1 Forestwind VindkraftiskogII ProjektP38522A1Lägesrapportapril2015 Projektledare MatthiasMohr,Uppsalauniversitet,matthias.mohr@geo.uu.se,Tel018 4712265 Projektetsmål,syfteochmetod Projektetshuvudsyfteärattutvecklakunskapochberäkningsmetoderförattutvärdera lokaliseringavvindkraftverkochvindkraftparkeriskogsmiljö.ettannatsyfteärattestimera ochförsökaminimeralasternapåvindkraftverkiskogsterräng.etttredjesyfteärattestimera skogenseffektpåenergiproduktionenochföreslåmetoderförattökaenergiutbytetöverskog. Projektetscentralafrågorär:Utsättsvindkraftverkiskogsmiljögenerelltförstörrelasteränvad IEC?standardenföreskriver?Påverkasenergiproduktionennegativtavdenökadeturbulensen ochvindskjuvningen?kanviestimeradessaeffekter?kanmanförbättrabeskrivningenav turbulensenförlastberäkningar?hurpåverkarskogensinhomogenitetercentralaparametrar sombehövsivindkarterings?ochmicro?siting?modellersåsomi)skrovlighetslängden,ii) nollplansförskjutningenochiii) leafareadensity?profilen?kanmananvändaavancerade modeller(les?modeller)förattundersökadessafrågor? Projektetsmålär:1)Ökadkunskapomvind?ochturbulensförhållandenupptillca200mhöjd övertypiskasvenskaskogargenommätningarochmodellsimuleringar;2)genomföralarge? Eddy?simuleringar(LES)förattökaförståelsenavturbulensöverskog;3)Ökaförståelseav turbulens?ochvindförhållandenöverhomogenochicke?homogenskoggenom modellsimuleringar;4)kvantifieraeffektenavvindochturbulensöverskogpåvindturbinernas energiproduktionochlaster Direktanvändbaramål:1)Metoderförattbättreberäknaenergiutbytetöverskog;2)Metodik föratttaframskrovlighetslängd,nollplansförskjutningochleafareadensity(lad)från laserscanningar(kartoröverz0,dochladmedmycketstorupplösning);3)metodikföratt kopplaenles?modelltillenmesoskala?modell(wrf)somkanöverförastillenopen?source modell(t.ex.openfoam);4)bättrebeskrivningavturbulensförlastberäkningar(t.ex.genom syntetiskturbulens) Vilkajobbariprojektet? ForskarevidUppsalauniversitet,Institutionenförgeovetenskaper/meteorologi: MatthiasMohr(projektledare) HansBergström(forskare) JohanArnqvist(forskare doktorandiföregåendeprojekt Vindkraftiskog ) ForskarevidKTH,LinnéFLOWCentre,Institutionenförmekanik: AntonioSegalini HenrikAlfredsson(handledare) ForskarevidWeatherTechScandinaviaAB: StefanSöderberg MagnusBaltscheffsky

2 ForskarevidChalmers,Tillämpadmekanik/avdelningenförströmningslära: BastianNebenführ LarsDavidson(handledare) ForskarevidTGTeknikgruppenAB: IngemarCarlén GästforskarefrånDTUVindenergi: EbbaDellvik Statusfördoktorsarbeten:JohanArnqvistdisputerade6februari2015vidUppsalauniversitet. Hurvälföljsprojektplanen? Tidsplanenförvårterminen2015ärföljande(enligtbeställningen):?litteraturstudiesambandvind?ochturbulensprofilgentemotelproduktion(UU, Teknikgruppen)kortrapport?utvecklametodikfördetaljeradeLES?simuleringavturbulensöverskog (Chalmers,WeatherTech,Teknikgruppen)?påbörjaanalysavdatafrånHavsnäsPilotProject(UU,KTH,DTU)?Utvecklingavspektral,lineariseradmodellföruppskattningav turbulensstrukturöverskogrelateradtillmannmodellen(kth,teknikgruppen, DTU) Följandedelaravprojektplanenåterstår/ärförsenade: Litteraturstudienomsambandetavvind?ochturbulensprofilengentemoteffektkurvan(dvs. elproduktion)pågår.utvecklingenavmetodikfördetaljeradeles?simuleringavturbulensöver skogblirförsenadmedetthalvårpga.förseningenifinansieringen.analysavdatafrånhavsnäs påbörjasundermaj?månadpga.förseningarmedavtalhosuu.projektdelenfrånhöstterminen 2014 simuleringavlastermeddatafrånryningsnäs pågår.teknikgruppenskafålastdatafrån VattenfallochNordexförattundersökasakennärmare. Resultatochmåluppfyllelse Resultatenpresenterasnedanuppdelatefterprojektetsdelar. 1.Vindresursenpåmyckethögahöjder Projektetkommerattstuderavindförhållandena(vindhastighetoch?skjuvningsamtturbulens) påmyckethögahöjder(>150m)överskogstäcktslättlandsamtskogstäcktakullarochberg genommätningarfrånmasterochsodartillsammansmedmodellsimuleringar.ett examensarbetekommerattundersökadenyasodar?mätningarnafrånförsvarsmaktensomnår upptill1000mhöjd.vifåreventuelltytterligaredatafrånen140m?mastiskogsterrängfrån E.ON.ICOS?mätningarnafrånVindeln?Svartberget(140m),Uppsala?Norunda(100m)och Perstorp?Hyltemossa(140m)användsockså.Dettaarbetekommerattpåbörjasunderhösten 2015. 2.Turbulensmätningariskog MastenvidHornamossensättsuppundermaj2015.Imastenmonteras8styckenMetek?sonicar (sommäterturbulentavindari3dimensionermedenfrekvenspå20hz).utöverox2 s standard?instrumenteringutrustasmastenmedytterligare4skålkorsanemometraroch9 ventileradetermoelementförattmätavind?respektivetemperaturprofilen(seappendix). DetharfåttsytterligarefinansieringinomprojektetERA?NETPlus,projektNewEuropean WindAtlasförattfortsättamätningarmed180m?mastenca6?12månanderutövernuvarande projektperiod.denyaprojektpengarnagjordedetmöjligtattkompletteramätsystemetmed ytterligaretreturbulensinstrumentsamtettmätsystemförtemperaturprofilen.detnya

3 projektetmöjliggörocksåattstuderasitenmedlidarochsodarunderenmätkampanjpå4?6 månader.bådeaqsystemochvaisalaharyttrycktintresseatttestaderassodarmot mastmätningarna.dtu?vindenergiswindcubelidarkommerocksåattanvändas.samtalmed ZephirLidarpågår. 3.Analysavturbulensmätningar TillsammansmedKTHharUppsalauniversitetfortsattattanalyseraturbulensdatafrån Ryningsnäs.EnvidareutveckladversionavspektralmodellenfrånMannförattbeskriva atmosfäriskturbulensöverskogundericke?neutralskiktningharutvecklats[1].detfortsätts medattförfinamodellenföratttahänsyntillblandannaticke?linjärvindskjuvning.modellen jämförsmeddatafrånryningsnäsoch,iframtiden,hornamossen.modellensförmågaattförutse deolikaflödeskomponenternaavvindochtemperaturharundersökts.ettmanuskriptshar utarbetatsochbefinnersigförnärvarandeireviewprocess[1]. Resultatetavdenteoretiskamodellenärparametrarsomgördetmöjligtattestimera turbulensintensitetensomturbinernautsättsför.detrepresenteraralltsåettförstaledföratt beskrivalasternalängsmedbladenochtornet.normaliseringavhöjdenövermarkenmed trädhöjdengörattdatafrånolikamätplatsergerenkontinuerligbildavhurdesexandra ordningensturbulentaflödenaändrasmedhöjden(ommandessutomnormaliserarflödena medfriktionshastigheten)?sefigur1. Uppsalauniversitetharocksåtittatpårumsligkorrelationavolikavåglängderi turbulensspektraochturbulens?co?spektramellanolikavariabler.spektralmodellenhar undersöktsnogaocharbetepågårföratthittadebästasättenattbeskrivainputparametrar (somspektrallängdskala,turbulensvirvlarnaslivslängd,dissipationavrörelsemängdoch temperaturvarians). 4.Modellsimuleringar Denfritttillgängligamesoskala?modellenWRFharvidareutvecklatsförattkunnasimulera vindprofilenfrånskogenstopphelavägennertillmarken.tidigareharwrf(liksomandra mesoskala?modeller)simuleratvindprofilenbaranertillhöjdendärnollplansförskjutningen ligger.vitrorattdettaledertillenmeranoggrannsimuleringavskogenseffekterpå vindprofilenpåmikroskalan.detåterstårendelarbetemedattkoppladenyarutinernaiwrf medenenergibalansmodellförskogensåsomwrf?spa.arbetetfortsättersomplanerat. Ettpågåendearbeteundersökerhuruvidaeffekternaavvindskjuvningochvindvridningpå vindkraftverkenseffektkurvakanbestämmasapriorifrånmesoskaligamodellresultat.påsåsätt skullesådanaeffekterkunnakartläggasförhelasverige(förutsattattmodellengerrättprofiler). KTHharutvecklatenlinjärtvå?dimensionellmodell(baseratpå[4])förattberäkna strömningenöverenskog.detutvecklasen3d?versionmedmöjlighetförkalhyggen,topografi ochvindturbin?vakar.stabilitetseffekterkommerattinkluderasisamarbetemeduppsala universitet.modellenharjämförtsmedresultatavenles?modell[5]. 5.LESsimuleringar ArbetetmedattkoppladenmesoskaligamodellenWRFmedChalmershögupplöstaLES?modell pågår.enenvägs?kopplingharidentifieratssomdenmestgångbaravägen.ettprogramhar utvecklatsförattgenereraturbulensfältvidrändernaavles?modellenbaseratpåmeteorologisk data.härmåstemanadderasyntetiskturbulenseftersomwrfintegeralladenödvändiga turbulensparametrarvidles?modellensränder.förhomogenaförhållandenärdetnuäven möjligtattgenererainloppsturbulensutantillgångtillwrf?resultat.dettaskermeden preprocessordärolikastationäraprofilerberäknasmedhjälpavmodellerfrånlitteraturen. ChalmersharocksåvidareutvecklatteknikerförattsimuleraskogsgränsskiktmedsinLES? modellundertermisktskiktadeförhållanden.gradienterochturbulentastorheterharjämförts medmätresultatfrånrynningsnäs.enstrategiförattlinjäriseraturbulentatidsserierfrån mätningarochles?simuleringarharutarbetats.dettabehövsförattvärderahurturbulensens

4 icke?linjäraegenskaperpåverkarlasterochreglering.fråganäravsärskiltintresseeftersom denturbulenssomanvändsviddesignochcertifieringavvindkraftverkalltidärlinjär(dvs.har oberoendefrekvenskomponenter). Referens?simuleringarhargenomförtsförolikatermiskaskiktningarförattkartläggaivilken omfattningdenovanbeskrivnaspektralmodellenkananvändasförattbeskrivainloppsranden överhelagränsskiktet.osäkerhetenberörfrämststoravertikalaseparationerigränsskiktets övredel,därles?simuleringarmedperiodiskarandvillkorindikerarsvagarekorrelationvid lågafrekvenser.detbehöverdockkartläggashurbetydelsefulltdettaärförproduktion,laster ochturbinregleringpådennivådärvindkraftverkenopererar. 6.Syntetiskturbulens Somreferensmodellförsyntetiskturbulensharresultatenfrån[1]och[2]implementeratsi Teknikgruppen'ssimuleringsmiljöförströmninggenomrotordisken.Dennaturbulensmodellfår härrepresenteravadsomgårattåstadkommanärdetgälleranpassningaravdetsomidagutgör state?of?the?artförutvecklingochcertifieringavvindkraftverk. MetodenavMannrekommenderasiIEC?standardenIEC61400?1Ed.3förattberäknasyntetisk turbulensochanvändsbl.a.iwasp.denmodifierademann?modellenförsyntetiskturbulens (beskrivetovaniavsnitt3)kommeratttestasiteknikgruppensmodell. 7.Analysavlaserdata Lasermätningarförområdetrunt180m?mastenharladdatsnerochprogramharutvecklatsför attberäknaträdhöjdenand?densiteten.lasermätningarfrånflygplan/satellitanalyserasoch rekommendationerförinputparametrar(såsomskrovlighetslängden,nollplansförskjutningen ochlövarealdensiteten)tasframförtypiskasvenskaskogar.gruppenhållerettinledandemöte förettforskningssamarbetemeduniversityofcolorado,boulder(usa)imaj2015och samarbetarmeddtuvindenergi.arbetetpåbörjasunder2016(enligttidsplanen). Hurlångtharprojektetkommitpåvägenmotdeuppsattamålen? Projektetärpågodvägattnåsinamål.Genomdennyamastenkommerviattfåökadkunskap omvind?ochturbulensförhållandenupptill180mhöjdöverentypisksvenskskogisödra Sverige.Medytterligaremätinstrument(SODAR,LIDAR)kommerviattmätavindoch förhoppningsvisocksåturbulensupptillminst200mhöjdpådennaplats. Förattstuderavindochturbulensöverskogidetaljkommermodellsimuleringarattkunna görasmedbådedemesoskaligamodellersomanvändsochlesmodellen.dettakommeratt kunnagörasförbådehomogenochicke?homogenskog.projektetärocksåpågodvägattnåsitt målattgenomföraettstortantallessimuleringaröverryningsnäsochhornamossenföratt ökaförståelsenavturbulensenöverskog.arbetetmedattkvantifieraeffektenavvindoch turbulensöverskogpåvindturbinernasenergiproduktionärigång. Arbetetmeddedirektanvändbaramålenharpåbörjats:Dettagällermetoderförattbättre beräknaenergiutbytetöverskog,metodikförattberäknaskrovlighetslängd, nollplansförskjutningochleafareadensityfrånlantmäterietslaserscanningar,metodikföratt kopplaenles?modelltillenmesoskala?modell.arbetetmedenbättrebeskrivningavturbulens förlastberäkningar(genomsyntetiskturbulens)ärpågodväg.beskrivningenkommeratt förfinasochvaliderasmeddenyamätningarna. Referensgrupp Referensgruppenhadesittförstamöte2015?02?09och2015?04?29.Protokolletfrån referensgruppsmötet2015?02?09bifogas.protokollfrånreferensgruppmötets2015?04?29 skickasutibörjanavmaj.kommandereferensgruppsmötenkommeratthållasunderbörjanav 2016och2017.

Referenser [1]Arnqvist,J.(2015):MeanWindandTurbulenceConditionsintheBoundaryLayeraboveForests. DigitalComprehensiveSummariesofUppsalaDissertationsfromtheFaciltyofScienceandTechnology1212. Seehttp://www.diva?portal.org/smash/get/diva2:698598/FULLTEXT01.pdf [2]A.Segalini,J.Arnqvist,I.Carlén,H.Bergström&P.H.Alfredsson(2015):Aspectralmodelofstably stratifiedsurface?layerturbulence.submittedtowakeconference2015invisby,sweden. [3]Chougule,A.,MannJ.,SegaliniA.,DellwikE,(2014):Spectraltensorparametersforwindturbineload modelingfromforestedandagriculturallandscapes,windenergy,wileyonlinelibrarydoi: 10.1002/we.1709. [4]Belcher,S.E.,Jerram,N.andHunt,J.C.R.(2003):Adjustmentofaturbulentboundarylayertoacanopy ofroughnesselements,j.fluidmech.488,369?398 [5]Nakamura,T.(2014):EffectsofaForestClearing:ExperimentalandNumericalAssessment.Master Thesis.SchoolofScienceforOpenandEnvironmentalSystems,GraduateSchoolofScienceandTecnology, KeioUniversity,Japan. 5

Bildersomkanillustreraprojektetsverksamhet 1.DeolikakomponenternaiReynolds?tensorn(turbulentaimpulsflödenm.m.)frånmätningari Ryningsnäsochdenny?utveckladeversionenavMann?modellensomfunktionavhöjdenöver marken (från [2]). Gäller för en vindhastighet U 8m/spå100mhöjdförnära?neutral skiktning (Ri 0.10). Data från Ryningsnäs visas som symboler och data från modellen som linjer. 2.Jämförelseavvindhastighet(ix?riktning)avFukagataLaboratory sles?modell(a)ochkths linjäramodell(b)förisoleradskogmedleafareaindex=2ochlängd=40 trädhöjd. 6

3.SimuleringavdetturbulentavindfältetöverskogmedChalmersLES?modell.Horisontell vindhastighetskomponentlängsmedx?riktningvisassomfunktionavavståndochhöjdöver marken.trädhöjdenvisassomvitstreckadlinje.modellenharenupplösningav8mhorisontellt och2mvertikalt.deturbulentafluktuationernaivindfältetsynstydligt. Appendix InstrumenteringavHornamossen5masten Instrumentering Höjder(mövermarkytan) Thies4.3350anemometrar 40,60,80,100,120,150,180 VaisalaWAA252anemometrar(uppvärmda) 80,120,150 Temperatur?/fuktgivare(1st) 10,180 Vindriktningsgivare 80,120,180 Termoelementmedstrålningskydd 10,20,40,60,80,100,120,150,180 (ventilerade) MetekuSonic?3Scientific 20,40,60,80,100,120,150,180 (turbulensinstrument) 7