Three-port DC-DC converter for stand-alone photovoltaic systems

System efficiency and cost effectiveness are of critical importance for photovoltaic (PV) systems. This paper addresses the two issues by developing a novel three-port dc-dc converter for stand-alone PV systems, based on an improved Flyback-Forward topology. It provides a compact single-unit solution with a combined feature of optimized maximum power point tracking (MPPT), high step-up ratio, galvanic isolation, and multiple operating modes for domestic and aerospace applications. A theoretical analysis is conducted to analyze the operating modes followed by simulation and experimental work. This paper is focused on a comprehensive modulation strategy utilizing both PWM and phase-shifted control that satisfies the requirement of PV power systems to achieve MPPT and output voltage regulation. A 250-W converter was designed and prototyped to provide experimental verification in term of system integration and high conversion efficiency.

Switching patterns and steady-state analysis of grid-connected and stand-alone single-stage boost-inverters for PV applications

Renewable or sustainable energy (SE) sources have attracted the attention of many countries because the power generated is environmentally friendly, and the sources are not subject to the instability of price and availability. This dissertation presents new trends in the DC-AC converters (inverters) used in renewable energy sources, particularly for photovoltaic (PV) energy systems. A review of the existing technologies is performed for both single-phase and three-phase systems, and the pros and cons of the best candidates are investigated. In many modern energy conversion systems, a DC voltage, which is provided from a SE source or energy storage device, must be boosted and converted to an AC voltage with a fixed amplitude and frequency. A novel switching pattern based on the concept of the conventional space-vector pulse-width-modulated (SVPWM) technique is developed for single-stage, boost-inverters using the topology of current source inverters (CSI). The six main switching states, and two zeros, with three switches conducting at any given instant in conventional SVPWM techniques are modified herein into three charging states and six discharging states with only two switches conducting at any given instant. The charging states are necessary in order to boost the DC input voltage. It is demonstrated that the CSI topology in conjunction with the developed switching pattern is capable of providing the required residential AC voltage from a low DC voltage of one PV panel at its rated power for both linear and nonlinear loads. In a micro-grid, the active and reactive power control and consequently voltage regulation is one of the main requirements. Therefore, the capability of the single-stage boost-inverter in controlling the active power and providing the reactive power is investigated. It is demonstrated that the injected active and reactive power can be independently controlled through two modulation indices introduced in the proposed switching algorithm. The system is capable of injecting a desirable level of reactive power, while the maximum power point tracking (MPPT) dictates the desirable active power. The developed switching pattern is experimentally verified through a laboratory scaled three-phase 200W boost-inverter for both grid-connected and stand-alone cases and the results are presented.

Contribuições para estratégia de controle aplicada à geração fotovoltaica interconectada à rede elétrica

Generation systems, using renewable sources, are becoming increasingly popular due to the need for increased use of electricity. Currently, renewables sources have a role to cooperate with conventional generation, due to the system limitation in delivering the required power, the need for reduction of unwanted effects from sources that use fossil fuels (pollution) and the difficulty of building new transmission and/or distribution lines. This cooperation takes place through distributed generation. Therefore, this work proposes a control strategy for the interconnection of a PV (Photovoltaic) system generation distributed with a three-phase power grid through a connection filter the type LCL. The compensation of power quality at point of common coupling (PCC) is performed ensuring that the mains supply or consume only active power and that his currents have low distorcion. Unlike traditional techniques which require schemes for harmonic detection, the technique performs the harmonic compensation without the use of this schemes, controlling the output currents of the system in an indirect way. So that there is effective control of the DC (Direct Current) bus voltage is used the robust controller mode dual DSMPI (Dual-Sliding Mode-Proportional Integral), that behaves as a sliding mode controller SM-PI (Sliding Mode-Proportional Integral) during the transition and like a conventional PI (Proportional Integral) in the steady-state. For control of current is used to repetitive control strategy, which are used double sequence controllers (DSC) tuned to the fundamental component, the fifth and seventh harmonic. The output phase current are aligned with the phase angle of the utility voltage vector obtained from the use of a SRF-PLL (Synchronous Reference Frame Phase-Locked-Loop). In order to obtain the maximum power from the PV array is used a MPPT (Maximum Power Point Tracking) algorithm without the need for adding sensors. Experimental results are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed control system.

Evaluating the urban heat island for cities of Emilia-Romagna region through numerical simulations

Lo scopo di questo studio è la comprensione della dinamica dello strato limite urbano per città dell’Emilia Romagna tramite simulazioni numeriche. In particolare, l’attenzione è posta sull’ effetto isola di calore, ovvero sulla differenza di temperatura dell’aria in prossimità del suolo fra zone rurali e urbane dovuta all’urbanizzazione. Le simulazioni sono state effettuate con il modello alla mesoscala "Weather Research and Forecasting" (WRF), accoppiato con le parametrizzazioni urbane "Building Effect Parametrization" (BEP) e "Building Energy Model" (BEM), che agiscono a vari livelli verticali urbani. Il periodo di studio riguarda sei giorni caldi e senza copertura nuvolosa durante un periodo di heat wave dell’anno 2015. La copertura urbana è stata definita con il "World Urban Databes and Access Portal Tools" (WUDAPT), un metodo che permette di classificare le aree urbane in dieci "urban climate zones" (UCZ), attraverso l’uso combinato di immagini satellitari e "training areas" manualmente definite con il software Google Earth. Sono state svolte diverse simulazioni a domini innestati, con risoluzione per il dominio più piccolo di 500 m, centrato sulla città di Bologna. Le differenze fra le simulazioni riguardano la presenza o l’assenza delle strutture urbane, il metodo di innesto e tipo di vegetazione rurale. Inoltre, è stato valutato l’effetto dovuto alla presenza di pannelli fotovoltaici sopra i tetti di ogni edificio e le variazioni che i pannelli esercitano sullo strato limite urbano. Per verificare la bontà del modello, i dati provenienti dalle simulazioni sono stati confrontati con misure provenienti da 41 stazioni all’interno dell’area di studio. Le variabili confrontate sono: temperatura, umidità relativa, velocità e direzione del vento. Le simulazioni sono in accordo con i dati osservativi e riescono a riprodurre l’effetto isola di calore: la differenza di temperatura fra città e zone rurali circostanti è nulla durante il giorno; al contrario, durante la notte l’isola di calore è presente, e in media raggiunge il massimo valore di 4°C alle 1:00. La presenza dei pannelli fotovoltaici abbassa la temperatura a 2 metri dell’aria al massimo di 0.8°C durante la notte, e l’altezza dello strato limite urbano dell’ordine 200mrispetto al caso senza pannelli. I risultati mostrano come l’uso di pannelli fotovoltaici all’interno del contesto urbano ha molteplici benefici: infatti, i pannelli fotovoltaici riescono a ridurre la temperatura durante un periodo di heat wave, e allo stesso tempo possono parzialmente sopperire all’alto consumo energetico, con una conseguente riduzione del consumo di combustibili fossili.

Electrically tunable piezoelectric bimorph cantilever for energy harvesting

Con la presente tesi viene esaminato un metodo per modificare la frequenza di risonanza di trasduttori piezoelettrici mediante applicazione di carichi elettrici esterni. L'elaborato inizia con la presentazione dei cristalli utilizzati nel lavoro di tesi, concentrandosi sul processo di fabbricazione di un bimorph cantilever impiegato come convertitore elettromeccanico di energia, la cui frequenza di risonanza è modellizzata analiticamente mediante la legge di Newton e il modello di Euler-Bernoulli. Su tale struttura vengono condotte misure mediante shaker elettrodinamico e analizzatore d'impedenza, ai fini di giusticare il modello analitico presentato. Con lo scopo di sincronizzare la frequenza di risonanza del cantilever con la vibrazione dell'ambiente per massimizzare la potenza disponibile, viene proposto un algoritmo MPPT secondo l'approccio Perturba e Osserva (P&O), al quale è fornita in ingresso la tensione efficace di un layer di materiale piezoelettrico. Valutare la sua risposta in tensione, presenta dei limiti applicativi che hanno portato a prendere in considerazione un approccio totalmente diff�erente, basato sullo sfasamento tra la tensione di un trasduttore piezoelettrico e il segnale di accelerazione impiegato come eccitazione. Misure sperimentali sono state condotte con l'obiettivo di validare l'efficacia di quest'ultimo approccio qualora si voglia sincronizzare la frequenza di risonanza dei piezo con segnali di vibrazione reali.

Studio di stati fotoeccitati in nanoparticelle di V-TiO2 mediante scattering inelastico risonante di raggi X

La TiO2 è uno dei materiali più studiati degli ultimi decenni. I motivi sono da ricercarsi nelle sue numerose applicazioni, possibili in molti campi come dispositivi fotovoltaici, depurazione da agenti inquinanti o filtraggio di raggi UV. Per le celle elettrochimiche in particolare, il biossido di titanio offre molti vantaggi, ma non è privo di ostacoli. Il limite principale è lo scarso assorbimento dello spettro visibile, dovuto all’energy gap elevato (circa 3.2 eV). La ricerca da diversi anni si concentra sul tentativo di aumentare l’assorbimento di luce solare: promettenti sono i risultati raggiunti grazie alla forma nanoparticellare della TiO2, che presenta proprietà diverse dal materiale bulk. Una delle strategie più studiate riguarda il drogaggio tramite impurità, che dovrebbero aumentare le prestazioni di assorbimento del materiale. Gli elementi ritenuti migliori a questo scopo sono il vanadio e l’azoto, che possono essere usati sia singolarmente che in co-doping. In questo lavoro abbiamo realizzato la crescita di nanoparticelle di V-TiO2, tramite Inert Gas Condensation. La morfologia e la struttura atomica sono state analizzate attraverso microscopia a trasmissione, analizzandone la mappe tramite image processing. Successivamente abbiamo studiato le proprietà di assorbimento ottico dei campioni, nello spettro visibile e nel vicino ultravioletto, attraverso il metodo della riflettanza diffusa, determinando poi il bandgap tramite Tauc Plot. L’esperimento centrale di questo lavoro di tesi è stato condotto sulla beamline ID26 dell’European Synchrotron Radiation Facility, a Grenoble. Lì, abbiamo effettuato misure XANES, allo scopo di studiare gli stati fotoeccitati del materiale. L’eccitazione avveniva mediante laser con lunghezza d’onda di 532 nm. Tramite gli spettri, abbiamo analizzato la struttura locale e lo stato di ossidazione del vanadio. Le variazioni indotta dal laser hanno permesso di capire il trasferimento di carica e determinare la vita media.

Risorse idriche sotterranee del continente africano: disponibilità e prospettive di gestione

L’acqua è uno dei principali fattori per la crescita socio-economica e lo sviluppo del continente africano. Il continente africano dispone di ingenti risorse idriche, ma le complessità naturali caratteristiche di alcune regioni del continente e la frequente assenza di una corretta pianificazione della loro gestione ne riduce ad oggi il potenziale in maniera significativa. L’utilizzo delle risorse idriche in Africa è destinato ad incrementare sensibilmente nel corso dei prossimi decenni, come risultato della crescita demografica e dei fabbisogni nell’agricoltura. Le risorse idriche sotterranee giocano un importante ruolo in tale scenario in quanto molti paesi africani caratterizzati da scarsità d’acqua dispongono di sostanziali riserve idriche sotterranee e l’accesso a tali risorse, ancorché limitate, è largamente diffuso nel continente. Si stima che il totale delle risorse idriche sotterranee sia di 0,66 milioni di km cubi. Le risorse sotterranee sono largamente distribuite: i maggiori volumi sono localizzati nei larghi acquiferi sedimentari nelle regioni del nord Africa. Per molti paesi africani pozzi appropriatamente ubicati sono in grado di sostenere le comunità con l’estrazione manuale mediante pompe con una portata di 0,1-0,3 l/s. Grandi impianti di produzione da acquifero (>5 l/s), che siano adatti per lo sviluppo urbano o produzioni agricole intensive, non sono ancora diffusi e sono limitati ad aree particolari. La disponibilità ed accessibilità delle acque sotterranee in gran parte dell’Africa è favorevole ad uno sviluppo rurale piuttosto che urbano. Il maggiore fattore limitante per una gestione sostenibile delle risorse sotterranee è dato dalla necessità di identificare se le acque sotterranee sono rinnovabili (ed in quale misura) o meno, al fine di programmare le corrette politiche gestionali nel tempo.

Ottimizzazione stocastica di una microrete con tecnologia "vehicle-to-grid"

La presente tesi ha come obiettivo quello di sviluppare un modello per la gestione ottimizzata delle unità di generazione e di accumulo di una microrete elettrica. La tesi analizza, come caso studio di riferimento, una microrete contenente impianti di generazione da fonti rinnovabili, sistemi di accumulo a batteria (BES:Battery Energy System) e stazioni di ricarica per veicoli elettrici. In particolare le stazioni di ricarica sono a flusso bidirezionale, in grado di fornire servizi di tipo "grid-to-vehicle"(G2V) e "vehicle-to-grid" (V2G). Il modello consente di definire, come sistema di dispacciamento centrale, le potenze che le varie risorse distribuite devono erogare o assorbire nella rete nelle 24 ore successive. Il dispacciamento avviene mediante risoluzione di un problema di minimizzazione dei costi operativi e dell'energia prelevata dalla rete esterna. Il problema è stato formulato tramite l'approccio di programmazione stocastica lineare dove i parametri incerti del modello sono modellizzati tramite processi stocastici. L'implementazione del modello è stata effettuata tramite il software AIMMS, un programma di ottimizzazione che prevede al suo interno delle funzionalità specifiche per la programmazione stocastica

Dispositivi di recupero energetico: la valvola di regolazione GreenValve del Politecnico di Milano

Oggetto della trattazione è il recupero di energia da parte di una valvola idraulica durante il processo di regolazione del flusso di corrente in un impianto. Questa valvola di regolazione, detta GreenValve, è un brevetto del Politecnico di Milano, ad opera del Prof. Ing. Stefano Malavasi coadiuvato da un gruppo di ricercatori e tesisti, tra i quali spicca il nome di Cecilia Paris. Cecilia ha incentrato il proprio lavoro sull’analisi teorica e sperimentale della “Valvola Verde”, ed è dalla sua Tesi che il suddetto elaborato trae ispirazione.

Estudo comparativo de dois conversores Boost quadrático com comutação suave monochaveados para aplicação de rastreamento de máxima potência em sistemas fotovoltaicos

This paper makes a comparative study of two Soft Single Switched Quadratic Boost Converters (SSS1 and SSS2) focused on Maximum Power Point Tracking (MPPT) of a PV array using Perturb and Observe (P&O) algorithm. The proposed converters maintain the static gain characteristics and dynamics of the original converter with the advantage of considerably reducing the switching losses and Electromagnetic Interference (EMI). It is displayed the input voltage Quadratic Boost converter modeling; qualitative and quantitative analysis of soft switching converters, defining the operation principles, main waveforms, time intervals and the state variables in each operation steps, phase planes of resonant elements, static voltage gain expressions, analysis of voltage and current efforts in semiconductors and the operational curves at 200 W to 800 W. There are presented project of PI, PID and PID + Notch compensators for MPPT closed-loop system and resonant elements design. In order to analyze the operation of a complete photovoltaic system connected to the grid, it was chosen to simulate a three-phase inverter using the P-Q control theory of three-phase instantaneous power. Finally, the simulation results and experimental with the necessary comparative analysis of the proposed converters will be presented.

Analisi dei profili di tensione e dei flussi di potenza in diversi tipi di reti di distribuzione in media e bassa tensione mediante il software OpenDSS

La teoria secondo la quale vi sia una forte interconnessione tra cambiamento climatico ed emissioni di gas serra è via via più radicata all’interno della comunità scientifica internazionale. La certezza che la richiesta di energia a livello mondiale non possa che aumentare, unita con le preoccupazioni causate dal cambiamento climatico ha indirizzato parte dei cosiddetti paesi “sviluppati” verso politiche volte all’efficienza energetica e alla produzione di energia attraverso fonti rinnovabili. In seguito a queste decisioni il sistema elettrico nazionale si trova in una fase di rapido cambiamento; in particolare le maggiori problematiche, legate alla rete di distribuzione, sono originate da un fenomeno di diffusione su larga scala della generazione distribuita. In questo contesto, nel presente lavoro di tesi, ci si serve del software openDSS per osservare gli ammodernamenti che la rete ha subito e subirà in futuro. In primo luogo viene trattata una rete, prettamente passiva, in bassa tensione che vuole essere lo specchio di ciò che era la rete prima della diffusione della generazione distribuita. Vengono evidenziati in particolare i profili delle tensioni lungo la rete di distribuzione e le potenze circolanti in rete. Viene successivamente studiata la prima rete con l’aggiunta di generatori, volti a simulare il comportamento di pannelli fotovoltaici, evidenziando alcune le problematiche causate dalla GD su una rete non adatta a sopportarla. Infine viene mostrato come la presenza di alcuni accumulatori (modellizzati per simulare il comportamento di veicoli elettrici) possa migliorare le condizioni della rete. L’obiettivo non è quello di condurre delle simulazioni di reti realmente esistenti e di studiare diversi modelli di sviluppo per esse, bensì quello di creare una rete di prova all’interno del software al fine di analizzare qualitativamente come la rete sia mutata e come possibili scenari potrebbero modificarla in futuro.

Studio di fattibilità di uno spargisale automatizzato per vasche di sedimentazione

Questa tesi presenta uno studio di fattibilità di un apparato spargisale automatizzato specifico per vasche di sedimentazione di impianti di depurazione. Viene mostrato lo stato dell’arte dei meccanismi spargisale presenti tramite una breve ricerca brevettuale. Da tali proposte si prende spunto per poi arrivare alla progettazione di un prototipo sperimentale adatto ad assolvere i nostri scopi. Vengono presentate le idee e gli schizzi iniziali ed enunciate le considerazioni che mi hanno portato al prototipo sperimentale definitivo. In seguito è mostrato nei dettagli tale meccanismo automatizzato la cui peculiarità è prelevare il sale dalla tramoggia tramite una coclea orizzontale alimentata da un motoriduttore dedicato. Si conclude infine il lavoro descrivendo i componenti delle varie parti ed evidenziando le qualità di tale assieme in relazione alle necessità del richiedente.

From F energy rating to Nearly ZEB: project of energy retrofit and architectural upgrade of a brick terraced house in Co. Dublin, Ireland

Questo progetto è stato sviluppato durante un periodo di ricerca presso il Dipartimento di Ingegneria Civile del Trinity College e continuato presso l’Università di Bologna. Il progetto ha l’obiettivo di analizzare le soluzioni per l’ampliamento, la sostituzione degli impianti e l’ottimizzazione energetica di un tipico edificio residenziale Irlandese, una end of terrace in mattoni costruita negli anni ’20, collocata a Blackrock (Dublino). Diversi studi sostengono che lo stock abitativo irlandese è il peggiore del nord Europa per quanto riguarda la performance energetica. Questa tesi consta di una prima parte di studio del contesto e delle tecniche costruttive tradizionali irlandesi; è presente un capitolo di approfondimento sulle leggi riguardanti le costruzioni e gli incentivi forniti dal governo irlandese per interventi di retrofit energetico. Il terzo capitolo è un’analisi dell'esistente, con disegni del rilievo geometrico, immagini dell’edificio originale, termogrammi e dati riguardanti l’attuale performance energetica. Vengono poi mostrate diverse ipotesi di progetto e, una volta determinata la disposizione degli spazi interni, vengono considerate due soluzioni simili, ma costruite con pacchetti costruttivi diversi. Nel Progetto A l’involucro dell’addizione ha una struttura in muratura, nel Progetto B la struttura è in X-lam. Le performance energetiche delle due proposte vengono confrontate tramite una simulazione attuata grazie all'utilizzo del software dinamico IES-VE. Viene valutata l’applicazione di energie rinnovabili, quali l’energia solare e eolica e l’apporto che queste possono dare al bilancio energetico. Infine viene fatta un’analisi dei costi, valutando possibili suddivisioni dei lavori e ipotizzando un piano di ritorno dell’investimento, anche in combinazione con l’applicazione di energie rinnovabili. Alla fine del progetto si trova una valutazione quantitativa dei miglioramenti dell’edificio e un’analisi critica dei limiti del progetto.

Stato dell'arte e definizione di parametri progettuali per abbattitori a umido e abbattitori degli ossidi d'azoto.

Il fine della presente tesi è quello di definire parametri di riferimento progettuali e di controllo sul funzionamento degli abbattitori ad umido e degli abbattitori degli ossidi di azoto dalle emissioni industriali, utili ad una valutazione preventiva del progetto di impianto ed alla gestione dello stesso, da proporre come rappresentativi dello stato dell’arte per questi abbattitori. E’ innanzitutto effettuata una breve disamina sui composti inorganici quali inquinanti atmosferici: da quali fonti deriva la loro presenza in aria, quali sono gli effetti sull’ambiente, quantificazione delle emissioni antropiche per questa categoria di inquinanti e quali obiettivi di riduzione si pone la Regione Emilia Romagna. Viene quindi affrontata una breve sintesi della legislazione nazionale e regionale necessaria a comprendere dove si innesta la necessità di definire questi parametri di riferimento, con il confronto di disposizioni normative vigenti sull’argomento a livello nazionale e delle regioni Lombardia ed Emilia Romagna per giungere infine ad una proposta aggiornata. Si passa poi ad una descrizione accurata degli abbattitori ad umido e, di seguito, degli abbattitori degli ossidi di azoto, fornendo il discrimine tra le diverse tipologie presenti sul mercato e concretamente utilizzate in campo; inoltre grazie allo studio di due impianti presenti nel territorio di Modena viene fornita una comprensione più approfondita dei parametri tecnici di progettazione e funzionamento. L’analisi ha interessato: - parametri tecnici costruttivi; - parametri di funzionamento; - efficienza di abbattimento. La proposta conclusiva rappresenta la sintesi di confronto tecnico con esperti costruttori/installatori di impianti di depurazione dell’aria, di una dettagliata analisi conoscitiva delle caratteristiche e delle rese di abbattimento di impianti autorizzati, installati e controllati, presenti nel territorio della regione Emilia Romagna.

Studio e realizzazione di uno strumento standard per la compilazione di documenti di validazione - Il caso Marchesini Group

La tesi descrive la mia esperienza di tirocinio presso l'azienda Marchesini Group, inserito all'interno dell'Ufficio Validazione Impianti. Dopo un'introduzione sul tema della qualità e dell'affidabilità, della loro evoluzione e della loro rilevanza nel mercato odierno, il cuore dell'elaborato descrive il progetto condotto all'interno dell'azienda. In particolare, la descrizione di uno strumento di standardizzazione per la compilazione di documenti di validazione. Infine è presente un modello di simulazione (realizzato con il software Arena Simulation) per l'analisi di congestioni e colli di bottiglia del macro processo di validazione. Lo stesso modello è stato poi utilizzato per lo studio del sistema dopo l'introduzione dello strumento standard.