75442 - TECNOLOGIE INNOVATIVE PER LA PRODUZIONE, IL TRASPORTO E L'ACCUMULO DELL'ENERGIA ELETTRICA M

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente conosce in modo approfondito le tecnologie di base e di quelle innovative nel campo della produzione, accumulo e trasporto dell'energia elettrica, con particolare enfasi su fotovoltaico, celle a combustibile, batterie e superconduttori.

Contenuti

Cap. 1 Applicazioni delle Nanotecnologie nel campo elettrico ed energetico
1. Materiali nanostrutturati: principali metodi di sintesi; caratterizzazione delle proprietà; polimeri/silicati lamellari; nanotubi di carbonio
2. Cenni alle principali applicazioni dei materiali nanostrutturati in ambito energetico: batterie, celle a combustibile, pannelli fotovoltaici.

Cap. 2 Produzione di energia fotovoltaica
1. Effetto fotovoltaico. Principali tecnologie nel campo del fotovoltaico: celle al silicio (monocristallino, policristallino, amorfo); celle a film sottile, celle organiche.
2. Criteri di progetto di un impianto fotovoltaico stand-alone e grid-connected e allacciamento alla rete elettrica. Esempi di progettazione utilizzando un software di dimensionamento commerciale.

Cap. 3 Sistemi elettrochimici per l'accumulo dell'energia
1. Principi di funzionamento delle batterie: pila di Volta e Daniell, polarizzazione e reversibilità
2. Caratteristiche delle batterie: tensione, capacità e loro dipendenza da fattori progettuali.
3. Accumulatori: accumulatori acidi (reazioni elettrochimiche fondamentali, gassing e accumulatori a ricombinazione di gas, caratteristiche delle celle al piombo), accumulatori alcalini (tipi, reazioni elettrochimiche fondamentali, caratteristiche delle celle al cadmio, batterie sigillate), accumulatori per automobile.
4. Accumulatori innovativi: celle zinco/aria, Zebra, al litio-ioni e ai polimeri di litio.

Cap. 4 Celle a combustibile
1. Principi di funzionamento della cella, effetto dei parametri operativi sulle prestazioni.
2. Tipi di celle (AFC, PEMFC, PAFC, MCFC e SOFC) ed applicazioni.
3. Principali metodologie di produzione dell'idrogeno (elettrolisi e reforming).

Cap. 5 Componenti a Superconduttori
1. Aspetti generali della superconduttività : cenni storici, proprietà macroscopiche, fenomenologia dei superconduttori, superconduttori del I tipo, temperatura critica campo critico, corrente critica, frequenza critica e mutui legami, lo stato intermedio e lo stato misto, superconduttori del II tipo, teoria di London, cenni sulle teorie di Ginnzburg-Landau e BCS, superconduttori reali e fenomeni di pinning.
2. Ossidi superconduttori - una nuova classe di materiali per l'ingegneria elettrica: materiali superconduttori per le applicazioni elettriche, struttura cristallina e metodi di preparazione, BSCCO e YBCO, configurazione dei manufatti superconduttori per applicazioni energetiche.
3. Metodi per la caratterizzazione elettromagnetica dei superconduttori: misura della corrente critica, misura della magnetizzazione e ciclo di isteresi. Esercitazioni di laboratorio.
4. Applicazioni nel settore energetico: vari tipi di applicazioni (risonanza magnetica, limitatori di corrente, SMES, motori e trasformatori, cavi a superconduttori).

Testi/Bibliografia

E-book (gratis) del corso: D. Fabiani, Tecnologie Elettriche Innovative per allievi Ingegneri Elettrici ed Energetici, 2019

Slide proiettate in aula

Testi consigliati per approfondimenti:

• J. K. Nelson (ed.), Dielectric Polymer Nanocomposites, Springer, 2010
• R. A. Huggins, Advanced Batteries, Springer, 2008.
• V. Shmidt, P. Müller, A. V. Ustinov, The physics of superconductors: introduction to fundamentals and applications, Springer, 1997
• J. Poortmans, V. Arkhipov, Thin film solar cells: fabrication, characterization and applications, Wiley, 2007

Metodi didattici

Il corso si articola in:

1) lezioni frontali;

2) esercitazioni in aula sul dimensionamento di un impianto fotovoltaico, di un sistema di accumulo e di una cella a combustibile utilizzando software commerciali;

3) esercitazioni di laboratorio su superconduttori, batterie e celle fotovoltaiche.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L’esame per gli studenti frequentanti può essere diviso in due prove parziali su metà programma: una prova intermedia, indicativamente a metà corso, e una prova finale, immediatamente dopo la fine del corso. La prova intermedia è scritta mentre una parte della prova finale potrebbe essere orale.

Entrambe le prove, della durata massima di due ore ciascuna, consistono in 10 domande a risposta aperta e/o esercizi sugli argomenti relativi alle parti di programma oggetto della prova stessa. Otto di queste domande richiedono risposte brevi e mirate mentre le restanti due necessitano di una risposta più ampia e articolata, eventualmente anche orale se richiesto dalla prova.

Ad ogni prova viene assegnato un punteggio massimo di 32; la sufficienza è raggiunta con un punteggio di 18. Un’ insufficienza o l’assenza alla prima prova parziale preclude la possibilità di effettuare la seconda. Il voto finale, in trentesimi, si ottiene dalla media aritmetica dei voti delle due prove arrotondata all’intero più vicino. La lode può essere conferita qualora il punteggio finale sia ≥ 31. Noto il voto finale, lo studente dovrà decidere se accettare o rifiutare il voto prima della scadenza comunicata dal docente.

Il rifiuto del voto, l’insufficienza, o l’assenza in una o entrambe le prove parziali comporta la ripetizione dell’esame in sessione unica su tutto il programma.

Tutti gli appelli successivi alla prova parziale finale si svolgeranno su tutto il programma in un’unica seduta con le stesse modalità delle prove parziali descritte sopra.

Il superamento dell’esame sarà garantito agli studenti che dimostreranno padronanza e capacità operativa in relazione ai concetti chiave illustrati nell'insegnamento, ed in particolare alle tecnologie fotovoltaiche, superconduttive e relative ai sistemi di accumulo elettrochimico.

Un punteggio più elevato sarà attribuito agli studenti che dimostreranno di aver compreso ed essere capaci di utilizzare tutti i contenuti dell’insegnamento, illustrandoli con capacità di linguaggio, risolvendo problemi anche complessi e mostrando buona capacità operativa.

Il mancato superamento dell’esame potrà essere dovuto all’insufficiente conoscenza dei concetti chiave, in particolare relativi ai sistemi di accumulo tradizionale e innovativo, ai fenomeni della superconduttività, e ai sistemi fotovoltaici, nonché alla mancata padronanza del linguaggio tecnico.

Nel caso il voto finale sia inferiore a 18/30 lo studente verrà respinto e non potrà sostenere una nuova prova prima di 15 gg.

Lo studente ha facoltà di rifiutare un voto positivo assegnato dal docente al massimo due volte.

Strumenti a supporto della didattica

L'e-book e le slide del corso saranno messe a disposizione degli studenti sulla piattaforma "virtuale.unibo.it". Si veda il link al materiale didattico.

Si utilizzeranno anche software commerciali per il dimensionamento di impianti fotovoltaici e sistemi di accumulo, ad es. PV-SYST o similari, durante le sessioni di esercitazione in aula.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Davide Fabiani