Control of transition phases in rigid-wing airborne wind energy system

The present thesis tackles the study of an Airborne Wind Energy system, device designed to harness the wind’s energy and transform it into electricity, with the aim of proposing a methodological approach to design the transition between one cycle of electricity production and the next. In order to achieve this objective, a realistic model of the system is developed. The system under study is composed of three main elements, the drone, the tether and the generator. The system is highly nonlinear and open-loop unstable. Once a proper model of it is developed, the mission is divided in different stages based on their characteristics. Each of these parts is studied separately and an unique control strategy, and its set of references, developed. The decision of the stage changes and how to change the control system’s structure is delegated to a State Machine, which is also planned and presented. Once the system has fnished one generation round, the tether has been reeled out to a maximum, there is a transition phase to start the next generation round. During this retraction phase the drone glides back towards some predefned points and manoeuvre towards a correct attitude to start the generation phase again. All of these is possible thanks to the usage of the control surfaces and a loose tether. The retraction phases divided in four parts, each of them distinct from the other. This division is done to simplify the understanding strategy and to tackle different problems with specifc solutions. To produce a methodological approach, it is necessary to look for key parameters, those that will allow the transition to be done effectively. Several of them are tried and dependencies among them are found. Finally 4 parameters remained, and a complete mission using them is presented. In addition, the explanation of their particular effects is added, along with a graphic representation of the transition modifcation when each one of them is changed.

La presente tesi affronta lo studio di un sistema Airborne Wind Energy, dispositivo progettato per sfruttare l’energia del vento e trasformarla in energia elettrica, con l’obiettivo di proporre un approccio metodologico per progettare la transizione tra un ciclo di produzione d’energia elettrica e l’altro. Per raggiungere questo obiettivo, viene sviluppato un modello realistico del sistema. Le tipologie di sistemi oggetto di studio sono composte da tre elementi principali, il drone, il cavo e il generatore. Con un verace e proprio modello del sistema, la missione è suddivisa in diverse fasi in base alle loro caratteristiche. Ognuna di queste parti viene studiata separatamente e viene sviluppata una strategia di controllo univoca e il relativo insieme di riferimenti. La decisione dei cambi di fase e di come modifcare la struttura del sistema di controllo è delegata a una Macchina a Stati, anch’essa progettata e presentata. Una volta che il sistema ha terminato un round di generazione, il cavo è stato srotolato al massimo, c’è una fase di transizione per iniziare il round di generazione successiva. Durante questa fase di retrazione il drone scivola indietro verso alcuni punti predefniti e manovra verso un assetto corretto per ricominciare la fase di generazione. Tutto ciò è possibile grazie all’utilizzo delle superfci di controllo e di un laccio allentato. Le fasi di retrazione suddivise in quattro parti, ciascuna distinta dall’altra. Questa divisione viene fatta per semplifcare la strategia di comprensione e per affrontare diversi problemi con soluzioni specifche. Per produrre un approccio metodologico, è necessario cercare parametri chiave, quelli che consentiranno di effettuare efcacemente la transizione. Molti di loro vengono provati e vengono trovate dipendenze tra di loro. Alla fne sono rimasti 4 parametri e viene presentata una missione completa che li utilizza. Inoltre, viene aggiunta la spiegazione dei loro particolari effetti, insieme a una rappresentazione grafca della modifca della transizione quando ciascuno di essi viene modifcato.