Flow and wakes in large wind farms in complex terrain and offshore

Power losses due to wind turbine wakes are of the order of 10 and 20% of total power output in large wind farms. The focus of this research carried out within the EC funded UPWIND project is wind speed and turbulence modelling for large wind farms/wind turbines in complex terrain and offshore in order to optimise wind farm layouts to reduce wake losses and loads.

Development of a wake model for wind farms based on an open source CFD solver. Strategies on parabolization and turbulence modeling

Wake effect represents one of the most important aspects to be analyzed at the engineering phase of every wind farm since it supposes an important power deficit and an increase of turbulence levels with the consequent decrease of the lifetime. It depends on the wind farm design, wind turbine type and the atmospheric conditions prevailing at the site. Traditionally industry has used analytical models, quick and robust, which allow carry out at the preliminary stages wind farm engineering in a flexible way. However, new models based on Computational Fluid Dynamics (CFD) are needed. These models must increase the accuracy of the output variables avoiding at the same time an increase in the computational time. Among them, the elliptic models based on the actuator disk technique have reached an extended use during the last years. These models present three important problems in case of being used by default for the solution of large wind farms: the estimation of the reference wind speed upstream of each rotor disk, turbulence modeling and computational time. In order to minimize the consequence of these problems, this PhD Thesis proposes solutions implemented under the open source CFD solver OpenFOAM and adapted for each type of site: a correction on the reference wind speed for the general elliptic models, the semi-parabollic model for large offshore wind farms and the hybrid model for wind farms in complex terrain. All the models are validated in terms of power ratios by means of experimental data derived from real operating wind farms.

Computational and Experimental Modelling of Mooring Lines Dynamics for Offshore Floating Wind Turbines

El cálculo de cargas de aerogeneradores flotantes requiere herramientas de simulación en el dominio del tiempo que consideren todos los fenómenos que afectan al sistema, como la aerodinámica, la dinámica estructural, la hidrodinámica, las estrategias de control y la dinámica de las líneas de fondeo. Todos estos efectos están acoplados entre sí y se influyen mutuamente. Las herramientas integradas se utilizan para calcular las cargas extremas y de fatiga que son empleadas para dimensionar estructuralmente los diferentes componentes del aerogenerador. Por esta razón, un cálculo preciso de las cargas influye de manera importante en la optimización de los componentes y en el coste final del aerogenerador flotante. En particular, el sistema de fondeo tiene gran impacto en la dinámica global del sistema. Muchos códigos integrados para la simulación de aerogeneradores flotantes utilizan modelos simplificados que no consideran los efectos dinámicos de las líneas de fondeo. Una simulación precisa de las líneas de fondeo dentro de los modelos integrados puede resultar fundamental para obtener resultados fiables de la dinámica del sistema y de los niveles de cargas en los diferentes componentes. Sin embargo, el impacto que incluir la dinámica de los fondeos tiene en la simulación integrada y en las cargas todavía no ha sido cuantificada rigurosamente. El objetivo principal de esta investigación es el desarrollo de un modelo dinámico para la simulación de líneas de fondeo con precisión, validarlo con medidas en un tanque de ensayos e integrarlo en un código de simulación para aerogeneradores flotantes. Finalmente, esta herramienta, experimentalmente validada, es utilizada para cuantificar el impacto que un modelos dinámicos de líneas de fondeo tienen en la computación de las cargas de fatiga y extremas de aerogeneradores flotantes en comparación con un modelo cuasi-estático. Esta es una información muy útil para los futuros diseñadores a la hora de decidir qué modelo de líneas de fondeo es el adecuado, dependiendo del tipo de plataforma y de los resultados esperados. El código dinámico de líneas de fondeo desarrollado en esta investigación se basa en el método de los Elementos Finitos, utilizando en concreto un modelo ”Lumped Mass” para aumentar su eficiencia de computación. Los experimentos realizados para la validación del código se realizaron en el tanque del École Céntrale de Nantes (ECN), en Francia, y consistieron en sumergir una cadena con uno de sus extremos anclados en el fondo del tanque y excitar el extremo suspendido con movimientos armónicos de diferentes periodos. El código demostró su capacidad para predecir la tensión y los movimientos en diferentes posiciones a lo largo de la longitud de la línea con gran precisión. Los resultados indicaron la importancia de capturar la dinámica de las líneas de fondeo para la predicción de la tensión especialmente en movimientos de alta frecuencia. Finalmente, el código se utilizó en una exhaustiva evaluación del efecto que la dinámica de las líneas de fondeo tiene sobre las cargas extremas y de fatiga de diferentes conceptos de aerogeneradores flotantes. Las cargas se calcularon para tres tipologías de aerogenerador flotante (semisumergible, ”spar-buoy” y ”tension leg platform”) y se compararon con las cargas obtenidas utilizando un modelo cuasi-estático de líneas de fondeo. Se lanzaron y postprocesaron más de 20.000 casos de carga definidos por la norma IEC 61400-3 siguiendo todos los requerimientos que una entidad certificadora requeriría a un diseñador industrial de aerogeneradores flotantes. Los resultados mostraron que el impacto de la dinámica de las líneas de fondeo, tanto en las cargas de fatiga como en las extremas, se incrementa conforme se consideran elementos situados más cerca de la plataforma: las cargas en la pala y en el eje sólo son ligeramente modificadas por la dinámica de las líneas, las cargas en la base de la torre pueden cambiar significativamente dependiendo del tipo de plataforma y, finalmente, la tensión en las líneas de fondeo depende fuertemente de la dinámica de las líneas, tanto en fatiga como en extremas, en todos los conceptos de plataforma que se han evaluado. ABSTRACT The load calculation of floating offshore wind turbine requires time-domain simulation tools taking into account all the phenomena that affect the system such as aerodynamics, structural dynamics, hydrodynamics, control actions and the mooring lines dynamics. These effects present couplings and are mutually influenced. The results provided by integrated simulation tools are used to compute the fatigue and ultimate loads needed for the structural design of the different components of the wind turbine. For this reason, their accuracy has an important influence on the optimization of the components and the final cost of the floating wind turbine. In particular, the mooring system greatly affects the global dynamics of the floater. Many integrated codes for the simulation of floating wind turbines use simplified approaches that do not consider the mooring line dynamics. An accurate simulation of the mooring system within the integrated codes can be fundamental to obtain reliable results of the system dynamics and the loads. The impact of taking into account the mooring line dynamics in the integrated simulation still has not been thoroughly quantified. The main objective of this research consists on the development of an accurate dynamic model for the simulation of mooring lines, validate it against wave tank tests and then integrate it in a simulation code for floating wind turbines. This experimentally validated tool is finally used to quantify the impact that dynamic mooring models have on the computation of fatigue and ultimate loads of floating wind turbines in comparison with quasi-static tools. This information will be very useful for future designers to decide which mooring model is adequate depending on the platform type and the expected results. The dynamic mooring lines code developed in this research is based in the Finite Element Method and is oriented to the achievement of a computationally efficient code, selecting a Lumped Mass approach. The experimental tests performed for the validation of the code were carried out at the `Ecole Centrale de Nantes (ECN) wave tank in France, consisting of a chain submerged into a water basin, anchored at the bottom of the basin, where the suspension point of the chain was excited with harmonic motions of different periods. The code showed its ability to predict the tension and the motions at several positions along the length of the line with high accuracy. The results demonstrated the importance of capturing the evolution of the mooring dynamics for the prediction of the line tension, especially for the high frequency motions. Finally, the code was used for an extensive assessment of the effect of mooring dynamics on the computation of fatigue and ultimate loads for different floating wind turbines. The loads were computed for three platforms topologies (semisubmersible, spar-buoy and tension leg platform) and compared with the loads provided using a quasi-static mooring model. More than 20,000 load cases were launched and postprocessed following the IEC 61400-3 guideline and fulfilling the conditions that a certification entity would require to an offshore wind turbine designer. The results showed that the impact of mooring dynamics in both fatigue and ultimate loads increases as elements located closer to the platform are evaluated; the blade and the shaft loads are only slightly modified by the mooring dynamics in all the platform designs, the tower base loads can be significantly affected depending on the platform concept and the mooring lines tension strongly depends on the lines dynamics both in fatigue and extreme loads in all the platform concepts evaluated.

Wind turbine wakes for wind energy

During recent years, wind energy has moved from an emerging technology to a nearly competitive technology. This fact, coupled with an increasing global focus on environmental concern and a political desire of a certain level of diversification in the energy supply, ensures wind energy an important role in the future electricity market. For this challenge to be met in a cost-efficient way, a substantial part of new wind turbine installations is foreseen to be erected in big onshore or offshore wind farms. This fact makes the production, loading and reliability of turbines operating under such conditions of particular interest.

Pre-Feasibility Study of Hybrid Wind Power-H-2 System Connected to Electrical Grid

The growth of wind power as an electric energy source is profitable from an environmental point of view and improves the energetic independence of countries with little fossil fuel resources. However, the wind resource randomness poses a great challenge in the management of electric grids. This study raises the possibility of using hydrogen as a mean to damp the variability of the wind resource. Thus, it is proposed the use of all the energy produced by a typical wind farm for hydrogen generation, that will in turn be used after for suitable generation of electric energy according to the operation rules in a liberalized electric market.

Use of STATCOM in wind farms with fixed-speed generators for grid code compliance

The increasing penetration of wind energy into power systems has pushed grid operators to set new requirements for this kind of generating plants in order to keep acceptable and reliable operation of the system. In addition to the low voltage ride through capability, wind farms are required to participate in voltage support, stability enhancement and power quality improvement. This paper presents a solution for wind farms with fixed-speed generators based on the use of STATCOM with braking resistor and additional series impedances, with an adequate control strategy. The focus is put on guaranteeing the grid code compliance when the wind farm faces an extensive series of grid disturbances.

Modelling wake effects in large wind farms in complex terrain: the problem, the methods and the issues

Computational fluid dynamic (CFD) methods are used in this paper to predict the power production from entire wind farms in complex terrain and to shed some light into the wake flow patterns. Two full three-dimensional Navier–Stokes solvers for incompressible fluid flow, employing k − ϵ and k − ω turbulence closures, are used. The wind turbines are modeled as momentum absorbers by means of their thrust coefficient through the actuator disk approach. Alternative methods for estimating the reference wind speed in the calculation of the thrust are tested. The work presented in this paper is part of the work being undertaken within the UpWind Integrated Project that aims to develop the design tools for next generation of large wind turbines. In this part of UpWind, the performance of wind farm and wake models is being examined in complex terrain environment where there are few pre-existing relevant measurements. The focus of the work being carried out is to evaluate the performance of CFD models in large wind farm applications in complex terrain and to examine the development of the wakes in a complex terrain environment.

Statistical models for short-term wind power ramp forecasting

La predicción de energía eólica ha desempeñado en la última década un papel fundamental en el aprovechamiento de este recurso renovable, ya que permite reducir el impacto que tiene la naturaleza fluctuante del viento en la actividad de diversos agentes implicados en su integración, tales como el operador del sistema o los agentes del mercado eléctrico. Los altos niveles de penetración eólica alcanzados recientemente por algunos países han puesto de manifiesto la necesidad de mejorar las predicciones durante eventos en los que se experimenta una variación importante de la potencia generada por un parque o un conjunto de ellos en un tiempo relativamente corto (del orden de unas pocas horas). Estos eventos, conocidos como rampas, no tienen una única causa, ya que pueden estar motivados por procesos meteorológicos que se dan en muy diferentes escalas espacio-temporales, desde el paso de grandes frentes en la macroescala a procesos convectivos locales como tormentas. Además, el propio proceso de conversión del viento en energía eléctrica juega un papel relevante en la ocurrencia de rampas debido, entre otros factores, a la relación no lineal que impone la curva de potencia del aerogenerador, la desalineación de la máquina con respecto al viento y la interacción aerodinámica entre aerogeneradores. En este trabajo se aborda la aplicación de modelos estadísticos a la predicción de rampas a muy corto plazo. Además, se investiga la relación de este tipo de eventos con procesos atmosféricos en la macroescala. Los modelos se emplean para generar predicciones de punto a partir del modelado estocástico de una serie temporal de potencia generada por un parque eólico. Los horizontes de predicción considerados van de una a seis horas. Como primer paso, se ha elaborado una metodología para caracterizar rampas en series temporales. La denominada función-rampa está basada en la transformada wavelet y proporciona un índice en cada paso temporal. Este índice caracteriza la intensidad de rampa en base a los gradientes de potencia experimentados en un rango determinado de escalas temporales. Se han implementado tres tipos de modelos predictivos de cara a evaluar el papel que juega la complejidad de un modelo en su desempeño: modelos lineales autorregresivos (AR), modelos de coeficientes variables (VCMs) y modelos basado en redes neuronales (ANNs). Los modelos se han entrenado en base a la minimización del error cuadrático medio y la configuración de cada uno de ellos se ha determinado mediante validación cruzada. De cara a analizar la contribución del estado macroescalar de la atmósfera en la predicción de rampas, se ha propuesto una metodología que permite extraer, a partir de las salidas de modelos meteorológicos, información relevante para explicar la ocurrencia de estos eventos. La metodología se basa en el análisis de componentes principales (PCA) para la síntesis de la datos de la atmósfera y en el uso de la información mutua (MI) para estimar la dependencia no lineal entre dos señales. Esta metodología se ha aplicado a datos de reanálisis generados con un modelo de circulación general (GCM) de cara a generar variables exógenas que posteriormente se han introducido en los modelos predictivos. Los casos de estudio considerados corresponden a dos parques eólicos ubicados en España. Los resultados muestran que el modelado de la serie de potencias permitió una mejora notable con respecto al modelo predictivo de referencia (la persistencia) y que al añadir información de la macroescala se obtuvieron mejoras adicionales del mismo orden. Estas mejoras resultaron mayores para el caso de rampas de bajada. Los resultados también indican distintos grados de conexión entre la macroescala y la ocurrencia de rampas en los dos parques considerados. Abstract One of the main drawbacks of wind energy is that it exhibits intermittent generation greatly depending on environmental conditions. Wind power forecasting has proven to be an effective tool for facilitating wind power integration from both the technical and the economical perspective. Indeed, system operators and energy traders benefit from the use of forecasting techniques, because the reduction of the inherent uncertainty of wind power allows them the adoption of optimal decisions. Wind power integration imposes new challenges as higher wind penetration levels are attained. Wind power ramp forecasting is an example of such a recent topic of interest. The term ramp makes reference to a large and rapid variation (1-4 hours) observed in the wind power output of a wind farm or portfolio. Ramp events can be motivated by a broad number of meteorological processes that occur at different time/spatial scales, from the passage of large-scale frontal systems to local processes such as thunderstorms and thermally-driven flows. Ramp events may also be conditioned by features related to the wind-to-power conversion process, such as yaw misalignment, the wind turbine shut-down and the aerodynamic interaction between wind turbines of a wind farm (wake effect). This work is devoted to wind power ramp forecasting, with special focus on the connection between the global scale and ramp events observed at the wind farm level. The framework of this study is the point-forecasting approach. Time series based models were implemented for very short-term prediction, this being characterised by prediction horizons up to six hours ahead. As a first step, a methodology to characterise ramps within a wind power time series was proposed. The so-called ramp function is based on the wavelet transform and it provides a continuous index related to the ramp intensity at each time step. The underlying idea is that ramps are characterised by high power output gradients evaluated under different time scales. A number of state-of-the-art time series based models were considered, namely linear autoregressive (AR) models, varying-coefficient models (VCMs) and artificial neural networks (ANNs). This allowed us to gain insights into how the complexity of the model contributes to the accuracy of the wind power time series modelling. The models were trained in base of a mean squared error criterion and the final set-up of each model was determined through cross-validation techniques. In order to investigate the contribution of the global scale into wind power ramp forecasting, a methodological proposal to identify features in atmospheric raw data that are relevant for explaining wind power ramp events was presented. The proposed methodology is based on two techniques: principal component analysis (PCA) for atmospheric data compression and mutual information (MI) for assessing non-linear dependence between variables. The methodology was applied to reanalysis data generated with a general circulation model (GCM). This allowed for the elaboration of explanatory variables meaningful for ramp forecasting that were utilized as exogenous variables by the forecasting models. The study covered two wind farms located in Spain. All the models outperformed the reference model (the persistence) during both ramp and non-ramp situations. Adding atmospheric information had a noticeable impact on the forecasting performance, specially during ramp-down events. Results also suggested different levels of connection between the ramp occurrence at the wind farm level and the global scale.

Wind tunnel analysis of the flow topology over complex topographies

El principal objetivo de este trabajo es aportar conocimiento para contestar la pregunta: ¿hasta que punto los ensayos en túnel aerodinámico pueden contribuir a determinar las características que afectan la respuesta dinámica de los aerogeneradores operando en terreno complejo?. Esta pregunta no es nueva, de hecho, el debate en la comunidad científica comenzó en el primer tercio del siglo pasado y aún está intensamente vivo. El método generalmente aceptado para enfrentar el mencionado problema consiste en analizar un caso de estudio determinado en el cual se aplican tanto ensayos a escala real como análisis computacionales y ensayos en túnel aerodinámico. Esto no es ni fácil ni barato. Esta es la razón por la cual desde el experimento de Askervein en 1988, los modelizadores del flujo atmosférico tuvieron que esperar hasta 2007 a que el experimento de Bolund fuese puesto en marcha con un despliegue de medios técnicos equivalentes (teniendo en cuenta la evolución de las tecnologías de sensores y computación). El problema contempla tantos aspectos que ambas experiencias fueron restringidas a condiciones de atmósfera neutra con efectos de Coriolis despreciables con objeto de reducir la complejidad. Este es el contexto en el que se ha desarrollado la presente tesis doctoral. La topología del flujo sobre la isla de Bolund ha sido estudiada mediante la reproducción del experimento de Bolund en los túneles aerodinámicos A9 y ACLA16 del IDR. Dos modelos de la isla de Bolund fueron fabricados a dos escalas, 1:230 y 1:115. El flujo de entrada en el túnel aerodinámico simulando la capa límite sin perturbar correspondía a régimen de transición (transitionally rough regime) y fue usado como situación de referencia. El modelo a escala 1:230 fue ensayado en el túnel A9 para determinar la presión sobre su superficie. La distribución del coeficiente de presión sobre la isla proporcionó una visualización y estimación de una región de desprendimiento sobre el pequeño acantilado situado al frente de la misma. Las medidas de presión instantánea con suficiente grado de resolución temporal pusieron de manifiesto la no estacionariedad en la región de desprendimiento. El modelo a escala 1:115 fue ensayado utilizando hilo caliente de tres componentes y un sistema de velocimetría por imágenes de partículas de dos componentes. El flujo fue caracterizado por el ratio de aceleración, el incremento normalizado de energía cinética turbulenta y los ángulos de inclinación y desviación horizontal. Los resultados a lo largo de la dirección 270°y alturas de 2 m y 5 m presentaron una gran similitud con los resultados a escala real del experimento de Bolund. Los perfiles verticales en las localizaciones de las torres meteorológicas mostraron un acuerdo significativo con los resultados a escala real. El análisis de los esfuerzos de Reynolds y el análisis espectral en las localizaciones de los mástiles meteorológicos presentaron niveles de acuerdo variados en ciertas posiciones, mientras que en otras presentaron claras diferencias. El mapeo horizontal del flujo, para una dirección de viento de 270°, permitió caracterizar el comportamiento de la burbuja intermitente de recirculación sobre el pequeño acantilado existente al frente de la isla así como de la región de relajación y de la capa de cortadura en la región corriente abajo de Bolund. Se realizaron medidas de velocidad con alta resolución espacial en planos perpendiculares a la dirección del flujo sin perturbar. Estas medidas permitieron detectar y caracterizar una estructura de flujo similar a un torbellino longitudinal con regiones con altos gradientes de velocidad y alta intensidad de turbulencia. Esta estructura de flujo es, sin duda, un reto para los modelos computacionales y puede considerarse un factor de riesgo para la operación de los aerogeneradores. Se obtuvieron y analizaron distribuciones espaciales de los esfuerzos de Reynolds mediante 3CHW y PIV. Este tipo de parámetros no constituyen parte de los resultados habituales en los ensayos en túnel sobre topografías y son muy útiles para los modelizadores que utilizan simulación de grades torbellinos (LES). Se proporciona una interpretación de los resultados obtenidos en el túnel aerodinámico en términos de utilidad para los diseñadores de parques eólicos. La evolución y variación de los parámetros del flujo a lo largo de líneas, planos y superficies han permitido identificar como estas propiedades del flujo podrían afectar la localización de los aerogeneradores y a la clasificación de emplazamientos. Los resultados presentados sugieren, bajo ciertas condiciones, la robustez de los ensayos en túnel para estudiar la topología sobre terreno complejo y su comparabilidad con otras técnicas de simulación, especialmente considerando el nivel de acuerdo del conjunto de resultados presentados con los resultados a escala real. De forma adicional, algunos de los parámetros del flujo obtenidos de las medidas en túnel son difícilmente determinables en ensayos a escala real o por medios computacionales, considerado el estado del arte. Este trabajo fue realizado como parte de las actividades subvencionadas por la Comisión Europea como dentro del proyecto FP7-PEOPLE-ITN-2008WAUDIT (Wind Resource Assessment Audit and Standardization) dentro de la FP7 Marie-Curie Initial Training Network y por el Ministerio Español de Economía y Competitividad dentro del proyecto ENE2012-36473, TURCO (Determinación en túnel aerodinámico de la distribución espacial de parámetros estadísticos de la turbulencia atmosférica sobre topografías complejas) del Plan Nacional de Investigación (Subprograma de investigación fundamental no orientada 2012). El informe se ha organizado en siete capítulos y un conjunto de anexos. En el primer capítulo se introduce el problema. En el capítulo dos se describen los medios experimentales utilizados. Seguidamente, en el capítulo tres, se analizan en detalle las condiciones de referencia del principal túnel aerodinámico utilizado en esta investigación. En el capítulo tres se presentan resultados de ensayos de presión superficial sobre un modelo de la isla. Los principales resultados del experimento de Bolund se reproducen en el capítulo cinco. En el capítulo seis se identifican diferentes estructuras del flujo sobre la isla y, finalmente, en el capitulo siete, se recogen las conclusiones y una propuesta de lineas de trabajo futuras. ABSTRACT The main objective of this work is to contribute to answer the question: to which extend can the wind tunnel testing contribute to determine the flow characteristics that affect the dynamic response of wind turbines operating in highly complex terrains?. This question is not new, indeed, the debate in the scientific community was opened in the first third of the past century and it is still intensely alive. The accepted approach to face this problem consists in analysing a given case study where full-scale tests, computational modelling and wind tunnel testing are applied to the same topography. This is neither easy nor cheap. This is is the reason why since the Askervein experience in 1988, the atmospheric flow modellers community had to wait till 2007 when the Bolund experiment was setup with a deployment of technical means equivalent (considering the evolution of the sensor and computing techniques). The problem is so manifold that both experiences were restricted to neutral conditions without Coriolis effects in order to reduce the complexity. This is the framework in which this PhD has been carried out. The flow topology over the Bolund Island has been studied by replicating the Bolund experiment in the IDR A9 and ACLA16 wind tunnels. Two mock-ups of the Bolund island were manufactured at two scales of 1:230 and 1:115. The in-flow in the empty wind tunnel simulating the incoming atmospheric boundary layer was in the transitionally rough regime and used as a reference case. The 1:230 model was tested in the A9 wind tunnel to measure surface pressure. The mapping of the pressure coefficient across the island gave a visualisation and estimation of a detachment region on the top of the escarpment in front of the island. Time resolved instantaneous pressure measurements illustrated the non-steadiness in the detachment region. The 1:115 model was tested using 3C hot-wires(HW) and 2C Particle Image Velocimetry(PIV). Measurements at met masts M3, M6, M7 and M8 and along Line 270°were taken to replicate the result of the Bolund experiment. The flow was characterised by the speed-up ratio, normalised increment of the turbulent kinetic energy, inclination angle and turning angle. Results along line 270°at heights of 2 m and 5 m compared very well with the full-scale results of the Bolund experiment. Vertical profiles at the met masts showed a significant agreement with the full-scale results. The analysis of the Reynolds stresses and the spectral analysis at the met mast locations gave a varied level of agreement at some locations while clear mismatch at others. The horizontal mapping of the flow field, for a 270°wind direction, allowed to characterise the behaviour of the intermittent recirculation bubble on top of the front escarpment followed by a relaxation region and the presence of a shear layer in the lee side of the island. Further detailed velocity measurements were taken at cross-flow planes over the island to study the flow structures on the island. A longitudinal vortex-like structure with high mean velocity gradients and high turbulent kinetic energy was characterised on the escarpment and evolving downstream. This flow structure is a challenge to the numerical models while posing a threat to wind farm designers when siting wind turbines. Spatial distribution of Reynold stresses were presented from 3C HW and PIV measurements. These values are not common results from usual wind tunnel measurements and very useful for modellers using large eddy simulation (LES). An interpretation of the wind tunnel results in terms of usefulness to wind farm designers is given. Evolution and variation of the flow parameters along measurement lines, planes and surfaces indicated how the flow field could affect wind turbine siting. Different flow properties were presented so compare the level of agreement to full-scale results and how this affected when characterising the site wind classes. The results presented suggest, under certain conditions, the robustness of the wind tunnel testing for studying flow topology over complex terrain and its capability to compare to other modelling techniques especially from the level of agreement between the different data sets presented. Additionally, some flow parameters obtained from wind tunnel measurements would have been quite difficult to be measured at full-scale or by computational means considering the state of the art. This work was carried out as a part of the activities supported by the EC as part of the FP7- PEOPLE-ITN-2008 WAUDIT project (Wind Resource Assessment Audit and Standardization) within the FP7 Marie-Curie Initial Training Network and by the Spanish Ministerio de Economía y Competitividad, within the framework of the ENE2012-36473, TURCO project (Determination of the Spatial Distribution of Statistic Parameters of Flow Turbulence over Complex Topographies in Wind Tunnel) belonging to the Spanish National Program of Research (Subprograma de investigación fundamental no orientada 2012). The report is organised in seven chapters and a collection of annexes. In chapter one, the problem is introduced. In chapter two the experimental setup is described. Following, in chapter three, the inflow conditions of the main wind tunnel used in this piece of research are analysed in detail. In chapter three, preliminary pressure tests results on a model of the island are presented. The main results from the Bolund experiment are replicated in chapter five. In chapter six, an identification of specific flow strutures over the island is presented and, finally, in chapter seven, conclusions and lines for future works related to the presented one are included.

Detecting and characterising ramp events in wind power time series

In order to implement accurate models for wind power ramp forecasting, ramps need to be previously characterised. This issue has been typically addressed by performing binary ramp/non-ramp classifications based on ad-hoc assessed thresholds. However, recent works question this approach. This paper presents the ramp function, an innovative wavelet- based tool which detects and characterises ramp events in wind power time series. The underlying idea is to assess a continuous index related to the ramp intensity at each time step, which is obtained by considering large power output gradients evaluated under different time scales (up to typical ramp durations). The ramp function overcomes some of the drawbacks shown by the aforementioned binary classification and permits forecasters to easily reveal specific features of the ramp behaviour observed at a wind farm. As an example, the daily profile of the ramp-up and ramp-down intensities are obtained for the case of a wind farm located in Spain

Hydrodynamic forces on heave plates for offshore systems oscillating close to the seabed or the free surface

La energía eólica marina es uno de los recursos energéticos con mayor proyección pudiendo contribuir a reducir el consumo de combustibles fósiles y a cubrir la demanda de energía en todo el mundo. El concepto de aerogenerador marino está basado en estructuras fijas como jackets o en plataformas flotantes, ya sea una semisumergible o una TLP. Se espera que la energía eólica offshore juegue un papel importante en el perfil de producción energética de los próximos años; por tanto, las turbinas eólicas deben hacerse más fables y rentables para ser competitivas frente a otras fuentes de energía. Las estructuras flotantes pueden experimentar movimientos resonantes en estados de la mar con largos períodos de oleaje. Estos movimientos disminuyen su operatividad y pueden causar daños en los componentes eléctricos de las turbinas y en las palas, también en los risers y moorings. La respuesta de la componente vertical del movimiento puede reducirse mediante diferentes actuaciones: (1) aumentando la amortiguación del sistema, (2) manteniendo el período del movimiento vertical fuera del rango de la energía de la ola, y (3) reduciendo las fuerzas de excitación verticales. Un ejemplo típico para llevar a cabo esta reducción son las "Heave Plates". Las heave plates son placas que se utilizan en la industria offshore debido a sus características hidrodinámicas, ya que aumentan la masa añadida y la amortiguación del sistema. En un análisis hidrodinámico convencional, se considera una estructura sometida a un oleaje con determinadas características y se evalúan las cargas lineales usando la teoría potencial. El amortiguamiento viscoso, que juega un papel crucial en la respuesta en resonancia del sistema, es un dato de entrada para el análisis. La tesis se centra principalmente en la predicción del amortiguamiento viscoso y de la masa añadida de las heave plates usadas en las turbinas eólicas flotantes. En los cálculos, las fuerzas hidrodinámicas se han obtenido con el f n de estudiar cómo los coeficientes hidrodinámicos de masa añadida5 y amortiguamiento varían con el número de KC, que caracteriza la amplitud del movimiento respecto al diámetro del disco. Por otra parte, se ha investigado la influencia de la distancia media de la ‘heave plate’ a la superficie libre o al fondo del mar, sobre los coeficientes hidrodinámicos. En este proceso, un nuevo modelo que describe el trabajo realizado por la amortiguación en función de la enstrofía, es descrito en el presente documento. Este nuevo enfoque es capaz de proporcionar una correlación directa entre el desprendimiento local de vorticidad y la fuerza de amortiguación global. El análisis también incluye el estudio de los efectos de la geometría de la heave plate, y examina la sensibilidad de los coeficientes hidrodinámicos al incluir porosidad en ésta. Un diseño novedoso de una heave plate, basado en la teoría fractal, también fue analizado experimentalmente y comparado con datos experimentales obtenidos por otros autores. Para la resolución de las ecuaciones de Navier Stokes se ha usado un solver basado en el método de volúmenes finitos. El solver usa las librerías de OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation), para resolver un problema multifásico e incompresible, usando la técnica VOF (volume of fluid) que permite capturar el movimiento de la superficie libre. Los resultados numéricos han sido comparados con resultados experimentales llevados a cabo en el Canal del Ensayos Hidrodinámicos (CEHINAV) de la Universidad Politécnica de Madrid y en el Canal de Experiencias Hidrodinámicas (CEHIPAR) en Madrid, al igual que con otros experimentos realizados en la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Western Australia. Los principales resultados se presentan a continuación: 1. Para pequeños valores de KC, los coeficientes hidrodinámicos de masa añadida y amortiguamiento incrementan su valor a medida que el disco se aproxima al fondo marino. Para los casos cuando el disco oscila cerca de la superficie libre, la dependencia de los coeficientes hidrodinámicos es más fuerte por la influencia del movimiento de la superficie libre. 2. Los casos analizados muestran la existencia de un valor crítico de KC, donde la tendencia de los coeficientes hidrodinámicos se ve alterada. Dicho valor crítico depende de la distancia al fondo marino o a la superficie libre. 3. El comportamiento físico del flujo, para valores de KC cercanos a su valor crítico ha sido estudiado mediante el análisis del campo de vorticidad. 4. Introducir porosidad al disco, reduce la masa añadida para los valores de KC estudiados, pero se ha encontrado que la porosidad incrementa el valor del coeficiente de amortiguamiento cuando se incrementa la amplitud del movimiento, logrando un máximo de damping para un disco con 10% de porosidad. 5. Los resultados numéricos y experimentales para los discos con faldón, muestran que usar este tipo de geometrías incrementa la masa añadida cuando se compara con el disco sólido, pero reduce considerablemente el coeficiente de amortiguamiento. 6. Un diseño novedoso de heave plate basado en la teoría fractal ha sido experimentalmente estudiado a diferentes calados y comparado con datos experimentales obtenidos por otro autores. Los resultados muestran un comportamiento incierto de los coeficientes y por tanto este diseño debería ser estudiado más a fondo. ABSTRACT Offshore wind energy is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. Offshore wind turbine concepts are based on either a fixed structure as a jacket or a floating offshore platform like a semisubmersible, spar or tension leg platform. Floating offshore wind turbines have the potential to be an important part of the energy production profile in the coming years. In order to accomplish this wind integration, these wind turbines need to be made more reliable and cost efficient to be competitive with other sources of energy. Floating offshore artifacts, such oil rings and wind turbines, may experience resonant heave motions in sea states with long peak periods. These heave resonances may increase the system downtime and cause damage on the system components and as well as on risers and mooring systems. The heave resonant response may be reduced by different means: (1) increasing the damping of the system, (2) keeping the natural heave period outside the range of the wave energy, and (3) reducing the heave excitation forces. A typical example to accomplish this reduction are “Heave Plates”. Heave plates are used in the offshore industry due to their hydrodynamic characteristics, i.e., increased added mass and damping. Conventional offshore hydrodynamic analysis considers a structure in waves, and evaluates the linear and nonlinear loads using potential theory. Viscous damping, which is expected to play a crucial role in the resonant response, is an empirical input to the analysis, and is not explicitly calculated. The present research has been mainly focused on the prediction of viscous damping and added mass of floating offshore wind turbine heave plates. In the calculations, the hydrodynamic forces have been measured in order to compute how the hydrodynamic coefficients of added mass1 and damping vary with the KC number, which characterises the amplitude of heave motion relative to the diameter of the disc. In addition, the influence on the hydrodynamic coefficients when the heave plate is oscillating close to the free surface or the seabed has been investigated. In this process, a new model describing the work done by damping in terms of the flow enstrophy, is described herein. This new approach is able to provide a direct correlation between the local vortex shedding processes and the global damping force. The analysis also includes the study of different edges geometry, and examines the sensitivity of the damping and added mass coefficients to the porosity of the plate. A novel porous heave plate based on fractal theory has also been proposed, tested experimentally and compared with experimental data obtained by other authors for plates with similar porosity. A numerical solver of Navier Stokes equations, based on the finite volume technique has been applied. It uses the open-source libraries of OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation), to solve 2 incompressible, isothermal immiscible fluids using a VOF (volume of fluid) phase-fraction based interface capturing approach, with optional mesh motion and mesh topology changes including adaptive re-meshing. Numerical results have been compared with experiments conducted at Technical University of Madrid (CEHINAV) and CEHIPAR model basins in Madrid and with others performed at School of Mechanical Engineering in The University of Western Australia. A brief summary of main results are presented below: 1. At low KC numbers, a systematic increase in added mass and damping, corresponding to an increase in the seabed proximity, is observed. Specifically, for the cases when the heave plate is oscillating closer to the free surface, the dependence of the hydrodynamic coefficients is strongly influenced by the free surface. 2. As seen in experiments, a critical KC, where the linear trend of the hydrodynamic coefficients with KC is disrupted and that depends on the seabed or free surface distance, has been found. 3. The physical behavior of the flow around the critical KC has been explained through an analysis of the flow vorticity field. 4. The porosity of the heave plates reduces the added mass for the studied porosity at all KC numbers, but the porous heave plates are found to increase the damping coefficient with increasing amplitude of oscillation, achieving a maximum damping coefficient for the heave plate with 10% porosity in the entire KC range. 5. Another concept taken into account in this work has been the heave plates with flaps. Numerical and experimental results show that using discs with flaps will increase added mass when compared to the plain plate but may also significantly reduce damping. 6. A novel heave plate design based on fractal theory has tested experimentally for different submergences and compared with experimental data obtained by other authors for porous plates. Results show an unclear behavior in the coefficients and should be studied further. Future work is necessary in order to address a series of open questions focusing on 3D effects, optimization of the heave plates shapes, etc.

Pressure measurements of the detachment bubble on the Bolund Island

Pressure measurements on the surface of a 1:230 scale model of Bolund Island are presented. The model is smooth and no boundary layer generation has been considered since the experiment is designed as the simplest possible reference case. Measurement have been taken for a range of Reynolds numbers based on the average undisturbed wind speed U∞ and the maximum height of the island, h [1.7×104, 8.5×104], and for a range of wind directions. Four minutes time series of pressure in more than 400 points have been acquired and analysed to obtain the spatial distribution of both the time average and the variance of the pressure signal. The horizontal extension of the detachment bubble for the different Reynolds numbers and wind directions is identified by isobars and curves of constant value of pressure variance. The applicability of this technique for evaluating the horizontal topology of high turbulence regions associated to detachment bubbles after escarpments in potential wind farm sites is analysed. The results obtained shows that the behaviour of the mean pressure coefficient, Cp, the std. pressure coefficient, Cp, and the skewness of the pressure, Sp can be used to study the bubble over the island to a certain extent. This experiment is part of the set of different analysis on the Bolund test case that is being undertaken within WAUDIT project by the different scientific groups.

Estudio de un sistema de almacenamiento de energía eólica por medio de baterias

El objetivo de este trabajo consiste en evaluar los beneficios de la utilización de sistemas de almacenamiento de energía para incrementar el valor de un parque eólico. Debido a la naturaleza aleatoria inherente a la producción eléctrica de origen eólico, su integración en red plantea importantes problemas que suponen un reto tecnológico cada vez mayor a medida que la penetración de la energía eólica en el mix de generación aumenta. A su vez, las aplicaciones de los sistemas de almacenamiento de energía representan la oportunidad de mitigar los efectos indeseables de la producción eléctrica eólica. Los conocimientos adquiridos a lo largo de este proyecto se aplicarán para determinar qué sistema de almacenamiento de energía es óptimo para implantar en el parque eólico objeto del estudio, así como para cuantificar los beneficios derivados de la hibridación. ABSTRACT The aim of this work consist of assess the benefits of the use of energy storage systems for wind farm value enhacement. Due to the random nature inherent to wind electric generation, its grid integration carry important issues that represent a technology challenge that increases as wind generation penetration within energy mix increases as well. At the same time, energy storage systems applications represent an opportunity to mitigate the undesirable effects of wind generation. The knowledge gained throughout this project will be applied to determine which energy storage system is ideally suited for implementation within the wind farm under study, as well as quantify the benefits of hybridization.

Caracterización de los sistemas de protección basados en materiales naturales destinados al control de la socavación en obras marítimas presentes en instalaciones eólicas marinas

El fenómeno de la socavación puede poner en peligro la operatividad o la seguridad de estructuras offshore comprometiendo su estabilidad global. Hasta el momento, la gran mayoría de las investigaciones destinadas a estudiar el origen y el desarrollo de este fenómeno han estado centradas en entornos fluviales, bajo condiciones de corriente continua. En la última década, debido al crecimiento del mercado de la eólica marina, han surgido numerosos estudios para la caracterización de este fenómeno en el entorno marino, teniendo en cuenta que estas estructuras se encuentran sometidas de forma simultánea a los efectos de la corriente y el oleaje, y las corrientes provocadas por las mareas. Ante la observada carencia de criterios existentes para el diseño de protecciones frente a la socavación, la presente Tesis Doctoral surge con el objetivo principal de desarrollar una serie de recomendaciones que permitan mejorar y optimizar el diseño de estas estructuras, teniendo en cuenta no sólo los parámetros geométricos de las cimentaciones de los aerogeneradores, o la propia erosión, sino también, variables características del oleaje como la altura de ola, el periodo o la longitud de onda, así como la profundidad o la batimétrica de la cimentación. La caracterización de los sistemas de protección basados en materiales naturales destinados al control de la socavación en obras marítimas presentes en instalaciones eólicas marinas no es el único objetivo alcanzado en la presente Tesis Doctoral. A través de la calibración del parámetro de altura de ola adimensional (H0) en diferentes parques eólicos europeos, y de acuerdo al criterio propuesto por Van der Meer (1988), se propone la clasificación de este tipo de estructuras de protección, basadas en material granular o escollera. La información recopilada sobre la socavación registrada en numerosos parques eólicos con protección también ha permitido estudiar la funcionalidad de este tipo de protecciones instaladas hasta la fecha. Asímismo, gracias al conocimiento adquirido sobre el fenómeno de la socavación, se plantea una propuesta para la mejora de la caracterización de este fenómeno en ambiente marino basada en el estudio de la influencia del campo de aceleraciones. La presente Tesis Doctoral permite mejorar el diseño de las protecciones frente a la socavación que se utilizan en parques eólicos marinos teniendo en cuenta las acciones del clima marítimo, supliendo de este modo las carencias que hasta el momento presentan las formulaciones existentes, las cuales únicamente toman en consideración la geometría de las cimentaciones, el ángulo de rozamiento interno del terreno y la estimación de la máxima socavación que puede llegar a producirse. Scour phenomenon jeopardizes the stability and functionality of offshore structures compromising its overall stability. So far, most studies about the origin and the development of this phenomenon have been focused on river environments (under steady current conditions). In the last decade a lot of research projects about the characterization of this phenomenon have been carried out due to the growth of offshore wind industry. These projects take into account that these structures are subjected simultaneously to current, waves and tidal effects. This PhD Thesis arises due to the current lack of criteria for the design of scour protections. Its main objective is to develop some recommendations to improve and to optimize the design of scour protection structures. For that it is necessary to take into account not only the geometrical parameters of foundations or the erosion forecasted, but also wave variables such as wave height, wave period or wavelength. Characterization of protection systems based on natural materials for the control of the scour in offshore wind farms was not the only goal achieved in this PhD Thesis. Through the calibration of the dimensionless wave height parameter (H0) in different European offshore wind farms, and according to the criteria proposed by Van der Meer (1988), a classification of these protection structures based on natural elements (rocks or riprap) has been proposed. Scour data registered in numerous offshore wind farms with scour protection systems also allowed to study the functionality of this type of protection installed up to now. Thanks to the knowledge acquired about the scour development, a proposal for the improvement of the characterization of this phenomenon in marine environment is proposed. This has been based on the study of the influence of the acceleration parameters. This PhD Thesis improves the design of scour protections used in offshore wind facilities taking into account maritime climate actions. To solve the current formulae deficiencies only considering the foundation geometry, the internal friction angle of the seabed and the maximum scour depth forecasted.

Parque eólico Cassino

La energía eólica, así como otras energías renovables, ha experimentado en la última década un gran auge que va extendiéndose alrededor de todo el mundo, cada vez más concienciado de la importancia de las energías renovables como una fuente alternativa de energía. Se han sumado al reto todos los países acogidos al Protocolo de Kyoto, que a fin de reducir emisiones están potenciando la energía eólica como la fuente de energía renovable hoy día más viable para la generación eléctrica. Brasil alcanzó en 2011 los 1.509 MW instalados, lo que representa el 50% de Latinoamérica, seguido por México con el 31%. Las características del sector eléctrico así como un marco legal favorable y el alto potencial eólico, hacen que la perspectiva de crecimiento en este tipo de energía sea muy favorable durante los próximos años, con estimaciones de unos 20.000 MW para 2020. El asentamiento del sector en el país de algunos de los fabricantes más importantes y los avances en cuanto a eficiencia de los aerogeneradores, mayor aprovechamiento de la energía de los vientos menos intensos, amplía las posibles ubicaciones de parques eólicos permitiendo una expansión grande del sector. El parque eólico objeto del proyecto está ubicado en el estado de Rio Grande do Sul, al sur del país, y está constituido por 33 aerogeneradores de 2,0 MW de potencia unitaria, lo que supone una potencia total instalada de 66 MW. La energía eléctrica generada en él será de 272,8 GWh/año. Esta energía se venderá mediante un contrato de compraventa de energía (PPA, Power Purchase Agreement) adjudicado por el gobierno Brasileño en sus sistemas de subasta de energía. En el proyecto se aborda primeramente la selección del emplazamiento del parque eólico a partir de datos de viento de la zona. Estos datos son estudiados para evaluar el potencial eólico y así poder optimizar la ubicación de las turbinas eólicas. Posteriormente se evalúan varios tipos de aerogeneradores para su implantación en el emplazamiento. La elección se realiza teniendo en cuenta las características técnicas de las máquinas y mediante un estudio de la productividad del parque con el aerogenerador correspondiente. Finalmente se opta por el aerogenerador G97-2.0 de GAMESA. La ejecución técnica del parque eólico se realiza de forma que se minimicen los impactos ambientales y de acuerdo a lo establecido en el Estudio de Impacto Ambiental realizado. Este proyecto requiere una inversión de 75,4 M€, financiada externamente en un 80 % y el 20 % con recursos propios del promotor. Del estudio económico-financiero se deduce que el proyecto diseñado es rentable económicamente y viable, tanto desde el punto de vista técnico como financiero. Abstract Wind energy, as well as other renewable energies, has experienced over the last decade a boom that is spreading around the world increasingly aware of the importance of renewable energy as an alternative energy source. All countries that ratified the Kyoto Protocol have joined the challenge promoting wind energy in order to reduce emissions as the more feasible renewable energy for power generation. In 2011 Brazil reached 1509 MW installed, 50% of Latin America, followed by Mexico with 31%. Electric sector characteristics as well as a favorable legal framework and the high wind potential, make the perspective of growth in this kind of energy very positive in the coming years, with estimates of about 20,000 MW by 2020. Some leading manufacturers have settled in the country and improvements in wind turbines efficiency with less intense winds, make higher the number of possible locations for wind farms allowing a major expansion of the sector. The planned wind farm is located in the state of Rio Grande do Sul, in the south of the Brazil, and is made up of 33 wind turbines of 2,0 MW each, representing a total capacity of 66 MW. The electricity generated, 272,8 GWh/year will be sold through a power purchase agreement (PPA) awarded by the Brazilian government in its energy auction systems. The project deals with the site selection of the wind farm from wind data in the area. These data are studied to evaluate the wind potential and thus optimize the location of wind turbines. Then several types of turbines are evaluated for implementation at the site. The choice is made taking into account the technical characteristics of the machines and a study of the productivity of the park with the corresponding turbine. Finally selected wind turbine is Gamesa G97-2.0. The technical implementation of the wind farm is done to minimize environmental impacts as established in the Environmental Impact Study. This project requires an investment of 75,4 M€, financed externally by 80% and 20% with equity from the promoter. The economic-financial study shows that the project is economically viable, both technically and financially.