Automatic control solutions to enhance the reliabilty of airborne wind energy systems

Airborne wind energy (AWE) is a technology that captures wind energy and transforms it into electricity using a flying apparatus connected through a tether to the ground. It holds substantial promise in working in conjunction with traditional wind turbines to mitigate CO2 and other greenhouse gas emissions, thus combating global warming. However, more research is required to optimize the use of AWE technology; Given the current status of AWE technology, there are significant challenges to its successful implementation that must be addressed. These challenges include 1) ensuring fully autonomous operation even beyond standard operating conditions and 2) enhancing the system’s robustness and failure tolerance. This thesis introduces strategies to enable autonomous operation beyond nominal operation condition, and to increase system reliability by applying fault tolerance control (FTC) for Airborne Wind Energy Systems (AWES). Specifically, this study introduces FTC algorithms tailored for Vertical Take-Off and Landing (VTOL) pumping cycle AWES, the method has been tested in a verified simulation environment, a control surface failure has been injected at different points during the production phase, and the proposed FTC algorithm effectively maintained system performance. Additionally, a "standby" safety mode is proposed for operating AWES outside its nominal operational conditions; this mode notably enables AWES to function when wind speeds fall below the operational cut-in point, the method has been tested in verified simulator in wind speed from 0 to 12 m/s, the results indicate that the method successfully kept the kite aloft even at 0 m/s wind speed, and shows reliable performance in higher wind speed. Moreover, in this research the developed AWES simulator has been validated using experimental data, which is considered one of the contributions of this research given the limited availability of validated simulators in the AWE domain. This simulator is considered a crucial instrument for exploring AWES failure modes and assessing the corresponding mitigation strategies.

Energia eolica aeronautica (AWE) è una tecnologia che cattura l'energia del vento e la trasforma in elettricità attraverso un apparato volante collegato al suolo tramite un cavo. Questa tecnologia presenta notevoli opportunità per integrarsi con le turbine eoliche tradizionali al fine di mitigare le emissioni di CO2 e di altri gas serra, contribuendo così alla lotta contro il riscaldamento globale. Tuttavia, è necessaria ulteriore ricerca per ottimizzare l'uso della tecnologia AWE; data l'attuale stato della tecnologia AWE, esistono sfide significative per la sua attuazione di successo che devono essere affrontate. Queste sfide includono: 1) garantire un funzionamento completamente autonomo anche al di fuori delle condizioni operative standard e 2) migliorare la robustezza del sistema e la tolleranza ai guasti. Questa tesi introduce strategie per abilitare il funzionamento autonomo oltre le condizioni operative nominali e per aumentare l'affidabilità del sistema mediante l'applicazione del controllo della tolleranza ai guasti (FTC) per i sistemi di energia eolica aeronautica (AWES). In particolare, questo studio presenta algoritmi FTC progettati per i cicli di pompaggio di sistemi AWES a decollo e atterraggio verticale (VTOL); il metodo è stato testato in un ambiente di simulazione verificato, in cui è stato iniettato un guasto della superficie di controllo in diversi momenti durante la fase di produzione, e l'algoritmo FTC proposto ha mantenuto efficacemente le prestazioni del sistema. Inoltre, viene proposto un "modo di sicurezza" in stato di attesa per operare gli AWES al di fuori delle loro condizioni operative nominali; questo modo consente notevolmente agli AWES di funzionare quando la velocità del vento scende al di sotto del punto di avviamento operativo. Il metodo è stato testato in un simulatore verificato con velocità del vento da 0 a 12 m/s; i risultati indicano che il metodo ha mantenuto con successo il kite in volo anche a 0 m/s di velocità del vento, mostrando prestazioni affidabili a velocità del vento più elevate. Inoltre, in questa ricerca, il simulatore AWES sviluppato è stato validato utilizzando dati sperimentali, il che è considerato uno dei contributi di questa ricerca, data la limitata disponibilità di simulatori validati nel dominio AWE. Questo simulatore è considerato uno strumento cruciale per esplorare i modi di guasto degli AWES e valutare le corrispondenti strategie di mitigazione.