Ateneo - UPO

L'insegnamento affronta il tema della produzione e distribuzione dell'energia, sia elettrica sia termica, e del relativo impatto ambientale. Per la parte elettrica, si studia la struttura e il funzionamento della generazione, trasmissione, distribuzione e utilizzazione nelle reti ai vari livelli di tensione, in funzione della potenza consumata (totale di 4,5 crediti). Per la parte termica, si affrontano sia le reti del gas, sia le reti di teleriscaldamento, si studia l'impatto ambientale, ma con un numero di crediti inferiore (1,5).

Books:
M. Patel, Wind and Solar Power Systems, 2006, CRC Press, USA.
T. Markvart, Solar Electricity, 2nd Edition, 2000, J. Wiley and Sons Ltd., USA.
B.M. Weedy, B. J. Cory, N. Jenkins, J.B. Ekanayake, G. Strbac, Electric power systems, Fifth Edition 1979, J. Wiley and Sons Ltd., USA.

- Conoscenza e comprensione: Acquisizione di conoscenze teoriche e operative relative ai processi di produzione e distribuzione di energia e al relativo impatto ambientale.
- Capacità di applicare conoscenza e comprensione: Acquisizione della capacità di applicare le conoscenze teoriche precedenti alla interpretazione dei dati statistici sul consumo di energia nelle sue varie forme.
- Capacità di apprendimento: Acquisizione di capacità autonome di apprendimento e di autovalutazione della propria preparazione, atte ad intraprendere gli studi successivi con un alto grado di autonomia.

Teoria dei circuiti in corrente continua e in corrente alternata lentamente variabile.
Concetti base di termodinamica e di trasmissione del calore.

Il corso si compone di lezioni teoriche (circa 4 crediti) ed esercitazioni pratiche (circa 2 crediti) che possono essere di calcolo o in laboratorio o svolte in visite tecniche.

La verifica dell'apprendimento prevede una prova scritta (durata di circa 1 h) con domande su aspetti teorici e semplici esercizi da risolvere con l'uso di una calcolatrice portatile; non è possibile usare materiale didattico o appunti presi a lezione.

Concetti di base sulle reti tecnologiche: rete elettrica, ferroviaria, rete gas, teleriscaldamento, rete di distribuzione dell'acqua.

Rappresentazione analitica di tensioni e correnti nei circuiti in corrente alternata sinusoidale. Conoscenze di base sui sistemi trifase in corrente alternata: connessioni a stella e a triangolo; circuito monofase equivalente; struttura di una rete di distribuzione in bassa tensione con trasformatore MT/BT, linea e carico. Correzione del fattore di potenza per un carico induttivo.
Struttura del sistema elettrico nazionale: generazione, trasmissione, distribuzione e utilizzazione. Determinazione del livello di tensione in base alla potenza massima dell'utente. Regolazione globale della frequenza e regolazione locale del valore efficace della tensione di rete. Copertura del diagramma di carico con le fonti energetiche rinnovabili e fossili. Dalla rete centralizzata alla smart grid.

Struttura e principio di funzionamento mediante opportuni circuiti equivalenti di: macchine elettriche trifase di tipo statico (trasformatore) e rotante in corrente alternata (sincrone e asincrone); convertitori elettronici DC-DC e DC-AC per la connessione alla rete di generatori fotovoltaici e di turbine eoliche a velocità variabile; linee di trasmissione/distribuzione (modelli a pi-greco per linee “lunghe” e per linee “corte”) e componenti di protezione (interruttori automatici di potenza, dotati di relè, e fusibili); sistemi fotovoltaici ed eolici, connessi alla rete in modo da ottenere la loro migliore integrazione, in base alla collocazione geografica e attraverso sistemi di accumulo.

Regolazione della frequenza con il controllo “potenza attiva-frequenza”; regolazione del valore efficace della tensione con il controllo “potenza reattiva-tensione”. Gestione, a regime, del sistema elettrico di trasmissione attraverso la modellazione di reti magliate di trasmissione con numero elevato di nodi o reti radiali di distribuzione (metodo del potenziale ai nodi per la soluzione del “load flow problem” o “power flow”).

Parte termica ed ambientale: reti di gas e reti termiche; problemi di sostenibilità ambientale; ciclo del carbonio; fabbisogni energetici mondiali, europei, nazionali. Impatto ambientale dei sistemi di produzione e trasporto dell’energia: emissioni chimiche, effetti termici, rumore, compatibilità elettromagnetica.

Dopo aver superato l'esame, gli studenti acquisiranno le seguenti conoscenze:
- la struttura del sistema elettrico da generazione centralizzata a smart grid con generazione distribuita;
- le principali tecnologie per convertire l'energia eolica in energia elettrica mediante generatori rotanti in corrente alternata, convertitori elettronici di potenza, trasformatori e linee di distribuzione per la connessione alla rete;
- la conversione dell'energia fotovoltaica in energia elettrica da parte di celle solari sotto forma di giunzioni P-N in silicio cristallino, convertitori DC-AC basati sull'elettronica di potenza;
- il modello elettrico delle linee di trasmissione e distribuzione.
Successivamente, gli studenti acquisiranno le seguenti competenze e abilità:
- il calcolo della frequenza della velocità del vento e della produttività energetica, in funzione della curva di potenza del produttore e delle variazioni della velocità del vento (intensità e direzione);
- il calcolo della produzione di energia fotovoltaica tramite database di irradianza solare e temperatura ambiente;
- il calcolo delle perdite di potenza, dei rendimenti e della regolazione della tensione dei generatori rotanti in corrente alternata con i loro convertitori elettronici di potenza, trasformatori e linee di distribuzione;
- il calcolo delle potenze ottimali degli impianti fotovoltaici ed eolici per massimizzare l'autosufficienza e l'autoconsumo degli utenti attivi, sottoposti a vincoli ambientali, elettrici ed economici nelle regioni degli impianti.