Superconduttività
Applicata
Superconducting technology for power and energy management
Babak Gholizad - Ciclo XXVIII - 2016
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Abstract -
In this thesis integration of high temperature superconductor technology in the future advanced power system will be investigated. In particular, superconducting magnetic energy storage system (SMES) for power quality of distribution grid and customer protection will be discussed. The complete design method, including the magnet and power electronic interface design will be discussed in more details. The method will be applied to the design of an industrial scale SMES system. Commercially available high temperature superconductor (HTS) material (YBCO) and magnesium diboride (MgB2) tapes will be considered for the design of the magnet. A multifunctional control algorithm for compensating voltage sag and improving power quality will be implemented, and the advantages of the SMES system and utilized control algorithm for this application will be illustrated.
As a second part of the thesis, high temperature superconducting DC (HTS-DC) cables for transmission and distribution will be introduced. A method for both electromagnetic and thermo fluid-dynamic design of power cable will be developed. As a first case study superconducting DC collector grid for offshore wind-park will be technically and economically evaluated and the cost and loss model of the system will be discussed. Also, the transient behavior of the high temperature superconducting DC cable in high voltage DC (HVDC) system, which is crucial for stability, will be evaluated. Both line commutated converters (LCC) and voltage source converters (VSC) will be considered.
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Continuous-flow magnetic separation with permanents magnets for water treatment
Chiara Caterina
Borghi - Ciclo XXVI - 2014
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Abstract - More efficient water treatment technologies would decrease the water bodies' pollution and the actual intake of water resource. The aim of this thesis is an in-depth analysis of the magnetic separation of pollutants from water by means of a continuous-flow magnetic filter subjected to a field gradient produced by permanent magnets. This technique has the potential to improve times and efficiencies of both urban wastewater treatment plants and drinking water treatment plants. It might also substitute industrial wastewater treatments. This technique combines a physico-chemical phase of adsorption and a magnetic phase of filtration, having the potential to bond magnetite with any conventional adsorbent powder. The removal of both Magnetic Activated Carbons (MACs) and zeolite-magnetite mix with the addition of a coagulant was investigated. Adsorption tests of different pollutants (surfactants, endocrine disruptors, Fe(III), Mn(II), Ca(II)) on these adsorbents were also performed achieving good results. The numerical results concerning the adsorbent removals well reproduced the experimental ones obtained from two different experimental setups. In real situations the treatable flow rates are up to 90 m3/h (about 2000 m3/d).
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Experimental Analysis and Numerical Simulation of Quench in Superconducting HTS Tapes and Coils
Marco
Casali - Ciclo XXVI - 2014
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Abstract - The quench characteristics of second generation (2 G) YBCO Coated
Conductor (CC) tapes are of fundamental importance for the design and
safe operation of superconducting cables and magnets based on this material.
Their ability to transport high current densities at high temperature,
up to 77 K, and at very high fields, over 20 T, together with the
increasing knowledge in their manufacturing, which is reducing their
cost, are pushing the use of this innovative material in numerous system
applications, from high field magnets for research to motors and
generators as well as for cables.
The aim of this Ph. D. thesis is the experimental analysis and numerical
simulations of quench in superconducting HTS tapes and coils. A
measurements facility for the characterization of superconducting tapes
and coils was designed, assembled and tested. The facility consist of a
cryostat, a cryocooler, a vacuum system, resistive and superconducting
current leads and signal feedthrough. Moreover, the data acquisition
system and the software for critical current and quench measurements
were developed.
A 2D model was developed using the finite element code COMSOL
Multiphysics. The problem of modeling the high aspect ratio of the tape
is tackled by multiplying the tape thickness by a constant factor,
compensating the heat and electrical balance equations by introducing a
material anisotropy. The model was then validated both with the results
of a 1D quench model based on a non-linear electric circuit coupled to a
thermal model of the tape, to literature measurements and to critical
current and quench measurements made in the cryogenic facility.
Finally the model was extended to the study of coils and windings with
the definition of the tape and stack homogenized properties. The
procedure allows the definition of a multi-scale hierarchical model,
able to simulate the windings with different degrees of detail.
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Sviluppo e Caratterizzazione di Bulk Superconduttori in MgB2 per Sistemi di Levitazione
Elena
Perini - Ciclo XXV - 2014
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Abstract - Superconduttori bulk in MgB2, ottenuti con tecnologia Mg-RLI brevettata da Edison Spa, sono stati oggetto di un'approfondita analisi in termini di forze di levitazione. Questo studio è stato preliminare per la progettazione di un innovativo sistema di levitazione lineare. I risultati ottenuti sperimentalmente sono stati validati attraverso modelli numerici sviluppati ad hoc. I campioni oggetto dello studio sono tre bulk in MgB2 rappresentativi delle tipiche forme usate nelle applicazioni reali: un disco, un cilindro, una piastra. I bulk sono stati misurati con un sistema di misura per le forze di levitazione realizzato a tale scopo. Un protocollo sperimentale è stato seguito per la caratterizzazione di base, sia in condizioni Field Cooling sia Zero Field Cooling, al quale sono state affiancate prove specifiche come la possibilità di mantenere inalterate le proprietà superconduttive attraverso la giunzione di più campioni con la tecnologia Mg-RLI. Un modello numerico è stato sviluppato per convalidare i risultati sperimentali e per studiare l'elettrodinamica della levitazione. Diverse configurazioni di rotori magnetici sono state accoppiate con un cilindro in MgB2 con lo scopo di valutare la soluzione ottimale; questo tema è stato apporofondito attraverso lo sviluppo di un software di simulazione che può tenere conto sia del numero di magneti sia della presenza di anelli in materiale magneti intercalati fra di essi. Studi analoghi sono stati portati avanti su una piastra di MgB2 per simulare il comportamento di una geometria piana. Un sistema di raffreddamento innovativo basato sull'azoto solido è stato studiato per poterlo accoppiare con un sistema di levitazione. Il criostato progettato è costituito da due dewar, uno dentro l'altro; quello interno ha lo scopo di raffreddare l'MgB2 mentre quello esterno di limitare delle perdite verso l'esterno. Il criopattino così ottenuto è accoppiato in condizioni FC ad una rotaia formata da magneti permanenti in NdFeB.
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Un Concetto Innovativo di Limitatore di Corrente di Guasto Superconduttivo
Salvatore
Imparato - Ciclo XXIII - 2011
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Abstract - The thesis topic concerns the limitation of fault current high temperature superconducting (HTS), reported in scientific literature by the acronym HTSFCL (High Temperature Superconducting Fault Current Limiter) or more commonly with SFCL. These devices, at least in their ideal concept, turn on limiting short-circuit current only when the event of failure occurs, and are transparent to the network during normal operating conditions. The thesis is therefore focused on the study of dierent types of SFCL and results in the production of a new and original concept of superconducting limiter, called "DC Resistive SFCL". It has designed and patented in the Department of Electrical Engineering University of Bologna. The author and ing. Antonio Morandi (tutor) are the inventors. The objective of the thesis is therefore to propose a type of SFCL which may have the potential to be a viable economic solution as well as technique. The innovative concept of DC Resistive SFCL device, in fact, provides a DC operating conditions for the used superconducting (SC). It allows the use of cryogen-free solutions for cooling system and the exploitation of cheap SC materials (MgB2), both of reality are already commercially existing and indeed precluded by the types of SFCL which provides an AC operating conditions for the used SC
material.
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Theoretical and Experimental Study of the Magnetic Separation of Pollutants from Wastewater
Giacomo
Mariani - Ciclo XXI - 2009
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Abstract - Obiettivo
della tesi è fornire indicazioni relativamente all’influenza dei
parametri progettuali sull’efficienza di separazione in un filtro
HGMS (High Gradient Magnetic Separator).
Il processo di separazione magnetica
è generalmente basato sulla forza che agisce su di una particella
magnetizzabile quando è immersa in un campo magnetico non uniforme.
Tale forza è proporzionale sia al volume ed alla suscettività
magnetica della particella, sia all’intensità del campo di
induzione magnetica ed al suo gradiente. L’elemento filtrante è
costituito da filamenti ferromagnetici (lana di ferro) a sezione
tendenzialmente triangolare che, saturando in presenza del campo
magnetico esterno, generano un elevato gradiente di campo nelle loro
immediate prossimità. Il modello di calcolo sviluppato è in grado
di simulare il moto delle particelle ed analizzare la loro
interazione con i filamenti dell’elemento filtrante e con il campo
magnetico. Data la differenza di ordini di grandezza tra le
dimensioni micrometriche dei filamenti della lana che forma
l’elemento filtrante, la cui geometria è incognita ed irregolare,
e quelle macroscopiche del dispositivo, si è impostato uno studio
statistico dell’interazione particella - filamenti su un volume di
controllo al centro del filtro (cella), con condizioni di periodicità.
Le soluzioni del problema magnetostatico e della fluidodinamica
nella cella sono ottenute con un approccio integrale. L’analisi di
una porzione piccola, ma statisticamente rappresentativa, del filtro
elimina la necessità di modellare l’intero dispositivo su scala
micrometrica, con oneri computazionali inaccettabili, e costituisce
la base per l’analisi dell’efficienza del processo di
filtrazione magnetica. Il modello proposto è stato validato
attraverso un dispositivo di laboratorio.
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