Lägesrapport Vindforsk IV: "P 38522-1, Forestwind" Vindkraft i skog II Oktober 2015 Namn på projektet P 38522-1, Forestwind Vindkraft i skog II Projektledare Matthias Mohr, Uppsala universitet, matthias.mohr@geo.uu.se, Tel 018-471 2265 Projektets mål, syfte och metod Projektets centrala frågor är: Utsätts vindkraftverk i skogsmiljö generellt för större laster än vad IEC- standarden föreskriver? Påverkas energiproduktionen negativt av den ökade turbulensen och vindskjuvningen? Kan vi estimera dessa effekter? Kan vi förbättra beskrivningen av turbulensen för lastberäkningar? Hur påverkar skogens inhomogeniteter centrala parametrar som behövs i vindkarterings- och mikro- siting- modeller? Kan man använda avancerade modeller (LES- modeller) för att undersöka dessa frågor? Projektets mål är: 1) Ökad kunskap om vind- och turbulensförhållanden upp till ca 200 m höjd över typiska svenska skogar genom mätningar och modellsimuleringar; 2) Genomföra Large- Eddy- simuleringar (LES) för att öka förståelsen av turbulens över skog; 3) Öka förståelse av turbulens- och vindförhållanden över homogen och icke- homogen skog genom modellsimuleringar; 4) Kvantifiera effekten av vind och turbulens över skog på vindturbinernas energiproduktion och laster Direkt användbara mål: 1) Metoder för att bättre beräkna energiutbytet över skog; 2) Metodik för att ta fram skrovlighetslängd, nollplansförskjutning och leaf area density från laserscanningar (kartor över z0, d och LAD med mycket stor upplösning); 3) Metodik för att koppla en LES- modell till en mesoskala- modell (WRF) som kan överföras till en open- source modell (t.ex. OpenFoam); 4) Bättre beskrivning av turbulens för lastberäkningar (genom bättre modeller för syntetisk turbulens) Vilka jobbar i projektet? Forskare vid Uppsala universitet, Inst. för geovetenskaper/meteorologi: - Matthias Mohr (projektledare) - Hans Bergström (forskare) - Johan Arnqvist (forskare doktorand i föregående projekt Vindkraft i skog ) Forskare vid KTH, Linné FLOW Centre, Institutionen för mekanik: - Antonio Segalini - Henrik Alfredsson (handledare) Forskare vid WeatherTech Scandinavia AB: - Stefan Söderberg - Magnus Baltscheffsky Forskare vid Chalmers, Tillämpad mekanik/avdelningen för strömningslära: - Bastian Nebenführ (slutade 09/2015) - Hamidreza Abedi - Huadong Yao - Lars Davidson (handledare) 19
Forskare vid TG Teknikgruppen AB: - Ingemar Carlén Gästforskare från DTU Vindenergi: - Ebba Dellvik Status doktorsarbeten: - Johan Arnqvist disputerade 2015-02- 06 vid UU (finansierat genom Vindforsk- pengar) - Bastian Nebenführ disputerade 2015-09- 25 vid Chalmers (finansierat genom SWPTC- pengar) Hur väl följs projektplanen? Skala 2 Avvikelser förekommer och delar av projektplanen behöver skrivas om Vissa projektdelar hos UU är några månader försenade (delvis pga. föräldraledighet). UU planerar att i framtiden lägga ut vissa projektdelar på examensarbeten. Projektdelarna vid Chalmers och Weathertech är ca 1 år försenade pga. förseningen av finansieringen och personalbrist på Chalmers. Weathertech och Chalmers hade ursprungligen tänkt utföra allt arbete under år 1-3 av projektet; så här blir det bara en förskjutning av tidtabellen till år 2-4. Detaljerade punkter av projektplanen Masten vid Hornamossen är på plats sedan juni 2015 (se Appendix). Projektdelarna rörande masten är således avslutat. Tyvärr klipptes mastens strömförsörjning sönder i juli. Efter reparation visade temperatur- mätsystemet orimliga profiler och spikar i signalen. Felet har varit svårlokaliserat och systemet kommer nu att ersättas med ett nytt av mastleverantören. En skylt sätts upp vid masten med förklarande text om forskningsprojektet och kontaktuppgifter. Mätdata från Ryningsnäs är i stort sett färdiganalyserade. Teknikgruppen får eventuellt tillgång till lastdata från Nordex- turbinerna och tittar då på lasterna i mera detalj. Produktionsdata kommer att analyseras tillsammans med vinddata från masten. Litteraturstudien om kopplingen mellan LES- och mesoskala- modellen har slutförts (Technical Note, WTECH/TN2015002). Samtidigt pågår utvecklingen av metodik för koppling LES- /mesoskala- modell. Dessa delar är försenade delvis pga. förseningen med finansieringen och delvis pga. personalbrist på Chalmers. Bastian Nebenführ har helt och hållet finansierats genom SWPTC- pengar. Således börjar Chalmers använda projektpengarna först nu. Det finns mycket stora synergier mellan SWPTCs projekt och Forestwind (se [1]). Detta bedöms därför som mycket positivt för Forestwind- projektet. Följande återstår/är försenat från vårterminen 2015 (tidsplan enligt beställningen): - litteraturstudie samband vind- och turbulensprofil gentemot elproduktion (UU, Teknikgruppen) - > kort rapport - utveckla metodik för detaljerade LES- simulering av turbulens över skog (Chalmers, WeatherTech, Teknikgruppen) - påbörja analys av data från Havsnäs Pilot Project (UU, KTH, DTU) - Utveckling av spektral, lineariserad modell för uppskattning av turbulensstruktur över skog relaterad till Mann modellen (KTH, Teknikgruppen, DTU) Litteraturstudien om sambandet av vind- och turbulensprofilen gentemot effektkurvan (dvs. elproduktion) blir klar under hösten. Utvecklingen av metodik för detaljerade LES- simulering av 20
turbulens över skog pågår. Analys av data från Havsnäs påbörjas under hösten (försenat pga. försenade avtal med anledning av personalbrist/sjukdom inom UUs administration). Projektdelen från höstterminen 2014 simulering av laster med data från Ryningsnäs pågår fortfarande. Teknikgruppen får eventuellt lastdata från Vattenfall och Nordex för att undersöka saken närmare. Hur väl följs budgeten? 3 I stort sett följs planen, endast mindre avvikelser förekommer I den ursprungliga budgeten har Weathertech och Chalmers finansiering under år 1-3. Enligt ovan så ska denna finansiering flyttas till år 2-4. Denna flytt sker internt hos Weathertech och Chalmers. Ingen ny budget behöver skrivas. Resultat och måluppfyllelse Resultaten presenteras nedan uppdelat efter projektets delar. 1. Vindresursen på mycket höga höjder Projektet kommer att studera vindförhållandena (vindhastighet och - skjuvning samt turbulens) på mycket höga höjder (> 150 m) över skogstäckt slättland samt skogstäckta kullar och berg genom mätningar från master och Sodar tillsammans med modellsimuleringar. Ett examensarbete kommer att undersöka de nya Sodarmätningarna från Försvarsmakten som når upp till 1000 m höjd. Vi har fått löfte om ytterligare data från en 140m- mast i skogsterräng från E.ON. Dessa punkter kommer att påbörjas under hösten 2015. ICOS- mätningarna från Vindeln- Svartberget, Uppsala- Norunda och Perstorp- Hyltemossa kommer också att används. Vi kommer att samarbeta tätt med ERA- NET Plus projektet New European Wind Atlas som startats under 2015. 2. Turbulensmätningar Masten vid Hornamossen har satts upp i juni 2015. I masten finns åtta Metek- sonicar (som mäter turbulenta vindar i 3 dimensioner med 20 Hz frekvens). Utöver OX2 s standardinstrumentering utrustas masten med ytterligare 4 skålkorsanemometrar och 9 ventilerade termoelement för att mäta vind- respektive temperatur- profilen (se Appendix). Forestwind samverkar med projektet New European Wind Atlas. Detta gjorde det möjligt att komplettera mätsystemet med ytterligare tre turbulensinstrument. De nya pengarna kommer också att användas för att studera siten med LIDAR och SODAR under en mätkampanj på 4-6 månader. AQSystem testar just nu sin SODAR mot mastmätningarna på Hornamossen. Sodar- mätningarna verkar lovande. (Vaisala har också uttryckt intresse.) DTU- Vindenergis WindCube Lidar kommer också att användas. Samtal med Zephir Lidar pågår. 3. Analys av turbulensdata Tillsammans med KTH har Uppsala universitet fortsatt att analysera turbulensdata från Ryningsnäs. Uppsala universitet har också tittat på rumslig korrelation av olika våglängder i turbulensspektra och turbulens- co- spektra mellan olika variabler. Spektralmodellen har undersökts noga och arbete pågår för att hitta de bästa sätten att beskriva inputparametrar (som spektral längdskala, turbulensvirvlarnas livslängd, dissipation av rörelsemängd och temperaturvarians). Resultatet av den teoretiska turbulensmodellen är parametrar som gör det möjligt att estimera turbulensintensiteten som turbinerna utsätts för. Det representerar alltså ett första led för att beskriva lasterna längs med 21
bladen och tornet. Normalisering av höjden över marken med trädhöjden gör att data från olika mätplatser ger en kontinuerlig bild av hur de turbulenta flödena ändras med höjden (om man dessutom normaliserar flödena med friktionshastigheten). 4. Modellsimuleringar Den fritt tillgängliga mesoskala- modellen WRF har vidareutvecklats för att kunna simulera vindprofilen från skogens topp hela vägen ner till marken. Tidigare har WRF (liksom andra mesoskala- modeller) simulerat vindprofilen bara ner till höjden där nollplansförskjutningen ligger. Vi tror att de nya rutinerna leder till en mera noggrann simulering av skogens effekter på vindprofilen. Det återstår en del arbete med att koppla de nya rutinerna i WRF med en energibalansmodell för skogen (såsom WRF- SPA). Arbetet fortsätter som planerat. Nya tester har körts i WRF för både Hornamossen och Ryningsnäs. Dessa körningar kan utvärderas mot mätdata för att identifiera hur parameteriseringen kan utvecklas och förbättras. En exempelfigur på modellerad vindprofil med och utan skogparameterisering samt observationer visas nedan. Utveckling av kod för att läsa in högupplösta leaf area density (LAD) kartor direkt i WRF har påbörjats. Ett pågående arbete undersöker huruvida effekterna av vindskjuvning och vindvridning på vindkraftverkens effektkurva kan bestämmas a priori från mesoskaliga modellresultat. På så sätt skulle sådana effekter kunna kartläggas för hela Sverige (förutsatt att modellen ger rätt profiler). KTH har utvecklat en linjär två- dimensionell modell (k- ε modell; baserat på [5]) för att beräkna strömningen över en skog. Det utvecklas en 3D- version med möjlighet för kalhyggen, topografi och vindturbin- vakar. Stabilitetseffekter kommer att inkluderas i samarbete med Uppsala universitet. Modellen har jämförts med resultat av en LES- modell [6]. KTHs modell är ett snabbt simuleringsverktyg som kan beskriva de turbulenta storheterna ovanför skogsområden. Från figuren nedan framgår att modellen kan uppskatta hastighetsprofilen och skjuvspänningen ganska bra för ett givet fall, men den verkar underskatta turbulensintensiteten. En artikel som sammanfattar modellen och jämförelsen med LES har lämnats in till Boundary- Layer Meteorology och är för närvarande under granskning. En liknande modell, som uppvisat bra korrelation med experimentella mätresultat, har utvecklats för offshore vindparker. 5. LES- simuleringar Arbetet med att koppla den mesoskaliga modellen WRF med Chalmers högupplösta LES- modell pågår. En envägs- koppling har identifierats som den mest gångbara vägen. Ett program har utvecklats för att generera turbulensfält vid ränderna av LES- modellen baserat på meteorologisk data. Här måste man addera syntetisk turbulens eftersom WRF inte ger alla de nödvändiga turbulensparametrar vid LES- modellens ränder. Metoder för att med hjälp av övergångskorridorer hantera MESO- skaliga tvärsnitt är under utveckling (se figur nedan). Genom detta förväntas beräkningstiden för LES- simuleringarna kunna minskas drastiskt. Chalmers har undersökt om lasterna på vindkraftverk kan simuleras genom LES- modellen [7]. Den dynamiska strukturella responsen av en NREL 5MW referens- vindturbin simulerades genom programmet FAST. Följande analyserades I artikeln: Tower- base bending moment (TBBM) och blade- root bending moment (BRBM) samt low- speed shaft bending moment (LSSBM). En av slutsatserna var att LES- turbulensen leder till högre simulerade laster än state- of- the- art syntetisk turbulens. För att hitta en mesoskalig modelluppsättning som på ett bra sätt återger de parametrar som är viktiga i kopplingen till en LES modell så har det körts flera tester med WRF. Exempel på tester som har körts är; olika turbulensscheman, olika diffusionsfilter och olika upplösning. Dessa tester har 22
körts för både Ryningsnäs och Hornamossen och metoder för att utvärdera resultaten mot mätningarna är under utveckling. Själva WRF kan också köras som LES- modell. Några första försök med att köra WRF i LES- mode har inletts. 6. Syntetisk turbulens De syntetiska turbulensmodeller som idag utgör state- of- the- art vid lastberäkningar, utveckling av reglersystem samt för site- specifika analyser, bygger på förenklade antaganden kring sammansättningen av frekvenskomponenter (oberoende amplituder från medel- spectra). Teknikgruppen har utvecklat en metod för att demonstrera hur dessa förenklade antaganden påverkar möjligheten att koherenta vindbyar uppstår. Genom att tvinga på de uppmätta signalerna syntetiska egenskaper (determinitiskt medelspektra och oberoende frekvenskomponenter), så kan man sedan utvärdera i vilken utsträckning dessa vindbyar finns kvar i signalen. För att kunna avgöra om man genom LES- simuleringar kan bidra till att utveckla vindkraftverk som är bättre anpassade för placering i skog så behövs här resultat med högre upplösning än vad som producerats hittills i projektet. Chalmers parallelliserade kod CALC++ kommer att användas här. Skillnaderna mellan de olika typerna av turbulens kommer att kunna kvantifieras med aeroelastiska lastberäkningar. En vidareutvecklad version av spektralmodellen från Mann för att beskriva atmosfärisk turbulens över skog under icke- neutral skiktning har utvecklats [2]. Metoden av Mann (som kan anses vara state- of- the- art för utveckling och certifiering av vindkraftverk) rekommenderas i IEC- standarden IEC61400-1 Ed. 3 för att beräkna syntetisk turbulens och används bl.a. i WASP. Det fortsätts med att förfina den sysntetiska turbulensmodellen för att ta hänsyn till bland annat icke- linjär vindskjuvning. Modellen jämförs med data från Ryningsnäs och Hornamossen. Denna syntetiska turbulens ([2], [3] och [4]) har implementerats i Teknikgruppen's simuleringsmiljö för strömning genom rotordisken. De förfinade modellerna för syntetisk turbulens kommer att testas i Teknikgruppens modell. En förlängning av Mann- modellen är planerat för att ta hänsyn till den vertikala icke- homogeniteten hos turbulensegenskapen. Grundtanken är att korrigera teorin (Rapid Distortion Theory) för att ta hänsyn till den vertikala förändringen i längdskala och andra relevanta egenskaper, vilket gör det möjligt att ta hänsyn till vertikala icke- homogeniteter. 7. Analys av laserdata Lasermätningar från flygplan/satellit analyseras och rekommendationer för inputparametrar (såsom skrovlighetslängden, nollplansförskjutningen och lövarealdensiteten) tas fram för typiska svenska skogar. Lasermätningar för området runt 180m- masten har laddats ner och program har utvecklats för att beräkna trädhöjd och lövarealdensitet. Ett program som översätter laserdata till önskat rutnät finns klart (se figur nedan). Vidare har litteraturen genomsökts för att hitta det bästa sättet att översätta heterogeniteten hos skogen till aggregerade värden på råhetslängd och nollplansförskjutning. UU samarbetar här med bl.a. DTU Vindenergi. Hur långt har projektet kommit på vägen mot de uppsatta målen? Projektet är på god väg att nå sina mål. Genom den nya masten kommer vi att få ökad kunskap om vind- och turbulensförhållanden upp till 180 m höjd över en typisk svensk skog i södra Sverige. Med 23
ytterligare mätinstrument (SODAR, LIDAR) kommer vi att mäta vind och förhoppningsvis också turbulens upp till minst 200 m höjd på denna plats. För att studera vind och turbulens över skog i detalj kommer modellsimuleringar att kunna göras med både de mesoskaliga modeller som används och LES- modellen. Detta kommer att kunna göras för både homogen och icke- homogen skog. (Projektet är därmed på god väg att nå sitt mål att genomföra ett stort antal LES- simuleringar över Ryningsnäs och Hornamossen för att öka förståelsen av turbulensen över skog.) Arbetet med att kvantifiera effekten av vind och turbulens över skog på vindturbinernas energiproduktion är i full gång. Arbetet med de direkt användbara målen är i full gång: Detta gäller i) metoder för att bättre beräkna energiutbytet över skog, ii) metodik för att beräkna skrovlighetslängd, nollplansförskjutning och leaf area density från Lantmäteriets laserscanningar, iii) metodik för att koppla en LES- modell till en mesoskala- modell samt iv) arbetet med en bättre beskrivning av turbulens för lastberäkningar (genom syntetisk turbulens). Kvalitet och måluppfyllelse 4 Samtliga mål förväntas uppnås Kommentar: Vissa delmål/moment är försenade med upp till ett år. Det mesta beror på att Chalmers och Weathertech nu använder finansieringen för år 2-4 istället för år 1-3. Referensgrupp Referensgruppen hade sitt första möte under våren 2015. Inga nya möten har hållits sedan senaste statusrapport. Kommande referensgruppsmöten kommer att hållas vid Winterwind 2016 och 2017. Referenser [1] Nebenführ, B. (2015): Turbulence- resolving simulations for engineering applications. Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie nr. 3935. Se http://publications.lib.chalmers.se/records/fulltext/220828/220828.pdf [2] Arnqvist, J. (2015): Mean Wind and Turbulence Conditions in the Boundary Layer above Forests. Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Facilty of Science and Technology 1212. Se http://www.diva- portal.org/smash/get/diva2:698598/fulltext01.pdf [3] A. Segalini, J. Arnqvist, I. Carlén, H. Bergström & P. H. Alfredsson (2015): A spectral model of stably stratified surface- layer turbulence. Submitted to Wake Conference 2015 in Visby, Sweden. [4] Chougule, A., Mann J., Segalini A., Dellwik E, (2014):Spectral tensor parameters for wind turbine load modeling from forested and agricultural landscapes, Wind Energy, Wiley Online Library DOI: 10.1002/we.1709. [5] Belcher, S.E., Jerram, N. and Hunt, J. C. R. (2003): Adjustment of a turbulent boundary layer to a canopy of roughness elements, J. Fluid Mech. 488, 369-398 [6] Nakamura, T. (2014): Effects of a Forest Clearing: Experimental and Numerical Assessment. Master Thesis. School of Science for Open and Environmental Systems, Graduate School of Science and Tecnology, Keio University, Japan. [7] Nebenführ, B. and L. Davidsson (2015): Prediction of wind- turbine fatigue loads in forest regions based on turbulent LES inflow fields. Submitted to Wind Energy. 24
Bilder som kan illustrera projektets verksamhet 1. Simulering av det turbulenta vindfältet över en skog med Chalmers LES- modell. De turbulenta fluktuationerna i vinden syns tydligt. Turbulensen från LES- modellen (LES) jämförs med state- of- the- art syntetisk turbulens (TuGEN). 2. Ortogonala komponenter av Reynolds- stress tensorn beräknat genom LES- och Mann- modellen. Mann- modellen ger i det närmaste höjdkonstanta komponenter som inte kan anses motsvara realiteten. Notera att y- axeln motsvarar höjd över marken. 25
3. Hastighetsstatistik för vindprofil over skog (grått fyrkantigt område). (a) medelhastighet, (b) u'w skjuvspänning, (c) turbulent kinetisk energi, (d) hastighetsvarians i flödesriktningen, (e) vertikal hastighetsvarians, (f) sidohastighetsvarians. Cirklar och stjärnor indikerar LES data för LAI=2 och LAI=5. Heldragna linjer och streckade linjer indikerar motsvarande modellresultat. De tunna vertikala streckade linjerna anger x- positionerna där storheterna utvärderas. z/hc 4 2 (a) z/hc z/hc z/hc z/hc z/hc 0 4 2 0 4 2 0 4 2 0 4 2 0 4 2 (b) (c) (d) (e) (f) 0 10 0 10 20 30 40 50 60 x/h c 26
4. Exempel på Leaf Area Index (LAI) från Lantmäteriets laserscanningar. x- och y- axeln visar avstånd i meter. Från originaldata (övre figur) och interpolerat till 10 x 10 m upplösning (nedre figur). Denna upplösning är typisk för en LES modell. 27
5. Jämförelse mellan uppmätt vindprofil vid Hornamossen (svart), modellerad vindprofil utan canopy- drag (blå) och modellerad vindprofil med canopy- drag (röd). Den blå heldragna och streckade linjen visar WRF- resultaten för en nollplansförskjutning på 0 respektive 15 m. 6. Schematisk beskrivning av metoden för att introducera turbulens på LES- modellens sidor. Helst ska önskan av periodicitet på inloppsranden till en LES- domän uppfyllas (då LES- modellen använder periodiska gränsvillkor). De långsamt varierande profiler som den mesoskaliga modellen ger är dock ej periodiska. U.B., L.S.B och R.S.B. står för Upper, Left Side och Right Side Boundary. I.B. stör för intern domän. 28
29
7. Exempel på koherenta vindbyar som träffar hela masten i Ryningsnäs. Om en sådan vindby når upp mot 1 m/s 2 och samtidigt passerar märkvind ( rated wind speed ), så kan detta leda till att kontrollsystemet över- reagerar och börjar vrida bladen för mycket så att stora lastcykler uppkommer. Dessa vindbyar förefaller uppkomma med jämna mellanrum och verkar inte finnas i state- of- the- art syntetisk turbulens. 30
Appendix 180 m masten vid Hornamossen Viktiga händelser: Juni 2015: Komplettering Juli 2015: Sabotage på strömförsörjningen (termoelement- mätsystemet under utbyte då skadat) Instrumentering Höjder (m över markytan) Thies 4.3350 anemometrar 40, 60, 80, 100, 120, 150, 180 Vaisala WAA252 anemometrar (uppvärmda) 80, 120, 150 Temperatur- /fuktgivare (1 st) 10, 180 Vindriktningsgivare 80, 120, 180 Termoelement med strålningskydd (med 10, 20, 40, 60, 80, 100, 120, 150, 180 ventilering) Metek usonic- 3 Scientific 20, 40, 60, 80, 100, 120, 150, 180 Bild på mast (se nedan). Fler bilder på http://hmossenbilder.byvind.se/#!home. Video på https://www.youtube.com/watch?v=eyie5xokdtm 31