Comparing Abnormalities in Onshore and Offshore Vertical Wind Profiles

Abstract

Kunnskap om den vertikale utviklingen av vindprofilen er essensielt for design og drift av vindturbiner. Denne kunnskapen trengs ikke kun for ekstrapolering av vindhastigheten til turbinens høyde, men er også nødvendig for lastanalyser på hele strukturen, for å nevne de mest åpen- bare utfordringene. Når turbiner vokser i størrelse og flyttes til havs utgjør fenomen som tynne overflatelag, lav-level jetstrømmer og interne grensesjikt en usikkerhet i hvorvidt den mye brukte Monin-Obukhov sim- ilaritetsteorien kan brukes for å beskrive den vertikale vindprofilen som er relevant for moderne vindturbiner. I dette arbeidet evalueres den 10- minutters gjennomsnittlige vertikale vindprofilen opp til høyder på 100- 140m, målt på 7 forskjellige lokasjoner hvor et bredt spekter av omgivelser er representert. Tre av disse lokasjonene er til havs med varierende avstand til land, to er på land rett ved kysten, en er på land men i kystlig nærhet og en er lenger innenlands omgitt av skog. Gjennom analyse av data målt i perioder fra 8 måneder til flere år avhengig av lokasjon, har vindpro- filen blitt kvantitativt kategorisert i henhold til hvor mange makspunkter vindprofilen har, som ikke er mulig innenfor Monin-Obukhov similaritet- steori. Resultatene viser at hyppigheten av lokale makspunkter skalerer inverst med variasjoner i omgivelsene, noe som resulterer i 65−75% unor- male vindprofiler offshore, som minker for vind ved kysten og innenlands. Makspunkt under nøytrale, stabile og veldig stabile forhold i atmosfæren påvirker den vertikale vindprofile i størst grad fra den predikerte formen, og disse makspunktene er primært relatert til uregelmessighetene som skapes når vind krysser mellom sjø og land. Lokasjonene til havs viser indikasjoner på at kysten påvirker vindprofilen gjennom dannelse av et intern grensesjikt, ved kysten oppstår disse profilene primært når vind kommer fra sjøen og krysser over til land. Disse resultatene viser at det er et behov for en bedre beskrivelse av den vertikale vindprofilen for å et- terstrebe høyere nøyaktighet i prediksjon av kraftproduskjon og analyser av krefter som virker på strukturen.

Understanding the vertical wind profile is paramount for design & operation of wind turbines. It is needed not only for extrapolation of the wind velocity to hub height but also for structural load calculations, to name the most obvious issues. As wind turbines grow in size and development transitions offshore, issues such as shallow surface layers, low-level jets and internal boundary layers are raising questions to the applicability of the commonly used Monin-Obukhov similarity theory to accurately describe the vertical wind development to modern wind turbine hub heights. In this study the 10-minute averaged vertical wind profile up to a minimum elevation of 100m is analyzed through measurements collected from seven sites which represent a span of condi- tions. Three sites are located offshore in the North/Baltic Sea with varying fetch, two onshore by the Norwegian coast, one further onshore by the Danish coast, and one is an inland forested site in Sweden. Through analysis of data series ranging from 8 months to several years depending on the site, the wind profile has been quantitatively categorized according to the number of exhibited local maxima which are not possible within Monin-Obukhov similarity theory. The results reveal that the occurrence of local maxima scales inversely to the roughness length, causing 65 − 75% abnormal profiles offshore which decreases as the location transitions from offshore to coastal to further inland, and is lowest at the forested site. The results indicate that issues in predicting the vertical wind profile are most prevalent offshore, where very stable inflections cause severe deviations which may be related to an offshore internal boundary layer. These findings suggest that there is evident need of an improved vertical wind profile description in order to improve the accuracy of power predictions and load calculations, especially at offshore and coastal sites.