Published November 29, 2018 | Version v1
Miscellaneous Restricted

Magnus Based Airborne Wind Energy Systems

Description

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 availability of the sites, 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 one of the solution 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 they are easier to install both on shore and off-shore, and also the high altitude wind currents are more uniform across the globe. Also, the proposed AWE systems require less structural material. Thus, they are expected to be much cheaper than any other available energy source. 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. In this work the aerodynamic properties of the Magnus effect including the aerodynamic model for such systems is discussed in detail. 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. (author)

Abstract (French)

Le siecle dernier a ete le siecle de la revolution technologique, et les combustibles fossiles ont alimentes cette revolution technologique. Les defis auxquels notre societe est confrontee, que ce soit le changement climatique, la situation energetique mondiale ou l'epuisement des reserves de combustibles fossiles, sont les defis les plus graves que l'homme n'ait jamais rencontres. L'energie renouvelable est consideree comme la cle des problematiques energetiques de notre societe et de nombreuses technologies innovantes se font concurrence pour alimenter la prochaine revolution energetique. Les sources d'energies renouvelables telles que l'energie solaire, l'energie eolienne, la biomasse, l'energie hydroelectrique, l'energie geothermique, etc, bien que prometteuses, en raison du cout economique eleve et de la disponibilite limitee des gisements, doivent encore prouver leur pertinence a grande echelle. Presque tous sont saisonniers, et sont donc des sources d'energie discontinues et non uniformes. Elles ont egalement une limitation en termes de choix des sites de production et, en general, necessitent de grandes etendues de terre pour les implanter, ce qui conduit a une faible densite de puissance par unite de surface. Neanmoins, les energies eolienne et solaire ont beaucoup attire l'attention au cours des dernieres decennies. Cependant, pour que le monde passe completement des energies fossiles et nucleaires a l'energie eolienne et solaire, il est necessaire de developper de nouveaux types de systemes capables de generer de l'energie a moindre cout et avec moins de contraintes d'implantation. Dans cette quete de sources d'energies perennes, notre societe se tourne vers la communaute scientifique pour trouver des solutions innovantes et cette these en est une etape. Les systemes d'energie eolienne a haute altitude (HAWE), plus communement appeles systemes eoliens aeroportes (AWES) sont consideres comme l'une des solutions aux besoins energetiques des generations futures. L'energie eolienne aeroportee (AWE) est un concept innovant visant a utiliser l'energie du vent a haute altitude, car ces systemes sont plus faciles a installer sur terre et en mer. De plus, le vent a haute altitude est plus fort et plus stable. Enfin, les systemes AWE proposes necessitent moins de materiaux de structure et devraient donc etre beaucoup moins chers que toute autre source d'energie disponible. L'energie du vent a haute altitude est donc une perspective prometteuse dans cette quete pour trouver une solution a nos problemes energetiques. Dans ce travail, la faisabilite des systemes d'energie eolienne aeroportes bases sur l'effet Magnus est exploree. Le travail presente un bref historique des systemes d'energie eolienne aeroportes et des concepts de base necessaires pour developper une comprehension de la technologie AWE. Il examine en detail les systemes aeroportes bases sur l'effet Magnus et donne une perspective historique sur les machines basees sur cet effet. Il examine en detail les proprietes aerodynamiques de l'effet Magnus et presente un modele aerodynamique pour ces systemes, la modelisation etant un aspect important de toute technologie. Ce travail presente un modele detaille des systemes AWE bases sur l'effet Magnus ainsi que les algorithmes de controle necessaires au fonctionnement de tels systemes. Les courbes de puissance sont des outils couramment utilises pour analyser les systemes d'energie eolienne. Ce travail presente une approche pour la conception de courbes de puissance pour les systemes AWE afin d'analyser les capacites de production d'energie des eoliennes aeroportees. (auteur)

Files

Restricted

The record is publicly accessible, but files are restricted to users with access.

Additional details

Additional titles

Original title (English)
Systeme eolien aeroporte: Controle et experimentation

Publishing Information

Imprint Pagination
138 p.
Report number
FRNC-TH--13530

Optional Information

Notes
137 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses