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The spectral distribution of the solar irradiance incident on photovoltaic (PV) modules is a key variable controlling their power production. It is required to properly simulate the production and performance of PV plants based on technologies with different spectral characteristics. Spectroradiometers can only sense the solar spectrum within a wavelength range that is usually too short compared to the actual spectral response of some PV technologies. In this work, a new methodology based on the Simple Model of the Atmospheric Radiative Transfer of Sunshine (SMARTS) spectral code is proposed to extend the spectral range of measured direct irradiance spectra and to increase the spectral resolution of such experimental measurements. Satisfactory results were obtained for both clear and hazy sky conditions at a radiometric station in southern Spain. This approach constitutes the starting point of a general methodology to obtain the instantaneous spectral irradiance incident on the plane of array of PV modules and its temporal variations, while evaluating the magnitude and variability of the abundance of atmospheric constituents with the most impact on surface irradiance, most particularly aerosols and water vapor, The Spanish Ministry of Economy, Industry, and Competitiveness [project PVCastSOIL Nº ENE2017-83790-C3-1-2-3-R], The European Regional Development Fund, The project MAPVSpain, with reference PID2020-118239RJ-I00, financed by the Ministerio de Ciencia e Innovación, Ramón y Cajal contract (RYC2021-031958-I), funded by the Spanish Ministerio de Ciencia e Innovación MCIN/AEI/10.13039/501100011033, The European Union “NextGenerationEU/PRTR, ANID/FONDAP/15110019 “Solar Energy Research Center”, SERC-Chile

The alternation between cloudy and clear skies alters the photovoltaic production. This makes it necessary to anticipate these disturbances hours in advance for the correct operation of the electricity distribution plants and networks. In this paper, two short-term forecasting models (3 h) are developed to forecast the photovoltaic production in an integrated plant in the CIESOL building of the University of Almería. The methodology used is based on sky camera images and Artificial Intelligence techniques. Two models have been developed and compared applying artificial neural network (ANN) and support vector machine (SVM) techniques. The global irradiance predicted using sky camera images is used as an input variable in both models. In addition, the operational status of the plants has been included as an input parameter through the performance ratio. The results have shown that the errors made by ANN and SVM are very similar. For all sky conditions, the uncertainty of the production forecast differs by less than 2% from the uncertainty of the solar resource, which is the main source of error in the production models developed., The authors acknowledge the generous financial support provided by CONICYT under the project ANID/FONDAP/15110019 SERC-Chile. Also, the authors want to acknowledge the project MAPV Spain, with reference PID2020-118239RJ-I00, financed by Ministerio de Ciencia e Innovación, and co-financed by the European Regional Development Fund. Finally, authors also acknowledge the Consejería de Transformación Económica, Industria, Conocimiento y Universidades de la Junta de Andalucía within the framework of the FEDER of Andalusia 2014-2020 Project Reference UHU-202031. A. Marzo thanks for the Ramon y Cajal contract (RYC2021-031958-I), funded by the Spanish Ministerio de Ciencia e Innovación MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by the European Union "NextGenerationEU/PRTR. Funding for open access charge: Universidad de Granada / CBUA

Solar energy is one of the most abundant and available forms of renewable energy. Reliance on the electricity network can be decreased and net-zero energy achieved by mounting photovoltaic power on the tops of houses. Photovoltaic arrays can also change how the roof’s surface reacts to its environment. The influence of the structural system of a roof and weather on the energy consumption of a building is important. This research is concerned with focusing on the indirect effect of solar photovoltaic rooftop panels (shading effect) on the roof surface to see whether this effect is worth studying and calculating the total electrical load in the residential sector. Photovoltaic panels were modeled as a shading device, and the Integrated Environmental Solution-Virtual Environment Software was used to anticipate the monthly decline and growth in heating and cooling loads associated with the roof level. The influence of a photovoltaic system on a building’s roof-related energy load was measured concerning low-rise residential buildings in Mafraq city, which belongs to a mild dry-warm temperature zone. The findings indicated that a solar roof structure decreased heat loss by 4.85% in the summer and boosted heat transfer by 5.54% in the winter. The results highlight that renewable energy is very important in our times due to climate change and the increased demand for electricity by the residential sector, which is stimulated to find multiple ways to decrease and adapt to this change, and the aim of this paper helps to encourage to use solar energy by identifying the indirect effect of solar panels on building’s rooftops. This investigation also focuses on the value of offering essential instructions to who is concerned to the utilization of alternative energy to heat and cool structures, also will educate the public on a building’s total energy requirements, which is critical for future green structure design., This work was funded by the Spanish Ministry of Science, Innovation, and Universities under the program “Proyectos de I + D de Generacion de Conocimiento” of the national program for the generation of scientific and technological knowledge and strengthening of the R + D+I system with grant number PGC2018-098813-B-C33 and from UAL-FEDER 2020, Ref. UAL2020-TIC-A2080.

[ES] En el actual proyecto se realiza la automatización y control mediante un software de Siemens, TIA Portal, de la hibridación entre dos plantas, una central hidroeléctrica ya existente en el Polígono Industrial 201 de La Robla y una instalación solar fotovoltaica de nueva construcción. Instalación solar FV que también se dimensiona; cuyo objetivo es evacuar energía a la red eléctrica. Se realiza el programa y la simulación con el software de Siemens al no disponer de elementos físicos. De acorde al concepto de automatización industrial, se crea un sistema SCADA, una pantalla en la que se observan las producciones de energía de ambas plantas. [EN] In the current project, the automation and control of two hybrid plants, an hydraulic power plant based in La Robla and a photovoltaic solar system of new construction, which is also dimensioned, looking back on that the aim of this Project is to evacuate energy to the power grid. The program and simulation is carried out with Siemens software “TIA Portal”, as in this particular case, there are no physical elements. According to the concept of industrial automation, a SCADA system is also included, more specifically a screen in which the energy productions of both plants are observed.

[ES] El presente Trabajo de Fin de Grado busca determinar el tamaño óptimo de un sistema fotovoltaico que apoye energéticamente, bajo el régimen de autoconsumo, a un sistema de regadío proyectado en la provincia de León. Para estimar el consumo eléctrico de dicho sistema se analizan los consumos de otro sistema ya en funcionamiento de características similares. Esta estimación del consumo permitirá simular en el software PVsyst el comportamiento de distintos sistemas fotovoltaicos junto con el sistema de riego en la modalidad de sistema fotovoltaico conectado a red y, con los resultados de estas simulaciones, se calculan los parámetros económicos de la inversión como son el valor actual neto, VAN, la tasa interna de retorno, TIR, o el tiempo de retorno. Con el resultado del VAN se determina el sistema fotovoltaico óptimo ya que será el que maximice dicha variable económica. Finalmente, se analizará el impacto que pueden tener en el resultado variables consideradas en el cálculo del tamaño óptimo como son la implementación de la venta de excedentes, el precio de la electricidad considerado o el modelo de la curva de demanda del usuario.

[ES] En este proyecto abordamos el diseño de un banco urbano dotado de un sistema de calefacción de su superficie, estaciones de carga para dispositivos electrónicos y un sistema lógico que se encarga de controlar el correcto funcionamiento de todos los elementos. Este conjunto de cargas se alimentan en exclusiva por una pequeña instalación solar fotovoltaica aislada constituida por dos paneles solares. A la hora de diseñar todos los sistemas, hemos considerado diversos factores, siendo los más importantes la eficacia y robustez del sistema, la eficiencia energética y la resiliencia del sistema frente a agentes meteorológicos y humanos relacionados con el vandalismo y el uso indebido. El sistema de calefacción de la superficie del banco constituye el mayor consumo eléctrico de la instalación. Lo hemos basado en la tecnología del suelo radiante eléctrico, siendo esta la que mejor se adapta a los factores que hemos mencionado. Las estaciones de carga de dispositivos electrónicos y el sistema lógico también suponen un consumo eléctrico, sin embargo hemos considerado este despreciable por ser muy reducido. El rendimiento de la instalación está directamente relacionado con los valores de radiación solar de los años futuros, sin embargo hemos diseñado la instalación solar para que, en las condiciones de radiación diaria más desfavorables de los últimos diez años, las cargas puedan estar activas al menos cuatro horas diarias. La instalación solar está dotada de baterías con un regulador de carga que permiten al sistema funcionar aislado de la red eléctrica. Las baterías permiten almacenar la energía generada que no se consuma en el momento, y están dimensionadas para permitir a las cargas estar activas al menos esas cuatro horas diarias durante un periodo de cinco días sin la existencia de radiación solar. A su vez, el sistema lógico formado por un microcontrolador y un conjunto de periféricos hace que no sea necesaria la intervención humana para su correcto funcionamiento. De este modo, el sistema está completamente aislado y es autosuficiente. Hemos seleccionado todos los dispositivos necesarios para llevar a cabo el proyecto de tal forma que puedan estar ocultos bajo la superficie de las partes físicas del banco, solventando de esta forma los problemas de vandalismo y de inclemencias meteorológicas, a excepción de las tomas de carga USB, los paneles solares y la interfaz con el usuario del sistema lógico, constituida por una pantalla LCD. El proyecto adquiere así una robustez muy elevada. En último lugar, para llevar a cabo toda la instalación, hemos establecido qué características físicas debe tener el cableado eléctrico. Estas características físicas están relacionadas fundamentalmente con la sección y la longitud, y dependen directamente de la intensidad que circula por cada tramo del mismo, así como las máximas caídas de voltaje permitidas según el reglamento. No hemos diseñado esta instalación para que se encuentre en continúo funcionamiento, si no que aporte a los usuarios tales prestaciones durante el mayor tiempo que la radiación solar lo permita, siendo su labor principal la de actuar como un banco urbano convencional. [EN] In this project we present the design of an urban bench equipped with a surface-heating system, charging stations for electronic devices and a logic system that is responsible for controlling the correct operation of all the elements. This set of loads is fed exclusively by a small isolated photovoltaic solar installation made up of two solar panels. When designing all the systems, we have considered various factors, the most important being the effectiveness and robustness of the system, its energy efficiency and the resilience of the system against weather and human agents related to vandalism and improper use. The heating system of the surface of the bench accounts for the greatest electrical consumption of the installation. We have based it on the technology of electric underfloor heating, since it is the more suitable one for the factors that we have mentioned. The charging stations for electronic devices and the logic system also imply an electrical consumption, however we have considered this to be negligible as it is very low in comparison to the former. The performance of the installation is directly related to the solar radiation values of future years, however, we have designed the solar installation so that, in the most unfavorable daily radiation conditions of the last ten years, the loads can be active at least four hours a day. The solar installation is equipped with batteries with a charge regulator that allow the system to function isolated from the electricity grid. The batteries allow energy generated and not instantly consumed to be stored, and are sized to allow the loads to be active for at least those four hours a day for a period of five days without the existence of solar radiation. In turn, the logic system formed by a microcontroller and a set of peripherals makes human intervention unnecessary for its correct operation. Thus, the system is completely isolated and self-sufficient. We have selected all the necessary devices to carry out the project in such a way that they can be hidden under the surface of the physical parts of the bank, thus solving the problems of vandalism and inclement weather, with the exception of USB charging sockets, the solar panels, and the interface with the user of the logical system, constituted by an LCD screen. The project thus acquires a very high robustness. Finally, to carry out the entire installation, we have established what physical characteristics the electrical wiring must have. These physical characteristics are fundamentally related to their section and length, and depend directly on the intensity that circulates through each section of it, as well as on the maximum voltage drops allowed according to the regulations. We have not designed this facility to be in continuous operation, but to provide users with such benefits for as long as solar radiation allows, its main task being to act as a conventional urban bank.

[ES] El presente Trabajo de Fin de Grado consiste en un estudio de todos los sistemas que componen una subestación eléctrica destinada a la evacuación de energía fotovoltaica. Esto incluye el estudio de la aparamenta eléctrica de alta y media tensión y los sistemas de protección y control, así como el conjunto de servicios auxiliares y resto de equipos pertinentes. En primer lugar, se definen los conceptos más básicos acerca de las subestaciones para determinar los componentes con los que cuenta la instalación a estudiar, procediendo a realizar un análisis de cada uno de los elementos y equipos involucrados. Los equipos estudiados son clasificados según el sistema de la subestación en el que se encuentran. Existen, por lo tanto, sistema de 220 kV, transformador de potencia, sistema de 30 kV, sistema de protección y control y servicios auxiliares. Cada uno de los equipos es estudiado y analizado, explicando las funciones que cumple dentro de la subestación, los elementos que lo componen y las características técnicas con las que cuenta. A lo largo del trabajo se analizan productos de diferentes fabricantes, como son Arteche, ABB, Siemens, SEL, Ge Grid Solutions, A-EBERLE, Gedelsa, Genesal Energy o IMEFY. Finalmente, tras el estudio de todos los componentes que conforman el modelo de subestación, se realiza un ejemplo de configuración del conjunto de equipos estudiado, estableciendo así un modelo práctico de subestación. De esta manera, se pretende mostrar un ejemplo de aplicación de todos los equipos en conjunto, sirviendo dicho modelo como subestación tipo para la finalidad que posee, la de evacuar a red la energía procedente de parques fotovoltaicos.

[ES] La investigación realizada ha constado de dos partes principales: por un lado, diseño de un sistema de seguimiento de la posición solar y orientación, y por otro, diseño de un sistema de doble reflector para captar y concentrar la luz solar en un punto fijo. Para comprobar la idoneidad de los diseños realizados, se ha construido primero un prototipo de panel solar orientable en un eje y se le ha dotado de un sistema de orientación y posicionamiento; cuando se ha comprobado el buen funcionamiento del sistema, se ha construido a mayores un sensor de dirección de luz apto para su uso en exteriores. Una vez comprobado que el sistema de orientación funciona, éste se ha aplicado a un prototipo de concentrador solar de pequeñas dimensiones, el cual es escalable a un tamaño comercial. Analizando los resultados del funcionamiento de los prototipos construidos, se han obtenido conclusiones de cara al diseño de sistemas comerciales capaces de aprovechar de manera útil la energía solar, mejorando los actualmente existentes [EN] The carried out research has consisted of two main parts: on the one hand, the design of a solar position and orientation tracking system, and on the other, the design of a double reflector system to capture and concentrate sunlight at a fixed point. To check the suitability of the designs carried out, a prototype of a solar panel (adjustable on one axis) was first built and it was provided with an orientation and positioning system; when the proper functioning of the system has been verified, a light direction sensor suitable for outdoor use has been built. Once it has been verified that the orientation system works, it has been applied to a prototype of a small solar concentrator, which is scalable to a commercial size. Analyzing the results of the functioning of the built prototypes, conclusions have been obtained with a view to the design of commercial systems capable of taking advantage of solar energy in a useful way, improving the currently existing ones

El objetivo de este trabajo es realizar un estudio para el dimensionamiento y la optimización de un sistema de autoconsumo de electricidad a través de paneles fotovoltaicos en una casa de campo y determinar su rentabilidad económica en la factura de la luz. Actualmente el uso de la vivienda es de tipo ocasional, pero el objetivo de este trabajo es suponer el consumo energético de la vivienda en el caso de ser utilizada como vivienda principal, dimensionar un sistema de autoconsumo de paneles fotovoltaicos que sea capaz de cubrir la demanda energética durante las horas de radiación solar y comprobar si se genera energía en exceso que se pueda verter a la red. Se parten de los datos de consumo energético actual que tiene la vivienda durante el periodo de un año y se va a suponer un consumo adicional de electrodomésticos que actualmente no están instalados en la vivienda. Una vez obtenidos los datos de consumo energético final y los datos de radiación de la zona, se va a calcular y dimensionar una instalación de autogeneración de energía formada por paneles solares para cubrir la demanda energética de la vivienda. Cuando se obtengan los resultados de la capacidad de generación de la instalación real, se va a decidir si el tipo de sistema de autoconsumo a instalar en la vivienda es sin vertido a la red o con vertido y cómo va a influir dicho sistema en la factura eléctrica de la vivienda. También se va a indicar para el tipo de instalación de autoconsumo a instalar, los trámites necesarios para cumplir con la normativa vigente que regula este tipo de instalaciones en España. Por último, se va a realizar un balance económico para calcular qué cantidad de ahorro supone a la familia realizar la instalación del sistema de autoconsumo y también para saber si el proyecto es rentable desde el punto de vista económico Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial Universidad Politécnica de Cartagena

Trabajo de fin de Grado. Grado en Física. Curso académico 2021-2022., [ES]En este Trabajo de Fin de Grado se estudia el funcionamiento de una planta termosolar de concentración de torre central híbrida y con almacenamiento térmico de energía. Para ello, se realiza una simulación con el software TRNSYS, un programa basado en componentes que permite simular sistemas no estacionarios, con procesos transitorios. La planta termosolar simulada está basada en la del proyecto SOLUGAS, un prototipo pionero en tecnología de torre central con ciclo Brayton de alta temperatura. A esta planta se le añade almacenamiento térmico en lecho de rocas (packed bed) cilíndrico y con flujo axial. Se estudian alúmina y cuarcita como materiales en la packed bed. Se utiliza aire como fluido de trabajo en el ciclo termodinámico y como fluido de transferencia de calor. La hibridación se realiza mediante una cámara de combustión, empleando gas natural como combustible. Por otro lado, se compara el funcionamiento de la planta con y sin almacenamiento térmico. Por último, se analiza el efecto del almacenamiento térmico de energía en el rendimiento, el solar share y el consumo de combustible., [EN]This Degree Project is devoted to develop a simulation scheme for a hybrid Central Receiver System (CRS) Concentrated Solar Power (CSP) plant with Thermal Energy Storage (TES). For this purpose, the component-based software TRNSYS is used. The CSP plant is based on the SOLUGAS project’s one, a pioneer CRS prototype operating with high temperature Brayton cycle. For thermal energy storage, a cylindrical packed bed with axial flow is added. Alumina and quarzite are studied as filler materials in the packed bed. Air is the working fluid flowing through the thermodynamic cycle and the Heat Transfer Fluid (HTF). Hybridization is performed using a combustion chamber which employs natural gas as fuel. On the other hand, hybrid CRS plant operation with and without TES is compared. Finally, the effect of TES on efficiency, solar share and fuel consumption is analysed

En una instalación experimental que simula un sistema fotovoltaico integrado en un edificio (BIPV) construido con módulos fotovoltaicos de silicio amorfo, se realizarán medidas de su producción eléctrica en distintas condiciones de irradiancia y temperatura. A partir de los datos obtenidos (especialmente la curva característica corriente-tensión) se extraerán los parámetros principales y se construirá una matriz de potencias que permita comparar su rendimiento con la tecnología de silicio cristalino. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial Universidad Politécnica de Cartagena

Las subestaciones eléctricas son sistemas que permiten modificar principalmente las características de tensión y corriente que definen la potencia transportada por la red conservando a su vez también permiten conservar algunos parámetros, como por ejemplo la frecuencia, dentro de ciertos márgenes. Se entiende además que existe una relación entre las subestaciones y los sistemas que generan y transportan la energía ya sean por su emplazamiento al aire libre o de interior. La definición de cada uno de estos elementos y sus características implicaran distintos costes y/o planteamientos. Si nos referimos a que las subestaciones eléctricas están situadas dentro de edificios y protegidos de situaciones atmosféricas, las distancias serán menores entre los diferentes elementos, pero tendrán un coste mayor. En esta clase de subestaciones los transformadores se colocan en el interior de los edificios. En el caso del emplazamiento al aire libre hay que tener en cuenta que deben soportar las inclemencias atmosféricas, los desgastes mecánicos, y suelen soportar tensiones eléctricas mayores. Comenzaremos este proyecto haciendo una referencia a los distintos elementos principales constitutivos de una subestación, continuaremos ubicando el emplazamiento y sus puntos de conexión y antes de entrar en los distintos cálculos, se describirán los elementos de instalación de la subestación. Finalmente se anexarán los planos realizados para este proyecto. El proyecto se centrará en una planta fotovoltaica ubicada en el término municipal de Fuente Álamo, provincia de Murcia. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial Universidad Politécnica de Cartagena

[ES] Este proyecto desarrolla el diseño de una instalación fotovoltaica solar que suministrará energía eléctrica al Aeropuerto de la Virgen del Camino (León). Se llevará a cabo un estudio exhaustivo realizado para garantizar la viabilidad del proyecto, así como optimizar su ubicación. Para ello, se tienen en cuenta los parámetros aplicables entre los cuales se encuentran: clima, altitud, precipitaciones, geotecnia… El diseño tiene el propósito de conectar la instalación fotovoltaica a la central eléctrica de este aeropuerto, donde se hará el control del consumo propio (que será variable) y el vertido a la red eléctrica. El proyecto también incluye una contextualización del funcionamiento y componentes de los que consta la instalación eléctrica de un aeropuerto civil, así como una base física del funcionamiento de los componentes de una instalación fotovoltaica estándar. Se dimensionará la instalación utilizando componentes que optimicen el sistema y que se sean de una alta calidad, por lo que se les pedirá a los fabricantes los documentos técnicos, especificaciones y de verificación (por ejemplo: el marcado CE). Este es un proyecto innovador donde se busca acercar la generación fotovoltaica a aeropuertos, respetando en todo momento las distancias de seguridad, superficies libres de obstáculos y la compatibilidad con sistemas de navegación y radio ayuda de las torres de control y las aeronaves. Es además un paso importante en la transición verde ya que se reduciría el uso de plantas de generación no verdes, así como, la distribución de electricidad (provocando una reducción de pérdidas en el transporte). Actualmente, no existe normativa europea o española que regule los efectos que pueda tener la instalación de plantas solares fotovoltaicas sobre los aeropuertos. Es por ello que se ha aplicado la normativa OACI (Organización de Aviación Civil Internacional) (Anexo XIV) y las recomendaciones de la FAA (Federal Aviation Administration) que es la autoridad competente en materia de aeronavegabilidad que si requiere y recomienda factores a tener en cuenta a la hora de realizar instalaciones fotovoltaicas cerca de aeropuertos.

[ES] El presente proyecto tiene por objeto documentar toda aquella información necesaria para llevar a cabo la ejecución de una instalación solar fotovoltaica para autoconsumo en una nave industrial destinada a taller mecánico, la cual se ubica en el Polígono Industrial de León. La instalación estará formada por un total de 272 paneles solares fotovoltaicos que suponen una potencia instalada de 100 kW. Teniendo por objeto alcanzar las soluciones óptimas a nivel económico, se ha llevado a cabo un estudio para la reducción de la potencia contratada, un estudio de tarifación con diferentes comercializadoras y un estudio de viabilidad económica del proyecto. Las obras se llevarán a cabo por un total de 11 trabajadores, ascendiendo el presupuesto general del proyecto a 109.576,42€. Con una generación de 147.473 kWh/año, la inversión se recuperará en 5 años 8 meses y 23 días, demostrando su alta rentabilidad.

[EN]Concentrated solar power plants intend to be key in the pool of renewable energy production technologies in the next future because of their versatility and high efficiency. In this work a comparative study between two promising technologies is developed. A central tower receiver surrounded by a heliostat field and a farm of parabolic dishes, both coupled to a hybrid Brayton cycle, are considered. Two power scales are surveyed (between 5 and 20 MW) at three different locations with quite different latitudes (between Sahara desert and medium European latitudes) and meteorological conditions. A modelling scheme developed by our group that allows to obtain the expected thermodynamic and thermo-economic plant records is applied. Key indicators like efficiency, net generated energy, levelized cost of electricity, and specific plant investment are calculated and analysed. Variability of natural gas prices and also land cost uncertainty are reflected on levelized cost of electricity range. Among the plants compared, minimum values are found within the interval [135–163] USD/MWh for central towers at the highest power considered and southern latitudes. In addition, the area needed for the installation of the plants and the influence of CO taxes is also analysed. Displayed cashflows show larger investment costs for central tower than for dish farms. Finally, those systems are put into the context of other concentrated solar power, other renewable, like wind or photovoltaic, and other conventional power plants., PC_TCUE18-20P_010. Universidad de Salamanca and Banco de Santander

Este proyecto tiene como objetivo la combinación de pinturas termocrómicas y paneles fotovoltaicos con el fin de conseguir algún efecto beneficioso para el ser humano. Por un lado, se llevará a cabo un estudio basado en la aplicación de pinturas termocrómicas sobre las áreas no efectivas de los módulos para ver si así se contribuye a la optimización de la eficiencia fotovoltaica. Por otro lado, se llevará a cabo un estudio secundario con el objetivo de mejorar la estética y el confort del lugar en el que se implementen los paneles, reflexionándose acerca del incremento de la estética y sus posibles consecuencias. Por lo tanto, el objetivo de este estudio queda motivado por la ambición de conseguir un avance y contribuir a la comunidad científica. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial Universidad Politécnica de Cartagena

El objetivo del trabajo es la realización del documento técnico del procedimiento de evaluación ambiental necesario para la autorización por el órgano administrativo competente de la instalación de una planta de generación de electricidad de 2890 kW de potencia aprovechando la energía solar. Escuela de Ingeniería de Caminos y Minas Universidad Politécnica de Cartagena

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. En la última década se han alcanzado numerosos acuerdos internacionales en materia ambiental con el objetivo principal de paliar los efectos del cambio climático promoviendo acciones que se dirijan hacia la reducción de emisiones de CO2 a la atmósfera, y la integración de soluciones energéticas renovables en todos los sectores de la sociedad. Entre estos sectores destaca la agricultura como uno de los más susceptible cambiar su modelo energético. En el panorama internacional, el desarrollo del sector agrario, y concretamente la agricultura que se provee de aguas subterráneas para el riego, debe afrontar de manera añadida una serie de retos de cara al futuro. Entre ellos destaca el problema energético, principalmente debido a su fuerte dependencia de los combustibles fósiles afectando finalmente al coste de producción. Sin embargo, no hay que olvidar la dependencia con los recursos hídricos, muy escasos en la franja mediterráneas, y los problemas de emisiones a los que contribuye la agricultura. En la actualidad, algunos organismos y administraciones, como la Unión Europea (UE), están propiciando ese cambio de modelo energético a través de mejoras en los procesos e instalaciones agrícolas, integrando sistemas de energía de carácter renovable por sus beneficios hacia la independencia energética del sector y por su positivo impacto ambiental en cuanto a las emisiones de CO2. De manera más concreta, en el sector de la agricultura por bombeo de aguas subterráneas los sistemas PVWP (Photovoltaic Water Pumping) ya han sido propuestos como alternativa directa como protagonistas de la sustitución de los equipos diésel. Sin embargo, aunque muchos estudios anteriores versan sobre estos sistemas, la mayoría de ellos solamente analizan su integración en zonas rurales remotas de África o Asia, o se centran en aplicaciones agrícolas de pequeño tamaño. Por lo tanto, se observa que, a tenor de los pocos estudios existentes en profundidad (como el de Kelley en al., en 2010), esta transición se está realizando sin el rigor de un análisis académico en profundidad que indague de las configuraciones óptimas o más idóneas para su aplicación en el sector. Este escenario genera algunas cuestiones sobre la eficacia en su aplicación, dimensionamiento o nivel de aprovechamiento de la energía capaz de generar el sistema respecto de la requerida para el bombeo. Por tanto, se destaca la necesidad de un examen exhaustivo de las soluciones energéticas para la agricultura abastecida por el bombeo de aguas subterráneas y la forma óptima de aplicarlas desde un enfoque multidimensional: económico, energético, hídrico, ambiental y social. Este enfoque supone el punto de partida de la presente tesis doctoral y la base de las aportaciones realizadas. Así, la metodología general de la investigación llevada a cabo partió de la recopilación de datos solares e hídricos de dos zonas agrícolas con un evidente problema de sobreexplotación de los recursos hídricos del acuífero: el área de La Mancha (Acuífero 23) en España y la zona de la llanura de Fès-Meknès (Acuífero Saïss) en Marruecos. Posteriormente, se realizó un estudio estadístico de los recursos y se integró un Sistema de Información Geográfica (SIG) con el que analizar geográficamente la distribución de los recursos y su aplicabilidad. Con el fin de considerar otras alternativas y configuraciones en los sistemas de bombeo, más allá de los que el mercado ofrece para los agricultores, se diseñó una red de alternativas a partir de varias opciones, entre ellas: los equipos diésel, los sistemas PVWP aislados y conectados a la red eléctrica, y los sistemas abastecidos solamente por la red eléctrica. A continuación, y con el objetivo de poder evaluar cada alternativa, se caracterizaron desde un punto de vista multidimensional, atendiendo a diferentes criterios dentro de los ámbitos económicos, energéticos, ambientales, hídricos y sociales. Para visualizar los resultados de este proceso de caracterización, se utilizaron gráficas 4D con las que ofrecer una información lo más completa y visual posible. Tras ello, se hizo uso de técnicas de toma de decisiones multicriterio (MCDM), a través de una metodología conjunta AHP-TOPSIS, con la que, a partir de los criterios con los que se evaluaron las alternativas, clasificar en orden de idoneidad la solución que mejor se adaptase a las condiciones del caso de estudio. Este proceso conllevó también una encuesta previa a expertos. Atendiendo a los resultados, esta tesis doctoral ha supuesto una serie de contribuciones relevantes en la integración de soluciones de carácter renovable en el sector de la agricultura de bombeo de aguas subterráneas. Entre ellas destacan: (i) la determinación y el análisis de los principales impactos que afectan al sector desde diferentes puntos de vista; (ii) la caracterización multidimensional de las alternativas energéticas dirigidas al bombeo de aguas subterráneas; (iii) el análisis geográfico con el apoyo de una metodología de información geográfica (GIS) exportable y escalable de los recursos hídricos y solar para la implantación de PVWP; (iv) y finalmente la utilización de un proceso AHP-TOPSIS de toma de decisiones multicriterio (MCDM) para evaluar la idoneidad de las configuraciones y alternativas con el fin de suministrar y cubrir las necesidades energéticas los sistemas de bombeo. Finalmente, una de las contribuciones destaca sobremanera, y es la puesta en relevancia de los sistemas de bombeo cooperativo abastecidos por instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red eléctrica, por sus posibles beneficios económicos al sector y el mayor aprovechamiento de la energía y de la instalación de un examen exhaustivo de las soluciones energéticas para la agricultura abastecida por el bombeo de aguas subterráneas y la forma óptima de aplicarlas desde un enfoque multidimensional: económico, energético, hídrico, ambiental y social. Este enfoque supone el punto de partida de la presente tesis doctoral y la base de las aportaciones realizadas. Así, la metodología general de la investigación llevada a cabo partió de la recopilación de datos solares e hídricos de dos zonas agrícolas con un evidente problema de sobreexplotación de los recursos hídricos del acuífero: el área de La Mancha (Acuífero 23) en España y la zona de la llanura de Fès-Meknès (Acuífero Saïss) en Marruecos. Posteriormente, se realizó un estudio estadístico de los recursos y se integró un Sistema de Información Geográfica (SIG) con el que analizar geográficamente la distribución de los recursos y su aplicabilidad. Con el fin de considerar otras alternativas y configuraciones en los sistemas de bombeo, más allá de los que el mercado ofrece para los agricultores, se diseñó una red de alternativas a partir de varias opciones, entre ellas: los equipos diésel, los sistemas PVWP aislados y conectados a la red eléctrica, y los sistemas abastecidos solamente por la red eléctrica. A continuación, y con el objetivo de poder evaluar cada alternativa, se caracterizaron desde un punto de vista multidimensional, atendiendo a diferentes criterios dentro de los ámbitos económicos, energéticos, ambientales, hídricos y sociales. Para visualizar los resultados de este proceso de caracterización, se utilizaron gráficas 4D con las que ofrecer una información lo más completa y visual posible. Tras ello, se hizo uso de técnicas de toma de decisiones multicriterio (MCDM), a través de una metodología conjunta AHP-TOPSIS, con la que, a partir de los criterios con los que se evaluaron las alternativas, clasificar en orden de idoneidad la solución que mejor se adaptase a las condiciones del caso de estudio. Este proceso conllevó también una encuesta previa a expertos. Atendiendo a los resultados, esta tesis doctoral ha supuesto una serie de contribuciones relevantes en la integración de soluciones de carácter renovable en el sector de la agricultura de bombeo de aguas subterráneas. Entre ellas destacan: (i) la determinación y el análisis de los principales impactos que afectan al sector desde diferentes puntos de vista; (ii) la caracterización multidimensional de las alternativas energéticas dirigidas al bombeo de aguas subterráneas; (iii) el análisis geográfico con el apoyo de una metodología de información geográfica (GIS) exportable y escalable de los recursos hídricos y solar para la implantación de PVWP; (iv) y finalmente la utilización de un proceso AHP-TOPSIS de toma de decisiones. [ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. During the last decade, numerous international environmental agreements have been reached with the main objective of mitigating the climate change effects by promoting actions aimed to reduce CO2 emissions, and integrate renewable energy resource solutions in most sectors of society. Among these sectors, agriculture is susceptible to changing its energy model. From an international point of view, the agricultural sector, and more specifically such agriculture based on groundwater for irrigation, must achieve a set of energy, environmental and economic challenges for the future. Among them, the energy problem emerges as a relevant target, mainly due to the high fossil fuel dependence and its production cost influence. Others aspects, such as the relevant water resource dependence (very scarce in the Mediterranean area), as well as emissions should be also considered and solved. Nowadays, different organizations and administrations, such as the European Union (EU), are promoting a variety of energy model changes through agricultural process and facilities improvements. These solutions are mainly based on the integration of renewable energy systems, due to their potential energy independence benefits their positive environmental impact in terms of emissions. Focused on the groundwater pumping agriculture sector, PVWP (Photovoltaic Water Pumping) systems were proposed in the specific literature as a remarkable alternative to replace current diésel equipment. Nevertheless, most of the reviewed works only analyze their integration in remote rural areas of Africa or Asia, or small agricultural applications. Only a few of papers describe an extensive study (such as Kelley et al., in 2010). Therefore, there is a lack of contributions that address this integration and transition from a multidimensional point of view: economic, energy, environmental, social and hydric management. Moreover, some questions regarding efficiency, sizing or level of use of the energy capable of providing the required pumping power should be analyzed. This scenario thus represents the starting point of this thesis, underlying the developed contributions The proposed methodology of this thesis was based on the solar and water data gathered from two agricultural areas with an over-exploitation problem of the water resources: the aquifer in the region of La Mancha (Aquifer 23) in Spain; and the aquifer in the area of the Fès-Meknès plain (Saïss Aquifer) in Morocco. Subsequently, a statistical study of the resources was carried out and a Geographic Information System (GIS) was integrated into the study, in order to analyze geographically the distribution of resources and their applicability. With the aim of considering other alternatives and pumping system configurations, beyond such solutions commercially offered by the sector, a neural network-based architecture was designed to configure a map of potential alternatives, including: diesel equipment, PVWP isolated and connected to the grid, and systems supplied only by the power systems. These alternatives were then evaluated and characterized from a multidimensional point of view, taking into account different criteria within the economic, energy, environmental, and social fields. A 4D graphical environment was used to make more friendly and easier the characterization and comprehension of the results. Additionally, it was selected a multi-criteria decision-making process (MCDM) based on the classical AHP-TOPSIS methodologies to order the group of identified alternatives. Consequently, these alternatives were classified and prioritize according to their suitability, reliability, benefits and their adaptation to the conditions of each specific case study. This process entailed a preliminary inquiry of experts. From the results, this thesis provides a series of relevant contributions to the integration of renewable energy sources in the groundwater pumping agriculture sector. These contributions include: (i) the determination of the main impacts affecting the sector from a multi-focus analysis; (ii) the multidimensional characterization of energy alternatives aimed at pumping groundwater; (iii) a statistical and geographical analysis with the support of both exportable and scalable GIS methodology for the PVWP implementation and hydric resource management; and (iv) the application of an AHP-TOPSIS decision-making process (MCDM) to evaluate the suitability, reliability and benefits of the different alternatives to supply energy to the pumping systems. Finally, note the relevance of cooperative pumping systems supplied by PV installations connected to grid; mainly due to their potential economic benefits to the sector, their relevant use-of-energy and their high utilization of these renewable installations [FRA] Au cours de la dernière décennie, de nombreux accords environnementaux internationaux ont été conclus avec pour l’objectif principal d'atténuer les effets du changement climatique en promouvant des actions visant à réduire les émissions de CO2 dans l'atmosphère et l'intégration de solutions d'énergie renouvelable dans tous les secteurs de la société. Parmi ces secteurs, l'agriculture est susceptible de changer son modèle énergétique. D'un point de vue international, le développement du secteur agricole, et plus particulièrement l'agriculture basée sur les eaux souterraines pour l'irrigation doit faire face à une serie de défis énergétiques, environnementaux et économiques pour l'avenir. Parmi eux, la problématique énergétique se démarque, principalement en raison de la forte dépendance aux énergies fossiles et de son influence sur les coûts de production. D'autres aspects doivent également être pris en compte et résolus, comme la dépendance à la ressource en eau (très rare en región méditerranéenne), ainsi que les émissions. Actuellement, certaines organisations et administrations, comme l'Union européenne (UE), promeuvent ce changement de modèle énergétique par l'amélioration des processus et des installations agricoles. Ces solutions reposent principalement sur l'intégration de systèmes d'énergie renouvelable, en raison de leur indépendance énergétique potentielle et de leur impact environnemental positif en termes d'émissions. Plus précisément, dans le secteur agricole du pompage des eaux souterraines, les systèmes PVWP (Photovoltaic Water Pumping) ont déjà été proposés comme une alternative directe pour remplacer les équipements diesel. Néanmoins, la plupart des travaux examinés n'analysent que leur intégration dans les zones rurales reculées d'Afrique ou d'Asie, ou les petites applications agricoles. Seuls quelques articles décrivent une étude approfondie (tels que Kelley et al., in 2010). On manque donc de contributions qui abordent cette intégration et cette transition d'un point de vue multidimensionnel: gestion économique, énergétique, environnementale, sociale et hydrique. De plus, certaines questions concernant l'efficacité, le dimensionnement ou le niveau d'utilisation de l'énergie capable de fournir la puissance de pompage requise doivent être analysées. Cette approche est le point de départ de cette thèse de doctorat et la base des contributions apportées. La méthodologie proposée dans cette thèse est basée sur les données solaires et hydriques recueillies dans deux zones agricoles présentant un problème de surexploitation des ressources en eau: l'aquifère de la région de La Mancha (Aquifère 23) en Espagne, et l'aquifère de la región de la plaine de Fès-Meknès (Aquifère de Saïss) au Maroc. Ensuite, une étude statistique des ressources a été réalisée, ainsi qu'une analyse géographique de la distribution des ressources et de leur applicabilité avec un système d'information géographique (SIG). Dans le but d'envisager d'autres alternatives et configurations de systèmes de pompage, au-delà des solutions proposées commercialement par le secteur, un réseau neuronal artificiel a été conçu pour configurer une carte des alternatives potentielles, incluant: équipement diesel, systèmes PVWP isolés et connectés au réseau, et systèmes fournis uniquement par les réseaux électriques. Ces alternatives ont ensuite été évaluées et caractérisées d'un point de vue multidimensionnel, en tenant compte de différents critères dans les domaines économique, énergétique, environnemental et social. Un espace graphique 4D a été utilisé pour visualiser plus facilement la caractérisation et la compréhension des résultats. De plus, un processus d'aide à la decisión multicritères (MCDM) basé sur les méthodologies classiques AHP-TOPSIS a été sélectionné pour classifier le groupe d'alternatives identifiées. Par conséquent, ces alternatives ont été classifiées et hiérarchisées en fonction de leur adéquation, de leur fiabilité, de leurs avantages et de leur adaptation aux conditions de chaque étude de cas spécifique. Ce processus impliquait une enquête préliminaire d'experts. A partir des résultats, cette thèse fournit une série de contributions pertinentes à l'intégration des sources d'énergie renouvelables dans le secteur agricole du pompage des eaux souterraines. Ces contributions comprennent: (i) la détermination des principaux impacts affectant le secteur à partir d'une analyse multi-focus; (ii) la caractérisation multidimensionnelle des alternatives énergétiques visant le pompage des eaux souterraines; (iii) une analyse statistique et géographique avec le soutien d'une méthodologie SIG exportable et évolutive pour la mise en oeuvre des systèmes PVWP et la gestion des ressources hydriques; et (iv) l'application d'un processus d’aide à la décision AHP-TOPSIS (MCDM) pour évaluer l'adéquation, la fiabilité et les avantages des différentes alternatives pour fournir de l'énergie aux systèmes de pompage. Enfin, l'une des contributions plus importantes est la mise en évidence des systèmes de pompage coopératifs alimentés par des installations photovoltaïques connectées au réseau électrique, en raison de leurs avantages économiques potentiels pour le secteur et de la plus grande utilisation de l'énergie et de l'installation. Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Está formada por un total de cuatro artículos: Paper 1 (P01). Rubio-Aliaga, Á., Sánchez-Lozano, J.M., García-Cascales, M. S., Benhamou, M., & Molina-García, A. (2016). GIS based solar resource analysis for irrigation purposes: Rural areas comparison under groundwater scarcity conditions. Solar Energy Materials and Solar Cells, 156, 128-139. http://dx.doi.org/10.1016/j.solmat.2016.06.045 International journal indexed in the Journal Citation Report (Q1 with an Impact Factor of 4.10 in 2016). https://repositorio.upct.es/bitstream/handle/10317/9408/gbs.pdf?sequence=1&isAllowed=y . 2. Paper 2 (P02). Rubio-Aliaga, Á., García-Cascales, M. S., Sánchez-Lozano, J. M., & Molina-García, A. (2019). Multidimensional analysis of groundwater pumping for irrigation purposes: Economic, energy and environmental characterization for PV power plant integration. Renewable Energy, 138, 174-186. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.01.077 International journal indexed in the Journal Citation Report (Q1 with an Impact Factor of 4.90 in 2019). https://repositorio.upct.es/bitstream/handle/10317/9405/mag.pdf?sequence=1&isAllowed=y .3. Paper 3 (P03). Rubio-Aliaga, A., Molina-Garcia, A., Garcia-Cascales, M. S., & Sanchez-Lozano, J. M. (2019). Net-Metering and Self-Consumption Analysis for Direct PV Groundwater Pumping in Agriculture: A Spanish Case Study. Applied Sciences, 9(8), 1646. https://doi.org/10.3390/app9081646 International peer-reviewed open access journal on all aspects of applied natural sciences, MDPI, with an Impact Factor (Scopus 2019 data): 2.474, which is equivalent to the rank 32/91 in " Engineering Multidisciplinary", which is corresponds to Q2. 4. Paper 4 (P04). Rubio-Aliaga, A., García-Cascales, M. S., Sánchez-Lozano, J. M., & Molina-Garcia, A. (2021). MCDM-based multidimensional approach for selection of optimal groundwater pumping systems: Design and case example. Renewable Energy, 163, 213-224. https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.08.079 International journal indexed in the Journal Citation Report (Q1 with an Impact Factor of 6,274 in 2020). https://repositorio.upct.es/bitstream/handle/10317/9404/mbm.pdf?sequence=1 . Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de Cartagena Universidad Politécnica de Cartagena Programa de Doctorado en Energías Renovables y Eficiencia Energética

This research was funded by the State Research Agency (AEI) of Spain and the European Regional Development Funds (ERDF), under project: PID2019-108761RB-I00., The need to tackle the urban heat island effect demands the implementation of cool surfaces as a mitigation strategy. This study comprehensively reviews the evolution of this research field from a materials perspective. It provides a bibliometric analysis of the relevant literature using the SciMAT software processing of bibliographic records from 1995 to 2020, for the evolution of cool surfaces. The results obtained show an increased interest in the field from 2011 to 2020, particularly for roof applications, and present the scientific evolution of reflective materials. According to the materials dimension adopted by the development of the research field, the study is refined from a bibliometric analysis of 982 selected records for the analysis of five themes: (i) Pigments; (ii) Phase change materials; (iii) Retroreflective materials; (iv) Ceramic materials; and (v) Glass. These materials present promising results in terms of their solar reflectance performances in the mitigation of the urban heat island phenomenon. At the end of this review, recommendations for future studies are provided for the creation of economic and environmentally friendly materials based on waste glass recycling. This study represents a valuable contribution that provides a scientific background with regard to cool surfaces from a materials perspective for future investigations., State Research Agency (AEI) of Spain, European Commission PID2019-108761RB-I00

[SPA] El objeto del presente proyecto es el diseño de una fachada o segunda piel fotovoltaica en un edificio público. El trabajo se basará en el análisis del marco normativo actual, un estudio de las posibles soluciones técnicas alternativas de la tecnología actual, la base de diseño con el edificio objeto como referencia buscando la integración arquitectónica, el dimensionamiento de la instalación poniendo especial atención en el estudio económico y la tramitación administrativa en función de la solución adoptada. [ENG] The object of this project is the design of a photovoltaic façade or second skin in a public building. The work will be based on the analysis of the current regulatory framework, a study of the possible alternative technical solutions of the current technology, the design basis with the object building as a reference, seeking architectural integration, the sizing of the installation paying special attention to the economic study and administrative processing depending on the solution adopted. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial Universidad Politécnica de Cartagena

[ES] Tras los resultados publicados acerca de la viabilidad económica de una planta de hidrochar acoplada y sin acoplar a un ciclo de Rankine, se realiza un análisis de la variación de dicha viabilidad al incorporar una estación fotovoltaica teniendo en cuenta diversos escenarios: variación en la potencia instalada, uso de tecnología de ejes fija o móvil, análisis de la sensibilidad al precio de la energía eléctrica, etc. Una vez obtenidos los costes asociados, las subvenciones de los gobiernos competentes y las retribuciones por la venta de la energía producida por la planta fotovoltaica para cada escenario, se analiza su viabilidad en términos de los cambios del Valor Actual Neto (VAN) y de la Tasa Interna de Retorno (TIR). Los resultados para los escenarios propuestos para la planta de hidrochar sin acoplar a ciclo de Rankine mantienen la viabilidad del proyecto inicial, pero en el caso de la planta de hidrochar acoplada a ciclo de Rankine, la mejora en la TIR indica que el proyecto, inicialmente no viable se vuelve económicamente interesante, mostrando una opción factible para la producción de energía eléctrica a partir de energías renovables.

[ES] En el presente estudio, se analiza el impacto en términos económicos que supondría el hecho de implantar una instalación fotovoltaica para autoconsumo en el edificio de la Facultad de Veterinaria de la Universidad de León. Además, se propone la incorporación de un sistema de acumulación de energía eléctrica que, acompañado de una instalación de recarga de vehículos eléctricos, permitirá al edificio tener un mayor control sobre su demanda energética, mejorando significativamente la eficiencia energética del mismo. Mediante la descripción que se realiza en la memoria, los cálculos justificativos y los planos de las instalaciones propuestas en este proyecto, se pretende que este documento sirva de guía para la ejecución de las mismas, según las especificaciones que se recogen en el pliego de condiciones técnicas y teniendo presente las medidas de prevención de riesgos que marca el estudio básico de seguridad y salud.

Global solar irradiation is an important variable that can be used to determine the suitability of an area to install solar systems; nevertheless, due to the limitations of requiring measurement stations around the entire world, it can be correlated with different meteorological parameters. To confront this issue, different locations in Rias Baixas (Autonomous Community of Galicia, Spain) and combinations of parameters (month and average temperature, among others) were used to develop various machine learning models (random forest -RF-, support vector machine -SVM- and artificial neural network -ANN-). These three approaches were used to model and predict (one month ahead) monthly global solar irradiation using the data from six measurement stations. Afterwards, these models were applied to seven different measurement stations to check if the knowledge acquired could be extrapolated to other locations. In general, the ANN models offered the best results for the development and testing phases of the model, as well as for the phase of knowledge extrapolation to other locations. In this sense, the selected ANNs obtained a mean absolute percentage error (MAPE) value between 3.9 and 13.8% for the model development and an overall MAPE between 4.1 and 12.5% for the other seven locations. ANNs can be a capable tool for modelling and predicting monthly global solar irradiation in areas where data are available and for extrapolating this knowledge to nearby areas.