Preliminary analysis of an autorotational Airborne Wind Energy system

Autorotation has been a well-known principle for a century, when, at the beginning of the twentieth century, Juan de la Cierva began studying it for the construction of the first rotary-wing aircraft: the gyroplane. Autorotation is a phenomenon whereby a rotor, hit by a relative wind, is able to generate lift and torque applied to the shaft. This phenomenon is widely used in the aeronautical field: it is the basis of the gyroplane and it is also exploited by helicopters, in case of engine failure, to slow down the descent. These are not the only applications, in fact, starting from 1980, it was taken up by Roberts [1] who proposed its use for the production of electricity by exploiting the winds at high altitudes. This thesis is based on the Roberts’ idea and is part of the Airborne Wind Energy (AWE) world, which includes all the technologies for the production of electricity. Despite the advantages of autorotational AWE, there are no data in literature regarding rotor powers, weights and dimensions that characterize this system. In this context, this thesis is intended with the aim of reducing this lack of data in the literature and providing greater interest in such technology. In particular, the aim is to identify the weight and size of the rotor required to produce three different electrical power: 5, 30 and 100 kW. These values represent the typical powers of the most popular AWE systems (Kitemill of 5.5 and 100 kW [2, 3], Skypull of 25 kW [4] and SkySails of 200 kW [5]). They are also chosen to explore the parameters required to obtain powers on a scale of two orders of magnitude. For this purpose, at first, the model of autorotation, developed by Rimkus and Das [6], is described; then the structural model is developed. This model is very simple and was created specifically for the study of a system with two counter-rotating rotors connected by a beam which in turn is constrained to the ground. This simple model is used to perform a parametric analysis with approximately 200 000 different designs. Finally, the data produced by this analysis are used to obtain general indications about the effects of the design variables on the power and on the wind speed required for steady state operation. This indications are then used to extract a design for each of the three power sizes which in turn are studied in greater detail in order to introduce further improvements.

L’autorotazione è un principio ben noto da ormai un secolo, quando, a inizio Novecento, Juan de la Cierva iniziò a studiarlo per la realizzazione del primo velivolo ad ala rotante: l’autogiro. L’autorotazione è un fenomeno per cui, un rotore, investito da un vento relativo, è in grado di genereare portanza e una coppia all’albero. Questo fenomeno, largamente utilizzato in campo aeronautico, è alla base dell’autogiro ed è anche sfruttato dagli elicotteri, in caso di avaria del motore, per rallentarne la discesa. Queste non sono le uniche applicazioni, infatti, a partire dal 1980, venne ripreso da Roberts [1] che ne propose l’utilizzo per la produzione di energia eolica. Questa tesi è basata sull’idea di Roberts e si colloca nel settore di Airborne Wind Energy (AWE) che comprende tutte quelle tecnologie che sfruttano i venti ad alta quota per la produzione di energia elettrica. Nonostante i vantaggi di un sistema AWE autorotazionale, questa tecnologia è stata poco studiata e, in letteratura, non sono presenti dati riguardanti potenze, pesi o dimensioni dei rotori tipici di tale sistema. In questo contesto, si colloca quindi questa tesi con l’obiettivo di ridurre la mancanza di informazioni e suscitare nuovo interesse per questa tecnologia. In particolare, l’obbiettivo consiste nel determinare il peso e la dimensione dei rotori di 3 diverse configurazioni da 5, 30 e 100 kW di potenza, valori tipici dei più diffusi sistemi AWE (Kitemill da 5.5 e 100 kW[2, 3], Skypull da 25 kW[4] e Skysails da 200 kW[5]). Oltre a ciò, queste tre configurazioni sono state scelte per esplorare i parametri richiesti per ottenere potenze su una scala di 2 ordini di grandezza. Si inizia, quindi, descrivendo il modello aerodinamico di autorotazione, introdotto da Rimkus e Das [6]. In seguito, il modello strutturale è sviluppato appositamente per un sistema con due rotori controrotanti, collegati da una trave, e vincolato a terra tramite un cavo. Questo semplice modello, è poi utilizzato per eseguire un’analisi parametrica che include circa 200 000 diversi design. Infine, i dati prodotti sono usati per ottenere indicazioni di massima, riguardo l’influenza dei parametri di progetto, su potenza e velocità del vento richiesta. Queste informazioni, sono poi utilizzate per estrarre un design per ciascuna delle tre taglie di potenza, ed in seguito, analizzate in dettaglio al fine di introdurre ulteriori miglioramenti.