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문제 정의
- 본 연구는 제주도 해상 및 연안지역에 풍력발전 입지를 검토하기 위하여 실행되었으며, 기상청에서 관측한 풍향과 풍속 데이터를 이용하여 풍력에너지밀도와 에너지 발전량을 산출하였다.
- 각 관측 지점에 있어서의 풍향, 풍속의 출현 특성을 정리하여 출현분포도와 바람장미도를 작성하였다. 풍력발전 입지로서의 관측 데이터 정리를 실시해, 관측 지점마다 풍력에너지 밀도의 산정과 풍력발전기의 전기발전량을 산정하여 그 지역의 풍력발전에 대해서 가능성을 검토하였다. 연안이 육상보다 대체적으로 높은 값을 보였으며, 우도, 지귀도, 가파도, 마라도, 모슬포, 고산, 추자도와 같이 개발 가능성이 높은 지역을 선정할 수 있었다.
제안 방법
- 각 관측 지점에 있어서의 풍향, 풍속의 출현 특성을 정리하여 출현분포도와 바람장미도를 작성하였다. 풍력발전 입지로서의 관측 데이터 정리를 실시해, 관측 지점마다 풍력에너지 밀도의 산정과 풍력발전기의 전기발전량을 산정하여 그 지역의 풍력발전에 대해서 가능성을 검토하였다.
- 계절별 전기발전량은 (4)식에 fi 값을 계절별로 나누어 해당 계절에 속해 있는 풍속만을 대입하였고, 계절별로 봄(92일) 2,208시간, 여름(92일) 2,208시간, 가을(91일) 2,184시간, 겨울(90일) 2,160시간을 대입하여 산출하였다. Fig.
- Table 4에서는 관측된 풍속데이터인 Table 1의 자료를 이용하여 얻어진 결과를 나타내었으며, 여기서 A와 k는 각각 웨이블 분포의 척도계수와 형상계수이다. 관측풍속을 10 m와 80 m로 환산하였으며, 이 환산풍속을 이용하여 평균풍속, 에너지밀고도, 연간 전기발전량을 산출하였다. 또 계절별 전기발전량을 산출하여 Fig.
- 는 풍속 계급 i의 발생률이다. 산정 방법은 관측 풍속을 지수 법칙에 의해 보정한 데이터의 풍속을 1 m/s 마다 분류하고 이 값을 이용하여 계산하였다.
- 여기서 연간 발전 전력량과 매전 단가를 이용하면 매전 금액을 구할 수 있지만 상업용, 가정용, 누진세 등으로 인해 그 기준을 잡기에 어려움이 따르므로 간략한 계산을 이용하여 연간 발전량의 값을 계산하고자 한다. 4인기준 가정의 한 달 전기사용량을 300 Kw로 가정하고, 연간 발전량이 가장 높은 마라도를 기준으로 한다면 다음과 같이 계산 할 수 있다.
대상 데이터
- 특히 지귀도에는 등표, 마라도에는 부이가 설치되어 관측이 실시되고 있다. 관측 높이의 범위는 12 m에서 71 m까지이며, Fig. 1에는 관측 대상 지점을 나타내었다.
- 4는 WinDS3000의 출력곡선이며 X축은 풍속을, Y축은 풍속에 대한 전기발전량을 나타낸다. 발전량 산정에 앞서, 적용 모델은 최근 두산중공업에서 Park 등(2009)에 의해 개발되어진 WinDS3000기종을 채택하였고, 이에 대한 개략적인 설명은 다음과 같다.
- 제주기상청이 2000년부터 2009년까지 10년 동안 1시간 단위로 관측한 풍향, 풍속데이터를 이용하여 연구하였으며, Table 1에는 2000년부터 2009년까지 연도별 데이터 관측률을 나타내고 있다. 대부분의 지역에서는 10년에 걸쳐 관측이 되었으나, 마라도 2001년, 지귀도 2005년, 가파도 2002년 그리고 중문은 2002년부터 관측을 시작하였으므로 해당 기간을 공란으로 나타내었다.
- 제주도 내에 연안지역의 자료만을 가지고 연구를 실시하였으며, 지귀도, 마라도, 가파도, 추자도, 우도와 같이 제주도 주변의 섬지역내에 관측지점과 고산, 모슬포, 구좌, 중문, 서귀포, 제주, 성산, 남원, 한림과 같이 제주도내에서도 해안지역과 밀접하게 위치한 관측지점들을 대상으로 하였다. 특히 지귀도에는 등표, 마라도에는 부이가 설치되어 관측이 실시되고 있다.
- 5~10 m정도의 장애물이 산재해 있는 지역, D지역은 장애물이 거의 없는 해안, 초원 또는 비행장과 같은 지역이다(대한건축학회, 2009). 풍속의 보정은 일반적으로 풍력발전의 적격지를 판별하는 기준인 지상으로부터 10 m(http://www.awea.org/faq/basicwr.html)와 연구과정에서 발전량산출에 이용된 WinDS3000(Park 등, 2009)의 허브높이인 80 m로 실시했다.
성능/효과
- 대부분의 지역에서는 10년에 걸쳐 관측이 되었으나, 마라도 2001년, 지귀도 2005년, 가파도 2002년 그리고 중문은 2002년부터 관측을 시작하였으므로 해당 기간을 공란으로 나타내었다. 관측률이 100%인 제주, 성산, 서귀포, 고산의 관측지점의 풍향, 풍속은 87,671개의 데이터가 관측 되었으며, 그 외 관측지점들 역시 99%가 넘는 관측률을 보였으나, 자연환경 또는 장비의 관리가 비교적 어려운 지귀도, 마라도, 우도, 가파도 같이 섬지역의 경우 관측률이 99%에 미치지 못하는 것을 확인 할 수 있었다. 지귀도, 가파도, 중문, 마라도와 같이 다른 지역보다 관측이 늦게 시작된 지점에 대해서는 Table 1에서 기록한 해당연도에 대한 데이터만을 가지고 연구하였다.
- 5는 계절별 전기발생률을 나타냈다. 그 결과 성산, 지귀도, 서귀포를 제외한 모든 관측지점의 겨울철 전기발전량은 연간 전기발전량의 35%이상의 값을 보였다. 모든 관측지점의 여름철 전기발전량은 평균 15%로 사계절 중 가장 낮은 값을 보였고, 특히 고산 12%, 우도 11%로 지상고 10 m에서 풍력에너지밀도가 100 W/m2이상인 관측지점 중에서 가장 낮은 값을 보였다.
- 바람장미도 또한 풍속분포와 마찬가지로 각 관측지점별로 다양한 형태의 풍향분포를 확일 할 수 있다. 그 결과, 제주, 구좌, 우도, 지귀도, 서귀포, 한림의 경우, 방위 최대 분포율이 15%미만으로 대체적으로 고른 풍향분포를 보였다. 성산, 중문, 마라도, 모슬포, 고산, 추자도의 풍향분포는 대체적으로 북동풍과 북서풍사이의 풍향분포를 보였지만, 마라도는 동풍, 고산은 남남동풍, 추자도는 동남동풍의 분포 또한 확인 할 수 있다.
- 특히 제주, 성산, 남원, 서귀포, 중문, 한림지역의 연중평균풍속이 4 m/s이하로, 이는 0~4 m/s사이의 풍속분포가 높은 것을 의미하며, 반대로 고산, 마라도의 연중평균풍속은 7 m/s~8 m/s사이의 값으로 관측지점 중 가장 높은 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 계절별로 관측된 모든 지점은 계절풍의 영향에 따라 겨울철의 풍속이 여름철보다 더 강한 것을 확인 할 수 있다.
- 그 결과 성산, 지귀도, 서귀포를 제외한 모든 관측지점의 겨울철 전기발전량은 연간 전기발전량의 35%이상의 값을 보였다. 모든 관측지점의 여름철 전기발전량은 평균 15%로 사계절 중 가장 낮은 값을 보였고, 특히 고산 12%, 우도 11%로 지상고 10 m에서 풍력에너지밀도가 100 W/m2이상인 관측지점 중에서 가장 낮은 값을 보였다.
- 그 결과, 제주, 구좌, 우도, 지귀도, 서귀포, 한림의 경우, 방위 최대 분포율이 15%미만으로 대체적으로 고른 풍향분포를 보였다. 성산, 중문, 마라도, 모슬포, 고산, 추자도의 풍향분포는 대체적으로 북동풍과 북서풍사이의 풍향분포를 보였지만, 마라도는 동풍, 고산은 남남동풍, 추자도는 동남동풍의 분포 또한 확인 할 수 있다. 남원의 경우 풍향분포가 대체적으로 북풍에 집중되어 있으며, 가파도는 북북서풍과 동풍의 풍향분포가 높은 것을 알 수 있다.
- 에너지 취득률에 관해서 본다면, 대부분의 관측지역이 30%이상의 값을 보였지만, 풍력에너지밀도 값이 비교적 높은 값을 보였던 지귀도, 마라도, 고산의 경우 에너지취득률이 30%이하의 낮은 값을 보였다. 이는 Fig.
- 이러한 결과를 통해 여름철에는 비교적 전기 취득률이 낮은 것을 알 수 있다. 여기서 연간발전량이 높은 우도, 지귀도, 가파도, 마라도, 고산의 관측지점 만을 본다면, 비교적 계절별 전기발생률 편차가 적은 지귀도와 마라도 지역에 높은 풍력에너지개발 가능성을 확인 할 수 있었다.
- 풍력발전 입지로서의 관측 데이터 정리를 실시해, 관측 지점마다 풍력에너지 밀도의 산정과 풍력발전기의 전기발전량을 산정하여 그 지역의 풍력발전에 대해서 가능성을 검토하였다. 연안이 육상보다 대체적으로 높은 값을 보였으며, 우도, 지귀도, 가파도, 마라도, 모슬포, 고산, 추자도와 같이 개발 가능성이 높은 지역을 선정할 수 있었다.
- 전기발전량을 계절별로 산출하여 백분율로 나타내었고, 서귀포를 제외한 모든 관측지점의 여름철 전기발생률이 모두 20% 미만으로 나타났다. 이러한 결과를 통해 여름철에는 비교적 전기 취득률이 낮은 것을 알 수 있다.
- 39 m/s로 각 관측지점별로 많은 차이를 보였다. 특히 제주, 성산, 남원, 서귀포, 중문, 한림지역의 연중평균풍속이 4 m/s이하로, 이는 0~4 m/s사이의 풍속분포가 높은 것을 의미하며, 반대로 고산, 마라도의 연중평균풍속은 7 m/s~8 m/s사이의 값으로 관측지점 중 가장 높은 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 계절별로 관측된 모든 지점은 계절풍의 영향에 따라 겨울철의 풍속이 여름철보다 더 강한 것을 확인 할 수 있다.
- 풍력발전 사업의 건설비용은 지역의 입지조건에 의해 크게 차이를 보이므로 구체적인 풍력단지개발의 언급은 힘들지만, 해상 및 연안지역의 관측지점에서 전기발전량은 육상지역에 비해 비교적 높은 값을 확인되었으며, 이는 연안이 육상과 비교하여 풍부한 풍력자원과 대규모 풍력단지 건설에 유용한 장점을 가지고 있는 것으로 생각된다.
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