Emeis, S.

Türk, M.

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Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.dePriv.-Doz. Dr. Stefan Emeis, Dr. Matthias Türk*Institut für Meteorologie und KlimaforschungAtmosphärische UmweltforschungForschungszentrum Karlsruhe GmbHKreuzeckbahnstr. 19, 82467 Garmisch-Partenkirchen* present affiliation: KEMA Consulting, Bonnstefan.emeis@imk.fzk.deOffshore Wind and Turbulence Characteristics –New Insights from the FINO1 DataForschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deOffshore wind and turbulence- sea surface horizontally homogeneous, smoother than onshorebut- roughness is wind speed dependent- roughness elements are moving- thermal conditions: annual instead of diurnal variationthus:- different vertical structure of the boundary layer- different wind conditions- different turbulence conditions- wave age is additional scaling parameterhttp:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfhttp://kups.ub.uni-koeln.de/volltexte/2008/2524/Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.dedata source: Project OWIDMultibridhttp:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfhttp://kups.ub.uni-koeln.de/volltexte/2008/2524/Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.dewave height,vertical structure of themarine boundary layerand wave agehttp:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfhttp://kups.ub.uni-koeln.de/volltexte/2008/2524/Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.dewave height as function of wind speedErwin08 01 2005Britta01 11 2006http://kups.ub.uni-koeln.de/volltexte/2008/2524/Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.dewave and Prandtl layer heightwind speed 5 m/s 15 m/s 30 m/swave height 0,5 m               2 m                  8 mwave layer height 2,5 m              10 m                40 mPrandtl layer height 10 m               40 m              100 mhttp:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfhttp://kups.ub.uni-koeln.de/volltexte/2008/2524/Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.dewave ageu* /cphsmaller than ~30:wind driven,known PBLtheories validlarger than ~30wave drivenhttp:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfhttp://kups.ub.uni-koeln.de/volltexte/2008/2524/Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.dewind profiles andturbulencehttp:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfhttp://kups.ub.uni-koeln.de/volltexte/2008/2524/Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deexponent of power lawas function of wind speedas function ofthermal stratificationinstabilneutralstabilsehr stabilhttp:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfhttp://kups.ub.uni-koeln.de/volltexte/2008/2524/Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deturbulence intensity as function of wind speedthermalturb. generationmechanicalturbulence generationhttp:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfhttp://kups.ub.uni-koeln.de/volltexte/2008/2524/Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deComparison with the assumptios made inIEC 61400-1 and 61400-3http:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfhttp://kups.ub.uni-koeln.de/volltexte/2008/2524/Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deNormal wind profile model (NWP)The IEC 61400-3 gives 0.14 for the power-law exponentEvaluation for zref = 40 m, z = 90 mWind speed (m/s) Mean Standard deviation Number4-6 0,048 0,144 181786-8 0,068 0,114 233188-10 0,094 0,109 2523610-12 0,116 0,109 2459912-14 0,129 0,104 1986314-16 0,137 0,101 1364516-18 0,138 0,092 854018-20 0,142 0,084 487420-22 0,131 0,056 227022-24 0,133 0,039 121024-26 0,130 0,034 384>26 0,130 0,025 247http:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfhttp://kups.ub.uni-koeln.de/volltexte/2008/2524/Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deNormal wind profile model (NWP)Bulk-Richardson-Number RiBMean Standard deviation Number< -0,01 0,023 0,036 9450-0,01…0,01 0,063 0,048 119390,01…0,03 0,149 0,065 10626> 0,03 0,190 0,185 11361IEC 61400-3 does not seem to besufficiently conservative in all cases.The IEC 61400-3 gives 0.14 for the power-law exponentEvaluation for zref = 40 m, z = 90 mhttp:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfhttp://kups.ub.uni-koeln.de/volltexte/2008/2524/Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deNormal turbulence model (NTM)Comparison: observed and assumed by IEC-Norm90-Percentiles of turbulence intensityhttp:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfhttp://kups.ub.uni-koeln.de/volltexte/2008/2524/Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.dehubhubTihubhubsu bVIsmVVzzVa  15min,0, )/44,1(2)/ln(Normal turbulence model (NTM)IEC 61400-3 (Eq. 27) says:150, )/44,1(28,1)/ln(IsmzzVhubhubsu alternative proposal:with a = 0.63, b = 0.0012, I15 = 4.9%,VTi,min = 12 m/s for zhub = 90 mhttp:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfForschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deExtreme operating gust (EOG)simultaneous observation in threeheights (10,5 s), correlation > 0,85 0 2 4 6 8 1010121416V über die ZeitZeit [s]Windgeschwindigkeit V [m/s]http:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfhttp://kups.ub.uni-koeln.de/volltexte/2008/2524/Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deExtreme operating gust (EOG)frequency distribution of EOG (10,5 s) in 80m height(e.g. 440 cases in 2005)more negative as positive „Mexican hats“http:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfhttp://kups.ub.uni-koeln.de/volltexte/2008/2524/Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deSummary comparison to IEC 61400NWP: exponent 0.14 is not always conservativeNTM: Eq. (27) for u in IEC 61400-3 should bereformulatedEWM: Class II seems to be sufficientEOG: - more negative than positive „hats“- EOG with 8 s length 1.6 times more frequentthan those with 10.5 s lengthhttp:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfhttp://kups.ub.uni-koeln.de/volltexte/2008/2524/Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deSome final thoughts onoffshore windparks with asimple analytical modelhttp:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfForschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.demomentum balance of a windpark in a turbulentflow (EF93-model)Emeis, S., Frandsen, S., 1993: Reduction of Horizontal Wind Speed in a Boundary Layerwith Obstacles. Bound.-Lay. Meteorol., 64, 297-305.http:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfForschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.demomentum balance of a windpark in a turbulentflow : reduction of wind speed in hub height(enhanced EF93-Model)unstable stableonshoreoffshorethe rougher the surface  the more effective the windparkhttp:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfForschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.demomentum balance of a windpark in a turbulentflow : vertical wind profileneutral stratification (enhanced EF93-model)smooth (z0 = 0.0001 m)         u= 10 m/s           rough (z0 = 1 m)hub heightwithwindparkwithoutwindparkhttp:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfForschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.demomentum balance of a windpark in a turbulentflow : length of wake of a wind park (enhanced EF93-model)neutral stratification, u0 = 10 m/soffshoreonshorehttp:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfForschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deSummary and outlookhttp:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfhttp://kups.ub.uni-koeln.de/volltexte/2008/2524/Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.dedifference offshore - onshoredifferent surface (smoother, moving)WEC operate mainly in Ekman layer not inPrandtl layer (except for very high wind speeds)different boundary layer structure(„young“ waves only in 30% of cases)assumptions of IEC 61400 not alwaysconservativeless turbulence leads to a lessereffectivity of windparks( larger distance between WECs necessary)http:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfhttp://kups.ub.uni-koeln.de/volltexte/2008/2524/Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deconsequences for offshore wind energy generationadaptation of modelslarger distances of WECs in windparkslarger distances between windparksa lot of open tasks for further research, eg. in RAVE http:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfForschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deThank you for your attentionhttp:/leute.server.de/unf403/Emeis_Tuerk_DEWEK2008.pdfhttp://kups.ub.uni-koeln.de/volltexte/2008/2524/Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deEndForschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deSektor / Windgeschwindigkeit 25 m/s 30 m/s 35 m/s 40 m/sErklärte Varianz [R²]in %nördlich (290 - 40°) 6,7 9,2 12,1 15,5 69,5östlich (40 – 120°), instabil 5,2 7,0 9,2 11,8 75,2südlich (120 – 210°), instabil 4,2 6,0 8,1 10,6 61,3südlich (120 – 210°), stabil 3,4 4,8 6,5 8,5 53,0westlich 4,1 5,3 6,6 8,1 56,6östlich (40 – 120°), stabil 1,6 1,6 1,7 1,6 29,9Wellenhöhe als Funktion der Windgeschwindigkeitbisher an FINO1beobachtetSchätzung 50-JahreswertForschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deExtreme operatinggust (EOG)Amplitude(Diff. Min-Max)Magnitude(Max) Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deVertikalaufbau der marinen GrenzschichtForschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deForschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deLängenskalen der TurbulenzelementeForschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deVorwärtsneigung der Turbulenzelemente60 bis 80 m40 bis 60 mRückwärts-neigungVorwärts-neigungForschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deExtreme operating gust (EOG)Häufigkeit in Abhängigkeit von der Länge(relativ zur Häufigkeit für 10,5 s Länge)8 s 10,5 s 14 s1,60 1,00 0,63 kürzere EOGs sind häufiger als die 10,5 s-EOGs der NormForschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deExtreme direction change (EDC)Häufigkeits-verteilung für6, 10 und 14 sals Funktion derWindgeschw.Vergleich mit61400-1, Gl. 20:D = 120 m = 42 mForschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deExtreme coherent gust with direction change (ECD)Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deExtreme wind speed model (EWM)Der Hellmann-Exponent für die Extremwinde:für das 10 min-Mittel scheint 0,11 richtigfür die 3 s-Böe scheint 0,11 etwas zu hochDer 50-Jahreswert für die Turbulenzintensität:0,11 erscheint ausreichend konservativ(die Extrapolation der Daten ergibt ca. 0,10)Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftIMK-IFU, Stefan Emeis stefan.emeis@imk.fzk.deExtreme wind speed model (EWM)Vertikale Profile der 50jährigen Extreme10 min-Mittel3 s-Böe(mit 0,983 ausden 1 s-Datenerrechnet)Kl. IKl. IIKl. IKl. II

Offshore wind and turbulence characteristics. New insights from the FINO1 data

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Offshore wind and turbulence characteristics. New insights from the FINO1 data

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