Progettazione di un sistema di cogenerazione statica di energia elettrica tramite celle ad effetto Seebeck

Studio di fattibilità di un sistema di cogenerazione termico ed elettrico stand-alone sfruttando il fenomeno dell'effetto Seebeck. In particolare è stata esaminata la sezione di produzione di potenza elettrica. Nella prima parte è trattata l'analisi della tecnologia riguardante i moduli TEG esplicitandone ogni aspetto caratteristico ed è stato inserito un riepilogo delle maggiori sperimentazioni in questo ambito. Nella seconda parte è affrontata la fase di studio preliminare. Sulla base dei dati di progetto ci si è soffermati sui vincoli dimensionali dei componenti direttamente interessati da scambi termodinamici. Nella terza parte è descritta la struttura del prototipo ed è mostrata una analisi economica preliminare di carattere indicativo. I risultati ottenuti mostrano il campo di applicabilità al quale questa soluzione tecnologica deve riferirsi per risultare conveniente.

Progettazione e sperimentazione di un sistema di cogenerazione statica di energia elettrica tramite celle ad effetto Seebeck

Il tema della presente tesi è lo studio di progettazione e sperimentazione di un generatore termoelettrico, privo di parti in movimento, sfruttando il fenomeno dell’effetto Seebeck. La prima parte offre una panoramica introduttiva riguardo i moduli TEG e i loro possibili campi di applicazione. La seconda parte riassume le equazioni fisiche alla base del fenomeno e lo stato dell’arte della generazione termoelettrica, focalizzando l’attenzione sulle caldaie a biomassa. Nella terza parte è analizzato il procedimento progettuale dell’impianto. Partendo da un analisi comparativa di soluzioni esistenti e dall’obbiettivo di ottenere la massima efficienza dei moduli TEG si è arrivati alla determinazione dei vincoli dimensionali dei componenti direttamente interessati da scambi termodinamici. La quarta parte illustra la struttura del prototipo finale dedicato al laboratorio, la sua messa in servizio e il primo collaudo dell’impianto. I risultati ottenuti dai test sono il primo passo verso l’ottimizzazione del generatore termoelettrico che potrà quindi essere studio di un’interessante campagna sperimentale.

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.

Componentistica avanzata per Impianti di Combustione a Biomassa

In un quadro internazionale di forte interesse verso uno sviluppo sostenibile e sfide energetiche per il futuro, il DIEM, in collaborazione con altri istituti di ricerca ed imprese private, sta progettando l’integrazione di componentistica avanzata su di una caldaia alimentata a biomasse. Lo scopo finale è quello di realizzare una caldaia a biomasse che produca energia in maniera più efficiente e con un impatto ambientale ridotto. L’applicazione è indirizzata inizialmente verso caldaie di piccola-media taglia (fino a 350 kW termici) vista la larga diffusione di questa tipologia di impianto. La componentistica in oggetto è: - filtro sperimentale ad alta efficienza per la rimozione del particolato; - celle a effetto Seebeck per la produzione di energia elettrica direttamente da energia termica senza parti meccaniche in movimento; - pompa Ogden per la produzione di energia meccanica direttamente da energia termica; La finalità dell’attività di ricerca è la progettazione dell’integrazione dei suddetti dispositivi con una caldaia a biomassa da 290 kW termici per la realizzazione di un prototipo di caldaia stand-alone ad impatto ambientale ridotto: in particolare, la caldaia è in grado, una volta raggiunte le condizioni di regime, di autoalimentare le proprie utenze elettriche, garantendo il funzionamento in sicurezza in caso di black-out o consentendo l’installazione della caldaia medesima in zone remote e prive di allaccio alla rete elettrica. Inoltre, la caldaia può fornire, tramite l'utilizzo di una pompa a vapore o pompa Ogden, energia meccanica per il pompaggio di fluidi: tale opportunità si ritiene particolarmente interessante per l'integrazione della caldaia nel caso di installazione in ambito agricolo. Infine, l'abbinamento di un filtro ad alta efficienza e basso costo consente l'abbattimento delle emissioni inquinanti, favorendo una maggiore diffusione della tecnologia senza ulteriori impatti sull'ambiente.

Dispositivi di filtrazione del particolato nei fumi di combustione di biomassa in caldaie di piccola dimensione

Progettazione, realizzazione e sperimentazione di un filtro per il particolato da piccole caldaie a biomassa, che deve avere efficienza maggiore del 99,9% e consumi energetici specifici minori di 10 Wh/Nm3.

Anomalous Seebeck coefficient in boron carbides

Boron carbides exhibit an anomalously large Seebeck coefficient with a temperature coefficient that is characteristic of polaronic hopping between inequivalent sites. The inequivalence in the sites is associated with disorder in the solid. The temperature dependence of the Seebeck coefficient for materials prepared by different techniques provides insight into the nature of the disorder.

Seebeck Coefficient in Bulk and Quantum Wells of Non-Parabolic Kane-Type Materials

We present a simplified and quantitative analysis of the Seebeck coefficient in degenerate bulk and quantum well materials whose conduction band electrons obey Kane's non-parabolic energy dispersion relation. We use k.p formalism to include the effect of the overlap function due to the band non-parabolicity in the Seebeck coefficient. We also address the key issues and the conditions in which the Seebeck coefficient in quantum wells should exhibit oscillatory dependency with the film thickness under the acoustic phonon and ionized impurity scattering. The effect of screening length in degenerate bulk and quantum wells has also been generalized for the determination of ionization scattering. The well-known expressions of the Seebeck coefficient in non-degenerate wide band gap materials for both bulk and quantum wells has been obtained as a special case and this provides an indirect proof of our generalized theoretical analysis.

High temperature seebeck measurements on YBa2Cu3O7-δ

The Seebeck coefficient (S) of YBa2Cu3O7-δ was measured in the temperature range 450 – 1200 K in air and in pure oxygen in order to derive information on charge carrier concentration. The orthorhombic to tetragonal phase transition manifests as maxima in the variation of (dS/dT) with temperature. Seebeck coefficient in air decreases beyond ∼ 1130K corresponding to a value of δ = 0.73.

Electrical Resistance and Seebeck Coefficient in PbTe Nanowires

We address a physics-based simplified analytical formulation of the diffusive electrical resistance ( (Omega)) and Seebeck coefficient () in a PbTe nanowire dominated by acoustic phonon scattering under the presence of a low static longitudinal electric field. The use of a second-order nonparabolic electron energy band structure involving a geometry-dependent band gap has been selected in principle to demonstrate that the electron mean free path (MFP) in such a system can reach as low as about 8 nm at room temperature for a 10-nm-wide PbTe nanowire. This is followed by the formulation of the carrier back-scattering coefficient for determination of (Omega) and as functions of wire dimensions, temperature, and the field, respectively. The present analytical formulation agrees well with the available experimental data and may find extensive use in determination of various electrothermal transport phenomena in PbTe-based one-dimensional electron devices.

Progettazione e sintesi di nuovi antagonisti CB1 a struttura pirazolica come potenziali radiofarmaci per la PET imaging

Cannabinoid receptors are members of the large family of G-protein coupled receptors. Two types of cannabinoid receptor have been discovered: CB1 and CB2. CB1 receptors are localised predominantly in the brain whereas CB2 receptors are more abundant in peripheral nervous system cells. CB1 receptors have been related with a number of disorders, including depression, anxiety, stress, schizophrenia, chronic pain and obesity. For this reason, several cannabinoid ligands were developed as drug candidates. Among these ligands, a prominent position is occupied by SR141716 (Rimonabant), which is a pyrazole derivative with inverse agonist activity discovered by Sanofi-Synthelabo in 1994. This compound was marketed in Europe as an anti-obesity drug, but subsequently withdrawn due to its side-effects. Since the relationship between the CB1 receptors’ functional modification, density and distribution, and the beginning of a pathological state is still not well understood, the development of radio-ligands suitable for in vivo PET (Positron Emission Tomography) functional imaging of CB1 receptors remains an important area of research in medicine and drug development. To date, a few radiotracers have been synthesised and tested in vivo, but most of them afforded unsatisfactory brain imaging results. A handful of radiolabelled CB1 PET ligands have also been submitted to clinical trials in humans. In this PhD Thesis the design, synthesis and characterization of three new classes of potential high-affinity CB1 ligands as candidate PET tracers is described.