Dissertations / Theses on the topic 'Sistemi a concentrazione'

In questo lavoro, svolto durante i tre anni di dottorato, viene presentato lo studio dei sistemi fotovoltaici e termici a concentrazione. Nella prima parte della tesi, si sono messe a confronto gli effetti delle ottiche secondarie sulle prestazioni delle celle fotovoltaiche a tripla giunzione tramite un banco di prova indoor ed outdoor. Le celle fotovoltaiche utilizzate sono a tripla giunzione III-V di forma circolare con una superficie attiva di 4,15 mm2. Le celle fotovoltaiche 3J testate hanno differenti substrati, Insulated Metal Substrate (IMS) e Direct Bonded Copper (DBC). Le ottiche utilizzate sono costituite, da una lente Fresnel come ottica primaria, utilizzata solo nel banco outdoor, due ottiche secondarie rifrattive (RTP) realizzate in materiale dielettrico. La massima efficienza raggiunta durante i test è circa il 30%, nel banco indoor, e del 17% nel banco outdoor a causa della bassa efficienza della lente Fresnel. Inoltre, sono state monitorate le prestazioni di due impianti CPV da 3,5 kWp, in condizioni di funzionamento reali. Il rendimento elettrico ha fatto registrare un massimo pari al 31% ed una potenza pari a 2,7 kW. Inoltre si è valutato l’effetto dello sporco: una lente Fresnel pulita permette di produrre circa il 19% di potenza in più ed un’efficienza maggiore del 5%, a parità di DNI. Il sistema d’inseguimento, nel caso peggiore, ha commesso un errore pari a 0,26°, inferiore all’angolo di accettanza delle ottiche (0,4°). Contemporaneamente, è stata eseguita una campagna sperimentale su un sistema solare termico a concentrazione da 2,5 kWt. L’impianto ha fatto registrare una produzione massima giornaliera pari a 22,5 kWh con un’efficienza massima del 71,7%. Infine tramite un modello numerico, sviluppato per supportare la progettazione del prototipo, sono state simulate le prestazioni dell’impianto. I risultati ottenuti tramite il modello numerico sono in buono accordo con i dati ottenuti dalla campagna sperimentale.
The paper presents the study of concentration photovoltaic and thermal system, carried out during the three years of Phd. The first part of thesis analyzes and compares the effects of the secondary optics on the performance of a triple junction solar cell. Are set up two bench test, an indoor bench test and an outdoor one. The cells are triple junction III-V and they have a circular shape with an active area of 4.15 mm2. In addition, two different solutions for the 3J cell receiver are tested, the Insulated Metal Substrate technology (IMS) and the Direct Bonded Copper (DBC). The optics consists of a primary Fresnel lens with constant pitch, used only with outdoor bench test, and a refractive secondary optic (RTP) made of dielectric material. Maximum efficiency achieved about 30% on indoor bench, and 17% in outdoor bench, mainly due to low Fresnel lens efficiency. During the research project monitoring the performance of two 3,5 kWp CPV devices under real outdoor operating conditions, took place. The overall AC electrical efficiency has a peak of 31% and the maximum electric production is 2.7 kW. The effect of lens fouling has a much higher impact: a clean lens allows to produce about 19% more power and efficiency increases by 5%, at equal solar irradiation. The tracking mechanism has proved, in the worst case, an inaccuracy of 0.26° which is lower than the acceptance angle of the optics (0.4°). Concurrently, an extensive test campaign has been carried out of a 2.5 kWt Concentrated Solar Thermal Power system. The experimental analysis allowed to prove that the overall plant performance and the optical efficiency were high. In particular, the daily energy production and the plant efficiency reached a peak value of about 22.5 kWh and 71.71%. The plant output has also been investigated using an analytical model previously developed to support the prototype design. In general, the simulation results were in good agreement with the experimental data.

For approval of tariffs imposed by the Decree DM July 5, 2012 (Quinto Conto Energia) for photovoltaic systems integrated with innovative features, is defined as “non-conventional photovoltaic module” a “photovoltaic module whose use is possible and effective only for applications like architectural , being itself a building element”. In this context, the concentrating photovoltaic systems suitable for building integration (BICPV) are low concentration parabolic trough (LCPV , C <10 suns), which need a single axis movement in order to ensure uniform illumination of the photovoltaic cells, and luminescent solar concentrators (LSC, C = 2-3 suns), able to concentrate both the direct and diffuse radiation. These systems are highly versatile: they have a linear or planar geometry easily to integrate. They are also multi-functional as they may offer additional features such as sun shading or night lighting. In this thesis are presented two different solutions for BICPV: the linear parabolic trough Solar Flight and the solar window based on LSC. Both systems are equipped with an integrated MPPT (Maximum Power Point Tracking), and the energy produced by the photovoltaic cells is used to power white or RGB integrated LED bars for ambient lighting. Have been cured all the different phases of prototyping two modules: the optical and mechanical design, the realization of electronic circuits, the characterization lab tests and finally the installation of the modules in a passive house presented in Madrid during the international Solar Decathlon Europe 2012 competition.

The energy demand expected increase and the even more impacting greenhouse effect promote many effort to increase the renewable contribute in several electric markets and is expected to increase further in the next years. The increasing penetration of PV and wind energy, that are for definition unpredictable and variables, in several markets is forcing the power plants (both fossil and renewable) to operate with a high level of flexibility and a high dispatchability is becoming a requirement as important as a low price. In spite of a higher LCOE, Concentrated Solar Power (CSP) plants are recognized as the favorite way to produce electricity thanks to the availability of an embedded long-term storage system that allows supplying thermal energy when the irradiation is low (or fluctuating) and can extend (or shift) the operation of the plant according to the power demand variability. This thesis proposes the assessment of the central receiver system (CRS), considered the best option over CSP technologies. Nevertheless, many aspects still penalize the tower systems, mainly the higher installation costs and the lower energy density. The optimal design of the heliostat layout and the selection of the optimal geometrical/design parameters (tower height and receiver dimensions, among all) are fundamental to improve the performance of CRS, independently of the operation mode of the plant (connected or not to the grid). Successively, the capacity of a solar tower system operating in island-mode to fulfill the power demand is investigated, compared with the most mature PTC technology. Finally, the integration of the CRS is investigated in a fully renewable production system (PV+Wind turbines+CSP) where 90\% of the load must be satisfied.

2015 - 2016
The evolution in the renewable energies field led to search for solutions that allow the combined achievement of heterogeneous energy vectors. This theme introduces multiple levels of analysis, from the definition of new systems and the environmental impact analysis to the overall economic performances, in the traditional cost – benefit paradigm. In this context, the Green Renewable Technologies redefines the concept of innovative solution, as they represent a choice based on eco – sustainability princes. This aspect provides a driving force, both for the basic and industrial research. The key point of the analysis can be summarized in two basic concepts: the definition of new systems not yet standardized and the combined energy production in order to meet different demands. In this analysis, the systems based on the solar concentration present wide margin of study. Such devices don’t have established standards from the specific system configuration point of view and as regards the basic components. In addition, although primarily designed for the electrical or thermal energy production, in a separate way, they have a high potential of combined energy capability. In the presented work a complete analysis of the concentration systems is provided. Considering both the electrical and the thermal energy production, we can talk of concentrating photovoltaic and thermal systems. Generally, the basic principle of these systems is to focus the solar radiation, by means of optical devices, on specific solar cells, the multi – junction ones, in order to increase the obtained energy and decrease the solar cell area. The sunlight concentration lead to an increase in the solar cell temperature, hence a right cooling is needed. By employing a cooling fluid it is possible to avoid electrical losses and simultaneously obtain thermal energy. The main aim of this work is the definition and theoretical – experimental modeling of such kind of systems in order to evaluate their energetic and economic performances. In particular, the work is not referred to a specific plant but, by means of different simulations, a parametric analysis has been conducted in order to understand the different variables influence on the system configuration. Hence, it was possible to adapt the system operating with different configurations and to assess the electrical and thermal potential depending on a specific application. A concentrating photovoltaic and thermal systems is principally composed of three parts, the optics that allows the sunlight concentration, the receiver, where the solar cells are placed and the tracking system. The solar cells chosen are triple junction solar cells, in particular the characteristics of Indium – Gallium phosphide, Gallium arsenide and Germanium (InGaP/GaAs/Ge) cells have been experimentally analyzed. The work evaluates the main parameters of a concentrating plant, such as the concentration factor which describes how many times the incident radiation has been amplified, the acceptance angle which affects on tracking and the configuration. This describes how the cells and the optics are arranged to each other. The concentration systems are described in each component, highlighting what is present in the literature. The analysis defines both the part to modeling and the employed tools in order to achieve an overall assessment of these systems. In this way, starting from the input, a procedure for the solar potential evaluation has been defined by means of the artificial neural networks. In particular, as these systems work only with the direct component of the solar radiation, two networks have been analyzed both for the global and direct radiation, employing a recombination process. The first network considers seven input parameters while the second one, for the direct radiation evaluation, exploits four input variables, including the cloudiness. These models have been trained, validated and tested exploiting data from national databases and experimental measures for different years. The neural networks designed have also been statistically compared with the main literature results in this field, reporting excellent performances. In order to evaluate the energetic performances of a concentration system, different models have been introduced. In particular, models for the electrical analysis, starting from the cells characteristics and the chosen configuration, have been defined. Moreover, the thermal analysis has been conducted, studying the cell temperature. Hence, the definition of a Random Forest model for the cell temperature predicting has been a key point of the analysis. The evaluation of the cell temperature under concentration, in fact, represents a problem which effects both the electrical and the thermal analysis. Hence, the realized Random Forest model, allows to solve different problems. As for the neural networks models, also for the Random Forest model the use of experimental data has been fundamental. Once known the cell temperature, different thermal model have been realized in order to evaluate the cooling fluid temperature. In particular, depending on the concentration level and the number of the cells, two different cooling circuit have been realized. The first one based on a point – focus configuration, while the second one based on a line – focus configuration. By means of graphic softwares, such as Catia and Solidworks, and implementing a numeric analysis in Ansys, the fluid temperatures in the different cooling circuits have been evaluated. The line focus configuration has shown the best performances both for the reached temperatures and the response time. The last modeling phase analyzed the system connection with a residential user. In particular, the use of a tank which would represent a thermal energy storage has also been evaluated. Moreover, different inefficiency analysis has been conducted in order to evaluate the energetic end economic performances of the concentration systems in different conditions. The experimental analysis represented a key point for all the realized model. It had a dual role, on one hand, it allowed to understand the influence of different variables, not theoretically evaluable. On another hand, it allowed to obtain a database of experimental measures, which have been fundamental for the different realized models, such as the neural networks and Random Forest. The experimental analysis starts with the development o a concentrating system at the University of Salerno. This plant presents a point – focus configuration with a Fresnel lens, as primary optics, a kaleidoscope as secondary optics, and a triple junction solar cell. This plant allowed to define an experimental procedure for the concentration factor evaluation. By changing the Fresnel lens height, it was possible to modify the concentration factor and to evaluate different cell parameter such as the open circuit voltage, the short circuit current, the efficiency, the fill factor and the series and shunt resistances. The maximum concentration factor reached has been of 310 suns, with a lens height of 24 cm. The experimental phase provided for the definition of a measurement equipment that, on the one hand, allowed the monitoring of the system performances, while on another hand it permitted to collect measures useful for the theoretical models. In particular, different thermo – resistances, a pyranometer, an acquisition system and a Source Meter Unit have been employed in order to monitor the electrical signals and for the cell characterization. The last phase of the experimental study allowed to design a new line focus system with a concentration factor of about 100 suns. The main results of the theoretical – experimental modeling, after the input analysis and the study of the system variables, show the electrical and thermal performance of the concentration systems defined. In particular, considering a residential user and exploiting a choice model, a point – focus system with 180 triple junction cells has been chosen. With this configuration, considering the electric national grid and a thermal energy storage, the system allows to meet the user energy demands. Another application example, for a residential user, led to define a line focus system with 500 triple junction solar cells. The experimental results, over the estimation of the concentration factor, have shown a maximum temperature for the solar cell of about 70°C. Hence, it allowed the parametric analysis of the cell temperature by means of the Random Forest model, which shows as, increasing the concentration factor, the system can be employed both for the winter heating and the summer cooling. Generally, for a domestic user in the South of Italy, the concentrating photovoltaic and thermal system allows an annual electric energy production of about 3000 kWh and an annual thermal energy production between 10000 and 13000 kWh. Taking into account of average energy demands and considering the system possibility of work with the electrical national grid and a tank, the concentrating systems represent a good solution for a residential user. Moreover, as shown by the analysis of the different configuration, the systems can meet the energy demand with a simple payback period between 8 and 11 years, considering some inefficiencies. Hence, the presented work shows the great potential of the concentration system in the combined energy production field. The theoretical and experimental analysis have been conducted focusing on the study of the different parameters influence. The main results are connected to the input prevision, the system operating analysis for both the electrical and the thermal part and the designing of different prototypes. The concentrating photovoltaic and thermal systems represent an interesting alternative solution which shows a high flexibility in the system configuration and which constitute a topic for further development, in particular for the definition of a standard plant. [edited by author]
La continua evoluzione nel settore delle energie rinnovabili ha condotto alla ricerca di soluzioni che permettano l’ottenimento combinato di vettori energetici eterogenei. Tale tematica introduce molteplici piani di analisi, dalla definizione di nuovi sistemi, all’analisi dell’impatto ambientale fino alla resa economica complessiva, nel classico paradigma costi – benefici. In quest’ottica, le Green Renewable Technologies ridefiniscono il concetto di soluzione innovativa, in quanto rappresentano una scelta basata su principi di eco – sostenibilità. Tale aspetto fornisce una spinta propulsiva, sia alla ricerca di base che a quella industriale. Il punto cardine dell’analisi è sintetizzabile attraverso due concetti basilari: la definizione di nuovi sistemi non ancora standardizzati e la produzione combinata di energia per il soddisfacimento di richieste differenti. In questo discorso si innestano, trovando ampi margini di studio i sistemi a concentrazione solare. Tali dispositivi, infatti, risultano privi di standard affermati sia dal punto di vista della configurazione specifica di impianto, che per quanto concerne la componentistica di base. Inoltre, seppur studiati principalmente per la produzione di energia elettrica o termica, in maniera separata, essi presentano elevate potenzialità di producibilità combinata. Nel lavoro presentato viene fornita un’analisi approfondita dei sistemi a concentrazione. Nello specifico, considerando sia la parte elettrica che quella termica e definendo le principali tecnologie a supporto, parliamo di sistemi termo – fotovoltaici a concentrazione. In generale, il principio fondamentale di un sistema termo – fotovoltaico a concentrazione è quello di focalizzare i raggi luminosi, per mezzo di dispositivi ottici di vario genere, su particolari celle solari, di tipo multi – giunzione, al fine di aumentare l’energia ottenuta e ridurre l’area del materiale fotovoltaico attivo. Con la concentrazione della luce solare, la temperatura delle celle aumenta ed è fondamentale un corretto raffreddamento, al fine di non inficiare sul rendimento elettrico. Attraverso uno smaltimento attivo del calore, tramite un fluido termo – vettore, è possibile ottenere contemporaneamente energia termica. Lo scopo del lavoro è la definizione e modellazione teorico – sperimentale di tali apparati al fine di poterne valutare le prestazioni energetiche ed economiche. In particolar modo, non ci si è riferiti ad uno specifico impianto ma, attraverso le varie simulazioni, si è svolta un’analisi parametrica che permettesse di comprendere l’influenza di ciascuna variabile, interna o esterna, sul sistema. In tal senso, è stato possibile adattare il funzionamento dell’impianto con varie configurazioni e valutarne le potenzialità elettriche e termiche a seconda dell’applicazione. Un sistema termo – fotovoltaico a concentrazione è composto da tre parti principali, l’ottica che permette di focalizzare la luce, il ricevitore, dove sono alloggiate le celle multi – giunzione e che include il sistema di recupero del calore e l’inseguitore. Le celle scelte sono a tripla giunzione, in particolar modo sono state analizzate sperimentalmente le caratteristiche di celle di fosfuro di Indio – Gallio, arseniuro di Gallio e Germanio (InGaP/GaAs/Ge). Il lavoro valuta i principali parametri di un impianto a concentrazione, tra cui il fattore di concentrazione che descrive di quanto venga amplificata la radiazione incidente sulla cella, l’angolo di accettazione che incide sull’inseguimento e sulla corretta focalizzazione e la configurazione. Quest’ultima descrive come le celle e le ottiche sono disposte le une rispetto alle altre. I sistemi a concentrazione sono descritti in ogni loro componente, evidenziando i punti di forza ed analizzando quanto presente in letteratura. L’analisi definisce tutte le parti da modellare e gli strumenti da impiegare per raggiungere l’obiettivo di valutazione complessiva di tali impianti. In questo senso, partendo dall’input, al fine di valutare le prestazioni dell’impianto in ogni condizione, è stata definita una procedura per la stima del potenziale solare attraverso le reti neurali. In particolare, dato che i sistemi a concentrazione operano solo con la componente diretta della radiazione, si è fatta particolare attenzione al modello di tale frazione della radiazione globale. Sono state definite due reti, una per la radiazione globale ed una per la diretta. Dopo un’attenta analisi delle variabili input ed un processo di ricombinazione, la prima rete è stata costruita considerando sette parametri di input tra cui: latitudine e longitudine ore di luce, declinazione solare. La rete per la radiazione diretta, invece, presenta quattro input principali tra cui la stessa radiazione globale e l’indice di chiarezza, che descrive le condizioni di nuvolosità. Tali modelli sono stati addestrati, validati e testati con dati per vari anni, impiegando misure di database nazionali e prove sperimentali. Le reti valutate statisticamente e confrontate con la letteratura hanno offerto ottimi risultati in termini di errore medio sulla predizione. Le reti neurali, così definite, hanno permesso, poi, di implementare un’app mobile per la valutazione del potenziale solare a Salerno. Al fine valutare le prestazioni energetiche di un impianto a concentrazione, si sono definiti differenti modelli. In particolar modo, si è descritto come valutare la producibilità elettrica, a partire dalle prestazioni delle celle e dalle configurazioni scelte. Grande attenzione, inoltre, è stata posta sui modelli per la valutazione della temperatura della cella, variabile che influenza sia la parte elettrica che quella termica. Il culmine dell’analisi è stata la costruzione di un modello tipo Random Forest che ha permesso di prevedere la temperatura al variare della concentrazione, della temperatura ambiente e della radiazione incidente. Come per i modelli alle reti neurali, anche in questo caso è stato fondamentale l’impiego di dati sperimentali raccolti sul campo. Infine, la valutazione delle prestazioni termiche dell’impianto ha avuto come principale elemento di analisi la temperatura del fluido termo – vettore. A seconda di concentrazione e numero di celle sono stati definiti due circuiti di raffreddamento, uno basato su uno schema point – focus, l’altro su una configurazione line – focus. Sfruttando software grafici come Catia e SolidWorks e implementando l’analisi numerica in Ansys è stato possibile osservare i tempi di risposta di ciascun impianto e le temperature raggiunte dal fluido. In particolare si è impiegata una soluzione di acqua e glicole in un circuito con un diametro interno di 4.2 cm e celle a tripla giunzione da 1 cm. I modelli, principalmente in regime transitorio, hanno permesso di valutare la configurazione line – focus come più efficiente sia per i tempi di risposta che per le temperature raggiunte. Anche in questo caso, parte delle simulazioni hanno considerato come input ai modelli termici, temperature della cella valutate sperimentalmente. L’ultima fase modellistica, infine, ha analizzato la connessione del sistema a concentrazione ad un’utenza domestica, definendo il funzionamento di un possibile serbatoio che fungesse da accumulo per l’energia termica. Si sono, inoltre, svolte analisi di inefficienza a partire da una prestabilita configurazione e sono state analizzate le potenzialità energetico – economiche degli impianti a concentrazione, in varie condizioni. L’analisi sperimentale, come detto, rappresenta un aspetto basilare del lavoro, essa infatti ha avuto un duplice ruolo, da un lato ha permesso di analizzare l’incidenza di alcuni fattori, non direttamente rilevabile teoricamente. Dall’altro lato, invece, ha consentito, tramite il sistema di misura allestito, di costruire un database di rilevazioni, fondamentali per differenti modelli come quello di Random Forest per la valutazione della temperatura della cella, oppure quelli alle reti neurali. Lo studio sperimentale parte dalla sviluppo di un sistema a concentrazione realizzato all’Università degli Studi di Salerno. Tale sistema sfrutta una configurazione point – focus con una lente di Fresnel dal diametro di 30 cm, un caleidoscopio come ottica secondaria, ed una cella a tripla giunzione. Attraverso tale apparato sono state valutate differenti configurazioni al fine di definire una procedura sperimentale per la valutazione del fattore di concentrazione. In modo particolare, variando l’altezza della lente e valutando le tensioni di corto circuito della cella, è stato, di volta in volta, calcolato un fattore di concentrazione. Ciò ha permesso di caratterizzare sperimentalmente la cella al variare di C, osservando i principali parametri quali: tensione di circuito aperto, Fill Factor, rendimento, resistenza serie e resistenza di shunt. Si è ottenuta una concentrazione massima di 310x con un’altezza della lente di circa 24 cm. La fase sperimentale ha, in parallelo, previsto la definizione di una strumentazione di misura che permettesse da un lato di monitorare le prestazioni dell’impianto e dall’altro di raccogliere misure utili ai modelli teorici. In modo particolare, sono state impiegate diverse termo – resistenze, un piranometro, un sistema di acquisizione per la raccolta dei dati dai sensori ed il monitoraggio dei segnali elettrici ed una Source Meter Unit per imporre una tensione variabile in sede di caratterizzazione della cella. L’ultima fase di studio sperimentale ha permesso di progettare un nuovo impianto di tipo line – focus, con un fattore di concentrazione intorno ai 100x, lanciato il produzione a Novembre 2016. I principali risultati della modellazione teorico – sperimentale, consequenziali allo studio dell’input e delle variabili del sistema, mostrano le analisi elettriche e termiche svolte, evidenziando le ottime potenzialità dei sistemi a concentrazione. In modo particolare, considerando un’applicazione domestica, tramite un modello di scelta si è giunti alla definizione di un sistema point – focus con 180 celle disposte in tre moduli ed un fattore di concentrazione elevato. In questa configurazione, il sistema risponde ai carichi dell’utenza, sfruttando sia la rete elettrica che il serbatoio di accumulo. Altri esempi di applicazioni, hanno mostrato l’analisi di un sistema line – focus, con circa 500 celle. I risultati dell’analisi sperimentale, oltre ad un fattore C stimato in 310x, evidenziano una temperatura massima della cella che supera i 70°C. Ciò quindi ha reso possibile l’analisi parametrica della temperatura, tramite il modello di Random Forest, che evidenzia come, all’aumentare della concentrazione, il sistema possa essere impiegato sia per il riscaldamento invernale che per la refrigerazione estiva. In generale, per un’utenza domestica situata al Sud Italia, il sistema a concentrazione permette una produzione di circa 3000 kWh elettrici annui e di 10000 – 13000 kWh termici. Considerando richieste medie, la possibilità di scambiare energia elettrica con la rete e l’impiego di un serbatoio con integrazione si può affermare che tali sistemi presentano ottime potenzialità per un’utenza domestica. Inoltre, è potuto osservare come le differenti configurazioni possano sopperire alle richieste, con un tempo medio di ritorno dell’investimento tra gli 8 e gli 11 anni, nel caso di inefficienze irrisolte. Il lavoro presentato, quindi mostra le grandi potenzialità dei sistemi a concentrazione nell’ambito della produzione combinata di energia. L’analisi teorica e sperimentale si è incentrata sullo studio dell’influenza di ciascun parametro, caratteristico di tali tipi di impianti. I principali risultati sono connessi alla previsione dell’input, alla valutazione del funzionamento in termini sia elettrici che termici, ed allo studio sperimentale dei sistemi al fine di progettare e realizzare diversi prototipi. In generale, quindi i sistemi a concentrazione rappresentano una soluzione alternativa interessante, che mostra elevata flessibilità nella configurazione e nella possibilità di continui sviluppi volti a definire uno standard. [a cura dell'autore]
XV n.s. (XXIX)

Sviluppo di una procedura per la stima delle emissioni di sistemi energetici da integrare nel MiniBREF, programma di calcolo utilizzato da ARPA Emilia-Romagna, basato sulle linee guida definite nel BREF per la valutazione dell'impatto ambientale e confronto tra soluzioni impiantistiche alternative.

The present PhD dissertation is focused on the development of management strate- gies of electric vehicles and concentrating photovoltaic systems in microgrids (MGs). Firstly the MG concept and then the state-of-the-art analysis of the most important components (that are photovoltaic and energy storage systems and electric vehicles) are presented. Then, the first part of the thesis is focused on the concentrating photovoltaic (CPV) systems, the most promising new technology for improving the efficiency of PV systems. In particular, two prototypes characterization and the role of CPV systems in MGs are introduced. In fact, the knowledge of the CPV issues highlighted during the characterization process allows the development of a suitable EMS, in order to guarantee the quality, the reliability and the controllability of the MG and consequently of the main electrical power system, especially in presence of a large number of renewable energy sources (RESs). The second part of the dis- sertation deals with the analysis of two battery electric vehicles (BEVs) models. Nowadays, the exploitation of BEVs has to be placed in a future contest in which the vehicle batteries will perform different tasks in addition to driving purpose, such as the vehicle to grid (V2G) paradigm. Thus, an accurate model that reproduces the battery behavior under real dynamic driving conditions is mandatory, as well as its validation. Moreover, the EV modelling allows to make the EV feedback in- formation reliable for managing correctly and profitably an EV eet inside a MG. Consequently, in the last part, two management strategies (MSs) are presented. The former operates in a MG composed by office and laboratory loads, a CPV plant and a traditional at-plate PV one and a BEV eet. The MS proposed aims to maxi- mize the energy self-consumption by respecting both the driver needs and the MG requirements. The second MS manages the same MG by employing a stationary storage system instead of a BEV eet. In this case, the MS purpose is to guarantee a at-programmable power production profile at the DC node of the MG, even in case of severe weather conditions.

Conoscere la concentrazione batterica di un campione biologico è di primaria importanza per molti segmenti di mercato come l'industria biomedicale, militare , ma anche l'industria alimentare e per il controllo ambientale. L'obiettivo della tesi è lo sviluppo di un dispositivo per il monitoraggio della concentrazione batterica basato sulla variazione di conducibilità della soluzione nel tempo, dovuto all'accumulo di ioni nella soluzione in cui sono presenti i batteri. Questa tecnica prende il nome di Impedance Microbiology e presenta una serie di vantaggi rispetto alle tecniche tradizionali in termini di tempo e di denaro. La tecnica di Impedance Microbiology promette di essere più veloce della SPC, portando il tempo di analisi da 24-72 ore ad approssimativamente 12 ore. Questa tecnica inoltre ha il vantaggio di poter essere automatizzata e di non necessitare di personale qualificato, riducendo sensibilmente i costi di analisi. In questa tesi verrà quindi sviluppato il dispositivo che permetterà di svolgere le analisi di Impedance Microbiology e verrà testato in laboratorio per valutarne il funzionamento.

The United Nations (UN) project "Sustainable energy for all" sets three ambitious objectives to favor a sustainable development and to limit climate change: - Universal access to modern energy services. Electricity is currently not available for 1.3 billion people and the global energy demand is expected to grow of about 35% within 2040, due to the increasing world population and the expanding economies - Double the global rate of improvement in energy efficiency - Double the share of renewable energy sources (RESs) in the global energy mix In addition, according to the climate scenario assessed in the fifth assessment report (AR5) of the International Panel on Climate Change (IPCC), the prevention of undesirable climate effects requires a 40-70% reduction of greenhouse gas (GHG) emissions, compared with 2010 levels, by mid-century, and to near-zero by the end of this century (IPCC, 2014). The achievement of such objectives requires and encourages the spread of RESs in the global energy mix, gradually replacing depleting and polluting energy sources based on fossil fuels, which still have the main incidence on the energy sector. RESs already play a major role in several countries, due to the technological development and the increasing market competitiveness, and the world renewable power capacity reached 22.1% in 2013, showing an increasing trend in 2014 (REN, 2014). However, supporting policies, robust investments from the private sector and efforts from the scientific community are still crucial to demonstrate the technical and economic sustainability and effectiveness of RESs, helping their large-scale diffusion. Starting from such a background, this Ph.D dissertation focuses on the study, design and development of methods and tools for the optimization and enhancement of renewable energy technologies and their effective integration with energy storage solutions and traditional energy sources powered by fossil fuels (hybrid energy systems). The analysis of the major literature and the different scenarios and perspectives of RESs in the national and international contexts have shown that their economic sustainability, and then their diffusion, is closely connected to a number of technical, economic/financial and geographical parameters. Such parameters are the input of the analytic models developed for the techno-economic design of photovoltaic (PV) plants and small wind turbines (SWTs) and applied to the economic feasibility study, through multi-scenario analysis, of such systems in some of the main European Union (EU) Countries. Among the obtained results, the self-consumption of the produced energy plays a crucial role in the economic viability of SWTs and PV plants and, particularly, after the partial or total cut of incentives and uncertainties related to supporting policies within the EU context. The study of the energy demand profile of a specific user and the adoption of battery energy storage (BES) systems have been identified as effective strategies to increase the energy self-consumption contribution. Such aspects have led to the development of an analytic model for the techno-economic design of a grid connected hybrid energy system (HES), integrating a PV plant and a BES system (grid connected PV-BES HES). The economic profitability of the grid connected PV-BES HES, evaluated for a real case study, is comparable with PV plants without storage in case of a significant gap between the cost of energy purchased from the grid and the price of energy sold to the grid, but high BES system costs due to the initial investment and the maintenance activities and the eventual presence of incentives for the energy sold to the grid can make the investment not particularly attractive. Thus, the focus has shifted to the techno-economic analysis of off-grid HES to meet the energy demand of users in remote areas. In this context, BES systems have a significant role in the operation and management of the system, in addition to the storage of exceeding energy produced by the intermittent and variable RESs. The analysis has also been strengthened by an industrial application with the aim to configure, test and install two off-grid HESs to meet the energy demand of a remote village and a telecommunication system. In parallel, two experimental activities in the context of solar concentrating technology, a promising and not fully developed technology, have been carried out. The former activity deals with the design, development and field test of a Fresnel lens pilot-scale solar concentrating prototype for the PV energy distributed generation, through multi-junction solar cells, and the parallel low temperature heat recovery (micro-cogeneration CPV/T system). The latter activity deals with the development of a low cost thermal energy (TES) storage prototype for concentrating solar power (CSP) plants. TES systems show a great potential in the CSP plants profitability since they can overcome the intermittent nature of sunlight and increase the capacity factor of the solar thermal power plant. Concluding, the present Ph.D dissertation describes effective methods and tools for the optimization and enhancement of RESs. The obtained results, showing their critical issues and potential, aim to contribute to their diffusion and favor a sustainable development
Il progetto delle Nazioni Unite "Sustainable energy for all" ha fissato tre obiettivi ambiziosi per favorire uno sviluppo sostenibile e limitare l'impatto del cambiamento climatico: - Accesso universale a moderni servizi elettrici. Tali servizi sono attualmente indisponibili per circa 1.3 miliardi di persone ed è previsto un aumento del 40% della domanda globale di energia elettrica entro il 2040, a causa dell'incremento della popolazione mondiale e delle economie in crescita nei paesi in via di sviluppo - Raddoppio del tasso globale di miglioramento dell'efficienza energetica - Raddoppio del contributo di fonti di tipo rinnovabile nel mix energetico globale Inoltre, lo scenario climatico proposto nel "fifth assessment report (AR5)" redatto da "International Panel on Climate Change (IPCC)" stabilisce la necessità di ridurre l'emissione di gas ad effetto serra del 40-70%, rispetto ai valori registrati nel 2010, entro il 2050 ed eliminarli in modo quasi definitivo entro la fine del secolo con lo scopo di evitare effetti climatici indesiderati. Il raggiungimento di tali obiettivi richiede e incoraggia la diffusione di fonti energetiche rinnovabili (FER) all'interno del mix energetico globale, rimpiazzando gradualmente le fonti di energia convenzionali basate su combustibili fossili, inquinanti e in via di esaurimento, che hanno ancora l'incidenza principale nel settore energetico. A seguito nel loro sviluppo tecnologico e la crescente competitività nel mercato, le FER rivestono già un ruolo fondamentale nel mix energetico di numerose Nazioni ricoprendo il 22.1% del fabbisogno globale di energia nel 2013 e mostrando un andamento in rialzo nel 2014 (REN, 2014). Tuttavia, sono ancora cruciali politiche di supporto, ingenti investimenti privati e contributi della comunità scientifica per dimostrare l'efficacia e la sostenibilità tecnica ed economica delle FER e favorire, quindi, una loro diffusione in larga scala. In questo contesto, la seguente tesi di dottorato è rivolta allo studio, progettazione e sviluppo di metodi e strumenti per l'ottimizzazione e la valorizzazione di tecnologie energetiche rinnovabili e la loro integrazione efficace con fonti di produzione di energia convenzionali alimentate da combustibili fossili e sistemi di accumulo di energia (Sistemi energetici di tipo ibrido). I contributi scientifici disponibili in letteratura e l'analisi dei diversi scenari e delle prospettive delle FER nei vari contesti nazionali ed internazionali hanno dimostrato che la loro sostenibilità economica, e quindi la loro diffusione, è strettamente legata ad una serie di parametri tecnici, economico / finanziari e geografici. Tali parametri sono stati impiegati come input in due modelli analitici sviluppati per la progettazione tecnico-economica di impianti fotovoltaici (FV) e micro turbine eoliche e applicati per lo studio della loro fattibilità economica, attraverso analisi multi-scenario, in alcuni dei maggiori Paesi Europei. I risultati ottenuti hanno mostrato come l'autoconsumo dell'energia prodotta rivesta un ruolo fondamentale nella redditività economica dei citati impianti ed, in particolare, a seguito del taglio parziale o totale dei sistemi di incentivazione e l'incertezza attorno alle politiche di supporto all'interno del panorama Europeo. Lo studio specifico del profilo di domanda elettrica delle utenze e l'impiego di sistemi di accumulo di energia sono stati identificati come strategie efficaci al fine di incrementare la quota di autoconsumo. Tali considerazioni hanno portato allo sviluppo di un modello analitico utile alla progettazione tecnico-economica un sistema energetico ibrido connesso alla rete Nazionale integrante un impianto FV e un sistema di accumulo a batterie. La redditività del sistema, valutata su un caso reale, risulta comparabile a un impianto fotovoltaico privo di batterie in caso di un gap significativo tra il costo dell'energia elettrica acquistata dalla rete e il prezzo di vendita dell'energia elettrica ceduta in rete. Tuttavia, gli elevati costi dovuti all'acquisto iniziale e alle attività di manutenzione, e l'eventuale incentivazione sulla vendita dell'energia in rete, non rendono l'investimento particolarmente attrattivo per impianti connessi alla rete. L'attenzione si è quindi rivolta all'analisi tecnico-economica di sistemi energetici ibridi non connessi alla rete, comunemente definiti in isola o off-grid, per soddisfare il fabbisogno energetico di utenti in area remote e quindi prive di allaccio a una rete elettrica. In tali sistemi, i sistemi di accumulo a batterie, oltre alla capacità di accumulo dell'energia prodotta in eccesso variabili e intermittenti FER, hanno funzioni fondamentali nella gestione del sistema stesso. L'attività è stata anche rafforzata da un'applicazione industriale per la configurazione, test e installazione di due sistemi energetici ibridi in isola impiegati per soddisfare il fabbisogno energetico di un villaggio e di un sistema di telecomunicazione situati in aree remote. In parallelo, sono state svolte due attività sperimentali applicate alla promettente, ma non ancora completamente sviluppata a livello industriale, tecnologia solare a concentrazione. La prima attività riguarda la progettazione, sviluppo e test sperimentali di un prototipo in scala ridotta di concentratore solare a lenti di Fresnel per la produzione distribuita di energia elettrica, mediante l'uso di celle fotovoltaiche multi giunzione, ed energia termica a bassa temperatura, tramite un sistema di recupero termico. La seconda attività concerne lo sviluppo e test sperimentali di un prototipo di sistema di accumulo termico per impianti termodinamici alimentati da sistemi a concentrazione solare. Il sistema di accumulo consente di compensare la natura intermittente e variabile della fonte solare incrementando le ore di funzionamento dell'impianto termodinamico con i conseguenti benefici economici. Concludendo, la presente tesi di dottorato include la descrizione di metodi e strumenti per l'ottimizzazione e valorizzazione delle FER. I risultati evidenziano le criticità e potenzialità dei sistemi studiati con lo scopo di contribuire a una loro diffusione e favorire uno sviluppo sostenibile

In the novel smart grid configuration of power networks, Energy Storage Systems (ESSs) are emerging as one of the most effective and practical solutions to improve the stability, reliability and security of electricity power grids, especially in presence of high penetration of intermittent Renewable Energy Sources (RESs). This PhD dissertation proposes a number of approaches in order to deal with some typical issues of future active power systems, including optimal ESS sizing and modelling problems, power ows management strategies and minimisation of investment and operating costs. In particular, in the first part of the Thesis several algorithms and methodologies for the management of microgrids and Virtual Power Plants, integrating RES generators and battery ESSs, are proposed and analysed for four cases of study, aimed at highlighting the potentialities of integrating ESSs in different smart grid architectures. The management strategies here presented are specifically based on rule-based and optimal management approaches. The promising results obtained in the energy management of power systems have highlighted the importance of reliable component models in the implementation of the control strategies. In fact, the performance of the energy management approach is only as accurate as the data provided by models, batteries being the most challenging element in the presented cases of study. Therefore, in the second part of this Thesis, the issues in modelling battery technologies are addressed, particularly referring to Lithium-Iron Phosphate (LFP) and Sodium-Nickel Chloride (SNB) systems. In the first case, a simplified and unified model of lithium batteries is proposed for the accurate prediction of charging processes evolution in EV applications, based on the experimental tests on a 2.3 Ah LFP battery. Finally, a dynamic electrical modelling is presented for a high temperature Sodium-Nickel Chloride battery. The proposed modelling is developed from an extensive experimental testing and characterisation of a commercial 23.5 kWh SNB, and is validated using a measured current-voltage profile, triggering the whole battery operative range.

L’incendio boschivo è un problema grave e di difficile approccio che interessa, purtroppo, una considerevole parte del nostro pianeta: basti pensare che, nel solo decennio scorso e solo in Italia, sono andati perduti circa 500 mila ettari di bosco. Gli incendi causano danni che si ripercuotono sull’ambiente e sull’uomo sia in modo diretto che indiretto. Quelli diretti sono facilmente valutabili, anche visivamente, e sono costituiti dalla perdita di massa legnosa. I secondi, di più difficile stima, sono connessi alle funzioni “senza prezzo” del bosco, vale a dire la difesa idrogeologica, la produzione di ossigeno e la conservazione della conformazione e delle caratteristiche di vegetazione del territorio. L’importanza di questi fattori pone in rilievo la necessità di disporre di metodiche e tecnologie per poter fronteggiare con successo l’incendio boschivo, il che significa necessariamente affiancare ai sistemi già presenti in tutto il mondo nuovi apparati con caratteristiche di prontezza ed affidabilità più vantaggiose. Uno dei punti critici che interessa i sistemi attualmente in funzione è il ritardo che si registra tra l’innesco dell’incendio ed il momento in cui i centri operativi competenti ottengono informazioni sufficienti per disporre le opportune contromisure. Se si riuscisse ad intervenire nelle prime fasi dell’incendio, si otterrebbe una riduzione notevole dei danni ed un risparmio sensibile delle risorse necessarie alla sua estinzione. E’ facile comprendere come il telerilevamento possa offrire un valido contributo alla risoluzione di questo problema. In particolare, il telerilevamento attivo basato sulle tecniche Lidar/Dial è uno tra gli strumenti più adatti a monitorare con regolarità un incendio boschivo, per la possibilità di operare da un punto fisso su una superficie estesa e senza la necessità, per chi esegue la misura, di accedere di persona al sito in esame. Per tali motivi è stato progettato, realizzato e messo a punto un sistema Lidar/Dial mobile per la rivelazione precoce degli incendi boschivi e per la riduzione dei falsi allarmi. Il sistema Lidar, presentato in questo lavoro, è stato interamene progettato ed assemblato presso il laboratorio di ricerca di Elettronica Quantistica e Plasmi dell’Università di Roma “Tor Vergata” in collaborazione con i laboratori del Crati s.c.r.l di Lamezia Terme, nell’ambito del contratto di ricerca industriale SAI (Sistema Allerta Incendi) finanziato dal Miur (n. 7979/DSPAR/2002-DM 593/2000 art. 5). Il sistema si basa, principalmente su due componenti strutturali: un Lidar per le misurazioni in campo ed un software, sviluppato ad hoc, per la minimizzazione dei falsi allarmi. Il primo componente è il cuore del sistema in quanto emette un fascio laser che, interagendo con i prodotti di combustione rilasciati in atmosfera durante un incendio boschivo, ne rileva la presenza. Il secondo componente opera al fine di minimizzare i falsi allarmi dovuti alla presenza di fumi che non si originano da incendi boschivi (fumi industriali, particolato atmosferico sollevato da vento forte, fumi che si originano da pratiche agricole “sicure”, nebbie, ecc), e di diminuire il tempo impiegato dal sistema per l’elaborazione dei segnali Lidar. La realizzazione del dimostratore finale è stata possibile solo dopo un attento studio delle proprietà ottiche dei prodotti emessi durante la combustione di materiale vegetale, e di come essi interagiscano con il fascio laser. E’ per questo motivo che inizialmente sono state testate due sorgenti laser, una operante nell’IR e l’altra negli UV, al fine da stabilire quale fosse la migliore per i nostri scopi. Sono state effettuate, quindi, misure del coefficiente di retrodiffusione da fumo in cella utilizzando una sorgente laser a CO2 ed un laser Nd:YAG operante alle tre lunghezze d’onda 1064 nm, 532 nm e 355 nm. Dai risultati ottenuti si è visto che il laser a stato solido è quello più idoneo ad essere impiegato per la rivelazione di incendi boschivi, in quanto i valori ottenuti per i coefficienti di retrodiffusione del fumo sono più alti (circa due ordini di grandezza), assicurando così una maggiore sensibilità del sistema Scelta la sorgente laser, tutto il lavoro si è concentrato nel dotare il sistema di quelle caratteristiche fondamentali per un suo impiego, quali l’autonomia elettrica, la gestione in remoto ed la trasportabilità. Il sistema è stato quindi installato su un supporto mobile, facilmente trasportabile da qualunque autovettura, e dotato di tutta quella strumentazione necessaria alla sua alimentazione. Per quanto riguarda il controllo remoto, è stato sviluppato un software che consente la gestione da una sala controllo di tutta la strumentazione che compone il sistema di rivelazione incendi boschivi (compresi i sistemi di supporto). E’ stato infine realizzato il programma per il riconoscimento dei picchi e la minimizzazione dei falsi allarmi. Sono state effettuate diverse campagne di misure al fine di testare il sistema dopo ogni fase critica della progettazione. Questo approccio al collaudo del sistema ne ha permesso le ottimizzazioni step-by-step. Nel primo capitolo verrà data una breve introduzione degli aspetti teorici legati alla tecnica Lidar/Dial ed illustrate le proprietà ottiche dei prodotti emessi durante la combustione di materiale vegetale. Nel capitolo seguente sarà inizialmente presentato il modello matematico sviluppato per studiare l’andamento dei prodotti di combustione in un ambiente confinato (cella). Successivamente, saranno mostrate le misure preliminari dei parametri ottici significativi di alcuni materiali vegetali tipici delle zone e dei boschi della Calabria, effettuate in una cella realizzata ad-hoc. I risultati sperimentali saranno, quindi, confrontati con quelli ottenuti dalle simulazioni. A questo punto, il terzo capitolo sarà interamente dedicato alla progettazione e realizzazione del dimostratore SAI e verranno presentati i risultati dei primi test in campo, evidenziando i problemi riscontrati. Questi saranno risolti apportando alcune modifiche strutturali al sistema che saranno discusse nel capitolo quarto, insieme ai risultati ottenuti nella seconda campagna di misure. Nel quinto capitolo sarà mostrato il funzionamento in remoto del sistema, testato effettuando misure dello strato limite planetario (PBL) nell’arco delle ventiquattro ore. Infine, nel sesto capitolo, verrà illustrato nel dettaglio il funzionamento del software per il riconoscimento dei picchi da fumo e la minimizzazione dei falsi allarmi e presentate l’ultima campagna di misure effettuata.
Forest fires can be the cause of serious environmental and economic damages. For this reason considerable effort has been directed toward forest protection and fire fighting. Lidar and dial techniques in laser remote sensing represent two methodologies that allow the exploration of the atmosphere. They are often used to acquire information necessary to create and/or validate several models relevant to different topics of atmospheric physics. Furthermore, they can also be employed in environmental control for monitoring particulate and gases. In the last years, experimental and theoretical investigations have shown that lidar is a powerful tool to detect the tenuous smoke plumes produced by forest fires at an early stage, but the problem of false alarm occurrence is not resolved, yet. In the present work, it has been developed a technique to minimize false alarm in the detection of forest fire by lidar based on a measurement of secondary components emitted in a combustion process. Usually to detect a fire, a rapid increase in the aerosol amount is measured. If the backscattering signal reports a peak, the presence of a forest fire will be probable. Our idea to confirm this hypothesis is to measure the secondary components emitted in a forest fire with an aim to minimize the false alarms. As is known in a combustion process of vegetable fuel, a large amount of water vapor is emitted in to the atmosphere. If an increment to the humidity concentration level is measured, a second fire warning is obtained. To develop our system, the measurements of smoke backscattering coefficients for several kind of vegetable fuel using a CO2 laser source and a Nd:YAG Q-switched have been carried out. Thank to this work, it has been possible to decide which laser was the best for our aim. The experimental results have shown that smoke backscattering coefficients measured with the Nd:YAG are bigger than those obtained with the CO2, guaranteeing a better efficiency of the system. Another reason for which we have chosen the Nd:YAG is that a solid state laser is more compact than a gas one, and therefore, easily transportable. The next step of our work it has been focused on how to make the system easy carried on and self-powered. Thus, all instrumentation have been installed on a mobile system equipped with a power generator and an uninterrupted power supply (UPS). Moreover, it has been developed a software to allow the remote control of the lidar system thus that one can be checked if the equipments work correctly or there are some problems by a control room located not necessarily near the surveillance zone. The designed system has been tested during an experimental campaign carried out in the Parco Nazionale dell’Abruzzo, locality “Valle di Canneto”. These measurements have been more important to understand the problems shown by our system during its working and how to resolve them. After this campaign we have improved the system with hardware and software modifications. In particular, the program for recognizing the smoke-plume due to the combustion of vegetable matter has been developed. New measurements campaigns have been carried out, in the same place, thus to optimize the our lidar system. The obtained results during these campaigns have shown how our system is able to localize a smoke-plume, recognizing if the peak on the backscattering lidar signal is due to the combustion of vegetable fuel or to a fixed targets. Moreover, with our system has been possible to evaluate the increment of atmospheric water vapour concentration connected to the forest fire, using Raman technique. In this thesis will be shown the experimental set-up of our lidar system and the results obtained during the several measurements campaigns realized to estimate the capability of our lidar system for revealing the forest fire event and for minimizing the false alarms occurrence.

L’obiettivo della tesi, sviluppata presso i laboratori del C.R. ENEA di Casaccia, è lo sviluppo di un modello numerico per la simulazione di un sistema di accumulo termico operante con materiale a cambiamento di fase per impianti solari a concentrazione (CSP). Nella prima parte della tesi si analizza lo stato dell’arte della tecnologia CSP. Particolare attenzione è rivolta alle tecniche di stoccaggio e in particolare all'accumulo termico a calore latente con materiali a cambiamento di fase (PCM) come i sali fusi. Nella seconda parte è presentato il modello matematico realizzato in Matlab sviluppato per la caratterizzazione dell’accumulo termico a tubi verticali in cui il mezzo di accumulo è costituito da “sale solare”. Nella terza parte sono riportati i risultati delle analisi di sensibilità del modello alla discretizzazione spaziale e temporale della griglia di calcolo. Dalle simulazioni numeriche, condotte nella quarta parte della tesi, è risultato che nelle fasi di riscaldamento e raffreddamento, il processo avviene più lentamente per il PCM per via dello scambio termico tra olio e sali. Inoltre, in prossimità della temperatura di fusione, è identificata una zona a temperatura costante in cui il PCM inizia il processo di fusione migliorando il coefficiente di scambio tra olio e sali come evidenziato dal rateo di crescita molto elevato della temperatura immediatamente dopo la zona a temperatura costante. Nell'ultima parte è infine riportata la validazione del modello confrontando i risultati con le prove effettuate su un impianto sperimentale presente nel centro. Il modello sviluppato risulta un buon strumento per la simulazione di sistemi di accumulo con PCM, consentendo a tecnici del settore di realizzare una migliore progettazione rispetto a quella ottenibile con i modelli attualmente presenti. Tuttavia, un ulteriore miglioramento può essere conseguito identificando sperimentalmente il valore del coefficiente di scambio termico tra serbatoio e ambiente esterno.

Despite significant efforts have been directed toward reducing waste generation and encouraging alternative waste management strategies, landfills still remain the main option for Municipal Solid Waste (MSW) disposal in many countries. Hence, landfills and related impacts on the surroundings are still current issues throughout the world. Actually, the major concerns are related to the potential emissions of leachate and landfill gas into the environment, that pose a threat to public health, surface and groundwater pollution, soil contamination and global warming effects. To ensure environmental protection and enhance landfill sustainability, modern sanitary landfills are equipped with several engineered systems with different functions. For instance, the installation of containment systems, such as bottom liner and multi-layers capping systems, is aimed at reducing leachate seepage and water infiltration into the landfill body as well as gas migration, while eventually mitigating methane emissions through the placement of active oxidation layers (biocovers). Leachate collection and removal systems are designed to minimize water head forming on the bottom section of the landfill and consequent seepages through the liner system. Finally, gas extraction and utilization systems, allow to recover energy from landfill gas while reducing explosion and fire risks associated with methane accumulation, even though much depends on gas collection efficiency achieved in the field (range: 60-90% Spokas et al., 2006; Huitric and Kong, 2006). Hence, impacts on the surrounding environment caused by the polluting substances released from the deposited waste through liquid and gas emissions can be potentially mitigated by a proper design of technical barriers and collection/extraction systems at the landfill site. Nevertheless, the long-term performance of containment systems to limit the landfill emissions is highly uncertain and is strongly dependent on site-specific conditions such as climate, vegetative covers, containment systems, leachate quality and applied stress. Furthermore, the design and operation of leachate collection and treatment systems, of landfill gas extraction and utilization projects, as well as the assessment of appropriate methane reduction strategies (biocovers), require reliable emission forecasts for the assessment of system feasibility and to ensure environmental compliance. To this end, landfill simulation models can represent an useful supporting tool for a better design of leachate/gas collection and treatment systems and can provide valuable information for the evaluation of best options for containment systems depending on their performances under the site-specific conditions. The capability in predicting future emissions levels at a landfill site can also be improved by combining simulation models with field observations at full-scale landfills and/or with experimental studies resembling landfill conditions. Indeed, this kind of data may allow to identify the main parameters and processes governing leachate and gas generation and can provide useful information for model refinement. In view of such need, the present research study was initially addressed to develop a new landfill screening model that, based on simplified mathematical and empirical equations, provides quantitative estimation of leachate and gas production over time, taking into account for site-specific conditions, waste properties and main landfill characteristics and processes. In order to evaluate the applicability of the developed model and the accuracy of emissions forecast, several simulations on four full-scale landfills, currently in operative management stage, were carried out. The results of these case studies showed a good correspondence of leachate estimations with monthly trend observed in the field and revealed that the reliability of model predictions is strongly influenced by the quality of input data. In particular, the initial waste moisture content and the waste compression index, which are usually data not available from a standard characterisation, were identified as the key unknown parameters affecting leachate production. Furthermore, the applicability of the model to closed landfills was evaluated by simulating different alternative capping systems and by comparing the results with those returned by the Hydrological Evaluation of Landfill Performance (HELP), which is the most worldwide used model for comparative analysis of composite liner systems. Despite the simplified approach of the developed model, simulated values of infiltration and leakage rates through the analysed cover systems were in line with those of HELP. However, it should be highlighted that the developed model provides an assessment of leachate and biogas production only from a quantitative point of view. The leachate and biogas composition was indeed not included in the forecast model, as strongly linked to the type of waste that makes the prediction in a screening phase poorly representative of what could be expected in the field. Hence, for a qualitative analysis of leachate and gas emissions over time, a laboratory methodology including different type of lab-scale tests was applied to a particular waste material. Specifically, the research was focused on mechanically biologically treated (MBT) wastes which, after the introduction of the European Landfill Directive 1999/31/EC (European Commission, 1999) that imposes member states to dispose of in landfills only wastes that have been preliminary subjected to treatment, are becoming the main flow waste landfilled in new Italian facilities. However, due to the relatively recent introduction of the MBT plants within the waste management system, very few data on leachate and gas emissions from MBT waste in landfills are available and, hence, the current knowledge mainly results from laboratory studies. Nevertheless, the assessment of the leaching characteristics of MBT materials and the evaluation of how the environmental conditions may affect the heavy metals mobility are still poorly investigated in literature. To gain deeper insight on the fundamental mechanisms governing the constituents release from MBT wastes, several leaching experiments were performed on MBT samples collected from an Italian MBT plant and the experimental results were modelled to obtain information on the long-term leachate emissions. Namely, a combination of experimental leaching tests were performed on fully-characterized MBT waste samples and the effect of different parameters, mainly pH and liquid to solid ratio (L/S,) on the compounds release was investigated by combining pH static-batch test, pH dependent tests and dynamic up-flow column percolation experiments. The obtained results showed that, even though MBT wastes were characterized by relatively high heavy metals content, only a limited amount was actually soluble and thus bioavailable. Furthermore, the information provided by the different tests highlighted the existence of a strong linear correlation between the release pattern of dissolved organic carbon (DOC) and several metals (Co, Cr, Cu, Ni, V, Zn), suggesting that complexation to DOC is the leaching controlling mechanism of these elements. Thus, combining the results of batch and up-flow column percolation tests, partition coefficients between DOC and metals concentration were derived. These data, coupled with a simplified screening model for DOC release, allowed to get a very good prediction of metal release during the experiments and may provide useful indications for the evaluation of long-term emissions from this type of waste in a landfill disposal scenario. In order to complete the study on the MBT waste environmental behaviour, gas emissions from MBT waste were examined by performing different anaerobic tests. The main purpose of this study was to evaluate the potential gas generation capacity of wastes and to assess possible implications on gas generation resulting from the different environmental conditions expected in the field. To this end, anaerobic batch tests were performed at a wide range of water contents (26-43 %w/w up to 75 %w/w on wet weight) and temperatures (from 20-25 °C up to 55 °C) in order to simulate different landfill management options (dry tomb or bioreactor landfills). In nearly all test conditions, a quite long lag-phase was observed (several months) due to the inhibition effects resulting from high concentrations of volatile fatty acids (VFAs) and ammonia that highlighted a poor stability degree of the analysed material. Furthermore, experimental results showed that the initial waste water content is the key factor limiting the anaerobic biological process. Indeed, when the waste moisture was lower than 32 %w/w the methanogenic microbial activity was completely inhibited. Overall, the obtained results indicated that the operative conditions drastically affect the gas generation from MBT waste, in terms of both gas yield and generation rate. This suggests that particular caution should be paid when using the results of lab-scale tests for the evaluation of long-term behaviour expected in the field, where the boundary conditions change continuously and vary significantly depending on the climate, the landfill operative management strategies in place (e.g. leachate recirculation, waste disposal methods), the hydraulic characteristics of buried waste, the presence and type of temporary and final cover systems.

Il primo aspetto considerato è stato il calcolo delle azioni del vento su profili parabolici; a tale scopo è stato messo a punto, tramite l’utilizzo della CFD, uno strumento per il calcolo del campo di pressione agente sui collettori. Inoltre è stato sviluppata la meccanica di un inseguitore biassiale innovativo, caratterizzato da un’elevata precisione di puntamento, la possibilità di un tracking continuo e facilità di montaggio. Infine è stato progettato un profilometro ad hoc, utilizzabile anche all’esterno, per il controllo dimensionale panelli riflettenti autoportanti parabolici.