Implementazione e caratterizzazione di PLL digitali per doppler tracking di sonde deep space

I Phase-Locked Loops sono circuiti ancora oggi utilizzati per la generazione di segnali coerenti in frequenza e in fase con i segnali in ingresso, motivo per cui sono uno degli strumenti della radio scienza per la ricostruzione dei segnali scambiati con le sonde e nascosti dal rumore accumulato nel tragitto che separa le sonde stesse dalle stazioni di tracking a terra. Questa tesi illustra l'implementazione di un PLL digitale linearizzato in Matlab e Simulink in una nuova veste rispetto al modello implementato durante l'attività di tirocinio curricolare, al fine di migliorarne le prestazioni per bassi carrier-to-noise density ratios. Il capitolo 1 si compone di due parti: la prima introduce all'ambito nel quale si inserisce il lavoro proposto, ossia la determinazione d'orbita; la seconda illustra i fondamenti della teoria dei segnali. Il capitolo 2 è incentrato sull'analisi dei Phase-Locked Loops, partendo da un'introduzione teorica e approdando all'implementazione di un modello in Simulink. Il capitolo 3, infine, mostra i risultati dell'applicazione del modello implementato in Simulink nell'analisi dei segnali di una missione realmente svolta.

Sviluppo di un codice per il calcolo delle frequenze naturali di cavità acustiche e strutture per applicazioni aeronautiche

Lo scopo di questo lavoro è lo sviluppo, mediante il linguaggio di programmazione Python, di un applicativo per il calcolo e la visualizzazione di frequenze naturali per strutture e cavità. L’applicativo consiste di un’interfaccia grafica e di una libreria nella quale si trovano le diverse tipologie di strutture e cavità presenti in letteratura. I vari sistemi possono essere vincolati da diverse condizioni al contorno e sono inoltre costituiti da materiali isotropi, nel caso di strutture, e fluidi, nel caso di cavità. La prima parte del lavoro comprende la codifica delle soluzioni analitiche per l’analisi modale. La seconda fase è, invece, incentrata sulla validazione del codice, utilizzando un software commerciale per la comparazione di frequenze naturali e forme dei modi.

Studio e caratterizzazione di sensori Silicon PhotoMultiplier (SiPM) per applicazioni di timing nell'esperimento ALICE 3

Lo studio che verrà presentato in questo lavoro di tesi riguarda la caratterizzazione di Silicon PhotoMultiplier (SiPM): essi sono sensori a semiconduttore che sono stati proposti per la realizzazione del layer Time-Of-Flight (TOF) del nuovo esperimento proposto ad LHC, ALICE 3. Sono stati testati sensori diversi, sia in termini di casa di fabbricazione (FBK o HPK), sia in termini di struttura; in particolare, i modelli a disposizione di produzione FBK sono singoli SPAD, singoli SiPM e mini-array di SiPM, mentre i modelli HPK sono tutti singoli SiPM. La caratterizzazione è avvenuta mediante misure di corrente e capacità del sensore al variare della tensione (curve IV e curve CV); l'obiettivo primario è studiare e confrontare tali andamenti, in modo da poter selezionare i sensori con caratteristiche simili per la costruzione del layer del TOF. Si è osservato che sensori della stessa casa produttrice e con la stessa struttura interna esibiscono comportamenti quasi sovrapponibili, dimostrando in generale una ottima uniformità.

Progetto di un nodo sensore wireless ultra low-power per rilevazione del movimento

Negli ultimi anni il tema del risparmio energetico nei sistemi elettronici ha suscitato sempre maggiore interesse, poiché grazie allo sviluppo tecnologico è stato possibile creare dispositivi in grado di operare a bassa potenza. Sempre più applicazioni elettroniche richiedono di funzionare tramite fonti di energia limitata, come per esempio le batterie, con un’autonomia in alcuni casi anche di 15-20 anni, questo è il motivo per il quale è diventato fondamentale riuscire a progettare sistemi elettronici in grado di gestire in modo intelligente l’energia a disposizione. L’utilizzo di batterie però spesso richiede costi aggiuntivi, come per esempio il semplice cambio, che in alcune situazioni potrebbe essere difficoltoso poiché il sistema elettronico si potrebbe trovare in luoghi difficilmente raggiungibili dall’uomo; ecco perché negli ultimi anni il tema della raccolta di energia o anche chiamato Energy Harvesting, sta suscitando sempre più interesse. Con l’Energy Harvesting si possono catturare ed accumulare per poi riutilizzare, piccole quantità di energia presenti nell’ambiente. Attraverso sistemi di Energy Harvesting è quindi diventato possibile trasformare energia cinetica, differenze di temperatura, effetto piezoelettrico, energia solare ecc.. in energia elettrica che può essere utilizzata per alimentare semplici applicazioni elettroniche, nel caso di questa tesi un nodo sensore wireless. I vantaggi dei sistemi di Energy Harvesting rispetto a sistemi alimentati a batteria sono i seguenti: - Costi di manutenzione ridotti; - Fonte di energia idealmente inesauribile e con un impatto ambientale negativo nullo. La potenza fornita da sistemi di Energy Harvesting si aggira intorno a qualche centinaia di uW, perciò è chiaro che il sistema da alimentare deve essere ottimizzato il più possibile dal punto di vista energetico, per questo motivo il progettista si deve impegnare per evitare qualsiasi spreco energetico e dovrà utilizzare dispositivi che permettono una gestione intelligente dell’energia a disposizione, al fine di ottenere la migliore efficienza possibile.

Sistema de extração de potência (power harvesting) usando transdutores piezelétricos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Evaluation of the power production performance of the wavepiston, wave energy converter

In the early 1970 the community has started to realize that have as a main principle the industry one, with the oblivion of the people and health conditions and of the world in general, it could not be a guideline principle. The sea, as an energy source, has the characteristic of offering different types of exploitation, in this project the focus is on the wave energy. Over the last 15 years the Countries interested in the renewable energies grew. Therefore many devices have came out, first in the world of research, then in the commercial one; these converters are able to achieve an energy transformation into electrical energy. The purpose of this work is to analyze the efficiency of a new wave energy converter, called WavePiston, with the aim of determine the feasibility of its actual application in different wave conditions: from the energy sea state of the North Sea, to the more quiet of the Mediterranean Sea. The evaluation of the WavePiston is based on the experimental investigation conducted at the University of Aalborg, in Denmark; and on a numerical modelling of the device in question, to ascertain its efficiency regardless the laboratory results. The numerical model is able to predict the laboratory condition, but it is not yet a model which can be used for any installation, in fact no mooring or economical aspect are included yet. È dai primi anni del 1970 che si è iniziato a capire che il solo principio dell’industria con l’incuranza delle condizioni salutari delle persone e del mondo in generale non poteva essere un principio guida. Il mare, come fonte energetica, ha la caratteristica di offrire diverse tipologie di sfruttamento, in questo progetto è stata analizzata l’energia da onda. Negli ultimi 15 anni sono stati sempre più in aumento i Paesi interessati in questo ambito e di conseguenza, si sono affacciati, prima nel mondo della ricerca, poi in quello commerciale, sempre più dispositivi atti a realizzare questa trasformazione energetica. Di tali convertitori di energia ondosa ne esistono diverse classificazioni. Scopo di tale lavoro è analizzare l’efficienza di un nuovo convertitore di energia ondosa, chiamato WavePiston, al fine si stabilire la fattibilità di una sua reale applicazione in diverse condizioni ondose: dalle più energetiche del Mare del Nord, alle più quiete del Mar Mediterraneo. La valutazione sul WavePiston è basata sullo studio sperimentale condotto nell’Università di Aalborg, in Danimarca; e su di una modellazione numerica del dispositivo stesso, al fine di conoscerne l’efficienza a prescindere dalla possibilità di avere risultati di laboratorio. Il modello numerico è in grado di predirre le condizioni di laboratorio, ma non considera ancora elementi come gli ancoraggi o valutazione dei costi.

Studio, simulazione e verifica sperimentale di tecniche di controllo per convertitori multilivello modulari

L’evoluzione dei componenti elettronici di potenza ed il conseguente sviluppo dei convertitori statici dell’energia elettrica hanno consentito di ottenere un’elevata efficienza energetica, sia nell’ambito degli azionamenti elettrici, sia nell’ambito della trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica. L’efficienza energetica è una questione molto importante nell’attuale contesto storico, in quanto si sta facendo fronte ad una elevatissima richiesta di energia, sfruttando prevalentemente fonti di energia non rinnovabili. L’introduzione dei convertitori statici ha reso possibile un notevolissimo incremento dello sfruttamento delle fonti di energia rinnovabili: si pensi ad esempio agli inverter per impianti fotovoltaici o ai convertitori back to back per applicazioni eoliche. All’aumentare della potenza di un convertitore aumenta la sua tensione di esercizio: le limitazioni della tensione sopportabile dagli IGBT, che sono i componenti elettronici di potenza di più largo impiego nei convertitori statici, rendono necessarie modifiche strutturali per i convertitori nei casi in cui la tensione superi determinati valori. Tipicamente in media ed alta tensione si impiegano strutture multilivello. Esistono più tipi di configurazioni multilivello: nel presente lavoro è stato fatto un confronto tra le varie strutture esistenti e sono state valutate le possibilità offerte dall’architettura innovativa Modular Multilevel Converter, nota come MMC. Attualmente le strutture più diffuse sono la Diode Clamped e la Cascaded. La prima non è modulare, in quanto richiede un’apposita progettazione in relazione al numero di livelli di tensione. La seconda è modulare, ma richiede alimentazioni separate e indipendenti per ogni modulo. La struttura MMC è modulare e necessita di un’unica alimentazione per il bus DC, ma la presenza dei condensatori richiede particolare attenzione in fase di progettazione della tecnica di controllo, analogamente al caso del Diode Clamped. Un esempio di possibile utilizzo del convertitore MMC riguarda le trasmissioni HVDC, alle quali si sta dedicando un crescente interesse negli ultimi anni.

Localization and Tracking in Energy-Constrained Networks with Dynamic Connectivity

Systems used for target localization, such as goods, individuals, or animals, commonly rely on operational means to meet the final application demands. However, what would happen if some means were powered up randomly by harvesting systems? And what if those devices not randomly powered had their duty cycles restricted? Under what conditions would such an operation be tolerable in localization services? What if the references provided by nodes in a tracking problem were distorted? Moreover, there is an underlying topic common to the previous questions regarding the transfer of conceptual models to reality in field tests: what challenges are faced upon deploying a localization network that integrates energy harvesting modules? The application scenario of the system studied is a traditional herding environment of semi domesticated reindeer (Rangifer tarandus tarandus) in northern Scandinavia. In these conditions, information on approximate locations of reindeer is as important as environmental preservation. Herders also need cost-effective devices capable of operating unattended in, sometimes, extreme weather conditions. The analyses developed are worthy not only for the specific application environment presented, but also because they may serve as an approach to performance of navigation systems in absence of reasonably accurate references like the ones of the Global Positioning System (GPS). A number of energy-harvesting solutions, like thermal and radio-frequency harvesting, do not commonly provide power beyond one milliwatt. When they do, battery buffers may be needed (as it happens with solar energy) which may raise costs and make systems more dependent on environmental temperatures. In general, given our problem, a harvesting system is needed that be capable of providing energy bursts of, at least, some milliwatts. Many works on localization problems assume that devices have certain capabilities to determine unknown locations based on range-based techniques or fingerprinting which cannot be assumed in the approach considered herein. The system presented is akin to range-free techniques, but goes to the extent of considering very low node densities: most range-free techniques are, therefore, not applicable. Animal localization, in particular, uses to be supported by accurate devices such as GPS collars which deplete batteries in, maximum, a few days. Such short-life solutions are not particularly desirable in the framework considered. In tracking, the challenge may times addressed aims at attaining high precision levels from complex reliable hardware and thorough processing techniques. One of the challenges in this Thesis is the use of equipment with just part of its facilities in permanent operation, which may yield high input noise levels in the form of distorted reference points. The solution presented integrates a kinetic harvesting module in some nodes which are expected to be a majority in the network. These modules are capable of providing power bursts of some milliwatts which suffice to meet node energy demands. The usage of harvesting modules in the aforementioned conditions makes the system less dependent on environmental temperatures as no batteries are used in nodes with harvesters--it may be also an advantage in economic terms. There is a second kind of nodes. They are battery powered (without kinetic energy harvesters), and are, therefore, dependent on temperature and battery replacements. In addition, their operation is constrained by duty cycles in order to extend node lifetime and, consequently, their autonomy. There is, in turn, a third type of nodes (hotspots) which can be static or mobile. They are also battery-powered, and are used to retrieve information from the network so that it is presented to users. The system operational chain starts at the kinetic-powered nodes broadcasting their own identifier. If an identifier is received at a battery-powered node, the latter stores it for its records. Later, as the recording node meets a hotspot, its full record of detections is transferred to the hotspot. Every detection registry comprises, at least, a node identifier and the position read from its GPS module by the battery-operated node previously to detection. The characteristics of the system presented make the aforementioned operation own certain particularities which are also studied. First, identifier transmissions are random as they depend on movements at kinetic modules--reindeer movements in our application. Not every movement suffices since it must overcome a certain energy threshold. Second, identifier transmissions may not be heard unless there is a battery-powered node in the surroundings. Third, battery-powered nodes do not poll continuously their GPS module, hence localization errors rise even more. Let's recall at this point that such behavior is tight to the aforementioned power saving policies to extend node lifetime. Last, some time is elapsed between the instant an identifier random transmission is detected and the moment the user is aware of such a detection: it takes some time to find a hotspot. Tracking is posed as a problem of a single kinetically-powered target and a population of battery-operated nodes with higher densities than before in localization. Since the latter provide their approximate positions as reference locations, the study is again focused on assessing the impact of such distorted references on performance. Unlike in localization, distance-estimation capabilities based on signal parameters are assumed in this problem. Three variants of the Kalman filter family are applied in this context: the regular Kalman filter, the alpha-beta filter, and the unscented Kalman filter. The study enclosed hereafter comprises both field tests and simulations. Field tests were used mainly to assess the challenges related to power supply and operation in extreme conditions as well as to model nodes and some aspects of their operation in the application scenario. These models are the basics of the simulations developed later. The overall system performance is analyzed according to three metrics: number of detections per kinetic node, accuracy, and latency. The links between these metrics and the operational conditions are also discussed and characterized statistically. Subsequently, such statistical characterization is used to forecast performance figures given specific operational parameters. In tracking, also studied via simulations, nonlinear relationships are found between accuracy and duty cycles and cluster sizes of battery-operated nodes. The solution presented may be more complex in terms of network structure than existing solutions based on GPS collars. However, its main gain lies on taking advantage of users' error tolerance to reduce costs and become more environmentally friendly by diminishing the potential amount of batteries that can be lost. Whether it is applicable or not depends ultimately on the conditions and requirements imposed by users' needs and operational environments, which is, as it has been explained, one of the topics of this Thesis.

Determination of Maximum Mechanical Energy Efficiency in Energy Galloping Systems

Transverse galloping is a type of aeroelastic instability characterized by large amplitude, low frequency, normal to wind oscillations that appear in some elastic two-dimensional bluff bodies when subjected to a fluid flow, provided that the flow velocity exceeds a threshold critical value. Such an oscillatory motion is explained because of the energy transfer from the flow to the two-dimensional bluff body. The 7 amount of energy that can be extracted depends on the cross section of the galloping prism. Assuming that the Glauert-Den Hartog quasistatic criterion for galloping instability is satisfied in a first approximation, the suitability of a given cross section for energy harvesting is evaluated by analyzing the lateral aerodynamic force coefficient, fitting a function with a power series in tan a (a being the angle of attack) to 10 available experimental data. In this paper, a fairly large number of simple prisms (triangle, ellipse, biconvex, and rhombus cross sections, as well 11 as D-shaped bodies) is analyzed for suitability as energy harvesters. The influence of the fitting process in the energy harvesting efficiency evaluation is also demonstrated. The analysis shows that the more promising bodies are those with isosceles or approximate isosceles cross sections.

A greenhouse integrating desalination, water saving and rainwater harvesting for use in salt-affected inland regions

This study proposes a new type of greenhouse for water re-use and energy saving for agriculture in arid and semi-arid inland regions affected by groundwater salinity. It combines desalination using reverse osmosis (RO), re-use of saline concentrate rejected by RO for cooling, and rainwater harvesting. Experimental work was carried at GBPUAT, Pantnagar, India. Saline concentrate was fed to evaporative cooling pads of greenhouse and found to evaporate at similar rates as conventional freshwater. Two enhancements to the system are described: i) A jet pump, designed and tested to use pressurized reject stream to re-circulate cooling water and thus maintain uniform wetness in cooling pads, was found capable of multiplying flow of cooling water by a factor of 2.5 to 4 while lifting water to a head of 1.55 m; and ii) Use of solar power to drive ventilation fans of greenhouse, for which an electronic circuit has been produced that uses maximum power-point tracking to maximize energy efficiency. Re-use of RO rejected concentrate for cooling saves water (6 l d-1 m-2) of greenhouse floor area and the improved fan could reduce electricity consumption by a factor 8.

Hybrid Power System Intelligent Operation and Protection Involving Plug-in Electric Vehicles

Two key solutions to reduce the greenhouse gas emissions and increase the overall energy efficiency are to maximize the utilization of renewable energy resources (RERs) to generate energy for load consumption and to shift to low or zero emission plug-in electric vehicles (PEVs) for transportation. The present U.S. aging and overburdened power grid infrastructure is under a tremendous pressure to handle the issues involved in penetration of RERS and PEVs. The future power grid should be designed with for the effective utilization of distributed RERs and distributed generations to intelligently respond to varying customer demand including PEVs with high level of security, stability and reliability. This dissertation develops and verifies such a hybrid AC-DC power system. The system will operate in a distributed manner incorporating multiple components in both AC and DC styles and work in both grid-connected and islanding modes. The verification was performed on a laboratory-based hybrid AC-DC power system testbed as hardware/software platform. In this system, RERs emulators together with their maximum power point tracking technology and power electronics converters were designed to test different energy harvesting algorithms. The Energy storage devices including lithium-ion batteries and ultra-capacitors were used to optimize the performance of the hybrid power system. A lithium-ion battery smart energy management system with thermal and state of charge self-balancing was proposed to protect the energy storage system. A grid connected DC PEVs parking garage emulator, with five lithium-ion batteries was also designed with the smart charging functions that can emulate the future vehicle-to-grid (V2G), vehicle-to-vehicle (V2V) and vehicle-to-house (V2H) services. This includes grid voltage and frequency regulations, spinning reserves, micro grid islanding detection and energy resource support. The results show successful integration of the developed techniques for control and energy management of future hybrid AC-DC power systems with high penetration of RERs and PEVs.

Hybrid power system intelligent operation and protection involving plug-in electric vehicles

Two key solutions to reduce the greenhouse gas emissions and increase the overall energy efficiency are to maximize the utilization of renewable energy resources (RERs) to generate energy for load consumption and to shift to low or zero emission plug-in electric vehicles (PEVs) for transportation. The present U.S. aging and overburdened power grid infrastructure is under a tremendous pressure to handle the issues involved in penetration of RERS and PEVs. The future power grid should be designed with for the effective utilization of distributed RERs and distributed generations to intelligently respond to varying customer demand including PEVs with high level of security, stability and reliability. This dissertation develops and verifies such a hybrid AC-DC power system. The system will operate in a distributed manner incorporating multiple components in both AC and DC styles and work in both grid-connected and islanding modes. ^ The verification was performed on a laboratory-based hybrid AC-DC power system testbed as hardware/software platform. In this system, RERs emulators together with their maximum power point tracking technology and power electronics converters were designed to test different energy harvesting algorithms. The Energy storage devices including lithium-ion batteries and ultra-capacitors were used to optimize the performance of the hybrid power system. A lithium-ion battery smart energy management system with thermal and state of charge self-balancing was proposed to protect the energy storage system. A grid connected DC PEVs parking garage emulator, with five lithium-ion batteries was also designed with the smart charging functions that can emulate the future vehicle-to-grid (V2G), vehicle-to-vehicle (V2V) and vehicle-to-house (V2H) services. This includes grid voltage and frequency regulations, spinning reserves, micro grid islanding detection and energy resource support. ^ The results show successful integration of the developed techniques for control and energy management of future hybrid AC-DC power systems with high penetration of RERs and PEVs.^

Optimization of the power electronics system associated with ocean wave electric generators

The present thesis is focused on wave energy, which is a particular kind of ocean energy, and is based on the activity carried out during the EU project SEA TITAN. The main scope of this work is the design of a power electronic section for an innovative wave energy extraction system based on a switched-reluctance machine. In the first chapter, the general features of marine wave energy harvesting are treated. The concept of Wave Energy Converter (WEC) is introduced as well as the mathematical description of the waves, their characterization and measurement, the WEC classification, the operating principles and the standardization framework. Also, detailed considerations on the environmental impact are presented. The SEA TITAN project is briefly described. The second chapter is dedicated to the technical issues of the SEA TITAN project, such as the operating principle, the performance optimization carried out in the project, the main innovations as well as interesting demonstrations on the behavior of the generator and its control. In the third chapter, the power electronics converters of SEA TITAN are described, and the design choices, procedures and calculations are shown, with a further insight into the application given by analyzing the MATLAB Simulink model of the system and its control scheme. Experimental tests are reported in the fourth chapter, with graphs and illustrations of the power electronic apparatus interfaced with the real machine. Finally, the conclusion in the fifth chapter offers a global overview of the project and opens further development pathways.

Progetto e implementazione di circuiti a switch sincronizzato per la conversione di micropotenze da trasduttori piezoelettrici

Una delle principali caratteristiche dei trasduttori per energy harvesting piezoelettrici è il fatto che la loro impedenza d'uscita è principalmente capacitiva. Questo consente di elaborare schemi di conversione dell'energia basati su circuiti risonanti attivati in modo sincrono con le vibrazioni, che risultano in grado di aumentare notevolmente la potenza di uscita rispetto alle comuni interfacce passive. Questa tesi si è posta come obiettivo la progettazione e implementazione di un circuito per energy harvesting da vibrazioni basato sulla tecnica Synchronized Switch Harvesting on Inductor (SSHI) che garantisse un'elevata efficienza di conversione. Dovendo gestire potenze in ingresso tipicamente di debole entità, l'architettura proposta è stata ottimizzata per minimizzare la dissipazione di potenza interna al convertitore. Il circuito proposto è stato infine validato sperimentalmente tramite allestimento di un setup di misura dedicato.

Progetto PCB di un circuito per la gestione di micropotenze per nodi sensori energeticamente autonomi

L’obiettivo di questa tesi consiste nel progetto e nella realizzazione di un PCB (Printed Circuit Board) per la gestione di micropotenze per nodi sensori energeticamente autonomi, implementato con software di progettazione CAD. In primo luogo è affrontato il tema dell’ Energy Harvesting, sono descritte le tipologie di fonti energetiche principali previste e le prospettive future di questa nuova tecnologia. In secondo luogo sono descritti i processi e i meccanismi per la conversione dell’energia, con un particolare sguardo ai circuiti integrati per la conversione e gestione della potenza (PMIC). Successivamente vengono illustrate le fasi del progetto, basato su un PMIC commerciale: la progettazione dello schema elettrico, la scelta dei componenti (BOM - Bill of Materials) e la progettazione del layout del circuito stampato. Infine sono mostrati il processo di montaggio della scheda e i test realizzati mediante oscilloscopio insieme ad alcune stime di potenza.