prestacions menors però al mateix temps, acceptables. No obstant, aquestes prestacions estan millorant pas a pas, i el seu potencial a prop d'explosionar. Amb una massa de 1.3 kg i un volum d'un litre, el 3Cat-1 és el primer pico-satèl.lit de la seva categoria equipat amb set diferents càrregues útils a bord: un senyal de radio-balisa alimentat amb energia provinent d'un sistema recol.lector d'energia ambient, una nova topologia de cel.les solars, un sensor òptic, un comptador Geiger, un detector MEMS d'oxigen atòmic, un transistor de grafè, i un experiment de transmissió d'energia per acoblament inductiu. A més a més, molts dels subsistemes com ara el d'energia elèctrica, control i determinació d'actitud, i el subsistema de comunicacions han estat desenvolupats durant aquesta Tesi doctoral. Una descripció de cada subsistema, i com han estat integrats en condicions d'espai, massa i energia reduïdes, s'explica en aquest document. En els subsistemes i en els experiments hi ha nous conceptes i dissenys explicats. Alguns han estat ja publicats en la literatura científica mentre que altres ho seran en un futur proper

Tesi per compendi de publicacions / Projects relying on renewable energies are a suitable and sustainable option to electrify isolated communities autonomously. These systems produce electricity in a clean and environmentally respectful way and their cost is often lower than national grid extension. Hybrid systems that combine different energy resources (wind and solar) and distribution through microgrids are the most efficient design configurations. When considering hybrid systems and microgrids, the design of rural electrification projects is referred to as the AVEREMS problem. The optimization of the AVEREMS problem is a complex task that requires the use of specific support tools. In this context, some shortcomings have been encountered in the current state-of-the-art in the design of off-grid electrification projects based on renewable energies, in specific: the lack of knowledge about detailed wind resource studies for this kind of projects and the need of procedures for solving the AVEREMS problem considering generation also far from the demand in order to take advantage of best resource areas. The main objective of this thesis is to tackle these limitations by means of: 1) defining a method for detailed wind resource assessment in rural electrification projects, 2) the development and 3) application of procedures to solve the AVEREMS problem considering micro-scale resource variations and generation in every point of a community (being a demand or a no-demand point). Firstly, a method for detailed wind resource assessment is presented relying on the use of micro-scale wind flow models: the method is validated in two mountainous communities and applied for the design of a real project in Cape Verde. Then, different solving procedures are developed: first some indicators are proposed to support algorithms¿ design, and then two procedures (a deterministic heuristic and a metaheuristic algorithm) are presented in order to solve the AVEREMS problem. Different algorithm versions are analyzed in order to select the ones that give best results. The proposed algorithms, besides considering generation in every point of a certain area (being a demand or a no-demand point), enhance the performance of the currently available tools. Finally, the design of a real electrification project in Nicaragua is carried out including a micro-scale wind resource assessment and the application of the developed metaheuristic procedure for design optimization. The wind resource assessment method and the solving procedures developed in this Thesis can be easily applied to support the design of off-grid rural electrification projects with renewable energies. Their utilization will improve projects efficiency and sustainability reducing some of the technical issues that still limit their implementation in isolated communities. / Los proyectos de electrificación basados en energías renovables han demostrado ser una opción adecuada y sostenible para abastecer comunidades aisladas de forma autónoma. Estos sistemas producen energía de manera limpia y respetuosa del medio ambiente y su coste es a menudo inferior al de extender la red eléctrica nacional. Las configuraciones de diseño más fiables y eficientes utilizan sistemas híbridos que combinan varios recursos (eólico y solar) y distribución mediante microrredes. El diseño de proyectos de electrificación rural considerando sistemas híbridos y microrredes se ha definido como el problema AVEREMS. La optimización del problema AVEREMS es una tarea compleja que requiere el uso de herramientas de soporte. Actualmente, el proceso de diseño de proyectos de electrificación basados en energía renovables presenta algunas limitaciones. Entre ellas, destacan la falta de conocimientos sobre estudios del recurso eólico y la necesidad de procedimientos para resolver el problema AVEREMS incluyendo la generación alejada de los puntos de consumo para aprovechar las áreas de mayor potencial. El principal objetivo de esta tesis es abordar dichas limitaciones, mediante: 1) la definición de un método para evaluar en detalle el recurso eólico en proyectos de electrificación rural; 2) el desarrollo y 3) la implementación de procedimientos para resolver el problema AVEREMS considerando la variación del recurso a micro-escala y generación en todos los puntos (sean estos de consumo o de no-consumo) de una determinada área. Primero se presenta un método para realizar estudios del recurso eólico mediante el uso de modelos de flujo de viento a micro-escala. El método se valida en dos comunidades montañosas y se aplica para el diseño de proyectos reales en Cabo Verde. Sucesivamente, se desarrollan diferentes procedimientos resolutivos: primero se definen unos indicadores de soporte al diseño, y sucesivamente se presentan dos algoritmos (uno heurístico y otro meta-heurístico) para resolver el problema AVEREMS. Se analizan diferentes versiones de los algoritmos para finalmente seleccionar las que obtienen los mejores resultados. Además de considerar generación en todos los puntos (de consumo o de no-consumo) de una cierta área, los algoritmos propuestos mejoran considerablemente las prestaciones de los métodos disponibles actualmente. Finalmente, se analiza el diseño de un proyecto de electrificación en una comunidad rural en Nicaragua incluyendo la evaluación de recurso a micro-escala y la aplicación del algoritmo meta-heurístico para la optimización del diseño. La metodología para la evaluación del recurso eólico y los algoritmos resolutivos desarrollados en esta tesis se pueden fácilmente aplicar para suportar el diseño de proyectos de electrificación rural con energías renovables. Su utilización permitirá mejorar la eficiencia y sostenibilidad de estos proyectos reduciendo algunos de los problemas técnicos que limitan su implementación en comunidades aisladas

Electric vehicles (EVs) are attractive comparted to internal combustion engine powered vehicles due to several benefits, including low emissions, higher efficiency, less maintenance costs, stronger acceleration or lower fuel price, among others. EVs require traction motors with especial features, including high efficiency, high power and torque density, compactness, precise torque control, extended speed range. This work focuses on the analysis and optimal electromagnetic design of fault tolerant permanent magnet synchronous motors. The study is mainly based on the research of analytical design procedures and the effect of electrical faults in the motor behavior, according to the configurations of each machine. The study will be developed by using analytical tools, and validated by applying 2-D and 3-D finite element methods (FEM). A brief study about the main achievements regarding the design of fault tolerant machines is made, identifying the possible improvements and main rules of design in this kind of machines. Then a study focused on the requirements of a fault tolerant design is made, in order to select the appropriate motor configuration. Since the consequences of inter-turn faults can be catastrophic in PMSMs, chapter 3 studies the influence of the winding configuration on the detection of such faults. This detection is based on the analysis of the stator currents and the (zero-sequence voltage component) ZSVC spectra. Several types of winding configurations are selected for analysis i.e. fractional- and integral-slot windings, overlapping- and non-overlappingwindings, single- and double-layer, full- and short-pitch, constant- and variable-pitch windings. Taking into the fault tolerant tendencies about the redundancy of the system, the study of the effect of inter turn fault is extended to the five phase machine, thus a parametric model of the five-phase PMSM is developed, this model accounts for the effects of inter-turn faults. This parametric model is used to select the harmonic frequencies to be studied to detect such faults. Likewise, the amplitudes of these harmonic frequencies are further analyzed by means of FEM simulations, therefore showing the potential of the proposed system to detect inter-turn faults in their early stage, which is a desirable characteristic for a fault tolerant system. The demagnetization effect on AFPMM torque is also analyzed. The main objective was to study the influence of the magnet shape in the performance of an AFPMM working under faulty condition, in order to select the most suitable type of magnet for the design of a fault tolerant machine. After an exhaustive analysis of the main electromagnetic faults on PMSMs, the work is focused on the optimal electromagnetic design of an AFPMM. The optimal design is based on a set of analytical equations whose accuracy is validated by means of FEM simulations. Next, to find the optimal solution, the huge set of possible motor solutions is explored by means of computationally efficient optimization algorithms leading to an optimum solution while minimizing the computational burden. The set of analytical equations are solved to obtain the geometrical, electric and mechanical parameters of the optimized AFPMM and several design restrictions are applied to ensure fault tolerance capability, along with the recommended features that have been drawn from the fault analysis study. Finally, a dual outer rotor AFPMM with NN configuration for automotive applications is optimized by applying accurate analytical sizing equations and taking into account fault tolerant constraints. For optimization purpose, a multi-objective design strategy is applied, in which the optimization variables are the motor efficiency and power density and ten input geometric and electric parameters are considered, with their respective bounds and constraints. At last the model is verified by applying 3D-FEM simulations and the main performance characteristics are compared. / Debido a las nuevas políticas de conservación medio ambiental, los vehículos eléctricos toman una posición más importante en la sociedad actual. Los motores eléctricos constituyen el corazón de la cadena de tracción de un EV, por esta razón se debe encaminar la investigación hacia el diseño de motores de mayor eficiencia y fiabilidad. Este trabajo se enfoca en el análisis y diseño óptimo de un motor de flujo axial con tolerancia a fallos. Como base, se parte de la investigación de los procedimientos analíticos de diseño de motores eléctricos y del estudio de los efectos de los fallos eléctricos en el comportamiento de estos, de acuerdo a la configuración específica de cada máquina. Para desarrollar esta tesis se hará uso de herramientas analíticas y de métodos de simulación basados en métodos finitos (FEM). En primera parte se hace un estudio del estado del arte del diseño de motores eléctricos tolerantes a fallos, en el cual se identifican las posibles configuraciones a usar y las principales reglas de diseño de estos motores. Debido a que las consecuencias de un cortocircuito entre espiras pueden ser catastróficas para el motor de imanes permanentes, en el siguiente capítulo se analiza su efecto en dependencia de la configuración de los devanados del motor, además de su posible detección. La detección del cortocircuito se basa en el análisis del espectro de frecuencias de las corrientes del estator y la componente homopolar de voltaje (ZSVC). Para este estudio se seleccionan los 5 tipos de bobinados generalmente usados en motores eléctricos. Tomando en cuenta las tendencias de sistemas tolerantes a fallos de utilizar la redundancia de elementos, el estudio del cortocircuito se extiende al motor de 5 fases, para esto se desarrolla un modelo paramétrico del motor, el cual es utilizado para seleccionar los armónicos de frecuencias que permitan la detección del cortocircuito entre espiras en su fase más temprana. De la misma manera estos armónicos son analizados en modelos de simulación por elementos finitos, probando su potencial para el desarrollo de algoritmo de detección de fallos, característica deseable en los sistemas tolerantes a fallos. En última parte de este capítulo se estudia el efecto de la desmagnetización en el comportamiento de motores, en particular la influencia de la forma de los imanes cuando el motor funciona en régimen de fallo, como conclusión de este estudio se selecciona la forma de imán que mejor se comporta ante este tipo de fallos. Una vez analizado los posibles fallos eléctricos en el motor, el trabajo se centra en el diseño electromagnético óptimo de una máquina de flujo axial. El diseño optimo se apoya en el uso de ecuaciones analíticas del motor (AFPMM) y se valida por medio de simulaciones FEM. Para lograr el diseño óptimo de hace uso de algoritmo de optimización heurísticos, en particular los algoritmos genéticos. A estos algoritmos se les aplica las restricciones anteriormente encontradas en los estudios de fallos y en el estado de arte de motores tolerantes a fallos. Finalmente aplicando una serie de ecuaciones analíticas y teniendo en cuenta las restricciones de un diseño tolerante a fallos previamente seleccionadas se obtiene el diseño electromagnético óptimo de un motor de flujo axial tolerante a fallos. Para el proceso de optimización se utilizan algoritmos genéticos multi-objetivos en donde se busca maximizar la densidad de potencia y la eficiencia. Por último, el modelo del motor pentafásico de flujo axial es verificado por medio de simulaciones en elementos finitos.

Aerial Transportation system is based in a legacy infrastructure that supports its different functionality separately. There is a tendency to simplify the infrastructure, increasing its efficiency, technical and monetary. UAS are perceived by the general public as simplified versions of the conventional aviation because they have not any human flight crew on board. In fact, they have a flight crew, but this flight crew is placed on ground adding some complications to the system (e.g: Command & Control link). Conventional aviation perceives UAS as a source of problems, mainly because they have no human flight crew on board capable of creating the situational awareness of the UAS. This lack of situational awareness compromises as well the rest of airspace users safety. This PhD explores the capability of UAS to contribute to the situational awareness of both the own aircraft (generating navigation data) as to the situational awareness of the rest of airspace users (generating surveillance data). The contribution to the situational awareness of both the own aircraft (navigation data) as well as the rest of airspace users (surveillance) is simulated assuming UAS communications based on TDMA and at the communication rates described in the literature. The simulation scenario has been kept simple with a low communication rate and a low number of UAS flying in the simulated area. The results of navigation are in line with the RNP1. The results in surveillance are in line with the 3NM separation but with a refresh rate much higher. Then, with this proposal, UAS could be considered as contributors to the situational awareness instead as the problem that destroys the situational awareness. / El sistema de transport aeri es basa en una infraestructura que implementa les seves funcionalitats per separat. Hi ha una tendència a simplificar la infraestructura, augmentant la seva eficiència, tècnica i monetària. Els UAS són percebuts pel públic en general com versions simplificades de l'aviació convencional, ja que no tenen cap tripulació humana a bord. De fet, tenen una tripulació de vol, però la tripulació de vol es a terra, afegint algunes complicacions en el sistema (per exemple: enllaç de comandament i control). L'aviació convencional percep els UAS com una font de problemes, sobretot perquè l'absencia de tripulació de vol humana a bord capaç de crear la consciència situacional de l'UAS. Aquesta manca de consciència situacional, compromet doncs la seguretat dels usuaris de l'espai aeri. Aquesta PhD explora la capacitat dels UAS per contribuir a la consciència situacional tant de la pròpia aeronau (generació de dades de navegació) com a la consciència situacional de la resta dels usuaris de l'espai aeri (generació de dades de vigilància). La contribució a la consciència situacional tant de la pròpia aeronau (dades de navegació), com de la resta d'usuaris de l'espai aeri (vigilància) es simula assumint comunicacions UAS basats en TDMA amb uns ratis de comunicació descrits a la literatura. L'escenari de simulació s'ha mantingut simple amb una taxa de comunicació baixa i un baix nombre d'UAS volan a la zona simulada. Els resultats de la navegació estan en línia amb la RNP1. Els resultats de la vigilància estan en línia amb la separació 3nm però amb una freqüència d'actualització molt més alt que l'oferta pels radars. Com a conclusió, aquesta proposta considera els UAS com a contribuents a la consciència situacional en lloc de com un problema que destrueix la consciència situacional.

Nontraditional manufacturing processes (NTM) appeared to answer the growing demands of market productivity. Needs of higher quality products in less time and new demands such as new exotic work materials, innovative geometric designs as well as much smaller dimensions justify laser processes insight. Laser machining is a NTM which presents several unique advantages in material processing that makes it suitable to solve these demands. However, laser machining is a complex process, because the type of laser, the combination of process parameters, the material and the configuration of the process among other variables, could affect the performance of the process. This thesis focuses on increasing knowledge about the laser milling, establishing relationships between the process parameters and the key process aspects (quality, dimensional accuracy and productivity) / Els processos de mecanitzat no tradicionals van aparèixer per donar resposta a la creixent demana del mercat productiu. A la necessitat de productes d’alta qualitat en el menor temps possible s’hi afegeixen noves demandes com nous materials exòtics, dissenys amb geometries innovadores així com dimensions molt petites. El mecanitzat làser és un procés no tradicional que presenta un seguit d’avantatges únics que el fan adequat per donar solució a aquestes demandes. Tot i això, el mecanitzat làser és un procés complex. El tipus de làser, la combinació dels paràmetres de procés, el material i la configuració, entre d’altres variables, poden afectar l’execució del procés. Aquesta tesi pretén ampliar el coneixement sobre el fresat làser, establint relacions entre els paràmetres de procés i els aspectes rellevants de procés (qualitat, precisió dimensional i productivitat)

L'espectroscòpia òptica dels ions Tm3+ i Yb3+ en tungstats dobles monoclínics és molt important per desenvolupar dispositius làser d'estat sòlid. Els tungstats dobles monoclínics són molt interessants pels avantatges que presenten com a matrius làser. Aquests materials poden créixer i dopar-se amb ions òpticament actius de forma relativament fàcil, i la seva estructura cristal·lina monoclínica provoca una marcada anisotropia òptica, la qual possibilita obtenir radiació làser de forma polaritzada. Els ions Tm3+ i Yb3+ presenten bandes amples i elevades seccions eficaces d'absorció i emissió en els tungstats que faciliten assolir emissions estimulades en un rang ampli de longituds d'ona. A més, els ions Yb3+ sensibilitzen els Tm3+, als quals transfereixen eficientment la seva energia. Els ions Tm3+ i Yb3+ es poden excitar amb certa facilitat amb díodes làser de GaAlAs i InGaAs al voltant de 800 i 980 nm, respectivament. La radiació làser més estudiada dels ions Tm3+ és la que generen al voltant de 2 m, i té aplicacions en els camps de la medicina i dels sensors remots o sistemes radar de l'atmosfera.Aquest treball de recerca s'exposa en cinc capítols. En el primer s'introdueixen els làsers d'estat sòlid i les propietats dels tungstats dobles monoclínics de KGd(WO4)2 i KYb(WO4)2 i dels ions Tm3+ i Yb3+; a continuació es detallen les possibles transferències d'energia entre ions, algunes de les quals donen lloc a mecanismes d'upconversion i es presenten els objectius que es pretenen assolir. En el capítol 2 s'introdueixen les tècniques espectroscòpiques i es descriu l'equipament experimental utilitzat en la caracterització òptica d'aquests materials.Els resultats experimentals s'exposen als capítols 3, 4 i 5. En el capítol 3 s'estudia l'absorció òptica per obtenir l'estructura de nivells energètics i dissenyar les possibles estratègies d'excitació dels ions. Les mesures d'absorció es realitzen sota condicions de llum polaritzada i en funció de la temperatura, a baixa temperatura (6 K) es determina el desdoblament Stark dels nivells excitats dels ions Tm3+. En el capítol 4 s'analitza la luminescència dels ions Tm3+, primer en cristalls de KGd(WO4)2 dopats amb ions Tm3+ i codopats amb ions Tm3+ i Yb3+, i a continuació en cristalls de KYb(WO4)2 dopats amb ions Tm3+. La luminescència s'estudia en funció de la concentració d'ions i de la temperatura, a baixa temperatura (6 K) es determina el desdoblament Stark de l'estat fonamental dels ions Tm3+. En el capítol 5 es fa un breu recull bibliogràfic de l'acció làser al voltant de 2 m dels ions Tm3+ i es presenten els resultats aconseguits en els cristalls de KGd(WO4)2, en els quals es comparen les orientacions amb E//Nm i E//Np, i es posa especial èmfasi en el rang de sintonització assolible. A continuació dels resultats es presenten les conclusions i les referències bibliogràfiques, i finalment s'adjunten les publicacions dels resultats de la tesi doctoral. / Tm3+ -doped laser materials are emerging as very interesting active media for the 2 µm spectral region due to the possibility for diode pumping near 800 nm and their broad tunability. Potential applications lie in the fields of medicine, laser radar and atmosphere monitoring. The monoclinic double tungstates are strongly anisotropic biaxial crystals that allow to obtain polarized laser radiation. Their advantages for highly efficient, low threshold laser operation with diode pumping are well known in the case of Nd3+ and Yb3+ doping but so far only few laser works were devoted to Tm3+ -doped double tungstates. Yb3+ ions are good sensitizers of Tm3+ ions. The advantages of Yb3+ ions are that they absorb in the near-infrared region around 980 nm, where laser diodes work efficiently.In this work we investigate the CW laser characteristics of Tm-doped KGd(WO4)2 on the 3F43H6 transition as a tunable source in the 2 µm spectral range operating at room temperature. An overall tunability extending from 1790 to 2042 nm is achieved with maximum output powers of 400 mW for an absorbed pump power of 1 W. Various doping levels, pump wavelengths and polarization configurations are compared and the advantages of the monoclinic double tungstates over other Tm-hosts are outlined.

Usually multimedia services can be divided into two different phases: access to the service and content distribution. The first phase usually takes place over reliable transport protocols and unicast connections. The second one is often performed over unreliable transport protocols and multicast communications. Adding security to the first phase only needs a straight application of well known unicast security techniques. On the contrary, adding security to IP multicast requires the study of a new problem because traditional unicast solutions do not fit the new environment.This Doctoral Thesis deals with the arising problems when security is added to multicast environments and proposes different practical solutions.Among all the attacks to the distribution phase, eavesdropping is probably the most significant. Ciphering is the security service against eavesdropping. Multicast encryption introduces the Key Management problem in multicast.If Perfect Forward and Backward secrecy is required the session key must be updated every time a member joins or leaves the multicast group. In huge and highly dynamic groups the unicast distribution of the session key is completely unfeasible The contributions of this Thesis consist in different logical key tree based updating algorithms for multicast. Our proposals take advantage of pseudo-random functions and modular reduction in order to reduce required bandwidth for updating and total amount of bytes stored in the Key Server. In many scenarios it is not worth to update the key every time a change in the membership occurs. Services as Web-TV permit a decrease in security in order to reduce bandwidth requirements for key management. In such case batch rekeying algorithms are used. This kind of algorithm process periodically all joining and leaving requests produced since the last rekeying process at once. Batch rekeying algorithms are efficient if and only if the logical tree is maintained balanced. This Thesis also proposes a batch-rekeying algorithm that leads to completely balanced trees for the whole group lifetime.Batch processing techniques are also combined with the former contributions in order to increase efficiency.The proposals of this Thesis are not supported by the IETF standard on Key Management for multicast secure communications (GDOI). This is mainly because this standard does not allow members to change their position in the tree while they are members of the group. Finally, an adaptation of GDOI allowing the performance of our contributions is proposed.

Tesi per compendi de publicacions / Society is gradually becoming aware that the current energy industry, based on the use of fossil fuels, is inefficient, highly polluting and has a finite supply. Within the scientific community, there are indications that hydrogen (H2) as an energy vector, obtained from renewable energy sources, can represent a viable option to mitigate the problems associated with hydrocarbon combustion. In this context, the change from the current energy industry to a new structure with a significant involvement of H2 facilitates the introduction of fuel cells as elements of energy conversion. Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC) are gaining increased attention as viable energy conversion devices for a wide range of applications from automotive, stationary to portable. In order to optimize performance, these systems require active control and thus in-depth knowledge of the system dynamics which include fluid mechanics, thermal dynamics and reaction kinetics. One of the main issues, with respect to proper control of these systems, is the understanding of the water transport mechanisms through the membrane and the liquid water distribution. The thesis is based on the publication of nine international journal articles that are divided into 4 sub-topics: Dynamic fuel cell modeling, fuel cell system control-oriented analysis, identification of parameters and performance indicators and finally, fault and failure detection and system diagnosis. In the sub-topic of Dynamic Fuel cell modeling, experimentally validated Computational Fluid Dynamics (CFD) modeling is used to relate the effects of the physical phenomena associated with fluid mechanics and thermal dynamics, that occur inside the fuel cell [Alonso, 2009][Strahl, 2011], to water distribution. However, since these CFD models cannot be directly used for control, control-oriented models [Kunusch, 2008][Kunusch, 2011] have been developed in parallel. As well, another study is done in [Serra, 2006] which includes a controllability analysis of the system for future development and application of efficient controllers. The results of the above mentioned studies are limited because either they do not incorporate an electrochemical model or the model is not experimentally validated. Moreover, these models do not take into account the voltage losses due to liquid water inside the fuel cell. Therefore, there is a need to properly relate the relevant effects of fluid mechanics and thermal dynamics, including liquid water, to the fuel cell voltage. Primarily, methodologies are needed to determine the relevant indicators associated to the effect of water on the fuel cell performance. The works published in [Husar, 2008] and [Husar, 2011] treats experimental parameter identification, mainly focused on water transport through the membrane and fuel cell voltage loss indicators respectively. The implementation of the indicators indirect measurement methodology provides an experimental way for the isolation of three main types of voltage losses in the fuel cell: activation, mass transport and ohmic losses. Additionally since these voltage loss indicators relate the fuel cell operating conditions to the fuel cell voltage, they can be utilized to calibrate and validate CFD models as well as employed in novel control strategies. On the other hand, to develop reliable systems, the controller should not only take into account performance variables during standard operation but should also be able to detect failures and take the appropriate actions. A preliminary study on failure indicators is presented in [Husar 2007] and fault detection methodologies are described in [de Lira 2011]. As a whole, the compilation of articles represented in this thesis applies a comprehensive experimental approach which describes the implementation of novel methodologies and experimental procedures to characterize and model the PEMFC and their associated systems taking into consideration control oriented goals. / La societat s'està adonant que la indústria energètica actual, basada en l'ús de combustibles fòssils, és ineficient, molt contaminant i té un subministrament limitat. Dins de la comunitat científica, hi ha indicis que el hidrogen (H2) com vector energètic, obtingut a partir de fonts d'energia renovables, pot representar una opció viable per a mitigar els problemes associats amb la combustió d'hidrocarburs. En aquest context, el canvi de la indústria energètica actual a una nova estructura amb una important participació de el hidrogen exigeix la introducció de les piles de combustible com elements de conversió d'energia. Les piles de combustible de membrana polimèrica (PEMFC) estan tenint cada vegada més atenció com a dispositius viables de conversió d'energia per a una àmplia gamma d'aplicacions com automoció, estacionàries o portàtils. Amb la finalitat d'optimitzar el seu rendiment, les piles PEM requereixen un control actiu i per tant un coneixement profund de la dinàmica del sistema, que inclou la mecànica de fluids, la dinàmica tèrmica i la cinètica de les reaccions. Un dels temes principals relacionat amb el control adequat d'aquests sistemes és la comprensió dels mecanismes de transport d'aigua a través de la membrana i la distribució d'aigua líquida. Aquesta tesi es basa en nou articles publicats en revistes internacionals que es divideixen en 4 subtemes: la modelització dinàmica de piles de combustible, l'anàlisi orientada al control del sistema, la identificació de paràmetres i d’indicadors de funcionament i, finalment, la detecció de fallades i la diagnosi dels sistemes. En el sub-tema de la modelització dinàmica de piles PEM, la modelització basada en la Dinàmica de Fluids Computacional (CFD) amb validació experimental s'ha utilitzat per a relacionar els efectes dels fenòmens físics de la mecànica de fluids i de la dinàmica tèrmica que es produeixen dintre de la pila [Alonso, 2009] [ Strahl, 2011] amb la distribució d'aigua. No obstant això, com aquests models CFD no poden ser utilitzats directament per al control, s'han desenvolupat models orientats a control [Kunusch, 2008] [Kunusch, 2011] en paral·lel. A més, en un altre estudi [Serra, 2006] s'inclou una anàlisi de control·labilitat del sistema per al desenvolupament i aplicació futurs de controladors eficaços. Però els resultats dels estudis esmentats anteriorment són limitats, ja sigui perquè no incorporen un model electroquímic o bé perquè no han estat validats experimentalment. A més, cap dels models té en compte les pèrdues de tensió degudes a l'aigua líquida dins de la pila de combustible. Per tant, hi ha una necessitat de relacionar adequadament els efectes rellevants de la mecànica de fluids i de la dinàmica tèrmica, incloent l'aigua líquida, amb el voltatge de la pila de combustible. Principalment, són necessàries metodologies per a determinar els indicadors rellevants associats a aquest efecte de l'aigua sobre el rendiment de la pila de combustible. Els treballs publicats en [Husar, 2008] i [Husar, 2011] tracten la identificació experimental de paràmetres, centrada en el transport d'aigua a través de la membrana i els indicadors de pèrdua de tensió, respectivament. L'aplicació d'una proposta de metodologia de mesura indirecte dels indicadors permet l'aïllament dels tres tipus principals de pèrdues de voltatge en la pila de combustible: l'activació, el transport de massa i les pèrdues ohmiques. Aquests indicadors de pèrdua de tensió relacionen les condicions d'operació amb el voltatge de la pila de combustible i per tant poden ser utilitzats per a calibrar i validar models CFD, així com per a definir noves estratègies de control. D'altra banda, per a aconseguir sistemes fiables, el controlador no només ha de considerar els indicadors de funcionament de l'operació normal, sinó que també ha de detectar possibles fallades per a poder prendre les accions adequades en cas de fallada. Un estudi preliminar sobre indicadors de fallades es presenta en [Husar 2007] i una metodologia de detecció de fallades completa es descriu en [Lira de 2011]. En el seu conjunt, el compendi d'articles que formen aquesta tesi segueix un enfocament experimental i descriu la implementació de noves metodologies i procediments experimentals per a la caracterització i el modelatge de piles PEM i els sistemes associats amb objectius orientats al control eficient d'aquests sistemes. / La sociedad se ésta dando cuenta de que la industria energética actual, basada en el uso de combustibles fósiles, es ineficiente, muy contaminante y tiene un suministro limitado. Dentro de la comunidad científica, hay indicios de que el hidrógeno (H2) como vector energético, obtenido a partir de fuentes de energía renovables, puede representar una opción viable para mitigar los problemas asociados con la combustión de hidrocarburos. En este contexto, el cambio de la industria energética actual a una nueva estructura con una importante participación de H2 exige la introducción de pilas de combustible como elementos de conversión de energía. Las pilas de combustible de membrana polimérica (PEMFC) están ganando cada vez más atención como dispositivos viables de conversión de energía para una amplia gama de aplicaciones como automoción, estacionarias o portátiles. Con el fin de optimizar su rendimiento, las pilas PEM requieren un control activo y por lo tanto un conocimiento profundo de la dinámica del sistema, que incluye la mecánica de fluidos, la dinámica térmica y la cinética de las reacciones. Uno de los temas principales relacionado con el control adecuado de estos sistemas, es la comprensión de los mecanismos de transporte de agua a través de la membrana y la distribución de agua líquida. Esta tesis se basa en la publicación de nueve artículos en revistas internacionales que se dividen en 4 sub-temas: el modelado dinámico de pilas de combustible, el análisis orientado a control del sistema, la identificación de parámetros e indicadores de desempeño y, por último, la detección de fallos y la diagnosis. En el sub-tema de la modelización dinámica de pilas PEM, el modelado basado en Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) con validación experimental se ha utilizado para relacionar los efectos de los fenómenos físicos de la mecánica de fluidos y la dinámica térmica que se producen dentro de la pila [Alonso, 2009] [ Strahl, 2011] con la distribución de agua. Sin embargo, como estos modelos CFD no pueden ser utilizados directamente para el control, modelos orientados a control [Kunusch, 2008] [Kunusch, 2011] se han desarrollado en paralelo. Además, en otro estudio [Serra, 2006] se incluye un análisis de controlabilidad del sistema para el futuro desarrollo y aplicación de controladores eficaces. Pero los resultados de los estudios mencionados anteriormente son limitados, ya sea porque no incorporan un modelo electroquímico o bien porque no son validados experimentalmente. Además, ninguno de los modelos tiene en cuenta las pérdidas de tensión debidas al agua líquida dentro de la pila de combustible. Por lo tanto, hay una necesidad de relacionar adecuadamente los efectos relevantes de la mecánica de fluidos y la dinámica térmica, incluyendo el agua líquida, con la tensión de la pila de combustible. Principalmente, son necesarias metodologías para determinar los indicadores relevantes asociados al efecto del agua sobre el rendimiento de la pila de combustible. Los trabajos publicados en [Husar, 2008] y [Husar, 2011] tratan la identificación experimental de parámetros, centrada en el transporte de agua a través de la membrana y los indicadores de pérdida de tensió, respectivamente. La aplicación de una metodología propuesta de medición indirecta de los indicadores permite el aislamiento de los tres tipos principales de pérdidas de tensión en la pila de combustible: la activación, el transporte de masa y las pérdidas óhmicas. Éstos indicadores de pérdida de tensión relacionan las condiciones de operación con la tensión de la pila de combustible y por lo tanto pueden ser utilizados para calibrar y validar modelos CFD, así como para definir nuevas estrategias de control. Por otro lado, para conseguir sistemas fiables, el controlador no sólo debe considerar los indicadores de desempeño de la operación regular, sino que también debe detectar posibles fallos para poder tomar las acciones adecuadas en caso de fallo. Un estudio preliminar sobre indicadores de fallos se presenta en [Husar 2007] y una metodología de detección de fallos completa se describe en [Lira de 2011]. En su conjunto, el compendio de artículos que forman esta tesis sigue un enfoque experimental y describe la implementación de nuevas metodologías y procedimientos experimentales para la caracterización y el modelado de pilas PEM y los sistemas asociados con objetivos orientados al control eficiente de estos sistemas.

Co-tutela Universitat Politècnica de Catalunya i Università degli studi di Napoli “Federico II” / The aim of the present thesis has been to test the applicability of the innovative Advanced DInSAR techniques in the natural risk mitigation related to subsidence phenomena. In particular, two test sites have been chosen, both located within alluvial plains and affected by subsidence phenomena: Telese Terme (Italy) where no monitoring network has been installed in spite of the great amount of damaged buildings located in the urban area; Murcia city (Spain) where subsidence has caused damage to structures and infrastructures with an estimated cost of more than 50 million euros. In this second case, the institutions have required studies since '90. For this reason, 20 years of monitoring data are available which have allowed the implementation of an integrated monitoring system based upon satellite DInSAR, conventional field techniques and geotechnical data. Therefore these two areas have been chosen to test different approaches in the use of DInSAR results which can complete a monitoring network where available (as in the case of Murcia city) and replace it where it does not exist (as in the case of Telese Terme). In Murcia case study, the correlation between the temporal evolution of ground surface displacement measures (radar and in situ) and the piezometric groundwater level variation has been analysed to determine mechanisms and critical states of failure; this has permitted to implement a finite element model (FEM) of the phenomenon. Therefore, two models have been carried out: one (called "deep") up to the end of the gravel layer (where the pumping takes place) and one (called "shallow") up to the extensometers' base. The results of the deep model have been compared with DInSAR displacements time series which represent the whole deformation of the stratigraphic column. These comparisons have allowed the individuation of local anomalies of the stiffness values, and have permitted a best model calibration. Moreover, the shallow model results have been compared with the extensometers measurements. These comparisons have showed the occurrence of vertical anisotropies of the permeability. This hypothesis has been verified, analysing the available Lefranc's tests and the most detailed stratigraphic columns and a new model has been proposed. The geotechnical model results have been interpolated through the Ordinary Kriging Radar Errors (OKRE) technique. The achieved deformation maps have been used in the SAR images processing to allow the algorithm to better estimate the no-lineal part of the interferometric phase. In Telese Terme case study, radar measured displacements have allowed to understand the phenomenon spatial extension, its magnitude as same as its historical development. This has permitted the individuation of the causes which provoked damages for some "test buildings". For one of them, a structural model has been implemented; in this case, radar data have been used to verify if its structural response to the displacements detected by SAR corresponded to the overpassing of the limit states. The model results have turned out to have a good correspondence with the forensic analysis achieved in situ. All the proposed approaches could be applied to other scenarios affected by similar phenomena. / El objetivo de la presente tesis ha sido probar la aplicabilidad de las técnicas innovadoras de DInSAR Advanced, en la mitigación de los riesgos naturales relacionados con fenómenos de subsidencia. En particular, se han elegido dos sitios de prueba, ambos ubicados en llanuras aluviales y afectados por fenómenos de subsidencia: Telese Terme (Italia) donde no se ha instalado red de vigilancia, a pesar de la gran cantidad de edificios dañados ubicadas en el área urbana y la ciudad de Murcia (España), donde la subsidencia ha causado daños a las estructuras e infraestructuras con un coste estimado de más de 50 millones de euros. En este segundo caso, las instituciones han requerido estudios desde los años 90.Por esta razón, se dispone de 20 años de datos monitorizados los cuales han permitido la implementación de un sistema integrado de vigilancia basado en el satélite dinSAR, técnicas de datos convencionales y datos geotécnicos. Por lo tanto, para probar diferentes enfoques en el uso de los resultados de DInSAR, se han escogidas estas dos áreas de modo que se pueda completar una red de monitoreo donde esté disponible (como en el caso de la ciudad de Murcia) y reemplazarla donde no existe (como en el caso de Telese Terme). En el caso de Murcia, se ha analizado la correlación entre la evolución temporal de las medidas de desplazamiento de la superficie del suelo (radar in situ) y la variación piezométrica del nivel de las aguas subterráneas para determinar los mecanismos y estados críticos de fracaso. Esto ha permitido poner en práctica un modelo de elementos finitos (FEM) del fenómeno. Teniendo en cuenta estos estudios, se han llevado a cabo dos modelos FEM: uno (llamado "(deep) profundo") hasta el extremo del nivel de grava (donde se lleva a cabo el bombeo) y uno (llamado "(shallow) superficial") hasta la base de los extensómetros. Los resultados del modelo de profundidad han sido comparados con las series temporales de deformación DInSAR que representan toda la deformación de la columna estratigráfica. Estas comparaciones han permitido a la individuación de las anomalías locales de los valores de rigidez, y han permitido una mejor calibración del modelo. Por otra parte, los resultados del modelo superficial (shallow), se han comparado con las mediciones extensométricas. Estas comparaciones han mostrado la ocurrencia de anisotropías verticales de la permeabilidad. Esta hipótesis ha sido verificada, analizando las pruebas disponibles de la Lefranc y las columnas estratigráficas más detalladas y se ha propuesto un nuevo modelo. Los resultados del modelo geotécnico han sido interpolados a través de la técnica "Ordinary Kriging Radar Errors" (OKRE). Los mapas de deformación obtenidos han sido utilizados en el procesado de imágenes SAR para permitir al algoritmo una mejor estimación de la parte no lineal de la fase interferométrica. En el caso de Telese Terme, los desplazamientos radar medidos han permitido comprender la extensión espacial del fenómeno, su magnitud y su desarrollo histórico. Esto ha permitido la individuación de las causas que provocaron daños en algunos edificios "de prueba". Para uno de ellos, se ha implementado un modelo estructural; en este caso, se han utilizados, los datos radar para verificar si su respuesta estructural a los desplazamientos detectados por SAR correspondían a la "superación de los estados límite". Los resultados del modelo han resultado tener una buena correspondencia con el análisis forense conseguida in situ. Todos los aproches propuestos se podrían aplicar a otros escenarios afectados por fenómenos similares.

This thesis presents the dynamic study of conjugate cam mechanisms with rollers follower and translational movement, to design them with the aim of retard the surface fatigue failure in the rollers. The premature failure of the rollers appears in some mechanisms that belong to the industry Sàbat Lligats Metàl·lics S. L. For this purpose, a dynamic model of lumped parameters that considers the elasticity of the solids is developed for a conjugate cam mechanism with rollers follower and translational movement. An important issue of the dynamic model is the characterization of the higher pair ¿theoretical point contact or line contact¿ existing between a cam and a roller follower. In the case of theoretical point contact, the formulation of elliptical point contact is applied. To validate this formulation applied in the dynamic model, a test bed is constructed. By means of the test bed the theoretical contact ellipse is measured with the ink Blue Prussian in the higher pair between a cylinder ¿a cam locally can be approximated to a cylinder¿ and a crowned roller follower. The experimentally measured results show the same differences from theoretical values of other experimental methods of measurement. Values of common deformation and contact pressures for different typologies of rollers ¿crowned and cylindrical¿ are calculated analytically and it is concluded that crowned rollers are the most appropriated for conjugate cam mechanisms. Previous to the dynamic analysis of conjugate cam mechanism, a study is carried out to determine the influence of motion law¿s parameters and geometrical parameters of the mechanism in retarding the surface fatigue failure of a roller follower. For this reason, two new geometrical indices are added to the common indices ¿maximum pressure angle and minimum convex radius of curvature of the pitch curve¿ calculated during the validation phase of cam profile. The first new index relates the angles rotated by a cam and a roller. The second new index analyzes the incidence of the local geometry at the contact pressures. A catalogue of graphics, depending on the motion law¿s parameters and geometric parameters of the mechanism, are developed for these four geometrical indices. This study is valid for the synthesis of cam roller follower mechanism with form and force closure of the higher pair. The developed dynamic model for the conjugate cam mechanism with rollers follower and translational movement designed using a planned interference fit, is applied to define an objective design interference fit to achieve the appropriate dynamic behaviour in terms of contact forces, contact pressures, basic rating life of the rollers, lubrication conditions and analyze the surface fatigue failure of the rollers. Through various statistical analyses, it is concluded that using a planned interference fit and considering standard manufacturing and assembly errors, it is difficult to achieve conjugate cam mechanisms always with the appropriate dynamic behaviour. Therefore a setup process is required, which is effective but laborious. The study of the effect of the interference fit in the dynamic behaviour of the mechanism is complemented using interferences deduced from experimental measurements of manufacturing and assembly errors.Finally, the dynamic behaviour of a new design for the conjugate cam mechanism is analyzed. In this new design, the closure of the higher pairs is done combining form/force strategies to retard surface fatigue failure of the rollers. The analysis of this new design for the mechanism reveals that it is not necessary to use high stiff springs while enough preload force is provided. / La tesi que es presenta tracta l’estudi dinàmic dels mecanismes de lleves conjugades amb palpador de corrons i moviment de translació, per dissenyar-los amb la finalitat d’endarrerir la fallada per fatiga superficial dels corrons. La fallada prematura dels corrons s’ha detectat en alguns dels mecanismes utilitzats per l’empresa Sàbat Lligats Metàl·lics S. L. Per a un mecanisme de lleves conjugades amb palpador de corrons i moviment de translació, s’ha plantejat un model dinàmic de paràmetres concentrats que considera l’elasticitat dels sòlids. Un aspecte rellevant del model dinàmic és la caracterització que es fa del parell superior –contacte teòric puntual o lineal– entre una lleva i un palpador de corró. En el cas del contacte teòric puntual s’utilitza la formulació del contacte puntual el·líptic. Per validar la formulació utilitzada en el model dinàmic s’ha construït un banc d’assaig. Amb aquest s’ha mesurat l’el·lipse de contacte teòrica prevista mitjançant Blau de Prússia en l’enllaç entre un cilindre –ja que una lleva localment s’hi aproxima– i un palpador de corró bombat. Els resultats mesurats experimentalment presenten les mateixes diferències respecte dels valors teòrics que d’altres mètodes de mesura experimentals. S’han calculat analíticament valors de deformacions conjuntes i pressions de contacte per a diferents tipologies de corrons –bombats i cilíndrics– i es conclou que per a mecanismes de lleves conjugades, els corrons bombats són els més adients. Un estudi previ a l’anàlisi dinàmica del mecanisme de lleves conjugades ha consistit en determinar la influència dels paràmetres de la llei de desplaçament i dels paràmetres geomètrics del mecanisme a l’hora d’endarrerir la fallada per fatiga superficial en un palpador de corró. Per a això s’han definit dos índexs geomètrics nous que complementen als dos índexs habituals –angle de pressió màxim i el mínim radi de curvatura convex de la corba de pas– calculats durant l’etapa de comprovació del perfil d’una lleva. El primer nou índex relaciona l’angle girat per una lleva i l’angle girat per un corró. El segon nou índex analitza la incidència de la geometria local en les pressions de contacte. Per a aquests quatre índexs geomètrics s’ha desenvolupat un catàleg de gràfics. Aquest estudi és vàlid per a la síntesi de mecanismes de lleva i palpador de corró amb el tancament del parell superior tant per forma com per força. El model dinàmic plantejat per al mecanisme analitzat de lleves conjugades amb palpador de corrons i moviment de translació dissenyat planificant un ajust per interferència, s’ha utilitzat per definir un rang d’interferències objectiu de disseny per aconseguir el comportament dinàmic adequat en quant a forces de contacte, pressions de contacte, vida nominal dels corrons, condicions de lubricació i analitzar la fallada per fatiga superficial dels corrons. Mitjançant anàlisis estadístiques es conclou que, considerant valors estàndard de fabricació i muntatge, és difícil aconseguir mecanismes de lleves conjugades amb un ajust per interferència que sempre tinguin el comportament dinàmic adequat. Per tant es requereixen processos de posada a punt que són eficaços però laboriosos. L’estudi de l’efecte de la interferència en el comportament dinàmic del mecanisme es complementa utilitzant interferències deduïdes de mesures experimentals d’errors de fabricació i muntatge. Finalment s’ha analitzat el comportament dinàmic d’un nou disseny per al mecanisme de lleves conjugades. En aquest nou disseny s’utilitza el tancament dels parells superiors combinant les estratègies de forma/força per endarrerir la fallada per fatiga superficial dels corrons. L’anàlisi d’aquest nou disseny del mecanisme ha permès determinar que no és necessari utilitzar molles d’alta rigidesa sempre i quan s’asseguri suficient precàrrega.