Technical evaluation and modelling of a cross wind kite based on Loyd's model
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| Data de Publicação: | 2018 |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Idioma: | eng |
| Título da fonte: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| Texto Completo: | http://hdl.handle.net/10451/35504 |
Resumo: | Tese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2018 |
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Technical evaluation and modelling of a cross wind kite based on Loyd's model“M600” MakaniMiles LoydEnergia eólica de alta altitudeSimulinkEnergia renovávelTeses de mestrado - 2018Departamento de Engenharia Geográfica, Geofísica e EnergiaTese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2018Ao longo do seu desenvolvimento, o ser humano sempre necessitou de recorrer a fontes de energia para satisfazer as suas necessidades básicas, quer na forma de calor ou trabalho. As fontes de energia renováveis que tal como o nome indica, são fontes inesgotáveis e sem qualquer tipo de emissões poluentes para o ambiente, surgiram como uma alternativa às fontes de energia de origem fóssil (petróleo, gás natural e carvão) e nuclear. Alguns exemplos destas fontes de energia renovável são: vento, sol, biomassa, ondas e marés, hídrica e geotermia. A energia que potencialmente pode ser gerada pelo vento seria suficiente para suprir toda a procura energética no mundo (entre 81-118 PWh/ano). No entanto, este potencial nem sempre é aproveitado devido a certas restrições, como a localização do parque eólico ou a limitação da altura das turbinas. As tecnologias para geração de energia eólica a altas altitudes, com cotas superiores a 100 metros, pretendem minimizar parte desses problemas, uma vez que a estas alturas o vento sopra com maior velocidade. A principal preocupação é entender se estas tecnologias também podem competir com as turbinas eólicas convencionais em termos de produção de energia, com melhor relação qualidade-custo. Este tipo de tecnologia tem o potencial de reduzir o custo de investimento, porque tem uma estrutura menos complexa do que uma turbina convencional e aumenta a energia produzida, acedendo a lugares de maior potencial eólico, o que resulta num menor custo unitário de energia. No entanto, é preciso ter em conta que o preço por kilograma do material tipicamente utilizado nestas tecnologias, a fibra de carbono, é bastante superior ao preço do aço utilizado na construção das estruturas das turbinas eólicas. No protótipo criado pela Makani, alega-se um custo unitário de energia de 0.026 €/kWh, um valor consideravelmente menor quando comparado com o de uma turbina convencional de 2.5 MW que ronda os 0.078 €/kWh. A principal objetivo desta dissertação é avaliar o potencial energético que é possível atingir com o protótipo “M600”, desenhado pela Makani. Esta tecnologia tem como base um planador com 26 metros de envergadura com oito pequenos rotores dispostos ao longo das suas asas. Estes rotores ao serem atravessados pelo vento, produzem energia sendo esta transmitida para uma estação no solo através de um cabo condutor elétrico com cerca de 400 metros. A fibra de carbono que constitui o corpo do planador concede lhe uma alta resistência à tração, e um baixo peso que favorece as suas manobras durante o voo. O cabo condutor elétrico, revestido também por fibra de carbono, apresenta no seu interior alumínio, um material com uma baixa impedância elétrica, sendo por isso um bom condutor elétrico, garantindo que as perdas de energia na sua transmissão são mínimas. O planador arranca do seu ponto inicial, com o plano das asas em posição vertical e com os rotores a trabalharem como propulsores para fazê-lo levantar voo, consumindo energia elétrica. O sistema ascende, e quando o cabo está completamente estendido, este entra no modo de voo livre, descrevendo uma trajetória circular restringida pelo comprimento do cabo. Neste modo de voo, os rotores funcionam como geradores que convertem o poder do vento em energia elétrica. Quando o vento não é suficiente para o dispositivo se manter no ar, ou por qualquer outro motivo este tem de aterrar, o sistema muda novamente o seu modo de voo, para poder aterrar no solo. Durante as fases de arranque e aterragem do sistema, a energia consumida é uma pequena fração da energia que é produzida no modo de voo livre. Para simular a operação e o comportamento deste equipamento, foi implementado um modelo numérico, proposto por Miles L. Loyd no seu artigo de 1980 "Crosswind Kite Power", com o auxílio do programa informático Simulink. No modelo proposto por Loyd, os seus cálculos foram realizados tendo como base um avião militar com 68 metros de envergadura e cerca de 230 toneladas. Numa primeira aproximação, a simulação em Simulink foi testada nas mesmas condições que as do modelo criado por Loyd, até os resultados da simulação se aproximarem dos obtidos por ele mesmo. Após isto acontecer, o modelo foi testado tendo com os valores do protótipo da Makani, o “M600”, para se poder estudar o seu comportamento. Com esta simulação foi possível concluir que o “M600” descreve um trajeto circular com um tamanho da órbita de 0.4 radianos, a uma velocidade de aproximadamente 98.7 m/s, variando entre altitudes de 75 até 363 metros. Foi criado também um modelo do vento baseado numa Lei de Potência com a velocidade deste a oscilar entre 8.66 e 10.86 m/s. Esta simulação permitiu ainda concluir que este protótipo teria uma potência média à saída de 0.598 MW aquando da realização de três ciclos completos de rotação, valor bastante próximo da potência nominal do “M600”: 0.6 MW. Verificou-se ainda que em alguns momentos a potência registada à saída excedia a potência nominal, pelo que os geradores poderão ter de ser sobredimensionados para aceitar estes valores, uma vez que de outra forma estariam a desperdiçar energia. Alternativamente, este fenómeno pode ser controlado com arrasto adicional provocado por flaps nas asas ou pelos próprios rotores, que levam a uma redução da potência média por ciclo. Este processo deve ser assegurado por controladores abordo do sistema. A tensão máxima criada no cabo pelo planador foi de aproximadamente 486 kN, sendo este capaz de suportar estas tensões. Na realização desta dissertação não foi possível prever de forma concreta o comportamento do controlador do movimento do planador recorrendo a um PID (controlador Proporcional Integral Derivativo). Apesar desta hipótese ter sido testada, os seus resultados foram inconclusivos, com o planador a descrever uma trajetória bastante irregular, inclusivamente atravessando o solo com o registo de cotas negativas. Tendo por base o artigo de Loyd, este controlador é definido como a tangente do ângulo de rolamento, que representa a rotação realizada em torno do eixo longitudinal do planador. Para esse fim, foi feita uma aproximação deste ângulo forçando o planador a descrever um movimento circular uniforme a uma velocidade constante, variando este ângulo entre -7 e 47 graus nos pontos de maior e menor cota respetivamente. Nos pontos médios da ascensão e descida, à mesma cota, quando este está perfeitamente perpendicular à direção vento, o ângulo de rolamento foi considerado zero. Após vários testes, a velocidade constante de rotação para o qual os resultados obtidos mais se aproximavam aos obtidos por Loyd, foi a de 5.5 RPM, com menores erros relativos registados. O facto de o planador descrever uma velocidade constante pode trazer algumas incertezas ao modelo, impossibilitando o cálculo de algumas características desta tecnologia como a curva de potência ou o fator de capacidade. No entanto fica em aberto um futuro estudo para poder prever o comportamento de um controlador mais elaborado num eixo com seis graus de liberdade.The potential energy that can be generated by wind should be sufficient to supply all the energy demand in the world (between 81-118 PWh /year). However, this potential is not always harnessed due to certain constraints such as the location of the wind farm and the limitation of turbine heights. The technologies for wind power generation at high altitudes, with heights higher than 100 meters, intend to settle some these problems. The main concern is to understand if these technologies can also compete with the conventional wind turbines in terms of energy production, with better cost-quality relation. This type of technology has the potential to reduce the investment cost, due to a less complex structure than a conventional turbine, and increase the energy produced accessing to higher wind potential places, resulting in a lower levelized cost of energy. For Makani’s prototype, a levelized cost of energy of 0.026 € / kWh is claimed, a considerably lower value when compared to a conventional 2.5 MW turbine that is around 0.078 € / kWh. The main objective for the development of this dissertation is to evaluate the energy potential that can be achieved with the “M600” Makani prototype. This technology is based on a crosswind kite that produces energy through mini rotors placed on-board the kite. This energy is transmitted to a ground station through an electric conductor tether. To simulate the operation and the behaviour of this equipment was implemented with the help of Simulink software, the numerical model proposed by Miles L. Loyd in his article “Crosswind Kite Power”. After this simulation was possible to conclude that this prototype describes a circular path with an orbit size of 0.4 radians, at a velocity of approximately 98.7 m/s, varying between altitudes of 75 and 363 meters. A wind model was also created based on a Power Law, with the wind oscillating between 8.66 and 10.86 m / s. This simulation also led to the conclusion that this prototype would have an average power output of 0.598 MW after three complete cycles of rotation were performed, a value similar to the 0.6 MW of nominal power of the “M600”. The peak tether tension was approximately 486 kN, being able to withstand the proposed stresses. In this dissertation realization wasn’t possible to predict concretely the controller behaviour of the kite movement using a PID, since the results were inconclusive. Based on Loyd’s article, this controller was defined as the role angle’s tangent, so an approximation of this angle was made forcing the kite to describe the desired motion at a constant speed of 5.5 RPM per cycle. This factor can bring some uncertainties to the model and makes it impossible to calculate some characteristics of this technology as the power curve or the capacity factor, however a future study is still open to be able to predict this controller behaviour.Duarte, Tiago MendesSilva, Fernando Marques da, 1955-Repositório da Universidade de LisboaLourenço, Nuno Miguel França Sena2018-11-27T15:40:00Z201820182018-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/35504TID:202185346enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:31:30Zoai:repositorio.ul.pt:10451/35504Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:49:58.835566Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse |
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