Analisi dei sistemi di conversione energetica nelle turbine eoliche: principi, modellazione e tecnologie moderne

Abstract

La tesi analizza i principi e le tecnologie dei moderni aerogeneratori, contestualizzando la crescita dell'eolico nella transizione energetica. Dopo aver classificato le turbine (asse orizzontale/verticale) e descritto i componenti principali (navicella, pale, torre), lo studio approfondisce la formulazione matematica, inclusi il calcolo della potenza del vento, il limite di Betz (massima efficienza teorica del 59,3%) e l'importanza del Tip Speed Ratio (TSR) per l'ottimizzazione aerodinamica. Vengono esaminate le curve di potenza (velocità di cut-in, nominale e cut-out) e i sistemi di controllo del pitch.Il cuore del lavoro confronta due architetture di generazione:DFIG (Doubly Fed Induction Generator): Standard per l'onshore, utilizza un generatore asincrono a doppia alimentazione. Lo statore è connesso alla rete, mentre il rotore è gestito da convertitori dimensionati per il 30% della potenza, permettendo una variazione di velocità del $\pm 30\%$. È una soluzione economica e flessibile.Full Converter (FC): Utilizza spesso generatori sincroni a magneti permanenti (PMSG). L'intera potenza passa attraverso convertitori AC-DC-AC, disaccoppiando totalmente il generatore dalla rete. Sebbene più costoso, offre massima affidabilità (spesso senza moltiplicatore di giri) e rispetto dei Grid Code, rendendolo ideale per l'offshore.

The thesis analyzes the principles and technologies of modern wind turbines, framing wind energy growth within the energy transition. After classifying turbines (HAWT/VAWT) and describing main components (nacelle, blades, tower), the study details mathematical foundations, including wind power calculation, the Betz limit (max theoretical efficiency of 59.3%), and the Tip Speed Ratio (TSR) for aerodynamic optimization. Power curves (cut-in, rated, cut-out speeds) and pitch control systems are examined.The core of the work compares two generation architectures:DFIG (Doubly Fed Induction Generator): The onshore standard, it uses a doubly fed asynchronous generator. The stator connects directly to the grid, while the rotor is managed by partial-scale converters (30% of power), allowing a speed variation of $\pm 30\%$. It is a cost-effective solution.Full Converter (FC): Often using Permanent Magnet Synchronous Generators (PMSG), the entire power output passes through AC-DC-AC converters, fully decoupling the generator from the grid. While more expensive, it offers maximum reliability (often gearless) and Grid Code compliance, making it ideal for offshore applications.