Ricerca

 

Area disciplinare: ELETTROTECNICA

SUPERCONDUTTIVITA' APPLICATA

A) MAGNETI SUPERCONDUTTORI
La ricerca si propone di studiare i fenomeni elettromagnetici che intervengono nei magneti realizzati con materiale superconduttore. In particolare ci si propone di approfondire le problematiche presenti nelle fasi di progettazione, costruzione ed esercizio dei magneti superconduttori ad alti campi per generatori MHD, per sistemi SMES, per dispositivi NMR, ecc. Sono studiati sia sistemi che utilizzano i materiali superconduttori metallici (NbTi e Nb3Sn) sia sistemi che utilizzano i materiali superconduttori ceramici aventi una elevata temperatura critica (YBCO, BiSCCO).

B) LEVITAZIONE MAGNETICA
L'interesse è principalmente rivolto al calcolo delle forze agenti sul MAGLEV ed al progetto dei volani a levitazione magnetica per l'accumulo dell'energia (flywheels) finalizzati al miglioramento della "Power Quality". Tali sistemi presentano caratteristiche interessanti, soprattutto per quanto riguarda la riduzione delle perdite ed il conseguente aumento del rendimento. Lo studio è rivolto sia alla formulazione del modello matematico del dispositivo superconduttore in esame, sia alla sviluppo di un metodo risolutivo adeguato. Per quanto riguarda i magnetic bearings, necessari alla levitazione efficiente del flywheel, particolare attenzione è dedicata allo studio delle tecniche di magnetizzazione ottimali. Sono studiati sia sistemi che utilizzano materiale superconduttore con temperatura critica tale da necessitare il raffreddamento con elio liquido (LTS), sia sistemi che utilizzano i materiali ad elevata temperatura critica (HTS). Tra i risultati della ricerca, una parte significativa è costituita dal confronto delle capacità e delle prestazioni dei metodi sviluppati nell'ambito della stessa e/o quelli reperibili in letteratura.

C) ACCUMULO DELL' ENERGIA ELETTRICA
Nell'ambito del progetto pluriennale di Ateneo "Studio, progettazione e realizzazione di un prototipo di SMES per la gestione ottimale dell'energia elettrica in ambiente industriale perturbato", la ricerca si propone di studiare il progetto ottimizzato dei sistemi SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage systems), utilizzati per il miglioramento della Power Quality. Per quanto riguarda il sistema di bobine superconduttive, lo studio è finalizzato a determinare, per un sistema sottoposto ad opportuni vincoli fisico-tecnologici e normativi, la configurazione ottimale rispetto a uno o più criteri di merito (costo, ingombro, sforzi meccanici, ecc.). Una parte considerevole della ricerca è volta allo studio delle perdite in regime di corrente alternata (c.a.), la cui determinazione è essenziale per il corretto dimensionamento del sistema criogenico dello SMES. Per quanto riguarda il sistema di condizionamento della potenza la ricerca è volta alla determinazione e realizzazione della strategia di controllo ottimale dei convertitori che interfacciano lo SMES alla rete elettrica.

D) SEPARATORI MAGNETICI
Le applicazioni dei Separatori Magnetici investono problematiche ambientali, in cui la necessità di studiare nuovi processi deriva dall'introduzione di più stringenti normative per l'abbattimento delle particelle di dimensioni inferiori al micron, presenti nei fumi industriali (derivanti, ad esempio, dalla desolforazione del carbone, dai processi di combustione e dal trattamento di materiali argillosi per l'industria della ceramica). Attualmente il processo per la rimozione del particolato solido dai fumi, viene realizzato tramite filtri a manica e precipitatori elettrostatici. Con tali dispositivi risultano tuttavia particolarmente difficili da catturare le particelle submicrometriche. Lo sviluppo delle tecnologie superconduttive rivolte alla costruzione di magneti permette di generare campi magnetici elevati su grandi volumi e con consumi energetici ridotti. Risulta quindi possibile trattare sospensioni di particolati sub-micrometrici, composti da materiali con deboli caratteristiche magnetiche, utilizzando le tecniche di separazione magnetica. Le soluzioni più interessanti per la filtrazione di particolati fini sono il separatore ad alto gradiente di campo (HGMS: High Gradient Magnetic Separation) ed il separatore a gradiente aperto (OGMS: Open Gradient Magnetic Separation). Una parte considerevole della ricerca è volta allo studio del moto delle particelle nel separatore e del fattore di separazione.

E) DISTRIBUZIONE DI CORRENTE NEI CAVI SUPERCONDUTTORI MULTIFILAMENTARI
Lo scopo della ricerca è lo sviluppo di modelli matematici per il calcolo della distribuzione di corrente nei cavi superconduttori multifilamentari che trovano applicazione nei sistemi elettromagnetici per la Fusione Termonucleare Controllata (FTC) e negli acceleratori di particelle. Lo studio è finalizzato alla: determinazione in fase di progetto del limite massimo sulla rampa di corrente sostenibile dall'avvolgimento superconduttivo nella fase di carica; alla valutazione delle perdite a.c.; all'analisi delle distorsioni del campo prodotte dalle disuniformità della corrente (che limitano fortemente le prestazioni degli acceleratori di particelle attuali). Le tipologie di cavo considerato sono i CICC (Cable In Conduit Conductor) per i sistemi per FTC ed i cavi Rutherford per le applicazioni agli acceleratori di particelle.

F) USO EFFICIENTE DELL'ENERGIA ELETTRICA PRODOTTA DA FONTI ALTERNATIVE TRAMITE SISTEMI SUPERCONDUTTIVI A CORRENTE CONTINUA
L’obiettivo principale del progetto è quello di rendere possibile l’integrazione efficiente della energia proveniente da fonte rinnovabile (eolica e/o solare fotovoltaica) nella rete di distribuzione della energia elettrica. Ciò viene realizzato mediante una connessione in corrente continua tra le sorgenti eolica e/o fotovoltaica e la rete in corrente alternata ed un dispositivo di accumulo della energia. Il sistema può essere realizzato, oltre che con tecnologie convenzionali provate anche mediante dispositivi superconduttori. L’attività di ricerca è finalizzata alla progettazione di un sistema aventi caratteristiche di interesse per la situazione italiana e/o europea confrontando la soluzione convenzionale con la soluzione superconduttiva.

G) LA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA E DI IDROGENO DA FONTE SOLARE ED EOLICA L’attività di ricerca sarà focalizzata sulla connessione delle fonti di energia rinnovabile al “sistema energetico” nazionale tramite la produzione di energia elettrica, da erogare alla rete elettrica in corrente alternata, e l’immagazzinamento di energia chimica tramite idrogeno. L’obiettivo pertanto è l’utilizzo della maggior quantità possibile delle risorse energetiche rinnovabili, sfruttando le sinergie ottenibili dal contemporaneo utilizzo di due distinti vettori energetici. In particolare, l'utilizzo di idrogeno liquido (a 20 K) consentirebbe il trasporto dell'energia elettrica, termica e chimica attraverso una sola linea di trasmissione che utilizza il nuovo superconduttore MgB2 (a 20K).

H) LIMITATORI DI CORRENTE SUPERCONDUTTIVI

L’introduzione di un dispositivo di limitazione della corrente di guasto costituisce un prerequisito essenziale per l’espansione dei moderni sistemi elettrici di potenza; tali dispositivi possono essere realizzati efficacemente mediante l’utilizzo di tecnologie superconduttive. E' stato realizzato un prototipo  di base di limitatore di corrente superconduttivo induttivo, che viene utilizzato per la validazione sperimentale dei modelli numerici sviluppati.

I) INGEGNERIA CRIOGENICA PER I SISTEMI SUPERCONDUTTIVI
I dispositivi per la refrigerazione criogenica (cryocooler) stanno subendo in questi ultimi anni un rapido progresso tecnologico. Se fino ad alcuni anni fa nel progetto dei sistemi superconduttivi si doveva quasi sempre ricorrere a soluzioni di tipo "cryogen-cooled", cioè al bagno in liquido criogenico per il raffreddamento dei materiali, oggi la disponibilità di piccoli cryocooler in grado di assolvere a questo compito sta determinando la sempre maggiore diffusione dei sistemi di tipo "cryogen-free", nei quali si utilizza appunto un cryocooler per il raffreddamento diretto dei materiali. I principali vantaggi dei sistemi "cryogen-free" stanno in una maggiore semplicità d'uso, sicurezza, compattezza, e facilità di integrazione nell'impianto. L'utilizzo di un nuovo materiale rigeneratore magnetico Er(Ni0.075Co0.925)2 all'interno dello scambiatore di calore di un cryocooler Gifford-McMahon ha determinato un aumento dell'efficienza fino al 15% su tutte le temperature di funzionamento comprese fra 10 e 20 K.

J) Riscaldamento ad induzione di billette di alluminio
Il riscaldamento ad induzione è largamente utilizzato nei processi di lavorazione dell’alluminio per pre-riscaldare le billette semilavorate prima della fase di estrusione.  Per i riscaldatori ad induzione in AC convenzionali, a causa dell’elevata conducibilità dell’alluminio, il rendimento è nell’ordine del 50-60%. Per incrementarne il valore è stata studiata una tecnica innovativa che consiste nel far ruotare la billetta, tramite un motore esterno, nel campo magnetico stazionario prodotto da un magnete in DC superconduttore: la f.e.m. indotta causa la circolazione di correnti nella billetta che, interagendo con il campo del magnete, generano una coppia frenante e dissipano potenza per effetto Joule. Poiché in regime stazionario le perdite nel superconduttore sono nulle, la potenza meccanica fornita dal motore si converte completamente in potenza termica ed il rendimento del processo coincide col rendimento del motore stesso, che nel range del MW supera il 90 %.