Measuring and understanding site-specific wind and turbulence characteristics for wind energy applications

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Pauscher, Lukas:
Measuring and understanding site-specific wind and turbulence characteristics for wind energy applications.
Bayreuth , 2017 . - Getr. Zählung
( Dissertation, 2017 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Onshore wind energy has become the most important source of renewable energy in Germany. This success also lead to rapid developments in turbine technology. The strongly increased turbine size creates a need for the application of new measurement technologies to replace tall, expensive and inflexible measurement masts. For this reason, Doppler-lidar measurements have become increasingly popular in the wind energy community. Yet, for measurements in complex terrain and for turbulence measurements, conically scanning lidars still suffer from systematic errors. However, especially in complex terrain accurate measurements of the mean wind speed and turbulence intensity are key for resource and site suitability assessment, as modelling is often associated with high uncertainties. Also, the relation of observed turbulence quantities to surface characteristics and the atmospheric stability regime is often difficult for the experimentalist. This dissertation focuses on the aforementioned problems and presents different approaches to resolve them.

The complex terrain error of conically scanning lidars is analysed experimentally and using flow modelling. The simulations revealed a high sensitivity to land cover, especially forest generally reduces the error. Among the investigated models, the linear flow model showed the worst performance in predicting the observed error. The RANS-models could reproduce the right pattern and magnitude of the lidar error.

As an alternative the multi-lidar (ML) approach is investigated. The value of the ML-approach, when compared to a single conically scanning lidar, is demonstrated experimentally in complex terrain for the first time. Given an appropriate setup, measuring with two or three lidars in the same point significantly improved the agreement with a high quality reference measurement. This can greatly reduce the uncertainties of lidar measurements in complex flow regimes.

The multi-lidar approach was also experimentally demonstrated to be a promising approach to measure turbulence statistics in complex terrain. In contrast, the conically scanning lidar showed a strong overestimation, when compared to the reference measurements. One of the problems which remains unsolved in the ML-approach is the attenuation of small scale turbulence by the spatial averaging of the lidar. This was also clearly visible in the spectral analysis of the ML-experiment.

This dissertation approaches the problem by investigating the capability of a pulsed lidar to measure the dissipation rate of turbulent kinetic energy (TKE) using three different methods: A previously described method based on short term variances is corrected to remove significant systematic errors which were present. Moreover, a theoretically suggested method based on the structure function of the radial velocity fluctuations is experimentally evaluated for the first time. The third approach uses the power-spectral density in the inertial sub-range. It is shown that, given the knowledge about the spatial averaging function of the lidar and a careful removal of the noise, the dissipation rate of TKE can be estimated with a reasonable accuracy. However, the experimentally determined form of the spatial averaging function and the one derived from theoretical considerations showed significant differences. The differences between the investigated methods to derive the dissipation rate of TKE are mainly found in their applicability to different experimental setups with the structure-function approach providing the most flexible option.

Finally, the dissertation investigates observed turbulence quantities and their relation to surface characteristics and stability at a 200-m-mast at a forested hilltop site. A simple approach based on footprint modelling is developed to characterise the surface ruggedness and roughness in the area of effect of the measurement. It is shown that especially the normalised standard deviation of the wind along the stream lines exhibits a high correlation to the surface characteristics within the footprint. Atmospheric stability also had a strong influence on the representative turbulence intensity at the investigated hilltop site. The prevalence of stable conditions for wind speeds between 6-12 m/s lead to a significantly reduced turbulence intensity in this wind speed range, which is in the order of the difference between standard turbulence classes for wind turbines.

Abstract in weiterer Sprache

Die Windenergie an Land ist der wichtigste Energieträger unter den erneuerbaren Energien in Deutschland. Dieser Erfolg ging mit einer schnellen Entwicklung in der verwendeten Technologie einher. Mit den stark gewachsenen Anlagenhöhen werden klassische mastbasierte Messungen teuer und sind zudem unflexibel. Durch diesen Trend sind Lidar-Messungen in den vergangen Jahren im Bereich Windenergie immer populärer geworden. Allerdings sind diese im komplexen Gelände mit systematischen Fehlern behaftet und weisen bei der Messung von Turbulenz erhebliche Ungenauigkeiten auf. Demgegenüber sind besonders im komplexen Gelände Messungen der Windgeschwindigkeit und Turbulenzeigenschaften wichtig, da die Modellierung hier mit großen Unsicherheiten verbunden ist. Allgemein erweist sich auch die Interpretation experimentell bestimmter turbulenter Windbedingungen im komplexen und heterogenen Gelände als schwierig. Ebenso ist die Abschätzung des Einflusses der atmosphärischen Stabilität auf die repräsentative Turbulenzintensität, die zur Bestimmung der Eignung einer Windenergieanlage wichtig ist, oft schwierig.
Die vorgelegte Dissertation befasst sich mit den beschriebenen Problemen und entwickelt dazu verschiedene Lösungsansätze.

Zuerst wurde der Fehler eines konisch scannenden Lidars experimentell und mittels Strömungssimulation untersucht. In den Ergebnissen der Modellierung zeigte sich eine große Abhängigkeit des Lidar-Fehlers von der Oberflächenbedeckung. Bei einem bewaldeten Hügel war der Fehler gegenüber einer unbewaldeten Oberfläche deutlich reduziert. Auch zwischen den verwendeten Modellen zeigten sich große Unterschiede. So war die Übereinstimmung zwischen den RANS-Modellen und den experimentell bestimmten Fehlern deutlich besser als für das untersuchte lineare Model.

Als Alternative zu konisch scannenden Lidars wurde die Multi-Lidar (ML) Methode für den Einsatz im komplexen Gelände untersucht. Dabei konnte erstmals experimentell gezeigt werden, dass die Messfehler in der mittleren Windgeschwindigkeit gegenüber konisch scannenden Lidars deutlich reduziert werden können, wenn zwei oder drei Lidars im gleichen Punkt messen. Dies bietet die Möglichkeit die Unsicherheiten in Lidar-Messungen im komplexen Gelände deutlich zu reduzieren.

Auch bei den Turbulenzmessungen zeigte sich die ML-Methode als vielversprechend. Im Gegensatz dazu wurde bei der Messung des konisch scannenden Lidars eine deutliche Überschätzung der Referenzmessung beobachtet. Eines der ungelösten Probleme mit dem ML-Ansatz ist jedoch die Dämpfung kleiner Turbulenzskalen durch die räumliche Mittelung der Lidar-Messung. Dies konnte deutlich in der Analyse der Spektren aus dem ML-Experiment beobachtet werden. Die vorgelegte Dissertation untersucht in diesem Kontext die Möglichkeit aus Lidar-Messungen die Dissipationsrate turbulenter kinetischer Energie (TKE) abzuleiten.
Dazu wurden drei Ansätze verglichen. Die erste Methode ist eine Weiterentwicklung und Korrektur eines zuvor veröffentlichten Ansatzes, der auf der Varianz der radialen Windgeschwindigkeit innerhalb kurzer Messperioden beruht. Gegenüber dem ursprünglichen Ansatz können durch die Weiterentwicklung erhebliche systematische Fehler vermieden werden. Der zweite Ansatz basiert auf der Strukturfunktion der radialen Windgeschwindigkeit und wurde bisher nur theoretisch beschrieben. In dieser Arbeit wird er zum ersten Mal experimentell überprüft. Der dritte Ansatz führt die Bestimmung der Dissipationsrate der TKE basierend auf einer Analyse der Powerspektren im Trägheitsbereich durch. Die Arbeit zeigt, dass es möglich ist die Dissipationsrate der TKE aus Lidar-Messungen mit zufriedenstellender Genauigkeit zu schätzen. Allerdings muss dazu die räumliche Mittelungsfunktion des Lidars bekannt sein. Bei der experimentellen Untersuchung der räumlichen Mittelungsfunktion zeigten sich jedoch signifikante Unterschiede zu den vorher durchgeführten theoretischen Überlegungen. Der Unterschied zwischen den Methoden zur Bestimmung der Dissipationsrate der TKE liegt vor allem in ihrer Anwendbarkeit auf verschiedene Messkonfigurationen. Hier zeigt die Methode basiernd auf der Strukturfunktion die größte Flexibilität.

Neben der Entwicklung von Methoden im Bereich der Lidar-Messungen präsentiert die Arbeit auch Messungen verschiedener Turbulenzgrößen vom 200-m-Mast des Fraunhofer IWES am Rödeser Berg. Zur Interpretation des Zusammenhangs zwischen den Eigenschaften der Oberfläche im Einflussbereich der Messung und den Beobachtungen wurde ein einfaches Tool basierend auf dem Footprintansatz entwickelt. Besonders für die normalisierte Standardabweichung entlang der Strömungslinien zeigten sich hohe Korrelationen mit der Rauigkeit und dem Zerklüftungsgrad der Oberfläche im modellierten Footprint. Neben den Oberflächeneigenschaften hatte auch die atmosphärische Stabilität einen großen Einfluss auf die Turbulenzeigenschaften. Besonders im für die Ermüdungslasten wichtigen Bereich zwischen 6-12 m/s war die Turbulenzintensität aufgrund des häufigen Auftretens stabiler Schichtung signifikant reduziert.