Design of a kite launch and retrieval system for a pumping high altitude wind power generator

Abstract

Airborne Wind Energy (AWE) is currently one of the most challanging topics in wind energy. Due to the little amount of material it is possible to reach low energy costs and a low environmental impact. Kites are perfect wings to gain AWE due to its good flight quality and a high surface to mass ratio. However, a good and cheap launch and retrieval system for automated kite usage has not been designed, yet. This thesis aims to analyze the properties which influence the launch and retrieval of a Leading Edge Inflatable (LEI) Kite and to design a complete launch and retrieval system for the automated launch and retrieval of a 100m2 LEI Kite. This thesis starts from close to the scratch. It develops requirement for a launch and retrieval system to later check the quality of different possible systems. It finds out that systems like balloons or UAVs fit the best to the requirements, however, they are not reliable enough in strong wind. Hence an aluminum truss mast is build as prototype to investigate the behavior of the kites during an upside down launch. As the results are auspicious the launch is mathematically analyzed. To create a final design the current kite is scaled up to 100m2. By using the upscaled forces and dimensions it designs - a mast construction - a foundation for on- or offshore applications - a function to store, protect and control the kite during idle time Furthermore it gives a first impression on the dimensions of bearings and engines which are necessary for the system. By scaling up known data and using current price of steel and concrete a price for the system is estimated. It is proven by field tests that the upside down launch is possible with a wind speed of approximately 4m/s and that higher wind speed is profitable for the launch. Analysis showed that the final design is safe in case of extreme temperature, long durability and high wind up to the 50 years gust. Furthermore the CO2 emission per kWh of the final design can be decreased down to 11gCO2/kWh in good conditions.

Seit wenigen Jahren ist Flugwindenergie eines der herausfordernsten Themen im Bereich der Windenergie. Besonders attraktiv ist hierbei, dass durch geringen Materialaufwand geringe Energiepreise Umweltbeeinflussungen erreicht werden können. Kites sind auf Grund ihrer guten Flugeigenschaften und ihrem hohen Fläche-Masse-Verhältnis für die Erzeugung von Hochwindenergie besonders geeignet, jedoch ist bisher noch keine gute und günstige, automatische Start- und Landevorrichtung entwickelt worden. Diese Diplomarbeit untersucht die Komponenten welche den Start- und Landevorgang eines Leading Edge Inflatable (LEI) Kites beeinflussen und konzipiert eine Start- und Landevorrichtung für einen 100m2 LEI Kite. Diese Diplomarbeit startet sprichwörtlich auf einem leeren Blatt Papier. Obwohl bereits Kenntnisse über Start- und Landevorrichtungen vorhanden sind soll diese Arbeit unvoreingenommen angegangen werden. Daher werden zuerst Anforderungen an die Start- und Landevorrichtung gesammelt um später verschiedene Systeme auf ihre Tauglichkeit hin zu untersuchen. Es stellt sich heraus, dass unbemannte Flugobjekt am besten zu den Anforderungen passen, jedoch sind diese Systeme bei starkem Wind unbrauchbar. Daher wird ein Mast aus Aluminium-Traversen als Prototyp entworfen. Mit Hilfe des Prototyps soll das Verhalten von Kites bei einem Start aus der kopfüber hängenden Position getestet werden. Da die Resultate vielversprechend sind wird dieser Vorgang mathematisch untersucht. Um das endgültige Design zu entwerfen wird der momentane Kite auf 100m2 skaliert. Mit den daraus gewonnenen Längen und Kräften wird das entsprechende System entworfen. Der Schwerpunkt hierbei liegt auf - einer Mastkonstruktion - einem Fundament für On- bzw. für Offshore-Anwendungen - einer Funktion, die den kite während Warteperioden schützt und kontrolliert Außerdem werden die groben Anforderungen an weitere wichtige Teile wie zum Beispiel Lager und Motoren gestellt. Zuletzt wird ein Preis abgeschätzt, welcher auf aktuellen Rohmaterial-Preisen beruht. Es wird in Feldtests gezeigt, dass ein Start aus der kopfüber hängenden Position bei einer Windgeschwindigkeit von 4m/s möglich ist. Stärkerer Wind wirkt sich vorteilhaft für den Start aus.