Progetto e valutazione di una piattaforma sperimentale di Internet of Energy per veicoli elettrici

This dissertation deals with the development of a project concerning a demonstration in the scope of the Supply Chain 6 of the Internet of Energy (IoE) project: the Remote Monitoring Emulator, which bears my personal contribution in several sections. IoE is a project of international relevance, that means to establish an interoperability standard as regards the electric power production and utilization infrastructure, using Smart Space platforms. The future perspectives of IoE have to do with a platform for electrical power trade-of, the Smart Grid, whose energy is produced by decentralized renewable sources and whose services are exploited primarily according to the Internet of Things philosophy. The main consumers of this kind of smart technology will be Smart Houses (that is to say, buildings controlled by an autonomous system for electrical energy management that is interoperable with the Smart Grid) and Electric Mobility, that is a smart and automated management regarding movement and, overall, recharging of electrical vehicles. It is precisely in the latter case study that the project Remote Monitoring Emulator takes place. It consists in the development of a simulated platform for the management of an electrical vehicle recharging in a city. My personal contribution to this project lies in development and modeling of the simulation platform, of its counterpart in a mobile application and implementation of a city service prototype. This platform shall, ultimately, make up a demonstrator system exploiting the same device which a real user, inside his vehicle, would use. The main requirements that this platform shall satisfy will be interoperability, expandability and relevance to standards, as it needs to communicate with other development groups and to effectively respond to internal changes that can affect IoE.

Progettazione, caratterizzazione e calibrazione di un sensore di tensione contactless per smart metering

Progettazione di un sistema di misura contactless per la tensione, da integrare in un nodo sensore di una Wireless Sensor Network per Smart Metering Distribuito

Ottimizzazione stocastica di una microrete con tecnologia "vehicle-to-grid"

La presente tesi ha come obiettivo quello di sviluppare un modello per la gestione ottimizzata delle unità di generazione e di accumulo di una microrete elettrica. La tesi analizza, come caso studio di riferimento, una microrete contenente impianti di generazione da fonti rinnovabili, sistemi di accumulo a batteria (BES:Battery Energy System) e stazioni di ricarica per veicoli elettrici. In particolare le stazioni di ricarica sono a flusso bidirezionale, in grado di fornire servizi di tipo "grid-to-vehicle"(G2V) e "vehicle-to-grid" (V2G). Il modello consente di definire, come sistema di dispacciamento centrale, le potenze che le varie risorse distribuite devono erogare o assorbire nella rete nelle 24 ore successive. Il dispacciamento avviene mediante risoluzione di un problema di minimizzazione dei costi operativi e dell'energia prelevata dalla rete esterna. Il problema è stato formulato tramite l'approccio di programmazione stocastica lineare dove i parametri incerti del modello sono modellizzati tramite processi stocastici. L'implementazione del modello è stata effettuata tramite il software AIMMS, un programma di ottimizzazione che prevede al suo interno delle funzionalità specifiche per la programmazione stocastica

Impatto della propagazione elettromagnetica sulle prestazioni delle reti M3N

Con il termine Smart Grid si intende una rete urbana capillare che trasporta energia, informazione e controllo, composta da dispositivi e sistemi altamente distribuiti e cooperanti. Essa deve essere in grado di orchestrare in modo intelligente le azioni di tutti gli utenti e dispositivi connessi al fine di distribuire energia in modo sicuro, efficiente e sostenibile. Questo connubio fra ICT ed Energia viene comunemente identificato anche con il termine Smart Metering, o Internet of Energy. La crescente domanda di energia e l’assoluta necessità di ridurre gli impatti ambientali (pacchetto clima energia 20-20-20 [9]), ha creato una convergenza di interessi scientifici, industriali e politici sul tema di come le tecnologie ICT possano abilitare un processo di trasformazione strutturale di ogni fase del ciclo energetico: dalla generazione fino all’accumulo, al trasporto, alla distribuzione, alla vendita e, non ultimo, il consumo intelligente di energia. Tutti i dispositivi connessi, diventeranno parte attiva di un ciclo di controllo esteso alle grandi centrali di generazione così come ai comportamenti dei singoli utenti, agli elettrodomestici di casa, alle auto elettriche e ai sistemi di micro-generazione diffusa. La Smart Grid dovrà quindi appoggiarsi su una rete capillare di comunicazione che fornisca non solo la connettività fra i dispositivi, ma anche l’abilitazione di nuovi servizi energetici a valore aggiunto. In questo scenario, la strategia di comunicazione sviluppata per lo Smart Metering dell’energia elettrica, può essere estesa anche a tutte le applicazioni di telerilevamento e gestione, come nuovi contatori dell’acqua e del gas intelligenti, gestione dei rifiuti, monitoraggio dell’inquinamento dell’aria, monitoraggio del rumore acustico stradale, controllo continuo del sistema di illuminazione pubblico, sistemi di gestione dei parcheggi cittadini, monitoraggio del servizio di noleggio delle biciclette, ecc. Tutto ciò si prevede possa contribuire alla progettazione di un unico sistema connesso, dove differenti dispositivi eterogenei saranno collegati per mettere a disposizione un’adeguata struttura a basso costo e bassa potenza, chiamata Metropolitan Mesh Machine Network (M3N) o ancora meglio Smart City. Le Smart Cities dovranno a loro volta diventare reti attive, in grado di reagire agli eventi esterni e perseguire obiettivi di efficienza in modo autonomo e in tempo reale. Anche per esse è richiesta l’introduzione di smart meter, connessi ad una rete di comunicazione broadband e in grado di gestire un flusso di monitoraggio e controllo bi-direzionale esteso a tutti gli apparati connessi alla rete elettrica (ma anche del gas, acqua, ecc). La M3N, è un’estensione delle wireless mesh network (WMN). Esse rappresentano una tecnologia fortemente attesa che giocherà un ruolo molto importante nelle futura generazione di reti wireless. Una WMN è una rete di telecomunicazione basata su nodi radio in cui ci sono minimo due percorsi che mettono in comunicazione due nodi. E’ un tipo di rete robusta e che offre ridondanza. Quando un nodo non è più attivo, tutti i rimanenti possono ancora comunicare tra di loro, direttamente o passando da uno o più nodi intermedi. Le WMN rappresentano una tipologia di rete fondamentale nel continuo sviluppo delle reti radio che denota la divergenza dalle tradizionali reti wireless basate su un sistema centralizzato come le reti cellulari e le WLAN (Wireless Local Area Network). Analogamente a quanto successo per le reti di telecomunicazione fisse, in cui si è passati, dalla fine degli anni ’60 ai primi anni ’70, ad introdurre schemi di rete distribuite che si sono evolute e man mano preso campo come Internet, le M3N promettono di essere il futuro delle reti wireless “smart”. Il primo vantaggio che una WMN presenta è inerente alla tolleranza alla caduta di nodi della rete stessa. Diversamente da quanto accade per una rete cellulare, in cui la caduta di una Base Station significa la perdita di servizio per una vasta area geografica, le WMN sono provviste di un’alta tolleranza alle cadute, anche quando i nodi a cadere sono più di uno. L'obbiettivo di questa tesi è quello di valutare le prestazioni, in termini di connettività e throughput, di una M3N al variare di alcuni parametri, quali l’architettura di rete, le tecnologie utilizzabili (quindi al variare della potenza, frequenza, Building Penetration Loss…ecc) e per diverse condizioni di connettività (cioè per diversi casi di propagazione e densità abitativa). Attraverso l’uso di Matlab, è stato quindi progettato e sviluppato un simulatore, che riproduce le caratteristiche di una generica M3N e funge da strumento di valutazione delle performance della stessa. Il lavoro è stato svolto presso i laboratori del DEIS di Villa Grifone in collaborazione con la FUB (Fondazione Ugo Bordoni).

Impianti per la generazione distribuita di biometano e per l'immissione nelle reti di distribuzione del gas naturale.

Studio dell'avvento di nuove realtà produttive energetiche da fonti rinnovabili nel settore del gas naturale. Il settore analizzato risulta quello relativo all'allacciamento di impianti di produzione di biometano alla rete del gas naturale. La finalità è la valutazione degli effetti della generazione distribuita di biometano nel futuro sistema del gas naturale (Smart Grid Gas) in termini di progettazione e conduzione del sistema nel suo complesso.

Controllo della tensione della rete di distribuzione in media tensione tramite comunicazione diretta con la generazione distribuita.

Le attività riguardanti la mia tesi sono state svolte presso Hera S.p.A.. Hera ha iniziato nel 2013 un progetto sperimentale di implementazione di tecnologie cosiddette smart grid su una porzione di rete gestita. Il progetto di Hera si focalizza su diversi aspetti riguardanti sia l’automazione della rete MT, ai fini della riduzione del tempo necessario per individuare il guasto in linea, sia su aspetti riguardanti la regolazione della tensione. In particolare la mia attività di tesi si è incentrata sugli aspetti riguardanti la regolazione della tensione, partendo da una panoramica di quelli che sono ad oggi i metodi più diffusi di regolazione della tensione agendo essenzialmente sul regolatore sotto carico del trasformatore AT/MT presente in cabina primaria e descrivendo quello che è invece il metodo analizzato nel dimostrativo di Hera. In particolare mi sono soffermato sulla regolazione di tensione realizzata con il supporto dei generatori distribuiti connessi alla rete MT di Hera i quali possono, nei limiti delle loro capability, intervenire all’occorrenza assorbendo od erogando potenza reattiva. Il supporto dei generatori distribuiti può essere richiesto qualora la regolazione realizzata con la variazione del commutatore sottocarico del trasformatore in cabina primaria non sia sufficiente per ottenere il risultato desiderato. Appare sin d’ora evidente che questo tipo di regolazione presuppone l’esistenza di una infrastruttura di comunicazione tra il centro operativo del distributore e il campo, inteso come i nodi su cui sono connessi i generatori. Nell’ambito del dimostrativo Hera ha quindi progettato e sta ora realizzando l’infrastruttura di comunicazione che permette la comunicazione del centro di telecontrollo con i generatori. Questa infrastruttura ha caratteristiche particolarmente performanti non tanto per conseguire gli scopi della regolazione, che comunque non necessitano di tempi di latenza eccessivamente stringenti, quanto piuttosto per implementare un’automazione di rete veloce che permette di evitare la disalimentazione degli utenti a monte di guasto attraverso una selezione rapida e intelligente del ramo guasto.

Numerical simulation of interdigitated back contact hetero-junction solar cells

The goal of this thesis is the application of an opto-electronic numerical simulation to heterojunction silicon solar cells featuring an all back contact architecture (Interdigitated Back Contact Hetero-Junction IBC-HJ). The studied structure exhibits both metal contacts, emitter and base, at the back surface of the cell with the objective to reduce the optical losses due to the shadowing by front contact of conventional photovoltaic devices. Overall, IBC-HJ are promising low-cost alternatives to monocrystalline wafer-based solar cells featuring front and back contact schemes, in fact, for IBC-HJ the high concentration doping diffusions are replaced by low-temperature deposition processes of thin amorphous silicon layers. Furthermore, another advantage of IBC solar cells with reference to conventional architectures is the possibility to enable a low-cost assembling of photovoltaic modules, being all contacts on the same side. A preliminary extensive literature survey has been helpful to highlight the specific critical aspects of IBC-HJ solar cells as well as the state-of-the-art of their modeling, processing and performance of practical devices. In order to perform the analysis of IBC-HJ devices, a two-dimensional (2-D) numerical simulation flow has been set up. A commercial device simulator based on finite-difference method to solve numerically the whole set of equations governing the electrical transport in semiconductor materials (Sentuarus Device by Synopsys) has been adopted. The first activity carried out during this work has been the definition of a 2-D geometry corresponding to the simulation domain and the specification of the electrical and optical properties of materials. In order to calculate the main figures of merit of the investigated solar cells, the spatially resolved photon absorption rate map has been calculated by means of an optical simulator. Optical simulations have been performed by using two different methods depending upon the geometrical features of the front interface of the solar cell: the transfer matrix method (TMM) and the raytracing (RT). The first method allows to model light prop-agation by plane waves within one-dimensional spatial domains under the assumption of devices exhibiting stacks of parallel layers with planar interfaces. In addition, TMM is suitable for the simulation of thin multi-layer anti reflection coating layers for the reduction of the amount of reflected light at the front interface. Raytracing is required for three-dimensional optical simulations of upright pyramidal textured surfaces which are widely adopted to significantly reduce the reflection at the front surface. The optical generation profiles are interpolated onto the electrical grid adopted by the device simulator which solves the carriers transport equations coupled with Poisson and continuity equations in a self-consistent way. The main figures of merit are calculated by means of a postprocessing of the output data from device simulation. After the validation of the simulation methodology by means of comparison of the simulation result with literature data, the ultimate efficiency of the IBC-HJ architecture has been calculated. By accounting for all optical losses, IBC-HJ solar cells result in a theoretical maximum efficiency above 23.5% (without texturing at front interface) higher than that of both standard homojunction crystalline silicon (Homogeneous Emitter HE) and front contact heterojuction (Heterojunction with Intrinsic Thin layer HIT) solar cells. However it is clear that the criticalities of this structure are mainly due to the defects density and to the poor carriers transport mobility in the amorphous silicon layers. Lastly, the influence of the most critical geometrical and physical parameters on the main figures of merit have been investigated by applying the numerical simulation tool set-up during the first part of the present thesis. Simulations have highlighted that carrier mobility and defects level in amorphous silicon may lead to a potentially significant reduction of the conversion efficiency.

Simulation of visible light communications in vehicular networks

The rapid development in the field of lighting and illumination allows low energy consumption and a rapid growth in the use, and development of solid-state sources. As the efficiency of these devices increases and their cost decreases there are predictions that they will become the dominant source for general illumination in the short term. The objective of this thesis is to study, through extensive simulations in realistic scenarios, the feasibility and exploitation of visible light communication (VLC) for vehicular ad hoc networks (VANETs) applications. A brief introduction will introduce the new scenario of smart cities in which visible light communication will become a fundamental enabling technology for the future communication systems. Specifically, this thesis focus on the acquisition of several, frequent, and small data packets from vehicles, exploited as sensors of the environment. The use of vehicles as sensors is a new paradigm to enable an efficient environment monitoring and an improved traffic management. In most cases, the sensed information must be collected at a remote control centre and one of the most challenging aspects is the uplink acquisition of data from vehicles. My thesis discusses the opportunity to take advantage of short range vehicle-to-vehicle (V2V) and vehicle-to-roadside (V2R) communications to offload the cellular networks. More specifically, it discusses the system design and assesses the obtainable cellular resource saving, by considering the impact of the percentage of vehicles equipped with short range communication devices, of the number of deployed road side units, and of the adopted routing protocol. When short range communications are concerned, WAVE/IEEE 802.11p is considered as standard for VANETs. Its use together with VLC will be considered in urban vehicular scenarios to let vehicles communicate without involving the cellular network. The study is conducted by simulation, considering both a simulation platform (SHINE, simulation platform for heterogeneous interworking networks) developed within the Wireless communication Laboratory (Wilab) of the University of Bologna and CNR, and network simulator (NS3). trying to realistically represent all the wireless network communication aspects. Specifically, simulation of vehicular system was performed and introduced in ns-3, creating a new module for the simulator. This module will help to study VLC applications in VANETs. Final observations would enhance and encourage potential research in the area and optimize performance of VLC systems applications in the future.

Integration of a simulation platform for electrical mobility within the arrowhead interoperability framework

This dissertation document deals with the development of a project, over a span of more than two years, carried out within the scope of the Arrowhead Framework and which bears my personal contribution in several sections. The final part of the project took place during a visiting period at the university of Luleå. The Arrowhead Project is an European project, belonging to the ARTEMIS association, which aims to foster new technologies and unify the access to them into an unique framework. Such technologies include the Internet of Things phe- nomenon, Smart Houses, Electrical Mobility and renewable energy production. An application is considered compliant with such framework when it respects the Service Oriented Architecture paradigm and it is able to interact with a set of defined components called Arrowhead Core Services. My personal contribution to this project is given by the development of several user-friendly API, published in the project's main repository, and the integration of a legacy system within the Arrowhead Framework. The implementation of this legacy system was initiated by me in 2012 and, after many improvements carried out by several developers in UniBO, it has been again significantly modified this year in order to achieve compatibility. The system consists of a simulation of an urban scenario where a certain amount of electrical vehicles are traveling along their specified routes. The vehicles are con-suming their battery and, thus, need to recharge at the charging stations. The electrical vehicles need to use a reservation mechanism to be able to recharge and avoid waiting lines, due to the long recharge process. The integration with the above mentioned framework consists in the publication of the services that the system provides to the end users through the instantiation of several Arrowhead Service Producers, together with a demo Arrowhead- compliant client application able to consume such services.

Testing of subgrid scale (SGS) models for large-eddy simulation (LES) of turbulent channel flow

Sub-grid scale (SGS) models are required in order to model the influence of the unresolved small scales on the resolved scales in large-eddy simulations (LES), the flow at the smallest scales of turbulence. In the following work two SGS models are presented and deeply analyzed in terms of accuracy through several LESs with different spatial resolutions, i.e. grid spacings. The first part of this thesis focuses on the basic theory of turbulence, the governing equations of fluid dynamics and their adaptation to LES. Furthermore, two important SGS models are presented: one is the Dynamic eddy-viscosity model (DEVM), developed by \cite{germano1991dynamic}, while the other is the Explicit Algebraic SGS model (EASSM), by \cite{marstorp2009explicit}. In addition, some details about the implementation of the EASSM in a Pseudo-Spectral Navier-Stokes code \cite{chevalier2007simson} are presented. The performance of the two aforementioned models will be investigated in the following chapters, by means of LES of a channel flow, with friction Reynolds numbers $Re_\tau=590$ up to $Re_\tau=5200$, with relatively coarse resolutions. Data from each simulation will be compared to baseline DNS data. Results have shown that, in contrast to the DEVM, the EASSM has promising potentials for flow predictions at high friction Reynolds numbers: the higher the friction Reynolds number is the better the EASSM will behave and the worse the performances of the DEVM will be. The better performance of the EASSM is contributed to the ability to capture flow anisotropy at the small scales through a correct formulation for the SGS stresses. Moreover, a considerable reduction in the required computational resources can be achieved using the EASSM compared to DEVM. Therefore, the EASSM combines accuracy and computational efficiency, implying that it has a clear potential for industrial CFD usage.

A Collaborative Mobile Crowdsensing System for Smart Cities

Nowadays words like Smart City, Internet of Things, Environmental Awareness surround us with the growing interest of Computer Science and Engineering communities. Services supporting these paradigms are definitely based on large amounts of sensed data, which, once obtained and gathered, need to be analyzed in order to build maps, infer patterns, extract useful information. Everything is done in order to achieve a better quality of life. Traditional sensing techniques, like Wired or Wireless Sensor Network, need an intensive usage of distributed sensors to acquire real-world conditions. We propose SenSquare, a Crowdsensing approach based on smartphones and a central coordination server for time-and-space homogeneous data collecting. SenSquare relies on technologies such as CoAP lightweight protocol, Geofencing and the Military Grid Reference System.