ADDITIVE MANUFACTURING: tecnologia innovativa per l'ottimizzazione di macchine elettriche

Lo scopo di questa tesi è quello di mostrare le potenzialità e le possibili soluzioni dell’Additive Manufacturing per l’ottimizzazione di macchine elettriche in risposta al problema delle terre rare. Nel primo capitolo viene presentato lo stato dell’arte dell’Additive Manufacturing mostrando una rapida panoramica delle sue caratteristiche principali, le potenzialità future e i settori di utilizzo. Il secondo capitolo propone le principali tecniche di Stampa 3D per la realizzazione di oggetti evidenziando di ognuna i pregi e i difetti. All’interno del terzo capitolo, viene illustrata la struttura di una macchina elettrica mostrando le varie componenti e presentando delle possibili ottimizzazioni realizzate tramite Additive Manufacturing. Nel quarto capitolo vengono presentati esempi di macchine elettriche complete realizzate attraverso le tecniche dell’Additive Manufacturing. Nel quinto capitolo vengono confrontati un Interior Permanent Magnets motor e un Synchronous Relectance Machine.

Studio di fattibilità di un sensore autoalimentato per misure di corrente nelle reti filoviarie

Negli ultimi anni vi è stato un aumento della sensibilità in merito alle tematiche ambientali e questo ha riguardato anche il settore della mobilità, spingendo sempre più verso l’elettrificazione dei trasporti. Una delle possibilità per elettrificare i trasporti sono le reti filoviarie. Di quelle già esistenti, però, la maggior parte è stata realizzata nel secolo scorso. Inoltre, non vengono effettuate misure per valutare quale sia lo stato del carico sulla rete. In questa tesi si è valutata la fattibilità di realizzazione di un sensore non intrusivo per la misura delle correnti sulle filovie di reti esistenti, al fine di poter ottenere i dati relativi ai flussi di potenza e permettere quindi, in futuro, una migliore gestione della rete. Per effettuare la misura di corrente in modo non invasivo si è pensato di utilizzare un sensore di campo magnetico stazionario. Per valutare l’intensità del campo magnetico, al fine di scegliere il sensore che si confacesse alle caratteristiche dell’applicazione, si è proceduto a sviluppare diversi modelli per rappresentare i conduttori della filovia. Da queste simulazioni è stato inoltre possibile valutare quale fosse la posizione più idonea al collocamento del sensore. Per l’alimentazione del sensore, si sono valutate più possibilità che permettessero di non ricorrere ad un cablaggio ausiliario, tra cui l’utilizzo di un pannello fotovoltaico eventualmente accoppiato ad una batteria. Per la trasmissione dei dati, sono stati valutati più protocolli e dispositivi di comunicazione per trovare quello che meglio combinasse le necessità di trasmissione su distanze medio-lunghe e la necessità di minimizzare i consumi energetici. Infine, sono state effettuate prove sperimentali per validare l'affidabilità delle misure, ovvero verificare che fosse realmente possibile stimare il valore delle correnti nei conduttori della filovia partendo da una misura di campo magnetico, e se i consumi energetici stimati fossero in linea con quelli reali.

Analisi ad alta risoluzione spazio-temporale di eventi grandinigeni nel bacino del Mediterraneo mediante una nuova tecnica satellitare ibrida multisensore

Negli ultimi anni si è sviluppato un crescente interesse per lo studio e il monitoraggio di fenomeni meteorologici estremi. In particolare, stanno aumentando osservazioni e testimonianze relative a manifestazioni temporalesche molto violente, spesso caratterizzate da grandine di notevole dimensione che rappresenta la causa principale di pericolo per le persone e di danni anche ingenti al comparto agricolo, infrastrutturale e alle automobili. Per questi motivi, in questo lavoro di tesi è stata presentata una nuova tecnica meteorologica denominata “Multi-sensor Approach for Satellite Hail Advection” (MASHA) che si basa sulla combinazione delle misure fornite dai satelliti geostazionari per trasportare l’informazione e da quelli in orbita polare per riconoscere le nubi grandinigene. I risultati della tecnica MASHA forniscono ogni cinque minuti su tutto il bacino del Mediterraneo la probabilità che la nube osservata abbia formato della grandine in un intervallo compreso tra 0 e 1. Le potenzialità del metodo MASHA riguardano soprattutto l’elevata risoluzione spaziale e temporale con la quale vengono riprodotti i sistemi grandinigeni, la capacità del modello di ricostruire i campi di grandine e l’evoluzione di questi sistemi anche in assenza di passaggi recenti dei satelliti polari. Per migliorare le performance della tecnica, è stato sviluppato un nuovo indice di severità chiamato Hail Severity Index (HSI) in grado di migliorare la localizzazione e la stima dell’intensità dei sistemi grandinigeni attraverso l’integrazione di nuove variabili: l’overshooting index, i fulmini e i dati radar. Le performance della tecnica MASHA e le potenzialità dell’indice HSI mostrate in questo lavoro di tesi, suggeriscono implementazioni operative a supporto di sistemi per il nowcasting di eventi temporaleschi particolarmente severi. Questo approccio, potrebbe essere molto efficace per fornire informazioni in tempo reale ai servizi meteorologici e nel contesto della protezione civile.

Fabbricazione di fotocatodi a base di semiconduttori per la conversione di energia solare

La conversione di energia solare in energia elettrica può avvenire in diversi modi. Un problema dell’energia ottenuta tramite questa conversione è la difficoltà di immagazzinarla efficientemente per poterla utilizzare in un momento successivo. Un modo per ovviare questo problema è convertire l’energia solare in energia chimica, tramite la creazione di combustibili fotoprodotti. Alcuni combustibili di questo tipo sono l’idrogeno e gli idrocarburi ad alta densità energetica, il primo ottenuto tramite l’elettrolisi dell’acqua e i secondi tramite l’elettrolisi dell’anidride carbonica. Un metodo per compiere tali elettrolisi è l’utilizzo di celle fotoelettrochimiche, ovvero dei dispositivi che tramite l’energia solare assorbita avviano l’elettrolisi della soluzione acquosa che si decompone in due regioni separate della cella. L’efficienza di una cella fotoelettrochimica dipende fortemente dall’efficienza dei fotoelettrodi che la compongono, per questo si indagano nuovi materiali che possano garantire prestazioni migliori a costi bassi. Questa tesi nello specifico ha lo scopo di illustrare il processo di fabbricazione di fotocatodi a base di semiconduttori tramite sputtering magnetico. In particolare vengono analizzati 4 campioni strutturati con diversi materiali. I materiali utilizzati sono: Seleniuro di Rame Indio Gallio CIGS, Solfuro di Cadmio CdS, Ossido di Zinco drogato con Alluminio AZO ed Ossido di Titanio TiO2.

Transizioni di fase: da Ising alla ferroelettricità

La ferroelettricità è la proprietà di alcuni materiali solidi di presentare una polarizzazione elettrica in assenza di campo elettrico. Tutti i materiali ferroelettrici sin'ora studiati esibiscono anche proprietà piezoelettriche, ossia si deformano in maniera elastica quando sottoposti ad un campo elettrico e, viceversa, si polarizzano se soggetti a deformazioni meccaniche. Questa sensibilità a stimoli elettrici e meccanici rende questi materiali particolarmente interessanti da un punto di vista pratico: applicazioni importanti si trovano nella nanotecnologia (e.g. memory devices), nella sensoristica e nell'energy harvesting. Lo scopo dell'elaborato è fornire un'introduzione allo studio delle transizioni ferroelettriche. Inizialmente il fenomeno delle transizioni di fase viene affrontato utilizzando come riferimento il caso standard dei materiali ferromagnetici: a tal riguardo viene presentato il modello di Ising, che rappresenta il paradigma per la descrizione di fenomeni collettivi in numerosi ambiti. In seguito viene presentata la teoria fenomenologica di Landau, dove si interpreta il fenomeno sulla base delle simmetrie del sistema, utilizzando un approccio di campo medio. Successivamente viene introdotto il tema centrale dell'elaborato, ossia le transizioni ferroelettriche, analizzando similitudini e differenze dal caso ferromagnetico; in particolare si presenta un' applicazione della teoria fenomenologica di Landau-Devonshire allo studio della transizione ferroelettrica del BaTiO3, un cristallo del gruppo delle perovskiti. L'ultima parte dell'elaborato ha lo scopo di introdurre un approccio più moderno allo stesso fenomeno, che utilizza la teoria quantistica del funzionale densità (DFT): utilizzando il pacchetto software VASP viene esposto un semplice calcolo a primi principi dell'energia del sistema in funzione degli spostamenti atomici, mettendone in luce la centralità nella transizione in esame.

LA MEMORIA SEMANTICA: analisi della letteratura e modelli qualitativi

La memoria semantica, e la sua correlazione con il linguaggio, sono alla base di molti studi di neuroscienze cognitive e della formulazione di diverse teorie volte a comprendere la loro organizzazione, le unità neurali coinvolte e i meccanismi di apprendimento. In passato si cercava di rispondere a queste domande attraverso lo studio anatomico di lesioni della corteccia cerebrale in relazione al danno mnemonico che ne derivava per andare ad ipotizzare in quale area del cervello una determinata informazione veniva immagazzinata. Ricerche sempre più recenti hanno introdotto nel metodo di studio strumenti ed apparecchiature volte ad aiutare l’indagine e la ricerca, in modo da poter osservare e visualizzare quale area della corteccia viene attivata o disattivata in funzione ad uno specifico stimolo esterno. Infatti, l’attenzione dei ricercatori sui sintomi dei disturbi e sui disturbi stessi della memoria semantica, ha dato luce a molti aspetti importanti riguardo i meccanismi cerebrali fondamentali per la funzione corretta di tale memoria. Nel corso degli anni quindi attraverso questi studi sono stati sviluppati diversi modelli teorici con lo scopo di analizzare e studiare i meccanismi alla base delle diverse memorie, in questo caso della memoria semantica. È grazie a questi modelli che si può cercare di comprendere come la conoscenza del significato di parole e concetti sia immagazzinata nel sistema nervoso e successivamente utilizzata. Pertanto, si esaminano i modelli computazionali tradizionali nell'ambito dei modelli di rete (basati su associazioni libere), dei modelli di caratteristiche (basati su norme di generazione di proprietà) e dei modelli distributivi, discutendo il loro contributo a importanti dibattiti in letteratura sulla rappresentazione della conoscenza e apprendimento. Inoltre, si valuta come i moderni modelli computazionali, ad esempio modelli basati sul recupero, stanno rivisitando il tradizionale concetto di memoria "statica".

Dispositivi cardiaci impiantabili senza batteria: le nuove frontiere per l'autoalimentazione

Il testo esamina tre studi svolti nello sviluppo di sistemi di autoalimentazione per pacemaker e defibrillatori impiantabili, volti a risolvere il problema della longevità della batteria. Sono state inizialmente approfondite le modalità di generazione del battito cardiaco, regolato dal passaggio del potenziale d’azione e presentati i tipi di scompenso cardiaco esponendo le modifiche che questi causano alla forma d’onda dell’ECG. Successivamente sono state descritte le tecnologie adottate per trattare i disturbi del ritmo cardiaco, pacemaker e defibrillatori impiantabili. Vengono dunque introdotti gli studi che presentano le innovazioni più recenti che riguardano la possibilità di autoalimentare i dispositivi cardiaci impiantabili. Il primo mostra la realizzazione di un trasduttore di energia meccanica in elettrica che utilizza una lamina di materiale piezoelettrico. Tale dispositivo è stato testato con successo in vitro ed in vivo. Nel secondo studio viene invece sfruttato un dispositivo automatico di un orologio per convertire l’accelerazione generata dal cuore in energia elettrica. Sono stati realizzati tre prototipi ed eseguiti test in vitro ed in vivo. Il terzo studio si focalizza su una microturbina che sfrutta il flusso sanguigno per generare energia elettrica. È stato eseguito un test in vivo su un suino nel quale il sistema è stato connesso ad un pacemaker senza batteria. Questo è riuscito ad aumentare i battiti al minuto producendo più energia di quella necessaria, con il difetto della formazione di trombi. La tesi si conclude con una valutazione critica dei metodi illustrati e la proposta di potenziali sviluppi miglioramenti.

Analisi e ottimizzazione di un convertitore DC-DC impiegato come circuito di interfaccia per un carico rigenerativo

Questa tesi è stata svolta in collaborazione con un’azienda di Cesena che si occupa della progettazione e costruzione di caricabatterie e saldatrici e si pone come scopo di analizzare quello che viene chiamato carico "rigenerativo" un dispositivo che permette di testare e collaudare questo tipo di macchine consumando la minor energia elettrica possibile. In particolare si discuterà come avviene il funzionamento del circuito di interfaccia e la sua resa energetica attraverso alcune simulazioni con vari tipi di carichi. Verrà anche presa in esame una prova con il circuito realizzato e confrontata con quella analoga svolta al simulatore.

Separatori nanostrutturati trattati al plasma per batterie al litio avanzate

Elettrofilatura di un separatore per batteria a bottone litio-ione. Ricerca bibliografica sullo stato dell'arte dei separatori per batterie e soluzioni per migliorarne l'efficienza. Elettrofilatura dei separatori ed applicazione di trattamenti al plasma atti a migliorarne le prestazioni. Studio tramite microscopio SEM della morfologia ottenuta e delle prestazioni tramite prove di uptake.

Aspetti microstrutturali, proprietà meccaniche e ottimizzazione del trattamento termico di un acciaio inossidabile PH processato con laser powder bed fusion

L’attività di ricerca svolta in questa tesi ha riguardato gli aspetti microstrutturali, le proprietà meccaniche e l’ottimizzazione del trattamento termico di un acciaio inossidabile indurente per precipitazione processato mediante tecnologia additiva Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). I provini, realizzati presso il competence center Bi-REX (Bologna) e lavorati presso il laboratorio di Metallurgia del DIN, sono stati oggetto di vari trattamenti termici sperimentali in cui è stata fatta variare la temperatura e la durata di mantenimento in forno, al fine di identificare la combinazione ottimale di temperatura e tempo sia per la fase di solubilizzazione che di invecchiamento. Nello specifico, la scelta dei parametri di solubilizzazione e invecchiamento è stata fatta solo sulla base dei trend di durezza. Da queste attività sono stati scelti i parametri di trattamento che garantissero elevata durezza, prossima alla massima ottenibile, senza durate di invecchiamento eccessive. L'esito della sperimentazione ha permesso di ridurre sensibilmente temperatura e durata di solubilizzazione rispetto al trattamento benchmark senza penalizzazione della durezza risultante. Dopodiché è stata eseguita una caratterizzazione microstrutturale e meccanica dell’acciaio, in termini di durezza, trazione e resilienza, per confrontare il trattamento termico ottimizzato con la condizione As-Built (AB) e con il trattamento termico standard indicato dal produttore. L’elevata durezza misurata dopo invecchiamento si deve alla presenza di precipitati di rinforzo in grado di ostacolare il moto delle dislocazioni. Le prove meccaniche hanno confermato l’ottenimento di elevata resistenza a snervamento e a trazione, superiore al benchmark, ma di un basso allungamento a rottura e bassissima resilienza a causa di difetti quali porosità, mancate fusioni e spattering. Infine, lo studio delle superfici di frattura ha permesso di analizzare i meccanismi di rottura dei campioni di trazione e resilienza.

Servizi e benefici forniti dai BESS alla rete: applicazione sui casi studio

L’elaborato propone una panoramica sui sistemi di accumulo elettrico più utilizzati fino ad ora con alcuni cenni a tecnologie in forte espansione. Gli storage vengono suddivisi per tipo di tecnologia, con una netta separazione tra quelli power intensive ed energy intensive. Vengono poi descritti i servizi e i benefici che l’accumulo elettrico porta alla rete, divisi per settore d’utilizzo. In base al tipo di servizio richiesto vengono sottolineati i requisiti tecnici per la scelta dell’accumulo. Nella seconda parte dell’elaborato vengono descritti due progetti. Il primo, per la creazione di minireti in località rurali in Etiopia. Vengono dimensionati e progettati i sistemi che andranno a comporre la rete: sistemi di accumulo, sistemi di produzione rinnovabile e sistemi di trasmissione. Per il secondo progetto viene presa in esame una piccola isola italiana, elettricamente isolata dal resto del paese. In questo caso vengono simulati diversi casi studio per sostituire il presente generatore termico con sistemi rinnovabili e l’integrazione di diverse tecnologie di storage.

Instrument transformers with Digital outputting high voltage power networks

In recent years, energy modernization has focused on smart engineering advancements. This entails designing complicated software and hardware for variable-voltage digital substations. A digital substation consists of electrical and auxiliary devices, control and monitoring devices, computers, and control software. Intelligent measurement systems use digital instrument transformers and IEC 61850-compliant information exchange protocols in digital substations. Digital instrument transformers used for real-time high-voltage measurements should combine advanced digital, measuring, information, and communication technologies. Digital instrument transformers should be cheap, small, light, and fire- and explosion-safe. These smaller and lighter transformers allow long-distance transmission of an optical signal that gauges direct or alternating current. Cost-prohibitive optical converters are a problem. To improve the tool's accuracy, amorphous alloys are used in the magnetic circuits and compensating feedback. Large-scale voltage converters can be made cheaper by using resistive, capacitive, or hybrid voltage dividers. In known electronic voltage transformers, the voltage divider output is generally on the low-voltage side, facilitating power supply organization. Combining current and voltage transformers reduces equipment size, installation, and maintenance costs. These two gadgets cost less together than individually. To increase commercial power metering accuracy, current and voltage converters should be included into digital instrument transformers so that simultaneous analogue-to-digital samples are obtained. Multichannel ADC microcircuits with synchronous conversion start allow natural parallel sample drawing. Digital instrument transformers are created adaptable to substation operating circumstances and environmental variables, especially ambient temperature. An embedded microprocessor auto-diagnoses and auto-calibrates the proposed digital instrument transformer.

Studio di fattibilità di un impianto di trigenerazione a servizio di un'industria ceramica

Creazione di un modello di calcolo che, una volta inseriti i dati di input del sistema, fornisca una serie di output utili a svolgere considerazioni di natura energetica ed economica per eseguire uno studio di fattibilità di una o più tecnologie a servizio di un'utenza industriale o civile. Applicazione di tale modello al fine di eseguire uno studio di fattibilità di un impianto di trigenerazione a servizio di un'industria ceramica, analizzando anche l'eventuale accoppiamento della trigenerazione con il fotovoltaico e l'accumulo. Analisi delle variazioni dei prezzi dell'energia elettrica e del gas sul sistema.

Applicazioni sperimentali di conglomerati bituminosi drenanti a ridotto impatto ambientale

La salvaguardia ambientale, intesa come la capacità di garantire nel futuro la stabilità di un ecosistema, i processi ecologici che lo interessano e la sua biodiversità, costituiscono i pilastri fondamentali del concetto moderno di sostenibilità. Il presente lavoro di tesi ha lo scopo di fornire informazioni in merito all’utilizzo di granulato di conglomerato bituminoso e di scorie d’acciaieria, all’interno di miscele prodotte a caldo per strati di usura drenanti. Si è proceduto ad analizzare le caratteristiche meccaniche e prestazionali di due miscele di conglomerato bituminoso, confezionate una con percentuali di scorie d’acciaieria al suo interno, ed una con percentuali sia di scorie d’acciaieria sia di granulato di conglomerato bituminoso. La prima fase della sperimentazione si è concentrata nella calibrazione della quantità di materiali da inserire all’interno delle due miscele. Successivamente, la seconda fase della sperimentazione ha coinvolto i test di caratterizzazione per entrambe le miscele confrontandole con le prestazioni date della miscela di riferimento. Le due miscele di conglomerato bituminoso a ridotto impatto ambientale sono risultate paragonabili, in termini di prestazioni, alla miscela di riferimento e idonee al rispetto delle principali caratteristiche prestazionali imposte dal capitolato speciale d’appalto di Autostrade per l’Italia.

Development of a High-Efficiency Inverter with SiC Technology for Photovoltaic Applications

I convertitori elettronici di potenza sono da anni largamente diffusi sul mercato, poiché necessari per pilotare motori elettrici a velocità variabile in ambito industriale e a interfacciare alla rete elettrica i generatori da fonti di energia rinnovabili, in particolare eolica e fotovoltaica. In tutti i casi è richiesto che i convertitori siano efficienti, ovvero che l’energia persa durante la conversione sia minima. Considerando che il cuore di un convertitore è costituito da interruttori statici, è fondamentale una stima accurata dell’efficienza di questi ultimi per definire le prestazioni di un convertitore. Il materiale più diffuso per la realizzazione di questi componenti è il silicio (Si), ma esistono oggi altri semiconduttori che permettono prestazioni migliori, quali il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN). A causa del loro elevato costo di produzione rispetto ai componenti tradizionali, è divenuto sempre più importante stimare l’efficienza dei convertitori che montano queste tecnologie innovative, per trovare una giustificazione al loro impiego. In questa tesi, in particolare, l’efficienza di un convertitore con tecnologia SiC è stata prima calcolata analiticamente e poi testata a banco. Infine, è proposta un’architettura per un inverter trifase che possa essere impiegata per un’applicazione fotovoltaica. Questo lavoro è parte delle attività assegnate a Raw Power S.r.l. nell’ambito del progetto Europeo YesVGaN, il cui scopo ultimo entro i prossimi anni, è la realizzazione di componenti GaN commercialmente appetibili, che necessiteranno di essere testati e confrontati con i dispositivi al silicio e al carburo di silicio.