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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-72026
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2015/7202/


Tall wind profiles in heterogeneous terrain

Hochreichende Windprofile in heterogenem Gelände

Konow, Heike

pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Meteorologische Messung , Wind , Grenzschicht
Freie Schlagwörter (Deutsch): Windprofil , Heterogenität
Freie Schlagwörter (Englisch): Meteorological Measurements , Wind Profile , Boundary Layer , Heterogeneity
Basisklassifikation: 38.81
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Ament, Felix (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 09.12.2014
Erstellungsjahr: 2015
Publikationsdatum: 06.03.2015
Kurzfassung auf Englisch: Electrical power generation by means of wind energy becomes more and more important. To increase efficiency, wind turbine heights grow to orders of 100 m or more. The surroundings of deployed wind turbines are seldom “ideal” in the sense of surface layer theory, which makes yield projections challenging with conventional methods. The scope of this thesis is the wind profile between 10 m and 250 m at a more realistic location. Observations used for these investigations were obtained from October 2000 until March 2012 at the Wettermast Hamburg site. It is located in the easterly outskirts of Hamburg, Germany. Its position and height allows for wind profile analysis in heterogeneous terrain and up to heights above the surface layer. The roughness length is determined for the surroundings of the Wettermast Hamburg for 30 degree-wide wind direction sectors. If roughness length is to be determined from tall wind profiles at heterogeneous terrain, it proves to be beneficial to expand the logarithmic wind profile to include a linear term. This term accounts for a stronger increase of the wind speed at upper levels. The influence of surface roughness is largest in 10 m. However, even in this level close to the ground, influence of varying stratification is dominant. Atmospheric stratification is determined by Obukhov length and gradients of potential temperature. It is not always uniform throughout the entire measurement height. These deviations of stability result in deviations of wind speed as well. If only lower layer stability is used for wind profile estimations and the influence of deviating upper layer stability is neglected, wind speed is found to be overestimated. In this case, the wind speed can be mostly around 30% and up to 41% less than expected. In all heights, the effect of variation of atmospheric stratification is considerably larger than that of changing surface roughness. Stratification in upper layers influences the wind profile in all heights. It should be taken into account for wind speed estimations, especially at higher levels. Two mixing length models are evaluated with observations. No considerable improvement of one model over the other can be found. For model wind speed estimations with those models at levels close to ground, a correct representation of surface roughness is most important. Correct stability classifications become more important at higher levels of wind speed prediction.
Kurzfassung auf Deutsch: Die Nutzung von Windenergie zur Stromerzeugung gewinnt immer mehr an Bedeutung. Zur Steigerung der Effizienz werden Windenergieanlagen immer größer und erreichen Höhen von 100 m oder mehr. Diese Anlagen werden allerdings selten in “idealen” Umgebungen im Sinne der traditionellen Ähnlichkeitstheorie aufgestellt. Dies erschwert Ertragsprognosen mit konventionellen Methoden. Diese Arbeit behandelt das Windprofil zwischen 10 m und 250 m in einer realistischeren Umgebung anhand von Messungen am Wettermast Hamburg zwischen Oktober 2000 und März 2012. Durch die Lage am Ostrand der Stadt Hamburg und die Messungen bis zu 250 m Höhe ist es möglich das Windprofil in einer heterogenen Umgebung und in Höhen oberhalb der Prandtl-Schicht zu untersuchen. In dieser Arbeit wird die Rauhigkeitslänge für 30 Grad breite Windrichtungssektoren aus Messungen des Windprofils bestimmt. Es hat sich als sinnvoll erwiesen das logarithmische Windprofil hierfür um einen linearen Term zu erweitern, wenn Windprofile genutzt werden, die in größeren Höhen und in heterogenem Terrain gemessen wurden. Dieser lineare Term berücksichtigt die stärkere Zunahme der Windgeschwindigkeit in größeren Höhen. In 10 m Höhe ist der Einfluss der Oberflächenrauhigkeit auf das Windprofil ist am größten. Allerdings ist schon in dieser Höhe die Auswirkung verschiedener Schichtungen deutlich größer. Die Stabilität wird in dieser Arbeit sowohl durch die Obukhov-Länge als auch durch Gradienten potentieller Temperatur klassifiziert. Die Stabilität ist dabei nicht immer einheitlich in der gesamten untersuchten Grenzschicht. Unterschiedliche Stabilitäten in der unteren und oberen Hälfte wirken sich auf das gesamte Windprofil aus. Wird nur die Stabilität in der unteren Schicht für die Abschätzung des Windprofils genutzt und weicht die wahre Stabilität in der oberen Schicht davon ab, resultiert dies in allen Höhen meist in einer Überschätzung der Windgeschwindigkeit. Dies bedeutet, dass die Windgeschwindigkeit meistens etwa 30% und bis zu 41% kleiner als erwartet ist. Auch die Stabilität in der oberen Schicht sollte daher bei der Abschätzung von Windprofilen, insbesondere in größeren Höhen, nicht vernachlässigt werden. Die Auswirkung von verschiedenen Stabilitäten auf das Windprofil ist in allen Höhen größer als der Einfluss verschiedener Oberflächenrauhigkeiten. Zwei Modellansätze nach dem Mischungswegprinzip werden mit Messungen verglichen. Es kann keine substantielle Verbesserung des einen Modells gegenüber dem anderen Modell gefunden werden. Für die Windgeschwindigkeitsabschätzung mithilfe der Modelle in 10 m Höhe ist die korrekte Abschätzung der Oberflächenrauhigkeit am wichtigsten. In darüberliegenden Höhen wird die korrekte Klassifizierung der atmosphärischen Stabilität wichtiger.

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