Riccardo Trevisan

Contactless Energy Transfer Techniques for Industrial Applications. Power and Data Transfer to Moving Parts

Dottorato: Ingegneria Elettronica Informatica e delle Telecomunicazioni
Tutor: Alessandra Costanzo

Riccardo Trevisan - PhD in Elettronica, Telecomunicazione e Tecnologie dell'Informazione attraverso dottorato di alto apprendistato presso UniBo e IMA SpA. Ha lavorato su sistemi per il trasferimento senza contatto di potenza elettrica ed informazione verso organi in movimento per promuovere l'utilizzo di tecnologie innovative nell'ambito industriale delle macchine automatiche. Finalista al Premio Claudio Bonivento.

"Mi piace citare la seguente traduzione di Pascoli dall'Ulisse di Tennyson: Stupida cosa il fermarsi, il conoscersi un fine, Il restare sotto la ruggine opachi né splendere più nell'attrito"

[Originale: How dull it is to pause, to make an end, To rust unburnished, not to shine in use!
A significare che il nostro futuro non sarà il rimaner statici a subire il semplice svolgersi degli eventi, bensì spingersi oltre mettendoci del proprio, imparando di nostri successi ed insuccessi.]

Abstract

Questa tesi è riferita al percorso Dottorato in alto apprendistato svolto presso l’Università di Bologna e I.M.A. – Industria Macchine Automatiche SpA, avente sede in Ozzano dell’Emilia, Bologna. IMA è un’azienda leader mondiale nel settore del progetto e della realizzazione di macchine automatiche per il processamento ed il confezionamento di prodotti farmaceutici, cosmetici, alimentari quali tè, caffè ed altri ancora.

I sistemi per il trasferimento senza contatto dell’energia elettrica (CET) stanno acquisendo popolarità nell’ambito dell’automazione industriale. Per questo motivo, le reti elettriche equivalenti di sistemi CET vengono studiate con interesse dal mondo industriale per verificarne l’effettiva applicabilità. Nella tesi verranno trattati i principi costitutivi, le reti di compensazione e le diverse topologie di convertitori elettrici improntati al trasferimento wireless di potenza (WPT). L’analisi del trasferimento senza fili, alla massima efficienza, di alti livelli di potenza mostra che, nell’intervallo dei kHz, si rendono necessari collegamenti induttivi fortemente accoppiati e sorgenti di potenza di tipo soft-switching. L’impiego di unità CET in sistemi controllati richiede inoltre la combinazione del collegamento di potenza con un canale di comunicazione dedicato al trasferimento dati. A basse frequenze, accoppiamenti induttivi e capacitivi possono essere integrati sulla stessa piattaforma al fine di implementare un trasferimento wireless di potenza e dati, rispettivamente, sulla medesima unità. Al contrario, nella banda UHF, l’efficienza di trasferimento delle informazioni può essere incrementata sfruttando strutture auto-risonanti, ad esempio sostituendo i componenti capacitivi del link dati con risuonatori a split-ring, uno per ciascun terminale di collegamento. Nella tesi verranno discussi il flusso di progetto di un sistema CET di potenza, incluso il convertitore dc/ac, un trasformatore rotante ed i suoi avvolgimenti. Verrà inoltre presentata una differente versione di sistema WPT, basata su trasmettitori multipli e ricevitore mobile. Un link capacitivo RFID a bassa frequenza verrà combinato con un’unità CET rotante per fornire il feedback di temperatura di un sistema a riscaldatore controllato in cui si sfrutterà il rettificatore di un tag RFID passivo per alimentare e leggere al tempo stesso la sonda di temperatura. Successivamente, verrà descritto il progetto di un link nella banda UHF basato su split-ring, alternativo al precedente, al fine di migliorare le prestazioni del sistema di lettura di temperatura in termini di risoluzione ed accuratezza. Alla base di ciò è la modalità di lettura del sensore, svolta a radiofrequenza tramite misura della potenza riflessa dal rettificatore.

Riassunto Divulgativo

Ad arricchire le straordinarie innovazioni introdotte nel mondo delle comunicazioni da parte di Guglielmo Marconi nel secolo scorso fu Nikola Tesla, scienziato americano di origine balcanica. Alcuni anni dopo la visionaria pubblicazione sopra riportata, Tesla, contemporaneo all’inventore emiliano, firma numerosi altri lavori scientifici in cui dimostra la possibilità di trasferimento di potenza elettrica a distanza, senza fili. Beninteso potenza, non segnali, oggetto di ricerca esclusivo di Marconi.

Nei decenni seguenti abbiamo assistito all’esplosione delle radiocomunicazioni che oggi affollano ogni luogo del Pianeta. Timidamente, al termine del secolo scorso, la possibilità di trasferimento di potenza elettrica senza fili ha suscitato interessi nuovi, dapprima industriali, poi accademici, poi entrambi. La tendenza verso l’interoperabilità dei sistemi, spesso in movimento, comporta l’utilizzo di sistemi per l’accumulo di carica tutt’altro che efficienti. Nel mondo industriale, ed in quello dell’automazione in particolare, si parla di rivoluzione 4.0: convergenza dei servizi, internet delle cose, intelligenza artificiale. Dispositivi in movimento quali sensori, unità mobili ed elementi di controllo distribuiti a bordo delle macchine automatiche sono in crescente aumento. L’alimentazione senza fili diverrà presto una necessità.

Durante il dottorato, svolto a stretto contatto con queste realtà industriali, anzi all’interno di una di esse, ho avuto la possibilità di sperimentare tecnologie di trasferimento di potenza elettrica senza contatto. Nella tesi allegata ne sono descritte le equazioni costitutive, oltre ai dispositivi necessari alla conversione dell’energia per sistemi WPT, Wireless Power Transfer. Ampio spazio è dedicato ai risultati degli esperimenti condotti, in alcuni casi tradotti in prototipi industrializzati. Il sistema di trasferimento di 1.3 kW, per fare un esempio, è stato validato da un impiego di parecchi mesi presso una linea produttiva estera. In seguito, alla potenza è stata affiancata la trasmissione di segnale, nello specifico di dati sensore. Vengono descritte le tecniche di RFID e sensing passivo, e le esperienze sperimentali criticamente confrontate fra loro.

La tendenza verso sistemi WPT modulari, adattativi e riconfigurabili appare ormai chiaramente delineata anche in ambito industriale. Ancora una conferma, se mai ve ne fosse necessità, del fatto che la “trasmissione di energia elettrica senza fili” è ben lontana dall’essere considerata conclusa.

Per questa ragione sono necessari prodotti consolidanti, che restituiscano coesione e resistenza meccanica, e protettivi, che prevengano o rallentino il degrado del materiale.

L’importanza di questi prodotti e della protezione dei beni culturali in genere, è dimostrata dalla numerosità dei progetti europei finanziati su questo tema, e dall’inserimento della ricerca sul “cultural heritage” in due dei pilastri principali del programma quadro “Horizon 2020” ("Industrial leadership" e "Societal challenges”), nel programma Italiano per la Ricerca 2014-20 e nella "Joint Programming Initiative (JPI) “Cultural Heritage and Global Change" che ha identificato lo sviluppo di materiali, tecnologie e procedure per la protezione (anche in situ) dei beni culturali come una delle aree di ricerca a più alta priorità.

Queste indicazioni mettono in luce diversi aspetti fondamentali: non solo la rilevanza sociale dei beni culturali, che sono testimonianze dell’identità culturale dell’Italia e dell’Europa, ma anche l’importanza e la strategicità economica di questo tema (basti pensare che le attività correlate ai beni culturali generano in Italia, ogni anno, introiti dell’ordine delle centinaia di milioni di euro) e l’impatto applicativo e industriale di questa ricerca. Ogni anno vengono pubblicati più di 50 articoli internazionali riguardanti protettivi e consolidanti per la pietra, che indicano l’interesse della comunità scientifica su questi temi e l’importanza della scienza dei materiali nella protezione dei beni culturali.

Nonostante l’importanza del consolidamento e della protezione dei supporti carbonatici, allo stato attuale non esistono prodotti pienamente soddisfacenti per questo scopo, perché quelli disponibili non soddisfano i requisiti di efficacia, compatibilità e durabilità richiesti dal restauro.

Per questa ragione, in questa tesi, è stato studiato un trattamento a base di idrossiapatite (HAP) come consolidante e protettivo per marmi e calcari porosi. L’HAP è il costituente mineralogico principale di ossa e denti, ed è largamente studiato in campo biomedico: per questa ragione, molti dei risultati e delle conoscenze ottenuti e sviluppati nella tesi si sono dimostrati potenzialmente di interesse anche in questo campo.

Il trattamento a base di HAP è stato proposto nel 2011, quando è stato realizzato uno studio preliminare per testare la possibilità di usare l'HAP per il consolidamento dei calcari porosi. Tuttavia, alla data di inizio della tesi (gennaio 2013), molteplici aspetti relativi al trattamento erano ancora da definire. Per questa ragione, l’applicazione su diversi supporti, la messa a punto di protocolli di trattamento specifici per ciascun litotipo, la valutazione sistematica di efficacia, compatibilità e durabilità e delle fasi mineralogiche che si formano al variare dei precursori, sono state investigate per la prima volta in questa tesi, e messe a confronto con le performance dei prodotti attualmente più utilizzati sul mercato e/o studiati per questi scopi. Inoltre il trattamento è stato applicato per la prima volta su manufatti storici reali (degradati naturalmente ed affetti dalla presenza di contaminanti) prelevati dal Cimitero Monumentale della Certosa ed in situ sulla Tomba di Rolandino de’ Passeggeri (XIII sec), in piazza San Domenico a Bologna. Inoltre, l’HAP è stata studiata come protettivo per il marmo, valutando l’effetto di molteplici parametri (pH, concentrazione della soluzione, aggiunte organiche ed inorganiche) su morfologia, composizione e resistenza in ambiente acido dei coating ottenuti.

Le indagini sono state condotte mediante diverse tecniche di indagine diagnostica, con particolare attenzione alle prove non distruttive da utilizzare in situ ed attraverso set-up di prova specificamente messi a punto. Parte della ricerca è stata svolta presso la Princeton University (USA) dove è stato possibile avvalersi di strumentazioni di laboratorio particolarmente sofisticate.

Il trattamento ha dimostrato buona efficacia, compatibilità e durabilità per entrambi i supporti testati, poiché l'HAP si è dimostrata in grado di aumentare le proprietà meccaniche in misura comparabile o maggiore dei prodotti commerciali disponibili, senza alterare l’estetica e le proprietà microstrutturali e di trasporto del materiale. Questi risultati indicano come l’HAP possa essere applicata su diversi substrati, aventi caratteristiche microstrutturali e mineralogiche molto diverse. Efficacia e compatibilità del trattamento sono state confermate anche nell’applicazione in situ, suggerendo la diretta applicabilità dello studio condotto. Infine, modificando opportunamente i parametri di trattamento, è stato possibile ottenere un coating protettivo a bassa solubilità, continuo e privo di fessurazioni, idoneo per la protezione dei manufatti lapidei dalla corrosione dovuta alle piogge.