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Análisis de datos de RNA-seq de vesículas extracelulares de plaquetas
No full textAllergies are a group of complex diseases characterized by an inappropriate immunological response to otherwise harmless substances. Allergic patients with the most severe phenotypes generally do not respond to standard therapies. Given the impact on both the affected individuals’ lives and the healthcare system, it is essential to find biomarkers that allow for the early classification and treatment of patients.
Recent research has shown that platelets play a significant role in processes related to immune and inflammatory responses. Differences in cargo have been well-established in platelets of phenotypically distinct individuals, both in terms of their metabolic and transcriptomic profiles. This fingerprint could potentially be used for the prompt identification of allergic patients.
Throughout this document, we aim to gain an understanding of a crucial aspect of platelet intercellular communication: their extracellular vesicles. To better understand their transcriptome, a pipeline for RNA-seq analysis was followed, emphasizing the analysis of sequencing quality, and biological source of the reads, as well as the characterization of potential contaminants.
The content and biological role of mRNA transported in extracellular vesicles derived from platelets have proven to be complex, and it may not be the optimal source of biomarkers. However, the study of metabolites, miRNAs, and other cargo present in these vesicles, as well as the platelets themselves, could potentially yield fruitful results in the future
Diseño y dimensionamiento de una línea de producción de aceite de oliva virgen extra para una capacidad de 225.000 l/año en el municipio de Aranjuez (Madrid)
No full textEl objetivo del presente proyecto es el diseño y dimensionamiento de una línea de producción de aceite de oliva virgen extra con una capacidad de 225.000 l/año en el municipio de Aranjuez (Madrid). En él se detallará la ingeniería del proceso productivo y su diseño, así como la distribución en planta de la maquinaria seleccionada para el funcionamiento de la industria, y el sistema necesario para la obtención de calor para el proceso. Por último, se elaborará el sistema de Análisis de Peligros y Puntos Críticos de Control (APPCC), necesario para el correcto seguimiento del producto a lo largo del proceso, evitando así modificaciones en el mismo no deseadas
Systematic Reliability Evaluation of FPGA Implemented CNN Accelerators
No full textConvolutional neural networks (CNN) have become essential for many scientific and industrial applications, such as image classification and pattern detection. Among the devices that can implement neural networks, SRAM based FPGAs are a popular option due to their excellent parallel computing capability and good flexibility. However, SRAM-FPGAs are susceptible to radiation effects, which limits its application on safety critical applications. In this paper, the reliability of an accelerator based on the advanced Instruction-Set Architecture is evaluated based on hardware fault injection experiments. Each main module of the accelerator is evaluated separately, and the impact of parallelism and model features on the accelerator reliability is also examined. The experimental results reveal some important conclusions in terms of general hardware reliability and also of the particular model reliability. First, over 99% of SEUs on the computation modules will cause accuracy loss, and the reliability improves for higher parallelism. Second, a large portion of SEUs on the data mover and the instruction scheduler will cause system corruptions due to abnormal interactions with the ARM or other modules. Third, nonlinear activation and pooling layers are effective in reducing the effect of SEUs on computation modules, so models that use these layers tend to be more robust. The results provide a deep understanding of the impact of errors on CNNs implemented on ISA based FPGA accelerators (e.g., the Xilinx DPU)
Attacking the Privacy of Approximate Membership Check Filters by Positive Concentration
No full textApproximate membership check filters are increasingly used to speed up data processing in many applications. Also, privacy is becoming a key design objective for many systems and thus, the privacy of filters needs to be carefully considered. Previous works have shown that an attacker that knows the implementation details of the filter and has access to its content, may be able to extract some information about the elements stored in the filter. This attack is, however, specific to Bloom filters and requires that the universe of elements must be small. In this paper, we show that in many practical settings, an attacker that has only a black-box access to the filter, can extract information about the elements stored in the filter regardless of the specific filter type and the universe size. This is possible based on the key observation that in many applications, the elements stored in the filter are not randomly chosen, but they are concentrated in one or more parts of the universe of elements. To identify these parts, the positive probability can be measured on different parts of the universe; the parts having significantly larger values than the average positive probability for the filter are the ones on which the filter elements are concentrated. This approach is formalized and applied to several case studies showing the process by which the attacker can get additional information about the elements stored for the filters in a wide range of scenarios
Seguridad en el abastecimiento de hidrógeno a vehículos ferroviarios. Análisis de riesgos
No full textGreen hydrogen is currently positioning itself as the vector for the global energy transition due to its unique properties and the large number of applications for this element.
One of the most interesting advantages of the use of green hydrogen lies in its decarbonising potential in the transport sector when used as a fuel, given that this sector represents one of the largest sources of greenhouse gas emissions on the planet.
In the transport sector, the railway is in the process of implementing hydrogen as a sustainable energy source for the traction of railway vehicles. Proof of this is the recent entry into operation of certain models of passenger trains powered by electricity generated by on-board fuel cells powered by renewable hydrogen in its gaseous state. This is the case of the Coradia iLint model of the French railway manufacturer Alstom.
In the implementation of a new technology on the railway, certain prior aspects must be considered in detail, such as those analysed by the RAMS (Reliability, Availability, Maintainability and Safety) management model, safety being one of the most crucial aspects in this sector.
In the context described above, the aim of this Master's Thesis is to carry out a safety study on the operation of the process of producing and supplying renewable hydrogen to railway vehicles, specifically to passenger trains powered by fuel cell technology, using risk analysis methods in accordance with railway regulations.
A fundamental factor to be achieved with the development of this work is the identification of the hazards associated with the aforementioned operation, detecting the causes that trigger them and the potential consequences or impacts they may have on people or infrastructures.
In line with the above, one of the utilities of this work lies in the identification and proposal of safety barriers to be implemented, i.e., measures, controls or systems designed to prevent or mitigate the identified risks and reduce the adverse consequences in the event of risk situations occurring.
In addition to these safety barriers, this study proposes recommendations to be considered when designing the infrastructure responsible for producing and supplying hydrogen to rail vehicles, popularly known as Hydrogen Refuelling Stations or HRS.
In order to obtain results as close to reality as possible and thus demonstrate the usefulness of the study carried out, it has been decided to analyse the risks associated with the aforementioned hydrogen production and supply process by analysing a practical case study, designed expressly for this project, on which to conduct the safety study.
The design of the case study on which the risk analysis will be carried out will begin with the selection of a current hydrogen train model. As will be mentioned later in the document, the train finally chosen is the aforementioned Alstom model, the Coradia iLint. Subsequently, a search of Spanish regional railway lines susceptible to implement the train models of the case study to provide the corresponding service will be carried out, limiting this search to non-electrified tracks due to the better use of the utilities of fuel cell trains, as they do not require electrical infrastructure, such as catenaries, for their energisation and traction.
In this case, the search concluded with the selection of the non-electrified single-track regional line linking the towns of Chinchilla (Albacete) and Cartagena (Murcia), determining that six units of the selected train model will be necessary to provide the service after analysing the current frequency of trains on the line.
After selecting the hydrogen train model and the railway line to be operated by these trains, thus decarbonising the current service provided by trains powered by fossil fuels, the design and ideal location of the hydrogen plant responsible for producing and supplying the renewable hydrogen to the trains on the line under study will be determined.
The design of the hydrogen plant, which will finally be located at the Cartagena Railway Station, will begin with the definition of the hydrogen demand based on the unit hydrogen storage capacity of the Coradia iLint trains, their autonomy, the number of units to be implemented on the railway line and the time available for refuelling, thus establishing the daily demand to be satisfied and, therefore, allowing the correct sizing of the infrastructure of the hydrogen plant under study.
As a result of the above, the main equipment will be sized and selected, being the electrolysers, compressors, low and high pressure storage tanks, and hydrogen dispensers of the hydrogen plant, thus finalising the design of the case study.
After defining the case study, an investigation of the regulations applicable to the safety study will be carried out, concluding this search with the location and analysis of the standard that best applies to the subject dealt with in this work, the UNE-EN 50126:2018 standard.
From the previous standard, after its analysis, the points of application to the safety study will be extracted, such as the methodology to be followed when analysing and assessing the risks associated with a railway system, serving as a guide when developing the safety study, or the methods and tools recommended by the standard for carrying out risk analyses.
For the above reasons, it was decided to use the HAZID (Hazard Identification) methodology as a method to analyse and identify the hazards, causes and consequences associated with the operation of the railway system under study, in addition to proposing or detecting the safety barriers and design recommendations associated with these risks to facilitate safe and efficient operation.
From the previous exercise, the results will be obtained in the form of tables for a better visualisation of the results, being a common practice in the HAZID methodology. In relation to the results obtained in this work, it can be concluded that the risk factors to be considered are high due to the numerous elements that make up the process of production and supply of renewable hydrogen to fuel cell trains in the case study, being of vital importance to carry out safety studies similar to the one carried out in this project for the safe implementation of hydrogen trains on the railway.
For the reasons stated above, this work will promote, thanks to the proposed mitigation barriers and design recommendations, the development of projects related to renewable hydrogen applications in the railway sector, favouring their safe and efficient implementation, ensuring regulatory compliance and contributing to the decarbonisation of the transport sector through the use of sustainable fuels for railway traction.
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En la actualidad, el hidrógeno renovable se está posicionando como el vector para la transición energética global debido a sus propiedades únicas y la elevada cantidad de aplicaciones que presenta este elemento.
Una de las ventajas de mayor interés del empleo del hidrógeno verde radica en su potencial descarbonizador en el sector del transporte cuando este se emplea como combustible, debido a que este sector representa uno de los mayores focos de emisión de gases de efecto invernadero del planeta.
En el marco del transporte, el sector ferroviario se encuentra en vías de implementar el hidrógeno como fuente de energía sostenible para la tracción de los vehículos ferroviarios. Prueba de ello, es la reciente puesta en operación de ciertos modelos de trenes de pasajeros impulsados mediante la electricidad generada por las pilas o celdas de combustible embarcadas y alimentadas a su vez por hidrógeno renovable en estado gaseoso. Este es el caso del modelo Coradia iLint del fabricante ferroviario francés Alstom.
A la hora de implementar una nueva tecnología en el ferrocarril, se deben evaluar con detalle ciertos aspectos previos, como los que analiza el modelo de gestión RAMS (Fiabilidad, Disponibilidad, Mantenibilidad y Seguridad, por sus siglas en inglés), siendo la seguridad uno de los más aspectos más cruciales en este sector. En el contexto descrito anteriormente, el presente Trabajo de Fin de Máster tiene por objetivo realizar un estudio de seguridad sobre la operativa del proceso de producción y abastecimiento de hidrógeno renovable a vehículos ferroviarios, concretamente a trenes de pasajeros impulsados por la tecnología de pila de combustible, empleando para tal fin métodos de análisis de riesgos acordes a la normativa ferroviaria.
Un factor fundamental a lograr con el desarrollo de este trabajo es la identificación de los peligros asociados a la operación antes mencionada, detectando las causas que los desencadenan y las potenciales consecuencias o impactos que pueden provocar en las personas o infraestructuras. En línea con lo anterior, una de las utilidades de este trabajo radica en la identificación y propuesta de barreras de seguridad a implementar, es decir, de medidas, controles o sistemas diseñados para prevenir o mitigar los peligros identificados y reducir las consecuencias adversas en caso de que ocurran situaciones de riesgo. En adición a estas barreras de seguridad, el presente estudio propone recomendaciones a tener en cuenta a la hora de diseñar la infraestructura encargada de producir y abastecer el hidrógeno a los vehículos ferroviarios, popularmente denominada hidrogenera.
Con el fin de obtener resultados lo más cercanos a la realidad posible y, de este modo, poner de manifiesto la utilidad del estudio realizado, se ha decidido analizar los riesgos asociados al proceso de producción y abastecimiento de hidrógeno anteriormente mencionado analizando un caso práctico, diseñado expresamente para este proyecto, sobre el que realizar el estudio de seguridad. El diseño del caso de estudio sobre el que se realizará el análisis de riesgos comenzará con la selección de un modelo de tren de hidrógeno actual. Como se mencionará más adelante en el documento, el tren finalmente escogido es el antes mencionado modelo de Alstom, el Coradia iLint
Posteriormente, se realizará una búsqueda de las líneas regionales ferroviarias españolas susceptibles de implementar los modelos de tren del caso de estudio para dar el correspondiente servicio, acotando dicha búsqueda a las vías sin electrificar debido al mejor aprovechamiento de las utilidades de los trenes de pila de combustible, pues no requieren de infraestructura eléctrica, como las catenarias, para su energización y tracción.
En este caso, la búsqueda concluyó con la selección de la línea regional de vía única sin electrificar que une las localidades de Chinchilla (Albacete) y Cartagena (Murcia), determinándose que serán necesarias seis unidades del modelo de tren seleccionado para dar el servicio tras analizar la frecuencia de paso actual de los trenes de la línea.
Tras la elección del modelo de tren de hidrógeno y la línea ferroviaria que será operada por estos, descarbonizando así el actual servicio proporcionado por trenes impulsados a partir de combustibles fósiles, se realizará el diseño y se determinará la ubicación idónea de la hidrogenera encargada de producir y suministrar el hidrógeno renovable a los trenes de la línea de estudio.
El diseño de la hidrogenera, que finalmente será ubicada en la Estación de Ferrocarril de Cartagena, comenzará con la definición de la demanda de hidrógeno a partir de la capacidad unitaria de almacenamiento de hidrógeno de los trenes Coradia iLint, su autonomía, el número de unidades a implementar en la línea ferroviaria y el tiempo disponible para el repostaje, de esta manera se fijará la demanda diaria a satisfacer y, por tanto, permitirá el correcto dimensionamiento de la infraestructura de la hidrogenera de estudio.
A raíz de lo anterior, se dimensionarán y seleccionarán los equipos principales, siendo estos los electrolizadores, compresores, tanques de almacenamiento a baja y alta presión, y surtidores de la hidrogenera, finalizando con ello el diseño del caso de estudio. Tras la definición del caso práctico, se realizará una investigación de la normativa de aplicación al estudio de seguridad a desarrollar, concluyendo dicha búsqueda con la localización y análisis de la norma que presenta una mejor aplicación al tema tratado en este trabajo, la norma UNE-EN 50126:2018.
De la norma anterior, tras su análisis, se extraerán los puntos de aplicación al estudio de seguridad, tales como la metodología a seguir a la hora de analizar y valorar los riesgos asociados a un sistema ferroviario, sirviendo de guía a la hora de desarrollar el estudio de seguridad, o los métodos y herramientas recomendados por la normativa para la realización de los análisis de riesgos.
Por lo anteriormente expuesto, se decidió emplear la metodología HAZID (Identificación de Riesgos, por sus siglas inglés) como método para analizar e identificar los peligros, causas y consecuencias asociados a la operativa del sistema ferroviario objeto de estudio, además de proponer o detectar las barreras de seguridad y recomendaciones de diseño asociadas a dichos riesgos facilitando una operación segura y eficiente.
Del ejercicio anterior, se obtendrán los resultados en forma de tablas para una mejor visualización de estos, siendo una práctica habitual en la metodología HAZID. En relación a los resultados obtenidos en este trabajo, se puede concluir que los factores de riesgo a considerar son elevados debido a los numerosos elementos que componen el proceso de producción y abastecimiento de hidrógeno renovable a trenes de pila de combustible del caso de estudio, siendo de vital importancia la realización de estudios de seguridad similares al llevado a cabo en este proyecto para la implementación segura de los trenes de hidrógeno en el ferrocarril.
Por los motivos expuestos anteriormente, el presente trabajo fomentará, gracias a las barreras de mitigación y recomendaciones de diseño propuestas, el desarrollo de proyectos relacionados con aplicaciones del hidrógeno renovable en el sector ferroviario, favoreciendo su implementación de manera segura y eficiente, asegurando el cumplimiento normativo de aplicación y contribuyendo a la descarbonización del sector del transporte mediante el empleo de combustibles sostenibles para la tracción ferroviaria
Diseño de equipo de registro dinámico ferroviario para la detección de defectos de vía
No full textFerrocarril. Según su origen etimológico su significado es camino de hierro. Esos caminos de hierro son los carriles que componen la vía, pero en la actualidad no solo los carriles son importantes, también lo son los otros componentes de la vía, como las traviesas, las sujeciones o el balasto. Es de vital importancia que estos componentes se encuentren en el mejor estado posible y que la interacción entre ellos y el tren sea la adecuada para evitar situaciones de falta de seguridad en el viaje y escasez de confort en los viajeros.
En este trabajo se hablará sobre los defectos que se pueden encontrar en la vía. Estos pueden ser de dos tipos: los primeros son dinámicos, que son apreciados únicamente al paso de los trenes, ya que se deben a la interacción entre vía y vehículo. El otro tipo de defectos son geométricos, que irán empeorando por el paso de los trenes. Los defectos dinámicos se miden a través de las aceleraciones en determinados puntos de los trenes. Se explicará cuáles son esos puntos y porqué se miden en ellos y no en otros.
También se explicarán cuáles son los límites que tienen esas aceleraciones para que se consideren como defecto y la existencia de varios límites, definiendo el significado de cada uno. Localizar los defectos de dinámica de vía sirve para saber en qué punto de la vía se debe realizar una operación de mantenimiento por haber excedido los límites.
Los defectos geométricos se hallan cuando algún parámetro supera ciertos límites marcados por varias normas. Estos parámetros son: ancho de vía, nivelación longitudinal y transversal, alineación, alabeo… Se explicará el significado de cada uno, como se miden y cuáles son los límites que marcan los defectos, al igual que los defectos dinámicos. Se comentará como estos defectos son capaces de cuantificar con un valor la calidad de la vía y no solo calificarla como buena o mala. Saber que parámetro de geometría de vía ha pasado el límite de defecto y se ha convertido en uno es muy importante para planificar un tipo de mantenimiento u otro.
Todo el ámbito de los defectos tiene un denominador común, el mantenimiento. Se hablará de cómo se realiza el mantenimiento en la actualidad y con qué maquinaria se lleva a cabo. Dentro del mantenimiento están los sistemas auscultadores que son los que hallan los defectos mencionados. Es muy importante que estos detecten sobre todo los defectos dinámicos para saber el punto kilométrico donde se encuentra un desperfecto en la vía. Esto hace que las operaciones de mantenimiento se centren en los puntos en los que es necesario. Pero también es importante que detecte los defectos geométricos para saber que operaciones realizar, no solo donde realizarlas. Esto abarataría mucho los costes en el mantenimiento ferroviario, los cuales no son pequeños.
Se hará una breve exposición de cómo se han ido desarrollando los defectos a lo largo de la historia. Para ello se explicará la evolución de dos de las características más importantes que hacen surgir los defectos, como son la velocidad, cuánto más velocidad, más defectos, y el uso de la vía, cuánto más transitada está la vía más defectos tiene. Se expondrán estos dos parámetros tanto para Europa como para España. Se comentará también la evolución de los sistemas auscultadores y los vehículos auscultadores pertenecientes a Adif, que es la administradora española con mayor parque de vehículos de este tipo.
Más tarde se entrará en el objeto de este trabajo, el equipo de registro y análisis de CITEF y sus posibles mejoras. El equipo de CITEF es un sistema que en la actualidad mide la dinámica de vía y localiza donde hay defectos en la misma. Es un sistema auscultador portátil muy económico y con mediciones muy fiables que es usado en trenes comerciales que circulan por las vías a examinar. Este tiene una serie de ventajas respecto a otros métodos de auscultación, pero también tiene unas desventajas que se tratarán de subsanar con una propuesta de soluciones. Dentro de estas, las más importantes son las que permiten medir los parámetros de la geometría de vía para obtener la gran ventaja que suponen estas mediciones en el ámbito del mantenimiento.
Este trabajo no trata de encontrar cuál es la mejor solución para instalar en el equipo de CITEF. Solo se expondrán unas cuantas soluciones que traten de eliminar las desventajas de este tipo, pero no se hará un análisis exhaustivo de cada una. Solo se hará una primera aproximación en cuanto a viabilidad técnica y económica se refiere. Para poder llevar a cabo la instalación de alguno de estos sistemas al equipo es necesario un estudio más amplio de cada solución. Por ello se enumerarán una serie de futuros trabajos que sean una prolongación de este y así poder conseguir el objetivo de mejorar el equipo de registro y análisis de CITEF.
Para concluir el trabajo se muestran las soluciones que, desde el punto de vista del autor de este, son las más fáciles, rápidas y necesarias y que por tanto deben ser las primeras en desarrollarse
Estimando el trasvase de votos entre partidos políticos en Galicia en las últimas elecciones generales
No full textDesde que se instauró la democracia tanto los partidos políticos como los ciudadanos se han preguntado cómo ha sido el trasvase de votos con respecto a las elecciones pasadas. El abanico electoral ha variado mucho a lo largo de estos últimos 10 años. El descontento de la población por la crisis económica de 2008 y los casos de corrupción de los partidos tradicionales hizo que apareciesen en escena nuevos partidos como Podemos o Ciudadanos para hacer frente al bipartidismo que existía.
No obstante, durante el 2019 hubo un desgaste en el mensaje del cambio. Después de algunos años de participación en el gobierno y alianzas con otros partidos, algunos votantes sintieron que su mensaje se había desgastado y esos nuevos partidos fueron perdiendo apoyo. Por eso es de interés analizar el trasvase de votos de unos partidos a otros durante las elecciones.
En el presente trabajo se pretende estudiar el trasvase de votos de partidos políticos entre las elecciones de 2015-2016, 2016-Abril 2019 y Abril 2019-Noviembre 2019 en la Comunidad de Galicia.
Para ello el trabajo está estructurado en cinco bloques. En el primero, la introducción, se expondrá el marco histórico y social por el cual se ha llegado a este cambio en el panorama electoral y la importancia de saber cómo se ha movido el voto entre los distintos partidos políticos.
El segundo apartado expone los objetivos que se pretenden alcanzar realizando este estudio. En la sección de Metodología se pretende explicar teóricamente los procedimientos de extracción y tratamiento de datos, análisis clúster y regresión lineal múltiple que se han llevado a cado para poder realizar dicho trabajo.
Con el fin de no sobrecargar el bloque de Resultados y ya que si se ha implementado bien el algoritmo para calcular los datos el procedimiento será totalmente análogo en todas las provincias, se expondrán los resultados obtenidos en la provincia de A Coruña por ser la que tiene mayor número de población y por tanto mayor número de secciones electorales.
Mostrando más adelante en el Anexo los datos obtenidos en el resto de provincias.
Finalmente en la sección de conclusiones se expondrán de manera resumida los resultados a los que se han llegado en este estudio
Caracterización de células fotovoltaicas y estudio de acceso a sus contactos mediante tecnología láser
No full textLa imperiosa necesidad que surge en el mundo actual sobre efectuar el proceso de transición energética ha provocado que, tan solo en España, se instalaran en el año 2022, 19.785 MW de energía solar fotovoltaica (FV). Sin embargo, la instalación y uso de energías renovables, provoca a su vez un incremento en la cantidad de residuo FV generado, el cual, para que sea incluido en el ciclo de la economía circular, debe ser tratado y estudiado para su revalorización y reutilización.
El proyecto FOTOVOL3R, llevado a cabo por el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), estudia precisamente esta vía de tratamiento del
residuo. En este proyecto se estudia la posible reparación de fallos en los módulos FV. En estudios llevados a cabo en el proyecto FOTOVOL3R se pudo observar que un fallo común en los módulos FV es una rotura de las conexiones que unen las distintas células que lo forman. Por tanto, una parte de la investigación se centra en el estudio de posibles formas de reparación de este fallo concreto. A esto se añade la complejidad de encontrar una forma de acceder a los contactos de las células sin causar cambio alguno en el funcionamiento de estas (no dañar el material).
Actualmente se accede a los contactos penetrando por la parte posterior de la célula mediante un método mecánico. Sin embargo, se observa que dicho procedimiento es notablemente intrusivo, por lo que se busca un método menos agresivo. Con ello, surge la idea de acceder a los contactos de las células por medio de tecnología láser. Así, el CIEMAT y el Centro Láser UPM se ponen a trabajar conjuntamente, surgiendo la posibilidad de elaborar este TFG junto a ellos.
En este trabajo, además de estudiar el acceso a los contactos de las células FV, también se proporcionará información general acerca de la energía solar y sus módulos. Por tanto, los objetivos principales definidos fueron:
- Obtener una formación previa en la teoría de la energía solar FV y los fundamentos de la tecnología láser.
- Caracterizar las células FV que serán tratadas con posterioridad.
- Estudiar si es posible o no acceder a los contactos de las células FV por medio de tecnología láser.
- Concluir cuáles son los parámetros que habrá que establecer en el láser para obtener los mejores resultados.
- Comprobar que el uso del láser no ha afectado al funcionamiento de la célula FV.
Para cumplir estos objetivos, en primer lugar, se obtuvo una formación impartida por investigadores del CIEMAT y del Centro Láser.
Posteriormente, durante el proceso de caracterización se realizaron dos ensayos a cada una de las seis células FV que fueron aportadas por el CIEMAT. En primer lugar, se obtuvieron las curvas corriente-tensión (IV), para obtener los parámetros característicos de trabajo de la
célula, posteriormente se tomaron imágenes de electroluminiscencia (EL), para analizar los posibles fallos que pudieran existir en el funcionamiento de las células o en el material que las compone. A partir de dichos ensayos se observó que las seis células funcionaban correctamente y se obtuvieron los parámetros de potencia, eficiencia y factor de forma (también conocido por el término en inglés fill factor), que nos aportan información sobre las características de trabajo y calidad de las células FV empleadas.
Una vez conocido el funcionamiento común de las células FV disponibles, se procedió a la realización de los ensayos láser. El láser escogido fue un láser de estado sólido bombeado por diodos (DPSS) de neodimio vanadato (Nd:VO4). Gracias a que se trata de un láser de nanosegundos y que suministra una elevada potencia de pulso, es el más indicado de entre los láseres disponibles para eliminar el material posterior de la célula.
El material que hay que eliminar se trata de un polímero protector (backsheet) que cubre la parte posterior de toda la célula (PPE) y el encapsulante (EVA).
En un primer ensayo, se realizaron surcos y pequeñas áreas de 1mm2 en la parte posterior y fuera de la zona en la que se encontraban los contactos, para analizar el comportamiento del material y poder determinar los parámetros principales de trabajo. Tras esto, se estableció que el láser trabajase con una energía de pulso de 0.125 mJ y una velocidad del haz de 1m/s. El número de pasadas iría incrementando mientras se observaba la profundidad de penetración obtenida, hasta que, finalmente, se eliminase el material de la parte posterior de la célula.
Una vez establecidos estos parámetros fundamentales, se procedió a la experimentación láser en la zona de los contactos. Se realizaron áreas de 1, 2, 4 y 12 mm2, comprobando que los mejores resultados se obtenían con las áreas de 2 mm2, pues, tan solo con treinta pasadas (realizadas de cinco en cinco con pequeños descansos de algunos segundos entre estas) el material se eliminaba en su gran mayoría, dejando al descubierto el cobre del que estaban formados los contactos de las células. Un incremento del área provocaba un gran aumento del número de pasadas, lo que ocasionaba una mayor afectación térmica del material y una peor eliminación de este.
A partir de los resultados obtenidos con el láser, se concluye que los parámetros con los que se debería de trabajar para cumplir objetivos son: potencia máxima, velocidad del haz de 1m/s, áreas de 2 mm2 y treinta pasadas. Siendo estos dos últimos dependientes el uno del otro.
Además, se extraen otras conclusiones adicionales:
- Se trata de un proceso fundamentalmente térmico, pues el material se consigue eliminar cuando se alcanza en este una determinada temperatura.
- El tiempo entre las pasadas tiene gran influencia en el resultado.
- Los parámetros que se presentan son los adecuados para las áreas tratadas, pero el uso de otros valores puede conllevar la necesidad de establecer otros parámetros de trabajo.
El vidrio que protege a la célula por la parte anterior es sensible a la temperatura, pudiendo llegar a quebrarse si se calienta mucho localmente.
Por último, se volvieron a realizar los dos procesos de caracterización comentados anteriormente (curvas IV e imágenes de EL) a la célula que había sido tratada con el láser. Los resultados obtenidos sirvieron para compararlos con los iniciales, y se analizaron posibles variaciones, especialmente en los parámetros más relevantes. Se concluyó que el láser no había provocado ningún defecto ni cambio significativo en el funcionamiento de la célula FV.
Por tanto, el empleo de la tecnología láser para eliminar el encapsulante, y así obtener una zona libre de material dejando al descubierto los contactos de la célula, es un método factible y empleable para la reparación posterior de los contactos.
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The urgent necessity that arises in the current world to carry out the energy transition process has led to the installation of 19,785 MW of photovoltaic solar energy (PV) in Spain alone in the year 2022. However, the installation and use of renewable energies also leads to an increase in the amount of generated PV waste, which, in order to be included in the circular economy cycle, must be treated and studied for its revaluation and reuse. The FOTOVOL3R project, carried out by the Center for Energy, Environmental, and Technological Research (CIEMAT), precisely examines this waste treatment approach.
This project consists of different branches of research, one of which studies the potential repair of faults in PV modules. Thanks to previous studies conducted in the FOTOVOL3R project, it was observed that the most common failure in PV modules is a breakage of the connections that join the different cells forming it. Thus, part of the research focuses on studying possible ways to repair this specific fault. In addition to this, the complexity of finding a way to access the cell contacts without causing any change in its operation (not damaging the material) is added.
Initially, contacts were accessed by penetrating through the back of the cell using a mechanical method. However, it was observed that this procedure lacked control and precision. As a result, a method that does provide these characteristics is being sought. This gives rise to the idea of accessing cell contacts through laser technology. Thus, CIEMAT and the UPM Laser Center collaborate, giving rise to the possibility of developing this bachelor's thesis alongside them.
In this work, in addition to studying the access to the metallic contacts of PV cells, general information about solar energy and its modules is also provided. Therefore, the main defined objectives are:
- Obtain prior training in photovoltaic solar energy theory and the fundamentals of laser technology.
- Characterize the PV cells that will be treated subsequently.
- Study whether it is possible or not to access the contacts of PV cells through laser technology.
- Conclude which parameters need to be established in the laser to achieve the best results.
- Verify that the use of the laser has not affected the functioning of the PV cell.
For this purpose, first, prior training was obtained from CIEMAT and professors from the Laser Center. After that, during the characterization process, two tests were performed on each of the six PV cells provided by CIEMAT. First, current-voltage curves were obtained to acquire the characteristic operating parameters of the cell. Subsequently, electroluminescence images were taken to analyze possible failures that might exist in the operation of the cells or in the material that composes them. After these tests, it was observed that all six cells were functioning correctly, and the power, efficiency, and fill factor parameters were obtained.
Once the common functioning of the available PV cells was understood, laser tests were carried out. The chosen laser was a diode-pumped solid-state (DPSS) neodymium vanadate (Nd:VO4) laser. Thanks to the fact that it is a nanosecond laser that delivers high pulse power, it is the most suitable among the available lasers for removing the back material of the cell.
The material that needs to be removed consists of a protective polymer (backsheet) that covers the entire cell (PPE) and the encapsulant (EVA).
In the initial laser contact with the cells, grooves, and small areas of 1 mm² were created on the backside and outside the region containing the contacts. This was done to analyze material behavior and determine key working parameters. It was established that the laser would operate with a pulse energy of 0.125 mJ and a beam speed of 1m/s. The number of passes would increase while observing the depth of penetration achieved until the material on the backside of the cell is
ultimately removed.
Once these fundamental parameters were established, laser experimentation on the contact area was conducted. Areas of 1, 2, 4, and 12 mm² were tested, and it was found that the best results were achieved with 2 mm² areas. With just thirty passes (performed in sets of five with short breaks in between), most of the material was removed, exposing the copper contacts.
Increasing the area significantly increased the number of passes, leading to greater thermal effects on the material and poorer removal.
Based on the laser results, it was concluded that the optimal parameters for achieving objectives were: maximum power, beam speed of 1 m/s, 2 mm² areas, and thirty passes. The latter two parameters were interdependent.In addition, some conclusions are drawn as project insights:
- The process is fundamentally thermal, as the material is effectively removed when a certain temperature is reached.
- The time between passes significantly influences the outcome.
- The parameters provided are suitable for the treated areas, but the use of different values may require the establishment of other working parameters.
- The glass that protects the cell from the front is temperature-sensitive and may even break if locally heated excessively.
Finally, the two characterization processes mentioned earlier (IV curves and EL images) were repeated on the laser-treated cell. The obtained results were compared with the previous ones, focusing on potential variations, especially in the most relevant parameters. It was concluded that the laser had not caused any defects or significant changes in the operation of the PV cell.
Therefore, the use of laser technology to remove encapsulant and expose the cell's contacts in a material-free zone is a feasible and applicable method for subsequent contact repair
Programación de una red neuronal y ajuste de sus parámetros por backpropagation
No full textEl objetivo principal del trabajo es crear y entrenar redes neuronales capaces de resolver problemas de clasificación de imágenes. Estos problemas pueden ser muy difíciles de abordar, como por ejemplo el reconocimiento facial, por lo que los algoritmos necesarios son muy complejos, saliendo fuera del alcance de este trabajo. Es por esto que el problema estudiado será simple, empezando por clasificar entre manchas y palos. Una vez resuelto ese problema, se pasará a clasificar dígitos, elevando considerablemente la complejidad del problema, ya que el número de resultados posibles aumenta de dos a diez.
Para crear todas las redes neuronales del trabajo, se parte de la estructura general de una red cualquiera, en la que las neuronas se disponen en una serie de capas con diferentes números de neuronas cada una. Estas neuronas tienen varios valores de entrada y un único valor de salida, y las capas están dispuestas de tal manera que los valores de salida de las neuronas de una capa son los valores de entrada de las neuronas de la siguiente capa. Este proceso empieza con una capa inicial o de entrada, que en vez de neuronas está compuesto por los diferentes datos numéricos de entrenamiento. De manera similar, los valores de salida de las neuronas de la última capa de la red son los resultados de la red neuronal. De esta manera se tiene una estructura compuesta por una capa de salida, un número arbitrario de capas intermedias (que puede ser cero) y una capa final.
Para realizar la conexión entre neuronas, se hace uso de una función, conocida como función de activación, que toma todos los valores de entrada de las neuronas de la capa anterior y devuelve un único valor de salida. Para combinar todos los valores de salida de la capa anterior y obtener un valor escalar, se utiliza una combinación lineal de estos, donde cada valor de salida está multiplicado por un peso, y al que se le suma un ajuste.
Tras finalizar la parte teórica del trabajo, se pasa a la práctica, empezando por la generación de imágenes, ya que sin estas no será posible entrenar las redes neuronales. De este algoritmo, desarrollado en Python y que funciona correctamente, se obtienen todas las imágenes necesarias para entrenar redes que puedan resolver el problema inicial.
Tras haber generado las imágenes necesarias, se pasa a desarrollar programas en C que realicen el proceso de entrenamiento y evaluación para los cuatro métodos y ambos problemas. Estos programas permiten crear una red con un número de capas intermedias elegido por el usuario, que también elige el número de neuronas en cada capa, y ponerla a prueba. Además, el usuario puede elegir datos del entrenamiento como la tasa de aprendizaje o el tamaño de lote. Tras crear y entrenar las redes neuronales, sus parámetros se guardan, de manera que se pueden volver a cargar para reanudar el entrenamiento o realizar pruebas.
Utilizando los programas desarrollados para crear redes que resuelvan los problemas planteados, se comprueba que para el problema inicial los resultados son muy buenos. Todos los métodos son capaces de clasificar correctamente más del 97% de las imágenes, con el método completo superando el 99%. Esto indica que los métodos introducidos funcionan, aunque los resultados son peores que para el procedimiento estándar. Sin embargo, los tiempos de entrenamiento son mucho menores, debido a la gran diferencia en el número de parámetros.
En cuanto al problema de clasificación de dígitos, los resultados vuelven a ser positivos, ya que el peor método, el horizontal, logra clasificar correctamente el 83% de las imágenes, mientras que los métodos ajedrez y vertical superan el 90%, y el completo el 95%. En este caso la diferencia entre el rendimiento se agranda en comparación con el problema inicial, debido a la complejidad del problema.
Sin embargo, estos resultados confirman que los métodos son viables, y que pueden tener alguna utilidad en aplicaciones en las que el tiempo de clasificación (que también aumenta con el número de parámetros) tenga que ser lo más rápido posible, aunque se sacrifique rendimiento. Además, viendo las imágenes mal clasificadas, se observa que muchas son números escritos de maneras inusuales, de forma que incluso el ojo humano no puede distinguir de qué dígito se trata fácilmente.
Por último, en ambos problemas se ha encontrado una clara relación entre la tasa de aprendizaje y el tamaño de lote, de forma que el ratio entre estas determina la evolución del entrenamiento y los resultados obtenidos en la evaluación de las redes neuronales
Sensorización y control de un robot blando manipulador
No full textEn la actualidad, el desarrollo de nuevos robots que permitan realizar y automatizar cada vez más tareas se ha convertido en una prioridad en la industria robótica. Estas investigaciones se enfocan tanto en nuevos sistemas de control como en el diseño y fabricación de robots con nuevos materiales. Es así como surge hace aproximadamente 20 años un nuevos campo de la robótica: la robótica blanda o Soft Robotics.
Este nuevo tipo de robots surge con el objetivo de crear máquinas cuyas propiedades y comportamiento se asemejen a los organismos biológicos y tejidos blandos. Este nuevo enfoque se aleja completamente del concepto de robótica que se venía empleando en las épocas pasadas, pues no se usan para su construcción materiales rígidos.
Estos factores en su diseño y estructura les otorgan una gran ventaja: son capaces de interactuar de manera segura y eficiente con entornos cambiantes y complejos. Esto permite su uso en múltiples aplicaciones hasta ahora extremadamente complejas de realizar, como el trabajo con humanos o la adaptación a terrenos de difícil acceso para un robot móvil tradicional. Un ejemplo de esto último serían los escombros de un edificio o tuberías estrechas y serpenteantes.
Son todas estas potenciales aplicaciones para la sociedad las que motivan la investigación acerca de esta nueva tecnología, como es el caso de este proyecto. Así, el objetivo que presenta este Trabajo Fin de Grado es el de realizar sobre el diseño del Robot PAUL, fruto del trabajo de Adrián Rieker [1], un sistema de control en posición en cadena cerrada para uno de los segmentos que lo componen. Para ello se precisa además modificar ciertos aspectos del robot, como su diseño o proceso de fabricación, así como seleccionar y caracterizar el método de sensorización a emplear.
Cabe señalar que el Robot PAUL se compone de varios módulos blandos en serie, cada uno de los cuales es actuado mediante 3 vejigas neumáticas que, al deformarse por efecto del aire a presión que se introduce en ellas, consiguen modificar la forma del módulo. Para lograrlo, y debido a la falta de sensores de presión, la cantidad de aire comprimido introducido en cada módulo se regula mediante el tiempo de apertura de los circuitos de admisión y escape del aire. A este tiempo de apertura se le ha denominado como tiempo de actuación.
Para completar el bucle de control en cadena cerrado se han empleado unos sensores resistivos elastómeros comerciales (figura R1), fabricados por la empresa Adafruit [2]. Estos sensores permiten medir cambios en sus resistencias producidos por variaciones en su longitud. De esta forma, se mide de manera indirecta la deformación y forma final de cada uno de los segmentos del robot a los que están fijos.
Estas medidas se realizan gracias a un hardware específico de medición y monitoreo de parámetros eléctricos denominado INA3221. Este dispositivo permite obtener medidas de tensión, corriente y/o potencia con elevada precisión gracias a un filtro paso bajo y un convertidor analógico-digital. Además, cuenta con tres canales de medida, con lo que se pueden realizar mediciones de los tres sensores que incorpora cada segmento. Así, la técnica empleada consiste en alimentar mediante una fuente de tensión un divisor de tensiones compuesto por una resistencia fija y un sensor, lo que permite medir las variaciones de tensión que sufre el sensor cuando se produce la actuación y correspondiente deformación del segmento.
Asimismo, para la caracterización de los sensores se ha diseñado y construido un banco de pruebas (figura R2) que estira de manera constante y uniforme el sensor. De esta forma se puede extraer la relación entre la tensión medida y su variación de longitud. A su vez, para su fijación e implementación en el robot, se ha usado un sellador adhesivo de silicona denominado comercialmente DOWSIL 732.
Por su parte, el sistema de control emplea el diagrama de bloques de la figura R3 para que, mediante la introducción de un punto objetivo contenido en el espacio de trabajo del robot, se consiga mover dicho robot al punto deseado obteniendo un error mínimo. Este sistema surge como resultado de numerosas pruebas e iteraciones de búsqueda y perfeccionamiento del método de control adecuado. La justificación a este largo proceso es la complejidad presente en el modelado de los Soft Robots, pues su estructura continua y maleable les otorga una característica nunca vista en la robótica tradicional que es la inexistencia de cadena cinemática, o lo que es lo mismo, se podría considerar que estos robots presentan infinitos grados de libertad.
La resolución a este problema finalmente pasa por el entrenamiento de dos redes neuronales prealimentadas o feedfoward. En el caso de la primera de ellas (la denominada como NN1), transforma los valores de posición introducidos en tiempos de actuación objetivo, mientras que la segunda (NN2) convierte las mediciones de tensión en tiempos de actuación del robot. Así, se suprime la necesidad de un regulador multivariable.
Para su obtención, es necesario realizar el entrenamiento de las redes usando múltiples datos contenidos en datasets del comportamiento del robot. Así, se ha diseñado además un método de obtención de estos datos (tensiones, posiciones y tiempos) de forma automática, basado en el método de captura de posiciones por visión con computador ideado por Adrián Rieker [1]. Uno de los resultados de esta captura de datos se ve en la figura R4, que muestra el espacio de trabajo del robot.
Durante esta fase del proyecto, se observaron además múltiples problemas relacionados con el diseño y la fabricación del robot, como las numerosas fugas de aire que se producían. Es por ello que se acometieron como un objetivo adicional del trabajo modificaciones en el diseño, la programación y el proceso de fabricación del robot.
Finalmente, y tras las numerosas iteraciones de obtención de datos y diseño y entrenamiento de las redes, se procedió a realizar varias pruebas y experimentos para verificar el cumplimiento de los objetivos. Los resultados obtenidos fueron muy satisfactorios, logrando errores de en torno a los 5mm, obteniendo así un robot que incluso supera en precisión a otros robots similares desarrollados en la literatura. Con todo ello, el trabajo final realizado se puede ver en la figura R5