Progettazione, modellazione e integrazione di risorse rinnovabili per promuovere lo sfruttamento dell'energia da moto ondoso e la Blue Growth.

L’energia da onda potrebbe assumere un ruolo fondamentale per la transizione energetica durante i prossimi decenni, grazie alla sua continuità nel tempo molto superiore rispetto ad altre risorse rinnovabili e alla sua vasta distribuzione nello spazio. Tuttavia, l’energia da onda è ancora lontana dall’essere economicamente sostenibile, a causa di diverse problematiche tecnologiche e alle difficoltà finanziarie associate. In questa ricerca, si è innanzitutto affrontata una delle maggiori sfide tecniche, nello specifico la progettazione e modellazione di sistemi di ancoraggio per i dispositivi galleggianti, proponendo possibili soluzioni per la modellazione numerica di sistemi di ancoraggio complessi e per l’ottimizzazione dei dispositivi stessi. Successivamente sono state analizzate le possibili sinergie strategiche di installazioni per lo sfruttamento della energia da onda con altre risorse rinnovabili e la loro applicazione nel contesto di aree marine multiuso. In particolare, una metodologia per la valutazione della combinazione ottimale delle risorse rinnovabili è stata sviluppata e verificata in due diversi casi studio: un’isola e una piattaforma offshore. Si è così potuto evidenziare l’importante contributo della risorsa ondosa per la continuità energetica e per la riduzione della necessità di accumulo. Inoltre, è stato concepito un metodo di supporto decisionale multicriteriale per la valutazione delle opzioni di riuso delle piattaforme offshore alla fine della loro vita operativa, come alternativa al decommissionamento, nell’ottica di una gestione sostenibile e della ottimizzazione dell’uso dello spazio marino. Sulla base dei criteri selezionati, l’inclusione di attività innovative come la produzione di energia da onda si è dimostrata essere rilevante per rendere vantaggioso il riuso rispetto al decommissionamento. Numerosi studi recenti hanno infatti sottolineato che, nell’ambito della “crescita blu”, i mercati come l’oil&gas, le attività offshore e le isole stimoleranno lo sviluppo di tecnologie innovative come lo sfruttamento dell’energia da onda, promuovendo la sperimentazione e fornendo un importante contributo all’avanzamento tecnico e alla commercializzazione.

Design and characterization of automated agricultural vehicle systems

Nowadays, technological advancements have brought industry and research towards the automation of various processes. Automation brings a reduction in costs and an improvement in product quality. For this reason, companies are pushing research to investigate new technologies. The agriculture industry has always looked towards automating various processes, from product processing to storage. In the last years, the automation of harvest and cultivation phases also has become attractive, pushed by the advancement of autonomous driving. Nevertheless, ADAS systems are not enough. Merging different technologies will be the solution to obtain total automation of agriculture processes. For example, sensors that estimate products' physical and chemical properties can be used to evaluate the maturation level of fruit. Therefore, the fusion of these technologies has a key role in industrial process automation. In this dissertation, ADAS systems and sensors for precision agriculture will be both treated. Several measurement procedures for characterizing commercial 3D LiDARs will be proposed and tested to cope with the growing need for comparison tools. Axial errors and transversal errors have been investigated. Moreover, a measurement method and setup for evaluating the fog effect on 3D LiDARs will be proposed. Each presented measurement procedure has been tested. The obtained results highlight the versatility and the goodness of the proposed approaches. Regarding the precision agriculture sensors, a measurement approach for the Moisture Content and density estimation of crop directly on the field is presented. The approach regards the employment of a Near Infrared spectrometer jointly with Partial Least Square statistical analysis. The approach and the model will be described together with a first laboratory prototype used to evaluate the NIRS approach. Finally, a prototype for on the field analysis is realized and tested. The test results are promising, evidencing that the proposed approach is suitable for Moisture Content and density estimation.

Distributed and synchronized measurements for the wide-area observation of electric power systems in distorted and low-inertia conditions

With the aim of heading towards a more sustainable future, there has been a noticeable increase in the installation of Renewable Energy Sources (RES) in power systems in the latest years. Besides the evident environmental benefits, RES pose several technological challenges in terms of scheduling, operation, and control of transmission and distribution power networks. Therefore, it raised the necessity of developing smart grids, relying on suitable distributed measurement infrastructure, for instance, based on Phasor Measurement Units (PMUs). Not only are such devices able to estimate a phasor, but they can also provide time information which is essential for real-time monitoring. This Thesis falls within this context by analyzing the uncertainty requirements of PMUs in distribution and transmission applications. Concerning the latter, the reliability of PMU measurements during severe power system events is examined, whereas for the first, typical configurations of distribution networks are studied for the development of target uncertainties. The second part of the Thesis, instead, is dedicated to the application of PMUs in low-inertia power grids. The replacement of traditional synchronous machines with inertia-less RES is progressively reducing the overall system inertia, resulting in faster and more severe events. In this scenario, PMUs may play a vital role in spite of the fact that no standard requirements nor target uncertainties are yet available. This Thesis deeply investigates PMU-based applications, by proposing a new inertia index relying only on local measurements and evaluating their reliability in low-inertia scenarios. It also develops possible uncertainty intervals based on the electrical instrumentation currently used in power systems and assesses the interoperability with other devices before and after contingency events.

Development and characterization of cutting-edge equipment for EMC measurements and advanced power line filter design

This Doctoral Thesis aims at studying, developing, and characterizing cutting edge equipment for EMC measurements and proposing innovative and advanced power line filter design techniques. This document summarizes a three-year work, is strictly industry oriented and relies on EMC standards and regulations. It contains the main results, findings, and effort with the purpose of bringing innovative contributions at the scientific community. Conducted emissions interferences are usually suppressed with power line filters. These filters are composed by common mode chokes, X capacitors and Y capacitors in order to mitigate both the differential mode and common mode noise, which compose the overall conducted emissions. However, even at present days, available power line filter design techniques show several disadvantages. First of all, filters are designed to be implemented in ideal 50 Ω systems, condition which is far away from reality. Then, the attenuation introduced by the filter for common or differential mode noise is analyzed independently, without considering the possible mode conversion that can be produced by impedance mismatches, or asymmetries in either the power line filter itself or the equipment under test. Ultimately, the instrumentation used to perform conducted emissions measurement is, in most cases, not adequate. All these factors lead to an inaccurate design, contributing at increasing the size of the filter, making it more expensive and less performant than it should be.

Verifiche di sicurezza delle apparecchiature elettromedicali

La struttura di un ospedale è notevolmente complessa nella sua organizzazione e conduzione, ed è per di più sollecitata a continue trasformazioni di carattere tecnologico ed organizzativo. Pertanto è essenziale, in una struttura sanitaria, il ruolo svolto dall’Ingegneria Clinica, che è quello dell’applicazione dei metodi e delle competenze specifiche proprie dell’ingegneria all’organizzazione, alla gestione e all’uso sicuro ed appropriato della strumentazione biomedica. Il seguente elaborato tratta le verifiche di sicurezza delle apparecchiature elettromedicali (EM) con una particolare attenzione agli aspetti normativi che le contraddistinguono e al ruolo dell’ingegnere clinico. Parlare di sicurezza per le tecnologie biomediche, significa garantire l’utilizzo delle stesse in assenza di rischi per l’utilizzatore e per il paziente, perciò il concetto di rischio è analizzato accuratamente. Oltre alla manutenzione correttiva è compito dell’ingegnere clinico programmare strategie di manutenzione preventiva per ottimizzare la durata fisiologica degli apparecchi EM e garantirne la qualità delle prestazioni erogate a lungo termine. L’utilizzo o il semplice invecchiamento di una qualsiasi apparecchiatura ne provoca infatti l’usura dei materiali e la deriva delle caratteristiche, aumentando la probabilità di guasto ed avaria. Pertanto la definizione di procedure di verifica elettrica periodica diventa fondamentale per l’individuazione di gran parte di quelle situazioni di compromissione della sicurezza che sono causa di danni e incidenti. Il loro scopo è quello di accertarsi che un’apparecchiatura abbia mantenuto nel tempo le caratteristiche di sicurezza dichiarate dal produttore e certificate dalla marcatura di conformità CE. Per completare l’iter di verifica di sicurezza e definirne il livello minimo accettabile è essenziale eseguire, oltre alle verifiche elettriche, le verifiche funzionali per valutare l’efficacia delle singole funzioni e prestazioni.

Analisi di misure di scariche parziali nei sistemi isolati a gas

Le apparecchiature elettriche isolate a gas per alta tensione stanno riscuotendo grande successo in particolare per la possibilità di ridurre le dimensioni delle sottostazioni. Sebbene si tratti di strutture meno complesse da realizzare rispetto ai cavi, la causa di guasto risulta prevalentemente imputabile ai difetti dell’isolamento. La diagnostica dei sistemi isolanti è maturata nella comprensione dei fenomeni elettromagnetici coinvolti e delle condizioni a contorno che differenziano i vari difetti, fonti di scariche parziali. Questa tesi affronta il tema delle scariche parziali negli interruttori isolati con gas Esa-Fluoruro di Zolfo. In particolare, propone le basi teoriche per sostenere l’analisi delle misure delle scariche parziali, soprattutto nel caso siano effettuate sul campo. Viene proposto un algoritmo utile ad esaminare le misure delle scariche parziali. Vengono implementati vari metodi grafici e statistici risultati dall’indagine bibliografica. Vengono proposti alcuni grafici a sostegno dell’identificazione di marcatori e indicatori della fisica dei fenomeni.

Analisi delle prestazioni di un sistema di accumulo termico

Analisi termofluidodinamica di un accumulatore di calore che utilizza materiali a cambiamento di fase (PCM). I campi di velocità, di temperatura e di titolo, in regime termico non stazionario, relativi al singolo canale, vengono calcolati con un programma basato sul metodo dei volumi finiti, scritto in ambiente di lavoro Matlab. Vengono proposte diverse ottimizzazioni delle performance di accumulo termico, basate su un algoritmo genetico. Le ottimizzazioni sono fatte sia con differenti tipi di parametri di valutazione, sia con differenti gradi del polinomio che descrive la parete del canale; per ogni ottimizzazione l’algoritmo genetico è stato, quindi, utilizzato per determinare i parametri geometrici del canale ottimali. A partire dai risultati ottenuti dalle ottimizzazioni, vengono poi analizzate le prestazioni di canali della stessa geometria, ai quali viene aggiunta un’intelaiatura metallica. Vengono, infine, mostrati i risultati delle simulazioni numeriche fatte.

Progettazione dell'impianto di climatizzazione a servizio del Museo Nazionale della Resistenza di Milano per mezzo di simulazioni energetiche dinamiche

Il lavoro proposto si pone l’obiettivo di progettare l’impianto di climatizzazione del Museo Nazionale della Resistenza, sito in Milano, sulla base dei criteri di riduzione delle emissioni climalteranti e valorizzando l’utilizzo delle fonti energetiche rinnovabili presenti nel territorio, nella fattispecie attraverso lo sfruttamento dell’acqua di falda e dell’energia solare. Il primo capitolo è dedicato alla descrizione del processo di dimensionamento effettuato ed ai criteri di progettazione adottati. Lo sfruttamento diretto dell’energia solare avviene attraverso un impianto fotovoltaico integrato alla struttura museale; nel secondo capitolo viene stimata la sua capacità di produzione elettrica annuale. Vengono quindi messi a confronto i risultati ottenuti, calcolati sia su base mensile in relazione alla norma UNI 10349, sia attraverso una simulazione energetica di tipo dinamico condotta su base oraria mediante l’utilizzo del software IES VE. Viene inoltre valutata la capacità della cella fotovoltaica nel convertire la radiazione incidente in energia elettrica ed analizzato il suo comportamento al variare delle condizioni operative. Nel terzo capitolo vengono studiati gli effetti dell’irraggiamento estivo sulle pareti opache del museo, valutando la capacità delle murature di ritardare l’onda di flusso termico. È inoltre effettuata una trattazione analitica per il calcolo dei parametri necessari a determinare il comportamento dinamico dell’involucro. Attraverso la simulazione dinamica è stato possibile stimare le richieste energetiche ed elettriche, estive e invernali, della struttura museale. La soluzione impiantistica proposta per la generazione di acqua calda e refrigerata, fa uso di gruppi polivalenti acqua-acqua con possibilità di condensare o evaporare con acqua di falda. Tale soluzione viene poi analizzata e confrontata con una più versatile, ma meno efficiente, una pompa di calore aria-acqua.

Misura della non-linearità nella risposta dello scintillatore GAGG:Ce per la missione HERMES

HERMES (High Energy Rapid Modular Ensemble of Satellites) è una missione basata su una costellazione di nano-satelliti in orbita terrestre bassa, ospitanti rivelatori di raggi X e gamma, avente l'obiettivo di indagare l'emissione di Gamma Ray Burst (GRB). Si tratta di un insieme di spettrografi ad alta risoluzione temporale, attivi nella banda 3–2000 keV, che operando congiuntamente sono in grado di localizzare eventi transienti. Questo esperimento fornirà un metodo veloce e complementare alla rivelazione di onde gravitazionali per l'osservazione di eventi brillanti come i GRB nell'ambito dell'astrofisica multimessaggero. Il rivelatore di ogni nano-satellite di HERMES è composto da Silicon Drift Deterctors (SDD) collegati otticamente a cristalli scintillatori di tipo GAGG:Ce. Il GAGG:Ce è uno scintillatore inorganico di nuova generazione (sviluppato attorno al 2012). L'obiettivo di questa tesi è studiare la risposta, in termini di ampiezza assoluta e uscita luce, del GAGG:Ce accoppiato a una SDD, concentrandosi nello studio della risposta non lineare dello scintillatore, dovuta al K-edge del gadolinio all'energia di 50.23 keV, per contribuire all'ottimizzazione della calibrazione strumentale per il satellite HERMES. Per l'esperimento sono stati usati tre diversi campioni di scintillatore GAGG:Ce. L'esperimento si è basato sull'osservazione di sorgenti radioattive di calibrazione e di un fascio monocromatico di fotoni X, prodotto attraverso il generatore disponibile presso la facility LARIX-A dell'Università di Ferrara, con un rivelatore composto dallo scintillatore in analisi letto con una SDD. L'intervallo di energie scelto per il fascio monocromatico è di 20-160 keV, mentre i radioisotopi consentono di acquisire dati anche ad energie maggiori. La risposta dello scintillatore è stata quindi studiata dalla minima energia rivelabile (20-40 keV) all'energia della riga del 137Cs a 661.65 keV.

Nodi sensori LoRaWAN a micropotenze: progettazione hardware, firmware e a livello di applicazione

L'elaborato parte da una scheda di sviluppo commerciale per arrivare a realizzare una rete LoRaWAN comprensiva di End-Node, Gateway e Application Server. In maniera specifica, l'elaborato affronta il problema della progettazione di end-node a micropotenze. Dopo aver studiato e collaudato la piattaforma di sviluppo, è stata affrontata la problematica dell'ottimizzazione energetica a diversi livelli: scelta di componenti con correnti di perdita estremamente ridotte, tecniche di power gating temporizzato, comportamento adattativo del nodo, impostazione dei consumi del nodo mediante i server della rete. L'elaborato presenta infine il layout del PCB progettato, pronto per la fabbricazione, insieme a stime del tempo di vita dell'end-node in funzione della frequenza di trasmissione e della capacità delle batterie utilizzate.

digitalizzazione del flusso informativo a supporto della gestione dei ricambi - il caso IMA S.p.A.

Il presente elaborato propone un progetto di digitalizzazione e ottimizzazione del flusso informativo a supporto della gestione dei ricambi dell'azienda IMA S.P.A. In particolare, l'obiettivo principale è quello di rendere più efficiente e priva di sprechi la modalità di richiesta del prelievo dei componenti commerciali, che ad oggi risulta essere troppo fragile e onerosa. Essa infatti, viene eseguita attraverso la stampa di un buono di prelievo cartaceo, che costituisce il supporto all’informazione e l’input per dare il via all’attività di prelievo. La proposta sviluppata in questa tesi è quella di attuare un processo di dematerializzazione, eliminando il cartaceo a favore di una completa gestione dei dati a sistema. Per farlo è stata pensata una modifica al flusso attualmente esistente, attraverso l’implementazione di una nuova transazione sul software gestionale SAP, che consenta la creazione di una lista di ricambi da prelevare. Questa lista sarà il nuovo input necessario all’attivazione del picking nel magazzino centralizzato.

Analisi dei flussi logistici e riprogettazione del layout aziendale

Il presente lavoro di tesi si basa sull’esperienza di tirocinio effettuata presso un’Azienda italiana che opera nel settore della lavorazione plastica e produce contenitori. L’Azienda, a seguito di un’innovazione su tutta la linea di prodotto, ha da poco preso la decisione di investire nell’inserimento di due nuove presse per lo stampaggio e nella realizzazione di un nuovo impianto di assemblaggio automatizzato. Questi verranno inseriti all’interno dell’attuale stabilimento ed andranno ad aumentare la capacità produttiva. Se da un lato ci sono grandi vantaggi in ciò, dall’altro va analizzato il contorno. In particolare: Come va ad impattare l’inserimento di questi elementi nelle logiche aziendali? Come cambiano i flussi di materiale all’interno dello stabilimento? Sarà sufficiente lo spazio attuale per lo stoccaggio dei semilavorati? Poste queste domande, l’obiettivo dell’elaborato è di rispondervi, attraverso l’analisi delle principali attività logistiche dell’Azienda, focalizzando l’attenzione sul layout attuale del reparto magazzino semilavorati e dei flussi di materiale. L’analisi del magazzino nella situazione As Is evidenzia una serie di criticità. Il problema principale è di definire l’adeguato layout del magazzino, che consente un utilizzo ottimale della superficie a disposizione, in modo da garantire l’efficienza e l’efficacia delle operazioni che ivi si svolgono. L’analisi ha condotto alla progettazione di un nuovo layout e di una nuova politica di allocazione dei materiali. Infine, viene effettuata un’attenta analisi dei flussi logistici, ed in particolare delle movimentazioni di materiale, sviluppata attraverso il software simulativo AutoMod. Quindi, vengono simulati degli ipotetici scenari, successivi all’inserimento del nuovo impianto di assemblaggio, per valutare le criticità che potrebbe dover affrontare l’Azienda.

AlmaBike: una piattaforma web per aggregare e visualizzare dati sull'inquinamento da sensori IoT

L'inquinamento è un pensiero costante nel ventunesimo secolo. Ogni anno, i ricercatori cercano di trovare nuove metodologie e tecnologie per controllarlo e ridurlo. Per questo motivo l’Università di Bologna ha avviato svariati progetti per contrastare le problematiche ambientali. Una delle iniziative è AlmaBike. Sono biciclette che vengono assegnate nella forma di comodato gratuito al personale universitario e agli studenti. Nell'ultimo periodo, 50 AlmaBike sono state dotate di un pacchetto sensori in grado di rilevare posizione GPS, la qualità dell’aria, il rumore e alcuni parametri ambientali. Gli obiettivi perseguiti sono: sperimentare un sistema che permetta la misurazione di dati in merito alla qualità ambientale del comune di Bologna e misurare la rilevanza della consapevolezza della qualità dell’aria nella scelta di percorsi da parte di un utente, ad esempio casa-lavoro. L’obiettivo di questa tesi è quello di creare un applicativo che permetta la fruizione dei dati raccolti dai vari sensori attraverso l’uso di tecniche di Data Visualization. I dati vengono elaborati e organizzati con lo scopo di permetterne la comprensione anche ad utenti inesperti. La tesi è suddivisa in tre capitoli: nel primo capitolo sono stati approfonditi i concetti inerenti alla sostenibilità riprendendo quanto detto a proposito degli obiettivi dell'Agenda 2030, facendo anche una breve introduzione sul concetto di IoT e sensori; nel secondo capitolo vengono presentate le tecnologie utilizzate per la realizzazione dell’applicativo tra cui: Docker, MySQL, Angular, Typescript, Golang; nel terzo capitolo viene mostrata nel dettaglio l'applicazione creata: dalle scelte progettuali, fino ad arrivare al risultato finale.

Sviluppo di un AR wearable device per il settore Automotive ricaricato tramite le vibrazioni del telaio

In questo elaborato di tesi vengono presentati la ricerca e il lavoro che hanno portato all’ideazione e sviluppo di CirculAR. CirculAR consiste in un dispositivo per la realtà aumentata, che assiste i conducenti di veicoli a due ruote, quali biciclette, monopattini e motocicli, proiettandogli informazioni utili per una guida in sicurezza. L’energia che alimenta il dispositivo per la realtà aumentata viene generata, in modo sostenibile, dalla conversione in energia elettrica dell’energia cinetica ottenuta dalle vibrazioni che si scaricano al telaio, originate dal contatto tra manto stradale e veicolo stesso. Il sistema - prodotto è composto, infatti, da due dispositivi differenti, un wearable device e un generatore elettrico, che cooperano per il raggiungimento di una Realtà Aumentata più sostenibile ed innovativa. Per lo sviluppo di CirculAR sono state prese in considerazione tecnologie innovative ad oggi oggetto di grande ricerca e interesse scientifico; per questo studio in particolare, si è deciso di conciliare queste tecnologie con una progettazione mirata alla semplificazione ed alla specializzazione dei singoli componenti per garantirne un generale livello di forte innovazione tecnologica ed, al contempo, una riduzione del costo complessivo di vendita del prodotto. Il connubio di queste tecnologie ha permesso di realizzare due dispositivi innovativi sia da un punto di vista tecnologico che da un punto di vista della sostenibilità, che possono rappresentare un modello per una futura generazione di wearable device sostenibile.

Studio del ciclo di assemblaggio attraverso l'applicazione di algoritmi euristici e sua applicazione al montaggio di una bicicletta elettrica

Il presente elaborato si propone di raccogliere e dettagliare il lavoro svolto presso l’azienda Motori Minarelli durante il tirocinio curricolare. Minarelli ha dato l’avvio ad un nuovo progetto di nome ISSIMO e conseguentemente si è trovata ad approcciare una nuova tipologia di prodotto da assemblare attraverso linea di montaggio: una bicicletta elettrica. Il compito dell’azienda bolognese era quello di progettare e implementare la linea produttiva per la commercializzazione dell’e-bike. Al giorno d’oggi una buona progettazione del ciclo produttivo è alla base per la generazione di prodotti eccellenti e di qualità, per questo il ciclo di assemblaggio è stato definito tramite l’applicazione di una serie di algoritmi euristici di line balancing, per definire la struttura della linea di montaggio e la sequenza di produzione. Si è divisa la trattazione in quattro parti distinte: la prima parte è una analisi storica che parte dalla nascita della catena di montaggio sino alla teoria degli algoritmi di bilanciamento; la seconda parte permette di calarsi nel contesto aziendale; la terza parte dettaglia il progetto ISSIMO nei dettagli e la quarta parte, quella sperimentale, mostra l’applicazione degli algoritmi alla linea di assemblaggio in esame.