Magnus Based Airborne Wind Energy Systems

par Yashank Gupta

Thèse de doctorat en Automatique - productique

Sous la direction de Ahmad Hably.

Le président du jury était Frédéric Boyer.

Le jury était composé de Jonathan Dumon, Mazen Alamir.

Les rapporteurs étaient Alexandre Trofino, Lorenzo Fagiano.

  • Titre traduit

    Système éolien aéroporté : Contrôle et expérimentation


  • Résumé

    Le siècle dernier a été le siècle de la révolution technologique. Les combustibles fossiles ont alimenté cette révolution technologique. Les défis auxquels notre société est confrontée, que ce soit le changement climatique ou la situation énergétique mondiale ou l’épuisement des réserves de combustibles fossiles, sont les défis les plus graves auxquels sont confrontés toutes les générations. L'énergie renouvelable est considérée comme la clé des problèmes énergétiques de notre société. De nombreuses technologies innovantes se font concurrence pour alimenter la prochaine révolution énergétique. Sources d'énergies renouvelables telles que l'énergie solaire, l'énergie éolienne, la biomasse, l'hydroélectricité, l'énergie géothermique, etc. Presque tous sont saisonniers, et sont donc des sources d'énergie discontinues et non uniformes. Ils ont également une limitation en termes de choix des sites de production et, en général, nécessitent de grandes étendues de terre pour les plantes, ce qui conduit à une faible densité de puissance par unité de surface.Néanmoins, l'énergie éolienne et solaire a beaucoup attiré l'attention au cours des dernières décennies. Cependant, pour que le monde passe complètement des énergies fossiles et de l’énergie nucléaire à l’énergie éolienne et solaire, il est nécessaire de développer de nouveaux types de systèmes capables de générer de l’énergie à moindre coût avec moins de contraintes de sélection de sites.Dans la quête de la source d'énergie pérenne. Notre société se tourne vers la communauté scientifique pour des solutions innovantes. Cette thèse est une étape vers la recherche de solutions innovantes à nos problèmes énergétiques. Les systèmes d'énergie éolienne à haute altitude (HAWE) ou plus communément appelés systèmes éoliens aéroportés (AWES) sont considérés comme la réponse aux besoins énergétiques des générations futures. L'énergie éolienne aéroportée (AWE) est un concept innovant visant à utiliser l'énergie des courants de vent à haute altitude, car les courants de vent à haute altitude sont presque uniformes dans le monde entier et AWES peut pratiquement être installé partout dans le monde. De plus, les systèmes AWE proposés nécessitent moins de matériau de structure. Ils devraient donc être beaucoup moins chers que toute autre source d’énergie disponible. AWE est donc une perspective prometteuse dans cette quête pour trouver une solution à nos problèmes énergétiques.Dans ce travail, la faisabilité des systèmes d'énergie éolienne aéroportés basés sur Magnus est explorée. Le travail présente en détail un bref historique des systèmes d'énergie éolienne aéroportés et des concepts de base nécessaires pour développer une compréhension de la technologie AWE. Il examine en détail les systèmes aéroportés basés sur Magnus et donne une perspective historique sur les machines basées sur l’effet Magnus. Il présente en détail les propriétés aérodynamiques de l’effet Magnus et présente un modèle aérodynamique pour ces systèmes. Puisque la modélisation est un aspect important de toute technologie. Ce travail présente un modèle détaillé des systèmes AWE basés sur Magnus ainsi que les algorithmes de contrôle nécessaires au fonctionnement de tels systèmes. Les courbes de puissance sont des outils couramment utilisés pour analyser les systèmes d'énergie éolienne. Ce travail présente une approche pour la conception de courbes de puissance pour les systèmes AWE afin d'analyser les capacités de production d'énergie des systèmes d'énergie éolienne aéroportés.


  • Résumé

    Last century has been the century of the technology revolution. Fossil fuels have fueled this technology revolution. The challenges faced by our society be it the climate change or the world energy situation or the depletion of fossil fuel reserves are the most grievous challenges faced by any generation. Renewable energy is believed to be the key to energy problems of our society. There are many innovative technologies competing against each other to fuel the next energy revolution. Renewables sources of energies such as solar, wind, biomass, hydropower, geothermal etc. Though promising but due to the high economic cost and limited application they are yet to prove their mass scale applicability. Almost all of them are seasonal, hence, are discontinuous and non-uniform sources of energy. They also have a limitation in terms of choice of plant sites, and generally, require large tracts of land for plants which lead to low power density per unit area.Nonetheless, Wind and Solar energy have attracted a lot of attention in the last few decades. However, for the world to fully shift from fossil fuels and nuclear energy to Wind and Solar power, it is necessary to develop new kind of systems which can generate continuous power at a lower cost with fewer site selection constraints.In the quest to find the perennial clean source of energy. Our society is looking towards the scientific community for innovative solutions. This thesis is one such step towards finding innovative solutions to our energy problems. High altitude wind energy systems (HAWE) or more commonly known as Airborne wind energy systems (AWES) are believed to be the answer to the energy needs of the future generations. Airborne wind energy (AWE) is an innovative concept aiming at utilizing the energy of the high altitude wind currents, as high altitude wind currents are almost uniform across the globe, and AWES can be practically set-up anywhere around the world. Also, the proposed AWE systems require less structural material. Thus, they are expected to be much cheaper than any other available energy source. Therefore, AWE is a promising prospect in this quest to find a solution to our energy problems.In this work, the feasibility of Magnus-based airborne wind energy systems is explored. The work presents in detail a brief history of Airborne wind energy systems and the basic concepts needed to develop an understanding about the AWE technology. It discusses in detail Magnus-based airborne systems and gives a historical perspective on the Magnus-effect based machines. It discusses in detail the aerodynamical properties of the Magnus effect and presents an aerodynamic model for such systems. Since modeling is an important aspect of any technology. This work presents a detailed model of the Magnus-based AWE systems along with the control algorithms required for the operation of such systems. A common tool used to analyze wind-based energy systems is power curves. This work presents an approach to design power curves for AWE systems in order to analyze the power producing capabilities of Airborne wind energy systems.


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