Tecnologías fotónicas y modelos matemáticos para alumbrado inteligente y eficiencia energética

Abstract

La presente tesis doctoral ha sido realizada a lo largo de los últimos años en el el grupo de Ingeniería Física del campus de Ourense de la Universidad de Vigo, siguiendo las líneas de investigación del grupo más orientadas a la transferencia de conocimiento hacia sectores productivos del tejido empresarial circundante. En particular, el objetivo principal ha sido el desarrollo de tecnologías y métodos computacionales para generar innovación en el sector de la iluminación. Los resultados del presente trabajo dieron lugar a un modelo de utilidad que fue el germen de ERH Illumnia, la primera empresa de base tecnológica creada en el campus de Ourense, fundada en el año 2014 y que sigue desarrollando su actividad en diversos proyectos relacionados con la eficiencia energética. Asimismo, los resultados de la investigación han dado lugar a tres artículos en revistas del Journal of Citation Reports y a diversas ponencias en conferencias nacionales e internacionales. Otro hito de interés ha sido la colaboración con el INL (International Iberian Nanotechnology Laboratory) de Braga en el proyecto europeo “Nanoeaters” dentro del programa POCTEP (“Programa Operativo de Cooperación Transfronteriza España-Portugal") con el fin de desarrollar tecnologías de iluminación inteligente. El presente documento se estructura en tres partes. La primera parte pretende dar una introducción al concepto de iluminación inteligente con luminarias LED (light-emitting diode, en inglés) en el contexto del Internet de las Cosas (IoT ó Internet of Things, en inglés ). Se describen brevemente los protocolos de comunicación de interés para este tipo de proyectos y se explica también el potencial de este enfoque, su interés para el mercado y los desarrollos que están llevando a cabo distintas empresas en el mundo. La segunda parte incluye el núcleo del presente trabajo de tesis y los resultados de la investigación e innovación en relación con el alumbrado público. Se comienza con la discusión de un diseño de disipador pasivo de calor que se puede instalar en luminarias para evitar que el chip LED alcance temperaturas que pueden perjudicar su funcionamiento. El sistema fue diseñado, fabricado e instalado en las luminarias del campus de Ourense,que todavía funcionan como sistema de alumbrado exterior actual, habiendo operado sin ningún fallo hasta la fecha. Este diseño dio lugar a un modelo de utilidad para poder ser comercializado. Asimismo, se analizó el rendimiento del disipador con experimentos en laboratorio y distintos métodos computacionales, lo que dio lugar a las publicaciones. Seguidamente, se presentan los resultados de un estudio análogo para otras luminarias comerciales que dio lugar a la publicación. Por último, se describe el proyecto de iluminación inteligente llevado a cabo en el contexto del proyecto Nanoeaters (todavía en desarrollo). Se discuten los elementos fundamentales (chips, sensores, ordenador central) usados para fabricar los prototipos y se dan detalles sobre el software desarrollado para controlar el sistema. Este trabajo ha permitido instalar los prototipos en el propio campus de Ourense, utilizando las luminarias para medir y transmitir en tiempo real los valores de diversas variables ambientales. Se ha escrito también un artículo que está en estos momentos en proceso de revisión. Finalmente, la tercera parte versa sobre la eficiencia energética en edificios. Aun abordando un tema diferente al resto de la tesis, está claro que hay una estrecha relación, dado que la estrategia y tecnologías de sensado, comunicación y modelización que se emplean en iluminación inteligente se puede extrapolar a este problema. De modo análogo al caso de iluminación, se emplean técnicas electrónicas de bajo coste que, combinadas con adecuados algoritmos matemáticos, permiten disponer de un sistema de de adquisición, transmisión y procesado de determinados datos. Este trabajo dio lugar a una publicación en la prestigiosa revista Applied Energy. En esta tesis se consideran pues diversas soluciones tecnológicas relacionados con la monitorización en tiempo real de diversas variables y la predicción de tendencias a partir de datos de IoT recopilados y procesados adecuadamente. Se proponen respuestas concretas a dichos desafíos haciendo uso de las tecnologías de habilitación de IoT que ofrece el mercado actual y otras que podrían ser comercializadas en un futuro cercano. Las soluciones desarrolladas parten de ciertos dispositivos físicos pero pueden ser ampliadas a escalas más generales pues para los modelos matemáticos asociados solamente se requieren los datos recopilados por los sensores para poder realizar predicciones del estado de los sistemas monitorizados.