Wind Farm Wake: The Horns Rev Photo Case

av 

Charlotte Bay Hasager^1,*,

Leif Rasmussen ²,

Alfredo Peña ¹,

Leo E. Jensen ³ og

Pierre-Elouan Réthoré¹

¹Danmarks Tekniske Universitet, DTU Wind Energy, Risø Campus, Frederiksborgvej 399, 4000 Roskilde, Danmark

²Pensjonert senior meteorolog fra Dansk Meteorologisk institutt, Lyngbyvej 100, 2100 København Ø, Danmark

³DONG Energy, Kraftværksvej 53, 7000 Fredericia, Danmark

^*Forfatter som korrespondanse skal adresseres til.

energier 2013, 

6(2), 696-716; 

https://doi.org/10.3390/en6020696

Mottatt: 3. november 2012 / 

Revidert: 21. januar 2013 / 

Akseptert: 25. januar 2013 / 

Publisert: 5. februar 2013

Last nedkeyboard_arrow_down 

Bla gjennom figurer

Versjoner Merknader

Abstrakt

Målet med papiret er å undersøke de i dag kjente vindparkens vekkefotografier som ble tatt 12. februar 2008 på offshore Horns Rev 1 vindpark. De meteorologiske forholdene er beskrevet fra observasjoner fra flere satellittsensorer som kvantifiserer skyer, vindvindvektorer og havoverflatetemperatur samt bakkebasert informasjon ved og i nærheten av vindparken, inkludert data om tilsynskontroll og datainnsamling (SCADA). SCADA-dataene avslører at saken om tåkedannelse skjedde 12. februar 2008 den 10:10 UTC. Tåkedannelsen skyldes veldig spesielle atmosfæriske forhold der et lag med kald fuktig luft over en varmere havoverflate kondenserer til tåke i kjølvannet av turbinene. Prosessen blir matet av varm fuktig luft opparbeidet nedenfra i den motroterende virvelen generert av de medurs roterende rotorene.Kondensasjonen ser ut til å skje først og fremst i vekkeområdene med relativt høye aksiale hastigheter og høy turbulent kinetisk energi. Vindhastigheten er nær innkobling og de fleste turbiner produserer veldig lite kraft. Det roterende mønsteret av spiralbånd produserer den store strukturen i våkne tåke.nøkkelord: 

vindpark våkner; 

sky; 

tåke; 

satellitt; 

betingelser med hav; 

vekke modell

Grafisk sammendrag

1. introduksjon

Horns Rev 1 vindpark ligger i Nordsjøen omtrent 14 til 20 km offshore fra den danske kystlinjen (

Figur 1).

Figur 1. Plassering av vindparken Horns Rev 1 i Nordsjøen.Våknefotografiene som ble tatt på havvindparken ved Horns Rev 1 er godt kjent i vindenergisamfunnet. De illustrerer vindmølleskyggeeffekten på en attraktiv måte. De to fotografiene ble tatt av piloten fra helikoptervinduet på vei ut til oljeriggene i Nordsjøen i en høyde rundt 1 til 3 km på 12. februar 2008 rundt klokka 10:10 UTC. Det første bildet [

Figur 2(a)] ble hentet fra sørøst og den andre [

Figur 2(b)] fra sør.Målet med papiret er å undersøke saken ut fra kombinerte satellittdata, lokale meteorologiske observasjoner, radiobelysende data og tilsynskontroll og datainnkjøp (SCADA) data fra vindparken. Værforholdene er beskrevet og en tolkning av tåkenes opprinnelse er gitt. Videre avansert våkne modellering med Computational Fluid Dynamics (CFD) ved bruk av Detached Eddy Simulation (DES) av en full vindmøllerotor er inkludert for å detaljere de fysiske prosessene i kjølvannet av vinden turbiner i forhold til dannelse og spredning av tåke. De meteorologiske observasjonene, driften av vindmøllene og den mekanisk drevne konveksjonen blir diskutert.

Figur 2. (

en) Øvre panel: Fotografi av Horns Rev 1 havvindpark 12. februar 2008 rundt klokka 10:10 UTC sett fra sørøst. (

b) Nedre panel: Samme som (

en) men kort tid etter, sett fra sør. Høflighet: Vattenfall. Fotograf er Christian Steiness.

2. Tåkeformasjon og spredning

De fysiske mekanismene for tåkedannelse inkluderer tre primære prosesser: avkjøling, fuktighet og vertikal blanding av luftpakker med forskjellige temperaturer og fuktighet. Adveksjonståke, tåke foran og strålingståke er de tre viktigste typene tåke [

1].Adveksjonståke kan være enten varmtvannsadveksjonståke med kald luft som strømmer over varmt vann, eller kaldtvannsadveksjonståke med varm luft som strømmer over kaldt vann. Når kald fuktig luft blir advet over en mye varmere vannoverflate, vil det være mulighet for oppoverblanding av varm mettet luft fra overflaten til det kjøligere laget. Dette kan føre til at en supermettet blanding utvikler seg og kondenserer som tåke eller havrøyk. Derimot oppstår kaldtvannsadveksjonståke når varm fuktig luft strømmer over kaldere vann og duggpunktstemperaturen er nådd slik at tåke dannes.Frontal tåke er vanligvis forårsaket av fordampning av varmt regn som faller gjennom et lag med kald luft nær bakken, eller til slutt ved blanding av fuktige luftmasser med forskjellige temperaturer som fører til metning.Strålingståke dannes når fuktig luft nær overflaten avkjøles på grunn av strålende avkjøling og lett vind forårsaker turbulent oppvarming nær overflaten. Tåken opprettholdes deretter gjennom ytterligere avkjøling forårsaket av langbølget strålende fluksdivergens på toppen av tåkelaget. Tåke og dråper dannes og gravitasjonsdråper legger seg. Prosessen er typisk for myr, innsjøer og andre depresjoner i landskapet om kvelden og natten [

2].Prosessene for dannelse og spredning av tåke styres av en delikat balanse av termodynamiske og dynamiske variabler. I urbane og sub-urbane områder kan kondensasjonen til tåke stimuleres av kjerner slik at det dannes mindre dråper enn de som er typiske i renere luft som over havet. Tåke sprer seg som tørketrommel eller varmere luft blandes inn i tåken og fortynner fuktighetskonsentrasjonen. Økende vind hindrer tåkedannelse ved å øke turbulent blanding [

2].I følge [

3] tåken ved vindparken Horns Rev 1 beskrives som blandet tåke dannet når to nesten mettede lag med luftmasser med forskjellige temperaturer blandes. Forklaringen som gis er at kondens starter når varmere luft blandes inn på grunn av turbulens produsert av svingturbinene. Dette blir diskutert i 

§ 6.

3. Data fra satellitter og værforhold

3.1. Satellittkart

Jordobservasjonssatellitter gir bilder av de atmosfæriske og oseanografiske forholdene. Satellittkart over skyene, havvindene og havoverflatetemperaturene blir presentert og beskrevet for å detaljere forholdene i havet på den bestemte morgenen.Ombord Terra-satellitten som tilhører National Aeronautics and Space Administration ( NASA ) er instrumentet MODIS, Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer med 36 kanaler fra visuell til termisk infrarød. 12. februar 2008 kartla Terra Nordsjøen klokken 10:07 UTC [

Figur 3( a ) ].Tre andre satellitter bekrefter skydekket i vindparkområdet sent på morgenen. Disse inkluderer NOAA AVHRR ( National Ocean and Atmosphere Administration, Advanced Very High Resolution Radiometer ) kl. 11:43 UTC og Aqua MODIS kl. 11:50 UTC. Den geostasjonære satellitten Meteosat som tilhører EUMETSAT ( European Organization for Exploitation of Meteorological Satellites ) viser skydekke kl 12:00 UTC. Klokka 12:00 dekket lave, homogene, stratiforme skyer Horns Rev. På grunn av den lave visningsvinkelen til Meteosat, råder et ganske tykt utseende av skyer mens NOAA AVHRR og MODIS-bildene tatt i en brattere vinkel avslører en mer variabel skystruktur. Det siste kan forklare at vindparken er solfylt på bildene.Advanced Scatterometer ASCAT som tilhører EUMETSAT observerer havvind og retning. Den 12. februar 2008 klokka 09:16 var UTC havoverflatevindvektorer nær Horns Rev fra sør ~ 5 ms

^{− 1} [

Figur 3(B)]. ASCAT var i synkende modus. Klokka 20:45 observerte UTC ASCAT i stigende modus lignende vindforhold. QuikSCAT-satellitten med SeaWinds-scatterometeret ombord tilhører NASA. QuikSCAT observerte havvindhastighet og vindretning kl 05:00 UTC med svak vind rundt 3 til 5 ms

^{− 1} fra sør nær Horns Rev. QuikSCAT-vindkartet fra 18:54 UTC viste lignende vindforhold (se [

4] ). QuikSCAT og ASCAT er basert på aktiv mikrobølgeradar-spredningometri, og kartleggingen av havvindvektorer gjøres dag og natt og under overskyede forhold.

Figur 3. (

en) Venstre panel: Skydekke over Nordsjøen observert fra MODIS Terra 12. februar 2008 kl 10:07 UTC fra NERC Satellite Reciving Station, Dundee University, Scotland kl 

www.sat.dundee.ac.uk. (

b) Høyre panel: Havoverflatevektorvind observert fra ASCAT 12. februar 2008 kl 09:16 UTC. Kartet er produsert av EUMETSAT OSI SAF. De røde sirklene indikerer plasseringen av vindparken Horns Rev 1. Pilen viser 10 ms

^{− 1}.Til tross for skydekket [

Figur 3(a)], havoverflatevektorvindene blir hentet [

Figur 3(B)]. Observasjonene fra QuikSCAT og ASCAT er begge gyldige 10 moh og sammenligner godt med observasjoner fra en meteorologisk mast nær vindparken Horns Rev 1. Den meteorologiske masten M6 ligger nærmere land enn scatterometre dekker. Se 

avsnitt 3.3 for ytterligere detaljer om de lokale observasjonene.Gitterkart over havoverflatetemperatur (SST) blir samlet hver dag fra observasjoner om natten fra flere satellittinstrumenter. 

Figur 4 viser SST av den østlige delen av Nordsjøen fra 12. februar 2008 klokka 00:00 UTC.

Figur 4. Havoverflatetemperatur i Nordsjøen 12. februar 2008 kl 00:00 UTC basert på satellittdata. Plasseringen av vindparken Horns Rev 1 er indikert med en rød sirkel. Høflighet: Jacob L. Høyer, Dansk Meteorologisk institutt.Kartet er basert på en kombinasjon av termiske infrarøde data fra Advanced Along-Tracking Scanning Radiometer ( AATSR ) ombord Envisat European Space Agency ( ESA ) forskningssatellitt, NOAA AVHRR, MODIS ombord Terra- og Aqua-satellittene, og Spinning Enhanced Synlig og Infrarød Imager ( SEVIRI ) ombord Meteosat. Fordelen med de termiske infrarøde SST-observasjonene er den høye romlige oppløsningen, mens den største ulempen er at skydekke begrenser SST-hentninger. Derfor brukes også passive mikrobølgetermatiske data fra Advanced Microwave Scanning Radiometer ( AMSR-E ) ombord Aqua. Mikrobølgedataene blir observert i alle værforhold, og den romlige oppløsningen er ganske grov,likevel blandet med de optiske dataene gjennom en objektiv analysemetode som bruker statistikk for å fylle ut hullene i tid og rom som produserer et produkt med høyere oppløsning. Kart over beregnet SST med rundt 3 km × 3 km romlig oppløsning og med en feil under 0,3 ° C i skyfrie områder og opp til rundt 0,7 ° C i skydekke områder oppnås hver dag [

5].Det knuste SST-kartet viser temperaturer rundt 5 ° C nær Horns Rev. Dette kan sammenlignes godt med den beregnede sjøtemperaturen i det øvre modelllaget til det danske meteorologiske instituttet (DMI) regionale tredimensjonale havmodell som representerer 4 m dybde. I følge DMI havmodell [

6] og det satellittbaserte SST-kartet, vannet var kaldere nær kysten, men generelt var havet varmere enn den overliggende luften. SST-observasjonene og havmodellresultatene sammenligner videre veldig godt med en observasjon av sjøtemperatur på 4,7 ° C ved 3 m dybde ved de meteorologiske mastene nær vindparken. Mastene ble drevet av DONG energi og Vattenfall. Det er en liste over data i 

Vedlegg.

3.2. Værforhold

Værforholdene om morgenen 12. februar 2008 var preget av et veldig høyt trykk i Øst-Europa som hadde spredd seg mot Sør-Skandinavia, noe som resulterte i et eget høytrykkssenter rundt 1040 hPa i Øst-Danmark. Dette mønsteret fikk lett vind til å blåse fra sør ( S ) og sørøst ( SE ) i vindparkområdet. Undersiden i høytrykksområdet dannet en temperaturinversjon, som imidlertid, ble samtidig karakterisert som en frontal inversjon da en grunne kald front ankom fra nordøst ( NE ) dagen før. Luftmassen bak fronten var av maritim opprinnelse, advektert fra Norskehavet langs den nordlige kanten av høytrykksområdet. Krysser Norge og Sverige på vei til Danmark og kontinentet opprettholdt de maritime eiendommer,og avkjøling fra overflaten fikk fuktigheten til å kondensere til utbredt tåke eller lav stratus sky under inversjonen [

Figur 3(en)]. Skyer eller tåke avslører tydelig utbredelsen av en kald og fuktig luftmasse.Rett vest for Horns Rev ser skyet tett ut 

Figur 3( a ), i samsvar med bildene i 

Figur 2. I det siste er det mulig å skille stratiforme skyer i det fjerne. Lenger vest og til og med rundt og øst for vindparken som varmer nedenfra har fått luftmassen til å bryte opp i et cellulært mønster som avslører en vertikal blandingsprosess med en delvis endring av forfallshastigheten fra en våt adiabatisk til en tørr eller nær tørr adiabatisk hastighet [

Figur 3( a ) ]. Det cellulære mønsteret innebærer at skyene løses opp lokalt, inkludert i vindparkområdet. Imidlertid forblir luftmassen under inversjonen ganske fuktig. Derfor utvikler det seg havrøyk over den varme havoverflaten (

Figur 2), og skyer blir restaurert i den øvre delen. Tåkedannelsen ved vindparken kan ikke skilles i MODIS-bildet [

Figur 3(en)].Med rådende vind fra sør og sørøst, radiokling i Schleswig i Nord-Tyskland rundt 150 km til vindparken SE antas å være ganske representativ for luftmassen over Horns Rev. Lydene avslører en overflateinversjon 11. februar kl. 00:00 UTC løfter seg gradvis til en frontal inversjon (jf. Endring av vindretning med høyde som innebærer kald luftadveksjon). Inversjonen løftet seg fra rundt 300 m høyde klokka 12.00 UTC 11. februar til 600 m ved 00:00 UTC 12. februar og til 750 m klokka 12:00 UTC [

7]. Lydingen fra 12. februar kl. 00:00 UTC vises i 

Figur 5.Luften var mettet (

dvs., med solid sky) og forfallshastigheten stabil eller våt-adiabatisk styrt under inversjonen og blir tørr-adiabatisk i løpet av dagen. Tørr og varmere luft høyt reflekterer innsynkning i antisyklonen.

Figur 5. Radiosounding data fra Schleswig fra 12. februar 2008 kl 00:00 UTC. Fra [

7].Øke skytykkelsen på to meteorologiske stasjoner som ligger øst (E) og sør-sørøst (SSE) av henholdsvis Horns Rev, Esbjerg lufthavn 43 km til E [

8] og liste 65 km til SSE [

9], antas å være årsaken til litt økende overflatetemperaturer. På begge stasjoner økte lufttemperaturen fra rundt 2 ° C til 4 ° C fra dagen før til 12. februar assosiert med kontinuerlig tåke eller en veldig lav skybase og perioder med duskregn.

3.3. Meteorologiske forhold observert ved offshore meteorologiske master

I nærheten av vindparken Horns Rev 1 ble de lokale meteorologiske forholdene observert ved to meteorologiske master M6 og M7 (se plasseringen av M6 i 

Figur 10). M7 ligger 4 km øst for M6. Vindprofilene fra M6 er innpakket 

Figur 6 i tre 10-min perioder: Før, på og etter fotografiene. Vindprofilene viser litt ustabile forhold. Videre observeres turbulensintensiteten å være ~ 17% ved 70 m, ~ 16% ved 40 m og ~ 18% ved 30 m, noe som også indikerer ustabile forhold. Observasjonene fra 70 m er fra et toppmontert koppanemometer, mens observasjonene fra 40 m og 30 m er fra bommonterte koppanemometre ved nordvestbommene (se [

10] for detaljer). Dermed kan data om vindhastighet og turbulensintensitet påvirkes av masten og bommer.

Figur 6. Vindprofiler observert ved M6 12. februar 2008 kl 10:00 UTC ( rød ), 10:10 UTC ( svart ) og 10:20 UTC ( blå ) i tre høyder over havet nivå ( ASL ). Data er fra DONG Energy og Vattenfall.

Figur 7 viser vindstyrke, vindretninger, lufttemperaturer og potensiell temperaturforskjell fra midnatt til klokka 12. februar 2008. Vindhastighetene er nesten konstante og lave, ~ 4 – 5 ms

^{− 1}, mens vindretningene endres fra ~ 140 ° til ~ 190 °. I løpet av natten er lufttemperaturene under 2,5 ° C. Fra 5:00 til 7:00 UTC øker temperaturene en grad, og deretter er lufttemperaturene nesten konstante ~ 3,5 ° C. Vanntemperaturen på 3 m dybde er konstant 4,7 ° C (ikke vist), men den potensielle temperaturforskjellen mellom 64 m og − 3 m er vist og saken blir sett på å være ustabil. Trykket er ~ 1037 hPa og konstant (ikke vist). For alle observerte parametere er det veldig små forskjeller mellom observasjoner fra M6 og M7. Ved begge mastene observeres lufttemperaturer på 16 m, og den potensielle temperaturforskjellen mellom 64 m og 16 m er nesten konstant ~ 0,2 ° C før kl. og deretter nesten konstant ~ 0,1 ° C (ikke vist).De lokale ustabile forholdene indikerer at stabiliteten avtar fra en våt-adiabatisk til en nesten tørr-adiabatisk lagdeling. Tåken som hadde dekket hele området forsvinner på grunn av denne endringen i den adiabatiske situasjonen. Tynning av tåken foregår fra toppen mot bunnen av inversjonen. Bare sjørøyk i et grunt lag på 5 til 10 m nær havoverflaten gjensto (

Figur 2). [

3] beskrev havrøyken som et resultat av en kaldere fuktig luft advektert over en varmere havoverflate. Denne forklaringen støttes av de meteorologiske observasjonene nær vindparken. I løpet av hele morgenen forble lufttemperaturen lavere enn sjøtemperaturen, og vertikal blanding til en viss høyde kan lett oppnås. Valgte data fra M6 er listet opp i 

Vedlegg.

4. Wake Model Results fra CFD DES

Avstanden i turbinen våkner der den første kondensasjonen finner sted er rundt 50 til 100 m nedstrøms sentrert i nacelle-stillingen (

Figur 2). For å få ytterligere innsikt i de fysiske egenskapene i turbinens vekkefelt, blir CFD-modellresultater på aksial hastighet, turbulent kinetisk energi (TKE), vertikal hastighet og trykk undersøkt.

Figur 7. Meteorologiske forhold observert ved M6 og M7 i løpet av 12 timer 12. februar 2008. (

en) Øvre panel: Vindhastigheter ved M6 (– –) ved 70 m og M7 (- -) ved 60 m. Vindretninger: M6 (

– –– –) og M7 (

−− – -) begge på 68 moh; (

b) Nedre panel: Lufttemperaturer ved M6 (– –) og M7 (- -) begge på 64 moh. Potensiell temperaturforskjell mellom 64 m og − 3 m ved M6 (

– –– –) og M7 (

−− – -). Den tynne vertikale linjen indikerer tidspunktet for fotografiene. Data er fra DONG Energy og Vattenfall.Resultatet på den aksiale hastigheten i kjølvannet fra simuleringen med en full rotor DES (med en oversett mesh-metode) av en NEG Micon NM80-turbin i urviseren med en hastighet i navhøyde på 8 ms

^{− 1} og med et vertikalt skjær på den aksiale vindhastigheten vises i 

Figur 8. For mer informasjon om simuleringen se den originale artikkelen som simuleringen ble utført for [

11]. Strømlinjen synlig viser hvordan en luftmasse plassert under navhøyden til rotoren ville bli forskjøvet til en høyere stilling vertikalt på grunn av våkne rotasjonen.

Figur 8. Wake utviklingsmodell resulterer ved å bruke Detached Eddy Simulation av en full rotor simulering i laminært tilsig. Den aksiale hastigheten og turbulent kinetisk energi ( TKE ) vises ved bruk av et gjennomsiktig fargetall i planet. Strømlinjen er sentrert med det maksimale vekkeunderskuddet og viser at strømmen følger våkne rotasjonen, og bringer opp luft med lavere hastigheter. (

en) Øvre panel: Aksialhastigheten i horisontalplanet i navhøyde sett i skråområdet ovenfra; (

b) Midtpanel: Aksialhastigheten i horisontalplanet i navhøyde sett fra nadir; (

c) Nedre panel: TKE i m

² s

^{− 2} sett på som i (

b). Rotoren er plassert til venstre. Turbinen roterer med klokken og kjølvannet roterer mot klokken.Den aksiale hastigheten ser ut til å være lavere på den ene siden av kjølvannet sammenlignet med den andre. Denne effekten skyldes våkne rotasjonen. Våkent rotasjon beveger luftpakker med lavere vindhastighet plassert i den nedre delen av rotorens feide område oppover og beveger luftpakker med høyere vindhastighet i den øvre delen av rotoren feide området nedover. Den sterkeste rotasjonen er i den sentrale regionen av kjølvannet [

Figur 8( a, b ) ].TKE er også høyest i den sentrale regionen av kjølvannet [

Figur 8(c)], men TKE avtar mye raskere motvind enn den aksiale hastigheten. Videre kan det legges merke til at TKE er høyt nær tuppen av bladene og øker i styrke og bredde motvind, mens den aksiale hastigheten viser en mer konstant utvikling motvind på spissen av blader.Grafikken på vertikal hastighet (

Figur 9) vis i hvilken vertikal retning rotasjonen skjer. Det tredimensjonale mønsteret er preget av sterk vind oppover nær rotoren i en avstand på 0,1 rotordiameter (

dvs., 8 m motvind) over det horisontale navhøydeplanet. Ytterligere motvind inkluderer hastigheten oppover et mye dypere lag av rotorens feide område som til og med strekker seg utover knivspissen. Imidlertid fører den turbulente strukturen også til at lapper av nedadgående vind vises, spesielt i de ytre områdene av kjølvannet.

Figur 9. Wake-modellresultater fra full rotor DES-modell av vertikal hastighet. Den røde fargen indikerer at luft beveger seg oppover mens den blå fargen indikerer at luften beveger seg nedover. Strømlinjen er sentrert med det maksimale vekkeunderskuddet. (

en) Øvre panel: Den vertikale hastigheten i det horisontale planet i navhøyde sett fra nadir. Rotoren er plassert til venstre; (

b) Nedre panel: De vertikale hastighetene er vist i det vertikale planet til rotorens feide område på tre forskjellige motvindplasser: Venstre på 0,1 rotordiameteravstand, midt i en rotordiameteravstand, og rett ved 2 rotordiameteravstand. Turbinen roterer med klokken og kjølvannet roterer mot klokken.I avstanden 1 rotordiameter ( 80 m ) er det en nesten perfekt symmetri med oppovervind på den ene siden og nedover vind på den andre siden med en gradvis nedgang i styrke i vind fra midten av navet mot spissen av bladene. I avstanden til to rotordiametre ( 160 m ) eroderer turbulensen tydelig denne symmetrien og omfordeler luftpakkene til en mer kompleks struktur. Det turbulente avtrykket til denne storskala våkne strukturen er mer uttalt motvind.Trykkfallet i kjølvannet fra DES-simuleringen viser seg å ha sin maksimale verdi veldig nær rotoren. Trykket øker motvind med det relativt laveste trykket som er igjen i navhøyden bak nacellen, men i en avstand på 1 rotordiameter er trykkdepresjonen beskjeden. Trykkfallet nær tuppen av bladene er lokalisert og trykket øker raskt motvind (ikke vist).I vindmøllekontrollregimet under nominell vindhastighet kontrollerte både NM80 stigningsturbin og Vestas V80 stigningsturbin ved vindparken Horns Rev 1, vil vanligvis ha et konstant spisshastighetsforhold (hastigheten på spissen av bladet delt på den innkommende vindhastigheten). Videre for vindhastigheter lavere enn eller lik 8 ms

^{− 1} skyve-koeffisienten er nesten konstant. Det betyr at vekkeunderskuddsgraden også vil være ekvivalent for hastigheter lavere enn 8 ms

^{− 1}. Disse to parametrene kombinert gir oss tillit til at tilstanden til kjølvannet av NM80 vindmølle simulert til 8 ms

^{− 1} er av samme art som kjølvannet av V80 vindmølle på 4 ms

^{− 1}.

5. Wind Farm Wake: Observations

SCADA-dataene fra vindparken Horns Rev 1 brukes til å identifisere den mest sannsynlige tiden for fotografiene om morgenen 12. februar 2008. Solvinkelen ser ut til å være litt før klokka 12, sett på sollyset på tåken. Det er notert i 

Figur 2a den ene vindturbinen (“ 88 ”, se 

Figur 10) i den sørlige raden var ikke i drift. SCADA-informasjonen avslører at denne turbinen “ startet / stoppet ” (en status der vindmøllen starter og stopper en eller flere ganger i løpet av en periode) i intervallet mellom 10:00 UTC og 10:10 UTC og hadde denne statusen i løpet av de følgende 50 minuttene. I tillegg tillot identifisering å sjekke statusen til alle andre turbiner i dette 50 minutter lange tidsintervallet. Bare for det første tidsintervallet på 10 minutter var alle andre turbiner i den sørlige raden i drift. SCADA-informasjon fra turbin “ 48 ” mangler hele tiden. 

Figur 10 viser status for alle turbiner i det aktuelle 10-min-intervallet. Vindretningen på 180,8 ° observert ved M6 på 68 m bekrefter vindretningen nær navhøyden til alle turbiner i den sørlige raden.Vindhastigheten observert ved M6 ved 70 m er 3,64 ms

^{− 1}. Dette er lavere enn nacelle vindhastighet på alle turbiner i den sørlige raden som alle opplever fri strømhastighet [ se 

Figur 11( a ) ]. Nacelle vindhastigheter i denne raden viser en klar nedgang fra vest til øst, og de lave vindene som er observert ved M6 støtter denne generelle trenden. I 

Figur 11( a ) det er klart at vindene ved turbiner som ligger nord for “ rotorstoppet ” turbiner er relativt høyere.Turbinene med relativt høy produksjon er de i første rad og turbiner som ligger motvind fra stoppede turbiner [

Figur 11(B)]. Sammenlignet med den nominelle effekten på 2 MW, er kraften til turbinene som produserer høyest, opptil 140 kW, veldig lav. Alle turbiner i den sørlige raden opererte med 13,5 omdreininger per minutt (RPM) bortsett fra turbin “ 88 ” som avtok. Ingen SCADA-data om turbin “ 48 ” er tilgjengelige, men sett fra fotografiene fungerte denne vindturbinen. Derimot opererte de fleste andre turbiner i vindparken saktere. Valgte SCADA-data er listet opp i 

Vedlegg.

Figur 10. Horns Rev 1 vindmølleoppsett med nummerering og fargeidentifikasjon for driftsstatus kl. 10:10 UTC 12. februar 2008: Grønn: drift; Blek blå: start / stopp; Rød: rotor stoppet; Magenta: feil skanning eller nedregulert strøm; Mørkeblå: ingen SCADA-informasjon. Plasseringen av den meteorologiske masten M6 er også indikert. Det første sifferet i tallet indikerer vest-øst-raden og det andre tallet indikerer nord-sør-raden. Data er fra DONG Energy og Vattenfall.

Figur 11. Horns Rev 1-data fra 12. februar 2008 klokka 10:10 UTC fra SCADA-data. (

en) Øvre panel: Nacelle vindhastigheter; (

b) Nedre panel: Målt kraft. Data er fra DONG Energy og Vattenfall.

6. diskusjon

Tåkeformasjonen ved vindparken Horns Rev 1 fotografert fra et helikopter sent på morgenen 12. februar 2008 skyldes spesielle atmosfæriske forhold. Lett vind rådde fra sørøst i mange timer; dermed brukes de radiobelgende observasjonene fra Schleswig 150 km sørøst for vindparken Horns Rev for å vurdere den vertikale luftmassen med hensyn til temperatur, fuktighet, vindhastighet og retning på de øvre nivåene.Lokale observasjoner fra vindparken brukes til å karakterisere forholdene på de lavere nivåene på det bestemte tidspunktet for tåkeforekomsten. Vind- og temperaturprofilene avslører ustabile forhold. Den lokale turbulensintensiteten indikerer også ustabile forhold. De kombinerte dataene lar oss konkludere med at en fuktig kald luftmasse er plassert over en varmere havoverflate og at adiabatisk avkjøling foregår høyt. Tidligere på samme dag dekket tåke eller lavtliggende skyer sannsynligvis området, men på fotografiet var det bare havrøyken som vedvarte. Forklaringen på tåkeformasjonen i kjølvannet av vindmøllene gitt av [

3] er at to vertikale lag med mettede luftmasser med forskjellige temperaturer er blandet. Etter vårt syn er prosessen for tåkeformasjon adiabatisk avkjøling i den øvre delen av det feide rotorområdet. I så fall virker antakelsen om to medvirkende luftmasser unødvendig.Den utløsende tilstanden for rekondensering til tåke i kjølvannet skyldes vindmølleoperasjonen. Turbinene fungerer nær innskåret vindhastighet (4 ms

^{− 1}). Rotorene i den sørlige raden med turbiner opererer med 13,5 o / min unntatt turbin “ 88 ”. Driftsrotorene forårsaker oppadgående luftbevegelser av fuktig varm luft fra nær havoverflaten og nedover bevegelser av tørr-adiabatisk avkjølt luft på toppen av rotoren et stykke motvind fra turbiner. Tåken ser ut til å være hovedsakelig til stede i motvindsvakeområdene der den aksiale vindhastigheten og turbulent kinetisk energi er høy som indikert av CFD DES-modellresultatene.Det kan bemerkes på bildene at det opprinnelige punktet for tåkedannelse er omtrent ved navhøyde og rundt 50 til 100 m motvind for hver av de fullt betjenende turbinene. Så tilsynelatende må den aksiale rotasjonen av vind skje gjennom en viss tidsperiode ( ~ 22 s ) før vanndråper ( tåke ) begynner å dannes fra den supermettede vanndampforsterket av de roterende vindene. Den første kondensasjonen ser ut til å forekomme i den motroterende virvelen generert av rotoren. Med andre ord, de induserte hastighetene vinkelrett på vindretningen er størst ved rotseksjonen av bladet, og dette betyr at strømmen roterer mest her. Mot klokken virvler opp varm fuktig luft fra de nedre delene av rotoren til et høyere nivå, der den blir avkjølt og kondensasjonen akselereres.Det er også et trykkfall i denne regionen, men med ganske lav intensitet, så den turbulente blandingen er sannsynligvis den viktigste faktoren.Området med tåke ekspanderer nedstrøms når de enkelte våkner sprer seg i vertikale og tverrgående retninger og de nærliggende tåkebåndene smelter i en avstand på rundt 2 km motvind. I følge [

12] kraftunderskuddet ved Horns Rev 1 er funnet å være maksimalt i vindstyrken 3 – 5 ms

^{− 1} og vekkeutvidelsen er stor (29 °).I [

3] tåkestrukturen er forklart fra den ustabile temperaturstratifiseringen av luften som fører til den litt humpete naturen til våkne skyer. Derimot opplever vi at tåken i stor skala har et klart avtrykk fra våkne strømningsdynamikk med roterende spiralbånd. Dette er basert på aksiale hastigheter og turbulent kinetisk energiutvikling motvind fra CFD DES vekke modellresultater.SCADA-dataene fra Horns Rev 1 brukes til å identifisere den mest sannsynlige tiden for fotografiene. Videre viser SCADA-data at produksjonen er lav ettersom vindhastigheten er nær innkobling. Den meteorologiske observasjonen av vindhastighet ved M6 er enda lavere. Det er tidligere dokumentert at kystvindhastighetsgradienter finnes i nærheten av Horns Rev ved bruk av satellittsyntetisk blenderåpningsradar (SAR) vindkart og modellering [

13]. Også i [

14] og [

15] satellitt- og luftbårne SAR-vindobservasjoner viste vindhastighetsgradienter lokalt i og nær vindparken Horns Rev 1.Horns Rev 1 vindparkvåkning har tidligere blitt modellert med suksess med våkne ingeniørmodeller i vindhastighetsområdene 8 ± 0,5 ms

^{− 1} [

16] og ned til 6 ms

^{− 1} [

17]. Skyvekoeffisienten er høy i lav vind [

12] og de resulterende våkne forstyrrede vindhastighetene er tilstrekkelig lave til å stoppe nedstrøms turbiner. Når kjølvannet slynger seg mot turbinenes start / stoppfase kan skje flere ganger i løpet av 10-min perioden. Denne dynamiske effekten er ganske vanskelig å modellere.Vekketekniske modeller antar en konstant vindhastighet over 10 minutter. Dermed kan ikke en ingeniørvåkningsmodell fange verken vindhastighetsgradienten eller de dynamiske endringene av slyngende våkner. Videre for en vindhastighet på 4 ms

^{− 1} det vil ta rundt 15 minutter før strømmen passerer hele vindparken. PARK-modellen [

18] ble kjørt for den foreliggende sak ( resultatene er ikke vist ) og avtalen med den produserte kraften var ikke så god. Ingeniørens vekkemodeller er kalibrert for høyere vindstyrke der mest vindkraftproduksjon foregår. Denne helt spesielle våkne saken kan muligens modelleres i fremtiden, inkludert stabilitetseffekt. SCADA-data for sammenligning med fremtidige modellresultater er listet opp i 

vedlegg.Fotografiene av tåkeformasjonen i kjølvannet av vindparken Horns Rev 1 vises ofte ved vindkrafthendelser. Det anbefales å være forsiktig med tolkningen av denne kjølvannet, da det faktisk ikke er en typisk vindmøllesituasjon i det hele tatt. Bare få turbiner i vindparken opererte normalt. Vindhastigheten var så lav at bare vindmøllene i den fremre (sørlige) raden bortsett fra turbin “ 88 ” roterte med 13,5 o / min. Turbin ‘ 88 ' og de fleste andre turbiner i vindparken opererte med mindre RPM. Tåken er sannsynligvis hovedsakelig forårsaket av den akselererte kondensasjonen i den motroterende våkne virvelen generert av turbinene i første rad.

7. konklusjoner

Tilfellet med tåkedannelse ved vindparken Horns Rev 1 som skjedde 12. februar 2008 klokka 10:10 UTC og ble fotografert fra et helikopter, blir undersøkt. De spesielle atmosfæriske forholdene er preget av et lag med kald fuktig overmettet luft som kondenserer til tåke i kjølvannet av turbinene. Prosessen blir matet av fuktig varm luft opparbeidet nedenfra og adiabatisk avkjølt luft nedtegnet ovenfra av den motroterende virvelen generert av rotorene. Vindhastigheten er nær innkobling og de fleste turbiner produserer veldig lite kraft. Kondensasjonen ser ut til å skje først og fremst i vekkeområdene med relativt høy aksial vindhastighet og høy turbulent kinetisk energi. Tåkens store struktur har et avtrykk av roterende spiralbånd som ligner på våkne strømningsegenskaper trukket fra CFD DES-modellering.

erkjennelser

Vi erkjenner god tillatelse fra Vattenfall til å publisere fotografier og vindparkdata fra DONG Energy og Vattenfall. Videre erkjenner vi sjøoverflatetemperaturkartet fra det danske meteorologiske instituttet, vindvektorkartet basert på ASCAT fra KNMI produsert av EUMETSAT OSI SAF og MODIS satellittkart fra NERC Satellite Receiving Station, Dundee University, Skottland. Vi erkjenner den radioklingende grafen fra University of Wyoming. Finansiering fra EERA DTOC-kontrakten FP7-ENERGY-2011 / n ° 282797 er anerkjent. Vi er takknemlige for de konstruktive kommentarene fra anmelderne.

Vedlegg

Dette vedlegget viser satellitt-, radiolydnings- og modelldata (

Tabell A1), observasjoner fra offshore meteorologisk mast M6 (

Tabell A2) og SCADA-data fra Horns Rev 1 (

Tabell A3).

Tabell A1. Data fra satellitt, radiokling og havmodell for vindparken Horns Rev 1 fra 12. februar 2008. Vindhastighet ( U ), relativ luftfuktighet ( RF ), temperatur ( T ), duggpunktstemperatur ( T

_dugg), vindretning ( Dir ) og trykk ( P ).

Tabell A2. Meteorologiske observasjoner er fra M6 fra 12. februar 2008 observert i forskjellige høyder i tre 10-min perioder; før, ved og etter kjølvannet bilder. Trykk ( P ), vindhastighet ( U ), vindretning ( Dir ), temperatur ( T ) og turbulensintensitet ( TI ). Data er fra DONG Energy og Vattenfall.

Tabell A3. SCADA-dataene fra Horns Rev 1 er listet opp for hver turbin (Tu) med tallet som i 

Figur 10 i tre 10-minutters perioder; før, ved og etter kjølvannet bilder. Tabellen inneholder data om nacelle vindhastighet (U), produsert effekt (P), rotasjonshastighet (R) og kvalitetsflagg (Q) for produksjonsdataene med 1 “ Måling gyldig ”, 5 “ Rotor stoppet ”, 6 “ Start eller stoppsekvens ”, 8 “ Kraften er nedregulert av sentralisert kontroll ”, 9 “ Feil skanning ”. Data er fra DONG Energy og Vattenfall.

referanser

1. Duynkerke, P. Turbulens, stråling og tåke i nederlandske stabile grenselag. Bound.-Layer Meteorol. 1998, 90, 447 – 477. [Google Scholar] [CrossRef]
2. Oke, T.R. Boundary Layer Climates, 2. utg.; Methuen: Cambridge, Storbritannia, 1987; s. 1 – 435. [Google Scholar]
3. Emeis, S. Meteorologisk forklaring av våkne skyer ved vindparken Horns Rev. DEWI Magazin, Nei. 37. August 2010; 52 – 55. [Google Scholar]
4. QuikSCAT-data. Tilgjengelig online: http://www.ssmi.com/ (åpnet 30. januar 2013).
5. Høyer, J.L.; Hun, J. Optimal interpolasjon av havoverflatetemperatur for Nordsjøen og Østersjøen. J. Mar. Sys. 2007, 65, 176 – 189. [Google Scholar] [CrossRef]
6. DMI Ocean Model. Tilgjengelig online: http://ocean.dmi.dk/models/bshcmod.uk.php (åpnet 30. januar 2013).
7. Radiosonde Data. Tilgjengelig online: http://weather.uwyo.edu/upperair/europe.html (åpnet 30. januar 2013).
8. Radiosonde Data. Tilgjengelig online: http://www.esbjerg-lufthavn.dk/uk/general/airport-data.html (åpnet 30. januar 2013).
9. Meteorologiske data. Tilgjengelig online: http://en.windfinder.com/forecast/list_sylt (åpnet 30. januar 2013).
10. Peña, A.; Hasager, C.B.; Gryning, S.E.; Courtney, M.; Antoniou, jeg.; Mikkelsen, T. Offshore vindprofilering ved bruk av lysdeteksjon og varierende målinger. Vindkraft 2009, 12, 105 – 124. [Google Scholar] [CrossRef]
11. Troldborg, N.; Zahle, F .; Réthoré, P.-E.; Sørensen, N.N. Sammenligning for våken av forskjellige typer vindturbin CFD-modeller; American Institute of Aeronautics and Astronautics ( AIAA ): Nashville, TN, USA, 2012. [Google Scholar]
12. Hansen, K.; Barthelmie, R.J.; Jensen, L.E.; Sommer, A. Effekten av turbulensintensitet og atmosfærisk stabilitet på kraftunderskudd på grunn av vindturbin våkner på Horns Rev vindpark. Vindkraft 2012, 15, 183 – 196. [Google Scholar] [CrossRef]
13. Barthelmie, R.; Badger, J.; Pryor, S.; Hasager, C.B.; Christiansen, M.B.; Jørgensen, B.H. Offshore kystvindhastighetsgradienter: Problemer for design og utvikling av store havvindfarmer. Wind Eng. 2007, 31, 369 – 382. [Google Scholar] [CrossRef]
14. Christiansen, M.B.; Hasager, C.B. Bruke luftbåren og satellitt SAR for å kartlegge offshore. Vindkraft 2006, 9, 437 – 455. [Google Scholar] [CrossRef]
15. Christiansen, M.B.; Hasager, C.B. Våkne effekter av store havvindparker identifisert fra satellitt SAR. Fjernføler. Environ. 2005, 98, 251 – 268. [Google Scholar] [CrossRef]
16. Barthelmie, R.; Hansen, K.; Frandsen, S.; Rathmann, O .; Schepers, G .; Schlez, W.; Phillips, J.; Rados, K.; Zervos, A.; Politis, E.; et al. Modellering og måling av flyt og vindmølle våkner i store vindparker offshore. Vindkraft 2009, 12, 431 – 444. [Google Scholar] [CrossRef]
17. Barthelmie, R.J.; Pryor, S.C.; Frandsen, S.; Hansen, K.; Schepers, G .; Rados, K.; Schlez, W.; Neubert, A.; Jensen, L.E.; Neckelmann, S. Kvantifisere virkningen av vindturbin våkner på kraftproduksjonen ved vindparker på land. J. Atmos. Hav. Technol. 2010, 27, 1302 – 1317. [Google Scholar] [CrossRef]
18. Katic, C.; Jensen, N.O. En enkel modell for klyngeeffektivitet. I Proceedings of European Wind Energy Association Conference and Exhibition, Roma, Italia, 7 – 9. oktober 1986.

© 2013 av forfatterne; lisenshaver MDPI, Basel, Sveits. Denne artikkelen er en åpen tilgangsartikkel distribuert under vilkårene i Creative Commons Attribution-lisensen (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/).