METODOLOGIE E STRUMENTI PER IL PROGETTO DI SISTEMI ELETTRICI NAVALI E MARINI

The aim of this thesis is to present an innovative methods and tools, applicable to the shipboard integrated power system, able to address the issues given by both the conventional design process and the desire to install on board new subsystems, giving both the ever-increasing ship-owners’ requirements and pollution regulations. Methods and tools analyzed throughout this thesis work can enhance the knowledge of the system already in the early stage design phases. The final goal is to define the feasible design choices before the contract phase. Indeed, such commitments can lead to harmful consequences since the project may not be feasible at the end due to unforeseen issues related to the exploitation of innovative power system solutions. Such methods and tools are a mean to provide consistent data on which base innovative design decisions exploring different design choices and thus lowering the design times and costs. By reducing the effort required to obtain the same information, or with the same amount of time and resources invested before signing the contract, feasible solutions can be proposed and the price of which can be estimated more accurately. Furthermore, innovative subsystems can be integrated avoiding an uncontrolled cost increase. In this thesis, a wide review of the state of the art is done, to allow understanding the context, why such innovative techniques can be used as an aid in design. Each point is discussed focusing on the aim of this thesis, thus presenting arguments, bibliography, and considerations tailored to direct the reader to comprehend the impact of new tools in the ship power systems design. In particular, after a first chapter dedicated to the introduction of electric propelled ships, in which are described how such ships have evolved. In the second chapter, innovative distribution systems and new requirements are presented, especially for cruise and military ships. Given the significant impact of these innovations, an excursus of both these two topics is given, referring to recent literature and research activities. In the third chapter, however, a reasoned discussion on the conventional ship design process is depicted. In addition, an in-depth analysis of the onboard ship systems design process is carried out to explain the context in which the innovative design approach has to be integrated. The fourth chapter is dedicated to new design methods and tools, together with the use of specific software, and how they can be useful for improving the entire ship design. In this scenario, the new concept of space reserved on board is proposed to accommodate the power system. The space reservation impact on the overall ship design can be evaluated from the early stage design phase. In the fifth chapter the case study of this thesis is presented. Subsequently, the reference ship is redesigned with two different dc distribution systems. Both the solutions are compared in terms of volumes and weights, thus verifying their feasibility and the validity of the proposed redesign method. However, the innovative solutions proposed can have a negative impact on the performance of the power system. For this reason, in chapter six, their impact on the onboard power system has been analyzed in order to prevent integration issues. Specifically, the high frequency disturbances propagation has been assessed both in power cables and transformers, experimentally validating the latter model. Finally, in the seventh chapter, using the data previously obtained, a modular software was used to simulate the reference ship power system in order to evaluate the accuracy and computational load of the various models proposed.

Lo scopo della tesi è quello di presentare metodologie e strumenti innovativi, applicabili ai sistemi elettrici navali, in grado di affrontare le problematiche date sia dal processo di progettazione convenzionale che dalla volontà di installare a bordo nuovi sottosistemi, dati i requisiti crescenti degli armatori e viste le stringenti normative sull'inquinamento. Le metodologie e strumenti analizzati possono migliorare la conoscenza del sistema già nelle prime fasi di progettazione. L'obiettivo è definire tutte le scelte progettuali possibili prima della fase contrattuale. Gli imprevisti legati all’utilizzo di soluzioni innovative possono portare a conseguenze dannose per il sistema nave. Tali metodologie e strumenti forniscono dati coerenti su cui basare le decisioni di progettazione, valutando diverse configurazioni e riducendo inoltre i tempi e i costi di progettazione. Riducendo l’impegno richiesto per ottenere le stesse informazioni, ovvero a parità di tempo e risorse investite prima di siglare il contratto, si possono proporre soluzioni realizzabili e di cui si può stimare con più accuratezza il prezzo. Inoltre, nuovi sottosistemi possono essere integrati evitando un aumento incontrollato dei costi. In questa tesi viene effettuata un'ampia rassegna dello stato dell'arte, per consentire la comprensione del contesto, del perché tecniche innovative possono essere utilizzate come un aiuto nella progettazione. Ogni punto è discusso concentrandosi sullo scopo di questa tesi, presentando così argomenti, bibliografia, e considerazioni volte ad indirizzare il lettore a comprendere l'impatto dei nuovi strumenti per la progettazione di impianti elettrici navali. In particolare, dopo un primo capitolo dedicato all’introduzione delle navi a propulsione elettrica, in cui viene descritto come tali navi si siano evolute. Nel secondo capitolo, vengono presentati sistemi di distribuzione innovativi e nuovi requisiti soprattutto per navi da crociera e militari. Dato il significativo impatto di tali innovazioni, un excursus su questi due temi è fatto con riferimento alla bibliografia più recente. Nel terzo capitolo, invece, si effettua una discussione ragionata sul processo di progettazione convenzionale delle navi. In aggiunta a questo viene effettuata un'analisi approfondita del processo di progettazione dei sistemi elettrici, per spiegare il contesto in cui un approccio innovativo alla deve essere integrato. Il quarto capitolo è dedicato alle nuove tecniche di progettazione e di come questi strumenti, assieme all’utilizzo di software specifici, possano essere utili per migliorare la progettazione dell’intera nave. In questo contesto, viene introdotto il concetto di uno spazio riservato dedicato al sistema elettrico, il cui impatto sul sistema nave può essere valutato sin dalle fasi iniziali del progetto. Nel quinto capitolo viene presentato il caso di studio di questa tesi. Successivamente, la nave di riferimento viene riprogettata con due diversi sistemi di distribuzione in corrente continua. Entrambe le soluzioni sono confrontate in termini di volumi e pesi verificando così la loro fattibilità nonché la validità del metodo di redesign proposto. Le soluzioni innovative proposte possono però impattare negativamente sulle prestazioni del sistema elettrico. Per questo motivo, nel capitolo sei, si è analizzato il loro impatto sull’impianto elettrico al fine di prevenire problemi di integrazione. Nello specifico si sono analizzati gli effetti che la propagazione dei disturbi ad alta frequenza, causati dai convertitori elettronici, può avere su cavi di distribuzione e trasformatori, validando sperimentalmente il modello di quest’ultimo. Nel settimo capitolo, infine, servendosi dei dati precedentemente ricavati, si è usato un software modulare per la simulazione del sistema elettrico della nave di riferimento al fine di valutare l’accuratezza e il carico computazionale di diversi modelli proposti