Realizzazione di riporti funzionalizzanti su superfici ceramiche per la produzione di energia elettrica mediante effetto fotovoltaico

This research, carried out during the PhD in Materials Engineering, deals with the creation of layers, with different functionality, deposited on a ceramic substrate, to obtain photovoltaic cells for electricity production. The research activities are included in the project PRRIITT, Measure 4 (Development of Networks), Action A (Research and Technology Transfer Laboratories), Thematic reference 3 (Advanced materials applications development), co-financed by the Emilia Romagna Region, for the creation of CECERBENCH laboratory, which aims to develop "Tiles with a functionalised surface”. The innovation lies in the study of materials and in the development of technologies to achieve a "photovoltaic surface", directly in the tiles production process. The goal is to preserve the technical characteristics, and to make available new surfaces, exploiting renewable energy sources. The realization of Building Integrated PhotoVoltaic (BIPV) is nowadays a more and more spread tendency. The aims of the research are essentially linked to the need to diversify the actual ceramic tile production (which is strongly present in the Emilia Romagna Region ), and to provide a higher added value to the tiles. Solar energy production is the primary objective of the functionalization, and has a relevant ecological impact, taking into account the overwhelming global energy demand. The specific activities of the PhD were carried out according to the achievement of scientific and technological objectives of CECERBENCH laboratory, and involved the collaboration in design solutions, to obtain the cells directly on the tiles surface. The author has managed personally a part of the research project. Layers with different features were made: - Electrically conductive layers, directly on the ceramic tiles surface; - Layers to obtain the photovoltaic functionality; - Electrically insulating, protective layers (double function). For each layer, the most suitable materials have been selected. Among the technical application, the screen printing was used. This technique, widely used in ceramics, has many application areas, including the electronics and photovoltaic industries. It is an inexpensive technique, easy to use in industrial production lines. The screen printing technique was therefore studied in depth by theoretical considerations, and through the use of rheological measurements.

Dimensionamento di invasi per il controllo dei deflussi nei bacini urbanizzati

Urbanization is a continuing phenomenon in all the world. Grasslands, forests, etc. are being continually changed to residential, commercial and industrial complexes, roads and streets, and so on. One of the side effects of urbanization with which engineers and planners must deal with, is the increase of peak flows and volumes of runoff from rainfall events. As a result, the urban drainage and flood control systems must be designed to accommodate the peak flows from a variety of storms that may occur. Usually the peak flow, after development, is required not to exceed what would have occurred from the same storm under conditions existing prior to development. In order to do this it is necessary to design detention storage to hold back runoff and to release it downstream at controlled rates. In the first part of the work have been developed various simplified formulations that can be adopted for the design of stormwater detention facilities. In order to obtain a simplified hydrograph were adopted two approaches: the kinematic routing technique and the linear reservoir schematization. For the two approaches have been also obtained other two formulations depending if the IDF (intensity-duration-frequency) curve is described with two or three parameters. Other formulations have been developed taking into account if the outlet have a constant discharge or it depends on the water level in the pond. All these formulations can be easily applied when are known the characteristics of the drainage system and maximum discharge that these is in the outlet and has been defined a Return Period which characterize the IDF curve. In this way the volume of the detention pond can be calculated. In the second part of the work have been analyzed the design of detention ponds adopting continuous simulation models. The drainage systems adopted for the simulations, performed with SWMM5, are fictitious systems characterized by different sizes, and different shapes of the catchments and with a rainfall historical time series of 16 years recorded in Bologna. This approach suffers from the fact that continuous record of rainfall is often not available and when it is, the cost of such modelling can be very expensive, and that the majority of design practitioners are not prepared to use continuous long term modelling in the design of stormwater detention facilities. In the third part of the work have been analyzed statistical and stochastic methodologies in order to define the volume of the detention pond. In particular have been adopted the results of the long term simulation, performed with SWMM, to obtain the data to apply statistic and stochastic formulation. All these methodologies have been compared and correction coefficient have been proposed on the basis of the statistic and stochastic form. In this way engineers which have to design a detention pond can apply a simplified procedure appropriately corrected with the proposed coefficient.

Polimeri tiofenici funzionali e loro applicazioni nel fotovoltaico

Recentemente, sempre più attenzione è stata rivolta all' utilizzo di coloranti organici come assorbitori di luce per la preparazione di strati fotoattivi in celle solari organiche (OPV). I coloranti organici presentano un'elevata abilità nella cattura della luce solare grazie all'elevato coefficiente di estinzione molare e buone proprietà fotofisiche. Per questi motivi sono eccellenti candidati per l'incremento della conversione fotoelettrica in OPV. In questa tesi viene descritta una nuova strategia per l'incorporazione di derivati porfirinici in catena laterale a copolimeri tiofenici. Gli studi svolti hanno dimostrato che poli(3-bromoesil)tiofene può essere variamente funzionalizzato con idrossitetrafenilporfirina (TPPOH), per l'ottenimento di copolimeri utilizzabili come materiali p-donatori nella realizzazione di OPV. I copolimeri poli[3-(6-bromoesil)tiofene-co-(3-[5-(4-fenossi)-10,15,20-trifenilporfirinil]esil tiofene] P[T6Br-co-T6TPP] contenenti differenti quantità di porfirina, sono stati sintetizzati sia con metodi non regiospecifici che regiospecifici, con lo scopo di confrontarene le proprietà e di verificare se la strutture macromolecolare che presenta una regiochimica di sostituzione sempre uguale, promuove o meno il trasporto della carica elettrica, migliorando di conseguenza l'efficienza. E' stato inoltre effettuato un ulteriore confronto tra questi derivati e derivati simili P[T6H-co-T6TPP] che non contengono l'atomo di bromo in catena laterale con lo scopo di verificare se l'assenza del gruppo reattivo, migliora o meno la stabilità termica e chimica dei film polimerici, agendo favorevolmete sulle performance dei dispositivi fotovoltaici. Tutti i copolimeri sono stati caratterizzati con differenti tecniche: spettroscopia NMR, FT-IR e UV-Vis, analisi termiche DSC e TGA, e GPC. Le celle solari Bulk Heterojunction, preparate utilizzando PCBM come materiale elettron-accettore e i copolimeri come materilai elettron-donatori, sono state testate utilizzando un multimetro Keithley e il Solar Simulator.

Influenza delle caratteristiche quali-quantitative della luce da fonti artificiali sulla fisio-morfologia di piante verdi per interior landscaping

La conoscenza delle esigenze luminose (intensità, spettro, durata minima, massima ed ottimale del fotoperiodo di illuminazione) e della tolleranza alle condizioni degli interni delle piante ad uso decorativo, è di fondamentale importanza per una giusta tecnica di progettazione (dimensionamento e dislocazione dei punti luce) dell’indoor plantscaping. Il lungo periodo di condizionamento al quale queste piante vengono sottoposte, caratterizzato principalmente dalla scarsa disponibilità di luce naturale e dagli alti livelli di concentrazione di CO2 determina una forte influenza sui processi morfo-fisiologici. Il presente studio analizza il fattore luminoso ed è articolato su più punti quali; • caratterizzazione della riposta fotosintetica all’intensità luminosa di 21 delle principali specie a fogliame decorativo comunemente utilizzate nella realizzazione degli spazi verdi indoor, per stabilire quali siano i minimi ed ottimali livelli di PAR tali da garantire una fotosintesi netta positiva e nel complesso le condizioni di maggior benessere per le piante; • quantificazione dell’incremento fotosintetico netto dovuto ad una maggior concentrazione di CO2 negli interni rispetto alla concentrazione CO2 atmosferica esterna, all’aumentare dell’ intensità luminosa artificiale sulle precedenti specie; • monitoraggio dell’andamento delle attività fotosintetiche durante il periodo di illuminazione di 8 ore comunemente utilizzato in un interno ad uso lavorativo, a PAR costante e variabile in Ficus elastica e Dieffenbachia picta, al fine di stabilire quali possano essere le durate e le modalità di somministrazione della luce per rendere massima la fotosintesi netta riducendo al minimo i consumi energetici dovuti all’accensione delle lampade; • valutazione della risposta morfo-fisiologica e fotosintetica a modificazioni dello spettro luminoso mediante l’uso di LED monocromatici colorati ad emissione nel bianco, blu e rosso in Ficus benjamina e Iresine herbistii al fine di stabilire se questo tipo di lampade possano essere utilizzate come fonte integrativa e/o sostitutiva nella realizzazione degli spazi verdi interni. Vengono analizzati il punto si compensazione alla luce (g), il punto di saturazione alla luce (s), l’efficienza quantica (AQE), il punto di respirazione al buio (Rd) e la fotosintesi netta massima (A max) per (Aglaonema commutatum, Asplenium nidus, Anthurium andreanum, Begonia rex, Calathea luoise, Calathea veitchiana, Calathea rufibarba, Calathea zebrina, Codiaeum variegatum, Cthenanthe oppenheimiana, Dieffenbakia picta, Ficus benjamina, Ficus elatica, Ficus longifolia, Fittonia verschaffeltii, Iresine herbistii, Philodendron erubescens, Philodendron pertusum, Potos aureus, Spathiphillum wallisi, Syngonium podophillum ) e classificate le specie in funzione di Amax in quattro categorie; A max < 2 µmol CO2 m-2 s-1, A max compresa tra 2 e 4 µmol CO2 m-2 s-1, Amax cpmpresa tra 4 e 6 µmol CO2 m-2 s-1, Amax > 6 µmol CO2 m-2 s-1, al fine di mettere in risalto la potenzialità fotosintetiche di ogni singola specie. I valori di PAR compresi tra (g) ed (s) forniscono le indicazioni sulle quali basarsi per scegliere una giusta lampada o dimensionare un punto luce per ogni singola specie e/o composizione. È stimata l’influenza di due livelli di concentrazione di CO2 ambientale (400 e 800 ppm) all’incrementare dell’intensità luminosa sul processo fotosintetico delle specie precedenti. Per quasi tutte le specie 800 ppm di CO2 non favoriscono nessun incremento all’attività fotosintetica ad eccezione di Ficus benjamina, Ficus elatica e Syngonium podophillum se non accompagnati da una disponibilità luminosa superiore alle 10 µmol m-2 s-1. Viene monitorato l’andamento dell’attività fotosintetica a PAR costante e variabile (intervallando periodi di 8 minuti a PAR 40 e 80) durante 8 ore di illuminazione su Ficus elastica e Dieffenbachia picta al fine di stabilire la miglior modalità di somministrazione della luce. La fotosintesi netta cumulativa per l’intera durata di illuminazione a PAR costante mostra un calo dopo alcune ore dall’attivazione in Dieffenbackia, e un andamento oscillatorio in Ficus. L’illuminazione alternata consente di raggiungere i quantitativi di CO2 organicata a 80 µmol m-2 s-1 di PAR, dopo 5 ore e mezza sia in Ficus che Dieffenbackia sebbene le potenzialità fotosintetiche delle due piante siano molto differenti. È stato valutato l’effetto dell’illuminazione artificiale mediante LED (15W) a luce bianca, blu e rossa monocromatica in rapporto alla luce neon(36W) bianca tradizionale (con differenti abbinamenti tra le lampade) sui principali parametri morfologici e fisiologici, in Ficus benjamin ‘Variegata’ e Iresine herbistii per verificare se tali fonti possono rappresentare una valida alternativa nella sostituzione o integrazione di altre lampade per gli spazi verdi indoor. Tutte le combinazioni LED indagate possono rappresentare un’alternativa di sostituzione alla coltivazione con neon ed un risparmio energetico di oltre il 50%. Una PAR di 20,6 µmol m-2 s-1 della singola lampada LED bianco è sufficiente per mantenere la pianta in condizioni di sopravvivenza con un consumo di 15W a fronte dei 36W necessari per il funzionamento di ogni neon. La combinazione LED bianco + LED blu monocromatico favorisce il contenimento della taglia della pianta, caratteristica gradita nella fase di utilizzo indoor, una maggior produzione di sostanza secca e un’attività fotosintetica più elevata.

Studio Concettuale, Progettazione e Realizzazione di un Nuovo Rotatore Omerale per Protesi Mioelettriche di Arto Superiore

L’attività della tesi riguarda le protesi mioelettriche, gli arti protesici maggiormente diffusi, le quali sono descrivibili come arti robotici in cui i segmenti artificiali sono attuati da giunti elettromeccanici alimentati da batterie ricaricabili ed attivati mediante segnali elettromiografici (segnali elettrici generati dalla contrazione dei muscoli). Tali protesi di arto superiore attualmente disponibili in commercio potrebbero essere inadeguate per una riabilitazione soddisfacente di alcuni pazienti con una amputazione di alto livello che richiedono una elevata funzionalità nella vita quotidiana. In questo contesto si inserisce l’attività di ricerca del Centro Protesi INAIL di Budrio di Vigorso, Bologna, e dell’Università di Bologna i quali stanno sviluppando nuovi arti protesici con il progetto a lungo termine di rendere disponibili svariate soluzioni di protesi di arto superiore in grado di soddisfare la maggior parte delle richieste degli amputati. Lo scopo di questa tesi è l’introduzione di un nuovo rotatore omerale attivo da integrare alla protesi di arto superiore disponibile presso i nostri laboratori. Per ottenere questo risultato è stata utilizzata una procedura di progettazione già consolidata in attività precedenti per lo sviluppo di una protesi di spalla a due gradi di libertà. Differenti modelli cinematici sono stati studiati tramite analisi cinematiche per determinare l’incremento delle prestazioni a seguito dell’introduzione del nuovo rotatore omerale attivo. Sono state inoltre condotte analisi cinetostatiche per definire le specifiche tecniche di riferimento (in termini di carichi agenti sul rotatore omerale) e per guidare il dimensionamento della catena di trasmissione di potenza del nuovo dispositivo protesico. Ulteriori specifiche tecniche sono state considerate per garantire l’irreversibilità spontanea del moto sotto carichi esterni (quando i giunti attivi della protesi non sono alimentati), per salvaguardare l’incolumità del paziente in caso di caduta, per misurare la posizione angolare del rotatore omerale (in modo da implementare strategie di controllo in retroazione) e per limitare i consumi e la rumorosità del dispositivo. Uno studio di fattibilità ha permesso la selezione della architettura ottimale della catena di trasmissione di potenza per il nuovo rotatore omerale. I criteri di scelta sono stati principalmente la limitazione del peso e dell’ingombro del nuovo dispositivo protesico. Si è quindi proceduto con la progettazione di dettaglio alla quale è seguita la costruzione di un prototipo del nuovo rotatore omerale presso i nostri laboratori. La tesi tratta infine una attività preliminare di sperimentazione che ha permesso di fare considerazioni sulle prestazioni del prototipo ed osservazioni importanti per le successive attività di revisione ed ottimizzazione del progetto del rotatore omerale.

Aspetti di sostenibilità in agricoltura a diverse scale spaziali e temporali. Valutazioni ambientali, economiche ed energetiche.

La Tesi analizza le relazioni tra i processi di sviluppo agricolo e l’uso delle risorse naturali, in particolare di quelle energetiche, a livello internazionale (paesi in via di sviluppo e sviluppati), nazionale (Italia), regionale (Emilia Romagna) e aziendale, con lo scopo di valutare l’eco-efficienza dei processi di sviluppo agricolo, la sua evoluzione nel tempo e le principali dinamiche in relazione anche ai problemi di dipendenza dalle risorse fossili, della sicurezza alimentare, della sostituzione tra superfici agricole dedicate all’alimentazione umana ed animale. Per i due casi studio a livello macroeconomico è stata adottata la metodologia denominata “SUMMA” SUstainability Multi-method, multi-scale Assessment (Ulgiati et al., 2006), che integra una serie di categorie d’impatto dell’analisi del ciclo di vita, LCA, valutazioni costi-benefici e la prospettiva di analisi globale della contabilità emergetica. L’analisi su larga scala è stata ulteriormente arricchita da un caso studio sulla scala locale, di una fattoria produttrice di latte e di energia elettrica rinnovabile (fotovoltaico e biogas). Lo studio condotto mediante LCA e valutazione contingente ha valutato gli effetti ambientali, economici e sociali di scenari di riduzione della dipendenza dalle fonti fossili. I casi studio a livello macroeconomico dimostrano che, nonostante le politiche di supporto all’aumento di efficienza e a forme di produzione “verdi”, l’agricoltura a livello globale continua ad evolvere con un aumento della sua dipendenza dalle fonti energetiche fossili. I primi effetti delle politiche agricole comunitarie verso una maggiore sostenibilità sembrano tuttavia intravedersi per i Paesi Europei. Nel complesso la energy footprint si mantiene alta poiché la meccanizzazione continua dei processi agricoli deve necessariamente attingere da fonti energetiche sostitutive al lavoro umano. Le terre agricole diminuiscono nei paesi europei analizzati e in Italia aumentando i rischi d’insicurezza alimentare giacché la popolazione nazionale sta invece aumentando.