Modelling and control tuning of an Airborne Wind Energy system with on-board generation

In the last decade, the first consequences of climate change became evident worldwide, bringing into the open the need of a dramatic change into an energy market that relies too much on polluting sources like fossil fuels. Thereby, the scientific community started to investigate the renewable sector, to find a greener alternative to coal and oil. Conceived in 1970s, Airborne Wind Energy (AWE) systems represent an innovative technology for wind energy conversion, not yet fully developed. These new-generation wind power plants use autonomous tethered kites to drive electric generators, exploiting the lift force developed by the kite when flying in crosswind at high-altitudes (500-800 m), where winds are stronger and more reliable with respect to the traditional turbines hub altitude. Several companies have been investing in AWE technology since the early 2000s, when the main AWE principles were reconsidered after the pioneering theoretical work of Miles L. Loyd in 1980. Among those companies there was the Californian Makani Power, that built the M600 system. The M600 system was designed to produce up to 600 kW of rated power and was the first ever AWE system able to complete an offshore flight. This thesis aims to provide a new approach for the modelling and control of On-Board Generation (OBG) systems, which represent an AWE branch that has not been deeply investigated yet, to which the M600 belong. The model employs the dynamical equations of an octocopter rotor-craft, adding a procedure for the identification of the aerodynamic forces coefficients and an accurate tether model, in order to obtain realistic results. The proposed control system employs a cascade scheme with three nested loops and is tuned with a data-driven optimization procedure, based on the data available from the flight tests of the Makani OBG M600 that the company publicly distributed in 2020. The final outcome of this work is an optimally-tuned simulator, able to emulate the working activities of the M600 OBG drone in the initial take-off phase and validated on the actual flight data.

Nell’ultimo decennio, le prime conseguenze del cambiamento climatico sono diventate evidenti in tutto il mondo, portando in primo piano la necessità di un drastico cambiamento in un mercato dell’energia che si basa troppo su fonti inquinanti come i combustibili fossili. Così, la comunità scientifica ha iniziato a studiare il settore delle rinnovabili, per trovare un’alternativa più verde al carbone e al petrolio. Concepiti negli anni ’70, i sistemi Airborne Wind Energy (AWE) rappresentano una tecnologia innovativa per la produzione di energia eolica, ma non ancora completamente sviluppata. Questi impianti eolici di nuova generazione utilizzano aquiloni autonomi per azionare generatori elettrici sfruttando la portanza sviluppata dai venti d’alta quota (500- 800 m), più forti e affidabili rispetto a quelli presenti solitamente all’altitudine in cui operano le turbine tradizionali. Diverse aziende hanno investito nella tecnologia AWE fin dai primi anni 2000, quando i principi AWE sono stati riconsiderati dopo il pionieristico lavoro teorico di Miles L. Loyd nel 1980. Tra queste troviamo la californiana Makani Power, che costruì il sistema M600 con l’obiettivo di produrre fino a 600 kW di potenza nominale. Il sistema M600 è stato il primo sistema AWE in grado di completare un volo offshore. Questa tesi mira a fornire un nuovo approccio per la modellazione e il controllo dei sistemi On-Board Generation (OBG), che rappresentano una branca AWE che non è stata ancora approfondita, a cui appartiene il sistema M600. Il modello utilizza le equazioni dinamiche di un octocopter rotor-craft, aggiungendo una procedura per l’identificazione dei coefficienti delle forze aerodinamiche e un modello di cavo accurato, al fine di ottenere risultati realistici. Il sistema di controllo proposto utilizza uno schema a cascata con tre loop innestati, i cui parametri sono impostati con una procedura di ottimizzazione basata sui dati raccolti durante i test di volo del Makani M600, resi disponibili dall’azienda nel 2020. Il risultato finale di questo lavoro è un simulatore in grado di emulare il volo del drone M600 nella fase iniziale di decollo e convalidato sui dati di volo reali.