Les cerf-volants existent depuis l'Antiquité, mais leur utilisation comme moyen de récupération de l'énergie éolienne est relativement récente. Pourtant, leur légèreté et leur capacité à aller chercher les vents forts et réguliers en altitude en font un dispositif compétitif pour produire de l'électricité ou pour tracter des navires commerciaux. En effet, un cerf-volant peut espérer produire plus de $10$ kW.m$^{-2}$. Cela implique qu'un cerf-volant de $1000$ m$^2$ pourrait apporter une assistance substantielle (typiquement $20$ $%$) à la propulsion des plus gros cargos actuels. Cette thèse s'intéresse à deux problèmes associés au développement de tels cerf-volants:Comment les faire décoller et atterrir de manière autonome et sans risque de les perdre? L'utilisation de cerf-volants à structure gonflable donne l'avantage d'avoir une aile rigide et légère en vol et compacte lors de son stockage. Pour aider au dimensionnement de ces cerf-volants, nous étudions dans le première partie de la thèse le comportement des structures gonflables soumis à des chargements statiques et dynamiques.Comment s'assurer de son vol stable? Une fois qu'il a décollé, un cerf-volant doit pouvoir rester en l'air. Il apparait cependant que dans certaines conditions, les cerf-volants entrent dans des oscillations de grandes amplitudes avant de tomber au sol. Grâce à des expériences en soufflerie, nous étudions dans la seconde partie de la thèse l'origine de ces oscillations et les conditions à réunir pour les éviter. / Kites exist since ancient times, but their use as wind energy harvesting device is relatively recent. Still, their light weight and ability catch strong and steady winds in altitude make them a competitive mean to generate electricity or to tow commercial ships. Indeed, a kite can typically produce $10$ kW.m$^{-2}$. This implies that a $1000$ m$^2$ kite could provide substantial assistance ($20$ $%$) to the propulsion of the biggest current tankers. This thesis focuses on two issues associated with the development of such kites:How can one perform autonomous take off and landing without the risk of losing them? Kites with inflatable structures take advantage rigidity and lightness during flight and from high compactness during storage. It also allows them to float if they crash on the ocean. To design those kites, we study in the first part of the thesis the behavior of inflatable structures under static and dynamic loadings.How can one achieve a stable flight? Once it takes off, it appears that under certain conditions, the kites undergo large amplitude oscillations that eventually lead to their fall onto the ground. Using wind tunnel experiments, we examine in the second part of the thesis the origin of these oscillations and the conditions which prevent them from occurring.

Un de nos grands défis actuels est la décarbonisation du réseau électrique en éliminant les générateurs d'électricité à base de carburant, et de les remplacer de préférence par des ressources publiquement acceptés et qui respectent la nature de l'environnement. C'est où les ressources énergétiques renouvelables soulèvent comme une solution prometteuse. Les Systèmes de génération d'électricité à cycle de relaxation représentent notamment une classe intéressante des énergies renouvelables. Un tel système doit retrouver périodiquement un état qui permet la production d'énergie, ce qui entraîne un cycle à deux phases : une phase de génération et une phase de récupération qui consomme l'énergie. L'intérêt principal de cette thèse est focaliser sur le système de traction à base de cerf-volant, appelé par la suite le Kite Generator System (KGS). Il s'agit d'une solution proposée pour extraire l'énergie du vent stable et forte dans les hautes altitudes. Son principe de fonctionnement est d'entraîner mécaniquement un générateur électrique au sol en utilisant un ou plusieurs cerfs-volants captifs. La problématique est divisée en deux objectifs : 1 - L'optimisation et le contrôle du cycle de relaxation afin de maximiser la puissance moyenne produite par le système. Deux stratégies de contrôle sont proposées à cet effet : une basée sur un contrôle du modèle non linéaire prédictif (Nonlinear model predictive control - NMPC), et la deuxième basée sur l'application des contraintes virtuel (Virtual Constraints Control - VCC). 2 - L'Intégration du système sur le réseau électrique ou l'employer pour alimenter une charge isolée. Ces problèmes sont abordés dans cette thèse, réalisée au laboratoire de génie électrique de Grenoble (G2ELab) en collaboration avec le laboratoire d'Image Parole Signal Automatique de Grenoble (GIPSA-Lab). / One of our current major challenges is decarbonizing the electric grid by eliminating fuel based electricity generators, and replacing them preferably by nature-friendly publicly accepted resources. That is where renewable energy resources raise as a promising solution. Power relaxation-cycle systems represent an interesting and particular class of renewable. Such a system needs to regain periodically a state that allows energy production. Hence, it has two phases: A generation during which the system is working in its "power" region and is able to generate power and a recovery phase that starts when the system reaches its power region boundaries and resets the system's state to start a new generation phase, which results in power consumption. The main focus of this PhD dissertation is the kite-based traction system, named thereafter the kite generator system (KGS), which emerged as an important class of renewable energy systems that uses relaxation phases. It is a solution proposed to extract energy from the steady and strong wind found in high altitudes. Its operation principle is to mechanically drive a ground-based electric generator using one or several tethered kites. The problematic is divided into two objectives: 1 - Optimization and control of the relaxation cycle to maximize the system's average produced power. Two control strategies are proposed for this purpose: A nonlinear model predictive control (NMPC) based and virtual constraints control (VCC) based one. 2 - Integration of the system on the electric grid or employing it to supply an isolated load. These problems are addressed in this thesis, realized in Grenoble Electrical Engineering laboratory (G2ELab) with collaboration with Grenoble Image Parole Signal Automatique laboratory (GIPSA-Lab).

Cette thèse fait partie du projet beyond the sea® qui a pour but de développer la traction par cerf-volant à boudins gonflés (kite) comme système de propulsion auxiliaire des navires. Comme le kite est une structure souple, il est nécessaire de mettre en place une boucle d’interaction fluide-structure pour calculer la géométrie du kite en vol et ses performances aérodynamiques. Un modèle de Ligne Portante 3D Non-Linéaire a été développé pour pouvoir gérer ces ailes non planes, avec des angles de dièdre et de flèche qui varient le long de l’envergure, et également pour pouvoir prendre en compte la non-linéarité du coefficient de portance de la section aérodynamique. Le modèle a été vérifié par des simulations RANSE sur différentes géométries et donne des résultats satisfaisants pour des angles d’incidence et de dérapage variant jusqu’à 15°, avec des différences relatives de quelques pour cent pour l’estimation de la portance globale de l’aile. Les résultats locaux sont aussi correctement estimés, le modèle est capable d’estimer la position du minimum et du maximum de chargement local, selon l’envergure de l’aile, et cela même pour une aile en dérapage. En parallèle, un modèle structure a été développé. L’idée principale du modèle Kite as a Beam est de réduire le kite à un ensemble d’éléments poutre, chacun équivalent à une partie du kite composé d’une section du boudin d’attaque, de deux lattes gonflées et de la canopée correspondante. Le modèle Kite as a Beam a été comparé à un modèle éléments finis complet du kite sur des cas de déplacements élémentaires. Les résultats montrent certaines différences de comportement entre les deux modèles, avec notamment une surestimation de la raideur en torsion pour le modèle Kite as a Beam. Finalement, le modèle Kite as a Beam a été couplé avec la Ligne Portante 3D Non-Linéaire, puis comparé au modèle éléments finis, couplé également avec la Ligne Portante. La réduction du temps de calcul est réellement importante mais les résultats de la comparaison montrent la nécessité de calibrer le modèle Kite as a Beam pour pouvoir retrouver correctement les résultats du modèle éléments finis. / The present thesis is part of the beyond the sea® project which aims to develop tethered kite systems as auxiliary devices for ship propulsion. As a kite is a flexible structure, fluid-structure interaction has to be taken into account to calculate the flying shape and aerodynamic performances of the wing. A 3D Non-Linear Lifting Line model has been developed to deal with non-straight kite wings, with dihedral and sweep angles variable along the span and take into account the non-linearity of the section lift coefficient. The model has been checked with 3D RANSE simulations over various geometries and produces satisfactory results for range of incidence and sideslip up to 15°, with typical relative differences of few percent for the overall lift. The local results are also correctly estimated, the model is able to predict the position of the minimum and maximum loading along the span, even for a wing in sideslip. Simultaneously, a structure model has been developed. The core idea of the Kite as a Beam model is to approximate a Leading Edge Inflatable kite by an assembly of beam elements, equivalent each to a part of the kite composed of a portion of the inflatable leading edge, two inflatable battens and the corresponding canopy. The Kite as a Beam model has been compared to a complete kite Finite Element model over elementary comparison cases. The results show the behaviour differences of the two models, for example the torsion stiffness is globally overestimated by the Kite as a Beam model. Eventually, the Kite as a Beam model coupled with the 3D Non-Linear Lifting Line model is compared to the complete finite element model coupled with the 3D Non-Linear Lifting Line model. The gain in computation time is really significant but the results show the necessity of model calibration if the Kite as a Beam model should be used to predict the results of the complete finite element model.