Circuiti per la conversione di micro potenze da gradienti termici ambientali

In questa tesi vengono analizzati alcuni schemi circuitali di convertitori di micro potenze da generatori termoelettrici sottoposti a gradienti di temperatura limitati. I circuiti, basati su oscillatori step-up in grado di innescarsi con tensioni di alimentazione estremamente basse, sono stati analizzati dal punto di vista teorico e mediante successive simulazioni circuitali. Le potenze ottenibili con gradienti di temperatura inferiori a 10K risultano tipicamente comprese tra qualche uW e qualche decina di uW, con efficienze fino a circa il 40%.

Advanced Waste-To-Energy Cycles

The increase in environmental and healthy concerns, combined with the possibility to exploit waste as a valuable energy resource, has led to explore alternative methods for waste final disposal. In this context, the energy conversion of Municipal Solid Waste (MSW) in Waste-To-Energy (WTE) power plant is increasing throughout Europe, both in terms of plants number and capacity, furthered by legislative directives. Due to the heterogeneous nature of waste, some differences with respect to a conventional fossil fuel power plant have to be considered in the energy conversion process. In fact, as a consequence of the well-known corrosion problems, the thermodynamic efficiency of WTE power plants typically ranging in the interval 25% �� 30%. The new Waste Framework Directive 2008/98/EC promotes production of energy from waste introducing an energy efficiency criteria (the so-called ���R1 formula���) to evaluate plant recovery status. The aim of the Directive is to drive WTE facilities to maximize energy recovery and utilization of waste heat, in order to substitute energy produced with conventional fossil fuels fired power plants. This calls for novel approaches and possibilities to maximize the conversion of MSW into energy. In particular, the idea of an integrated configuration made up of a WTE and a Gas Turbine (GT) originates, driven by the desire to eliminate or, at least, mitigate limitations affecting the WTE conversion process bounding the thermodynamic efficiency of the cycle. The aim of this Ph.D thesis is to investigate, from a thermodynamic point of view, the integrated WTE-GT system sharing the steam cycle, sharing the flue gas paths or combining both ways. The carried out analysis investigates and defines the logic governing plants match in terms of steam production and steam turbine power output as function of the thermal powers introduced.

Progetto elettromagnetico di antenne per tag eco-compatibili a banda ultra-larga

Questo lavoro si �� occupato della ricerca e progettazione di un'antenna UWB per la realizzazione di un tag RFID e si colloca all'interno del progetto GRETA (GREen TAgs), finanziato dal MIUR. Le principali caratteristiche richieste al green tag sono: dimensioni complessive di massimo 4-5 cm, assenza di batterie e compatibilit�� con l'ambiente. L'eco-compatibilit�� viene garantita tramite la realizzazione dell'antenna al di sopra di un substrato di carta; i limiti derivanti dall'assenza di batterie vengono invece sopperiti tramite realizzazione di energy harvesting, al fine di raggiungere una completa autonomia energetica. Viene sfruttata la tecnica UWB per la comunicazione nella banda (3.1-4.8 GHz); l'energy harvesting si effettua invece a 868 MHz. Sono infine stati ricavati alcuni primi risultati relativi alla potenza rettificabile con la soluzione proposta, tramite realizzazione di un opportuno circuito rettificatore.

Modelling and Design of Advanced Reliable Circuits and Devices for Energy Efficiency

Reliable electronic systems, namely a set of reliable electronic devices connected to each other and working correctly together for the same functionality, represent an essential ingredient for the large-scale commercial implementation of any technological advancement. Microelectronics technologies and new powerful integrated circuits provide noticeable improvements in performance and cost-effectiveness, and allow introducing electronic systems in increasingly diversified contexts. On the other hand, opening of new fields of application leads to new, unexplored reliability issues. The development of semiconductor device and electrical models (such as the well known SPICE models) able to describe the electrical behavior of devices and circuits, is a useful means to simulate and analyze the functionality of new electronic architectures and new technologies. Moreover, it represents an effective way to point out the reliability issues due to the employment of advanced electronic systems in new application contexts. In this thesis modeling and design of both advanced reliable circuits for general-purpose applications and devices for energy efficiency are considered. More in details, the following activities have been carried out: first, reliability issues in terms of security of standard communication protocols in wireless sensor networks are discussed. A new communication protocol is introduced, allows increasing the network security. Second, a novel scheme for the on-die measurement of either clock jitter or process parameter variations is proposed. The developed scheme can be used for an evaluation of both jitter and process parameter variations at low costs. Then, reliability issues in the field of ���energy scavenging systems��� have been analyzed. An accurate analysis and modeling of the effects of faults affecting circuit for energy harvesting from mechanical vibrations is performed. Finally, the problem of modeling the electrical and thermal behavior of photovoltaic (PV) cells under hot-spot condition is addressed with the development of an electrical and thermal model.

Whole ship energy optimization: the case study of a chemical tanker

La presente dissertazione investiga la possibilit�� di ottimizzare l���uso di energia a bordo di una nave per trasporto di prodotti chimici e petrolchimici. Il software sviluppato per questo studio pu�� essere adattato a qualsiasi tipo di nave. Tale foglio di calcolo fornisce la metodologia per stimare vantaggi e miglioramenti energetici, con accuratezza direttamente proporzionale ai dati disponibili sulla configurazione del sistema energetico e sui dispositivi installati a bordo. Lo studio si basa su differenti fasi che permettono la semplificazione del lavoro; nell���introduzione sono indicati i dati necessari per svolgere un���accurata analisi ed �� presentata la metodologia adottata. Inizialmente �� fornita una spiegazione sul layout dell���impianto, sulle sue caratteristiche e sui principali dispositivi installati a bordo. Vengono dunque trattati separatamente i principali carichi, meccanico, elettrico e termico. In seguito si procede con una selezione delle principali fasi operative della nave: �� seguito tale approccio in modo da comprendere meglio la ripartizione della richiesta di potenza a bordo della nave e il suo sfruttamento. Successivamente �� svolto un controllo sul dimensionamento del sistema elettrico: ci�� aiuta a comprendere se la potenza stimata dai progettisti sia assimilabile a quella effettivamente richiesta sulla nave. Si ottengono in seguito curve di carico meccanico, elettrico e termico in funzione del tempo per tutte le fasi operative considerate: tramite l���uso del software Visual Basic Application (VBA) vengono creati i profili di carico che possono essere gestiti nella successiva fase di ottimizzazione. L���ottimizzazione rappresenta il cuore di questo studio; i profili di potenza ottenuti dalla precedente fase sono gestiti in modo da conseguire un sistema che sia in grado di fornire potenza alla nave nel miglior modo possibile da un punto di vista energetico. Il sistema energetico della nave �� modellato e ottimizzato mantenendo lo status quo dei dispositivi di bordo, per i quali sono considerate le configurazioni di ���Load following���, ���two shifts��� e ���minimal���. Una successiva investigazione riguarda l���installazione a bordo di un sistema di accumulo di energia termica, cos�� da migliorare lo sfruttamento dell���energia disponibile. Infine, nella conclusione, sono messi a confronto i reali consumi della nave con i risultati ottenuti con e senza l���introduzione del sistema di accumulo termico. Attraverso la configurazione ���minimal��� �� possibile risparmiare circa l���1,49% dell���energia totale consumata durante un anno di attivit��; tale risparmio �� completamente gratuito poich�� pu�� essere raggiunto seguendo alcune semplici regole nella gestione dell���energia a bordo. L���introduzione di un sistema di accumulo termico incrementa il risparmio totale fino al 4,67% con un serbatoio in grado di accumulare 110000 kWh di energia termica; tuttavia, in questo caso, �� necessario sostenere il costo di installazione del serbatoio. Vengono quindi dibattuti aspetti economici e ambientali in modo da spiegare e rendere chiari i vantaggi che si possono ottenere con l���applicazione di questo studio, in termini di denaro e riduzione di emissioni in atmosfera.

Giunzione mediante laser di materiali difficili, ibridi ed a struttura cellulare

Lo studio presentato in questa sede concerne applicazioni di saldatura LASER caratterizzate da aspetti di non-convenzionalit�� ed �� costituito da tre filoni principali. Nel primo ambito di intervento �� stata valutata la possibilit�� di effettuare saldature per fusione, con LASER ad emissione continua, su pannelli Aluminum Foam Sandwich e su tubi riempiti in schiuma di alluminio. Lo studio ha messo in evidenza numerose linee operative riguardanti le problematiche relative alla saldatura delle pelli esterne dei componenti ed ha dimostrato la fattibilit�� relativa ad un approccio di giunzione LASER integrato (saldatura seguita da un post trattamento termico) per la realizzazione della giunzione completa di particolari tubolari riempiti in schiuma con ripristino della struttura cellulare all���interfaccia di giunzione. Il secondo ambito di intervento �� caratterizzato dall���applicazione di una sorgente LASER di bassissima potenza, operante in regime ad impulsi corti, nella saldatura di acciaio ad elevato contenuto di carbonio. Lo studio ha messo in evidenza come questo tipo di sorgente, solitamente applicata per lavorazioni di ablazione e marcatura, possa essere applicata anche alla saldatura di spessori sub-millimetrici. In questa fase �� stato messo in evidenza il ruolo dei parametri di lavoro sulla conformazione del giunto ed �� stata definita l���area di fattibilit�� del processo. Lo studio �� stato completato investigando la possibilit�� di applicare un trattamento LASER dopo saldatura per addolcire le eventuali zone indurite. In merito all���ultimo ambito di intervento l���attivit�� di studio si �� focalizzata sull���utilizzo di sorgenti ad elevata densit�� di potenza (60 MW/cm^2) nella saldatura a profonda penetrazione di acciai da costruzione. L���attivit�� sperimentale e di analisi dei risultati �� stata condotta mediante tecniche di Design of Experiment per la valutazione del ruolo preciso di tutti i parametri di processo e numerose considerazioni relative alla formazione di cricche a caldo sono state suggerite.

Implementazione di un circuito estrattore di carica quasi-sincrono da trasduttori piezoelettrici

La tecnologia odierna, orientata sempre di pi�� verso il ���low-power���, ha permesso di poter sviluppare sistemi elettronici in grado di autoalimentarsi senza alcun bisogno di sorgenti di energia tradizionali. Questo �� possibile, ad esempio, utilizzando trasduttori piezoelettrici, in grado di trasformare l���energia meccanica, provocata ad esempio da una vibrazione, in un���altra forma di energia che, in tal caso, risulta essere una grandezza elettrica. Il settore principale in cui viene impiegato questo componente �� quello dell���Energy Harvesting, ovvero un campo dell���elettronica in cui si cerca di estrarre dall'ambiente circostante bassissime quantit�� di energia mediante tecniche opportune, cercando di ridurre i consumi dei circuiti di controllo annessi e renderli, in maggior parte, il pi�� possibile autosufficienti. L���obiettivo �� quello di implementare alcune tecniche di recupero dell���energia mediante circuiti gestiti a microcontrollore e valutare se tali metodiche portino a risultati accettabili in grado di soddisfare quelli che sono i requisiti che il mondo dell���Energy Harvesting richiede.

Ultra-Low Power and Non-intrusive Wireless Monitoring for Smart Buildings

Wireless Sensor Networks (WSNs) offer a new solution for distributed monitoring, processing and communication. First of all, the stringent energy constraints to which sensing nodes are typically subjected. WSNs are often battery powered and placed where it is not possible to recharge or replace batteries. Energy can be harvested from the external environment but it is a limited resource that must be used efficiently. Energy efficiency is a key requirement for a credible WSNs design. From the power source's perspective, aggressive energy management techniques remain the most effective way to prolong the lifetime of a WSN. A new adaptive algorithm will be presented, which minimizes the consumption of wireless sensor nodes in sleep mode, when the power source has to be regulated using DC-DC converters. Another important aspect addressed is the time synchronisation in WSNs. WSNs are used for real-world applications where physical time plays an important role. An innovative low-overhead synchronisation approach will be presented, based on a Temperature Compensation Algorithm (TCA). The last aspect addressed is related to self-powered WSNs with Energy Harvesting (EH) solutions. Wireless sensor nodes with EH require some form of energy storage, which enables systems to continue operating during periods of insufficient environmental energy. However, the size of the energy storage strongly restricts the use of WSNs with EH in real-world applications. A new approach will be presented, which enables computation to be sustained during intermittent power supply. The discussed approaches will be used for real-world WSN applications. The first presented scenario is related to the experience gathered during an European Project (3ENCULT Project), regarding the design and implementation of an innovative network for monitoring heritage buildings. The second scenario is related to the experience with Telecom Italia, regarding the design of smart energy meters for monitoring the usage of household's appliances.

Caratterizzazione energetica di sistemi a microcontrollore basati su tecnologia fram

In questo elaborato si riporta la caratterizzazione energetica di un sistema a microcontrollore basato su tecnologia FRAM. Sono state analizzate le innovazioni e i vantaggi portati dall'introduzione della memoria FRAM, le migliori configurazioni di funzionamento del microcontrollore studiato al fine di raggiungere consumi energetici di sistema il pi�� basso possibile.

Dimensionamento di un sistema wireless epidermico energeticamente autonomo per il monitoraggio di parametri fisiologici

Il presente lavoro di Tesi �� stato incentrato sul dimensionamento di un sistema wireless epidermico abile a monitorare parametri fisiologici. La fase iniziale del lavoro �� stata spesa per indagare le varie tipologie di sorgenti utili ad effettuare Energy Harvesting in contesti applicativi biomedicali, ed analizzare lo stato dell���arte in merito ai sistemi miniaturizzati, passivi, interfacciabili alla superficie corporea, configurabili nel settore di ricerca e-skin. Il corpo centrale del lavoro �� stato quello di dimensionare un nuovo sistema wireless epidermico, energeticamente autonomo. Tale sistema �� stato strutturato in tre catene costitutive. La prima di queste definita di Energy Harvesting e storage, presenta una cella solare, un boost converter ���charger per il management della potenza ed una thin film battery come elemento di storage. La seconda catena �� configurabile come quella di ricezione, in cui l���elemento cruciale �� una Wake-Up Radio (WUR), la cui funzione �� quella di abilitare il sistema di misura costituito da Microcontroller e sensore solo quando un Reader comunicher�� la corretta sequenza di bit abilitanti alla lettura. La presente scelta ha mostrato vantaggi in termini di ridotti consumi. La terza ed ultima catena del sistema per mezzo di Microcontrollore e Transceiver consentir�� di trasmettere via RF il dato letto al Reader. Una interfaccia grafica utente implementata in Matlab �� stata ideata per la gestione dei dati. La sezione ultima della Tesi �� stata impostata analizzando i possibili sviluppi futuri da seguire, in particolare integrare il sistema completo utilizzando un substrato flessibile cos�� come il Kapton e dotare il sistema di sensoristica per misure biomediche specialistiche per esempio la misura del SpO2.

HOUSEHOLD SOLAR POWER SYSTEM

Photovoltaic power has become one of the most popular research area in new energy field. In this report, the case of household solar power system is presented. Based on the Matlab environment, the simulation is built by using Simulink and SimPowerSystem. There are four parts in a household solar system, solar cell, MPPT system, battery and power consumer. Solar cell and MPPT system are been studied and analyzed individually. The system with MPPT generates 30% more energy than the system without MPPT. After simulating the household system, it is can be seen that the power which generated by the system is 40.392 kWh per sunny day. By combining the power generated by the system and the price of the electric power, 8.42 years are need for the system to achieve a balance of income and expenditure when weather condition is considered.

Energy and power aware scheduling algorithm modeling for battery powered embedded systems

Energy management has always been recognized as a challenge in mobile systems, especially in modern OS-based mobile systems where multi-functioning are widely supported. Nowadays, it is common for a mobile system user to run multiple applications simultaneously while having a target battery lifetime in mind for a specific application. Traditional OS-level power management (PM) policies make their best effort to save energy under performance constraint, but fail to guarantee a target lifetime, leaving the painful trading off between the total performance of applications and the target lifetime to the user itself. This thesis provides a new way to deal with the problem. It is advocated that a strong energy-aware PM scheme should first guarantee a user-specified battery lifetime to a target application by restricting the average power of those less important applications, and in addition to that, maximize the total performance of applications without harming the lifetime guarantee. As a support, energy, instead of CPU or transmission bandwidth, should be globally managed as the first-class resource by the OS. As the first-stage work of a complete PM scheme, this thesis presents the energy-based fair queuing scheduling, a novel class of energy-aware scheduling algorithms which, in combination with a mechanism of battery discharge rate restricting, systematically manage energy as the first-class resource with the objective of guaranteeing a user-specified battery lifetime for a target application in OS-based mobile systems. Energy-based fair queuing is a cross-application of the traditional fair queuing in the energy management domain. It assigns a power share to each task, and manages energy by proportionally serving energy to tasks according to their assigned power shares. The proportional energy use establishes proportional share of the system power among tasks, which guarantees a minimum power for each task and thus, avoids energy starvation on any task. Energy-based fair queuing treats all tasks equally as one type and supports periodical time-sensitive tasks by allocating each of them a share of system power that is adequate to meet the highest energy demand in all periods. However, an overly conservative power share is usually required to guarantee the meeting of all time constraints. To provide more effective and flexible support for various types of time-sensitive tasks in general purpose operating systems, an extra real-time friendly mechanism is introduced to combine priority-based scheduling into the energy-based fair queuing. Since a method is available to control the maximum time one time-sensitive task can run with priority, the power control and time-constraint meeting can be flexibly traded off. A SystemC-based test-bench is designed to assess the algorithms. Simulation results show the success of the energy-based fair queuing in achieving proportional energy use, time-constraint meeting, and a proper trading off between them. La gesti��n de energ��a en los sistema m��viles est�� considerada hoy en d��a como un reto fundamental, not��ndose, especialmente, en aquellos terminales que utilizando un sistema operativo implementan m��ltiples funciones. Es com��n en los sistemas m��viles actuales ejecutar simultaneamente diferentes aplicaciones y tener, para una de ellas, un objetivo de tiempo de uso de la bater��a. Tradicionalmente, las pol��ticas de gesti��n de consumo de potencia de los sistemas operativos hacen lo que est�� en sus manos para ahorrar energ��a y satisfacer sus requisitos de prestaciones, pero no son capaces de proporcionar un objetivo de tiempo de utilizaci��n del sistema, dejando al usuario la dif��cil tarea de buscar un compromiso entre prestaciones y tiempo de utilizaci��n del sistema. Esta tesis, como contribuci��n, proporciona una nueva manera de afrontar el problema. En ella se establece que un esquema de gesti��n de consumo de energ��a deber��a, en primer lugar, garantizar, para una aplicaci��n dada, un tiempo m��nimo de utilizaci��n de la bater��a que estuviera especificado por el usuario, restringiendo la potencia media consumida por las aplicaciones que se puedan considerar menos importantes y, en segundo lugar, maximizar las prestaciones globales sin comprometer la garant��a de utilizaci��n de la bater��a. Como soporte de lo anterior, la energ��a, en lugar del tiempo de CPU o el ancho de banda, deber��a gestionarse globalmente por el sistema operativo como recurso de primera clase. Como primera fase en el desarrollo completo de un esquema de gesti��n de consumo, esta tesis presenta un algoritmo de planificaci��n de encolado equitativo (fair queueing) basado en el consumo de energ��a, es decir, una nueva clase de algoritmos de planificaci��n que, en combinaci��n con mecanismos que restrinjan la tasa de descarga de una bater��a, gestionen de forma sistem��tica la energ��a como recurso de primera clase, con el objetivo de garantizar, para una aplicaci��n dada, un tiempo de uso de la bater��a, definido por el usuario, en sistemas m��viles empotrados. El encolado equitativo de energ��a es una extensi��n al dominio de la energ��a del encolado equitativo tradicional. Esta clase de algoritmos asigna una reserva de potencia a cada tarea y gestiona la energ��a sirvi��ndola de manera proporcional a su reserva. Este uso proporcional de la energ��a garantiza que cada tarea reciba una porci��n de potencia y evita que haya tareas que se vean privadas de recibir energ��a por otras con un comportamiento m��s ambicioso. Esta clase de algoritmos trata a todas las tareas por igual y puede planificar tareas peri��dicas en tiempo real asignando a cada una de ellas una reserva de potencia que es adecuada para proporcionar la mayor de las cantidades de energ��a demandadas por per��odo. Sin embargo, es posible demostrar que s��lo se consigue cumplir con los requisitos impuestos por todos los plazos temporales con reservas de potencia extremadamente conservadoras. En esta tesis, para proporcionar un soporte m��s flexible y eficiente para diferentes tipos de tareas de tiempo real junto con el resto de tareas, se combina un mecanismo de planificaci��n basado en prioridades con el encolado equitativo basado en energ��a. En esta clase de algoritmos, gracias al m��todo introducido, que controla el tiempo que se ejecuta con prioridad una tarea de tiempo real, se puede establecer un compromiso entre el cumplimiento de los requisitos de tiempo real y el consumo de potencia. Para evaluar los algoritmos, se ha dise��ado en SystemC un banco de pruebas. Los resultados muestran que el algoritmo de encolado equitativo basado en el consumo de energ��a consigue el balance entre el uso proporcional a la energ��a reservada y el cumplimiento de los requisitos de tiempo real.

Jupiter power generation with electrodynamic tethers at constant orbital energy

An electrodynamic tether system for power generation at Jupiter is presented that allows extracting energy from Jupiter's corotating plasmasphere while leaving the system orbital energy unaltered to first order. The spacecraft is placed in a polar orbit with the tether spinning in the orbital plane so that the resulting Lorentz force, neglecting Jupiter's magnetic dipole tilt, is orthogonal to the instantaneous velocity vector and orbital radius, hence affecting orbital inclination rather than orbital energy. In addition, the electrodynamic tether subsystem, which consists of two radial tether arms deployed from the main central spacecraft, is designed in such a way as to extract maximum power while keeping the resulting Lorentz torque constantly null. The power-generation performance of the system and the effect on the orbit inclination is evaluated analytically for different orbital conditions and verified numerically. Finally, a thruster-based inclination-compensation maneuver at apoapsis is added, resulting in an efficient scheme to extract energy from the plasmasphere of the planet with minimum propellant consumption and no inclination change. A tradeoff analysis is conducted showing that, depending on tether size and orbit characteristics, the system performance can be considerably higher than conventional power-generation methods.

Design Strategies and Modelling of Low-Power Sigma-Delta Analog-to-Digital Converters

Oggi, i dispositivi portatili sono diventati la forza trainante del mercato consumer e nuove sfide stanno emergendo per aumentarne le prestazioni, pur mantenendo un ragionevole tempo di vita della batteria. Il dominio digitale �� la miglior soluzione per realizzare funzioni di elaborazione del segnale, grazie alla scalabilit�� della tecnologia CMOS, che spinge verso l'integrazione a livello sub-micrometrico. Infatti, la riduzione della tensione di alimentazione introduce limitazioni severe per raggiungere un range dinamico accettabile nel dominio analogico. Minori costi, minore consumo di potenza, maggiore resa e una maggiore riconfigurabilit�� sono i principali vantaggi dell'elaborazione dei segnali nel dominio digitale. Da pi�� di un decennio, diverse funzioni puramente analogiche sono state spostate nel dominio digitale. Ci�� significa che i convertitori analogico-digitali (ADC) stanno diventando i componenti chiave in molti sistemi elettronici. Essi sono, infatti, il ponte tra il mondo digitale e analogico e, di conseguenza, la loro efficienza e la precisione spesso determinano le prestazioni globali del sistema. I convertitori Sigma-Delta sono il blocco chiave come interfaccia in circuiti a segnale-misto ad elevata risoluzione e basso consumo di potenza. I tools di modellazione e simulazione sono strumenti efficaci ed essenziali nel flusso di progettazione. Sebbene le simulazioni a livello transistor danno risultati pi�� precisi ed accurati, questo metodo �� estremamente lungo a causa della natura a sovracampionamento di questo tipo di convertitore. Per questo motivo i modelli comportamentali di alto livello del modulatore sono essenziali per il progettista per realizzare simulazioni veloci che consentono di identificare le specifiche necessarie al convertitore per ottenere le prestazioni richieste. Obiettivo di questa tesi �� la modellazione del comportamento del modulatore Sigma-Delta, tenendo conto di diverse non idealit�� come le dinamiche dell'integratore e il suo rumore termico. Risultati di simulazioni a livello transistor e dati sperimentali dimostrano che il modello proposto �� preciso ed accurato rispetto alle simulazioni comportamentali.