Original paper

Numerical simulations to the diurnal variation of wakes behind wind turbines

Gross, Günter

Meteorologische Zeitschrift Vol. 19 No. 1 (2010), p. 91 - 99

published: Feb 1, 2010

DOI: 10.1127/0941-2948/2010/0418

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ArtNo. ESP025011901007, Price: 29.00 €

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Abstract

A micro-scale numerical model was used to study the wind distribution in the vicinity of a wind turbine. Numerical results show, that the wake behind the turbine strongly depends on the time of day with a moderate horizontal extension during neutral daytime conditions and an elongated wake during stable thermal stratification. A downshift of the maximum velocity deficit with increasing turbine distances has been simulated for neutral conditions, while an upshift was found during night-time situations. Due to a strong wind shear in the lower planetary boundary layer at night, larger values for turbulence intensity have been calculated than for daytime conditions. These modifications of the wind may cause a reduction of the energy yield of a wind turbine located in the wake of up to 50 %. The results of the numerical simulations show an overall qualitatively good agreement with available observations.

Kurzfassung

Mit Hilfe eines mikroskaligen numerischen Modells wurden die Windverhältnisse im Einflussbereich einer Windenergieanlage untersucht. Die Nachlaufströmung zeigt dabei einen sehr ausgeprägten Tagesgang mit geringer horizontaler Ausdehnung tagsüber und einem sehr langen Nachlauf während nächtlicher stabiler Schichtungsverhältnisse. Die Achse des Nachlaufs sinkt dabei für neutrale Verhältnisse ab, während ein Ansteigen in den Nachtstunden berechnet wird. Aufgrund der relativ starken Windscherung in der unteren atmosphärischen Grenzschicht in den Nachtstunden, werden in dieser Zeit auch die höchsten Werte für die Turbulenzintensität berechnet. Diese Strömungsmodifikationen können eine Reduzierung des Energieertrages einer im Nachlauf stehenden Anlage von bis zu 50 % bewirken. Die Ergebnisse der durchgeführten Simulationen werden mit vorhandenen Beobachtungen verglichen und zeigen insgesamt eine recht gute qualitative Übereinstimmung.