The aim of this licentiate thesis is to investigate wind-turbines placed in a complex-terrain environment. This is done by studying the flow around small-scale wind-turbine models placed over a landscape model with hills, and by comparing the results with corresponding data obtained over a flat terrain model. The studied flow features include the wind-turbine wake development and the turbine performance under different conditions, the effects from wake interactions, the influence of the ambient turbulence levels and the influence from a complex topography. Wind-tunnel measurements have been performed using particle image velocimetry and hot-wire anemometry to measure the velocity field. Additionally, numerical simulations, based on RANS modelling and actuator-disc techniques, have been made to support the experimental data and to gain further knowledge about the investigated flow cases. The results reveal that the hills promote a downward wake deflection behind the turbines and enhance the wind-turbine wake diffusion. As a consequence of this, and with the flow acceleration introduced by the hills, an improved power performance is seen for turbines exposed to wake-interference effects. A correlation is observed between the turbulence levels present in the flow, and the magnitude to which the hill-induced flow gradients influence the wake: Stronger wake deflections due to the hills are seen when the wind-turbine wake is more diffused. This is for instance the case when the wake of two tandem turbines is studied, or when higher ambient turbulence levels are present in the wind tunnel. A good qualitative agreement is seen when comparing the experimental and numerical results. The simulation results further indicate that the hills give rise to modulations of the wind-turbine wake. It is shown that these modulations can be reasonably captured by means of wake-superposition techniques, given that a wake model with sufficient accuracy is chosen. / Syftet med denna licentiatavhandling är att öka förståelsen om hur vindturbiner påverkas av en omgivande komplex terräng. Huvudsakligen betraktas luftströmningen kring småskaliga vindturbinsmodeller som placerats över en landskapsmodell med kullar. I tillägg görs jämförelser med resultat som erhållits då vindtubinerna placerats över en platt landskapsmodell. De studerade strömningsaspekterna inkluderar vindturbinernas vakutveckling och prestanda under olika förhållanden, inverkan från vakinteraktioner, inflytande från omgivande turbulensnivåer och inverkan från en komplex topografi. Vindtunnelmätningar har utf ̈orts där PIV och varmtrådsanemometri användes för att uppmäta hastighetsfält. I tillägg har numeriska simuleringar utförts baserade på RANS-modellering, där turbinens rotor beskrevs av en porös skiva. Simuleringarna gjordes som komplement till de experimentella mätresultaten för att få en ökad förståelse om de undersökta strömningsfallen. Resultaten från mätningarna och simuleringarna med kullar visar att terrängvariationerna främjar en nedåtgående vakförskjutning bakom turbinerna och ökar vindturbinernas vakdiffusion. Detta, i kombination med luftens acceleration över kullarna, resulterar i att en högre effektprestanda utvinns från en vindturbin vars inströmmande luftflöde störs av vaken från en framförliggande turbin. Vidare observeras kraftigare nedågående vakförskjutningar på grund av det kullriga landskapet då vindturbinsvakarna är mer diffunderade. Detta är exempelvis fallet då vaken bakom två turbiner placerade i en tandemkonfiguration studeras, eller när höga omgivande turbulensnivåer uppmäts i vindtunneln. En bra kvalitativ överensstämmelse kan ses mellan de experimentella och numeriska resultat som uppnås. Resultaten från simuleringarna indikerar dessutom att landskapet med kullar ger upphov till moduleringar av vindturbinens vak. Det visas att dessa moduleringar kan beskrivas någorlunda väl med hjälp av vaksuperpositionsmetoder, givet att en vakmodell med tillräckligt hög noggrannhet väljs. / <p>QC 20180122</p>

This thesis validates SIMLOX as a simulation tool for wind energy operation and maintenance (O&amp;M). SIMLOX have been used for modeling O&amp;M in other sectors since 2002 but have recently begun to be used for simulating wind energy. This study validates SIMLOX for the newly introduced sector by creating a model of an existing offshore wind farm. The model used real historical data as input and the output was compared to real system response quantities (SRQs). Example of SRQs which were compared was time based availability, energy based availability, energy production, weather days, and item replacements. The study showed that SIMLOX is very well suited for this type of studies. It also showed that the major difficulty lies in obtaining proper input data. All models simulated the exact right number of major item replacements. The time based availability was considered to be the most important SRQ. The time based availability turned out to be between 0.11 - 0.66 percentage points too high compared to reference data. This most certainly depended on an overestimated work schedule for the technicians. Validation is the process of determining the degree to which a model is an accurate representation of the real world from the perspective of the intended uses of the model. This report presents all necessary knowledge to validate SIMLOX as a tool for wind energy simulations but it is thus up to the user to decide whether or not the output is accurate enough for their intended use.

Securing rare earth elements (REE) for a stable supply require sustainable management strategies in Europe due to a missing local primary production and a dependence on China as the main producer of REE. These elements, like neodymium (Nd) and dysprosium (Dy), are contained in permanent magnets (PM) (mostly NdFeB-magnets) in wind turbines. Addressing the question whether PM-material, Nd- and Dy-contents from wind turbines could help to meet future demands of REE in Europe while reducing simultaneously the import dependence, the purpose of the present work was to analyze the urban mining opportunities, recovery - and recycling potentials for REE from end-of-life (EoL) wind turbines. This thesis aimed to identify current and upcoming stocks as well as material flows of the PM and their containing REE in the wind energy sector. Two European countries, Germany and Denmark, were chosen as case studies to be compared based on created future scenarios and the modeling of the theoretical recycling potential of Nd and Dy in both countries. It could have been identified that the German anthropogenic stock contains greater amounts of NdFeB-magnets and REE compared to the Danish stock. Overall it could be concluded that the countries’ demand could partly be met by using secondary Nd and Dy from the EoL-wind turbines. Although future scenarios were used, the results realistically illustrate the German and Danish anthropogenic stock until 2035 by relying on data of already installed turbines up to 2018, which makes an evaluation of capacities and EoL-turbines, which need to be decommissioned by 2035, achievable. The provided information is valuable for further investigations regarding recovery strategies, feasibility analysis, and future decision-making processes. / För att säkra tillgången på jordartsmetaller (REE) i Europa krävs hållbara beslutsstrategier. Detta på grund av avsaknaden av en inhemsk primärproduktion samt ett beroende av Kina som en huvudprodu-cent av REE. Jordartsmetaller som neodymium (Nd) och dysprosium (Dy), finns kvar i permanenta magneter (PM) (mestadels NdFeB-magneter) i vindturbiner. För att ta itu med frågan om huruvida Nd- och Dy-innehållet i PM-material, från vindturbiner skulle kunna bidra till att uppfylla framtida efter-frågan på REE i Europa samtidigt som importberoendet skulle minskas, var syftet med detta arbete att analysera möjligheterna till urban utvininng, återvinning och materialutnyttjande av REE från vindtur-biner i uttjänt tillstånd (EoL).Syftet med denna uppsats var att identifiera nuvarande och kommande tillgångar samt materialflöden av PM och därav följande REE inom vindkraftsektorn. Två europeiska länder, Tyskland och Danmark, valdes ut som fallstudier och jämfördes i framtida scenarier och mo-dellering av Nd -och Dy teoretiska återvinningspotential i båda länderna. Det kunde konstaterats att det tyska antropogena beståndet innehåller större mängder NdFeB-magneter och REE än det danska beståndet. Sammanfattningsvis kan man dra slutsatsen att ländernas efterfrågan delvis kunde tillgodo-ses genom att man använde sekundär Nd och Dy från EoL-vindturbiner. Även om framtida scenarier användes illustreras resultatet på ett realistiskt sätt det det antropogena lagret i Tyskland och Danmark fram till 2035 genom att man förlitar sig på uppgifter om redan installerade turbiner fram till 2018, vilket gör det möjligt att göra en utvärdering av kapaciteten och antal EoL-turbiner, som måste av-vecklas senast 2035. Informationen är värdefull för ytterligare utredningar om återvinningsstrategier, genomförbarhetsanalys och framtida beslutsprocesser.