Change search
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
A Simple Method for Calculations of Wake Effects in Wind Farms with Influence of Atmospheric Stability
Uppsala University, Disciplinary Domain of Science and Technology, Earth Sciences, Department of Earth Sciences, LUVAL.
2008 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (One Year)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [sv]

Vindturbiner har vanligtvis byggts i kust- och jordbruksområden, men med en planerad utbyggnad av vindkraften i Sverige kommer nya platser behöva övervägas. En vindkraftpark placerad i inlandet kommer att påverkas av ett annorlunda vindklimat än en vindkraftpark i kustnära områden, främst på grund av högre turbulensintensitet och kraftigare vindskjuvning. Dessutom varierar atmosfärens stabilitet snabbare i inlandet.

Nedströms vindturbiner uppstår så kallade vakar. En vindturbinvak är ett område med lägre vindhastighet och högre turbulensintensitet. I vindkraftparker orsakar vakar effektbortfall vid tillfällen då turbiner befinner sig i vakar från turbiner uppströms. Atmosfärens stabilitet påverkar vakdiffusionen, instabil skiktning leder till en snabbare återhämtning till omgivande vindhastighet medan stabil skitning leder till att vaken får en större utbredning.

En ny metod för beräkningar av vakeffekter i vindkraftparker har utvecklats som bygger på en modell som tar hänsyn till atmosfärisk stabilitet, men i modellen fanns endast uttryck för neutral skiktning. Den centrala parametern i modellen är den karaktäristiska transporttiden som definierar vakens utbredning. Transporttid används tillsammans med Taylors hypotes som koordinat i medelvindens riktning. Genom att tillämpa Monin-Obukhov similaritetsteori kunde ett nytt uttryck, innehållandes stabilitet och turbulensintensitet, härledas för den karaktäristiska transporttiden. Med detta uttryck hittades ett sätt att hantera växelverkan mellan vakar genom att använda turbulensintensitet.

Modellen användes för att skapa ett datorprogram för att beräkna vakeffekter för varierande atmosfärisk skiktning. I programmet läggs uttrycken för vakarna in i ett stationärt vindfält. För varje vindriktning beräknas effektutvinningen för olika atmosfäriska förhållanden. För att utvärdera modellen har den jämförts med mätningar från en småskalig vindkraftpark.

Från tidigare undersökningar fanns värden på den karaktäristiska transporttiden för stabil, neutral, instabil skiktning och dubbelvakar i neutral skiktning. Med programmet kunde dessa värden fås fram.

Den relativa effektutvinningen beräknades för varierande atmosfärisk stabilitet och jämfördes med uppmätt effektutvinning. Modellen visade ganska god överensstämmelse medmätningarna. Stabil skiktning orsakade högre effektbortfall medan instabil skiktning minskade effektbortfallet. Dessutom undersöktes den relativa effektutvinningen för ett antal turbiner i rad. Modellen visade sig återge det jämviktsläge i effektutvinningen som ofta har observerats.

Abstract [en]

Traditionally, wind turbines have been built in farmlands and coastal areas. However, with

plans ahead of a large expansion of the installed wind power in Sweden new sites have to

be found. A wind farm located in the inland will experience a wind climate different from

a wind farm close to the coast, mainly due to higher turbulence intensity and larger wind

shear. In addition, the atmospheric stability will vary more rapidly.

Wakes will appear downstream wind turbines. A wake is a region of lower wind speed

and higher turbulence intensity. In a wind farm wakes cause power losses in situations when

turbines operate in the wakes of turbines upstream. The wake diffusion process is dependent

on the atmospheric stability, unstable stratification leads to a faster wind speed recovery

while the wake will expand further downstream in stable stratification.

A new method for calculations of wake effects has been developed based on a model

where atmospheric stability is included, but only expressions for a neutral atmosphere were

provided. The main feature of the model is the characteristic transport time, defining the

expansion of the wake. The transport time is used together with Taylor’s hypothesis as the

coordinate in the mean wind direction. By implementing Monin-Obukhov similarity theory a

new expression including stability and turbulence intensity was derived for the characteristic

transport time. With the turbulence intensity appearing in the new expression a way of

handling wake interaction could be found.

The model was used to create a computer program for calculations of wake effects in

different atmospheric stratifications. In the program the wake expressions are superimposed

in a stationary wind field. In each wind direction the power output is calculated for varying

atmospheric conditions. For validation the model has been compared with measurements

from a small wind farm.

From earlier investigations values of the characteristic transport time were provided for

stable, neutral, unstable stratification and double wakes in neutral conditions. With the

method proposed these values could be reproduced.

The relative power output was calculated for different stratifications and compared with measured power output. The model showed a fairly good agreement with the measured data. Stable stratification led to higher power losses while unstable stratification reduced power losses. Moreover, the relative power in a row of turbines was investigated and the model was found to reproduce the equilibrium in power production often observed.

Place, publisher, year, edition, pages
2008.
Series
Examensarbete vid Institutionen för geovetenskaper, ISSN 1650-6553 ; 157
Keyword [sv]
vindkraftsmeteorologi, vak, effektutvinning
National Category
Meteorology and Atmospheric Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:uu:diva-303940OAI: oai:DiVA.org:uu-303940DiVA: diva2:974650
Subject / course
Meteorology
Available from: 2016-10-04 Created: 2016-09-27 Last updated: 2016-10-04Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(510 kB)24 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 510 kBChecksum SHA-512
dba7c7a586b74a14900e4cb53062d1f8f52b3129e9cc545f3516b6961130e6df1764757344a86fdf4d844f71ce0f787bd2795d51adb14e2a5eb1b6fd3338f4c3
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
LUVAL
Meteorology and Atmospheric Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 24 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

Total: 35 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link