The impact of turbulence modelling on large offshore wind turbine response

In order to reduce climate change, a large up-scaling of renewable energy capacity is necessary in the near future. Offshore wind is expected to play a key role in this green shift. The wind conditions offshore are in general superior to onshore, and large areas are available. Furthermore, costs of offshore wind turbines have decreased drastically and are expected to decrease even further. This is partly due to the trend of increasing rotor sizes, which increases the energy extraction per installed wind turbine. In the design of wind turbines, it is crucial to simulate expected fatigue and power production. With increasing rotor sizes, the relative importance of the wind load increases, and its accurate characterization becomes essential. This, in turn, requires the proper understanding of the flow conditions over the whole rotor disk of large, modern wind turbines. With increasing turbine size in general, and for floating wind turbines with low eigen-frequencies in particular, larger time scales gain additional importance. The current wind turbine design standards recommend two simple turbulence models for estimating wind load in wind turbine design. These models are originally developed for small, onshore wind turbines, and do not account for variations in atmospheric stability. This thesis highlights the challenges of existing turbulence models used in wind turbine design. Wind fields obtained by the standard turbulence models are compared to each other, to quality assured, high-frequency measurements, and to wind fields simulated by more complex turbulence models. The two more complex models are based on measurements and on large eddy simulations. The main focus of the turbulence modelling is directed towards the estimation of coherent structures over the rotor plane. The different turbulence models are evaluated for various atmospheric stability conditions, and the obtained wind fields are used in aero-hydro-servo-elastic simulations of a large bottom-fixed and floating wind turbine. The resulting differences in wind turbine response are evaluated. As a first step, sonic anemometer measurements from an offshore meteorological mast are processed in this thesis, in order to obtain quality-assured, high-frequency measurements. The measurements are processed for wind energy applications, providing continuous and long enough time series for the proper consideration of the relevant lowfrequency range. It is, however, a challenge to achieve stationarity in longer time series of the wind speed, as the true wind conditions are continuously changing. The wind spectra obtained by the standard turbulence models are similar to each other. The standard turbulence models are unable to obtain low-frequency fluctuations in wind speed that are present in the measured spectra. It is known that an accurate modelling of low frequencies is important for floater response, but this thesis demonstrates the importance also for a bottom-fixed offshore wind turbine. An accurate representation of wind spectra is particularly important to the tower bottom fore-aft and blade root flapwise bending moments of the bottom-fixed wind turbine, and surge and pitch displacements of the floater. The standard turbulence models tend to underestimate these dynamic moments and motions due to their lack of large-scale fluctuations. Underestimation of loads in the design phase of wind turbines may in the worst case lead to reduced fatigue life and unexpected maintenance. The two standard turbulence models differ in their coherence estimates. For state-of-the-art rotor sizes, the coherence, representing the variation of wind speed over the rotor, is an important design parameter. As a consequence of modelling coherence differently, the wind turbine response varies significantly with the choice of turbulence model. With low coherence in the across wind direction, high dynamic yaw moments and motions are obtained. On the contrary, the dynamic thrust force is lower with lower coherence, and consequently also the moments and motions depending on it. Knowledge of the true offshore coherence is limited as measurements are scarce, especially in the across wind direction. It is therefore challenging to evaluate the accuracy of existing coherence models. With improved coherence measurements, one could easier evaluate the accuracy of turbulence models, and even find a more realistic turbulence model than the ones that are used today. The wind fields of the turbulence models based on measurements and large eddy simulation show significant differences with atmospheric stability conditions, which the standard turbulence models do not consider. These differences impact the dynamic response of the offshore wind turbines significantly. The more complex turbulence models have their own challenges, such as requirements of large amounts of high-frequency, quality assured measurements or high computational costs. Given the challenges of the turbulence models already discussed, one of the standard turbulence models was fitted to site specific measurements in this thesis. The resulting tower bottom and blade root response are more realistic, but the overall quantitative improvements are uncertain. This thesis shows how different turbulence models cause significant differences in the dynamic response of large bottom-fixed and floating wind turbines. It concludes that it is time for the wind turbine standards and industry to consider more advanced turbulence models that account for atmospheric stability in wind turbine design.For å redusere klimaendringane, er ei stor oppskalering i kapasitet av fornybar energi naudsynt i næraste framtid. Havvind er forventa å spele ei viktig rolle i dette grøne skiftet. Vindforholda til havs er generelt betre enn på land, og store område er tilgjengelege. Dessutan har kostnadane på vindturbinar til havs gått drastisk ned, og dei er forventa å gå vidare ned. Dette er delvis grunna tendensen til aukande rotorstorleik som aukar energiutvinninga per installert vindturbin. I design av vindturbinar er det avgjerande å simulere forventa utmatting og kraftproduksjon. Med aukande rotorstorleikar, aukar den relative viktigheita av vindlasten, og den nøyaktige karakteriseringa av vindlasten blir essensiell. Dette igjen, krev riktig forståing av strøymingsforholda over heile rotordisken til store, moderne vindturbinar. Med aukande turbinstorleik generelt, og for flytande vindturbinar med låge eigen-frekvensar spesielt, blir store tidsskala ekstra viktig. Dei aktuelle standardane for vindturbindesign anbefaler to enkle turbulensmodellar for å estimere vindlast i vindturbindesign. Desse modellane er i utgangspunktet meint for små vindturbinar på land, og tek ikkje omsyn til variasjonar i atmosfærisk stabilitet. Denne avhandlinga framhevar utfordringane til eksisterande turbulensmodellar som er brukt i vindturbindesign. Vindfelt som er generert av turbulensmodellane frå standardane er samanlikna med kvarandre, med kvalitetssikra, høg-frekvente målingar, og med vindfelt simulert med meir komplekse turbulensmodellar. Dei to meir komplekse modellane er basert på målingar og "large eddy simulation" (stor virvelsimulering). Hovudfokuset av turbulensmodelleringa er retta mot estimering av koherente strukturar over rotorplanet. Turbulensmodellane er vurdert for ulike atmosfæriske stabilitetsforhold, og dei genererte vindfelta er brukt i "aero-hydro-servo-elastic" simuleringar av ein stor botnfast og flytande vindturbin. Dei resulterande forskjellane i vindturbinrespons er vurdert. Som eit første steg, er målingar frå soniske anemometer på ein meteorologisk mast til havs prosesserte i denne avhandlinga, for å oppnå kvalitetssikra, høg-frekvente målingar. Målingane er prosesserte for vindenergiformål, med resulterande samanhengande og lange nok tidsseriar for å ta omsyn til det relevante låg-frekvente området. Det er ei utfordring å oppnå stasjonære, lange tidsseriar av vindfart, då dei sanne vindforholda endrast kontinuerleg. Vindspektruma frå turbulensmodellane frå standardane liknar på kvarandre. Turbulensmodellane frå standardane er ikkje i stand til å oppnå storskala svingingar i vindfart som er til stades i dei målte spektruma. Det er kjend at ei nøyaktig modellering av låge frekvensar er viktig for flytarrespons, men denne avhandlinga demonstrerer viktigheita òg for ein botnfast vindturbin til havs. Ein nøyaktig representasjon av vindspektruma er spesielt viktig for tårnbotn for-akter og bladrot klaffevis bøyemoment for den botnfaste vindturbinen, og jag- og stamp-forskyvingar for flytaren. Turbulensmodellane frå standardane har ein tendens til å underestimere desse dynamiske momenta og rørslene på grunna av deira mangel på stor-skala svingingar. Underestimering av lastar i designfasen av vindturbinar kan i verste fall føre til redusert utmattingsliv og uventa vedlikehald. Dei to standard turbulensmodellane er ulik i deira koherensestimat. For topp moderne rotorstorleikar er koherensen, som representerer variasjon i vindfart over rotoren, ein viktig designparameter. Som ein konsekvens av å modellere koherens ulikt, varierer vindturbinresponsen vesentleg med val av koherensmodell. Med låg koherens i retninga på tvers av vinden, oppnår ein høge dynamiske gir-moment og -rørsler. Til motsetning, er den dynamiske skyvkrafta lågare med lågare koherens, og følgjeleg òg momenta og rørslene som er avhengige av ho. Kunnskap om den sanne koherensen til havs er avgrensa, då tilgang på målingar er knapp, spesielt i retninga på tvers av vinden. Det er difor utfordrande å vurdere nøyaktigheita av eksisterande koherensmodellar. Med forbetra koherensmålingar, kan ein enklare vurdere nøyaktigheita av turbulensmodellar, og til og med finne ein meir realistisk turbulensmodell enn dei som blir brukt i dag. Vindfelta til turbulensmodellane som er baserte på målingar og "large eddy simulation" viser betydelege forskjellar med atmosfæriske stabilitetsforhold, som turbulensmodellane frå standardane ikkje tek omsyn til. Desse forskjellane har betydeleg innverknad på den dynamiske responsen til vindturbinar til havs. Dei meir komplekse turbulensmodellane har eigne utfordringar, som behov for store mengder høg-frekvente, kvalitetssikra målingar eller høg kostnad for utrekningskraft. Gitt utfordringane til turbulensmodellane som allereie er diskutert, er ein av turbulensmodellane frå standardane tilpassa lokasjonsspesifikke målingar i denne avhandlinga. Den resulterande responsen i tårnbotn og bladrot er meir realistisk, men dei overordna kvantitative forbetringane er usikre. Denne avhandlinga viser korleis ulike turbulensmodellar forårsakar betydelege forskjellar i dynamisk respons til store botnfaste og flytande vindturbinar. Ho konkluderer med at det er på tide at vindturbinstandardane og -industrien vurderer meir avanserte turbulensmodellar som tek omsyn til atmosfærisk stabilitet i vindturbindesign.Doktorgradsavhandlin

Financial Investment Analysis of Residential Rooftop Solar PV Systems in Norway : A Model-Based Approach to Analyse Profitability and the Effect of Key Variables Under Current Market Conditions

In light of increased electricity prices and high demand for renewable energy, solar PV deployment has risen rapidly and is expected to increase further, both globally and in Norway. Although a large part of the growth is related to utility-scale parks, rooftop systems on houses represent a significant potential for future deployment. Consequently, this thesis aims to build a general model for evaluating the profitability of residential rooftop solar PV systems in Norway. The profitability is not evaluated for specific projects but typical residential projects in Norway. The profitability question is evaluated using the net present value method. A cash flow model is developed for typical solar PV systems in six Norwegian cities. Initial investment costs are estimated from regressions on installation offers collected in the fall of 2022. Future electricity price scenarios are constructed using a combination of Nasdaq futures prices and long-term market analyses from NVE and Statnett. Sensitivity analyses are performed for variables like electricity price, initial investment cost, cost of capital, and share of generated electricity consumed internally. The thesis concludes that residential rooftop PV systems in Norway are not profitable unless electricity price scenarios well above historical prices are assumed. The geographic differences are strongly apparent, with the most profitable profiles located in Oslo, Kristiansand, and Bergen and the least profitable profiles located in Tromsø. The geographic differences are driven by meteorological conditions and differences in investment costs. Out of the variables that can be affected by the project owner, we found that the share of generated electricity consumed internally is the variable with the highest effect on profitability. We also argue that a reduction in investment cost is likely due to temporary high prices. This would have a strong positive impact on the profitability analysis.nhhma

«Det er for mange som sitter og ser på» Hvordan lærere ser og forstår sammenhengen mellom fysisk aktivitet og naturfagundervisning.

Vi ser en stadig økende inaktivitet i samfunnet og en økning i folkehelseutfordringer. Samtidig med en nedgang i aktivitet i samfunnet, rapporteres det om at ungdomsskoleelevene sitter stille over 70 % av sin våkne tid. For å få bukt med dette problemet er det lagt frem statlige planer om å gi elevene minst en time fysisk aktivitet hver dag. Denne timen skal plasseres inn i de eksisterende fagtimene. En utfordring som da kommer frem blir hvordan lærere kan implementere mer fysisk aktivitet i sin fagundervisning. Som naturfagslærer blir det for meg interessant å utforske hvordan vi kan implementere mer fysisk aktivitet i naturfagundervisningen. Som følge av manglende litteratur på feltet ble det sett som nødvendig å begynne med å utforske den fysiske aktiviteten som allerede foregår i naturfagsklasserommet. Oppgavens forskningsspørsmål retter seg derfor til lærere som allerede praktiserer fysisk aktivitet i naturfag. Spørsmålet formuleres derfor til følgende; å utforske hvordan lærere ser og forstår sammenhengen mellom fysisk aktivitet og naturfagundervisning. For å utforske dette ble oppgaven begrenset til å omhandle fysisk aktiv læring, FAL, i naturfag. Som følge av manglende litteratur om FAL i naturfag ble det sett nødvendig å utforske den overnevnte sammenhengen eksplorativt og kvalitativt ved hjelp av kildeanalyse og intervju som metode. For å utforske den forståelsen som allerede eksisterer, ble det intervjuet tre naturfagslærere om denne sammenhengen. Intervjuene ble sentrert til å undersøke lærernes praksis, lærernes begrunnelser for sin praksis, og lærernes beskrivelser av sammenhengen mellom fysisk aktivitet og naturfag. Funnene fra resultatene viser at hver av de tre lærerne har en egenart og en individualisert praksisteori. Dette viser oss to ting; (1) at det ikke er én oppskrift på FAL i naturfag, og (2) at individualiseringen og egenarten til hver lærer er det som gjør at lærerne underviser som de gjør. I tillegg er det funnet didaktiske og fagdidaktiske fellestrekk hos de tre lærerne; slik som helhetlig læring, oppmerksomhet, erfaringsbasert læring, fenomenbasert læring, handlingsorientert læring og praktisk undervisning. Andre funn fra studien er at naturfagets egenart som et praktisk og utforskende fag skaper et rom for FAL i undervisningen, og at den FAL som allerede skjer i naturfagundervisningen kan bidra til variasjon av undervisning og økt læringsutbytte. Det er kommet frem inspirerende praksiser, teorifestede begrunnelser for praksis, og en plass for FAL i naturfaget som festes både til læreplan og fagdidaktikk. Oppgaven støtter oppunder den vridningen som skjer i forskningsfeltet på FAL, en vridning fra biomedisinske forståelser og folkehelseperspektiver til fokus på FAL i fagdidaktikken.There is an increasing amount of inactivity and public health problems facing us in today’s society. Simultaneously with this decrease in activity in society, it is being reported that Norwegian secondary school students spend more than 70% of their waking hour sitting down. To address this problem there has been put forward a plan that aims to provide all students with a minimum of one hour physical activity every day in school. This hour is to be incorporated as a part of the existing classes. A challenge that arises from this is; how teachers can implement more physical activity in the subjects they are teaching. For me, as a science teacher, the interesting thing here is to explore how to implement more physical activity in science education, SE. As a result of missing literature in this field, it was seen as necessary to explore the already existing physical activity in SE. Therefore, the research question in this master thesis is directed to the teachers that already is practising physical activity in their science education. The research question is formulated as follows; How do teachers see and understand the connection between physical activity and science education? To explore this question, this thesis is restricted to only addressing Physical Active Learning, PAL, in SE. As a result of a lacking amount of literature exploring PAL in SE, it was deemed necessary to investigate this connection in an explorative and qualitative manner. We have done this using source analysis and interview as research methods. In order to research the existing practise and understanding of PAL in SE, we conducted interviews with three science teachers that already practise PAL. The interviews was mainly focused on the teachers practise, on their justifications and arguments; and on their descriptions of the connection between physical activity and science education. The findings shows us that each one of the three teachers have their own distinctive and individualised practice theory. This gives us two points; (1) that there is not one recipe on how to do PAL in SE, and (2) it is this individualisation and uniqueness that is the reason why each teacher practice teaching the way they do. Furthermore, we have located several common features for didactics, such as holistic learning, focus on attention, experiential learning, phenomenon-based learning, action-oriented learning and practical teaching. Another finding is that it is the uniqueness of SE as a practical and exploring subject that creates a place for PAL in SE. PAL can also contribute with variation and an increased learning. Inspirational practices, theory-based justifications for practice, and a place for PAL in science education has come forth, connected to both curriculum and didactics. This thesis does support the shift that is occurring in PAL-research in Norway; a shift from a physiological understandings and public-health perspectives as a basis, towards more focus on PAL in subject didactics

Steep declines in radioactive caesium after 30 years of monitoring alpine plants in mountain areas of central Norway

The Chernobyl accident exposed large areas of northern Europe to radiocaesium (137Cs). We investigated temporal and spatial variation in concentrations of radiocaesium among five functional groups of alpine plants at two mountain areas in central Norway over a 31-year period from 1991 to 2022. Average concentrations of radiocaesium were initially high in lichens and bryophytes at around 4600–6400 Bq/kg dry weight during 1991–1994 but then decreased dramatically over three decades to current concentrations of <200 Bq/kg for all plant groups in 2019–2022. The effective half-life of radiocaesium was estimated to be 4–6 years in lichens and mosses, 7–13 years in herbaceous plants, and 22–30 years in woody plants, which were less than the physical half-life of 30.2 years. Concentrations of radiocaesium were greater at the nutrient-poor site than at the nutrientrich site, probably due to greater deposition levels at higher elevations and the geographical pattern of the deposition. Functional groups of plants differed with higher concentrations among non-vascular than vascular plants. Common heather Calluna vulgaris was unusual among woody plants with high concentration of radiocaesium, especially in the new shoots. Our new estimates of concentrations and dynamics of radiocaesium for alpine plants in natural environments will be useful for modelling herbivore exposure and evaluating potential impacts on wildlife and human health. Chernobyl Plant uptake Lichens Mosses Radiocaesium Time series Vascular plantspublishedVersio

Hva gjør bønder for å bedre tilpasse seg kriser som mer og mer ekstremvær? En case studie av bønder i Randaberg Kommune

Master's thesis in Change managementSammendrag Denne oppgaven, skrevet høsten 2019, undersøker bøndenes opplevelse av tørkesommeren 2018. Opplevde de den som en krise? Hva var konsekvensene for dem og driften av gården? Og har de satt i verk tiltak for å tilpasse seg en framtid med stadig mer ekstremvær? Mine intervjuer med et utvalg bønder i Randaberg kommune var informative i den forstand at de villig vekk delte med sine opplevelser og erfaringer. Jeg så for meg at de kanskje ville være noe skeptiske til å bli med et slikt prosjekt. Jeg sendte på forhånd ut et informasjonsskriv som belyste temaet for oppgaven, samt hva jeg var ute etter å finne, og jeg fortalte kort om meg selv. Da fikk informantene tid til å tenke på om dette var noe de ville være med på eller ikke. Kanskje er flere engasjert i klima- og værdebatter enn hva jeg var klar over, men responsen var veldig bra. I mine intervjuer møtte jeg mennesker som ikke er usårbare. Bønder er sin egen sjef og har mange ulike roller, de er sterke og hardføre, er mye ute, og tåler en støyt. Men bak fasaden kunne det skimtes at yrket de har valgt også kan være veldig tungt, bekymringsfullt, og til tider ensomt, samtidig som noen ikke ville byttet yrke for noe som helst annet. Jeg hadde i utgangspunktet en oppfatning om at bøndene ville oppleve tørkesommeren 2018 som en krise for seg og bruket. Både medieoppslag og annen informasjon var med på å forme denne oppfatningen. Jeg tok derfor utgangspunkt i teori om kriser, krisehåndtering og kriseledelse, og antok at dette ville være relevante verktøy for å belyse og forstå bøndenes responser på tørkesommeren. Funnene jeg kom frem til viser imidlertid at opplevelsen av krise ikke var dekkende for de aktuelle informantene i Randaberg kommune. Seks av syv opplevde ikke tørken som en krise, noen opplevde det som krise per definisjon, men ikke personlig rammet. Samtidig kunne det blitt en mer omfattende krise dersom det samme været hadde vedvart lenger, og regnet ikke hadde kommet da det kom. Flere av informantene nevner at vått vær oppleves mye verre, og får mer negative konsekvenser, både for drift, humør og økonomi. Flere henviste til den våte sommeren 2017 som en langt mer krevende sommer enn sommeren 2018. Kanskje har media vært med på å prege mitt inntrykk av krisen i norsk landbruk sommeren 2018, og at den også sannsynligvis ville være gjeldende i Randaberg kommune. Kanskje har Randaberg kommune som jordbrukskommune noen særtrekk, som gjør at de slapp billigere unna det verste. Dette blir diskutert mot slutten av oppgaven. Tiltak som grøfting, kummer og leding av overflatevann blir nevnt av flere som tiltak mot ekstrem vått vær. Når det kommer til tørken i fjor var tiltakene primært importering av fôr, planter, og å investere i vanningsanlegg. Mange opplevde da økonomiske konsekvenser, samtidig som det ble lagt ned mye mer arbeid og tid den sommeren en beregnet. Samtidig har de fleste lært seg at en får ta det som kommer, når det kommer, og ta en dag om gangen. Tillærte ferdigheter gjennom generasjoner, og at en ikke kan gjøre så mye med været, går igjen. Det er flere som mener at mer ekstremvær er forårsaket av klimaendringer, og at været har endret seg, men hva dette skyldes, og om det er menneskeskapt eller naturlige endringer, er det ulike meninger om blant bøndene. Men valget mitt av teori om kriseledelse, og teorier om kriser ville ikke falle helt på plass, når informantene ikke selv opplevde den aktuelle sommeren som en krise. Kanskje på noen punkter i teorien ville det blitt definert som en krise, men det ble ikke opplevd krise for de fleste. Sommeren 2017 med ekstremt vått vær, ble derimot trukket frem av flere som en opplevd krise, og følelse av motløshet. Noen gav uttrykk for at det er vanskelig å ta alle beslutninger alene, men rådfører seg som regel med andre før en tar et valg. Samtidig har det vært mange ulike somrer gjennom tidene, så mange kan ha fordel av tidligere erfaring. Oppgaven har vært spennende, og lærerik, selv om funnene jeg kom frem til var noe overraskende

Processing of sonic anemometer measurements for offshore wind turbine applications

Quality assured measurements from offshore masts may provide valuable information of the characteristics of the offshore wind field, which is of high relevance for simulations of offshore wind turbines' dynamic response. In order to obtain these high quality data sets, a processing procedure tailored to offshore wind turbine applications must be followed. In this study, existing quality control routines applied in literature are evaluated, and a complete procedure is developed for sonic anemometer measurements. This processing procedure is applied to measurements at three heights from 16 months of measurements at FINO1. The processing procedure results in a data set of more than 6 000 30-minute periods of high quality time series showing a large variety in terms of wind speed and turbulence intensity. Together with an assessment of the stationarity, this processed data set is ready for use in offshore wind turbine research.publishedVersio

Quasi-static response of a bottom-fixed wind turbine subject to various incident wind fields

In the design of offshore wind farms the simulated dynamic response of the wind turbine structure includes loading from turbulent wind. The International Electrotechnical Commission (IEC) standard for wind turbine design recommends both the Mann spectral tensor model and the Kaimal spectral model combined with an exponential coherence formulation. These models give deviating wind loads. This study compares these two models to a large eddy simulations model and a model based on offshore wind measurements. The comparisons are performed for three situations, covering unstable, neutral and stable atmospheric conditions. The impact of the differences in the wind fields on the quasi-static response of a large bottom-fixed wind turbine is investigated. The findings are supported by an assessment of the impact of individual wind characteristics on the turbine responses. The wind model based on measurements causes high tower bottom and blade root flapwise bending moments due to a high wind load at very low frequencies. Low and negative horizontal coherence is obtained using the Mann spectral tensor model. This causes relatively large yaw moments as compared to the results using the other wind models. The largest differences in response are seen in the stable situation. We furthermore show that the quasi-static wind load has great impact on the total damage equivalent moments of the structure. From the results, we conclude that in the design of large offshore wind turbines one should carefully consider the structure of the turbulent wind. Further, longer simulations than recommended by the standards should be used to reduce uncertainty in estimated response.publishedVersio

Lysekloster. En bygningsanalyse.

Avhandling for magistergraden i kunsthistorie

Sensitivity of the dynamic response of a multimegawatt floating wind turbine to the choice of turbulence model

In the design of offshore wind turbines, it is important to make a realistic estimate of the wind load. This is particularly important for floating wind turbines, having natural frequencies in a frequency range where the wind loads are high and large turbulent structures exist. This study shows that turbulence modelling greatly impacts the response of a 15-MW floating wind turbine. The turbulence models recommended by the International Electrotechnical Commission (IEC) are challenged by considering two additional models: Large Eddy Simulations (LES) and an approach using input from offshore wind measurements (TIMESR). The two standard models, the Kaimal spectrum with IEC coherence model (Kaimal) and the Mann spectral tensor model (Mann), differ in their coherence formulation. This results in higher standard deviations for the surge and pitch motions, and lower for the yaw motion, when applying Kaimal in comparison to Mann. For the specific floater of this study, more damage is obtained in the mooring lines when applying Kaimal. Applying the more realistic models, LES and TIMESR, increases the range of response further, concluding that the two standard turbulence models may lead to incorrect estimations of the response of a floating wind turbine. LES and TIMESR take atmospheric stability into account, which is proven to alter the response significantly.publishedVersio

Analysis of turbulence models fitted to site, and their impact on the response of a bottom-fixed wind turbine

This study compares a wind field recommended by the wind turbine design standards to more realistic wind fields based on measurements. The widely used Mann spectral tensor model with inputs recommended by the standard, is compared to FitMann, the Mann model with inputs fitted to measurements and TIMESR; using measured time series combined with the Davenport coherence model. The Mann model produces too low energy levels at the lowest frequencies of the wind spectra, while the wind spectra generated by FitMann approaches the measured values. TIMESR reproduces the measured spectral values at all frequencies. The different models give similar vertical coherence, while the Mann and FitMann models give lower horizontal coherence than TIMESR. Investigating the wind loads on a bottom-fixed 10-MW wind turbine, the spectra for the tower bottom fore-aft and blade root flapwise bending moment follow the shape of the wind spectra closely at low frequencies. The low-frequency range is important for the blade root and in particular the tower bottom bending moment. Thus, the TIMESR model, followed by FitMann, is assumed to give the most accurate fatigue estimates. For the specific situation analysed in this study, the FitMann model gives only 18 and 5 % lower estimates than TIMESR of the tower bottom and blade root damage equivalent bending moments, while the Mann model gives 27 % and 12 % lower estimates. The tower top yaw and fore-aft bending moments depend on the wind coherence. For the specific situation analysed in this study, the FitMann model gives 9 and 5 % higher estimates of the tower top yaw and tower top damage equivalent (bending) moments compared to TIMESR, while the Mann model gives 23 % and 18 % higher estimates. Since only measurements of the vertical coherence are available, it is not clear which model is superior for the tower top moments. However, the importance of a proper coherence model is documented.publishedVersio