Utvärdering av dataprogram för vindresursberäkningar : En jämförelse av vindresursberäkningar i kuperad skogsterräng med programmet WAsP (linjär modellering) och CFD-programmet WindSim

Sammanfattning: Vindkraft för generering av el har under de senaste åren vuxit kraftigt i Sverige och utbyggnaden väntas fortsätta. Ett viktigt steg när nya vindkraftsparker skall byggas är att göra en vindanalys för det aktuella området. Vindanalysen är ett viktigt underlag för att avgöra om en investering i vindkraftverk kommer vara ekonomiskt lönsamt på den aktuella platsen.      Som underlag till vindanalysen sätts vanligen mätutrustning upp i området och vindförhållandena på platsen mäts upp. Att installera och underhålla mätmaster är kostsamt och därför mäts vindarna på ett begränsat antal platser i det intressanta området. Sedan används olika beräkningsprogram för att extrapolera de uppmätta vindresurserna till positioner där mätningar saknas. För närvarande används programmet WAsP som standard av många vindkraftsprojektörer. WAsP:s beräkningsmodell är relativt enkel och tar till exempel inte hänsyn till turbulens som uppkommer då terrängen är kuperad. Som ett alternativ till WAsP har olika CFD-program introducerats på marknaden under senare år. Dessa programs modeller är mer avancerade och de kräver därför längre beräkningstid jämfört med WAsP, men förhoppningen är att de skall ge mer tillförlitliga modelleringsresultat. I denna studie har vindmodelleringar i det linjära modelleringsprogrammet WAsP jämförts med modelleringar i CFD-programmet WindSim. Syftet har varit att undersöka om WAsP ger tillförlitliga modelleringsresultat i svenskt kuperat skogslandskap och om WindSims CFD-beräkningar kan ge en ökad noggrannhet i jämförelse. Prestandan hos respektive program har utvärderats genom att jämföra extrapolerade medelvindar med faktiska mätningar. Vindmätningar har funnits att tillgå från en period av 12 månader från två mätmaster med givare på 60, 80 och 100 meters höjd. Avståndet mellan masterna är cirka 10 kilometer.            Resultaten från studien tyder på att WindSim kan ge en något ökad noggrannhet jämfört med WAsP, men resultaten visar samtidigt att en CFD-modellering inte med automatik ger mer tillförlitliga modelleringsresultat. Studien har visat att resultatet från WindSim är starkt beroende av hur modellen sätts upp och det kan därför vara enklare att göra fel i WindSim jämfört med WAsP. Det blev också tydligt att en modell där den simulerad vindskjuvning (variation av vindhastigheten i höjdled) stämde bra överens med den uppmätta inte behöver betyda att WindSim-modellen gör bra extrapolationer av vindförhållandena från den ena masten till den andra. Vidare visade sig WAsP missbedöma effekter från topografin något och om vindmätningar görs på utmärkande höjder är det sannolikt att WAsP överskattar vindförhållandena i de lågt belägna delarna av terrängen. I WindSim undersöktes två olika modelluppsättningar, en med WindSims skogsmodul där skogen simuleras som 3D objekt och en modell där skogen hanteras med på samma sätt som i WAsP med råhetslängd och nollplansförskjutning. När skogsmodulen användes var det inte möjligt att erhålla en modellerad vindskjuvning som stämde överens med den uppmätta i en neutral atmosfär, vilket är WindSims standardinställning för atmosfärsstabiliteten. I en neutral atmosfär med skogsmodulen överskattades vindhastigheten på låga höjder. Om atmosfären simulerades som stabil i medeltal var det möjligt att få den simulerad vindskjuvning att stämma överens med den uppmätta, men extrapolationerna i horisontalled blev inte bra med denna modell. Om atmosfären skall simuleras som stabil i WindSim tyder resultaten från studien på att vindmätningarna måste delas in efter rådande atmosfärstabilitet för den aktuella tidpunkten för mätningen. Det fungerade inte tillfredställande att använda alla vindmätningar i samma modell och försöka hitta ett passande medelvärde för stabiliteten.  Om vindmätningarna skall delas upp efter rådande stabilitet kommer varje stabilitet kräva en egen modellering vilket betyder att beräkningstiden kommer öka markant. Att simulera skogen i WindSim med en råhetslängd och en nollplansförskjutning visade sig fungera bra. En modellerad vindskjuvning som stämde bra överens med den uppmätta kunde erhållas i en neutral atmosfär och denna modell presterade sammantaget bäst av alla undersökta modeller i den här studien. Det studerade området består övervägande av skog och vindmätningarna som använts är utförda inom skogsområdet. WindSim skogsmodul kan tänkas vara mer användbar och viktig om skog förekommer i begränsade partier och då tänkta vindturbiner inte placeras direkt inom skogsområdet. En förhoppning på CFD-program är att vindmätningar utförda på låg höjd skall kunna användas för att förutse vinden på högre höjder med större noggrannhet jämfört med WAsP. Resultat från den här studien visar dock att det kan vara svårt att uppnå en bra modellerad vindskjuvning i WindSim. Även i WindSim är således viktigt att ha vindmätningar från flera olika höjder för att kunna verifiera modellen mot innan programmet kan förväntas förutse vinden på högre höjder korrekt.    Sammanfattningsvis förefaller en bra inställd WindSim-modell kunna ge en något ökad noggrannhet av extrapolerade vindförhållanden jämfört med WAsP, men om extrapolationer skall göras mellan liknade områden i terrängen, till exempel från en kulle till en annan kulle, är det tveksamt om den lilla ökade noggrannheten ger skäl för den ökade beräkningstiden i WindSim.