Production cycle optimization for pumping airborne wind energy systems

This thesis describes an approach to increase the efficiency of an Airborne Wind Energy (AWE) system with soft wing flying in crosswind motion. In AWE systems, power generation occurs in cycles, each consisting of a Traction phase where the cable is unwound and a phase called Retraction where the cable is rewound. Transition phases are required to go from the traction phase to the retraction phase (Transition 1) and vice versa (Transition 2). The problem was first addressed, in the present work, through the efficiency of Transition 1 and then through full-cycle optimization. Two ideas guided this work, one was to implement a control logic that guarantees a smooth transient behavior for the forces acting on the tether that ensure the maximum lifetime of the components. The other was to maximize the average cycle power production that is the key aspect of any energy production system. Concerning the transition phase, two different control strategies that avoid abrupt increase in the force acting on the tether were implemented. The first one exploits the measure of the wind and ensures that the winch controller follows the desired reeling speed profile. The second implementation does not rely on wind measurements, which are often unreliable and not suitable for real world applications. The optimal elevation-azimuth trajectory for the Transition 1 at varying wind speed was computed based on a nonlinear optimization routine that aim to maximize the average cycle power of the kite. The solution found allowed also to obtain optimal values for the reel-in and reel-out velocities thus obtaining better overall cycle performances increasing the efficiency of the system. Therefore the initial goals have been achieved, providing new results compared to the state of the art, where the transition phase has not been well explored.

Questa tesi descrive un nuovo approccio per aumentare l'efficienza di un sistema AWE (Airborne Wind Energy) con ali flessibili che vola in configurazione crosswind. Nei sistemi AWE, la produzione di energia avviene in cicli, ognuno composto da una fase di trazione (Traction) dove il cavo viene srotolato ed una fase detta Retraction dove il cavo viene riavvolto. Per passare dalla fase di Traction a quella di Retraction e viceversa, sono necessarie fasi di transizione, rispettivamente Transizione 1 e Transizione 2. Nel presente lavoro il problema è stato affrontato dapprima attraverso l'efficientamento della Transizione 1 e poi attraverso l'ottimizzazione dell'intero ciclo. Due sono state le idee alla base di questo lavoro: una è stata quella di implementare una logica di controllo che garantisca un andamento regolare delle forze che agiscono sul cavo durante la Transizione 1, assicurando la massima durata dei componenti. L'altra è stata quella di massimizzare la produzione di energia per ciclo , aspetto chiave di qualsiasi sistema di produzione di energia. Per quanto riguarda la fase Transizione 1, sono state implementate due diverse strategie di controllo che evitano un brusco aumento della forza agente sul cavo. La prima sfrutta la misura del vento e assicura che il controllore del verricello segua il profilo di velocità di avvolgimento desiderato. La seconda implementazione non si basa sulla misura del vento, che spesso è inaffidabili e perciò non adatta alle applicazioni reali. La traiettoria in termini di elevazione ed azimut ottimale per la Transizione 1 al variare della velocità del vento è stata calcolata sulla base di una routine di ottimizzazione non lineare che mira a massimizzare la potenza media del ciclo del kite. La soluzione trovata ha permesso di ottenere anche valori ottimali per le velocità di arrotolamento e srotolamento, ottenendo così migliori prestazioni complessive del ciclo e aumentando l'efficienza del sistema. L'obiettivo iniziale è stato quindi raggiunto, fornendo nuovi risultati rispetto allo stato dell'arte, in cui la fase di transizione non è stata ben esplorata.