Tesis doctorales DIEC - IEKS Doktoretza tesiak
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Publication Embargo Control grid-forming de turbinas eólicas basadas en generadores asíncronos doblemente alimentados(2025) Oraa Iribarren, Iker; López Taberna, Jesús; Samanes Pascual, Javier; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektriko eta Elektronikoaren eta Komunikazio IngeniaritzarenEl gran crecimiento de las energías renovables dibuja en el futuro cercano un escenario en el que las redes eléctricas pasarán a estar dominadas por fuentes de generación renovable, como la eólica. En este contexto, las estrategias de control grid-forming se presentan como una solución prometedora para que estas fuentes, conectadas a la red mediante convertidores de potencia, puedan suplir los servicios que tradicionalmente han sido proporcionados por los generadores síncronos de las grandes centrales convencionales. Las estrategias de control grid-forming desarrolladas hasta la fecha se han aplicado principalmente en sistemas fotovoltaicos y eólicos de tipo full-converter (FC). En estos sistemas se ha estudiado la implementación de estructuras de control tanto sin lazos internos como con lazos internos, y diversos estudios han concluido que las estructuras sin lazos internos pueden ofrecer ventajas en términos de estabilidad y dinámica. También se han propuesto estrategias de control grid-forming para turbinas eólicas basadas en generadores asíncronos doblemente alimentados (DFIG), estructura predominante en los parques eólicos onshore. Sin embargo, la aplicación de estructuras de control sin lazos internos aún no ha sido explorada en estos sistemas. Por ello, el objetivo de esta tesis es evaluar si las estrategias de control sin lazos internos son igualmente aplicables en aerogeneradores DFIG y si pueden ofrecer beneficios frente a las estructuras con lazos internos propuestas en la literatura. Para ello, se han abordado las siguientes líneas de trabajo: 1. Obtención de un modelo lineal que permita caracterizar la respuesta dinámica completa de los aerogeneradores DFIG controlados en modo grid-forming. 2. Diseño de una estrategia de control grid-forming sin lazos internos que garantice la estabilidad del sistema, asegure la protección del convertidor frente a sobrecorrientes y cumpla con los códigos de red. 3. Evaluación de los potenciales beneficios de la estrategia de control diseñada, en comparación con las estrategias de control grid-forming propuestas en la literatura para aerogeneradores DFIG.Publication Embargo Desarrollo de plataformas fotónicas sensoras para la detección de biomarcadores(2025) Benítez Pérez, Melanys; Matías Maestro, Ignacio; Socorro Leránoz, Abián Bentor; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektriko eta Elektronikoaren eta Komunikazio Ingeniaritzaren; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate PublikoaEsta tesis ha contribuido al desarrollo de biosensores basados en Resonancias de Modos con Pérdidas (Lossy Mode Resonance, LMR) al proponer la transición en el uso de fibra óptica a sustratos planos, destacando su simplicidad, bajo coste y gran versatilidad. Se presenta el desarrollo de una plataforma microfluídica basada en LMR en guía de onda plana y su aplicación en la detección de biomarcadores como anti-IgG, gliadina, antigliadina, VEGF e IL-6. Se comprueba el desempeño de los biosensores al utilizar tres estructuras de nanorecubrimientos—TiO₂, SiO₂+TiO₂ y Au+TiO₂—las cuales han probado su utilidad en la generación de LMRs y en la mejora de sus propiedades. Se emplean nanopartículas de oro, por primera vez, para amplificar la señal de los LMRs, logrando una mejora significativa en la sensibilidad. Los resultados obtenidos demuestran la versatilidad y eficacia del sistema propuesto y confirman que la plataforma microfluídica y el diseño basado en sustratos planos constituyen una base sólida para el desarrollo de dispositivos LMR adaptables a una amplia variedad de aplicaciones en áreas como la medicina, la biotecnología o la industria alimentaria.Publication Open Access Contributions of artificial intelligence based image processing techniques to Multiparametric Magnetic Resonance Thoracoabdominal Imaging(2025) Oyarzun Domeño, Anne; Villanueva Larre, Arantxa; Fernández Seara, María A.; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektriko eta Elektronikoaren eta Komunikazio IngeniaritzarenEsta Tesis se centra en el desarrollo de un marco de procesado de imagen basado en aprendizaje profundo, específicamente diseñado para imágenes de tipo arterial spin labeling (ASL), cuyo carácter no invasivo resulta esencial para el estudio de perfusión en pacientes. Se ha abordado la falta de métodos de aprendizaje profundo dedicados al procesado de imágenes ASL, específicamente en imágenes renales y se ha demostrado la capacidad de dicho marco de adaptarse a otros dominios, como la imagen médica miocárdica. Los avances clave que aporta esta Tesis incluyen la implementación de técnicas de registro de imágenes, segmentación y generación de bases de datos sintéticos. Se ha introducido una adaptación de la arquitectura VoxelMorph para el registro de imágenes ASL en riñones. Además, se ha desarrollado un método de segmentación automática para riñones, corteza y médula, optimizando la estimación de la perfusión renal. Por otro lado, a través del uso de datos sintéticos generados mediante la arquitectura CycleGAN, se ha demostrado que los modelos entrenados con imágenes sintéticas pueden superar a aquellos entrenados con datos reales, enfatizando el valor de los datos sintéticos en la mejora de los modelos de segmentación y en la barrera que supone la escasez y privacidad de los datos clínicos. Asimismo, el marco de procesado de imagen desarrollado ha establecido un sistema totalmente automatizado para estimar los valores de perfusión renal. Para asegurar la adaptabilidad a otros dominios clínicos, se han explorado imágenes ASL de miocardio, y se ha presentado un método automático para la segmentación del miocardio en ASL, que proporciona una estimación del flujo sanguíneo miocárdico. En general, esta Tesis contribuye significativamente al campo de la imagen médica al abordar desafíos clave en el procesamiento de imágenes ASL en riñón y miocardio a través de técnicas basadas en aprendizaje profundo, mejorando las capacidades diagnósticas y sentando las bases para futuros avances en técnicas de imagen médica no invasiva.Publication Open Access Contribuciones al desarrollo de sensores fotónicos para detección de gases(2025) Gallego Martínez, Elieser Ernesto; Ruiz Zamarreño, Carlos; Matías Maestro, Ignacio; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektriko eta Elektronikoaren eta Komunikazio Ingeniaritzaren; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate PublikoaLos sensores ópticos basados en resonancias han tenido un papel protagónico en el desarrollo de diversas tecnologías, especialmente aquellos basados en modos con pérdidas en los últimos quince años. Una de sus aplicaciones con mayor auge es la detección de gases. En esta tesis se presentan los resultados obtenidos en el desarrollo de sensores ópticos basados en resonancias para la detección de gases. Se aborda el estado del arte de las tecnologías de sensores basados en resonancias, incluyendo los SPR (Surface Plasmon Resonance, resonancia de plasmón de superficie) y LMR (Lossy Mode Resonance, resonancia de modos con pérdidas) en la detección de gases y compuestos volátiles orgánicos. Los esfuerzos se centran en aspectos fundamentales como: el empleo de sustratos que permitan la fabricación de sensores basados en resonancias LMR y HMR (Hyperbolic Mode Resonance, resonancia de modo hiperbólico) en longitudes de onda lo más largas posible en la región infrarroja empleando materiales como el calcio fluorado (CaF2), y la aplicación de técnicas de inteligencia artificial para mejorar el rendimiento de estos sensores y hacer posible la detección de múltiples gases.Publication Embargo Evaluación del comportamiento energético en condiciones reales de operación de las principales tecnologías fotovoltaicas presentes actualmente en el mercado(2025) Guerra Menjívar, Moisés Roberto; Parra Laita, Íñigo de la; García Solano, Miguel; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektriko eta Elektronikoaren eta Komunikazio IngeniaritzarenEl objetivo general de esta tesis es contribuir al conocimiento del comportamiento en campo de las diferentes tecnologías fotovoltaicas presentes hoy en día en el mercado. Se pretende, de esta manera, comprobar si las expectativas generadas sobre dichas tecnologías, tanto por los fabricantes como por los estudios disponibles en el estado del arte, se corresponden con la realidad observada en las instalaciones comerciales. Para ello, se llevará a cabo una evaluación detallada de diferentes tecnologías, comparando su comportamiento con el de los tradicionales módulos de silicio policristalino Al-BSF, que durante muchos años han dominado el mercado FV. Para alcanzar este objetivo, se dispone de un completo observatorio fotovoltaico formado por generadores de diferentes tecnologías, cuyas condiciones de trabajo reproducen las condiciones que se darían en instalaciones comerciales. Estos generadores se han dotado de un completo sistema de monitorización que permite medir las principales variables eléctricas de los generadores, así como las condiciones ambientales y de operación en las que se encuentran trabajando los mismos. En el capítulo 2 de la tesis se presenta una descripción detallada de dicho observatorio. A partir tanto de los datos registrados como de campañas de medida adicionales realizadas sobre los generadores, se verificará, en primer lugar, la adhesión de los valores medidos de potencia en condiciones estándar a los facilitados por el fabricante en sus hojas de características. Posteriormente se evaluarán aspectos como el comportamiento frente a la temperatura de las distintas tecnologías, su comportamiento a bajas irradiancias, su degradación a lo largo del tiempo y finalmente la influencia total de todos estos aspectos en la producción energética de cada tecnología a lo largo de varios años. Para ello, en esta tesis se prestará especial atención al desarrollo de procedimientos de medida que permitan conseguir un bajo grado de incertidumbre en la comparativa entre tecnologías. Con base a lo comentado anteriormente, en el capítulo 3 se evaluará el comportamiento energético de módulos fotovoltaicos fabricados con silicio de grado metalúrgico mejorado (UMG-Si), intentado determinar si esta es realmente una alternativa viable al polisilicio empleado en la fabricación de módulos. En el capítulo 4 se presentan los resultados de un análisis realizado sobre el comportamiento energético de distintos módulos de capa fina (a-Si/μc-Si, CdTe, CIS y CIGS), identificando los principales factores que influyen en las diferencias de producción entre ellas. Finalmente, en el capítulo 5 se analiza las ganancias bifaciales obtenidas a lo largo de dos años con módulos bifaciales de tecnología PERC tipo p en un entorno desértico como el de Atacama, Chile. En este capítulo se evalúa, asimismo, la posible diferencia en la ganancia energética que se puede obtener si se utilizan seguidores especialmente diseñados para albergar módulos bifaciales en lugar de utilizar seguidores convencionales.Publication Embargo Estudio y fabricación de sistemas de análisis óptico de alta eficiencia y amplio espectro para aplicaciones agroalimentarias: inteligencia artificial y espectroscopia óptica aplicada en el sector agroalimentario(2024) Gracia Moisés, Ander; Ruiz Zamarreño, Carlos; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Gobierno de Navarra / Nafarroako GobernuaLa industria agroalimentaria atraviesa una etapa de creciente énfasis en asegurar la calidad y seguridad de los productos alimenticios, así como de optimización de los procesos de producción y reducción o reutilización de los productos de desecho, haciendo necesaria una caracterización analítica exhaustiva de los alimentos, junto con la utilización de técnicas de detección en línea. Esta tesis busca contribuir al desarrollo de dispositivos que, combinando dos técnicas distintas como la espectroscopia óptica—especialmente en los rangos ultravioleta, visible e infrarrojo cercano—y técnicas de Machine Learning y Deep Learning, sean capaces de evaluar, validar y solucionar los desafíos planteados por la industria agroalimentaria. Se desarrollan dos líneas de investigación. La primera aborda problemas específicos propuestos por la industria agroalimentaria en distintos sectores y con diferentes materias primas, abarcando desde forrajes para la alimentación animal, la detección de perturbaciones en tuberías, hasta la identificación de posibles adulteraciones en el aceite de oliva virgen extra que puedan ocurrir en las plantas de embotellado. La segunda línea de investigación se centra en uno de los principales desafíos al trabajar con modelos de inteligencia artificial y datos espectroscópicos: la falta de datos. Se propone la utilización de modelos generativos adversarios (GANs) para aumentar de manera rápida, sencilla y económica los conjuntos de datos, mejorando así el rendimiento de los modelos desarrollados.Publication Open Access Ultra low-frequency energy harvester for SHM sensors in wind turbines(2024) Castellano Aldave, Jesús Carlos; Carlosena García, Alfonso; López Martín, Antonio; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektriko eta Elektronikoaren eta Komunikazio IngeniaritzarenEn este proyecto de tesis multidisciplinar, proponemos el diseño completo, la implementación y la caracterización experimental de una familia de dispositivos de captación de energía residual para alimentar nodos sensores autónomos que monitorizan la salud estructural de los aerogeneradores. Presentamos soluciones innovadoras para aprovechar la energía de las vibraciones inherentes a estas estructuras y convertirlas posteriormente en energía eléctrica utilizable. Para ello se utilizan elementos mecánicos que captan el movimiento vibratorio, componentes electromagnéticos para su transducción a energía eléctrica aprovechable así como circuitos electrónicos para el acondicionamiento de la señal. Las especificaciones propuestas incluyen la funcionalidad con excitaciones en cualquier dirección del plano horizontal, pequeñas aceleraciones por debajo de 0, 1 g y frecuencias muy bajas por debajo de 1Hz. Los dispositivos deben ser compactos para facilitar su manejo y colocación. Para predecir con exactitud el funcionamiento en condiciones de excitación arbitrarias, hemos desarrollado dos modelos matemáticos de interacción electromecánica. El primero es un modelo físico basado en ecuaciones diferenciales que describen el movimiento mecánico bajo las excitaciones previstas y la interacción elástica en términos de un modelo magnético dipolar. La amortiguación se supone viscosa y los parámetros básicos del modelo se ajustan empíricamente. El segundo enfoque de modelización se basa en datos y considera la interacción electromagnética entre imanes y bobinas en movimiento. La amortiguación se modela con mayor precisión distinguiendo entre amortiguación por fricción y electromagnética. Para evaluar los parámetros asociados junto con otros parámetros no físicos en juego, se presenta un procedimiento de identificación. Ha sido necesario diseñar e implementar un montaje experimental ad-hoc, descrito en la tesis, capaz de medir todas las magnitudes necesarias para una correcta identificación. Dadas las particularidades de los captadores de baja frecuencia propuestos, se necesitan soluciones específicas para convertir la energía eléctrica generada en corriente continua utilizable por los nodos sensores. Presentamos dos novedosos elevadores/convertidores AC-DC capaces de operar con tensiones de entrada muy bajas (decenas de milivoltios) y con cualquier polaridad. Se basan en osciladores clásicos modificados para adaptarse a la aplicación. Los harvesters descritos en esta tesis se han caracterizado a fondo experimentalmente en el laboratorio y uno de ellos se está probando sobre el terreno en la góndola de un aerogenerador. Un análisis comparativo de nuestros harvesters con respecto a los pocos que trabajan en condiciones similares, revela un comportamiento muy competitivo. Sin embargo, la potencia generada en la prueba de campo es demasiado baja para alcanzar el objetivo de alimentar un nodo sensor.Publication Embargo Intelligent evaluation of quality of experience in interactive cloud services(2024) Arellano Usón, Jesús; Magaña Lizarrondo, Eduardo; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektriko eta Elektronikoaren eta Komunikazio Ingeniaritzaren; Universidad Pública de Navarra/Nafarroako Unibertsitate PublikoaEsta tesis doctoral se centra en las Aplicaciones Interactivas Basadas en la Nube (CIAs), también conocidas como Aplicaciones Interactivas Distribuidas Basadas en la Nube (CDIAs) o Aplicaciones Interactivas en Tiempo Real (RIAs). Las CIAs, que requieren respuestas en tiempo real a las interacciones de los usuarios, incluyen servicios de escritorio remoto, servicios de juegos en la nube y aplicaciones web interactivas. La calidad de experiencia (QoE), definida por la ITU-T como la aceptabilidad general de una aplicación o servicio percibida por el usuario, es crucial para las CIAs, donde el tiempo de interactividad —el periodo entre la interacción del usuario y la respuesta gráfica— es una métrica clave. La pandemia de COVID-19 aceleró la transición al trabajo remoto, aumentando la dependencia de las CIAs para tareas que van desde la ofimática hasta labores para las que se requieren escritorios remotos. Este cambio subraya la importancia de una monitorización precisa de la QoE para garantizar la productividad y la satisfacción del usuario. En la presente tesis evaluamos las propuestas actuales para la cuantificación de QoE en entornos CIAs, identificando etapas y métricas comunes. Presentamos la herramienta TeCLA, desarrollada para abordar las limitaciones de las metodologías previas de evaluación de QoE. Gracias al despliegue de TeCLA en escenarios reales, la tesis recopila datos para evaluar su efectividad en comparación con los métodos tradicionales, particularmente el uso del Round Trip Time como aproximación del tiempo de interactividad. Los hallazgos respaldan la idoneidad de la metodología propuesta para medir la QoE en entornos empresariales CIA. La tesis valida este enfoque mediante su implementación en un entorno corporativo, ofreciendo un sistema pionero para la detección de anomalías utilizando redes neuronales LSTM. Basándonos en el desarrollo previo de TeCLA, proponemos su evolución, TeCLAe, una herramienta mejorada que captura métricas tanto en el cliente ligero como en el servidor remoto gracias a una configuración de doble agente. TeCLAe proporciona información detallada sobre el comportamiento de la infraestructura y el rendimiento de las aplicaciones, esencial para diagnosticar posibles elementos problemáticos de la infraestructura en despliegues CIAs que pueden degradar la QoE de los usuarios. Gracias al trabajo realizado, se proporciona un marco integral para medir y mejorar la QoE en CIAs, crucial para la creciente adopción de soluciones de trabajo remoto. Las herramientas y metodologías propuestas permiten un monitoreo preciso de la QoE y la detección proactiva de problemas, mejorando la experiencia del usuario, la productividad y la escalabilidad de las aplicaciones interactivas basadas en la nube.Publication Embargo Microwave and millimeter-wave components aiming for an easy fabrication(2023) Sami, Abdul; Gómez Laso, Miguel Ángel; Arregui Padilla, Iván; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektriko eta Elektronikoaren eta Komunikazio IngeniaritzarenThis Thesis is intended to develop various novel design techniques to design low-pass and band-pass waveguide filters based on stepped-impedance commensurate lines for various satellite applications. The main objectives of the thesis are to design waveguide filters which are more robust against fabrication errors, with high electrical performance, reduced size and capable of high-power operations. Keeping in mind the objectives of the thesis, the inherent low-pass response of the commensurate line waveguide sections is utilized to design a low-pass filter with meandered topology employing E-plane mitered bends with constant widths to achieve a very compact design for Ku-band but with large mechanical gaps to make the filter design capable for high power operations. The high-power handling capabilities are demonstrated with SPARK3D at various frequencies between 10.7 GHz to 11.7 GHz in the passband in the pass-band. The estimated minimum input threshold power is 20 kW at the highest frequency of the passband. Also, the critical areas inside the filter structures are also identified which are considered to be more prone to multipactor discharge to identify the key design parameters for enhancing the power handling capabilities.Publication Open Access Desarrollo y validación de novedosos sistemas para el análisis de fibras textiles basados en inteligencia artificial: aportes tecnológicos para la evaluación de fibras textiles(2024) Quispe Bonilla, Max David; Serrano Arriezu, Luis Javier; Trigo Vilaseca, Jesús Daniel; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektriko eta Elektronikoaren eta Komunikazio IngeniaritzarenLas fibras de origen animal presentan características que determinan su calidad, precio y confortabilidad, siendo el diámetro y el tipo de medulación especialmente importantes. Considerándose las fibras meduladas un problema para la industria textil, ya que aumenta la sensación de picazón en la piel y la heterogeneidad de los tejidos, conllevando a una disminución de la calidad de la fibra, por lo que, disponer de instrumentos prácticos para identificarlas es muy esencial. Por otro lado, algunas fibras dependiendo de la especie de la que provienen, son considerablemente más económicas que otras. De ahí la existencia de productos falsificados, lo cual perjudica tanto a los productores legítimos como a los consumidores. La espectroscopía de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) puede extraer una forma de onda característica de las fibras que posteriormente se puede utilizar para su clasificación. Sin embargo, la inspección visual de tales formas de onda es imprecisa. Paralelamente, la Inteligencia Artificial (IA) es un campo emergente que podría ser útil en esta área de estudio, ofreciendo nuevas posibilidades y avances significativos. Por ello, el primer objetivo de esta tesis fue desarrollar y validar un novedoso sistema automático (denominado S-Fiber Med) para la evaluación de la medulación y el diámetro de las fibras animales basado en inteligencia artificial, y el segundo objetivo, fue desarrollar y validar dos modelos de aprendizaje automático (machine learning), denominados, Redes Neuronales Profundas (DNN, del inglés Deep Neural Network ) y Máquina de Vectores de Soporte (SVM, del inglés Support Vector Machine), para clasificar espectros de fibras por especie. Para el primer objetivo, se evaluó la medulación de 88 muestras de fibras de alpaca, llama y mohair (41, 43 y 4 muestras, respectivamente). Además, se consideraron 269 muestras de alpacas para la media de diámetro de fibra (MDF) y los resultados se compararon con los métodos Portable Fiber Tester (PFT) y Optical Fibre Diameter Analyser (OFDA) (72 y 197 muestras, respectivamente). Para el segundo objetivo, se adquirió espectros de fibras utilizando un espectrómetro FTIR en modo de Reflectancia Total Atenuada (FTIR-ATR). Se evaluaron muestras de camélidos (alpaca: n = 51, llama: n = 50, vicuña: n = 50) y cabra (mohair: n = 35 y cachemira: n = 20), de las cuales se obtuvieron 1,236 espectros FTIR-ATR. Los resultados de nuestro primer objetivo indican que no hubo una diferencia significativa entre el porcentaje de medulación obtenido con el microscopio de proyección y el S-Fiber Med. El análisis de correlación de Pearson y Concordancia muestran una relación fuerte, alta y significativa (valor p < 0.001). Las MDF de las muestras de fibras de alpaca y llama obtenidos con los dos métodos son muy similares, ya que no se encontró una diferencia significativa para la Prueba t (valor p > 0.172), y tienen una relación fuerte, alta y significativa entre ellos, dado el alto valor de correlación de Pearson (r ≥ 0.96 con valor p < 0.001), alto coeficiente de Concordancia y factor de corrección de sesgo. Se encontraron resultados similares al comparar el PFT y el OFDA100 con el S-Fiber Med. Mientras que en los resultados de nuestro segundo objetivo se observaron algunas diferencias visuales entre los espectros de las diferentes especies. Al evaluar los modelos DNN y SVM se obtuvieron precisiones de 96.75% y 95.12%, respectivamente. Además, se obtuvo una precisión del 97.8% al evaluar los espectros FTIR-ATR de fibras de Camélidos Sudamericanos (CSA) con DNN, y 97.2% al evaluarlos con SVM. Se logró una precisión del 100% al evaluar los espectros FTIR-ATR de fibras de vicuña con ambos modelos. No se encontraron diferencias significativas (valor de p = 0.368) al comparar el número de aciertos frente al número total de fibras de alpaca, llama, vicuña, mohair y cachemira utilizando DNN. Según los resultados, parece ser que las DNN son más precisas que las SVM. En conclusión, se obtuvo un novedoso sistema que proporciona medidas de la medulación y la MDF de forma rápida (40 segundos/muestra), precisa, exacta y automática. Y por otro lado, las técnicas de espectrometría FTIR-ATR combinadas con modelos de aprendizaje automático son una alternativa confiable para la identificación de CSA y cabras a través del espectro de sus fibras.Publication Open Access ZnO based, piezotronic optical fiber sensors for tracing volatile organic compounds(IEEE, 2023-09-04) López Torres, Diego; Elosúa Aguado, César; Pappas, Georgios A.; Konstantaki, Maria; Klini, Argyro; Lappas, Alexandros; Arregui San Martín, Francisco Javier; Pissadakis, Stavros; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoa eta Telekomunikazio IngeniaritzaThe detection of volatile organic compounds (VOCs) is a major market and research domain, where optical sensing technologies have shown promising advances. Accordingly, ZnO has been extensively used as a transduction material in the sensing of VOCs in the vapour phase, while employing both resistive and optical detection methodologies. ZnO also exhibits significant piezoelectric properties, which in turn have been recently used in the development of piezotronic self-powered, sensing and actuating devices.Publication Open Access Optimization of fiber optic biosensors based on lossy mode resonances(2024) Santano Rivero, Desiree; Del Villar, Ignacio; Socorro Leránoz, Abián Bentor; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektriko eta Elektronikoaren eta Komunikazio Ingeniaritzaren; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate PublikoaEste trabajo de tesis se centra en el desarrollo y la optimización de biosensores de fibra óptica basados en resonancia de modos con pérdidas (lossy mode resonances, LMR). Tras un análisis exhaustivo de la situación actual, donde se describen y comparan los diferentes tipos de biosensores de fibra óptica entre sí en base a parámetros como sensibilidad, FoM, FMHW y LoD, se desarrollaron diferentes biosensores basados en LMR. Se trabajó con tres estructuras ópticas diferentes: multimodo sin nucleo multimodo o multimode coreless multimode (MCM), fibra de 200 μm sin cladding y fibra tipo D. En ellas se generaron LMRs a través de dos técnicas de deposición de películas delgadas, oxido de estaño mediante sputtering y TiO2/PSS mediante layer by layer sefl asembly. Se demostró la viabilidad de los biosensores basados en LMR desarrollados con las diferentes estructuras de fibra óptica. Con ellos, se pudo detectar biomarcadores de importancia clínica como el biomarcador del Alzheimer proteína Tau o biomarcadores de gravedad durante la infección Covid19: las proteínas C reactiva y dímero D. Además, estas estructuras han permitido implementar optimizaciones sobre biosensores de fibra óptica como el desarrollo de biosensores reutilizables, regenerables y multiparamétricos.Publication Open Access Gain and loss in quantum optical systems(2024) Hernández Martínez, Osmery; Liberal Olleta, Íñigo; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektriko eta Elektronikoaren eta Komunikazio IngeniaritzarenLas pérdidas solían considerarse una némesis en la óptica, que siempre debía evitarse o compensarse. En cambio, la ganancia supondría un recurso valioso, permitiendo mitigar las pérdidas y aumentar la potencia de la señal. Sin embargo, la investigación ha difuminado dichos límites, demostrando que el papel de ambas no puede catalogarse simplemente de esta manera. Por ejemplo, las pérdidas dan acceso a efectos no lineales en dispositivos lineales, y la ganancia lineal introduce ruido adicional en un sistema cuántico. Es indiscutible que sus roles en la óptica cuántica no pueden ignorarse, y este es el camino que sigue esta tesis doctoral. En primer lugar, se presenta un método general para calcular las relaciones entrada-salida en cualquier dispositivo lineal con pérdidas de N puertos. El método, basado en la descomposición en valores singulares (SVD, por sus siglas en inglés), permite analizar la interferencia cuántica en el dispositivo y, al mismo tiempo, proporciona una imagen intuitiva de su principio de funcionamiento clásico. La aplicabilidad del método se demuestra aplicándolo al análisis diferentes dispositivos recíprocos y no recíprocos. En particular, el uso de este procedimiento basado en SVD para analizar la interferencia cuántica en un divisor de potencia Wilkinson (WPD, por sus siglas en inglés) revela fenómenos interesantes en el dispositivo. Se demuestra teóricamente que los WPDs dan acceso a transformaciones de estado cuántico de absorción coherente perfecta (CPA, por sus siglas en inglés) en redes CPA de dimensiones reducidas y un menor número de elementos, lo que podría contribuir a disminuir el tamaño y la complejidad en redes ópticas. Además, simulaciones numéricas realizadas sugieren que los WPD pueden diseñarse en una plataforma de silicio sobre aislante aprovechando las pérdidas radiativas. También se investigan sistemas ópticos balanceados con ganancia y pérdidas. En particular, se propone un método que identica los modos propios cuánticos fotónicos de la evolución espacial en guías de onda acopladas ganancia-pérdida, indicando que las estadísticas asociadas podrían medirse utilizando técnicas estándares de detección. De este modo, se estudia la generación de ruido en diferentes guías de onda acopladas, enfatizando su relación con la naturaleza lineal o no lineal del mecanismo de ganancia/pérdida. La existencia de puntos de transición de fase en la estructura de los valores/vectores propios, la posibilidad de que mecanismos de ganancia y pérdida de distinta naturaleza se compensen entre sí, y las propiedades no triviales de las uctuaciones del sistema son algunos de los resultados del estudio presentado, contribuyendo así a una mejor comprensión de los sistemas cuánticos no hermitianos. Por último, pero no por ello menos importante, se presentan resultados relevantes asociados a la teoría de la dispersión. El teorema óptico generalizado se utiliza para derivar los límites superiores de la sección transversal de retrodispersión con polarización cruzada de sistemas integrados con un plano de masa. Además, se identifican estrategias viables para diseñar estos retrodispersores basados en sistemas de dispersión altamente directivos.Publication Embargo Control strategies for high-power wind turbines with selective harmonic mitigation pulse-width modulation(2024) Rosado Galparsoro, Leyre; Gubía Villabona, Eugenio; Samanes Pascual, Javier; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio IngeniaritzarenCon el fin de reducir el coste de la energía eólica marina, la potencia nominal de los aerogeneradores marinos ha aumentado en los últimos años, alcanzando el rango de 10 a 15 MW. Para alcanzar potencias tan elevadas, los aerogeneradores se conectan a la red de media tensión mediante convertidores NPC de tres niveles con IGBTs de alta tensión, que funcionan con frecuencias de conmutación bajas para reducir las pérdidas de conmutación. Para cumplir el requisito de emisión de armónicos cuando se utilizan estos convertidores de media tensión, la técnica de modulación por ancho de pulso para la mitigación selectiva de armónicos (SHMPWM, por sus siglas en inglés) es una alternativa interesante, ya que permite reducir el tamaño del filtro de armónicos a la vez que se trabaja con frecuencias de conmutación bajas. Sin embargo, su combinación con estrategias clásicas de control lineal limita la respuesta dinámica del convertidor. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis es la combinación de la técnica SHMPWM con estrategias de control adecuadas que permitan satisfacer los requisitos de conexión a red en régimen permanente y durante transitorios. Para ello, se han abordado las siguientes líneas de investigación: Diseño de técnicas de modulación de mitigación selectiva de armónicos para cumplir los límites de emisión de armónicos. Análisis de las estrategias de control lineal con SHMPWM en términos de cumplimiento de los requisitos de conexión a la red. Análisis, adaptación y desarrollo de estrategias de control predictivo por modelo combinadas con SHMPWM para el cumplimiento de los requisitos de conexión a red.Publication Open Access Analysis and implementation of wireless communications systems and IoT with human body interference in inhomogeneous environments(2024) Picallo Guembe, Imanol; Falcone Lanas, Francisco; López Iturri, Peio; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio IngeniaritzarenEn la actualidad se está llevando a cabo el despliegue de redes 5G para cumplir con los requerimientos de altas demanda de comunicación de la sociedad. Esto, junto con el crecimiento masivos de dispositivos inalámbricos IoT, va a provocar potenciales problemas de interferencias entre sistemas de comunicaciones, así como en la comunicación de las Wireless Sensor Networks (WSN) por despliegues en entornos inhomogéneos. En este sentido, es necesario modelar, caracterizar y validar estos entornos para un despliegue óptimo de las WSNs maximizando la cobertura mientras se minimizan las pérdidas e interferencias. Para ello, se ha utilizado la herramienta de simulación determinista 3D-Ray Launching (3D-RL) desarrollada internamente que ha servido para tareas de radio planificación y modelado de canal. Además, se ha considerado el impacto de la presencia de seres humanos y como afecta a la Quality of Services (QoS) de los enlaces de comunicación. El modelado se ha realizado tanto en el dominio frecuencial como en el dominio temporal lo que ha permitido caracterizar de forma adecuada la propagación multitrayecto que es el fenómeno más relevante en este tipo de entornos. Todo esto ha permitido el despliegue de múltiples sistemas de comunicaciones inalámbricos desde Wireless Personal Area Networks (WPAN) hasta Wide Wireless Area Networks (WWAN) en estos entornos contextuales, que ha dado lugar al desarrollo de aplicaciones diversas a nivel de testeo para la monitorización de los entrenamientos de un equipo de baloncesto o jugadores de golf, localización en una planta de logística y la monitorización de los pacientes en una Unidad de Cuidados Intensivos (UCI). Por último, se han diseñado, fabricado y testado estructuras radiantes mediante técnicas novedosas de deposición de tinta sobre sustratos flexibles y sostenibles capaces de operar en sistemas y entornos IoT analizados para el sector del packaging.Publication Embargo Robust design methods and technologies for millimeter-wave components(2024) Santiago Arriazu, David; Gómez Laso, Miguel Ángel; Arregui Padilla, Iván; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoa eta Telekomunikazio IngeniaritzaIn this thesis, a novel gap waveguide topology is presented alongside an innovative manufacturing approach, complemented by a variety of design methods and topologies for gap waveguide low-pass filters (LPFs) and bandpass filters (BPFs). Moreover, a new design method for filtering antennas is proposed. The primary objective behind all these designs is to develop topologies that can effectively withstand manufacturing tolerances. To begin with, a novel gap waveguide topology is introduced and compared with existing designs from the literature, offering a promising alternative for future applications. Moreover, a cutting-edge manufacturing technique is proposed, leveraging selective laser melting (SLM) and subsequent computer numerical control (CNC) milling to address common challenges associated with selective laser melting, including surface roughness and manufacturing imperfections. In the field of microwave filters, a gap waveguide low-pass filter is presented for the first time. This approach simplifies the design process, employing closed-form expressions and rapidly performing calculations using simulation software. Additionally, several bandpass filters utilizing higher-order modes are introduced, featuring diverse topologies, including inline and stacked configurations. Notably, the innovation in their design extends to create bandpass filters with reduced sensitivity to manufacturing tolerances. This development is particularly pertinent for Q/V/W-band satellite payloads, where it significantly enhances fabrication yields compared to traditional filter designs. Lastly, this Thesis presents an innovative and comprehensive design methodology, encompassing the integration of microwave filters and antennas, known as a filtering antenna. The concept of a filtering antenna offers a multifaceted solution to address the evolving demands of modern communication systems. It combines the functionality of microwave filters with antennas, essential for signal transmission and reception. This integration not only simplifies the system architecture but also brings forth a range of benefits in terms of performance, space utilization, and overall system efficiency.Publication Open Access Gaze estimation based on machine learning(2024) Larumbe Bergera, Andoni; Villanueva Larre, Arantxa; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate PublikoaEsta tesis, desarrollada en el marco del grupo GI4E, se centra en el desarrollo de un algoritmo de estimación de la mirada para sistemas de videooculografía (Video-oculography, VOG) que hacen uso de componentes genéricos. En primer lugar, se resaltan las limitaciones de la tecnología de seguimiento ocular existente, así como los métodos comúnmente utilizados para la estimación de la mirada en sistemas que emplean este tipo de componentes. La contribución central de la tesis es el desarrollo de un algoritmo de estimación de la mirada dividido en dos grandes bloques: un primer bloque para la detección de puntos de referencia faciales y un segundo bloque que, a partir de un vector de características generado usando esos puntos de referencia, estima el punto de la mirada (Point of Gaze, PoG, en inglés). Debido a los grandes avances en el campo del aprendizaje automático (machine learning), se ha decidido emplear este tipo de técnicas para ambos bloques. Se realiza una revisión de los métodos del estado del arte que hacen uso de técnicas de aprendizaje automático y deep learning para la detección de puntos de referencia faciales. También se exploran y resumen los algoritmos del estado del arte aplicados a la estimación de la mirada. Para el primer bloque de detección de puntos de referencia faciales, se implementan dos modelos, uno basado en métodos de regresión en cascada y un otro basado en redes neuronales. Ambos modelos son comparados sobre diversas bases de datos, analizando las virtudes y defectos de cada uno de ellos. Además, se realiza una comparación del método propuesto con el estado del arte en la que se demuestra la superioridad de nuestro método. En cuanto al segundo bloque, en primer lugar se presenta un método para la generación de un vector de características que incluya informaci ón relevante para poder realizar la estimación de la mirada. Además, se proponen varios modelos basados en redes neuronales y se investiga el uso de datos sintéticos para su entrenamiento. Por último, se plantea un método para adaptar y calibrar los modelos entrenados con usuarios sintéticos, a datos de sujetos reales. La tesis concluye con un resumen de sus contribuciones y principales hallazgos. La integración de técnicas de aprendizaje automático, algoritmos avanzados y datos sintéticos presenta perspectivas prometedoras para futuras investigaciones en este campo.Publication Open Access Multifunctional glasses and their application to photovoltaic technology(2024) Pinto Fuste, Cristina Leyre; Bengoechea Apezteguía, Jaione; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Gobierno de Navarra / Nafarroako GobernuaEl sol emite una cantidad de energía inmensa, más de 5000 veces la potencia que se consume en el planeta, que equivale aproximadamente a 4.4×1016 W. Esta radiación solar es el origen de la mayoría de las formas de energía conocemos hoy en día, tanto las fuentes renovables como los combustibles fósiles. En particular, la generación de electricidad directamente a partir de la energía solar, conocida como energía solar fotovoltaica (FV), es una tecnología de generación de energía renovable con gran potencial, ya que convierte directamente la radiación solar que llega a la Tierra en electricidad. Esta tecnología se fundamenta en el efecto fotovoltaico producido en materiales semiconductores. Cuando estos materiales absorben un fotón de una energía específica, son capaces de generar un par electrón-hueco, lo que da lugar a la generación de una corriente eléctrica. En este trabajo, se han desarrollado estructuras jerárquicas a micro- y nano-escala para abordar estos problemas presentes en el vidrio fotovoltaico: reflectancia, ensuciamiento, resistencia a la abrasión y aumento de temperatura. Las nanoestructuras, catalogadas como estructuras de sublongitud de ondas cónicas, actúan como una capa efectiva en la superficie del vidrio, eliminando la reflectancia de Fresnel. De esta manera, se ha reducido la reflectancia del vidrio de 7.1% (teniendo ambas superficies en cuenta) a un promedio del 1.0% promediado en el rango de 300 a 1100 nm. Además, debido a la aleatoriedad tanto en tamaño como en distribución de estas nanoestructuras, la propiedad antirreflectante se extrapola a ángulos de incidencia más grandes, mostrando una mejora del factor de modificación del ángulo de incidencia (IAM), aumentándolo de 0.80 a 0.88 a 80o de ángulo de incidencia de luz. Estas mejoras se traducen en un aumento de la eficiencia del módulo fotovoltaico del 3.5% medido en laboratorio, y un aumento de más del 5.1% en las condiciones más desfavorables al aire libre (día soleado de diciembre, a 66º de ángulo de incidencia de la luz). Además, los nanoconos aumentan la distancia promedio entre la superficie del vidrio y cualquier partícula de polvo o arena, reduciendo drásticamente las fuerzas de adherencia. En consecuencia, la tasa de ensuciamiento en los módulos fotovoltaicos se ha reducido en más del 50%. Por otra parte, debido a la naturaleza monolítica de las estructuras, su resistencia a la abrasión ha aumentado considerablemente en comparación con las soluciones comerciales, soportando más de 500 ciclos de abrasión con cepillo sin daños perceptibles. Por último, las microestructuras desarrolladas cumplen básicamente el mismo propósito que los nanoconos, actuando como estructuras antirreflectantes. Sin embargo, mientras que las nanoestructuras afectan a las regiones del ultra-violeta, visible e infrarrojo cercano, las microestructuras operan en el rango del infrarrojo medio, entre 8 y 13 μm. Es en este rango espectral donde el vidrio exhibe una resonancia tipo “fonón-polaritón”, que provoca un pico de reflectancia a 9 μm. Estas microestructuras reducen eficazmente esta reflectancia, aumentando la emisividad del vidrio desde 0.83 a 0.95 (el vidrio es opaco en este rango espectral). Al aumentar la emisividad, el calor producido por las células se disipa hacia el exterior, y gracias a la ventana atmosférica, situada entre 8 y 13 μm, este calor escapa a través de la atmósfera hacia el espacio exterior. Esto ayuda a reducir la temperatura de funcionamiento de los módulos fotovoltaicos en días soleados en más de 0.8ºC con disminuciones de hasta 2.5ºC. Esta reducción promedio de la temperatura de operación del módulo supondría una mejora relativa del 0.28% para un módulo con células tipo PERC.Publication Embargo Improving the grid integration of large PV plants: inverter limitation and forecasting(2024) González Moreno, Alejandro; Marroyo Palomo, Luis; Marcos Álvarez, Javier; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Univertsitate PublikoaEn los últimos años ha aumentado considerablemente el número de instalaciones fotovoltaicas de gran potencia. Esto ha llevado a algunos operadores de red a expresar su preocupación por los posibles efectos no deseados de las fluctuaciones de potencia fotovoltaica causadas por el paso de nubes, especialmente en escenarios de alta penetración fotovoltaica y/o redes eléctricas débiles (como las islas). Como resultado, algunos códigos de red están introduciendo requisitos de limitación de rampa a las plantas fotovoltaicas para que el sistema sea más resistente frente a estas variaciones bruscas de potencia. En este trabajo, se analizan y diseñan nuevos esquemas de limitación de fluctuaciones basados en el almacenamiento de energía y se comparan con estrategias de referencia de forma exhaustiva y detallada para determinar las estrategias con mayor rendimiento y su impacto en la viabilidad económica de futuros proyectos fotovoltaicos. En particular, se perfecciona el Control Clásico de Rampas (CRRC) identificando su correcta sintonización y aplicando una banda muerta en torno a su referencia de control (sCRRC). Se diseña una nueva estrategia (wCDRR), con requisitos mínimos de almacenamiento, que funciona con datos reales de predicción de la potencia fotovoltaica, basados en datos abiertos de predicción meteorológica, reduciendo significativamente el ciclado de la batería sin producir violaciones del límite de rampa preestablecido. Además, se propone un método capaz de controlar la evolución del punto de operación de toda la planta fotovoltaica con múltiples inversores (SLL), incluso en momentos de alta variabilidad, y se comprueba su capacidad implementando diferentes estrategias de atenuación de fluctuaciones basadas en la limitación de inversores (incluyendo el diseño de una nueva estrategia con pérdidas de limitación extremadamente bajas: SCIL). El análisis del costo de la electricidad (LCOE) muestra que, en todos los escenarios, las dos contribuciones principales (SCIL y wCDRR) son las estrategias con menor impacto económico para los proyectos fotovoltaicos que requieren limitación de rampas.Publication Open Access Power-efficient CMOS amplifiers for battery-supplied systems(2023) Beloso Legarra, Javier; López Martín, Antonio; Cruz Blas, Carlos Aristóteles de la; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio IngeniaritzarenIn this Thesis, the design of power-efficient CMOS amplifiers that are suitable for battery-supplied systems with low-voltage and low-power constraints is developed. This type of circuit is essential in modern portable systems as it performs several signal processing functions, thus requiring high-performance characteristics. To this end, novel circuit-level design techniques and methodologies have been proposed with the aim of improving the performance of the amplifier while preserving simultaneously a reduced power dissipation. The following contributions are focused on single-stage and two-stage amplifier architectures. In the case of single-stage topologies, a unified approach that allows analyzing simultaneously in a common framework the most common single-stage amplifiers for a fixed current budget has been proposed, with the addition of the latest device and circuit level techniques. The design of power-efficient single-stage amplifiers is expanded by proposing several topologies based on non-linear current mirrors as class-AB current boosting technique operating in weak inversion. To illustrate their applicability in switched-capacitor circuits, a sample-and-hold has been designed. All these circuits have been implemented in a 180-nm process and validated experimentally. Finally, a novel design methodology for two-stage amplifiers operating in weak inversion region that optimizes the gain-bandwidth product for a given current budget by exploiting the frequency compensation is proposed. In order to validate the proposal, several experimental measurements of a prototype implemented in a 0.5-μm process have been performed.