The analytical wind farm efficiency and wake model EFFWAKE

About 10 years ago the analytical wind farm efficiency and wake model EFFWAKE was developed which is based on a simple budget consideration between extracted momentum from the wind by a wind farm and re-supplied momentum from higher atmospheric levels (Emeis 2010). The spread-sheet-based model is able to calculate the efficiency and the length of the trailing wake of infinitely large wind farms as a function of farm power density, roughness of the surface on which the farm is built, and atmospheric thermal stability. Driving force is the undisturbed wind speed at hub height. In its latest version (Emeis 2018) EFFWAKE also considers the turbulence generated by the operating wind turbines. When EFFWAKE was developed it could only be checked against existing other numerical wind farm models, because large wind farms which came close to the assumptions on which EFFWAKE is based were not yet existing. Main assumption is that replenishment of extracted momentum only happens by turbulent fluxes from above but not from the sides of the farm. The impact of this assumption will be demonstrated by a comparison with an industry model in which the farm size is varied while keeping the spatial power density of the farm constant. Meanwhile, large offshore wind farms have been erected which come closer to EFFWAKE’s assumptions. The research project WIPAFF conducted in 2015 to 2019 was the first project within which in situ aircraft measurements of wakes of large offshore wind farms in the North Sea were made (a summary of the results is given in Platis et al. 2020a). This offered the unique chance to check EFFWAKE with real measured data. Given the simplicity of EFFWAKE the checks were satisfying but also pointed to weaknesses of the simple analytical approach (Platis et al. 2020b). Some highlights from this comparison will be shown. Finally, a recent application of EFFWAKE is shown. Based on the confidence deduced from the above mentioned checks, EFFWAKE can be used for first a priory estimations of wind farm efficiency and lengths of farm wakes for future even larger wind farms without using any noteworthy computational resources. An example for such estimations is the efficiency of planned large offshore wind farms. EFFWAKE can be used to estimate the efficiency of such farms as function of the installed power density, i.e., the number of wind turbines per unit area. One feature of EFFWAKE’s simplicity is that only the power density of a farm can be specified irrespective of the actual spatial arrangement of the turbines within a wind farm. This also means that wind direction is no relevant input parameter of EFFWAKE. By series of runs of EFFWAKE the relation between the wind speed distribution (either measured or taken from a climatology) and the rated wind speed of the designated wind turbines can be included into the estimations as well. This will support the efforts to effectively use the available offshore areas for a reliable electrical power supply. Emeis, S., 2010: A simple analytical wind park model considering atmospheric stability. Wind Energy, 13, 459-469. DOI: 10.1002/we.367 Emeis, S., 2018: Wind Energy Meteorology - Atmospheric Physics for Wind Power Generation. 2nd Edition. Springer, Heidelberg etc., XXVI+255 pp. DOI: 10.1007/978-3-319-72859-9. Platis, A., J. Bange, K. Bärfuss, B. Cañadillas, M. Hundhausen, B. Djath, A. Lampert, J. Schulz-Stellenfleth, S. Siedersleben, T. Neumann, S. Emeis, 2020a: Long-range modifications of the wind field by offshore wind parks – results of the project WIPAFF. Meteorol. Z. (Contr. Atm. Sci.), 29, 355-376. DOI: 10.1127/metz/2020/1023 Platis, A., M. Hundhausen, M. Mauz, S. Siedersleben, A. Lampert, K. Bärfuss, B. Djath, J. Schulz‐Stellenfleth, B. Canadillas, T. Neumann, S. Emeis, J. Bange, 2020b: Evaluation of a simple analytical model for offshore wind farm wake recovery by in situ data and Weather Research and Forecasting simulations. Wind Energy, online first. DOI: 10.1002/we.256

Vertical wind profiles over an urban area

Langfristige SODAR-Messungen von Wind- und Turbulenzprofilen über städtischen Gebieten lagen bisher nicht vor. Hier werden nun Auswertungen von Doppler-SODAR-Messungen aus Hannover bezüglich mittlererWindgeschwindigkeit, der Varianz der vertikalen Geschwindigkeitskomponente und der Turbulenzintensitäat bis in 210 m Höhe über Grund aus einer 17 Monate dauernden Kampagne vorgestellt. Die sich ergebenen mittleren Profile zeigen klar den Einfluss der hohen Rauhigkeit und der thermischen Eigenschaften einer städtischen Oberfläche. Auffallend sind insbesondere der fehlende Tagesgang der Windgeschwindigkeit in einigen zehn Metern Höhe über Dachniveau und Varianzen, die nicht nur tagsüber sondern teilweise auch nachts noch mit der Höhe zunehmen. Während das erste Phänomen typisch für rauhe Oberflächen ist, ist das zweite nur durch den größeren Wärmeeintrag von unten in die städtische Grenzschicht erklärbar. Die Studie legt nahe, sich bei der Ableitung der vertikalen Struktur der urbanen Grenzschicht stärker auf Fernerkundungsmessungen als auf die vertikale Extrapolation von Ähnlichkeitsgesetzen der Prandtl-Schicht zu stützen

Examples for the determination of turbulent (sub-synoptic) fluxes with inverse methods

Turbulente vertikale Flüsse sind eine wichtige Komponente atmosphärischer Energie- und Stoffhaushalte, und sie spielen eine dominierende Rolle in den Austauschvorgängen zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre. Außer durch hoch aufgelöste in-situ Messungen sind sie schwierig zu bestimmen. Dieser Artikel, der dem kürzlich in den Ruhestand getretenen Prof. Dr. Michael Hantel gewidmet ist, gibt einen kurzen Überblick über existierende inverse Methoden - sowohl messtechnische wie numerische - um vertikale Profile von turbulenten Flüssen in der Grenzschicht und in der gesamten freien Atmosphäre abzuleiten. Die messtechnischen Methoden umfassen direkte und indirekte parametrisierende Verfahren, die beide auf bodengestützten Fernmessungen beruhen. Die numerische Methode ist die Haushaltsmethode, die auf der Integration der Haushaltsgleichung für die transportierte Substanz oder Eigenschaft basiert. Diese letztere Methode ist durch Michael Hantel in den letzten 30 Jahren entscheidend erweitert worden, insbesondere durch die Möglichkeit der Bestimmung eines unabhängigen Fehlermaßes. Mittels solcher Integrationen sind sowohl die Berechnung vertikaler Flussprofile wie auch die Bestimmung räumlich gemittelter Oberflächenflüsse über horizontal inhomogenem Gelände möglich. Die messtechnische Methode eignet sich am besten für kleinskalige Anwendungen während die numerische Methode für Anwendungen auf regionalen und größeren Skalen besser ist. Abschließend wird ein kurzes Beispiel für die Bestimmung eines räumlich gemittelten Methanemissionflusses aus einem landwirtschaftlich genutzten Gebiet Süddeutschlands vorgestellt. Dieser wird auf einer intermediären Skala zwischen der kleinen und der regionalen Skala unter Benutzung einer Kombination aus Haushaltsmethode und bodengestützten Fernmessungen der Mischungsschichthöhe bestimmt

Parameterization of turbulent viscosity over orography

Die turbulente Viskosität ist ein wichtiger Parameter in numerischen Ströumungssimulationsmodellen, die auch die Stärke des turbulenten Vertikalaustauschs des Impuls kontrolliert. Vertikale und zeitliche Variationen der turbulenten Viskosität sind hier aus SODAR-Daten bestimmt worden, die im Sommer 2002 im Schwarzwald und im deutschen Alpenvorland gewonnen worden sind. Die turbulente Viskosität – eine Analogie zur molekularen Viskosität – ist dabei aus dem Quotienten von der Varianz der Vertikalgeschwindigkeit und der mittleren vertikalen Scherung des horizontalen Windes berechnet worden. Sie zeigt in den untersuchten Zeiträumen einen klaren Tagesgang mit Spitzenwerten tagsüber bis zu 1000 m$^{2}$/s. Der Einfluss der Orographie wird durch die generell etwas höheren Werte für die turbulente Viskosität über dem Schwarzwald sichtbar. Ein möglicher erster Parametrisierungsansatz für diese Viskosität als Funktion typischer orographiespezifischer Längen- und Geschwindigkeitsskalen wird vorgestellt

Personal look-back on 31 years of wind energy research

The presentation looks back on 31 years of wind energy-related atmospheric boundary-layer researc

The discovery of latent heat 250 years ago

Das Konzept der latenten Wärme ist unabdingbar bei der Beschreibung der Energiekreisläufe in der Erdatmosphäare. Es ist jetzt ein Vierteljahrtausend her, dass J.A. DELUC mit seinen ersten Versuchen zum Schmelzen von Eis begann. Er entdeckte dabei, dass während des Schmelzens ein Teil der zugeführten Wärme vom sich bildenden Wasser verschluckt wird, ohne das Thermometer zu beeinflussen. Einige Jahre später prägte J. BLACK den Begriff ‘latente Wärme’ für dieses Phänomen. 32 Jahre später diskutierten DELUC und J. WATT darüber, wem die Entdeckung der latenten Wärme zuzuschreiben sei. Auszüge aus einem Buch von DELUC, aus BLACKs Vorlesungsmanuskripten und aus einem Brief von WATT an DELUC illustrieren diesen Aspekt der Wissenschaftsgeschichte. Der Briefwechsel zwischen WATT und DELUC ist ein frühes Beispiel für das, was heute in der Rubrik “Briefe an den Herausgeber” in wissenschaftlichen Zeitschriften gefunden wird