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A Numerical Study of the Effects of Wind Direction on Turbine Wakes and Power Losses in a Large Wind Farm

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Wind-turbine aerodynamics

The primary application of wind turbines is to generate energy using the wind. Hence, the aerodynamics is a very important aspect of wind turbines. Like most machines, wind turbines come in many different types, all of them based on different energy extraction concepts. Though the details of the aerodynamics depend very much on the topology, some fundamental concepts apply to all turbines. Every topology has a maximum power for a given flow, and some topologies are better than others.

Wind gradient

In common usage, wind gradient, more specifically wind speed gradient or wind velocity gradient, or alternatively shear wind, is the vertical component of the gradient of the mean horizontal wind speed in the lower atmosphere. It is the rate of increase of wind strength with unit increase in height above ground level. In metric units, it is often measured in units of meters per second of speed, per kilometer of height (m/s/km), which reduces to the standard unit of shear rate, inverse seconds (s−1).

Éolienne

Une éolienne est un dispositif qui transforme l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique, dite énergie éolienne, laquelle est ensuite le plus souvent transformée en énergie électrique. Les éoliennes produisant de l'électricité sont appelées « aérogénérateurs », tandis que les éoliennes qui pompent directement de l'eau sont parfois dénommées « éoliennes de pompage » ou « pompes à vent ». Une forme ancienne d'éolienne est le moulin à vent.

Vent dominant

right|thumb|400px|Carte mondiale des vents dominants à la surface terrestre. au nord du tropique du Cancer et au sud du tropique du Capricorne. Vents d'est (les alizés) sous les tropiques : dans l'hémisphère nord, dans l'hémisphère sud. vignette|redresse=1.3|Carte météorologique animée de l'Atlantique Nord. L'anticyclone des Açores (A) et la dépression d'Islande régissent les climats de l'Europe. En été, l'anticyclone étire une crête barométrique jusqu'à la Cornouaille, donnant des vents d'ouest.

Cisaillement (météorologie)

vignette|upright=1.5|alt=Ciel bleu comportant quelques nuages épars|Nuages de type cirrus avec des signes de vents cisaillants en haute altitude Le cisaillement du vent est une différence de la vitesse ou de la direction du vent entre deux points suffisamment proches dans l'atmosphère. Selon que les deux points de référence sont à des altitudes différentes ou à des coordonnées géographiques différentes, le cisaillement est dit vertical ou horizontal.

Parc éolien

thumb|Parc éolien de Neuenkirchen (Allemagne). thumb|Parc éolien de Tauern (Autriche). Une centrale éolienne, parc éolien, ou ferme éolienne, est un site regroupant plusieurs éoliennes produisant de l'électricité. Il se trouve dans un lieu où le vent est fort et/ou régulier. vignette|centre|Parc de Guazhou (Chine).|upright=3 La ferme éolienne de Gansu, province du Gansu, en Chine, est le plus important parc du monde avec de puissance en novembre 2010.

Vertical-axis wind turbine

A vertical-axis wind turbine (VAWT) is a type of wind turbine where the main rotor shaft is set transverse to the wind while the main components are located at the base of the turbine. This arrangement allows the generator and gearbox to be located close to the ground, facilitating service and repair. VAWTs do not need to be pointed into the wind, which removes the need for wind-sensing and orientation mechanisms. Major drawbacks for the early designs (Savonius, Darrieus and giromill) included the significant torque ripple during each revolution, and the large bending moments on the blades.

Vent

Le vent est le mouvement d'une partie du gaz constituant une atmosphère planétaire située à la surface d'une planète. Les vents sont globalement provoqués par un réchauffement inégalement réparti à la surface de la planète provenant du rayonnement stellaire (énergie solaire) et par la rotation de la planète. Sur Terre, ce déplacement est essentiel à l'explication de tous les phénomènes météorologiques. Le vent est mécaniquement décrit par les lois de la dynamique des fluides, comme les courants marins.

Wind speed

In meteorology, wind speed, or wind flow speed, is a fundamental atmospheric quantity caused by air moving from high to low pressure, usually due to changes in temperature. Wind speed is now commonly measured with an anemometer. Wind speed affects weather forecasting, aviation and maritime operations, construction projects, growth and metabolism rate of many plant species, and has countless other implications. Wind direction is usually almost parallel to isobars (and not perpendicular, as one might expect), due to Earth's rotation.

Wind direction

Wind direction is generally reported by the direction from which the wind originates. For example, a north or northerly wind blows from the north to the south; the exceptions are onshore winds (blowing onto the shore from the water) and offshore winds (blowing off the shore to the water). Wind direction is usually reported in cardinal (or compass) direction, or in degrees. Consequently, a wind blowing from the north has a wind direction referred to as 0° (360°); a wind blowing from the east has a wind direction referred to as 90°, etc.