[논문]풍력 터빈에 의한 전자기 간섭 환경 문제의 수학적 모델링

장세명

doi:10.5322/jes.2009.18.8.911

풍력 터빈에 의한 전자기 간섭 환경 문제의 수학적 모델링
Mathematical Models of Environmental Problems on the Electromagnetic Interference for Wind Turbines 원문보기

한국환경과학회지 = Journal of the environmental sciences, v.18 no.8, 2009년, pp.911 - 918

Abstract ▼ AI-Helper

Electromagnetic interference (EMI) is defined as the interaction phenomena of electromagnetic waves scattered from a large structure or complex terrain. In this study, the propagation of linear wave is modeled with ray theory, direct simulation Monte Carlo (DSMC), and some classical theories on flat plates. The wave physics of reflection, refraction, and diffraction are simulated for the investigation of front and back scattering of the one-dimensional plane wave from a tower with ray theory and DSMC, respectively. The effect of rotating disk idealized from the real wind-turbine blades is modeled with a simplified version of the classical electromagnetic theory as well as DSMC based on the ray theory.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이러한 전자기 간섭 문제에 대해 기본 지배 방정식으로부터 수학적 모델링을 통하여선 이론을 직접 모사법 에 의해 구현하는 수치 모사 기법을 개발하였다. 기존의 고전 전자기 산란 이론을 이용하여 본 문제에 적용할 수 있도록 하였고, 타워와 회전하는 블레이드의 원반면에 의한 전자기산란에 대해 체계적으로 연구하였다.
본 연구에서는 이와 같은 배경으로부터 풍력 터빈 블레이드와 같은 거대 회전 구조물로부터 발생하는 전자기파 신호 저감에 대하여 파동공학의 관점에서 해석하고, 풍력 발전 시스템 혹은 단지가 통신 환경에 미치는 영향에 대해 탐구하는 기초 도구로서 활용하고자 한다. 선 이론(ray theory), 직접모사법 (DSMC, direct simulation Monte Carlo) 등과 같은 기초적 인 파동 이론과 Maxwell 방정식에 기초한파동 산란 이론에 이르기까지 여러 고전 이론들을 수학적 모델로 하여 전자기파의 감쇠량을 추정한다2

가설 설정

05氏 이라고 놓는다. 원반면에 충돌한 전자기파의 선은 약 70 %가 반사되고 나머지는 그대로 투과된다고 가정한다. 단, 반사 및 투과되는 확률은 모두 합해서 1이 되어야한다.
풍력 터빈의 타워는 지상의 기지국에 비해 고도가 상당히 높으므로 부분적으로 2차원으로 가정해도 무방하다. 따라서 Fig.

제안 방법

개발하였다. 기존의 고전 전자기 산란 이론을 이용하여 본 문제에 적용할 수 있도록 하였고, 타워와 회전하는 블레이드의 원반면에 의한 전자기산란에 대해 체계적으로 연구하였다.

이론/모형

반사의 경우 상호 원리 (reciprocal principle) 에 의해 등방질의 고체 표면에서 전자기파의 입사각과 반사각은 서로 일치해야 한다. 굴절의 경우에입사각과 굴절각은 Snell의 법칙을 따른다. 즉, Fermat의 원리에 의해 전자기파는 최단 시간 경로로전파된다.
이상을 정리하면 다음의 독립된 벡터 쌍곡형 편미분 방정식(hyperbolic PDE)을 얻는다.

성능/효과

그러나 고전 이론조차도 실측 데이터와 비교하여보면, 최대 5~10 破 정도의 오차는 통상적으로 존재한다, 따라서 본 연구에서 개발된 수학적 모델은비록 상당한 오차가 있으나 실용적으로 사용하는 데에 별다른 문제가 없는 것으로 보인다.
본 연구에서 개발된 방법들은 비교적 간단한 기하학적 형상들에 대해 그 신뢰성이 검증되었으며, 타워와 블레이드에 의한 전자기 산란을 모사할 수 있었다. 전자기파 회절에 대한 적절한 모델이 추가로 개발된다면 풍력 단지 설계 단계에서 다수의 풍력 발전기 또는 복잡 지형에 대해 실용적으로 이용 가능한 예측 기법을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.
7에 제시된 직접 모사법과 고전 이론에 의한 전자기파 산란은 정성적인 경향은 비슷하지만 정량적으로 정확히 일치하지는 못하는 것으로 나타났다. 직접 모사법에 의한 수치 계산이 전면 및 후면 산란 영역에서 이상 신호 산란 비를 과도하게 예측하는 것으로 나타났다. 이는 본 연구에서 사용한 수치 모델이 선의 소산(dissipation)을 반영하지 못했기 때문으로 해석된다.

후속연구

본 연구에서 수행하는 계산 방법은 한 개의 풍력 시스템 뿐 아니라 복수의 풍력 시스템의 배치에도 응용될 수 있다. Fig.
실제로 이러한 영역에서는 풍력 발전기를 설치하면 안 된다. 본 연구에서는 아직 주파수의 영향을 고려하지 않았으므로, 이에 대해서는 현재의 연구 범위를 벗어나기 때문에 후속 연구를 통하여 이를 체계적으로 규명해 나갈 예정이다.
전자기파 회절에 대한 적절한 모델이 추가로 개발된다면 풍력 단지 설계 단계에서 다수의 풍력 발전기 또는 복잡 지형에 대해 실용적으로 이용 가능한 예측 기법을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.
5 您 만큼이나 감쇠한다고 한다今 따라서 주파수가 클수록 전자기 간섭의 영향이 커진다. 현재 CDMA, PCS, IMT-2000 등의 이동국 및 기지국 주파수가 수 GHz에 이르는 점을 감안한다면, 고주파에 대한 신호 감쇠가 통신 품질에 영향을 미쳐서 새로운 종류의 환경 공해로 작용할 것으로 예상된다. 현재 사용되고 있는 무선 기기의 주파수는 Table 1.

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