| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 164.81 MB | Adobe PDF |
Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
The main purpose of this work was to perform an analysis of the wind resource
assessment and respective adverse wind conditions in the installation area of
Mörknässkogen wind farm, located in Western Finland, which is characterized by
being located in a region of low topographical complexity due to its overall flat
terrain, with a strong presence of forest in the form of very tall evergreen pine and
fir trees. This analysis was performed using simulations of atmospheric flows with
the OpenFOAM CFD model, combined with wind data obtained from a
measurement campaign that took place between 24/05/2014 and 07/04/2016 using
the meteorological mast i690. Results from these two procedures were processed
through the Synthesis algorithm to evaluate the mathematical model accuracy and
to transfer the time series measured at mast i690 to the coordinates of each wind
turbine. This allowed for the estimation of the wind farm’s annual energy
production and to identify harmful parameters that could affect the operation of
wind turbines and their performance. The study began with the production of 3
sets of simulations without a forest model, that revealed unsatisfactory results, in
which the best results were obtained in SET102, with an RMS error of 13:06% for
the velocicty prediction and 3:21% for the turbulent intensity prediction. In a
second phase, 30 additional sets of simulations were produced, in which a forest
model was introduced through the kEpsilonLopesdaCosta turbulence model. The
first 25 sets, numbered from A1 to B5, were configured to perform a calibration
process of the canopy parameters, while the last 5 sets used the new canopyHD
mesh type that allows for a significant increase in vertical mesh resolution between
the canopy height and the ground surface. As a result of this study, and
comparing with the results from SET102, SET214 was selected as the overall best
set of simulations, with an RMS error of 1:57% (11:49%) for the velocicty
prediction, and 1:54% (1:67%) for the turbulent intensity prediction. Therefore,
SET214 was used to calculate the wind farm’s annual energy production, which was
estimated at 79; 584:7 MWh/year for the four 4.6 MW wind turbines with a hub
height of 166 m AGL, corresponding to 4325 full load hours and a theoretical
average capacity factor of 49:38%. In terms of site verification for adverse wind
conditions, it was found that there was a wind speed at hub height slightly higher
than the maximum established by the IEC 61400-1:2019 (4th Edition) standard,
and a overall wind shear for all directions much higher than the maximum limit.
Finally, some tools were developed to account for thermal effects and the Coriolis
force, namely in terms of compiling the modified turbulence model
mykEpsilonLopesdaCosta to account for the GbyNu field, the definition of the
source terms to be specified in the fvOptions file, and the MERRA2 analysis
performed for the region around Mörknässkogen wind farm.
O presente trabalho teve como objetivo efetuar uma análise do recurso eólico e das respetivas condições de vento na área de implantação do parque eólico de Mörknässkogen, localizado na Finlândia Ocidental, que se caracteriza por estar inserido numa região de baixa complexidade topográfica devido ao terreno aproximadamente plano, e com forte presença de floresta sob a forma de pinheiros e abetos de elevada altura de canópia. Essa análise consistiu em simulações de escoamentos atmosféricos realizados com o modelo CFD OpenFOAM, em conjunto com dados de vento obtidos através de uma campanha de medição que foi realizada entre 24/05/2014 e 07/04/2016 com o mastro meteorológico i690. Os resultados provenientes desses dois processos foram processados pelo algoritmo Synthesis para avaliar a precisão do modelo matemático, e posteriormente transportar as séries temporais medidas no mastro i690 para as coordenadas das quatro turbinas instaladas, com o objetivo de estimar a produção energética anual do parque e identificar parâmetros prejudiciais ao seu funcionamento. O estudo iniciou-se com a produção de 3 conjuntos de simulações sem modelo de floresta, que revelaram resultados pouco satisfatórios, em que os melhores resultados foram obtidos no SET102, com um erro RMS de 13:06% para a velocidade e 3:21% para a intensidade turbulenta. Numa segunda fase, foram produzidos 30 conjuntos de simulações adicionais, nos quais foi aplicado um modelo de floresta que é introduzido através do modelo de turbulência kEpsilonLopesdaCosta. Os primeiros 25 conjuntos de simulações, numerados de A1 a B5, foram configurados para efetuar um processo de calibração dos parâmetros da canópia, enquanto que os últimos 5 conjuntos utilizaram o novo tipo de malha canopyHD que possui uma maior resolução da malha vertical na zona por baixo da canópia. Como resultado desse estudo, e comparando com os resultados do SET102, foi selecionado o SET214 como sendo o melhor conjunto de simulações, com um erro RMS de 1:57% (11:49%) para a previsão cruzada da velocidade, e 1:54% (1:67%) para a intensidade turbulenta. O SET214 foi utilizado para estimar a produção anual energética do parque, que foi estimada em 79584:7 MWh/ano contabilizando as quatro turbinas de 4.6 MW com a altura da nacelle de 166 m ANS, o que corresponde a 4325 horas em plena carga, e um fator de capacidade médio teórico de 49:38%. Em termos de avaliação das condições adversas, verificou-se uma velocidade à altura da nacelle ligeiramente superior ao máximo estabelecido pela norma IEC 61400-1:2019 (4th Edition), e um Shear-factor muito superior ao limite máximo em todas as direções. Por último, foram desenvolvidas algumas ferramentas para a contabilização dos efeitos térmicos e da força de Coriolis, nomeadamente ao nível da compilação do modelo de turbulência modificado mykEpsilonLopesdaCosta para contemplar o campo GbyNu, da definição dos termos fonte a serem especificados no ficheiro fvOptions, e da análise MERRA2 realizada na região do parque eólico de Mörknässkogen.
O presente trabalho teve como objetivo efetuar uma análise do recurso eólico e das respetivas condições de vento na área de implantação do parque eólico de Mörknässkogen, localizado na Finlândia Ocidental, que se caracteriza por estar inserido numa região de baixa complexidade topográfica devido ao terreno aproximadamente plano, e com forte presença de floresta sob a forma de pinheiros e abetos de elevada altura de canópia. Essa análise consistiu em simulações de escoamentos atmosféricos realizados com o modelo CFD OpenFOAM, em conjunto com dados de vento obtidos através de uma campanha de medição que foi realizada entre 24/05/2014 e 07/04/2016 com o mastro meteorológico i690. Os resultados provenientes desses dois processos foram processados pelo algoritmo Synthesis para avaliar a precisão do modelo matemático, e posteriormente transportar as séries temporais medidas no mastro i690 para as coordenadas das quatro turbinas instaladas, com o objetivo de estimar a produção energética anual do parque e identificar parâmetros prejudiciais ao seu funcionamento. O estudo iniciou-se com a produção de 3 conjuntos de simulações sem modelo de floresta, que revelaram resultados pouco satisfatórios, em que os melhores resultados foram obtidos no SET102, com um erro RMS de 13:06% para a velocidade e 3:21% para a intensidade turbulenta. Numa segunda fase, foram produzidos 30 conjuntos de simulações adicionais, nos quais foi aplicado um modelo de floresta que é introduzido através do modelo de turbulência kEpsilonLopesdaCosta. Os primeiros 25 conjuntos de simulações, numerados de A1 a B5, foram configurados para efetuar um processo de calibração dos parâmetros da canópia, enquanto que os últimos 5 conjuntos utilizaram o novo tipo de malha canopyHD que possui uma maior resolução da malha vertical na zona por baixo da canópia. Como resultado desse estudo, e comparando com os resultados do SET102, foi selecionado o SET214 como sendo o melhor conjunto de simulações, com um erro RMS de 1:57% (11:49%) para a previsão cruzada da velocidade, e 1:54% (1:67%) para a intensidade turbulenta. O SET214 foi utilizado para estimar a produção anual energética do parque, que foi estimada em 79584:7 MWh/ano contabilizando as quatro turbinas de 4.6 MW com a altura da nacelle de 166 m ANS, o que corresponde a 4325 horas em plena carga, e um fator de capacidade médio teórico de 49:38%. Em termos de avaliação das condições adversas, verificou-se uma velocidade à altura da nacelle ligeiramente superior ao máximo estabelecido pela norma IEC 61400-1:2019 (4th Edition), e um Shear-factor muito superior ao limite máximo em todas as direções. Por último, foram desenvolvidas algumas ferramentas para a contabilização dos efeitos térmicos e da força de Coriolis, nomeadamente ao nível da compilação do modelo de turbulência modificado mykEpsilonLopesdaCosta para contemplar o campo GbyNu, da definição dos termos fonte a serem especificados no ficheiro fvOptions, e da análise MERRA2 realizada na região do parque eólico de Mörknässkogen.
Description
Financiado
Keywords
Computational fluid dynamics CFD Simulation of atmospheric flows over complex and forested terrain OpenFOAM Python Escoamentos atmosféricos Avaliação do recurso eólico Modelo de floresta