Progettazione di sistemi fotovoltaici per nanosatelliti

Il presente lavoro di tesi di laurea �� suddiviso in quattro parti principali: nel primo capitolo sono presentati i CubeSat progettati e in fase di realizzazione; successivamente viene presentata la descrizione dei materiali scelti per la realizzazione dei pannelli solari; nel terzo capitolo �� illustrato il sistema di potenza necessario a soddisfare le esigenze dei satelliti prendendo in esame l'ambiente spaziale dove dovranno orbitare ed infine sono analizzati gli effetti osservati e le valutazioni fatte a seguito dei test a cui �� stato sottoposto il sistema fotovoltaico.

Soil organic carbon dynamics under perennial energy crops

The European renewable energy directive 2009/28/EC (E.C. 2009) provides a legislative framework for reducing GHG emissions by 20%, while achieving a 20% share of energy from renewable sources by 2020. Perennial energy crops could significantly contribute to limit GHG emissions through replacing equivalent fossil fuels and by sequestering a considerable amount of carbon into the soil through the large amounts of belowground biomass produced. The objective of this study is to evaluate the effects of land use change that perennial energy crops have on croplands (switchgrass) and marginal grasslands (miscanthus). For that purpose above and belowground biomass, SOC variation and Net Ecosystem Exchange were evaluated after five years of growth. At aboveground level both crops produced high biomass under cropland conditions as well as under marginal soils. At belowground level they also produced large amounts of biomass, but no significant influences on SOC in the upper layer (0-30 cm) were found. This is probably because of the "priming effect" that caused fast carbon substitution. In switchgrass only it was found a significant SOC increase in deeper layers (30-60 cm), while in the whole soil profile (0-60 cm) SOC increased from 42 to 51 ha-1. However, the short experimental periods (for both switchgrass and miscanthus), in which land use change was evaluated, do not permit to determine the real capacity of perennial energy crops to accumulate SOC. In conclusion the large amounts of belowground biomass enhanced the SOC dynamic through the priming effect resulting in increased SOC in cropland but not in marginal grassland.

Progetto concettuale, ottimizzazione e modellazione CAD di motore Stirling per applicazioni aerospaziali

Nei decenni passati sono stati svolti numerosi studi su sistemi di generazione di potenza elettrica da applicare al settore spaziale, in particolar modo a satelliti e sonde. Ne sono un esempio le analisi riportate dalla Nasa oppure quelle condotte in paesi come il Giappone dall���agenzia spaziale JAXA. Uno dei sistemi spesso utilizzati per generare potenza elettrica si basa sull���applicazione di motori Stirling accoppiati ad un generatore lineare; la differenza di temperatura necessaria per il funzionamento del motore �� ottenuta tramite il calore fornito dai radioisotopi di plutonio 238, mentre il raffreddamento del motore avviene mediante scambio termico con l���ambiente esterno.

Characterization of thermoelectric commercial modules using a module test system

Il presente lavoro di tesi �� stato svolto presso la DTU, Technical University of Denmark, nel Department of Energy Conversion and Storage, Riso Campus. Lo scopo del periodo di soggiorno estero �� stato quello di caratterizzare appropriati moduli termoelettrici forniti da aziende del settore, utilizzando un opportuno apparato di caratterizzazione. Quest���ultimo �� noto come ���module test system��� e, nello specifico, �� stato fornito dalla PANCO GmbH, azienda anch���essa attiva nel campo delle tecnologie termoelettriche. Partendo da uno studio teorico dei fenomeni fisici interessati (effetto Seebeck per la produzione di potenza termoelettrica), si �� cercato in seguito di analizzare le principali caratteristiche, ed elementi, del ���module test system���. Successivamente a questa prima fase di analisi, sono stati condotti esperimenti che, con l���aiuto di modelli computazionali implementati attraverso il software Comsol Multiphysics, hanno permesso di studiare l���affidabilit�� del sistema di caratterizzazione. Infine, una volta acquisite le basi necessarie ad una corretta comprensione dei fenomeni fisici e delle caratteristiche relative alla strumentazione, sono stati analizzati moduli termoelettrici di tipo commerciale. In particolare, sono stati estrapolati dati quali correnti, tensioni, gradienti di temperatura, che hanno permesso di ricavare flussi termici, efficienze, e potenze che caratterizzano il modulo in questione durante le condizioni di funzionamento. I risultati ottenuti sono stati successivamente comparati con dati forniti dal produttore, presenti sul catalogo.

Design and experimental characterization of antennas and wireless systems for innovative wearable and implantable ultra low���power applications

The present PhD thesis exploits the design skills I have been improving since my master thesis��� research. A brief description of the chapters��� content follows. Chapter 1: the simulation of a complete front���end is a very complex problem and, in particular, is the basis upon which the prediction of the overall performance of the system is possible. By means of a commercial EM simulation tool and a rigorous nonlinear/EM circuit co���simulation based on the Reciprocity Theorem, the above���mentioned prediction can be achieved and exploited for wireless links characterization. This will represent the theoretical basics of the entire present thesis and will be supported by two RF applications. Chapter 2: an extensive dissertation about Magneto���Dielectric (MD) materials will be presented, together with their peculiar characteristics as substrates for antenna miniaturization purposes. A designed and tested device for RF on���body applications will be described in detail. Finally, future research will be discussed. Chapter 3: this chapter will deal with the issue regarding the exploitation of renewable energy sources for low���energy consumption devices. Hence the problem related to the so���called energy harvesting will be tackled and a first attempt to deploy THz solar energy in an innovative way will be presented and discussed. Future research will be proposed as well. Chapter 4: graphene is a very promising material for devices to be exploited in the RF and THz frequency range for a wide range of engineering applications, including those ones marked as the main research goal of the present thesis. This chapter will present the results obtained during my research period at the National Institute for Research and Development in Microtechnologies (IMT) in Bucharest, Romania. It will concern the design and manufacturing of antennas and diodes made in graphene���based technology for detection/rectification purposes.

I raggi di Einstein come strumento per la cosmologia

La Tesi presenta uno studio sulla distribuzione dei raggi di Einsten compiuta su campioni di ammassi simulati. Il codice utilizzato, MOKA, consente la costruzione di vasti campioni di ammassi in differenti cosmologie e con differenti parametri strutturali. I risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli ottenuti dalla simulazione cosmologica N-body ad alta risoluzione MUSIC. Sono stati quindi prodotti campioni di ammassi per sette valori diversi della normalizzazione dello spettro di potenza e 7 valori diversi del parametro di densit�� della materia mantenendo la geometria piatta

Un framework di analisi e di servizi innovativi per la mobilita veicolare elettrica

Internet of Energy �� un progetto di ricerca europeo nato con lo scopo di sviluppare infrastrutture hardware e software volte a introdurre la mobilit�� elettrica veicolare nei moderni contesti urbani. �� stato oggetto di tesi di Federco Montori il quale ha sviluppato un primo prototipo di piattaforma comprendente un servizio cittadino di gestione delle ricariche, un���applicazione mobile che vi interagiva e infine un simulatore necessario al test della piattaforma. Nel corso di oltre un anno di sviluppo ho riscritto tutte le componenti software che costituivano il progetto ampliandone notevolmente le funzionalit��, rendendole modulari e ben ingegnerizzate. Del progetto originario �� stata ereditata l���architettura ontology-based basata sullo scambio di informazioni tramite il Semantic Information Broker (SIB). Il mio contributo �� iniziato nel 2012 con la riscrittura dell���applicazione mobile che inizialmente funzionava solo in presenza del simulatore. Attualmente permette di interfacciarsi a un veicolo reale tramite la tecnologia Blue&Me di Fiat. Questo approccio �� stato reso possibile grazie all���opportunit�� offerta dal Centro Ricerche Fiat, che ci ha permesso di testare presso loro sede l���applicazione mobile su un prototipo di Daily elettrico. Ho inoltre introdotto lo studio del profilo altimetrico e consumo energetico che separa il possessore dello smartphone da una determinata destinazione. Nel 2013 ho deciso di riscrivere il Servizio Cittadino per renderlo conforme a un nuovo protocollo di prenotazione. Ho colto l���occasione per rendere il servizio altamente performante grazie a tecniche quali: pool di thread, pool di oggetti e caching. Infine a cavallo tra il 2013 e il 2014 ho riscritto il simulatore al fine di ottimizzare il consumo di risorse, velocizzare il setup delle simulazioni e sopratutto renderlo pi�� conforme alla realt��. Questo lavoro ha permesso di avere una piattaforma software che permette di valutare realisticamente gli scenari di mobilit�� elettrica veicolare.

Bilanci di materia e di energia di un inceneritore di rifiuti speciali:Un caso di studio.

In alcuni paesi in via di sviluppo la forte crescita demografica ha favorito l���insinuarsi di un sistema consumistico, che comporta la generazione di ingenti quantitativi di rifiuti urbani. In tali paesi il problema �� aggravato dalla progressiva urbanizzazione, con la conseguente necessit�� di smaltire i rifiuti solidi urbani nelle immediate vicinanze delle citt�� dove vengono prodotti in gran quantit��.Storicamente nei piani di gestione dei rifiuti si �� sempre tenuta in considerazione la tutela della salute pubblica e dell���ambiente; negli ultimi anni �� cresciuta l���attenzione verso l���utilizzo dei rifiuti come fonte di materie prime o di energia. Ai metodi di smaltimento tradizionali, rappresentati dalle discariche e dagli impianti di incenerimento, si sono progressivamente affiancate tecniche per la valorizzazione dei rifiuti: alcune di queste differenziano i rifiuti in base al materiale di cui sono costituiti per ottenere materie prime (raccolta differenziata), altre invece ricavano energia mediante opportuni trattamenti termici(termovalorizzazione). Se l���incenerimento dei rifiuti �� nato con l���obiettivo di ridurne il volume e di distruggere le sostanze pericolose in essi presenti, la termovalorizzazione comprende un secondo obiettivo, che �� quello di valorizzare il potere calorifico dei rifiuti, recuperando la potenza termica sviluppata durante la combustione e utilizzandola per produrre vapore, successivamente impiegato per produrre energia elettrica o come vettore termico per il teleriscaldamento. Il presente lavoro di tesi fa seguito ad un tirocinio svolto presso il termovalorizzatore costituito dal forno F3 per rifiuti speciali anche pericolosi della societ�� Herambiente, ubicato in via Baiona a Ravenna. L���impianto utilizza un forno a tamburo rotante, scelto proprio per la sua versatilit�� nell���incenerire varie tipologie di rifiuti: solidi, liquidi organici e inorganici, fluidi fangosi. Negli ultimi anni si �� delineato un aumento della richiesta di incenerimento di liquidi inorganici pericolosi, che sono prodotti di scarto di processi industriali derivanti dagli impianti del polo chimico ravennate. La presenza di un���elevata quantit�� di liquidi inorganici in ingresso al forno fa calare l���energia disponibile per la combustione e, di conseguenza, porta ad un consumo maggiore di combustibile ausiliario (metano). Si pone un problema di ottimo e cio��, a parit�� di potenza elettrica prodotta, occorre trovare la portata di rifiuti inorganici da inviare al forno che limiti la portata di metano in ingresso in modo da ottenere un utile netto positivo; ovviamente la soluzione ottimale �� influenzata dal prezzo del metano e dalla remunerazione che il gestore riceve per lo smaltimento dei reflui inorganici. L���impostazione del problema di ottimo richiede la soluzione dei bilanci di materia e di energia per il termovalorizzatore. L���obiettivo del lavoro di tesi �� stato l���impostazione in un foglio di calcolo dei bilanci di materia e di energia per il tamburo rotante e per la camera statica di post-combustione a valle del tamburo.

Nanocrystalline Silicon Based Films for Renewable Energy Applications

The present thesis is focused on the study of innovative Si-based materials for third generation photovoltaics. In particular, silicon oxi-nitride (SiOxNy) thin films and multilayer of Silicon Rich Carbide (SRC)/Si have been characterized in view of their application in photovoltaics. SiOxNy is a promising material for applications in thin-film solar cells as well as for wafer based silicon solar cells, like silicon heterojunction solar cells. However, many issues relevant to the material properties have not been studied yet, such as the role of the deposition condition and precursor gas concentrations on the optical and electronic properties of the films, the composition and structure of the nanocrystals. The results presented in the thesis aim to clarify the effects of annealing and oxygen incorporation within nc-SiOxNy films on its properties in view of the photovoltaic applications. Silicon nano-crystals (Si NCs) embedded in a dielectric matrix were proposed as absorbers in all-Si multi-junction solar cells due to the quantum confinement capability of Si NCs, that allows a better match to the solar spectrum thanks to the size induced tunability of the band gap. Despite the efficient solar radiation absorption capability of this structure, its charge collection and transport properties has still to be fully demonstrated. The results presented in the thesis aim to the understanding of the transport mechanisms at macroscopic and microscopic scale. Experimental results on SiOxNy thin films and SRC/Si multilayers have been obtained at macroscopical and microscopical level using different characterizations techniques, such as Atomic Force Microscopy, Reflection and Transmission measurements, High Resolution Transmission Electron Microscopy, Energy-Dispersive X-ray spectroscopy and Fourier Transform Infrared Spectroscopy. The deep knowledge and improved understanding of the basic physical properties of these quite complex, multi-phase and multi-component systems, made by nanocrystals and amorphous phases, will contribute to improve the efficiency of Si based solar cells.

Studio dei circuiti di clamper negli amplificatori operanti in classe e

Questa tesi tratta dell���amplificatore di potenza (PA���Power Amplifier) operante in classe E. Si tratta di un convertitore DC/AC ad elevato rendimento che pu�� trovare impiego in numerose applicazioni in cui il problema della generazione di calore o la necessit�� di non sprecare energia sono particolarmente stringenti (ad esempio apparati per cui non �� previsto un impianto di raffreddamento e/o apparati alimentati a batteria). L���elevato rendimento di un amplificatore operante in classe E deriva dalle specifiche forme d���onda ai capi del dispositivo attivo impiegato, tali per cui la perdita di commutazione durante la fase di accensione dello switch diviene pressoch�� trascurabile (Zero-Voltage-Switching e Zero-Derivative-Voltage Turn-ON). Il prezzo da pagare per ottenere queste benefiche forme d���onda �� quello di avere un valore di cresta della tensione sul dispositivo che commuta assai pi�� elevato del valore medio, coincidente con la tensione di alimentazione DC. In generale si stima una tensione di picco fra le 3 e le 5 volte pi�� elevata della tensione DC, in funzione del Duty-Cycle e dell���assorbimento di corrente sul carico. Occorre poi tenere presente che in condizioni dinamiche (ad esempio qualora si collegasse direttamente l���amplificatore all���alimentazione) potrebbero innescarsi dei transitori tali per cui la tensione di picco ecceda anche il range suddetto. Per questo motivo �� bene porre un limite alla massima tensione di picco adottando dei circuiti di protezione del transistore al fine di evitare la sua distruzione per limiti legati alla tensione di breakdown. Questi circuiti sono denominati clamper: in questa tesi valuteremo le modalit�� con cui si pu�� implementare tale protezione; valuteremo, inoltre, i vantaggi e gli svantaggi derivanti dall���impiego di tali circuiti. Questi clamper sono prevalentemente di tipo dissipativo (Zener); nel corso della tesi si �� studiato la realizzazione di un clamper rigenerativo che utilizza un trasformatore, ma si �� constatata la irrealizzabilit�� fisica a causa della inevitabile presenza della induttanza dispersa.

From fossil to sustainable diets: an assessment of farming energy footprint

The dependence of industrial agricolture on fossil fuels has been assessed in two comparative case studies between Italy (Emilia-Romagna and Piemonte)and Missouri. The first is related to dairy farming; 15 different farms were surveyed, divided into three different groups: grain based, pasture based and organic. The second is devoted to rice cropping; 12 holdings were examined divided into two groups: conventional and organic. Energy footprint was determined for structures, machinery, fertilizers, pesticides, fuel, electricity, feed and seeds. Possible scenarios of transition to a more sustainable agricolture based on renewable energy sources were analized in detail for all the farms analized.

Zoomed simulations of Halo segregation in cosmological models with two species of coupled dark matter

La materia ordinaria copre soli pochi punti percentuali della massa-energia totale dell'Universo, che �� invece largamente dominata da componenti ���oscure���. Il modello standard usato per descriverle �� il modello LambdaCDM. Nonostante esso sembri consistente con la maggior parte dei dati attualmente disponibili, presenta alcuni problemi fondamentali che ad oggi restano irrisolti, lasciando spazio per lo studio di modelli cosmologici alternativi. Questa Tesi mira a studiare un modello proposto recentemente, chiamato ���Multi-coupled Dark Energy��� (McDE), che presenta interazioni modificate rispetto al modello LambdaCDM. In particolare, la Materia Oscura �� composta da due diversi tipi di particelle con accoppiamento opposto rispetto ad un campo scalare responsabile dell'Energia Oscura. L'evoluzione del background e delle perturbazioni lineari risultano essere indistinguibili da quelle del modello LambdaCDM. In questa Tesi viene presentata per la prima volta una serie di simulazioni numeriche ���zoomed���. Esse presentano diverse regioni con risoluzione differente, centrate su un singolo ammasso di interesse, che permettono di studiare in dettaglio una singola struttura senza aumentare eccessivamente il tempo di calcolo necessario. Un codice chiamato ZInCo, da me appositamente sviluppato per questa Tesi, viene anch'esso presentato per la prima volta. Il codice produce condizioni iniziali adatte a simulazioni cosmologiche, con differenti regioni di risoluzione, indipendenti dal modello cosmologico scelto e che preservano tutte le caratteristiche dello spettro di potenza imposto su di esse. Il codice ZInCo �� stato usato per produrre condizioni iniziali per una serie di simulazioni numeriche del modello McDE, le quali per la prima volta mostrano, grazie all'alta risoluzione raggiunta, che l'effetto di segregazione degli ammassi avviene significativamente prima di quanto stimato in precedenza. Inoltre, i profili radiale di densit�� ottenuti mostrano un appiattimento centrale nelle fasi iniziali della segregazione. Quest'ultimo effetto potrebbe aiutare a risolvere il problema ���cusp-core��� del modello LambdaCDM e porre limiti ai valori dell'accoppiamento possibili.

Approcci innovativi per future simulazioni HPC verso l'exascale computing con applicazioni alla fisica dei materiali

In questo lavoro di tesi sono state evidenziate alcune problematiche relative alle macchine exascale (sistemi che sviluppano un exaflops di Potenza di calcolo) e all'evoluzione dei software che saranno eseguiti su questi sistemi, prendendo in esame principalmente la necessit�� del loro sviluppo, in quanto indispensabili per lo studio di problemi scientifici e tecnologici di pi�� grandi dimensioni, con particolare attenzione alla Material Science, che �� uno dei campi che ha avuto maggiori sviluppi grazie all'utilizzo di supercomputer, ed ad uno dei codici HPC pi�� utilizzati in questo contesto: Quantum ESPRESSO. Dal punto di vista del software sono state presentate le prime misure di efficienza energetica su architettura ibrida grazie al prototipo di cluster EURORA sul software Quantum ESPRESSO. Queste misure sono le prime ad essere state pubblicate nel contesto software per la Material Science e serviranno come baseline per future ottimizzazioni basate sull'efficienza energetica. Nelle macchine exascale infatti uno dei requisiti per l'accesso sar�� la capacit�� di essere energeticamente efficiente, cos�� come oggi �� un requisito la scalabilit�� del codice. Un altro aspetto molto importante, riguardante le macchine exascale, �� la riduzione del numero di comunicazioni che riduce il costo energetico dell'algoritmo parallelo, poich�� in questi nuovi sistemi coster�� di pi��, da un punto di vista energetico, spostare i dati che calcolarli. Per tale motivo in questo lavoro sono state esposte una strategia, e la relativa implementazione, per aumentare la localit�� dei dati in uno degli algoritmi pi�� dispendiosi, dal punto di vista computazionale, in Quantum ESPRESSO: Fast Fourier Transform (FFT). Per portare i software attuali su una macchina exascale bisogna iniziare a testare la robustezza di tali software e i loro workflow su test case che stressino al massimo le macchine attualmente a disposizione. In questa tesi per testare il flusso di lavoro di Quantum ESPRESSO e WanT, un software per calcolo di trasporto, �� stato caratterizzato un sistema scientificamente rilevante costituito da un cristallo di PDI - FCN2 che viene utilizzato per la costruzione di transistor organici OFET. Infine �� stato simulato un dispositivo ideale costituito da due elettrodi in oro con al centro una singola molecola organica.

Tecniche di riduzione delle interferenze elettromagnetiche nei caricabatterie per autotrazione

Le tematiche relative alla compatibilit�� elettromagnetica (EMC) dei dispositivi elettronici (sia per il trasferimento dell'informazione che per trasmissione e conversione di potenza) sono di grande attualit�� a causa di molteplici fattori. Il primo �� la larga diffusione di apparecchiature elettroniche e delle telecomunicazioni in svariati ambienti. Secondariamente tali dispositivi sono sempre pi�� suscettibili al rumore per ragioni tecniche: -tensioni di alimentazione sempre pi�� basse (alimentazione a batterie); -aumento della velocit�� dei dispositivi; -miniaturizzazione; -connettivit�� wireless (spesso con diversi protocolli sullo stesso device). All'interno di questa tesi vengono trattate le interferenze elettromagnetiche (EMI) con riferimento ad una categoria specifica di prodotti (i caricabatterie)ed approfondendo in particolare le cause e le principali tecniche per limitarne l'effetto, al fine di ottenere la compatibilit�� dei dispositivi. Le tecniche per abbattere le EMI presentate sono poi applicate a dispositivi commerciali per valutarne gli effetti. Il lavoro �� stato svolto presso la Deca di San Marino che ha messo a disposizione un laboratorio EMC (dotato di LISN PMM L3-64, Ricevitore PMM 9010/30P full-compliance e AbsorbingClamp TESEQ) ed alcuni propri prodotti.

Studio e ottimizzazione di un propulsore Diesel applicato a un drone

Progettazione di un motore Diesel 2 tempi sulla base commerciale di un TM100Kb a benzina di derivazione karting. Il motore �� capace di 5kW di potenza ad un peso contenuto. La progettazione �� orientata agli aspetti sia termodinamici che dinamici. Si effettua una serie di verifiche per capire l'efficienza e l'uso di componenti originali.