Modeling, control and optimization of an airborne wind energy system with translating ground unit

This thesis is concerned with Airborne Wind Energy Systems. In particular, it is focused on the study of a Ground-Gen AWE system with translating ground unit. The structure is composed of a ground unit formed by a slide (KSU) that can move on a linear rail. The slide is connected to a generator and pulled by the traction force generated by a kite. The objective of the thesis is to analyze the potential of the system, as a function of the wind condition. To achieve this goal, the mathematical model of the system is computed rst. Then the control strategy of the system, composed of two hierarchical levels, is designed: the high level is in charge of the logic control, while the low-level controllers are designed to regulate the velocity of the KSU and, through actuators installed on the KSU, to manipulate the position of the kite. Subsequently, the system is optimized to reach the best results attainable with the energy generation cycle, which is composed of an active phase and a passive one. The optimization is performed w.r.t. tuning parameters of the control system and design parameters of the system (e.g. length of the lines). The results, in the form of average power produced, are analyzed as a function of the wind conditions and of the system parameters. Finally, the performance of the plant in terms of Capacity Factor are evaluated on a given site, using measured wind speed data.

La presente tesi è focalizzata sulla ricerca riguardante i sistemi Airborne Wind Energy. In particolare, si specializza sullo studio di un sistema Ground- Gen AWE. La struttura è composta da una unità di terra, formata da una slitta (KSU), transitante su rotaie lineari. La slitta è collegata ad un generatore e trainata dalla forza generata da un kite. L'obiettivo della tesi, è quello di analizzare le potenzialità del sistema in funzione delle condizioni del vento. A questo proposito, viene formulato il modello matematico del sistema e successivamente viene strutturato il controllo composto da due livelli gerarchici: il livello superiore riguarda il controllo logico, invece, l'obiettivo dei controlli di basso livello è quello di determinare la velocità della slitta e (attraverso gli attuatori installati nella KSU) di controllare la posizione del kite. Successivamente il sistema viene ottimizzato per ottenere i migliori risultati raggiungibili attraverso il ciclo di generazione di energia, composto da una fase attiva e una passiva. L'ottimizzazione è compiuta rispetto a parametri di tuning del sistema di controllo e rispetto a parametri di design del sistema (esempio: lunghezza dei cavi). I risultati, in forma di potenza media prodotta, sono analizzati in funzione delle condizioni del vento e dei parametri strutturali del sistema. In conclusione, il rendimento del sistema, in termini di Capacity Factor, viene valutato in un determinato sito, attraverso dati del vento misurati.