Oscillatori elevatori di tensione per il recupero di micropotenze ambientali da sorgenti a radiofrequenza

Nel presente elaborato �� trattato l'innesco di un sistema di recupero ambientale di energia da sorgenti a radiofrequenza, captate tramite rectenna, nell'ambito di un sistema completamente autonomo dal punto di vista energetico, quindi non dotato di batteria ricaricabile interna. Dopo un'analisi dei problemi da affrontare e delle possibili soluzioni tecniche per gestire le micropotenze restituite dalla rectenna, ci si concentra in modo preferenziale sul ruolo del condensatore posto sulla porta d'ingresso dell'oscillatore di Meissner, che �� utilizzato come elevatore di tensione per attivare gli stadi successivi. Sfruttando le esperienze con lo stesso oscillatore pilotato da altri sensori di energy harvesting, �� possibile determinare approssimativamente se il circuito si presta o meno all'utilizzo con le rectenne nei campi RF, suggerendo eventuali migliorie da apportare per facilitarne il funzionamento.

Progetto di un'interfaccia utente per la gestione e memorizzazione di forme d'onda mediante microcontrollore

L'energy harvesting �� un processo in cui l'energia ambientale comunemente disponibile viene catturata mediante opportuni trasduttori e circuiti elettronici per essere convertita in energia elettrica utilizzabile. Il progetto descritto sar�� una estensione ed integrazione di un sistema gi�� esistente, per la riproduzione attraverso un sistema elettrodinamico vibrante (shaker), di vibrazioni acquisite dall'ambiente circostante in situazioni di riferimento tipiche (esempio le vibrazioni prodotte da un veicolo in movimento o un uomo in corsa), al fine di caratterizzare trasduttori piezoelettrici per studiarne il funzionamento, le caratteristiche e il loro comportamento. Lo scopo finale �� quello di realizzare un sistema stand-alone che sia in grado di riprodurre e controllare in maniera affidabile le vibrazioni imposte da un sistema vibrante, al fine di realizzare un sistema di caratterizzazione per dispositivi di energy harvesting vibrazionale. In questo progetto, l���intera gestione del processo viene affidata ad un microcontrollore presente sulla scheda di controllo, il quale consente in tempo reale la visualizzazione delle forme d���onda oggetto di studio mediante un display grafico, l���elaborazione dei dati presenti nel sistema nonch�� la possibilit�� di caricare e salvare dei dati significativi sulla memoria del sistema durante le fasi di testing. Le caratteristiche implementate rendono il sistema facile da usare. Successivamente verranno descritte le specifiche tecniche necessariamente da rispettare per la realizzazione di un sistema che permetta di riprodurre e fornire dati attendibili, la struttura di visualizzazione grafica del sistema, la parte di condizionamento del segnale e i principi teorici del controllo ad anello chiuso.

Hydrodynamical simulations of galaxy clusters in dark energy cosmologies

In this work we investigate the influence of dark energy on structure formation, within five different cosmological models, namely a concordance $\Lambda$CDM model, two models with dynamical dark energy, viewed as a quintessence scalar field (using a RP and a SUGRA potential form) and two extended quintessence models (EQp and EQn) where the quintessence scalar field interacts non-minimally with gravity (scalar-tensor theories). We adopted for all models the normalization of the matter power spectrum $\sigma_{8}$ to match the CMB data. For each model, we perform hydrodynamical simulations in a cosmological box of $(300 \ {\rm{Mpc}} \ h^{-1})^{3}$ including baryons and allowing for cooling and star formation. We find that, in models with dynamical dark energy, the evolving cosmological background leads to different star formation rates and different formation histories of galaxy clusters, but the baryon physics is not affected in a relevant way. We investigate several proxies for the cluster mass function based on X-ray observables like temperature, luminosity, $M_{gas}$, and $Y_{X}$. We confirm that the overall baryon fraction is almost independent of the dark energy models within few percentage points. The same is true for the gas fraction. This evidence reinforces the use of galaxy clusters as cosmological probe of the matter and energy content of the Universe. We also study the $c-M$ relation in the different cosmological scenarios, using both dark matter only and hydrodynamical simulations. We find that the normalization of the $c-M$ relation is directly linked to $\sigma_{8}$ and the evolution of the density perturbations for $\Lambda$CDM, RP and SUGRA, while for EQp and EQn it depends also on the evolution of the linear density contrast. These differences in the $c-M$ relation provide another way to use galaxy clusters to constrain the underlying cosmology.

Caratterizzazione di un circuito per l'estrazione di carica sincrona da trasduttori piezoelettrici

L'elaborato di tesi tratta la caratterizzazione del rendimento di un circuito convertitore di energia elettrica in energia meccanica. La conversione viene svolta con una procedura pi�� complessa, ma pi�� efficiente rispetto alla conversione classica. Il circuito studiato �� soggetto alle problematiche legate all'energy harvesting, tuttavia ha il vantaggio di non necessitare di alimentazione esterna.

Methane production through anaerobic digestion of dedicated energy crops

Methane yield of ligno-cellulosic substrates (i.e. dedicated energy crops and agricultural residues) may be limited by their composition and structural features. Hence, biomass pre-treatments are envisaged to overcome this constraint. This thesis aimed at: i) assessing biomass and methane yield of dedicated energy crops; ii) evaluating the effects of hydrothermal pre-treatments on methane yield of Arundo; iii) investigating the effects of NaOH pre-treatments and iv) acid pre-treatments on chemical composition, physical structure and methane yield of two dedicated energy crops and one agricultural residue. Three multi-annual species (Arundo, Switchgrass and Sorghum Silk), three sorghum hybrids (Trudan Headless, B133 and S506) and a maize, as reference for AD, were studied in the frame of point i). Results exhibit the remarkable variation in biomass yield, chemical characteristics and potential methane yield. The six species alternative to maize deserve attention in view of a low need of external inputs but necessitate improvements in biodegradability. In the frame of point ii), Arundo was subjected to hydrothermal pre-treatments at different temperature, time and acid catalyst (with and without H2SO4). Pre-treatments determined a variable effect on methane yield: pre-treatments without acid catalyst achieved up to +23% CH4 output, while pre-treatments with H2SO4 catalyst incurred a methanogenic inhibition. Two biomass crops (Arundo and B133) and an agricultural residue (Barley straw) were subject to NaOH and acid pre-treatments, in the frame of point iii) and iv), respectively. Different pre-treatments determined a change of chemical and physical structure and an increase of methane yield: up to +30% and up to +62% CH4 output in Arundo with NaOH and acid pre-treatments, respectively. It is thereby demonstrated that pre-treatments can actually enhance biodegradability and subsequent CH4 output of ligno-cellulosic substrates, although pre-treatment viability needs to be evaluated at the level of full scale biogas plants in a perspective of profitable implementation.

Mathematical Optimization Applied to Thermal and Electrical Energy Systems

This Thesis aims at building and discussing mathematical models applications focused on Energy problems, both on the thermal and electrical side. The objective is to show how mathematical programming techniques developed within Operational Research can give useful answers in the Energy Sector, how they can provide tools to support decision making processes of Companies operating in the Energy production and distribution and how they can be successfully used to make simulations and sensitivity analyses to better understand the state of the art and convenience of a particular technology by comparing it with the available alternatives. The first part discusses the fundamental mathematical background followed by a comprehensive literature review about mathematical modelling in the Energy Sector. The second part presents mathematical models for the District Heating strategic network design and incremental network design. The objective is the selection of an optimal set of new users to be connected to an existing thermal network, maximizing revenues, minimizing infrastructure and operational costs and taking into account the main technical requirements of the real world application. Results on real and randomly generated benchmark networks are discussed with particular attention to instances characterized by big networks dimensions. The third part is devoted to the development of linear programming models for optimal battery operation in off-grid solar power schemes, with consideration of battery degradation. The key contribution of this work is the inclusion of battery degradation costs in the optimisation models. As available data on relating degradation costs to the nature of charge/discharge cycles are limited, we concentrate on investigating the sensitivity of operational patterns to the degradation cost structure. The objective is to investigate the combination of battery costs and performance at which such systems become economic. We also investigate how the system design should change when battery degradation is taken into account.

Development of a microgrid with renewable energy sources and electrochemical storage system integration

Beside the traditional paradigm of "centralized" power generation, a new concept of "distributed" generation is emerging, in which the same user becomes pro-sumer. During this transition, the Energy Storage Systems (ESS) can provide multiple services and features, which are necessary for a higher quality of the electrical system and for the optimization of non-programmable Renewable Energy Source (RES) power plants. A ESS prototype was designed, developed and integrated into a renewable energy production system in order to create a smart microgrid and consequently manage in an efficient and intelligent way the energy flow as a function of the power demand. The produced energy can be introduced into the grid, supplied to the load directly or stored in batteries. The microgrid is composed by a 7 kW wind turbine (WT) and a 17 kW photovoltaic (PV) plant are part of. The load is given by electrical utilities of a cheese factory. The ESS is composed by the following two subsystems, a Battery Energy Storage System (BESS) and a Power Control System (PCS). With the aim of sizing the ESS, a Remote Grid Analyzer (RGA) was designed, realized and connected to the wind turbine, photovoltaic plant and the switchboard. Afterwards, different electrochemical storage technologies were studied, and taking into account the load requirements present in the cheese factory, the most suitable solution was identified in the high temperatures salt Na-NiCl2 battery technology. The data acquisition from all electrical utilities provided a detailed load analysis, indicating the optimal storage size equal to a 30 kW battery system. Moreover a container was designed and realized to locate the BESS and PCS, meeting all the requirements and safety conditions. Furthermore, a smart control system was implemented in order to handle the different applications of the ESS, such as peak shaving or load levelling.

Propriet�� nucleari di sorgenti di alta potenza e il modello unificato

Questo lavoro di tesi si �� concentrato sulla ricerca di una relazione tra la potenza nucleare e quella estesa di oggetti denominati ���radiogalassie���. Essi sono tra gli oggetti pi�� potenti dell'universo. Al momento la spiegazione di una tale emissione di potenza �� giustificata tramite il modello unificato degli AGN (Active Galactic Nuclei). Tramite la sopra citata relazione tra la potenza nucleare e quella estesa �� possibile dare una prova sperimentale del modello unificato degli AGN, inoltre si andranno ad investigare in maniera quantitativa l'angolo di vista e la velocit�� di emissione di alcuni oggetti di particolare potenza.

Calcoli di sezioni d'urto efficaci di riflettore in sistemi PWR di terza generazione

La corretta modellizzazione della zona del riflettore dei sistemi GEN III+ �� un passaggio fondamentale per un���accurata predizione dei parametri di cella il cui valore influenza direttamente la distribuzione di potenza su tutto il nocciolo. Tale esigenza si �� resa ancora pi�� stringente dopo la constatazione che il fenomeno del ���tilt power��� risulta essere pi�� amplificato nei noccioli nucleari equipaggiati con un riflettore pesante. Per tali ragioni, nel presente lavoro di tesi si �� dedicata particolare attenzione alle metodiche di modellizzazione ed alla generazione delle sezioni d���urto efficaci omogenee ed agli assembly discontinuity factors (ADF) nella zona di riflessione. Il codice deterministico utilizzato per il calcolo �� SCALE 6.1.3. La notevole differenza nelle propriet�� neutroniche associata ad un���elevata eterogeneit�� geometrica tra un nocciolo ed un riflettore hanno suggerito di effettuare un���analisi preliminare sul sistema riflettente GEN II proposto nel benchmark NEA-NSC-DOC (2013) per testare la capacit�� di SCALE 6.1.3 di effettuare un corretto calcolo di cella adottando una modellizzazione monodimensionale assembly/riflettore. I risultati ottenuti sono confrontati con quelli presentati nel benchmark e e con quelli valutati attraverso il codice Monte Carlo SERPENT 2.0 confermando la capacit�� di calcolo di SCALE 6.1.3. L���analisi sulla modellizzazione dei sistemi riflettenti GEN III+ �� stata effettuata ricavando il valore dei parametri di cella per configurazioni omogenee ed una serie di configurazioni geometriche esatte che comprendono tutte le modellizzazioni del sistema riflettente lungo la direzione angolare del riflettore. Si �� inoltre effettuata un���analisi di sensitivit�� su parametri operativi e sui parametri di codice. Si �� infine effettuato un calcolo in color-set per indagare l���influenza degli effetti 2-D sui parametri di cella. I risultati prodotti rappresentano un contributo migliorativo nella conoscenza dei parametri di cella di riflettore e potranno essere utilizzati per una pi�� precisa valutazione del fenomeno del tilt nei sistemi GEN III+.

Caratterizzazione sperimentale di trasduttori piezoelettrici mediante circuiti equivalenti elettromeccanici

Attualmente la costante diffusione delle sensor network e lo sviluppo di apparati elettronici a basso consumo di energia hanno fatto in modo di motivare la ricerca nel campo dell���elettronica che tenta di spiegare il concetto dell'energy harvesting per raccogliere energia dall'ambiente circostante. I sistemi che raccolgono quella energia che normalmente va persa sono di diversi tipi.

Imaging spin-filter efficiency of W(001) and Ir(001) single crystals

W��hrend der letzten Jahre wurde f��r Spinfilter-Detektoren ein wesentlicher Schritt in Richtung stark erh��hter Effizienz vollzogen. Das ist eine wichtige Voraussetzung f��r spinaufgel��ste Messungen mit Hilfe von modernen Elektronensp ektrometern und Impulsmikroskopen. In dieser Doktorarbeit wurden bisherige Arbeiten der parallel abbildenden Technik weiterentwickelt, die darauf beruht, dass ein elektronenoptisches Bild unter Ausnutzung der k-parallel Erhaltung in der Niedrigenergie-Elektronenbeugung auch nach einer Reflektion an einer kristallinen Oberfl��che erhalten bleibt. Fr��here Messungen basierend auf der spekularen Reflexion an einerrnW(001) Oberfl��che [Kolbe et al., 2011; Tusche et al., 2011] wurden auf einenrnviel gr����eren Parameterbereich erweitert und mit Ir(001) wurde ein neues System untersucht, welches eine sehr viel l��ngere Lebensdauer der gereinigten Kristalloberfl��che im UHV aufweist. Die Streuenergie- und Einfallswinkel-���Landschaft��� der Spinempfindlichkeit S und der Reflektivit��t I/I0 von gestreuten Elektronen wurde im Bereich von 13.7 - 36.7 eV Streuenergie und 30��� - 60��� Streuwinkel gemessen. Die dazu neu aufgebaute Messanordnung umfasst eine spinpolarisierte GaAs Elektronenquellernund einen drehbaren Elektronendetektor (Delayline Detektor) zur ortsaufl��senden Detektion der gestreuten Elektronen. Die Ergebnisse zeigen mehrere Regionen mit hoher Asymmetrie und gro��em G��tefaktor (figure of merit FoM), definiert als S2 �� I/I0. Diese Regionen er��ffnen einen Weg f��r eine deutliche Verbesserung der Vielkanal-Spinfiltertechnik f��r die Elektronenspektroskopie und Impulsmikroskopie. Im praktischen Einsatz erwies sich die Ir(001)-Einkristalloberfl��che in Bezug auf l��ngere Lebensdauer im UHV (ca. 1 Messtag), verbunden mit hoher FOM als sehr vielversprechend. Der Ir(001)-Detektor wurde in Verbindung mit einem Halbkugelanalysator bei einem zeitaufgel��sten Experiment im Femtosekunden-Bereich am Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY eingesetzt. Als gute Arbeitspunkte erwiesen sich 45��� Streuwinkel und 39 eV Streuenergie, mit einer nutzbaren Energiebreite von 5 eV, sowie 10 eV Streuenergie mit einem schmaleren Profil von < 1 eV aber etwa 10�� gr����erer G��tefunktion. Die Spinasymmetrie erreicht Werte bis 70 %, was den Einfluss von apparativen Asymmetrien deutlich reduziert. Die resultierende Messungen und Energie-Winkel-Landschaft zeigt recht gute ��bereinstimmung mit der Theorie (relativistic layer-KKR SPLEED code [Braun et al., 2013; Feder et al.,rn2012])

Ultra low power analog-to-information conversion by short-time compressed sensing

Il compressed sensing �� un���innovativa tecnica per l���acquisizione dei dati, che mira all'estrazione del solo contenuto informativo intrinseco di un segnale. Ci�� si traduce nella possibilit�� di acquisire informazione direttamente in forma compressa, riducendo la quantit�� di risorse richieste per tale operazione. In questa tesi �� sviluppata un'architettura hardware per l'acquisizione di segnali analogici basata sul compressed sensing, specializzata al campionamento con consumo di potenza ridotto di segnali biomedicali a basse frequenze. Lo studio �� svolto a livello di sistema mediante l'integrazione della modulazione richiesta dal compressed sensing in un convertitore analogico-digitale ad approssimazioni successive, modificandone la logica di controllo. Le prestazioni risultanti sono misurate tramite simulazioni numeriche e circuitali. Queste confermano la possibilit�� di ridurre la complessit�� hardware del sistema di acquisizione rispetto allo stato dell'arte, senza alterarne le prestazioni.

Progettazione e realizzazione di un convertitore monofase in sic per applicazioni fotovoltaiche

Negli ultimi anni si �� assistito ad un notevole sviluppo e diffusione dei sistemi di produzione di energia rinnovabile, in particolar modo di sistemi eolici e fotovoltaici. La sempre maggior richiesta di energia e la necessit�� di far fronte ai problemi di inquinamento sempre pi�� intenso, a causa dei combustibili fossili, ha portato ad una crescita nell���interesse ad adottare queste nuove tecnologie per il sostentamento energetico della popolazione. In seguito all���adozione di tali sistemi si �� verificata un���intensificazione della ricerca e dello sviluppo tecnologico in tale ambito al fine di massimizzare la produzione dell���energia. Un ruolo chiave nella gestione dell���energia ed in particolar modo l���interfacciamento del sistema di produzione con il carico �� svolto elettronica di potenza. L���obiettivo principale della ricerca in tale ambito consiste nella individuazione di nuove tecnologie che permettano un incremento dell���efficienza di conversione anche di soli pochi punti percentuale. L���attivit�� di tesi, svolta presso il LEMAD (Laboratorio di Macchine e Azionamenti del Dipartimento DEI), �� stata quindi focalizzata nella progettazione e in seguito realizzazione di un convertitore per applicazioni fotovoltaiche. L���interesse nei confronti delle nuovetecnologie ha portato ad una scelta innovativa per quanto riguarda la configurazione dell���inverter costituente il convertitore. Tale configurazione, che prende il nome di Full Bridge DC Bypass o pi�� semplicemente ponte H6, ha permesso la realizzazione di un convertitore compatto poich�� non necessitante di un trasformatore per garantire l���isolamento tra i moduli PV e la rete. Inoltre l���adozione di due switch aggiuntivi rispetto ad un comune ponte H ha garantito una notevole riduzione delle perdite dovute alla tensione di modo comune(CMV)con conseguente incremento dell���efficienza. La ricerca di nuove tecnologie non �� stata concentrata solamente nello studio di nuove configurazioni di inverter ma anche nell���individuazione di innovativi dispositivi di potenza. In particolar modo il silicon carbide o SiC ha dimostrato in diverse occasioni di essere un materiale superiore al silicio nelle applicazioni di potenza. Sono stati quindi realizzati due convertitori utilizzanti due differenti dispositivi di potenza (MOSFET in SiC e IGBT in Si)in modo tale da determinare le diverse prestazioni. Un ulteriore studio �� stato svolto sulle tecniche di modulazione al fine di valutarne le differenti caratteristiche ed individuare quella pi�� conveniente nella conversione utilizzante il ponte H6.

Progettazione e implementazione di una piattaforma per la localizzazione indoor basata su tecniche di radio fingerprinting e data-crowdsourcing

Questa tesi ha come scopo principale l'analisi delle diverse tecnologie di localizzazione in ambito indoor, analizzando in particolare l'utilizzo del Wifi RSS Fingerprinting. La tecnica del Wifi RSS Fingerprinting �� una tecnica per la localizzazione all'interno di ambienti chiusi, che consiste nella definizione di un 'impronta'(fingerprint) in un punto preciso dell'ambiente(definito reference point), andando a inserire in un database i valori di potenza del segnale ricevuto(RSS) da ogni access point rilevato all'interno di quel determinato reference point. Per l'implementazione di questa tecnica �� stato sviluppato un applicativo con un architettura client-server. Il client �� stato sviluppato in ambiente Android, realizzando una applicazione per la gestione della fase di salvataggio di nuovi fingerprint e per la fase di localizzazione della posizione corrente, tramite l'utilizzo dei vari fingerprint precedentemente inseriti all'interno del DB. Il server, sviluppato in Node.js(framework Javascript), gestir�� le diverse richieste ricevute dal client tramite delle chiamate AJAX, prelevando le informazioni richieste direttamente dal database. All'interno delle applicativo sono stati implementati diversi algoritmi per la localizzazione indoor, in modo da poter verificare l'applicabilit�� di questo sistema in un ambito reale. Questi algoritmi sono stati in seguito testati per valutare l'accuratezza e la precisione di ciascuno, andando ad individuare gli algoritmi migliori da utilizzare in base a scenari diversi.