Analisi energetica e progetto di impianti di microcogenerazione ad alto rendimento per applicazioni nei settori civile, industriale e terziario

Il seguente lavoro di tesi ha come scopo l'illustrazione delle fasi di progetto di un impianto di microcogenerazione nell'ambito territoriale dell'Emilia Romagna. In particolare verr�� fatta un'analisi economica di fattibilit��, un'analisi energetica di calcolo delle prestazioni dell'impianto mediante norma UNI-TS 11300-IV, il progetto e la scelta dei componenti afferenti l'impianto di riscaldamento delle utenze e un'analisi dei documenti amministrativi disciplinanti la messa in funzione nonch�� la valorizzazione dell'energia elettrica immessa in rete. Il lavoro �� stato eseguito su quindici impianti afferenti ad altrettante utenze con caratteristiche di utilizzo dell'impianto diversificate tra loro.

Studio e sperimentazione di leghe ad elevata deformazione per applicazioni nel settore della prima lavorazione di materiali lapidei

Studio del componente di supporto del cavo utensile per taglio di materiali lapidei. Analisi delle applicazioni di leghe superelastiche e delle modalit�� di realizzazione del cavo utensile complessivo in relazione a specifiche esigenze poste a livello industriale.

Sintesi e caratterizzazione di nuovi copoliesteri alifatici multiblocco per applicazioni biomedicali

La ricerca nell���ambito dell���ingegneria tissutale e del rilascio controllato di farmaci ha compiuto notevoli progressi negli ultimi anni. In questo contesto, i materiali polimerici rappresentano senza dubbio la tipologia pi�� adatta: �� infatti possibile modularne piuttosto facilmente le propriet�� finali per ottenere materiali con caratteristiche ad hoc per il tipo di applicazione scelta, garantendo al contempo il mantenimento di biodegradabilit�� e biocompatibilit��, essenziali in campo biomedicale. All���interno della classe dei polimeri, i poliesteri alifatici risultano particolarmente interessanti e promettenti. Tra questi ultimi, il poli(butilene succinato) (PBS) �� utilizzato soprattutto nel campo degli imballaggi biodegradabili grazie alla buona stabilit�� termica e alla elevata temperatura di fusione (115��C). Di contro, tale polimero �� caratterizzato da tempi di biodegradazione lunghi, dovuti all���elevato grado di cristallinit�� (circa 45-50%), nonch�� da propriet�� meccaniche non ottimali per alcune applicazioni. In tale contesto si inserisce il presente lavoro di tesi che ha come scopo la realizzazione di nuovi poli(esteri uretani) multiblocco a base di PBS, caratterizzati da propriet�� migliorate rispetto all���omopolimero di partenza. Al fine di ottenere nuovi materiali che presentino una maggiore velocit�� di degradazione, combinata con un comportamento meccanico sia elastomerico che termoplastico, sono state prese in considerazione due diverse unit�� copolimeriche: una cosiddetta ���hard��� e l���altra ���soft���. L���alternanza di queste due porzioni permette infatti di realizzare un polimero tenace, con una elevata temperatura di fusione (dovuta all���elevato grado di cristallinit�� del segmento hard), e con un basso modulo elastico ed un elevato allungamento a rottura (tipici invece del segmento soft).

Sintesi e caratterizzazione di nuovi politiofeni double-cable per applicazioni fotovoltaiche

In questo lavoro di tesi �� stato sintetizzato un nuovo copolimero contenente il gruppo fullerenico in catena laterale. Il copolimero �� risultato solubile nei comuni solventi organici e ha dato una efficienza di conversione fotovoltaica in un sistema BHJ del 2.19%.

Studio, microfabbricazione e caratterizzazione di dispositivi in silicio deformato per applicazioni opto-elettroniche

Il silicio, materiale di base per la realizzazione di gran parte dei dispositivi microelettronici, non trova largo impiego in fotonica principalmente a causa delle sue propriet�� elettromagnetiche: oltre ad un band-gap indiretto, il silicio presenta difatti una elevata simmetria reticolare che non permette la presenza di alcuni effetti, come quello elettro-ottico, che sono invece utilmente sfruttati in altri materiali per la fotonica. E��� stato recentemente dimostrato che la deformazione indotta dalla deposizione di film ad alto stress intrinseco potrebbe indurre alcuni di questi effetti, rompendo le simmetrie della struttura. In questo lavoro di tesi viene studiata, mediante simulazioni, microfabbricazione di dispositivi, e caratterizzazione sperimentale, la deformazione reticolare indotta su strutture di tipo ridge micrometriche in silicio mediante deposizione di un film di Si3N4. La deformazione e��� stata analizzata tramite simulazione, utilizzando il metodo agli elementi finiti ed analisi di strain tramite la tecnica di microscopia ottica a trasmissione Convergent-Beam Electron Diffraction. Questa tecnica permette di ottenere delle mappe 2D di strain con risoluzione spaziale micrometrica e sensibilita��� dell���ordine di 100microstrain. Il confronto fra le simulazioni e le misure ha messo in evidenza un accordo quantitativo fra le due analisi, da una parte confermando la validit�� del modello numerico utilizzato e dall���altro verificando l���accuratezza della tecnica di misura, impiegata innovativamente su strutture di questo tipo. Si sono inoltre stimate le grandezze ottiche: birifrangenza e variazione dell���indice di rifrazione efficace rispetto al caso deformato.di una guida SOI su cui e��� deposto uno strato di nituro. I valori stimati, per uno spessore di 350 nm sono rispettivamente di 0.014 e -0.00475. Questi valori lasciano credere che la tecnologia sia promettente, e che un���evoluzione nei processi di fabbricazione in grado migliorare il controllo delle deformazione potrebbe aprire la strada ad un utilizzo del silicio deformato nella realizzazione di dispositivi ottici ed elettro-ottici.

Trasformata e antitrasformata di Fourier per funzioni sommabili e applicazioni

In questa tesi viene trattata la trasformata di Fourier per funzioni sommabili, con particolare riguardo per il cosiddetto teorema di inversione, che permette il calcolo di sofisticati integrali reali. Viene inoltre fornito un capitolo di premesse di analisi complessa, utili al calcolo esplicito di trasformate di Fourier.

Equazione di Smoluchowski a coefficienti variabili e applicazioni

In questo lavoro viene presentato un modello matematico per l'aggregazione e la diffusione della beta-amiloide nel cervello umano affetto dalla malattia di Alzheimer, con la particolarit�� di considerare coefficienti di diffusione variabili e non costanti. Il modello �� basato sull'equazione di Smoluchowski discreta per l'aggregazione, modificata in modo opportuno per considerare anche il fenomeno di diffusione.

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, poich�� grazie allo sviluppo tecnologico �� stato possibile creare dispositivi in grado di operare a bassa potenza. Sempre pi�� 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 �� il motivo per il quale �� diventato fondamentale riuscire a progettare sistemi elettronici in grado di gestire in modo intelligente l���energia a disposizione. L���utilizzo di batterie per�� spesso richiede costi aggiuntivi, come per esempio il semplice cambio, che in alcune situazioni potrebbe essere difficoltoso poich�� il sistema elettronico si potrebbe trovare in luoghi difficilmente raggiungibili dall���uomo; ecco perch�� negli ultimi anni il tema della raccolta di energia o anche chiamato Energy Harvesting, sta suscitando sempre pi�� interesse. Con l���Energy Harvesting si possono catturare ed accumulare per poi riutilizzare, piccole quantit�� di energia presenti nell���ambiente. Attraverso sistemi di Energy Harvesting �� quindi diventato possibile trasformare energia cinetica, differenze di temperatura, effetto piezoelettrico, energia solare ecc.. in energia elettrica che pu�� 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, perci�� �� chiaro che il sistema da alimentare deve essere ottimizzato il pi�� possibile dal punto di vista energetico, per questo motivo il progettista si deve impegnare per evitare qualsiasi spreco energetico e dovr�� utilizzare dispositivi che permettono una gestione intelligente dell���energia a disposizione, al fine di ottenere la migliore efficienza possibile.

Direct integration of battery energy storage systems in distributed power generation

In this paper, a wind energy conversion system interfaced to the grid using a dual inverter is proposed. One of the two inverters in the dual inverter is connected to the rectified output of the wind generator while the other is directly connected to a battery energy storage system (BESS). This approach eliminates the need for an additional dc-dc converter and thus reduces power losses, cost, and complexity. The main issue with this scheme is uncorrelated dynamic changes in dc-link voltages that results in unevenly distributed space vectors. A detailed analysis on the effects of these variations is presented in this paper. Furthermore, a modified modulation technique is proposed to produce undistorted currents even in the presence of unevenly distributed and dynamically changing space vectors. An analysis on the battery charging/discharging process and maximum power point tracking of the wind turbine generator is also presented. Simulation and experimental results are presented to verify the efficacy of the proposed modulation technique and battery charging/discharging process.

Sistema de extra����o de pot��ncia (power harvesting) usando transdutores piezel��tricos

Coordena����o de Aperfei��oamento de Pessoal de N��vel 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. �� dai primi anni del 1970 che si �� 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 �� stata analizzata l���energia da onda. Negli ultimi 15 anni sono stati sempre pi�� in aumento i Paesi interessati in questo ambito e di conseguenza, si sono affacciati, prima nel mondo della ricerca, poi in quello commerciale, sempre pi�� dispositivi atti a realizzare questa trasformazione energetica. Di tali convertitori di energia ondosa ne esistono diverse classificazioni. Scopo di tale lavoro �� analizzare l���efficienza di un nuovo convertitore di energia ondosa, chiamato WavePiston, al fine si stabilire la fattibilit�� di una sua reale applicazione in diverse condizioni ondose: dalle pi�� energetiche del Mare del Nord, alle pi�� quiete del Mar Mediterraneo. La valutazione sul WavePiston �� basata sullo studio sperimentale condotto nell���Universit�� di Aalborg, in Danimarca; e su di una modellazione numerica del dispositivo stesso, al fine di conoscerne l���efficienza a prescindere dalla possibilit�� di avere risultati di laboratorio. Il modello numerico �� 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 �� 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 pi�� 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 pi�� tipi di configurazioni multilivello: nel presente lavoro �� stato fatto un confronto tra le varie strutture esistenti e sono state valutate le possibilit�� offerte dall���architettura innovativa Modular Multilevel Converter, nota come MMC. Attualmente le strutture pi�� diffuse sono la Diode Clamped e la Cascaded. La prima non �� modulare, in quanto richiede un���apposita progettazione in relazione al numero di livelli di tensione. La seconda �� modulare, ma richiede alimentazioni separate e indipendenti per ogni modulo. La struttura MMC �� 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.