Universität zu Köln

Foreman, Richard J. (2012). Improved calculation of offshore meteorological parameters for applications in wind energy. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Work presented in this thesis demonstrates an improved calculation of offshore meteorological parameters, in particular the wind speed and turbulence intensity, relevant for wind energy applications. An alternative offshore drag law is proposed that anticipates drag coefficients at intermediate wind speeds expected in applications for wind energy, but is also consistent with the functional behaviour of drag coefficients as a function of wind speed expected at tropical cyclone wind speeds. The law is compared with measurements recorded at the FINO1 platform in the North Sea and with those reported in the literature, where differences are attributed to the nature of the water wave field. A correlation equation connecting the air side drag coefficients and water side wave steepnesses is then proposed which can also anticipate drag coefficients expected at tropical cyclone wind speeds using measurements from a buoy recorded during hurricane Rita (2005). The correlation equation interpolates between two hypothesised asymptotic regimes: One whereby drag coefficients scale with the squared wave steepness and the other whereby drag coefficients are constant. At wind speeds relevant for wind energy purposes, two distinctive wave steepness scaling regimes were detected in measurements recorded at FINO1, which are also evident in results reported in the literature. A higher order correlation attempted here, but left open for further development in the future, finds that the unsteady orientation of the wind with the wave direction is likely a further important parameter. This is found by analysing a stable internal boundary layer detected at FINO1 for a period of about a week, which resulted in a diurnal cycle of offshore meteorological parameters including the wind direction. An oscillation was correspondingly found in buoy measurements of wave steepnesses during this period, and hence in drag coefficients. It is demonstrated if higher order wave field effects can be correctly accounted for, an enhanced calculation in the wind speed will result. The nature of the stable internal boundary layer then facilitated investigation throughout a large portion of the boundary layer by the 100 m high FINO1 tower, due to the relatively shallow (O(100) m) height of the internal layer. Comparison with numerical simulations using the Mellor-Yamada-Janji\'{c} planetary boundary layer parametrization within the Weather Research and Forecasting model showed contrasting vertical profiles of turbulent kinetic energy compared with the measurements. This consequently resulted in an overprediction of turbulence intensities as calculated by the model compared with FINO1 measurements at 80 m above the sea surface, and an underprediction of turbulence closer to the surface as inferred from previously reported work in the literature. It is shown here that an improved calculation of turbulence is possible by making changes to the selection of the closure constants and the surface length scale. Comparison with more conventional, less stably stratified periods at FINO1 showed the current Mellor-Yamada-Janji\'{c} parametrization underpredicted the 80 m high turbulence intensity during these periods, whereas the changes proposed here showed an improved calculation of hub height turbulence intensity.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die vorliegende Doktorarbeit präsentiert eine verbesserte Berechnung meteorologischer Parameter in der marinen atmosphärischen Grenzschicht, insbesondere der Windgeschwindigkeit und der Turbulenzintensität, geeignet für Windenergieanwendungen. Es wird ein alternatives Widerstandsgesetz vorgeschlagen, das den Luftwiderstandsbeiwert bei mittleren Windgeschwindigkeiten gut widergibt, und das auch dem praktischen Verhältnis zwischen dem Widerstandsbeiwert und der Windgeschwindigkeit bei tropischen Wirbelstürmen entspricht. Das Gesetz wird mit Messungen der FINO1 Messplattform in der Nordsee und vorhandenen Messungen in der Literatur verglichen. Die gefundenen Unterschiede in den Messungen werden dem Charakter des Wasser-Wellenfelds zugeschrieben. Es wird eine Korrelationsgleichung vorgeschlagen, die den Luftwiderstandsbeiwert und die Wellensteilheit verbindet und die erwarteten Luftwiderstandsbeiwerte während Wirbelsturms Rita (2005) berechnen kann. Die Korrelations-gleichung interpoliert zwischen zwei vorausgesetzten asymptotischen Regimen: In einem Regime entspricht der Luftwiderstandsbeiwert dem Quadrat der Wellensteilheit und im anderen ist der Luftwiderstandsbeiwert konstant. Bei Windgeschwindigkeiten, die für Windenergieerzeugung relevant sind, werden zwei charakteristische Wellensteilheitsregime in den Messungen von FINO1 entdeckt. Die gleichen Ergebnisse werden auch in der Literatur nachgewiesen. Eine Korrelation höherer Ordnung zwischen Wind und Wellen wird ebenfalls untersucht, mit dem Ergebnis, dass auch die variable Orientierung der Windrichtung wichtig ist. Dieses Ergebnis wird bei einer Analyse einer Episode mit einer sehr stabilen Grenzschicht in den FINO1-Messungen gefunden, die eine Woche andauerte und einen deutlichen Tagesgang aufwies, einschließlich der Windrichtung. Entsprechend wurde in diesem Zeitraum auch bei den Bojen-Messungen zur Wellensteilheit eine Oszillation festgestellt, und demzufolge auch im Luftwiderstandsbeiwert. Es wird dargestellt, dass eine Berücksichtigung des Wind-Wellen Parameters höherer Ordnung, eine verbesserte Berechnung der Windgeschwindigkeit ermöglichen wird. Die weitere Auswertung und Entwicklung bleibt zukünftiger Forschung überlassen. Weiterhin erlaubt die geringe Höhe der sehr stabilen Grenzschicht eine Untersuchung eines großen, vertikalen Teils dieser Grenzschicht aus den FINO1-Daten bis 100 m Höhe. %Der Charakter der sehr stabilen Grenzschicht erlaubt dann Nachforschungen über einen großen, vertikalen Teil der Grenzschicht der 100 m großen FINO1 Plattform, dank der vergleichsweise oberflächennahen Lage der inneren Grenzschicht. Werden die gemessenen vertikalen Profile der turbulenten kinetischen Energie mit Ergebnissen der Grenzschichtparameterisierung von Mellor-Yamada-Janji\'{c} in numerischen Modellen wie dem Weather Research und Forecasting (WRF) Modell verglichen, zeigt sich ein deutlicher Unterschied zwischen Messungen und Modellen. Dies resultiert für die sehr stabile Schichtung in vom Modell zu hoch berechneten Turbulenzintensitäten in 80 m Höhe, und in zu niedrig berechneten Turbulenzintensitäten in Oberflächennähe, was sich auf bereits in der Literatur publizierte Ergebnisse zurückführen lässt. Es wird hier dargestellt, dass eine verbesserte Berechnung der Turbulenz durch Veränderungen der Modellkonstanten und Oberflächenlängenskala möglich ist. Bei weniger stabilen Grenzschichten wird festgestellt, dass die vorgeschlagenen Veränderungen in der Turbulenzparametrisierung auch hier eine verbesserte Berechnung der Turbulenzintensität ermöglichen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Foreman, Richard J. UNSPECIFIED UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-47071
Date:	30 January 2012
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute for Geophysics and Meteorology
Subjects:	Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language FINO1 - Offshore meteorology - Reynolds number - Weather Research and Forecasting - Turbulence intensity - Turbulent kinetic energy - Wave steepness - Wind energy English
Date of oral exam:	3 April 2012
Referee:	Name Academic Title Emeis, Stefan Prof. Dr. Kerschgens, Michael Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4707