TECNOLOGIE ELETTRONICHE

Crediti: 
6
Settore scientifico disciplinare: 
ELETTRONICA (ING-INF/01)
Anno accademico di offerta: 
2016/2017
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

1.CONOSCENZA E COMPRENSIONE.
I principali obiettivi del corso sono:
I)
• fornire allo studente la conoscenza delle principali tecnologie per la conversione da fonti rinnovabili e le problematiche di accumulo dell’energia elettrica, nonché le prestazioni limite delle varie tecnologie;
• far conoscere allo studente alcune applicazioni a livello di sistema, per generare, trasmettere ed immagazzinare energia nelle reti elettriche intelligenti (Smart Grids), con particolare attenzione alla modalità di produzione ed accumulo dell’energia, ed alla comprensione delle principali problematiche ad esse l e g a t e .
• fornire le conoscenze di base per il dimensionamento e il progetto dei sistemi di conversione fotovoltaica con e senza batterie di accumulo.

II)
lo studio dei processi realizzativi dei dispositivi per l’elettronica, evidenzia come le scelte tecnologiche condizionino le prestazioni finali dei dispositivi, con particolare attenzione:
• allo studio e confronto tra le principali tecnologie per la realizzazione di celle solari;
• ai concetti di miniaturizzazione ed integrazione ed ai problemi di
funzionamento ad essi legati;
• ai principi base di funzionamento di dispositivi alternativi al tradizionaleCMOS realizzato con processo planare, es. FINFET, Strained Silicon, ecc.;
• all’analisi dei limiti delle soluzioni tecnologiche e al loro impatto sulle
prestazioni finali dei dispositivi elettronici.

2.CAPACITA’ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE . La formazione si estende anche alla conoscenza e all’utilizzo pratico di strumenti CAD per la progettazione elettronica sia a livello di dispositivo che di sistema. In particolare lo studente sarà in grado di applicare le conoscenze e comprensione acquisite:
I) a livello di sistema per:
• definire criteri progettuali per la realizzazione e il dimensionamento di sistemi di conversione fotovoltaica/accumulo sulla base delle prestazioni richieste e dei vincoli ambientali
II) a livello di dispositivo per:
• simulare il funzionamento termico e/o elettrico e/o ottico di un
dispositivo elettronico;
• analizzare l’impatto dei diversi fattori, quali geometria, drogaggi, scelta dei materiali ecc., sulla prestazioni del dispositivo.

3.UTILIZZO DI COMPETENZE TRASVERSALI.
L’attività di laboratorio, spesso svolta in gruppi, stimola le competenze trasversali dello studente, ovvero la capacità di lavorare in gruppo, di comunicare in modo efficace con i colleghi e il docente, di organizzare il proprio lavoro, di gestire in modo ottimale il tempo.

Contenuti dell'insegnamento

I) Introduzione alle tecnologie per la generazione distribuita di energia da fonti
rinnovabili (sole, vento, maree), con particolare attenzione alla produzione d’energia
tramite moduli fotovoltaici.
Processo di conversione dell’energia solare - Conversione fotovoltaica e limiti teorici
alla conversione, definizioni fondamentali, materiali fotovoltaici.
Moduli fotovoltaici - Si analizzano alcune delle più importanti celle fotovoltaiche:
celle solari in Silicio, a film sottile, multigiunzione, dye sensitized (cenni) e organiche
(cenni).
Impianto fotovoltaico – I componenti fondamentali di un sistema
fotovoltaico: moduli, inverter (per applicazioni off-grid and on-grid), sistemi di
accumulo, controllori di carica.
Concentratori fotovoltaici: principio di funzionamento.
Sistemi di accumulo dell’energia elettrica.
Dimensionamento di un impianto fotovoltaico. Microgrids e smart grid.
II) Processo planare su silicio: si analizzano i vari passi del processo planare su
silicio evidenziandone i limiti e le possibilità di miglioramento, applicando poi tali
concetti al processo CMOS. I concetti di miniaturizzazione, integrazione e time to
market vengono analizzati a partire dalle ITRS (International Technology Roadmap
for Semiconductors), con particolare attenzione ai dispositivi MOSFET, alle
memorie, e alle linee d’interconnessione e alle nuove strutture.
III) Si prevede l’utilizzo di strumenti CAD (esperienze di laboratorio) per:
a. l’analisi di celle solari e dispositivi elettronici per applicazioni di potenza, e
b. il progetto e dimensionamento di sistemi fotovoltaici e di accumulo dell’energia
elettrica

Programma esteso

I) Introduzione alle tecnologie per la generazione distribuita di energia da fonti
rinnovabili: generazione da luce solare, vento e maree.
Processo di conversione dell’energia solare - Conversione fotovoltaica e limiti teorici
alla conversione, definizioni fondamentali, materiali per applicazioni fotovoltaiche.
(12 ore)
Moduli fotovoltaici - Si analizzano alcune delle più importanti celle fotovoltaiche dal
punto di vista ottico ed elettrico: celle solari in Silicio, a film sottile (CIGS, CdTe),
multigiunzione, dye-sensitized (cenni) e organiche (cenni).
(6 ore)
Problematiche inerenti la connessione in serie o in parallelo dei moduli PV.
Impianto fotovoltaico – I componenti fondamentali di un sistema fotovoltaico:
moduli, inverter (per applicazioni off-grid and on-grid), sistemi di accumulo,
controllori di carica.
Sistemi di accumulo dell’energia elettrica – accumulo di tipo chimico (idrogeno),
elettrochimico (batterie), elettrico (supercapacitori) e meccanico (volani, aria
compressa o bacini idroelettrici) e ambiti applicativi. Sistemi a batteria per impianti
fotovoltaici stand-alone. (12 ore)
Dimensionamento di un impianto fotovoltaico con e senza batterie di accumulo.
Analisi del sito, orientazione e tilt, ombreggiatura, considerazioni per il montaggio su
tetto o a terra.
Concentratori fotovoltaici: principio di funzionamento, e caratteristiche principali.
Microgrids e smart grid: definizione e caratteristiche principali. (12 ore)
II) Processo planare su silicio: passi fondamentali.
Processi CMOS e SOI
Packaging dei dispositivi elettronici
Miniaturizzazione, integrazione e time to market: Scaling ideale e reale;
Effetti di canale corto: soluzioni tecnologiche e architetturali. (6 ore)
III) Esperienze di laboratorio per:
a) l’analisi di celle solari e dispositivi elettronici per applicazioni di potenza, (8 ore) e
b) il progetto e dimensionamento di sistemi fotovoltaici e di accumulo dell’energia
elettrica mediante strumenti CAD.(8 ore)
Durante le lezioni verranno inoltre svolte esercitazioni e presentati “Case Studies”
sugli argomenti presentati nella parte teorica.

Bibliografia

Argomenti trattati nella parte I (si veda la sezione "Contenuti"):
1)A.Luque and S. Hegedus, "Handbook of photovoltaic science and
engineering" , 2.ed , Wiley, 2011.
2) A. Keyhani, "Design of Smart Power Grid Renewable Energy Systems",
Wiley, 2011.
3) J. Momoh, “Smart Grid: fundamentals of design and analysis”, Wiley, 2012.
4) R. Zito, "Energy Storage - A New Approach", Wiley, 2010.
Argomenti trattati nelle parte II (si veda la sezione "Contenuti"):
5) S.M.Sze, "VLSI technology", McGraw-Hill Book Co., 1983
I libri 1) 2) 3) 5) si trovano nella Bilioteca di Ingegneria e Architettura.

Metodi didattici

Il corso è organizzato in lezioni orali nelle quali saranno spiegati gli argomenti
indicati nel programma. Sono previste esercitazioni sui concetti presentati nella
parte teorica, svolte alla lavagna dal docente.
E’ prevista attività di laboratorio che consisterà nell'utilizzo di strumenti CAD per la
studio e ottimizzazione delle celle solari e dei dispositivi elettronici per applicazioni
di potenza, nonché per il progetto e dimensionamento di sistemi di conversione
fotovoltaica.

Modalità verifica apprendimento

La prova d’esame è orale e verterà sulla verifica delle conoscenza e comprensione da parte dello studente degli argomenti spiegati nel corso.

Altre informazioni

Materiale didattico di supporto alle lezioni preparato dal docente sotto forma di slides sarà scaricabile dagli studenti iscritti al corso da http://elly.dii.unipr.it/.