Valutazione dell'eco-sostenibilità di un impianto di digestione anaerobica cogenerativo e ipotesi di conversione impiantistica per la produzione di biometano

Considerando l'elevato grado di inquinamento del pianeta e la forte dipendenza delle attività antropiche dai combustibili fossili, stanno avendo notevole sviluppo e incentivazione gli impianti per la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili. In particolare, la digestione anaerobica è in grande diffusione in Italia. Lo studio in oggetto si prefigge l'obiettivo di determinare, mediante analisi di Life Cycle Assessment (LCA), i carichi ambientali di un impianto di digestione anaerobica, e della sua filiera, per valutarne l'effettiva ecosostenibilità. L'analisi considera anche gli impatti evitati grazie all'immissione in rete dell'energia elettrica prodotta e all'utilizzo del digestato in sostituzione dell'urea. Lo studio analizza sei categorie d'impatto: Global warming potential (GWP), Abiotic depletion potential (ADP), Acidification potential (AP), Eutrophication potential (EP), Ozone layer depletion potential (ODP) e Photochemical oxidant formation potential (POFP). I valori assoluti degli impatti sono stati oggetto anche di normalizzazione per stabilire la loro magnitudo. Inoltre, è stata effettuata un'analisi di sensitività per investigare le variazioni degli impatti ambientali in base alla sostituzione di differenti tecnologie per la produzione di energia elettrica: mix elettrico italiano, carbone e idroelettrico. Infine, sono stati analizzati due scenari alternativi all'impianto in esame che ipotizzano la sua conversione ad impianto per l'upgrading del biogas a biometano. I risultati mostrano, per lo scenario di riferimento (produzione di biogas), un guadagno, in termini ambientali, per il GWP, l'ADP e il POFP a causa dei notevoli impatti causati dalla produzione di energia elettrica da mix italiano che la filiera esaminata va a sostituire. I risultati evidenziano anche quanto gli impatti ambientali varino in base alla tipologia di alimentazione del digestore anaerobica: colture dedicate o biomasse di scarto. I due scenari alternativi, invece, mostrano un aumento degli impatti, rispetto allo scenario di riferimento, causati soprattutto dagli ulteriori consumi energetici di cui necessitano sia i processi di purificazione del biogas in biometano sia i processi legati alla digestione anaerobica che, nel caso dello scenario di riferimento, sono autoalimentati. L'eventuale conversione dell'attuale funzione dell'impianto deve essere fatta tenendo anche in considerazione i benefici funzionali ed economici apportati dalla produzione del biometano rispetto a quella del biogas.

Analisi energetica e studio di fattibilità di un impianto di solar cooling a servizio di un hotel

Il calore del sole diventa energia frigorifera sostenibile economicamente ed energticamente. Gli sviluppi tecnologici degli ultimi anni nel campo dell’energia solare consentono consentono di realizzare quanto apparentemente in contraddizione con i fondamentali teoremi della fisica classica ed in particolare della termodinamica. Questo elaborato vuole analizzare come, se e in quali casi sia conveniente l'installazione di un impianto di solar cooling per la climatizzazione estiva di un edificio. Partendo dal problema, sempre più attuale, dei crescenti consumi di energia elettrica per il condizionamento estivo degli edifici, dalla ricerca bibliografica è emerso come inizi a farsi strada, come soluzione percorribile e logicamente interessante, l’utilizzo dell’energia solare, fruttata in impianti che prendono il nome di impianti di solar cooling.

Simulazione numerica di celle solari Metal Wrap Through (MWT) con passivazione dell'interfaccia di base e contatti puntuali

L'energia solare rientra nel gruppo delle energie rinnovabili, ovvero che provengono da una fonte il cui utilizzo attuale non ne pregiudica la disponibilità nel futuro. L'energia solare ha molti vantaggi, poiché è inesauribile ed è una risorsa d'immediata disponibilità perché giunge attraverso i raggi del sole. La conversione fotovoltaica sfrutta il meccanismo di generazione di carica elettrica prodotto dall'interazione della radiazione luminosa su di un materiale semiconduttore. La necessità di creare energia riducendo al minimo l'impatto ambientale ed il contemporaneo aumento del prezzo di fonti fossili come ad esempio il petrolio ed il carbone (senza trascurare il fatto che le riserve di essi sono, di fatto, esauribili) ha portato un aumento considerevole della produzione di energia elettrica tramite conversione fotovoltaica. Allo stato attuale dell'economia e dei mercati, sebbene il settore fotovoltaico sia in forte crescita, non è esente da un parametro che ne descrive le caratteristiche economiche ed energetiche, il cosiddetto rapporto costo/efficienza. Per efficienza, si intende la quantità di energia elettrica prodotta rispetto alla potenza solare incidente per irraggiamento, mentre per costo si intende quello sostenuto per la costruzione della cella. Ridurre il rapporto costo/efficienza equivale a cercare di ottenere un'efficienza maggiore mantenendo inalterati i costi, oppure raggiungere una medio-alta efficienza ma ridurre in maniera significativa la spesa di fabbricazione. Quindi, nasce la necessità di studiare e sviluppare tecnologie di celle solari all'avanguardia, che adottino accorgimenti tecnologici tali per cui, a parità di efficienza di conversione, il costo di produzione della cella sia il più basso possibile. L'efficienza dei dispositivi fotovoltaici è limitata da perdite ottiche, di ricombinazione di carica e da resistenze parassite che dipendono da diversi fattori, tra i quali, le proprietà ottiche e di trasporto di carica dei materiali, l'architettura della cella e la capacità di intrappolare la luce da parte del dispositivo. Per diminuire il costo della cella, la tecnologia fotovoltaica ha cercato di ridurre il volume di materiale utilizzato (in genere semiconduttore), dal momento in cui si ritiene che il 40% del costo di una cella solare sia rappresentato dal materiale. Il trend che questo approccio comporta è quello di spingersi sempre di più verso spessori sottili, come riportato dalla International Technology Roadmap for Photovoltaic, oppure ridurre il costo della materia prima o del processo. Tra le architetture avanzate di fabbricazione si analizzano le Passivated Emitter and Rear Cell-PERC e le Metal Wrap Through-MWT Cell, e si studia, attraverso simulazioni numeriche TCAD, come parametri geometrici e di drogaggio vadano ad influenzare le cosiddette figure di merito di una cella solare.

Enhancement of inductive power transfer with flat spiral resonators

The aim of this thesis is to develop a depth analysis of the inductive power transfer (or wireless power transfer, WPT) along a metamaterial composed of cells arranged in a planar configuration, in order to deliver power to a receiver sliding on them. In this way, the problem of the efficiency strongly affected by the weak coupling between emitter and receiver can be obviated, and the distance of transmission can significantly be increased. This study is made using a circuital approach and the magnetoinductive wave (MIW) theory, in order to simply explain the behavior of the transmission coefficient and efficiency from the circuital and experimental point of view. Moreover, flat spiral resonators are used as metamaterial cells, particularly indicated in literature for WPT metamaterials operating at MHz frequencies (5-30 MHz). Finally, this thesis presents a complete electrical characterization of multilayer and multiturn flat spiral resonators and, in particular, it proposes a new approach for the resistance calculation through finite element simulations, in order to consider all the high frequency parasitic effects. Multilayer and multiturn flat spiral resonators are studied in order to decrease the operating frequency down to kHz, maintaining small external dimensions and allowing the metamaterials to be supplied by electronic power converters (resonant inverters).

Controllo sensorless di attuatori tubolari pentafase

L'elaborato si pone l'obiettivo di sviluppare un controllo sensorless di posizione per un attuatore tubolare pentafase anisotropo a magneti permanenti. Le peculiarità degli attuatori tubolari sono molteplici: assenza di organi di trasmissione del moto; compattezza; elevate densità di forza e prestazioni nella dinamica, con una più ampia banda passante per il sistema di controllo; maggiore precisione, risoluzione, ripetibilità ed affidabilità. Tale tipologia di macchina è pertanto molto interessante in diverse applicazioni quali robotica, automazione, packaging, sistemi di posizionamento ecc., ed è altresì promettente nei settori aerospaziale e automotive. L'azionamento in studio è inoltre di tipo multifase. In tal caso si ottengono diversi vantaggi: possibilità di suddividere la potenza su un numero elevato di rami del convertitore; capacità di lavorare in condizioni di guasto; incremento della densità di coppia della macchina; possibilità di controllare in modo indipendente e con un solo inverter più macchine collegate in serie. Prestazioni migliori della macchina si possono ottenere con un opportuno sistema di controllo. Nel caso di azionamenti a magneti permanenti risulta particolarmente attraente il controllo di tipo sensorless della posizione rotorica, in alternativa ad un encoder o un resolver. Questo aumenta l'affidabilità, riduce i costi e diminuisce l'ingombro complessivo dell'azionamento. Appare molto interessante l'utilizzo di un azionamento tubolare di tipo multifase, e ancor più lo sviluppo di un apposito controllo di posizione di tipo sensorless. L’algoritmo sensorless di stima della posizione dell’attuatore può essere sviluppato partendo dall’anisotropia di macchina, sfruttando la possibilità peculiare delle macchine multifase di estrarre informazioni sullo stato attraverso i molteplici gradi di libertà presenti. Nel caso in questione si tratta del controllo della terza armonica spaziale del campo magnetico al traferro. Fondamentale è la definizione di un modello matematico in grado di rappresentare in modo opportuno l’anisotropia di macchina. In letteratura non sono ancora presenti modelli adatti a descrivere il dispositivo in questione; pertanto una parte essenziale della tesi è stata dedicata a definire tale modello e a verificarne la validità. Partendo dal modello è possibile dunque sviluppare un appropriato algoritmo di controllo sensorless e rappresentare in simulink l'intero azionamento. Nella parte conclusiva del lavoro di tesi vengono presentate le prove sperimentali, finalizzate alla determinazione dei parametri di macchina e alla verifica del funzionamento del sistema di controllo. Infine sono confrontati i risultati ottenuti rispetto a quelli realizzati con controlli di tipo tradizionale.

Celle solari ultra-sottili in silicio

Con l’incremento della popolazione mondiale e la conseguente crescita del fabbisogno di energia dovuta a nuovi lavori e sempre più macchinari in circolazione, è insorta l'esigenza di produrre più energia elettrica. A partire dagli anni ’50 numerosi scienziati hanno analizzato il problema energetico e sono giunti alla conclusione che fonti di energia come petrolio, carbone e gas non erano in grado di soddisfare il bisogno umano sul lungo termine e si è quindi passati alla ricerca di altre fonti di energia come il nucleare. Oggi, grazie ad un progetto ed uno studio di circa 50 anni fa – finalizzato alla alimentazione di satelliti geostazionari - , si sta sempre di più affermando la scelta del fotovoltaico, in quanto rappresenta un’energia pulita e facilmente utilizzabile anche nei luoghi dove non è possibile avere un allaccio alla normale rete elettrica. La ricerca di questo nuovo metodo di produrre energia, che tratta la conversione di luce solare in energia elettrica, si è evoluta, differenziando materiali e metodi di fabbricazione delle celle fotovoltaiche, e quindi anche dei moduli fotovoltaici. Con la crescente produzione di apparati elettronici si è arrivati però ad avere un nuovo problema: il consumo sempre maggiore di silicio con un conseguente aumento di prezzo. Negli ultimi anni il prezzo del silicio è significativamente aumentato e questo va a pesare sull’economia del pannello fotovoltaico, dato che questo materiale incide per il 40-50% sul costo di produzione. Per questo motivo si sono voluti trovare altri materiali e metodi in grado di sostituire il silicio per la costruzione di pannelli fotovoltaici, con il seguire di nuovi studi su materiali e metodi di fabbricazione delle celle. Ma data la conoscenza e lo studio dovuto ai vari utilizzi nell’elettronica del silicio, si è anche studiato un metodo per ottenere una riduzione del silicio utilizzato, creando wafer in silicio sempre più sottili, cercando di abbassare il rapporto costo-watt , in grado di abbassare i costi di produzione e vendita.

Fotovoltaico di terza generazione: celle tandem

Questa tesi ha come argomento lo studio dei dispositivi fotovoltaici, sistemi che trasformano la radiazione solare in energia elettrica. In particolare è stata approfondita l'analisi di una specifica categoria di celle solari, le tandem cells, dispositivi a giunzione multipla in cui la radiazione solare attraversa due o più giunzioni singole caratterizzate da gap energetici differenti, al fine di massimizzarne l'assorbimento. In primo luogo sono state analizzate le caratteristiche della radiazione solare, assimilabile a quella di un Corpo Nero. Successivamente, dopo una presentazione introduttiva dei parametri principali dei dispositivi fotovoltaici, sono state studiate in dettaglio le celle a giunzione singola, sia da un punto di vista elettrico che termodinamico. Infine è stato esposto il funzionamento delle celle tandem, dando particolare risalto alla risposta elettrica e ai limiti di efficienza di questi dispositivi.

Circuiti per il miglioramento della qualità di sorgenti dc

Tutti gli apparati elettronici richiedono un'alimentazione in tensione continua. Qualunque sia la fonte di energia elettrica, una batteria (in DC) o la rete di distribuzione (in AC), l’alimentatore ha il compito di regolare la tensione continua di uscita per consentire il corretto funzionamento del dispositivo alimentato. La stabilizzazione della tensione DC in uscita deve avvenire nonostante la presenza di ripple e di disturbi sulla alimentazione primaria, di ampie variazioni sulle correnti assorbite dal carico, di ampie escursioni di temperatura e deve essere garantita nel tempo, anche a fronte di sostituzione di alcuni componenti del circuito. In questa tesi si prenderanno in considerazione i regolatori lineari. Sebbene si tratti di circuiti che operano in condizioni di linearità e quindi, quasi per definizione, poco efficienti, in realtà il loro impiego diventa quasi obbligatorio per applicazioni in cui è richiesta una tensione di alimentazione poco rumorosa. Se utilizzati a valle di un alimentatore switching possono aumentare notevolmente la qualità della tensione di uscita operando con livelli di efficienza e di dissipazione del tutto accettabili e con minimo aumento di costo del sistema. Gli alimentatori lineari non sono dunque “superati” dai più recenti alimentatori switching ma sono, piuttosto, “alternativi” e, in molti alimentatori moderni, di complemento. Per questo motivo, anche di recente, sono stati sviluppati e trovano importanti quote di mercato innovative architetture di regolatori lineari dalle prestazioni molto migliorate e vi sono circuiti come il regolatore di John Linsley Hood che non possono non suscitare il più vivo interesse della comunità audiofila

Progetto di un nodo sensore wireless ultra low-power per rilevazione del movimento

Negli ultimi anni il tema del risparmio energetico nei sistemi elettronici ha suscitato sempre maggiore interesse, poiché grazie allo sviluppo tecnologico è stato possibile creare dispositivi in grado di operare a bassa potenza. Sempre più applicazioni elettroniche richiedono di funzionare tramite fonti di energia limitata, come per esempio le batterie, con un’autonomia in alcuni casi anche di 15-20 anni, questo è il motivo per il quale è diventato fondamentale riuscire a progettare sistemi elettronici in grado di gestire in modo intelligente l’energia a disposizione. L’utilizzo di batterie però spesso richiede costi aggiuntivi, come per esempio il semplice cambio, che in alcune situazioni potrebbe essere difficoltoso poiché il sistema elettronico si potrebbe trovare in luoghi difficilmente raggiungibili dall’uomo; ecco perché negli ultimi anni il tema della raccolta di energia o anche chiamato Energy Harvesting, sta suscitando sempre più interesse. Con l’Energy Harvesting si possono catturare ed accumulare per poi riutilizzare, piccole quantità di energia presenti nell’ambiente. Attraverso sistemi di Energy Harvesting è quindi diventato possibile trasformare energia cinetica, differenze di temperatura, effetto piezoelettrico, energia solare ecc.. in energia elettrica che può essere utilizzata per alimentare semplici applicazioni elettroniche, nel caso di questa tesi un nodo sensore wireless. I vantaggi dei sistemi di Energy Harvesting rispetto a sistemi alimentati a batteria sono i seguenti: - Costi di manutenzione ridotti; - Fonte di energia idealmente inesauribile e con un impatto ambientale negativo nullo. La potenza fornita da sistemi di Energy Harvesting si aggira intorno a qualche centinaia di uW, perciò è chiaro che il sistema da alimentare deve essere ottimizzato il più possibile dal punto di vista energetico, per questo motivo il progettista si deve impegnare per evitare qualsiasi spreco energetico e dovrà utilizzare dispositivi che permettono una gestione intelligente dell’energia a disposizione, al fine di ottenere la migliore efficienza possibile.

Tecnologie appropriate e accesso all'approvvigionamento energetico nei paesi in via di sviluppo

La necessità di fronteggiare il problema dell'approvvigionamento energetico è urgente. Circa 1.3 miliardi di persone non usufruisce di servizi energetici basilari. Il problema assume un peso maggiore nelle aree rurali delle regioni in via di sviluppo, come Africa Sub-Sahariana e Cina e India, troppo distanti dalla rete elettrica. L'utilizzo di biomasse inquinanti e non efficienti, che sono causa di deforestazione e emissioni di gas serra, è all'ordine del giorno. Promuovere tecnologie appropriate, cioè adeguate sia per dimensioni che come impatto socio-culturale, può essere una soluzione vincente. Tramite finanziamenti e incentivi, tecnologie a piccola scala come biogas, idroelettrico, fotovoltaico e eolico permettono di sfruttare risorse e materiali locali per la produzione di energia.

Modellazione elettromeccanica di una macchina automatica opercolatrice

Nella tesi si è studiata una macchina automatica per l'industria farmaceutica: l'Adapta 100, un'opercolatrice (macchina riempi-capsule) prodotta da IMA SpA. Gli scopi della tesi erano chiarire il flusso di potenza dei vari assi e valutare un possibile risparmio energetico. La macchina infatti ha diversi motori: uno, collegato all'asse master, che comanda i gruppi non rimovibili e gli altri che comandano i gruppi di dosaggio. Tali motori in generale, per qualche tratto del ciclo della macchina, potranno lavorare come generatori, anche considerando il solo funzionamento a regime: si avrà cioè, in qualche istante, che le forze esterne tendono ad accelerare il motore, che così assorbe energia meccanica e produce energia elettrica. Attualmente tale energia viene dissipata in apposite resistenze collegate ai motori; ci si è chiesti se non si potesse invece immagazzinare l'energia prodotta, ad esempio per usarla in caso di black-out, per frenare delicatamente la macchina senza che gli assi perdano la fase. Un'alternativa è quella di ridistribuire la potenza generata istante per istante collegando i motori a un comune bus DC. Prima però è necessario conoscere gli andamenti di coppia e velocità di ciascun motore: per questo ci si è ricondotti al modello della macchina a 1 gdl, riducendo tutte le coppie e le inerzie all'asse motore. Si sono studiati i due assi più importanti in termini di coppie e potenze di picco: questi sono l'asse master e l'asse di dosaggio della polvere farmaceutica. Il modello è stato concretamente implementato con degli script MATLAB. Il modello risulta flessibile, per considerare le varie modalità di funzionamento della macchina, e considera i principali termini di coppia, inclusi attriti (inseriti sotto forma di rendimenti) e forze esterne di lavorazione. Tra queste è particolarmente importante la forza di compattazione della polvere, che è stata modellata con la formula di Kawakita, nota dalla letteratura.

Studio di celle fotovoltaiche di terza generazione: celle tandem

Il fotovoltaico (FV) costituisce il modo più diretto di conversione dell’energia solare in energia elettrica e si basa sull’effetto osservato da Becquerel nel 1839. Si può affermare che tale effetto è rimasto una curiosità di laboratorio dalla metà del XIX secolo fino al 1954, quando la prima cella solare in silicio con un’efficienza di conversione del 6% fu costruita ai Laboratori Bell. Da allora la ricerca in questo settore ha sperimentato una crescita costante ed oggi si può contare su tecnologie mature, in grado di sviluppare alte prestazioni in via di ulteriore miglioramento. Le celle tandem costituiscono ora il migliore esempio di dispositivi fotovoltaici in grado di convertire buona parte della potenza irraggiata dal sole. Aumentare l’efficienza con le celle tandem significa sfruttare le differenti lunghezze d’onda dello spettro solare. Questi dispositivi sono infatti costruiti impilando semiconduttori, disponendoli dal basso in modo crescente secondo i loro valori di energia di gap. A partire dall’analisi delle caratteristiche principali della radiazione solare e del principio di funzionamento delle celle fotovoltaiche, questo lavoro si propone di mettere in evidenza le potenzialità della tecnologia a multigiunzione, che ha già dimostrato rilevanti capacità di ottimizzazione delle prestazioni delle celle solari, facendo ben sperare per il futuro.

Dielectric relaxation in biological materials

The study of dielectric properties concerns storage and dissipation of electric and magnetic energy in materials. Dielectrics are important in order to explain various phenomena in Solid-State Physics and in Physics of Biological Materials. Indeed, during the last two centuries, many scientists have tried to explain and model the dielectric relaxation. Starting from the Kohlrausch model and passing through the ideal Debye one, they arrived at more com- plex models that try to explain the experimentally observed distributions of relaxation times, including the classical (Cole-Cole, Davidson-Cole and Havriliak-Negami) and the more recent ones (Hilfer, Jonscher, Weron, etc.). The purpose of this thesis is to discuss a variety of models carrying out the analysis both in the frequency and in the time domain. Particular attention is devoted to the three classical models, that are studied using a transcendental function known as Mittag-Leffler function. We highlight that one of the most important properties of this function, its complete monotonicity, is an essential property for the physical acceptability and realizability of the models. Lo studio delle proprietà dielettriche riguarda l’immagazzinamento e la dissipazione di energia elettrica e magnetica nei materiali. I dielettrici sono importanti al fine di spiegare vari fenomeni nell’ambito della Fisica dello Stato Solido e della Fisica dei Materiali Biologici. Infatti, durante i due secoli passati, molti scienziati hanno tentato di spiegare e modellizzare il rilassamento dielettrico. A partire dal modello di Kohlrausch e passando attraverso quello ideale di Debye, sono giunti a modelli più complessi che tentano di spiegare la distribuzione osservata sperimentalmente di tempi di rilassamento, tra i quali modelli abbiamo quelli classici (Cole-Cole, Davidson-Cole e Havriliak-Negami) e quelli più recenti (Hilfer, Jonscher, Weron, etc.). L’obiettivo di questa tesi è discutere vari modelli, conducendo l’analisi sia nel dominio delle frequenze sia in quello dei tempi. Particolare attenzione è rivolta ai tre modelli classici, i quali sono studiati utilizzando una funzione trascendente nota come funzione di Mittag-Leffler. Evidenziamo come una delle più importanti proprietà di questa funzione, la sua completa monotonia, è una proprietà essenziale per l’accettabilità fisica e la realizzabilità dei modelli.

Studio ed ottimizzazione di un impianto a concentrazione solare

Studio ed ottimizzazione di un impianto a concentrazione solare per la produzione di energia elettrica.

Analisi in regime dinamico di un impianto di climatizzazione ad uso residenziale con pompa di calore geotermica

Si è svolta la modellazione in ambiente TRNSYS di un edificio residenziale e del suo impianto di climatizzazione con pompa di calore geotermica e si sono analizzati gli andamenti delle temperature interne e delle portate d'aria erogate per equilibrare i carichi termici sia per il riscaldamento invernale che per il raffrescamento estivo. Inoltre si sono valutati, al variare dell'efficienza sensibile del recuperatore di calore, le variazioni dei consumi di energia elettrica dell'impianto di ventilazione e di energia termica erogata dalla pompa di calore geotermica.