Advanced Numerical Simulation of Silicon-Based Solar Cells

Photovoltaic (PV) conversion is the direct production of electrical energy from sun without involving the emission of polluting substances. In order to be competitive with other energy sources, cost of the PV technology must be reduced ensuring adequate conversion efficiencies. These goals have motivated the interest of researchers in investigating advanced designs of crystalline silicon solar (c-Si) cells. Since lowering the cost of PV devices involves the reduction of the volume of semiconductor, an effective light trapping strategy aimed at increasing the photon absorption is required. Modeling of solar cells by electro-optical numerical simulation is helpful to predict the performance of future generations devices exhibiting advanced light-trapping schemes and to provide new and more specific guidelines to industry. The approaches to optical simulation commonly adopted for c-Si solar cells may lead to inaccurate results in case of thin film and nano-stuctured solar cells. On the other hand, rigorous solvers of Maxwell equations are really cpu- and memory-intensive. Recently, in optical simulation of solar cells, the RCWA method has gained relevance, providing a good trade-off between accuracy and computational resources requirement. This thesis is a contribution to the numerical simulation of advanced silicon solar cells by means of a state-of-the-art numerical 2-D/3-D device simulator, that has been successfully applied to the simulation of selective emitter and the rear point contact solar cells, for which the multi-dimensionality of the transport model is required in order to properly account for all physical competing mechanisms. In the second part of the thesis, the optical problems is discussed. Two novel and computationally efficient RCWA implementations for 2-D simulation domains as well as a third RCWA for 3-D structures based on an eigenvalues calculation approach have been presented. The proposed simulators have been validated in terms of accuracy, numerical convergence, computation time and correctness of results.

Riconversione degli impianti saccariferi per la valorizzazione della filiera agro-energetica: analisi di impatto sul comprensorio agricolo

Il presente lavoro trae origine dagli obiettivi e dalle relative misure applicative della riforma dell’OCM zucchero del 2006 e nello specifico dal Piano nazionale per la razionalizzazione e riconversione della produzione bieticolo-saccarifera approvato dal MIPAF nel 2007. Lo studio riguarda la riconversione dello zuccherificio di Finale Emilia (MO), di appartenenza del Gruppo bieticolo-saccarifero Co.Pro.B, in un impianto di generazione di energia elettrica e termica che utilizza biomassa di origine agricola per la combustione diretta. L'alimentazione avviene principalmente dalla coltivazione dedicata del sorgo da fibra (Sorghum bicolor), integrata con risorse agro-forestali. Lo studio mostra la necessità di coltivazione di 4.400 ettari di sorgo da fibra con una produzione annua di circa 97.000 t di prodotto al 75% di sostanza secca necessari per l’alimentazione della centrale a biomassa. L’obiettivo é quello di valutare l’impatto della nuova coltura energetica sul comprensorio agricolo e sulla economia dell’impresa agricola. La metodologia adottata si basa sulla simulazione di modelli aziendali di programmazione lineare che prevedono l’inserimento del sorgo da fibra come coltura energetica nel piano ottimo delle aziende considerate. I modelli predisposti sono stati calibrati su aziende RICA al fine di riprodurre riparti medi reali su tre tipologie dimensionali rappresentative: azienda piccola entro i 20 ha, media da 20 a 50 ha e grande oltre i 50 ha. La superficie di entrata a livello aziendale, se rapportata alla rappresentatività delle aziende dell’area di studio, risulta insufficiente per soddisfare la richiesta di approvvigionamento dell’impianto a biomassa. Infatti con tale incremento la superficie di coltivazione nel comprensorio si attesta sui 2.500 ettari circa contro i 4.400 necessari alla centrale. Lo studio mostra pertanto che occorre un incentivo superiore, di circa 80-90 €/ha, per soddisfare la richiesta della superficie colturale a livello di territorio. A questi livelli, la disponibilità della coltura energetica sul comprensorio risulta circa 9.500 ettari.

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 è aggravato dalla progressiva urbanizzazione, con la conseguente necessità di smaltire i rifiuti solidi urbani nelle immediate vicinanze delle città dove vengono prodotti in gran quantità.Storicamente nei piani di gestione dei rifiuti si è sempre tenuta in considerazione la tutela della salute pubblica e dell’ambiente; negli ultimi anni è 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 è nato con l’obiettivo di ridurne il volume e di distruggere le sostanze pericolose in essi presenti, la termovalorizzazione comprende un secondo obiettivo, che è 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 società Herambiente, ubicato in via Baiona a Ravenna. L’impianto utilizza un forno a tamburo rotante, scelto proprio per la sua versatilità nell’incenerire varie tipologie di rifiuti: solidi, liquidi organici e inorganici, fluidi fangosi. Negli ultimi anni si è 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 quantità 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 cioè, a parità 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 è 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 è 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.

Valutazione funzionale ed economica di una innovativa macchina utensile in alluminio

L’oggetto di studio della presente tesi è una macchina utensile ad altra produttività con tavola rotante (transfer) che presenta numerosi elementi di innovazione rispetto a versioni precedenti. In particolare è stata ottimizzata la scelta dei materiali che compongono i vari elementi della struttura, sono stati ripensati gli impianti di servizio e, infine, è stato reso possibile l’impiego di tecnologie di lavorazione che permettono una notevole riduzione del consumo elettrico. Il transfer è costituito da una stazione di carico/scarico e da numerose stazioni di lavoro equipaggiate con moduli a tre assi che permettono di eseguire le diverse operazioni da realizzare sul componente in lavorazione. Le unità a tre assi vengono impiegate per movimentare gli elettromandrini che mettendo in rotazione gli utensili permettono l’esecuzione delle diverse lavorazioni. L’attività svolta è stata suddivisa in diverse fasi: nella prima è stata realizzata un’analisi funzionale che ha permesso di valutare (i) la rigidezza dell’unità a tre assi che equipaggia ogni stazione di lavoro e (ii) l’errore di posizionamento indotto dal riscaldamento delle viti di manovra che permettono la movimentazione dei tre assi della macchina. Nella seconda fase sono state valutate le potenzialità della tecnologia Minimum Quantity Lubrication (MQL) come alternativa ecologica ed economica alla tradizionale tecnica di lubrorefrigerazione con emulsione. La tecnica MQL consiste nel nebulizzare nella zona di taglio un aerosol composto da aria e olio. In particolare è stato calibrato il sistema di generazione dell’aerosol stesso ed è stata indagata l’influenza dei diversi parametri di taglio sulla qualità della lavorazione. Infine è stata effettuata un’analisi economica che ha permesso di valutare il vantaggio economico in termini di potenza installata e consumo di energia elettrica del transfer in relazione ad una macchina utensile di pari taglia che presenta le soluzioni costruttive standard per questa tipologia di dispositivo.

Gestione dei sistemi di ricarica dei veicoli elettrici

La tesi tratta dei sistemi di ricarica dei veicoli elettrici e del loro impatto sulla rete. La tesi inoltre analizza i vantaggi delle tecnologie vehicle to grid per l'integrazione della produzione da fonti rinnovabili.

Un sistema di domotica per il controllo energetico domestico con tecnologie open-source.

Data la sempre maggiore richiesta di fabbisogno energetico, si è sviluppata una nuova filosofia nella gestione dei consumi energetici, il DSM (demand side management), che ha lo scopo di incoraggiare il consumatore ad usare energia in modo più intelligente e coscienzioso. Questo obiettivo, unito all’accumulo di energia da fonti rinnovabili, permetterà un abbassamento dell’utilizzo dell’energia elettrica proveniente dal consumo di fonti non rinnovabili e altamente inquinanti come quelle a combustibili fossili ed una diminuzione sia del consumo energetico, sia del costo per produrre energia che dell’energia stessa. L’home automation e la domotica in ambiente domestico rappresentano un esempio di DSM. L’obiettivo di questa tesi è quello di creare un sistema di home automation utilizzando tecnologie opensource. Sono stati utilizzati device come board Arduino UNO, Raspberry Pi ed un PC con sistema operativo GNU/Linux per creare una simulazione di un sistema di home automation abbinato alla gestione di celle fotovoltaiche ed energy storaging. Il sistema permette di poter spegnere un carico energetico in base a delle particolari circostanze come, per esempio, il superamento di una certa soglia di consumo di energia elettrica. Il software utilizzato è opensource e mira a poter ottimizzare il consumo energetico secondo le proprie finalità. Il tutto a dimostrare che si può creare un sistema di home automation da abbinare con il presente e futuro delle fonti rinnovabili utilizzando tecnologie libere in modo tale da preservare privacy e security oltre che customizzazione e possibilità di adattamento a diverse circostanze. Nella progettazione del sistema è stato implementato un algoritmo per gestire varie situazioni all’interno di un ambiente domestico. La realizzazione di tale algoritmo ha prodotto ottimi risultati nella raggiungimento degli obiettivi prefissati. Il progetto di questa tesi può essere ulteriormente ampliato ed il codice è reperibile in un repository pubblico.

Ottimizzazione impiantistica di servizi di climatizzazione e acqua calda con produzione di energia da fotovoltaico: il caso studio del progetto "e-SAFE"

In questa tesi si è approfondito dal punto di vista impiantistico ed energetico il primo progetto pilota “e-SAFE”, relativo ad un condominio di edilizia popolare sito a Catania. Il progetto europeo “e-SAFE” mira alla riqualificazione “globale” del patrimonio edilizio UE, con obiettivi quali la decarbonizzazione, tramite raggiungimento di edifici nZEB, e la sicurezza sismica, includendo finalità sociali. È stata svolta la progettazione degli impianti tecnici relativi ai servizi di climatizzazione (riscaldamento e raffrescamento) e produzione acqua calda sanitaria (ACS), tramite adozione di sistema a pompa di calore abbinato ad impianto fotovoltaico provvisto di batterie di accumulo, al fine di massimizzare l’utilizzo di fonti energetiche rinnovabili. Una soluzione innovativa è stata prevista per il sistema ACS tramite bollitori decentralizzati che permettono l’eliminazione della rete di ricircolo e dotano il servizio centralizzato di una certa “individualità”, con adozione di logiche di controllo che consentono di sfruttare al massimo l’energia da fotovoltaico. Sono state quindi svolte analisi energetiche, relative a tre casi impiantistici (senza PV, con PV e con batterie d’accumulo), con modellazione del sistema edificio-impianto adottando una procedura di calcolo orario, per poi confrontare i consumi elettrici, le emissioni e i principali indicatori energetici al fine di dimostrare la bontà delle scelte progettuali effettuate. Si è dimostrato come l’impiego dell’impianto fotovoltaico, abbinato ad un corretto dimensionamento delle batterie di accumulo, consente di ottimizzare la contemporaneità di produzione e consumo di energia. Nonché permette di minimizzare il prelievo di energia elettrica dalla rete nazionale, consumando e stoccando in loco l’elettricità autoprodotta da fonti energetiche totalmente rinnovabili.

Implementazione di un simulatore per determinare la degradazione delle batterie nella partecipazione al Grid Support

L'elaborato descrive l'esperienza di tirocinio svolta nell'azienda Vertiv, dove è stato chiesto di realizzare un simulatore per il calcolo della degradazione delle batterie nella partecipazione al Grid Support. Nella prima parte viene illustrato il panorama energetico attuale, descrivendo il funzionamento generale di un sistema elettrico. Successivamente vengono descritti i gruppi di continuità e le loro modalità di funzionamento. A questo si collega la descrizione dei prodotti dell'azienda che verranno considerati nel simulatore. Vengono descritti i servizi di Grid Support che un cliente può scegliere al fine di ottenere un uso ottimale dell'energia elettrica, e quindi un risparmio, e quelli che aiutano la rete a bilanciare le variazioni di frequenza. Vi è inoltre una descrizione delle batterie, le loro caratteristiche e i parametri fondamentali di questa modalità di immagazzinamento dell'energia. Vengono riportate le principali tipologie delle batterie al Litio, essendo queste quelle utilizzate all'interno del simulatore. L'ultimo capitolo riguarda la descrizione del simulatore; vengono riportate le caratteristiche delle batterie considerate, divise a seconda del fornitore. Il simulatore è diviso in due parti, una chiamata "Frequency Regulation", l'altra "Peak Shaving". Nella prima vengono mostrati i dati di input che possono essere cambiati, la degradazione delle batterie collegata ai servizi FFR e FCR-D, i possibili guadagni che un cliente potrebbe ottenere nel momento in cui firma un contratto per partecipare ad un programma di variazione della frequenza, a seconda del mercato elettrico scelto. Nella seconda i dati di input, la degradazione delle batterie e i possibili risparmi associati al servizio Peak Shaving. Infine vengono riportati degli scenari di esempio per mostrare come un ipotetico cliente possa giocare con i dati di input e confrontare i risultati ottenuti allo scopo di ottenere la miglior soluzione possibile.

Valutazione ingegneristica di alcuni aspetti del ciclo di vita degli impianti per la produzione, il trasporto, lo stoccaggio e l’utilizzo di idrogeno

La domanda energetica mondiale è cresciuta significativamente negli ultimi decenni e la maggior parte dell’energia attualmente prodotta deriva da combustibili fossili. Una delle sfide attuali è quella di ridurre le emissioni di gas serra generate dalla produzione di energia tramite risorse non rinnovabili. A tal riguardo, la ricerca di nuovi vettori energetici e lo sviluppo di nuovi processi per la produzione di energia da risorse rinnovabili costituiscono alcuni tra gli elementi necessari per raggiungere tale obiettivo. L’idrogeno, allo stato attuale, è considerato uno dei vettori energetici più promettenti; tuttavia presenta degli svantaggi a causa delle sue caratteristiche chimico-fisiche. Infatti esso presenta un ampio campo di infiammabilità, una bassa energia di ignizione, delle dimensioni molecolari piccole al punto da renderne complesso il contenimento; inoltre, la bassa densità del fluido causa dei problemi per quanto riguarda lo stoccaggio ed il trasporto. In questo contesto si inserisce il presente lavoro di tesi, che è stato sviluppato durante un tirocinio svolto presso una società di ingegneria operante nel settore “Oil&gas”. Lo scopo di questo elaborato è quello di valutare la possibilità di convertire una condotta attualmente impiegata per il trasporto di gas naturale a idrogenodotto e studiare la fattibilità della produzione e dello stoccaggio di idrogeno ai fini dell’alimentazione a un turbogeneratore per la produzione di energia elettrica. Dopo il Capitolo 1 avente carattere introduttivo, nel Capitolo 2 viene analizzata la possibilità di convertire a idrogenodotto una condotta attualmente impiegata per il trasporto di gas naturale. Nel Capitolo 3 viene valutata la fattibilità dell’acquisto e stoccaggio o dell’autoproduzione e stoccaggio di idrogeno tramite elettrolisi dell’acqua, ai fini dell’alimentazione a un turbogeneratore. Infine, nel Capitolo 4 vengono riportate le conclusioni delle analisi effettuate.

Implementazione di un sistema di accumulo dell'energia prodotta da FER in ambito portuale

L'elaborato analizza concretamente le possibilità di implementazione di un sistema di accumulo di energia elettrica prodotta da FER all'interno del terminal portuale della ditta Sapir. Vengono analizzate le tecnologie disponibili attualmente sul mercato valutandone l'efficienza e soprattutto la capacità di produrre un riscontro economico positivo per l'azienda in un tempo contenuto. Sono state infine valutate le varie proposte di miglioramento, considerando di implementare una gru elettrica alimentata almeno in parte dal sistema di accumulo.

Conceção técnica e avaliação económica de um veículo solar para venda de produtos refrigerados

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica

Are definitions of adiposity appropriate for identification of cardiovascular disease risk in South Asian populations?

South Asian populations living in the UK have a high prevalence of the metabolic syndrome, cardiovascular disease (CVD) and type 2 diabetes which impacts greatly on the morbidity and mortality of this ethnic group. The identification of ‘at risk’ individuals is essential to initiate reventative treatment. However, this is considerably hindered by the lack of appropriate cut-off values for anthropometric measures. CVD risk is significantly higher at a lower body mass index (BMI) in many Asian groups compared with Caucasians and adiposity (particularly central deposition) is higher at similar BMI levels. The definition of adiposity in Asians needs to be firmly established and appropriate lower BMI and waist circumference cut-offs implemented in ethnic subpopulations to facilitate appropriate treatment strategies.

Desenvolvimento de monitoramento remoto em um sistema híbrido isolado de pequeno porte

Este trabalho visa avaliar as dificuldades e utilidades do monitoramento remoto de um sistema para o atendimento de cargas isoladas da rede elétrica, envolvendo sistemas reais em operação que podem ajudar a identificar os principais fatores que influenciam na vida útil desses dispositivos, tornando possível propor estratégias e tecnologias que melhorem a confiabilidade do sistema, possibilitem uma configuração mais adequada e reduzam os custos globais do sistema ao longo de sua vida útil. Para isso foi incorporado um sistema de monitoramento remoto via LabVIEW a um sistema híbrido isolado insta-lado em flutuante localizada as margens do lago da cidade de Tefé-AM. O sistema de geração foi composto inicialmente por um gerador fotovoltaico (FV) com potência de 2,08 kWp, dois subgeradores 1,04 kWp cada, e depois ampliado para 2,6 Wp mais 350 Wp de geração eólica. Além disso, um banco de acumuladores eletroquímicos com tensão nominal de 24 V e composto por 20 baterias de 150 Ah cada, Dois controladores de carga 24 V / 40 A e um inversor de onda senoidal de 1.500 VA. Resultados de operacionais apresentados neste trabalho ajudam a entender melhor o funcionamento desses sistemas e avaliar as barreiras encontradas no monitoramento remoto dessas unidades. Esse expe-rimento foi realizado em parceria do laboratório do Grupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas Energéticas na Universidade Federal do Pará com o Núcleo de Inovação tecnológica do Instituto de Desenvolvimento Sustentável Mamirauá.

Biometanazione della frazione organica di rifiuti solidi urbani da raccolta indifferenziata mediante codigestione con refluo zootecnico o addizione di solfuro di sodio

Il presente elaborato è stato finalizzato allo sviluppo di un processo di digestione anaerobica della frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU oppure, in lingua inglese OFMSW, Organic Fraction of Municipal Solid Waste) provenienti da raccolta indifferenziata e conseguente produzione di biogas da impiegarsi per il recupero energetico. Questo lavoro rientra nell’ambito di un progetto, cofinanziato dalla Regione Emilia Romagna attraverso il Programma Regionale per la Ricerca Industriale, l’Innovazione e il Trasferimento Tecnologico (PRRIITT), sviluppato dal Dipartimento di Chimica Applicata e Scienza dei Materiali (DICASM) dell’Università di Bologna in collaborazione con la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Ferrara e con la società Recupera s.r.l. che applicherà il processo nell’impianto pilota realizzato presso il proprio sito di biostabilizzazione e compostaggio ad Ostellato (FE). L’obiettivo è stato la verifica della possibilità di impiegare la frazione organica dei rifiuti indifferenziati per la produzione di biogas, e in particolare di metano, attraverso un processo di digestione anaerobica previo trattamento chimico oppure in codigestione con altri substrati organici facilmente fermentabili. E’ stata inoltre studiata la possibilità di impiego di reattori con biomassa adesa per migliorare la produzione specifica di metano e diminuire la lag phase. Dalla sperimentazione si può concludere che è possibile giungere allo sviluppo di metano dalla purea codigerendola assieme a refluo zootecnico. Per ottenere però produzioni significative la quantità di solidi volatili apportati dal rifiuto non deve superare il 50% dei solidi volatili complessivi. Viceversa, l’addizione di solfuri alla sola purea si è dimostrata ininfluente nel tentativo di sottrarre gli agenti inibitori della metanogenesi. Inoltre, l’impiego di supporti di riempimento lavorando attraverso processi batch sequenziali permette di eliminare, nei cicli successivi al primo, la lag phase dei batteri metanogeni ed incrementare la produzione specifica di metano.

Produzione di idrogeno "on-board" mediante deidrogenazione catalitica di kerosene

L’H2 è attualmente un elemento di elevato interesse economico, con notevoli prospettive di sviluppo delle sue applicazioni. La sua produzione industriale supera attualmente i 55 ∙ 1010 m3/anno, avendo come maggiori utilizzatori (95% circa) i processi di produzione dell’ammoniaca e quelli di raffineria (in funzione delle sempre più stringenti normative ambientali). Inoltre, sono sempre più importanti le sue applicazioni come vettore energetico, in particolare nel settore dell’autotrazione, sia dirette (termochimiche) che indirette, come alimentazione delle fuel cells per la produzione di energia elettrica. L’importanza economica degli utilizzi dell’ H2 ha portato alla costruzione di una rete per la sua distribuzione di oltre 1050 km, che collega i siti di produzione ai principali utilizzatori (in Francia, Belgio, Olanda e Germania). Attualmente l’ H2 è prodotto in impianti di larga scala (circa 1000 m3/h) da combustibili fossili, in particolare metano, attraverso i processi di steam reforming ed ossidazione parziale catalitica, mentre su scala inferiore (circa 150 m3/h) trovano applicazione anche i processi di elettrolisi dell’acqua. Oltre a quella relativa allo sviluppo di processi per la produzione di H2 da fonti rinnovabili, una tematica grande interesse è quella relativa al suo stoccaggio, con una particolare attenzione ai sistemi destinati alle applicazioni nel settore automotivo o dei trasposti in generale. In questo lavoro di tesi, svolto nell’ambito del progetto europeo “Green Air” (7FP – Transport) in collaborazione (in particolare) con EADS (D), CNRS (F), Jonhson-Matthey (UK), EFCECO (D), CESA (E) e HyGEAR (NL), è stato affrontato uno studio preliminare della reazione di deidrogenazione di miscele di idrocarburi e di differenti kerosene per utilizzo aereonautico, finalizzato allo sviluppo di nuovi catalizzatori e dei relativi processi per la produzione di H2 “on board” utilizzando il kerosene avio per ottenere, utilizzando fuel cells, l’energia elettrica necessaria a far funzionare tutta la strumentazione ed i sistemi di comando di aeroplani della serie Airbus, con evidenti vantaggi dal punto di vista ponderale e delle emissioni.