Kite dynamics and wind energy harvesting

Conventional wind energy is generated using wind turbines. The global installed power has grown significantly in the last decades and the industry is constantly going towards taller towers and larger rotors to both increase the power output of the generator and capture the more powerful and steady winds available at higher altitudes. By contrast, high altitude wind power refers to newer methods to exploit high altitude winds by using, for example, a tethered airfoil, namely a kite, to pull on a rope and transmit a force to the ground. The force, combined with the velocity of reeling out the cables, eventually produces electrical power. Several industrial players around the world have developed high altitude wind concepts and they are now seeking commercial MW scale power plants. This thesis describes a simulator that uses multibody dynamics, Vortex Lattice Method (VLM) aerodynamics and other models to fully simulate a kite-cables system for high altitude wind power. The VLM simulator was written from scratch and it is a flexible an powerful tool that is capable of investigating the effects of several parameters, such as kite geometry and wind profile. An application of the kite simulator is also developed. The performance improvements due to the optimization of cables aerodynamics are investigated with the kite simulator. The results show that a substantial increase in power output can be achieved by using aerodynamic cables instead of standard cables.

L'energia eolica proviene convenzionalmente da turbine ad asse orizzontale composte da una torre e da un rotore. Negli ultimi anni, questo settore ha visto una grande crescita e i nuovi aerogeneratori hanno dimensioni sempre crescenti al duplice scopo di aumentare la potenza prodotta e catturare i venti più forti e stabili che caratterizzano le alte quote. L'eolico d'alta quota si riferisce invece a dei nuovi metodi di sfruttamento dell'energia del vento che fanno uso, ad esempio, di un profilo alare, ovvero un kite, sostenuto da una o più funi. Il kite vola velocemente e trasmette a terra la propria portanza aerodinamica attraverso le funi. Le funi vengono gradualmente srotolate dai tamburi su cui sono avvolte. La velocità di avanzamento delle funi combinata alla forza di trazione su di esse permette la generazione di potenza elettrica. Ad oggi, diverse aziende nel mondo stanno sviluppando questo tipo di tecnologie e alcuni di loro puntano ora a commercializzare macchine sulla scala dei megawatt. Questa tesi descrive un simulatore basato su un modello dinamico multicorpo combinato ad una aerodinamica a reticolo di vortici. Il simulatore è stato scritto per intero appoggiandosi a dei software commerciali ed open-source. Si tratta di uno strumento flessibile e potente che consente di indagare numerose variabili di un sistema eolico di alta quota come ad esempio la geometria del kite e il profilo del vento. In ultimo, la tesi descrive un esempio di analisi effettuata grazie al simulatore, ovvero la stima di incremento di prestazioni dovuta all'utilizzo di cavi dal profilo aerodinamico anziché a sezione circolare. I risultati mostrano un sostanziale incremento della potenza generata.