Analytic design method for optimal imaging: coupling three ray sets using two free-form lens profiles

In this work, a new two-dimensional optics design method is proposed that enables the coupling of three ray sets with two lens surfaces. The method is especially important for optical systems designed for wide field of view and with clearly separated optical surfaces. Fermat’s principle is used to deduce a set of functional differential equations fully describing the entire optical system. The presented general analytic solution makes it possible to calculate the lens profiles. Ray tracing results for calculated 15th order Taylor polynomials describing the lens profiles demonstrate excellent imaging performance and the versatility of this new analytic design method.

Analytic free-form lens design in 3D: coupling three ray sets using two lens surfaces

The two-dimensional analytic optics design method presented in a previous paper [Opt. Express 20, 5576–5585 (2012)] is extended in this work to the three-dimensional case, enabling the coupling of three ray sets with two free-form lens surfaces. Fermat’s principle is used to deduce additional sets of functional differential equations which make it possible to calculate the lens surfaces. Ray tracing simulations demonstrate the excellent imaging performance of the resulting free-form lenses described by more than 100 coefficients.

Dizionario geografico, storico, statistico, commerciale degli stati di S.M. il re di Sardegna.

Contains biographical material.

Sviluppo e Applicazione di Metodologie per l'Ottimizzazione di Sistemi Energetici

La riduzione dei consumi di combustibili fossili e lo sviluppo di tecnologie per il risparmio energetico sono una questione di centrale importanza sia per l’industria che per la ricerca, a causa dei drastici effetti che le emissioni di inquinanti antropogenici stanno avendo sull’ambiente. Mentre un crescente numero di normative e regolamenti vengono emessi per far fronte a questi problemi, la necessità di sviluppare tecnologie a basse emissioni sta guidando la ricerca in numerosi settori industriali. Nonostante la realizzazione di fonti energetiche rinnovabili sia vista come la soluzione più promettente nel lungo periodo, un’efficace e completa integrazione di tali tecnologie risulta ad oggi impraticabile, a causa sia di vincoli tecnici che della vastità della quota di energia prodotta, attualmente soddisfatta da fonti fossili, che le tecnologie alternative dovrebbero andare a coprire. L’ottimizzazione della produzione e della gestione energetica d’altra parte, associata allo sviluppo di tecnologie per la riduzione dei consumi energetici, rappresenta una soluzione adeguata al problema, che può al contempo essere integrata all’interno di orizzonti temporali più brevi. L’obiettivo della presente tesi è quello di investigare, sviluppare ed applicare un insieme di strumenti numerici per ottimizzare la progettazione e la gestione di processi energetici che possa essere usato per ottenere una riduzione dei consumi di combustibile ed un’ottimizzazione dell’efficienza energetica. La metodologia sviluppata si appoggia su un approccio basato sulla modellazione numerica dei sistemi, che sfrutta le capacità predittive, derivanti da una rappresentazione matematica dei processi, per sviluppare delle strategie di ottimizzazione degli stessi, a fronte di condizioni di impiego realistiche. Nello sviluppo di queste procedure, particolare enfasi viene data alla necessità di derivare delle corrette strategie di gestione, che tengano conto delle dinamiche degli impianti analizzati, per poter ottenere le migliori prestazioni durante l’effettiva fase operativa. Durante lo sviluppo della tesi il problema dell’ottimizzazione energetica è stato affrontato in riferimento a tre diverse applicazioni tecnologiche. Nella prima di queste è stato considerato un impianto multi-fonte per la soddisfazione della domanda energetica di un edificio ad uso commerciale. Poiché tale sistema utilizza una serie di molteplici tecnologie per la produzione dell’energia termica ed elettrica richiesta dalle utenze, è necessario identificare la corretta strategia di ripartizione dei carichi, in grado di garantire la massima efficienza energetica dell’impianto. Basandosi su un modello semplificato dell’impianto, il problema è stato risolto applicando un algoritmo di Programmazione Dinamica deterministico, e i risultati ottenuti sono stati comparati con quelli derivanti dall’adozione di una più semplice strategia a regole, provando in tal modo i vantaggi connessi all’adozione di una strategia di controllo ottimale. Nella seconda applicazione è stata investigata la progettazione di una soluzione ibrida per il recupero energetico da uno scavatore idraulico. Poiché diversi layout tecnologici per implementare questa soluzione possono essere concepiti e l’introduzione di componenti aggiuntivi necessita di un corretto dimensionamento, è necessario lo sviluppo di una metodologia che permetta di valutare le massime prestazioni ottenibili da ognuna di tali soluzioni alternative. Il confronto fra i diversi layout è stato perciò condotto sulla base delle prestazioni energetiche del macchinario durante un ciclo di scavo standardizzato, stimate grazie all’ausilio di un dettagliato modello dell’impianto. Poiché l’aggiunta di dispositivi per il recupero energetico introduce gradi di libertà addizionali nel sistema, è stato inoltre necessario determinare la strategia di controllo ottimale dei medesimi, al fine di poter valutare le massime prestazioni ottenibili da ciascun layout. Tale problema è stato di nuovo risolto grazie all’ausilio di un algoritmo di Programmazione Dinamica, che sfrutta un modello semplificato del sistema, ideato per lo scopo. Una volta che le prestazioni ottimali per ogni soluzione progettuale sono state determinate, è stato possibile effettuare un equo confronto fra le diverse alternative. Nella terza ed ultima applicazione è stato analizzato un impianto a ciclo Rankine organico (ORC) per il recupero di cascami termici dai gas di scarico di autovetture. Nonostante gli impianti ORC siano potenzialmente in grado di produrre rilevanti incrementi nel risparmio di combustibile di un veicolo, è necessario per il loro corretto funzionamento lo sviluppo di complesse strategie di controllo, che siano in grado di far fronte alla variabilità della fonte di calore per il processo; inoltre, contemporaneamente alla massimizzazione dei risparmi di combustibile, il sistema deve essere mantenuto in condizioni di funzionamento sicure. Per far fronte al problema, un robusto ed efficace modello dell’impianto è stato realizzato, basandosi sulla Moving Boundary Methodology, per la simulazione delle dinamiche di cambio di fase del fluido organico e la stima delle prestazioni dell’impianto. Tale modello è stato in seguito utilizzato per progettare un controllore predittivo (MPC) in grado di stimare i parametri di controllo ottimali per la gestione del sistema durante il funzionamento transitorio. Per la soluzione del corrispondente problema di ottimizzazione dinamica non lineare, un algoritmo basato sulla Particle Swarm Optimization è stato sviluppato. I risultati ottenuti con l’adozione di tale controllore sono stati confrontati con quelli ottenibili da un classico controllore proporzionale integrale (PI), mostrando nuovamente i vantaggi, da un punto di vista energetico, derivanti dall’adozione di una strategia di controllo ottima.

Caratterizzazione delle Prestazioni di Protezione al Fuoco di Vernici Intumescenti

Le pitture intumescenti sono utilizzate come protettivi passivi antincendio nel settore delle costruzioni. In particolare sono utilizzate per aumentare la resistenza al fuoco di elementi in acciaio. Le proprietà termiche di questi rivestimenti sono spesso sconosciute o difficili da stimare per via del fatto che variano notevolmente durante il processo di espansione che subisce l’intumescente quando esposto al calore di un incendio. Per questa ragione la validazione della resistenza al fuoco di un rivestimento presente in commercio si basa su metodi costosi economicamente e come tempi di esecuzione nel quale ciascuna trave e colonna rivestita di protettivo deve essere testata una alla volta attraverso il test di resistenza al fuoco della curva cellulosica. In questo lavoro di tesi adottando invece un approccio basato sulla modellazione termica del rivestimento intumescente si ottiene un aiuto nella semplificazione della procedura di test ed un supporto nella progettazione della resistenza al fuoco delle strutture. Il tratto di unione nei vari passaggi della presente tesi è stata la metodologia di stima del comportamento termico sconosciuto, tale metodologia di stima è la “Inverse Parameter Estimation”. Nella prima fase vi è stata la caratterizzazione chimico fisica della vernice per mezzo di differenti apparecchiature come la DSC, la TGA e l’FT-IR che ci hanno permesso di ottenere la composizione qualitativa e le temperature a cui avvengono i principali processi chimici e fisici che subisce la pittura come anche le entalpie legate a questi eventi. Nella seconda fase si è proceduto alla caratterizzazione termica delle pitture al fine di ottenerne il valore di conduttività termica equivalente. A tale scopo si sono prima utilizzate le temperature dell’acciaio di prove termiche alla fornace con riscaldamento secondo lo standard ISO-834 e successivamente per meglio definire le condizioni al contorno si è presa come fonte di calore un cono calorimetrico in cui la misura della temperatura avveniva direttamente nello spessore del’intumescente. I valori di conduttività ottenuti sono risultati congruenti con la letteratura scientifica e hanno mostrato la dipendenza della stessa dalla temperatura, mentre si è mostrata poco variante rispetto allo spessore di vernice deposto ed alla geometria di campione utilizzato.

Analisi termiche sull'impiego di materiali a cambiamento di fase (PCM) nelle pavimentazioni stradali

Il presente lavoro di tesi mira a studiare l’utilizzo di aggregati artificiali (PLA) costituiti da aggregati leggeri (LWA) impregnati di materiali a cambiamento di fase (Phase-Change Materials, PCM) nei conglomerati bituminosi. L’obiettivo della tesi è quello di dimostrare che l’utilizzo di questi materiali nelle sovrastrutture stradali, grazie alla proprietà di cambiare fase (da solida a liquida e viceversa) in funzione della temperatura, induce una liberazione di calore. La conseguenza immediata dell’utilizzo di questi materiali è la ridotta necessità di manutenzione invernale, abbattendo i costi di ripristino della pavimentazione. Inoltre l’utilizzo di PLA non deve pregiudicare l’aspetto prestazionale e la vita utile dell’infrastruttura.

Analisi di criteri di gestione di reti complesse di distribuzione dell'energia

La tesi è il risultato di uno studio condotto sulle reti distribuzione dell’energia termica, elettrica e frigorifera; queste reti possono essere sviluppate per aumentare la diffusione della microgenerazione e generazione diffusa con l’obiettivo di renderle autonome elettricamente, termicamente e in alcuni casi indipendenti dal punto di vista del combustibile sfruttando possibilmente cogeneratori integrati e sistemi a fonte rinnovabile. In particolare la tesi si sofferma sull’analisi di criteri di gestione di una rete di teleriscaldamento esistente in modo da ridurne al minimo le dispersioni di energia termica in ambiente e gli scambi di energia elettrica con la rete nazionale. Lo sviluppo della tesi è stato suddiviso sostanzialmente in tre parti: la prima riguarda la caratterizzazione del comportamento di una rete di teleriscaldamento reale nel comprensorio urbano di Corticella a Bologna con determinati sistemi di produzione dell’energia elettrica e termica in centrale; nella seconda parte vengono analizzati nuovi sistemi in centrale di produzione e presso le utenze; infine la terza parte riguarda l’analisi economica ed energetica di tutte le soluzioni di gestione esaminate. Quindi ogni configurazione, data da nuovi sistemi di produzione delle fonti energetiche richieste e di gestione della rete, viene prima analizzata in riferimento a tre tipologie di scambio termico presso le utenze e poi valutata in termini di consumo di combustibile e di scambi di energia elettrica con la rete nazionale attraverso il costo di acquisto del gas naturale, il costo d’acquisto dell’energia elettrica dalla rete e il prezzo di vendita dell’energia elettrica alla rete. Sebbene le utenze vengano considerate sempre in assetto passivo all’interno di alcune configurazioni viene sfruttata la delocalizzazione della produzione di energia termica e la gestione della rete a bassa temperatura per ridurre il più possibile l’impatto ambientale della centrale e della rete di teleriscaldamento.

Ottimizzazione e progettazione di un sistema di cogenerazione statica di energia elettrica tramite celle ad effetto Seebeck

La presente trattazione descrive l’ottimizzazione del prototipo di un generatore termoelettrico da integrare in caldaie a biomassa. La tecnologia termoelettrica consente di generare potenza elettrica a partire da un flusso di calore. Sebbene tale tecnologia presenti caratteristiche di elevata affidabilità e silenziosità, essa richiede ulteriori sforzi tecnologici nella ricerca dell’integrazione ottimale con un impianto termico, ed è inoltre necessaria una progettazione accurata dell’elettronica di controllo. Nella prima sezione del testo vengono descritti i principi fisici alla base di questa tecnologia e le tecniche per la conversione della potenza generata dai moduli termoelettrici (o ad effetto Seebeck) al fine di renderla fruibile da una tipica utenza domestica. Nel secondo capitolo si riporta lo stato dell’arte dell’applicazione della tecnologia termoelettrica in caldaie a biomassa e alcuni casi di implementazione recenti, sottolineando le configurazioni utilizzate, i principali problemi riscontrati nello sviluppo e nella sperimentazione, e le modifiche conseguentemente adottate per superarli. Il terzo capitolo analizza il prototipo sviluppato presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Bologna e descrive il processo di dimensionamento dei componenti meccanici e le proposte di ottimizzazione a seguito dei risultati dei primi collaudi. Viene infine sviluppato un modello matematico per confrontare, in funzione dei costi di produzione e di esercizio, le possibilità di sostituzione dei metodi di generazione di energia elettrica convenzionali con l’impianto di cogenerazione termoelettrica realizzato, considerando anche aspetti di impatto ambientale. Tali analisi e ottimizzazioni consistono in un primo miglioramento necessario a rendere la tecnologia termoelettrica applicabile alle caldaie a biomassa stand-alone e a permettere una generazione continua di energia elettrica nelle regioni in cui le infrastrutture sono poco affidabili.

Studio del campo di velocità per fluidi in moto laminare all'interno di condotti

Lo scopo di questa tesi è quello di ottenere una rappresentazione grafica del profilo di velocità di un fluido all’interno di un condotto. In particolare si studieranno le equazioni di bilancio facendo alcune ipotesi semplificative riguardo il moto del fluido. Si considererà un moto laminare in condizione di completo sviluppo dinamico e convezione forzata. Grazie a queste ipotesi si riuscirà ad ottenere un’equazione semplificata di Navier-Stokes, che permetterà di calcolare l’andamento della velocità all’interno di condotti con qualsiasi forma della sezione. In questo caso si confronterà il profilo di velocità di un condotto a sezione circolare con uno a sezione circolare forata come in uno scambiatore di calore a tubi concentrici. Per risolvere l’equazione di Navier-Stokes e stampare l’andamento delle velocità all’interno della sezione del condotto si è utilizzato il software “Mathematica”, che è stato appreso durante l’attività di tirocinio curriculare. Questo software offre un supporto notevole allo studio matematico di qualsiasi problema. Permette inoltre di avere un riscontro grafico dei risultati ottenuti, direttamente nell’interfaccia utilizzata per la stesura del codice. Per rappresentare il profilo di velocità sarà inoltre utilizzato il metodo degli elementi finiti all’interno di Mathematica, che permetterà di ottenere una soluzione più uniforme e vicina alla realtà. Il metodo degli elementi finiti (FEM) permette di semplificare lo studio del moto di un fluido, in quanto ci dà la possibilità di avere un sistema di equazioni algebriche che ne descrivono il moto, invece di equazioni differenziali e le sue relative condizioni al contorno. Sarà quindi brevemente descritto questo metodo che è stato di grande aiuto tramite l’implementazione della “mesh” su Mathematica.

Pareti verdi come strumento di miglioramento ambientale in scala di edificio

Con l’ultimo rapporto dell’ IPCC e gli obiettivi che le nazioni del mondo si sono poste in seguito alla conferenza sul clima tenutasi a Parigi nel dicembre del 2015, sono sempre maggiori le soluzioni che si cercano al fine di rendere la società più sostenibile e resiliente per sopportare al meglio le conseguenze dei cambiamenti climatici. Le pareti verdi fanno parte di quelle infrastrutture che si pongono in quest’ottica di sostenibilità e riconciliazione con la natura. In questo elaborato si è cercato di classificare ed esaminare alcune delle tipologie più utilizzate di sistemi di inverdimento verticale, andando ad analizzare la letteratura presente sull’argomento. In particolare ci si è soffermati sugli aspetti di sostenibilità ambientale di tali infrastrutture, con riferimento alla valutazione del loro ciclo di vita e ai benefici da loro apportati, soprattutto quelli riguardanti microclima, diminuzione dell’isola di calore, aumento della biodiversità e miglioramento della qualità dell’aria. Si sono inoltre analizzati aspetti di natura economica e progettuale, mostrando l’utilità di uno strumento quale il “process tree” in quest’ultimo ambito. In seguito, si è preso in considerazione il lavoro del gruppo di ricerca “Terracini in Transizione”, un living-lab della sostenibilità che si svolge nella sede in via Terracini, 28 della facoltà di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna. Nello specifico si sono osservati alcuni dei progetti e delle analisi svolte dai vari gruppi “pareti verdi” che si sono susseguiti all’interno del corso di “Valorizzazione delle risorse primarie e secondarie” della professoressa Bonoli, tra cui l’analisi di fattibilità di una parete verde da installare nel plesso in via Terracini, l’analisi di substrati di crescita alternativi per pareti vegetate e lo studio, in collaborazione con la facoltà di Agraria, di un substrato innovativo composto da un mix di pannolini usati e fibra di cocco.

Studio Stratigrafico-Vulcanologico della Successione Piroclastica di Lower Pollara - Salina (Isole Eolie)

L’argomento di questo lavoro di tesi è lo studio stratigrafico-vulcanologico dei depositi della successione piroclastica di Lower Pollara, nel settore NW dell’isola di Salina (Isole Eolie). Questa successione corrisponde alla prima attività esplosiva, di tipo subpliniana, del cratere di Pollara, ed è caratterizzata da un’ampia distribuzione areale sia sull'isola di Salina, sia sull'adiacente isola di Lipari, dove è noto un livello di tefra. Questo studio stratigrafico-vulcanologico, attraverso la ricostruzione di una sezione stratigrafica di dettaglio della successione piroclastica, suddividendola in diverse unità deposizionali, ha permesso di ricostruire lo stile eruttivo ed i meccanismi di innesco relativi a questa attività esplosiva del centro eruttivo di Pollara.

Layout e confronto prestazioni di banchi prova di micro-ORC

Nell’elaborato presentato è stato analizzato il sistema ORC, presente nel laboratorio DIN della Facoltà di Ingegneria, e confrontato con alcuni banchi prova estratti dalla letteratura. Sono stati studiati gli elementi caratterizzanti del sistema, definendone le loro caratteristiche, le loro dimensioni e la loro collocazione all’interno dell’impianto. Inseguito è stato fatto un confronto con degli impianti di simile taglia che sfruttano fonti di calore differenti. Infine è stato esaminato nel dettaglio il layout del sistema ORC definendone la sua struttura 3D per avere una maggiore chiarezza sulla composizione di questo impianto e sul posizionamento reciproco dei suoi elementi.

Pedestrians Effects on Indoor MIMO-OFDM Channel Capacity

Temporal variations caused by pedestrian movement can significantly affect the channel capacity of indoor MIMOOFDM wireless systems. This paper compares systematic measurements of MIMO-OFDM channel capacity in presence of pedestrians with predicted MIMO-OFDM channel capacity values using geometric optics-based ray tracing techniques. Capacity results are presented for a single room environment using 5.2 GHz with 2x2, 3x3 and 4x4 arrays as well as a 2.45 GHz narrowband 8x8 MIMO array. The analysis shows an increase of up to 2 b/s/Hz on instant channel capacity with up to 3 pedestrians. There is an increase of up to 1 b/s/Hz in the average capacity of the 4x4 MIMO-OFDM channel when the number of pedestrians goes from 1 to 3. Additionally, an increment of up to 2.5 b/s/Hz in MIMO-OFDM channel capacity was measured for a 4x4 array compared to a 2x2 array in presence of pedestrians. Channel capacity values derived from this analysis are important in terms of understanding the limitations and possibilities for MIMO-OFDM systems in indoor populated environments.

Effect of Pedestrian Movement on MIMO-OFDM Channel Capacity in an Indoor Environment

Effects of pedestrian movement on multiple-input multiple-output orthogonal frequency division multiplexing (MIMO-OFDM) channel capacity have been investigated using experiment and simulation. The experiment was conducted at 5.2 GHz by a MIMO-OFDM packet transmission demonstrator using four transmitters and four receivers built in-house. Geometric optics based ray tracing technique was used to simulate the experimental scenarios. Changes in the channel capacity dynamic range have been analysed for different number of pedestrian (0-3) and antennas (2-4). Measurement and simulation results show that the dynamic range increases with the number of pedestrian and the number of antennas on the transmitter and receiver array.

Peripheral ocular monochromatic aberrations

Aberrations affect image quality of the eye away from the line of sight as well as along it. High amounts of lower order aberrations are found in the peripheral visual field and higher order aberrations change away from the centre of the visual field. Peripheral resolution is poorer than that in central vision, but peripheral vision is important for movement and detection tasks (for example driving) which are adversely affected by poor peripheral image quality. Any physiological process or intervention that affects axial image quality will affect peripheral image quality as well. The aim of this study was to investigate the effects of accommodation, myopia, age, and refractive interventions of orthokeratology, laser in situ keratomileusis and intraocular lens implantation on the peripheral aberrations of the eye. This is the first systematic investigation of peripheral aberrations in a variety of subject groups. Peripheral aberrations can be measured either by rotating a measuring instrument relative to the eye or rotating the eye relative to the instrument. I used the latter as it is much easier to do. To rule out effects of eye rotation on peripheral aberrations, I investigated the effects of eye rotation on axial and peripheral cycloplegic refraction using an open field autorefractor. For axial refraction, the subjects fixated at a target straight ahead, while their heads were rotated by ±30º with a compensatory eye rotation to view the target. For peripheral refraction, the subjects rotated their eyes to fixate on targets out to ±34° along the horizontal visual field, followed by measurements in which they rotated their heads such that the eyes stayed in the primary position relative to the head while fixating at the peripheral targets. Oblique viewing did not affect axial or peripheral refraction. Therefore it is not critical, within the range of viewing angles studied, if axial and peripheral refractions are measured with rotation of the eye relative to the instrument or rotation of the instrument relative to the eye. Peripheral aberrations were measured using a commercial Hartmann-Shack aberrometer. A number of hardware and software changes were made. The 1.4 mm range limiting aperture was replaced by a larger aperture (2.5 mm) to ensure all the light from peripheral parts of the pupil reached the instrument detector even when aberrations were high such as those occur in peripheral vision. The power of the super luminescent diode source was increased to improve detection of spots passing through the peripheral pupil. A beam splitter was placed between the subjects and the aberrometer, through which they viewed an array of targets on a wall or projected on a screen in a 6 row x 7 column matrix of points covering a visual field of 42 x 32. In peripheral vision, the pupil of the eye appears elliptical rather than circular; data were analysed off-line using custom software to determine peripheral aberrations. All analyses in the study were conducted for 5.0 mm pupils. Influence of accommodation on peripheral aberrations was investigated in young emmetropic subjects by presenting fixation targets at 25 cm and 3 m (4.0 D and 0.3 D accommodative demands, respectively). Increase in accommodation did not affect the patterns of any aberrations across the field, but there was overall negative shift in spherical aberration across the visual field of 0.10 ± 0.01m. Subsequent studies were conducted with the targets at a 1.2 m distance. Young emmetropes, young myopes and older emmetropes exhibited similar patterns of astigmatism and coma across the visual field. However, the rate of change of coma across the field was higher in young myopes than young emmetropes and was highest in older emmetropes amongst the three groups. Spherical aberration showed an overall decrease in myopes and increase in older emmetropes across the field, as compared to young emmetropes. Orthokeratology, spherical IOL implantation and LASIK altered peripheral higher order aberrations considerably, especially spherical aberration. Spherical IOL implantation resulted in an overall increase in spherical aberration across the field. Orthokeratology and LASIK reversed the direction of change in coma across the field. Orthokeratology corrected peripheral relative hypermetropia through correcting myopia in the central visual field. Theoretical ray tracing demonstrated that changes in aberrations due to orthokeratology and LASIK can be explained by the induced changes in radius of curvature and asphericity of the cornea. This investigation has shown that peripheral aberrations can be measured with reasonable accuracy with eye rotation relative to the instrument. Peripheral aberrations are affected by accommodation, myopia, age, orthokeratology, spherical intraocular lens implantation and laser in situ keratomileusis. These factors affect the magnitudes and patterns of most aberrations considerably (especially coma and spherical aberration) across the studied visual field. The changes in aberrations across the field may influence peripheral detection and motion perception. However, further research is required to investigate how the changes in aberrations influence peripheral detection and motion perception and consequently peripheral vision task performance.