Ottimizzazione e progettazione di un sistema di cogenerazione statica di energia elettrica tramite celle ad effetto Seebeck

La presente trattazione descrive l’ottimizzazione del prototipo di un generatore termoelettrico da integrare in caldaie a biomassa. La tecnologia termoelettrica consente di generare potenza elettrica a partire da un flusso di calore. Sebbene tale tecnologia presenti caratteristiche di elevata affidabilità e silenziosità, essa richiede ulteriori sforzi tecnologici nella ricerca dell’integrazione ottimale con un impianto termico, ed è inoltre necessaria una progettazione accurata dell’elettronica di controllo. Nella prima sezione del testo vengono descritti i principi fisici alla base di questa tecnologia e le tecniche per la conversione della potenza generata dai moduli termoelettrici (o ad effetto Seebeck) al fine di renderla fruibile da una tipica utenza domestica. Nel secondo capitolo si riporta lo stato dell’arte dell’applicazione della tecnologia termoelettrica in caldaie a biomassa e alcuni casi di implementazione recenti, sottolineando le configurazioni utilizzate, i principali problemi riscontrati nello sviluppo e nella sperimentazione, e le modifiche conseguentemente adottate per superarli. Il terzo capitolo analizza il prototipo sviluppato presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Bologna e descrive il processo di dimensionamento dei componenti meccanici e le proposte di ottimizzazione a seguito dei risultati dei primi collaudi. Viene infine sviluppato un modello matematico per confrontare, in funzione dei costi di produzione e di esercizio, le possibilità di sostituzione dei metodi di generazione di energia elettrica convenzionali con l’impianto di cogenerazione termoelettrica realizzato, considerando anche aspetti di impatto ambientale. Tali analisi e ottimizzazioni consistono in un primo miglioramento necessario a rendere la tecnologia termoelettrica applicabile alle caldaie a biomassa stand-alone e a permettere una generazione continua di energia elettrica nelle regioni in cui le infrastrutture sono poco affidabili.

Progettazione acustica per il recupero polifunzionale di un ambiente a pianta ottagonale

L’obiettivo di questo lavoro è illustrare l’analisi dello stato di fatto e la progettazione degli interventi di correzione acustica della torre dell’ ex Carico dell’Acqua di Budrio, nella prospettiva di renderla utilizzabile come sala polifunzionale. La norma tecnica ISO 3382-1 [8] delinea criteri generali per l’analisi qualitativa degli ambienti di ascolto. Il capitolo 1 presenta un panorama sintetico sull’acustica architettonica, con particolare riferimento ai descrittori acustici riportati nella ISO 3382 e riporta cenni teorici sulla simulazione numerica. Nel capitolo 2 sono descritte in dettaglio le misurazioni all’interno dell’ambiente. Sono indicate inoltre motivazioni tecniche e teoriche riguardo i metodi di analisi. I valori misurati sono successivamente confrontati con i valori ricavati mediante simulazione numerica realizzata con un software previsionale. La realizzazione e la successiva taratura del modello numerico chiudono il capitolo 2. Il capitolo 3 relaziona in merito agli interventi proposti di correzione acustica. Attraverso il modello tridimensionale tarato si eseguono simulazioni numeriche di diversi interventi di correzione acustica fino a definire una rosa di possibili soluzioni che realizzino gli obiettivi qualitativi riportati nella ISO 3382. Materiali e geometrie sono riportati in dettaglio, insieme ad una esauriente mappatura acustica dell’ambiente, dallo stato di fatto alla progressiva ottimizzazione acustica.

Progettazione e realizzazione di un convertitore monofase in sic per applicazioni fotovoltaiche

Negli ultimi anni si è assistito ad un notevole sviluppo e diffusione dei sistemi di produzione di energia rinnovabile, in particolar modo di sistemi eolici e fotovoltaici. La sempre maggior richiesta di energia e la necessità di far fronte ai problemi di inquinamento sempre più intenso, a causa dei combustibili fossili, ha portato ad una crescita nell’interesse ad adottare queste nuove tecnologie per il sostentamento energetico della popolazione. In seguito all’adozione di tali sistemi si è verificata un’intensificazione della ricerca e dello sviluppo tecnologico in tale ambito al fine di massimizzare la produzione dell’energia. Un ruolo chiave nella gestione dell’energia ed in particolar modo l’interfacciamento del sistema di produzione con il carico è svolto elettronica di potenza. L’obiettivo principale della ricerca in tale ambito consiste nella individuazione di nuove tecnologie che permettano un incremento dell’efficienza di conversione anche di soli pochi punti percentuale. L’attività di tesi, svolta presso il LEMAD (Laboratorio di Macchine e Azionamenti del Dipartimento DEI), è stata quindi focalizzata nella progettazione e in seguito realizzazione di un convertitore per applicazioni fotovoltaiche. L’interesse nei confronti delle nuovetecnologie ha portato ad una scelta innovativa per quanto riguarda la configurazione dell’inverter costituente il convertitore. Tale configurazione, che prende il nome di Full Bridge DC Bypass o più semplicemente ponte H6, ha permesso la realizzazione di un convertitore compatto poiché non necessitante di un trasformatore per garantire l’isolamento tra i moduli PV e la rete. Inoltre l’adozione di due switch aggiuntivi rispetto ad un comune ponte H ha garantito una notevole riduzione delle perdite dovute alla tensione di modo comune(CMV)con conseguente incremento dell’efficienza. La ricerca di nuove tecnologie non è stata concentrata solamente nello studio di nuove configurazioni di inverter ma anche nell’individuazione di innovativi dispositivi di potenza. In particolar modo il silicon carbide o SiC ha dimostrato in diverse occasioni di essere un materiale superiore al silicio nelle applicazioni di potenza. Sono stati quindi realizzati due convertitori utilizzanti due differenti dispositivi di potenza (MOSFET in SiC e IGBT in Si)in modo tale da determinare le diverse prestazioni. Un ulteriore studio è stato svolto sulle tecniche di modulazione al fine di valutarne le differenti caratteristiche ed individuare quella più conveniente nella conversione utilizzante il ponte H6.

Progettazione di un sistema proattivo per l'identificazione di aggregati

Nel lavoro di tesi è stato studiato il problema del tuning di un data warehouse, in particolare la tecnica maggiormente utilizzata in ambito aziendale, ovvero la creazione degli aggregati. Inoltre, è stato progettato e implementato uno strumento che generi automaticamente l'insieme di viste che meglio risolve il carico di lavoro basato sulle analisi di business più frequenti su quella specifica base di dati.

Progettazione della sala di controllo missione della stazione di ricetrasmissione satellitare di Forlì

In questo lavoro di tesi si è voluto rappresentare, mediante l'utilizzo del software SolidWorks, quella che sarà la nuova stazione di ricetrasmissione satellitare di Forlì, già esistente presso il laboratorio di radioscienza ed esplorazione planetaria sotto il nome di Alma Mater Ground Station (AMGS), la quale lavorerà come sala di controllo missione nel nuovo progetto della European Space Agency (ESA), ovvero la missione ESEO, progetto educativo che vede il contributo di studenti provenienti da varie facoltà europee. È stato inizialmente ampliato il lavoro di tirocinio svolto dal candidato, il quale ha riguardato la rappresentazione in SolidWorks delle antenne che saranno utilizzate dalla stazione di ricetrasmissione e del loro futuro posizionamento, mediante uno studio strutturale dei tralicci che sosterranno le antenne, quindi ponendo attenzione al carico del vento al quale potrà essere sottoposta l'antenna parabolica del diametro di 3 metri. Successivamente è stato svolto uno studio generale dell'attrezzatura necessaria alla comunicazione satellitare,e quindi dell'interconnessione dei vari componenti. Quindi è stata disegnata in SolidWorks la sala di controllo missione, che sarà ubicata presso il nuovo tecnopolo che sorgerà nelle vicinanze della Scuola di ingegneria, il quale sarà sede del CIRI Aeronautica, Spazio e Mobilità di Forlì. Sono state importate le antenne, già disegnate nel lavoro di tirocinio, e sono stati disegnati i vari componenti e arredamenti della sala di controllo, disponendoli in modo tale da creare una visione vicina alla realtà.

Progettazione di serbatoi per stoccaggio

Inizialmente vengono presentati i vari tipi di serbatoi esistenti adibiti allo stoccaggio; in seguito sono illustrati i componenti principali di un serbatoio a tetto galleggiante, come il tetto, il fondo, il mantello, e vengono spiegate alcune verifiche effettuate nella parte successiva, ovvero quella della progettazione, nella quale vengono mostrati i calcoli della pressione del vento, del carico neve, delle virole, e le verifiche sul galleggiamento, i supporti e i rinforzi del tetto, e sulla necessità di un anello di irrigidimento. Infine vengono confrontati i coefficienti di sicurezza trovati per stabilire quali parti siano meno in sicurezza.

Progettazione di un sistema di sollevamento per la dismissione di un serbatoio per olio combustibile denso

Petroltecnica S.P.A, azienda leader in attività di bonifica di terreni e siti industriali, ha svolto, per conto di Enipower Ferrara, uno studio di fattibilità per la dismissione di un serbatoio di olio combustibile e linea di tubazioni annesse. La richiesta della committente prevedeva la movimentazione del serbatoio di olio combustibile senza operare sezionamenti, in modo da poterlo bonificare al di fuori del sito in apposita area attrezzata. Per questo motivo è stato progettato un sistema di sollevamento che permettesse di movimentare il serbatoio di olio combustibile senza rischiare di deformarlo o romperlo. La struttura del bilancino è caratterizzata da una trave principale su cui è stata saldata una staffa per il collegamento del gancio della gru con la trave principale, e a cui sono collegate due travi traverse, disposte perpendicolarmente, e due staffe laterali. Alle estremità di ciascuna trave (principale e secondarie) sono presenti delle staffe a cui è collegata la componentistica di attacco del carico (grilli, funi e golfari). La progettazione del sistema di sollevamento è stata fatta in modo da ripartire uniformemente il carico sulla struttura e contemporaneamente non sollecitare eccessivamente i punti di presa del serbatoio. Una volta scelta la struttura del bilancino, è stato necessario dimensionare e verificare tutte le sue parti sulla base del metodo delle tensioni ammissibili previsto dall'UNI 10011. In riferimento alle normative UNI 10011 e UNI 13155, il dimensionamento del bilancino di sollevamento è stato effettuato in modo da ottenere, su ciascun elemento della struttura, un coefficiente di sicurezza minimo pari a due.

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.

Progettazione e sviluppo di un'applicazione per la gestione degli appuntamenti tra professionisti e clienti

Tutti coloro che lavorano su appuntamento hanno una clientela da gestire. Per farlo, possono avvalersi di due opzioni: o utilizzano una buona parte del loro tempo per rispondere direttamente alle chiamate e ai messaggi dei clienti, oppure assumono una persona che si faccia carico personalmente dell’agenda del negozio, piuttosto che dello studio, a seconda dei casi. Gli aspetti negativi di queste due scelte non mancano. Nel primo caso, il diretto interessato può trovarsi interrotto da una chiamata nel pieno di un appuntamento. Il cliente lì presente deve attendere pazientemente che la conversazione finisca, ma la pazienza, giustamente, inizia a vacillare nel momento in cui le chiamate diventano numerose. Oltretutto la situazione può creare disagio al professionista in prima persona. In alcuni casi, inoltre, il cliente a casa è costretto ad aspettare tempi troppo lunghi prima di ricevere una risposta. Nel secondo caso, si ha un lavoro più fluido e senza interruzioni. Questo è ovviamente un fattore positivo, tuttavia l’assunzione di un addetto a rispondere al telefono, piuttosto che a messaggi o mail, ha un costo non indifferente. Analizzando i vari vantaggi e svantaggi dei metodi di prenotazione esistenti, è stata progettata una nuova soluzione che, tramite l'utilizzo dei bot e delle app di messaggistica, permette di prendere gli appuntamenti rimanendo il più fedeli possibile ai metodi classici, come i messaggi, ma con tutti i vantaggi dei metodi più tecnologici.

Progettazione di un sistema di taratura per dispositivi di misura delle tensioni residue mediante hole-drilling

Nel seguente elaborato è stato sviluppato un metodo di validazione per dispositivi di misura delle tensioni residue mediante la tecnica dell'hole drilling. Esso si basa sul confronto tra tensioni residue ottenute per via teorica e sperimentale su un provino soggetto a carico imposto. Inizialmente si è proceduto attraverso lo studio della normativa di riferimento ASTM E837-20. In essa viene definito il metodo sperimentale di esecuzione dei test di hole drilling e di calcolo delle tensioni residue. In seguito è stata progettata un'attrezzatura di prova in grado di indurre un gradiente di tensione noto nello spessore del provino sollecitato. L'attrezzatura di prova in questione è stata verificata sia mediante calcoli numerici, che mediante software di simulazione agli elementi finiti. La fase di prototipazione seguente ha consentito di realizzare l'attrezzatura necessaria per l'esecuzione dei test sperimentali. Le forature sono state effettuate prima su provini scarichi, al solo scopo di scongiurare la presenza di tensioni residue e, in seguito, su provini soggetti a momento flettente noto. Le deformazioni ottenute tramite le letture degli estensimetri sono state impiegate per il calcolo delle tensioni secondo normativa ASTM E837-20. infine è stato possibile valutare l'efficacia del metodo paragonando tali risultati con quelli teorici.

Caratterizzazione e progettazione di un attuatore differenziale elastico compatto per la robotica collaborativa

Lo sviluppo della robotica collaborativa, in particolare nelle applicazioni di processi industriali in cui sono richieste la flessibilità decisionale di un utilizzatore umano e le prestazioni di forza e precisione garantite dal robot, pone continue sfide per il miglioramento della capacità di progettare e controllare al meglio questi apparati, rendendoli sempre più accessibili in termini economici e di fruibilità. Questo cambio di paradigma rispetto ai tradizionali robot industriali, verso la condivisone attiva degli ambienti di lavoro tra uomo e macchina, ha accelerato lo sviluppo di nuove soluzioni per rendere possibile l’impiego di robot che possano interagire con un ambiente in continua mutazione, in piena sicurezza. Una possibile soluzione, ancora non diffusa commercialmente, ma largamente presente in letteratura, è rappresentata dagli attuatori elastici. Tra gli attuatori elastici, l’architettura che ad oggi ha destato maggior interesse è quella seriale, in cui l’elemento cedevole viene posto tra l’uscita del riduttore ed il carico. La bibliografia mostra come alcuni limiti della architettura seriale possano essere superati a parità di proprietà dinamiche. La soluzione più promettente è l’architettura differenziale, che si caratterizza per l’utilizzo di riduttori ad un ingresso e due uscite. I vantaggi mostrati dai primi risultati scientifici evidenziano l’ottenimento di modelli dinamici ideali paragonabili alla più nota architettura seriale, superandola in compattezza ed in particolare semplificando l’installazione dei sensori necessari al controllo. In questa tesi viene effettuata un’analisi dinamica preliminare ed uno studio dell’attitudine del dispositivo ad essere utilizzato in contesto collaborativo. Una volta terminata questa fase, si presenta il design e la progettazione di un prototipo, con particolare enfasi sulla scelta di componenti commerciali ed il loro dimensionamento, oltre alla definizione della architettura costruttiva complessiva.

Studio di progettazione di un sistema vite-madrevite per cilindri di sollevamento elettrici per applicazioni navali.

L’attività di tirocinio è iniziata con lo studio dei sottomarini e dei loro apparati. Una volta individuate le criticità del caso di studio è stata avviata una fase di ricerca bibliografica sui materiali e sui relativi processi tribologici coinvolti nello strisciamento tra vite e madrevite. La ricerca si è poi concentrata sui fenomeni di corrosione e sui materiali adatti a contrastarla; in base ai dati raccolti ne è stata selezionata una coppia per vite e madrevite. A questo punto è stata effettuata la modellazione CAD 3D del sistema di sollevamento, modellando i principali elementi del meccanismo, cioè la vite, la madrevite e i componenti che ospitano cuscinetti e guarnizioni. Contemporaneamente alla fase di disegno è stato effettuato il dimensionamento del sistema vite-madrevite e dei dispositivi necessari al suo funzionamento. Durante questa fase è stata progettata una legge di moto della vite tale da consentire prestazioni equivalenti o migliori del sistema idraulico da sostituire. Per la vite, oltre alle verifiche statiche e a fatica, è stato necessario effettuare le verifiche a carico di punta e di velocità critica. Durante i calcoli riguardanti la fatica, sono stati valutati gli effetti dovuti alla presenza della filettatura, calcolando i coefficienti di concentrazione delle tensioni grazie ad apposite simulazioni FEM. Inoltre, è stato dimensionato il collegamento tramite linguetta al motoriduttore. Dopo aver effettuato il dimensionamento statico della madrevite ed eseguito una verifica dei parametri che ne determinano l’usura, sono stati scelti i componenti commerciali come cuscinetti, guarnizioni e tenute. Terminata la fase di dimensionamento dei componenti è stato effettuato un approfondimento relativo al gruppo motoriduttore e al meccanismo frenante. Nei capitoli conclusivi sono stati valutati aspetti come la gestione dei carichi radiali, i test necessari ad ultimare la progettazione e i possibili sviluppi futuri.

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.

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.

L'approccio Multi-stakeholder per la progettazione di servizi abilitati da tecnologia in sanità: il caso dell'Ospedale Maggiore di Parma

Alcuni cambiamenti demografici, come l’aumento dell’età media della popolazione, stanno spingendo il mondo sanitario ad innovarsi. In questo contesto, emergono i servizi abilitati da tecnologia che assicurano alcuni vantaggi essenziali per raggiungere un’assistenza sanitaria centrata sulle persone. Per progettare soluzioni tecnologiche innovative che stiano al passo con i cambiamenti, viene proposto l’approccio del service design. In particolare si presenta la CeHRes Roadmap che, attraverso sei steps iterativi, guida il team di progettazione dall’analisi del contesto alla realizzazione di una soluzione che soddisfi i bisogni degli stakeholder. Le prime tre fasi di tale metodologia sono state applicate ad un caso studio reale, quello dell’Ospedale Maggiore di Parma. In particolare, si è progettata una soluzione che rende più efficiente la presa in carico dei pazienti che necessitano di una visita specialistica urgente. Lo strumento di analisi preponderante sono state le interviste agli stakeholder dalle quali sono stati raccolti dati qualitativi grezzi. Dall’analisi e rielaborazione di questi ultimi, sono stati estrapolati i bisogni degli attori chiave in ottica di una visione orientata alle persone. Successivamente si è proposto il pretotipo di una soluzione che, a seguito di test con gli utilizzatori, è stato modificato sulla base dei loro feedback. Il prodotto finale del progetto è un pretotipo finale che rispetta tutti i requisiti emersi nel corso dell’intero processo di progettazione. Tuttavia, la CeHRes Roadmap, si concentra solo sulle relazioni diadiche tra stakeholder. Per questo il lavoro è stato approfondito in ottica multi-stakeholder con l’applicazione del Service Design For Value Network, una metodologia che pone l’accento sulle relazioni molti-a-molti. L’elaborato si conclude con la definizione degli steps futuri da percorrere per la realizzazione del pretotipo proposto, portando a termine la CeHRes Roadmap.