A preliminary study of the dynamics of an Airborne Wind Energy system using an object-oriented numerical model

Airborne Wind Energy (AWE) represents a promising frontier in renewable energy, levering high-altitude winds to generate power. Among the various AWE systems, those utilizing rigid wings are particularly notable for their potential to achieve high efficiency and stability. These systems typically involve a tethered rigid wing that captures wind energy at altitudes where winds are stronger and more consistent than those accessible by traditional wind turbines. This thesis presents a comprehensive study on the trim and dynamic behavior of a rigid wing system designed for Airborne Wind Energy (AWE) applications. The research encompasses the development of a six-degree-of-freedom flight dynamics model, utilizing advanced object-oriented programming techniques. A key feature of this study is the implementation of a sophisticated non-linear trim problem solver, which meticulously accounts for the influence of the tether on the trim conditions. The introduction of new state variables, determined by the kite’s position, plays a pivotal role in refining the trim problem. The tether is modeled as a system that includes elements of a linear spring, mass, and aerodynamic drag. The analysis focuses on a trim configuration where the rigid wing system remains stationary in a uniform wind field. The physical principles and robustness of the trim condition are endorsed through a parametric analysis, varying critical parameters such as tether length, wind speed, and the tether connection point. Additionally, a preliminary eigenanalysis of the Airborne Wind Energy System (AWES) is conducted to evaluate the stability of the system in the absence of the tether. The dynamic behavior of the kite is further examined within a comprehensive non-linear simulation environment, considering fixed control inputs and varying the stiffness of the spring representing the tether. The power spectral density (PSD) analysis is employed as a diagnostic tool to elucidate the physical characteristics of the signals derived from the dynamic simulations. The findings of this thesis underscore the potential of the developed numerical model to estimate the dynamic modes of the aircraft. This capability suggests that the model can effectively utilized for conceptual design, as well as for assessing the dynamic stability and control of tethered aircraft systems

L’energia eolica d’alta quota (Airborne Wind Energy, AWE) rappresenta una promettente frontiera nel campo delle energie rinnovabili, sfruttando i venti ad alta quota per generare energia. Tra i vari sistemi AWE, quelli con ali rigide sono noti per il loro potenziale di raggiungere alta efficienza e stabilità, catturando l’energia del vento a quote dove i venti sono più forti e costanti rispetto alle turbine eoliche tradizionali. Questa tesi presenta uno studio sul comportamento di trim e dinamico di un sistema ad ala rigida progettato per applicazioni di energia eolica d’alta quota. La ricerca comprende lo sviluppo di un modello di dinamica del volo a sei gradi di libertà, utilizzando tecniche avanzate di programmazione orientata agli oggetti. Una caratteristica chiave di questo studio è l’implementazione di un risolutore di problemi di trim non lineare, che tiene conto dell’influenza del cavo. L’introduzione di nuove variabili di stato, determinate dalla posizione del kite, gioca un ruolo cruciale nel problema di trim. Il cavo è modellato come un sistema che include elementi di molla lineare, massa e resistenza aerodinamica. L’analisi si concentra su una configurazione di trim in cui il sistema ad ala rigida rimane stazionario in un campo di vento uniforme. I principi fisici e la robustezza del risolutore di trim sono supportati da un’analisi parametrica, variando parametri critici come la lunghezza del cavo, la velocità del vento e il punto di connessione tra cavo e kite. Inoltre, è stata condotta un’analisi preliminare degli autovalori per valutare la stabilità del sistema in assenza del cavo. Il comportamento dinamico del kite è esaminato in un ambiente di simulazione non lineare completo, considerando comandi fissati e variando la rigidezza della molla del cavo. L’analisi della densità spettrale di potenza (PSD) è impiegata come strumento diagnostico per chiarire le caratteristiche fisiche dei segnali delle simulazioni dinamiche. I risultati evidenziano il potenziale del modello numerico per stimare i modi dinamici dell’aeromobile e può essere utilizzato efficacemente per la progettazione concettuale, nonchè per valutare la stabilità dinamica e il controllo dei sistemi di aeromobili vincolati.