An engineering model for power generation estimation of crosswind airborne wind energy systems

This thesis aims to investigate the power generation of Airborne Wind Energy Systems (AWESs) through a generic quasi-analytical model. The model considers centrifugal, elevation and gravity effects leaving the equations as a function of a generic flight path. The model can be helpful for Airborne Wind Energy (AWE) researchers to study the physical effects of the main design quantities on system performance and to study potential improvements of the trajectory. The generic model is used to derive the equations relating to Fly Generation Airborne Wind Energy Systems (FG-AWESs) with circular flight path. Implementing the equations in a time-marching code, an analysis of power losses due to centrifugal, gravity and elevation effects is carried out. The results are shown as a function of two non-dimensional parameters, one of which, relating to gravitational effects, is defined for the first time in this thesis. The power losses related to the aforementioned phenomena are caused by the roll of the aircraft and its speed variation during motion. The effects of elevation and gravity are relevant and their coupling results to be very penalizing. In the following part of the thesis, the analytical model proposed by Makani, a reference company in the sector, is presented. The model relates to FG-AWESs with circular flight path. A comparison between the latter and the quasi-analytical model proposed in the thesis is carried out. The Makani model turns out to be less general due to stronger hypotheses. These results show that a further progress is made in the physics modeling through a low-fidelity model such as the one proposed. Finally, a methodology that exploits the semi-analytical model to investigate non-circular trajectories is presented for FG-AWESs. The elliptical orbit is proposed and investigated. The results show that the elliptical path has the potential to increase performance especially for conditions in which the power losses due to kite roll angle are relatively higher than those for kite speed variation. Besides the qualitative results obtained for the ellipse, this approach can be useful for AWE researchers to evaluate the impact of non-circular trajectories on system performance.

La tesi ha l’obbiettivo di studiare la generazione di energia dei sistemi che sfruttano i venti di alta quota attraverso un generico modello semi-analitico. Il modello tiene conto degli effetti centrifughi, dell’ elevazione e della forza di gravità lasciando le equazioni in funzione di una traiettoria generica. Il modello può essere utile per i ricercatori del settore per studiare gli effetti dei principali parametri di progetto sulle prestazioni del sistema e per studiare potenziali miglioramenti della traiettoria di volo. Il modello generico è sfruttato per derivare le equazioni nel caso di sistemi con generazione a bordo aventi traiettoria circolare. Dopo aver implementato le equazioni in un codice time-marching, è svolta un’analisi delle perdite di potenza dovute agli effetti centrifughi, gravitazionali e dell’elevazione. I risultati sono mostrati in funzione di due parametri adimensionali di cui uno, relativo agli effetti gravitazionali, è definito per la prima volta in questa tesi. Le perdite di potenza relative a tali fenomeni sono causate dal rollio del velivolo e dalla variazione di velocità durante il moto. Sia gli effetti dell’elevazione che della gravità sono rilevanti e il loro accoppiamento risulta essere molto penalizzante. Nella parte successiva della tesi viene presentato il modello analitico proposto da Makani, un’azienda di riferimento del settore. Il modello è relativo ai sistemi con generazione a bordo aventi traiettoria circolare. Viene quindi effettuato un confronto tra quest’ultimo e il modello semi-analitico proposto nella tesi. Il modello di Makani risulta essere meno generale a causa delle ipotesi più stringenti. Questo dimostra che sono state apportate migliorie nello sviluppo e nella generalizzazione di modelli a bassa fedeltà per sistemi che sfruttano i venti di alta quota. Infine, è presentata una metodologia che utilizza il modello semi-analitico per studiare traiettorie diverse da quella circolare. Viene così analizzata l’orbita ellittica. I risultati mostrano che ha il potenziale per aumentare le prestazioni nelle condizioni in cui le perdite di potenza dovute al rollio del velivolo sono relativamente maggiori di quelle per variazione di velocità. Oltre ai risultati relativi all’ellisse, la metodologia presentata può essere utile ai ricercatori del settore per valutare l’impatto di nuove traiettorie sulle prestazioni.