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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 미국 NASA에서 운영하고 있는 QuikSCAT 인공위성의 2000년부터 2008년까지 최근 9년간의 장기간 해상 풍황 관측 자료를 분석하기로 한다. 이 결과로부터 해상 평균 풍속 분포, 풍력에너지밀도 분포, 연간 평균풍속의 변동 등을 분석한다.
- 이 결과로부터 해상 평균 풍속 분포, 풍력에너지밀도 분포, 연간 평균풍속의 변동 등을 분석한다. 또한 한반도 주변 4개 특정 지점에 대한 풍력에너지밀도 분석 결과를 이용하여 바람장미를 나타내어 주풍향 방향을 결정하고 이로부터 단지 설계 시에 풍력터빈 어레이의 방향 결정에 참고할 수 있는 자료 확보를 목표로 한다.
제안 방법
- 2008년도 결과 값 중 position 1 에서의 데이터 일부를 예시하면 Table 4와 같다. 데이터는 풍속의 스칼라 값과 속도 벡터 u, v, 풍향, 강수 확률을 나타내며, 1년 동안 하루 단위로 순차적으로 출력된다.
- 또한 현재 해상 풍력발전단지로 관심이 고조되는 전남북 경계 인근 해상과 바람이 비교적 세다고 인식되고 있는 제주도 동부, 울산 남동부, 그리고 울릉도 동부를 나타내는 한반도 주변 4개의 특정 지점에 대하여 (Table 3) 연도별, 월별 풍속을 분석 하였고, 12방위(30° 간격)의 바람장미를 산출하여 풍향빈도를 분석하였다.
- 따라서 본 연구에서는 미국 NASA에서 운영하고 있는 QuikSCAT 인공위성의 2000년부터 2008년까지 최근 9년간의 장기간 해상 풍황 관측 자료를 분석하기로 한다. 이 결과로부터 해상 평균 풍속 분포, 풍력에너지밀도 분포, 연간 평균풍속의 변동 등을 분석한다. 또한 한반도 주변 4개 특정 지점에 대한 풍력에너지밀도 분석 결과를 이용하여 바람장미를 나타내어 주풍향 방향을 결정하고 이로부터 단지 설계 시에 풍력터빈 어레이의 방향 결정에 참고할 수 있는 자료 확보를 목표로 한다.
- 875°영역이다. 이 구간에서 연도별 평균 풍속과 평균 풍력에너지밀도 분포를 분석하였다. 풍력에너지 밀도는 아래 식과 같이 풍속의 확률밀도함수의 적분식으로 나타낸다.
대상 데이터
- 데이터는 Hierarchical Data Format (HDF) 형식으로 되어 있으며, 본 연구에서는 위도, 경도에 따른 각 각의 날짜별 숫자 데이터를 뽑아 이것을 정리하였다. 2008년도 결과 값 중 position 1 에서의 데이터 일부를 예시하면 Table 4와 같다.
- 본 연구에서는 2000년에서 2008년 동안의 한반도 해역의 QuikSCAT 위성 관측 자료를 연도별로 분석하였다. QuikSCAT 위성의 2000년 초기의 자료를 이용한 선행 연구결과와 2000년부터 2008년까지의 데이터 분석 결과를 비교해 볼 때 풍속과 풍력 밀도의 변화는 약간 감소한 경향을 보이며 바람장미를 비교한 결과 다소간의 차이는 보이지만 전반적인 풍향 변동은 없는 것으로 나타났다.
이론/모형
- Position 1의 측정 자료로부터 그 지점 풍속의 풍속구간별 발생빈도에 대한 통계분석을 산출하기 위해 Weibull 함수를 사용하였다. Weibull 확률변수 값을 얻기 위한 방법으로 모멘트 법과 log-scale 법을 서로 비교하면 Fig.
- 이는 경제성 있는 단지의 위치를 정하는데 필요한 자료를 제공하기 때문이다. 과거 풍황 자료 분석 방법으로는 관측 방법으로 해상 기상 탑이나 부이를 통한 측정이 있고, 수치예측 방법으로는 mesoscale 기상예측 등을 사용하였다. 가장 좋은 자료는 관측자료라 할 수 있지만 공간 정밀 도를 가질 수 있는 충분한 관측위치를 확보 유지하기가 쉽지 않고, 계측기 보정 상태에 따라 자료의 신뢰성이 떨어질 수 있으며, 지역적인 영향이 크다는 문제점이 있다.
- 3MW급 해상풍력 발전기의 허브 높이는 80 m에 이르므로 관측위치 10 m에서 80 m 높이로 보정이 필요하다. 보정방법은 지수법칙[4]과 로그 법칙[5]이 있지만 해상 풍속 관측자료를 바탕으로 지수를 선정한 NASA TP-1359[6]를 참고하여 지수법칙을 이용하기로 한다.
성능/효과
- 1. 월별 평균 풍속을 분석한 결과 10월부터 3월까지의 평균 풍속이 특히 서해와 남해에서 다른 달보다 월등히 높은 결과를 보였다.
- 2. 제주도-울산남동부-울릉도를 연결하는 해역의 풍력에너지가 다른 해역보다 우수하며 평균 풍속이 다른 지역보다 대략 1.2 m/s 이상 높다.
- 연도별 평균 풍력 에너지 밀도는 각 연도마다 약간의 차이를 보여주고 있으나 제주도 동부와 울산 남동부, 그리고 울릉도 북동쪽의 풍력에너지 밀도가 우수한 경향을 보이는 것은 연도마다 서로 일치하였다. 2000년에서 2008년 동안의 평균풍력에너지밀도 분포를 분석한 그래프를 보면 대체적으로 제주도 동부의 풍력 자원이 가장 우수한 것을 보여주고 있다. 평균 최고 밀도는 835W/m2이며수심이 상대적으로 낮은 서해 position 1 지점의 평균 풍력에너지 밀도는 391 W/m2 이르며 풍력에너지 개발 잠재성이 충분하다고 판단된다.
- 3. 바람장미를 통해 풍향을 알아본 결과 서해에서는 북서풍이 지배적이며 동해지역은 북동풍과 남서풍이 지배적이다. 이는 한반도 주변의 바다와 육지 분포 형상에 지배받는 결과로 보인다.
- 4. 풍력에너지 밀도는 제주도 동쪽 인근 해상이 최대 835 W/m2 정도에 이르며 평균 풍속은 울산 남동 인근해역과 비슷하나 겨울철 풍속이 높아 풍력에너지 밀도가 더 크게 나타난다.
- 5. 해상 풍력 단지 조성을 위해 산개된 섬 지역을 피하고 경제성을 갖는 수심을 반영한다면 한반도 서남 해역과 옹진반도 서쪽 해역이 서해 부근에서는 상대적으로 높은 풍력에너지밀도를 보이기 때문에 대규모 단지 조성에는 유리하다고 본다. 그러나 제주도 동부 등과 비교하면 낮은 풍속인 점을 감안하여 저풍속용 고효율 블레이드 설계를 요구한다고 볼 수 있다.
- 6. 한반도 남서해안(position 1)에서의 풍력에너지밀도를 기반으로 한 주 풍향은 북북서풍이 40%이며 북풍이 28 %를 차지하는 것으로 나타났다. 이 정보를 기반으로 해상풍력단지 설계 시에 터빈 어레이의 방향 설정이 이루어져야 한다.
- 본 연구에서는 2000년에서 2008년 동안의 한반도 해역의 QuikSCAT 위성 관측 자료를 연도별로 분석하였다. QuikSCAT 위성의 2000년 초기의 자료를 이용한 선행 연구결과와 2000년부터 2008년까지의 데이터 분석 결과를 비교해 볼 때 풍속과 풍력 밀도의 변화는 약간 감소한 경향을 보이며 바람장미를 비교한 결과 다소간의 차이는 보이지만 전반적인 풍향 변동은 없는 것으로 나타났다. 특히 어청도 부근 (N35.
- 9에 나타내었다. 전체 에너지 밀도의 40 %를 차지 할 정도로 센 바람이 북북서쪽에서 불어오고 28 % 정도가 북쪽에서 바람이 불어오는 것을 보여준다. 따라서 서해 어청도 근방에서는 풍력 단지 설계 시 북풍과 북북서풍을 고려한 단지 위치 결정 및 터빈 어레이의 방향 설계가 이루어져야 한다.
- 6에서 월별 평균 풍속을 비교해 보면 한반도 해상에서 공통적으로 겨울철에 비교적 센바람이 불며 이러한 차이들이 풍력에너지 밀도에 영향을 준다는 것을 알 수 있다. 특히 제주도 동부와 (position 2) 울산 남동부 (position 3)는 연평균 풍속은 별로 차이가 없으나 제주도 동부에서는 겨울철 풍속이 울산 남동부보다 상대적으로 높아 풍력에너지 밀도는 더 큰 값을 갖게 됨을 파악 할 수 있다. 이렇게 여름과 겨울에 풍속차이가 나는 이유는 한반도 주변이 계절풍의 영향을 받기 때문이다.
- 2000년에서 2008년 동안의 평균풍력에너지밀도 분포를 분석한 그래프를 보면 대체적으로 제주도 동부의 풍력 자원이 가장 우수한 것을 보여주고 있다. 평균 최고 밀도는 835W/m2이며수심이 상대적으로 낮은 서해 position 1 지점의 평균 풍력에너지 밀도는 391 W/m2 이르며 풍력에너지 개발 잠재성이 충분하다고 판단된다. Table 5는 미국 풍력지도를 작성하면서 분류한 풍력 등급을 나타내고 있다[7].
후속연구
- 해상풍력발전은 육상풍력발전에 비해 강한 바람이 상시적으로 불어 이용률이 높고, 대형풍력 단지 조성에 유리한 장점이 있는 반면에, 파도나 염해 등을 고려하여 기기를 설계해야 하며, 해저에서의 토목 및 케이블 공사 설치비용과 유지보수 비용이 육상풍력발전기에 비해 비교적 높다는 단점이 있다. 현재 우리나라의 풍력발전기 기술은 선진 기술 수준은 아니지만 지속적인 연구 개발을 통해 제품양산 체계를 갖추고 있고, 세계적인 수준의 조선 기술이나 해상 구조물 기술 등을 결합한다면 향후 해상풍력발전기에 대한 충분한 경쟁력을 갖출 수 있을 것으로 보인다.
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