wind energy potential at wind measurement sites in the tyrolean alps

177 Pages·2012·5.52 MB·English

W E P
IND NERGY OTENTIAL AT
W M S
IND EASUREMENT ITES
T A
IN THE YROLEAN LPS
A diploma thesis submitted to the
DEPARTMENT OF METEOROLOGY AND GEOPHYSICS,
UNIVERSITY OF INNSBRUCK
for the degree of
MASTER OF NATURAL SCIENCE
presented by
CAROLINE DRAXL
AUGUST 2004

Zusammenfassung
Im Rahmen desEU-Interreg IIIb Projektes”Alpine Windharvest”,welches zum Ziel hat,
alle Aspekte der Windenergienutzung in den verschiedenen Alpenregionen genauer zu
untersuchen, wurden Windmessstationen in den Tiroler Alpen bezu¨glich deren Winden-
ergiepotentialgenaueruntersucht.
Als erster Schritt wurden Daten von verschiedenen Betreibern der Windmessstationen
gesammeltundgrobnachKanalisierung,Ausgesetztseinhinsichtlicheinervorherrschen-
den Windrichtung und Fehlen von starker Bodenreibung untersucht. Alle diese
Daten wurden qualita¨tskontrolliert. Stationen, deren Median u¨ber 2 m/s lag, wurden
entsprechend evaluiert und spezifische Werte berechnet, um sie ver-gleichen zu ko¨nnen.
EswurdekeinefixeGrenzeangenommen,umdieStationeninrentableodernichtrentable
einzuteilen,sonderneineRichtlinie.
DieDatensa¨tzebesteheneinerseitsausdenDatender70ta¨gigenFeldphasedesMesoscale
Alpine Programme (MAP), bei der eine dichte Instrumentierung im Wipptal vorhanden
war, und andererseits aus den weniger dicht instrumentierten Regionen in den Tiroler
Alpen. La¨ngere Zeitreihenbiszu10 Jahrenwaren vondiesen vorhanden.
Einige Windmessstationen in den Tiroler Alpen ko¨nnen es mit Stationen im Flachland
von O¨sterreich und sogar Windparks in Da¨nemark aufnehmen. Die besten Stationen
habeneinWindenergiepotentialvon 2900bis1600kWh/(a ),wennman nurdie 59%
(cid:0)(cid:2)(cid:1)(cid:4)(cid:3)
derWindleistungberu¨cksichtigt,dievoneinemLuftstromdurcheineTurbinetheoretisch
herausgeholtwerdenko¨nnen(Betz’schesGesetz,Betz 1925).
Die windigsten Pla¨tze haben den Vorteil, dass sie in einer Kanalisierung liegen, wie der
Sattelberg, Sandjoch, Patscherkofel, Blaser, Hochgasser, Jaufenkamm, Scho¨ntaufspitze,
Rauhjoch, Elferspitze und der Palinkopf. Die besten Windenergiestationen sind der Sat-
telberg, das Sandjoch, der Blaser und die Elferspitze. Stationen an eher herausragenden
GipfelnoderoffenemGela¨ndezeigenniederereWindgeschwindigkeiten.
i
ii
Abstract
Within the scope of the EU-Interreg IIIb project ”Alpine Windharvest”,that aims to illu-
minate all aspects of wind energy in the European Alps, wind measurement sites in the
TyroleanAlpswereevaluatedconcerningtheir windenergy potential.
First, data were collected from differentoperators and roughly selected as to channeling,
exposure to dominant wind directions and near-absence of strong surface friction. All
these data were quality controlled. Those stations, where the median was above 2 m/s,
were analysed and specific values for a comparison computed. No fixed thresholds were
usedto classifysitesaspotentialornon-potential,buttheywereused asaguideline.
Thedata set consistedofdata ofthe 70 daySpecial ObservationPeriodof the Mesoscale
Alpine Program(MAP), wherestations were set up densely in the Wipp Valley. Thesec-
onddatasetconsistedofspatiallylessdenseroutinestationsintheTyroleanAlps. Longer
timeseriesupto nearly10yearswere availableofthese.
Some wind measurement sites in the Tyrolean Alps reach similar values as sites in the
flatlandofAustriaandevenoffshorewindparksinDenmark. Thebestevaluatedstations
have extractable wind energy potential of 2900 to 1600 kWh/(a ), considering only
(cid:0)(cid:1) (cid:3)
59% of the power in the wind that can theoretically be extracted from a flow through a
windturbine(Betz’law,Betz1925).
The windiest measurement sites benefit from gap flows, like the Sattelberg, Sandjoch,
Patscherkofel, Blaser, Hochgasser, Jaufenkamm, Scho¨ntaufspitze Rauhjoch, Elferspitze,
and the Palinkopf. The best potential wind energy sites are the Sattelberg, the Sandjoch,
the Blaser andthe Elferspitze. Sites at isolatedpeaksorin openterraindo not showsuch
highwindspeeds.
iii
iv
Contents
Zusammenfassung i
Abstract iii
Contents iv
1 GeneralIntroduction 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 An OverviewofWindEnergy 3
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 HistoricalandSocialeconomicBackground . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2.1 Current StatusWorldwide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2.2 Wind EnergyUsagein Europe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2.3 Focus onAustria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.4 EconomicalsofWindEnergy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 BasicPhysics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.1 Betz’ law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.2 Rated PowerandPowerofaWind Turbine . . . . . . . . . . . . 10
2.4 TechnicalAspects ofWindTurbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4.1 AerodynamicPrinciples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4.2 Build-up ofWind Turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4.3 Mode ofOperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4.4 Gusts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5 PracticalAspectsofWind Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.6 MeteorologicalAspectsofWind Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.6.1 Wind ShearandWindProfiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.6.2 SitingofWind Turbinesin MountainousTerrain . . . . . . . . . 17
2.6.3 Wind Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.6.4 Wind EnergyatColdClimateSites . . . . . . . . . . . . . . . . 22
v
vi CONTENTS
3 Data 29
3.1 DataCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.1 MAPData . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.2 DataofOperationalWindMeasurementSites . . . . . . . . . . . 30
3.2 ProcedureoftheEvaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3 QualityControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.2 TheQualityControl Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.3 Testofthe QualityControl Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.4 SummaryandConclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4 EvaluationMethods 49
4.1 CalculatedVariablesandPlots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2 Estimation of the Error of the Assessed Wind Energy Potential in Terms
oftheIncreaseofWindSpeed WithHeight . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.2 AnalysisofWindDataon a30 mWindMast . . . . . . . . . . . 52
5 EvaluationoftheWindMeasurement Sites 57
5.1 Wind Measurements Along an Orographic Channel - the Wipp Valley
During the Special ObservationPeriodof the MesoscaleAlpineProgram
(MAP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.1.2 TheWipp Valley . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.2 EvaluationofWindMeasurementsSites inthe Tyrol . . . . . . . . . . . 69
5.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2.2 Sandjoch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2.3 Patscherkofel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2.4 Jaufenkamm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2.5 Hochgasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2.6 Elferspitze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2.7 Scho¨ntaufspitze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2.8 Rauhjoch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.2.9 Palinkopf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2.10 Lengspitze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6 Discussionand Conclusion 83
6.1 TopographicalCharacteristicsoftheEvaluatedWindEnergy Sites . . . . 84
6.2 Differencein DiurnalWindSpeed Variation . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
CONTENTS vii
A Appendices 89
A.1 Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
A.2 Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
A.3 Picturesofthe PotentialWindEnergy Sites . . . . . . . . . . . . . . . . 145
A.4 Sectionofthe ProgramtoCompute RelevantValues(Matlab) . . . . . . . 151
Bibliography 161
Acknowledgments 165
CurriculumVitae 167