[논문]OpenWind를 이용한 풍력단지설계 사례연구 -영덕풍력단지

김현구; 황효정; 김주현; 고수희; 정우식

doi:10.5322/jes.2010.19.9.1169

OpenWind를 이용한 풍력단지설계 사례연구 -영덕풍력단지
Case Study of Wind Farm Design Using OpenWind - Youngdeok Wind Farm 원문보기

한국환경과학회지 = Journal of the environmental sciences, v.19 no.9, 2010년, pp.1169 - 1175

김현구 (한국에너지기술연구원 풍력발전연구센터) , 황효정 (우림텍 지리정보팀) , 김주현 (충남대학교 정보통계학과) , 고수희 (충남대학교 기계공학과) , 정우식 (인제대학교 대기환경정보공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A case study for the design of a wind farm in complex terrain was carried out using the wind farm site analysis software OpenWind, which has an open-source platform and is free to use. The Youngdeok Wind Farm, constructed on mountainous terrain in Korea, was chosen as a model site; the design process reproduced using OpenWind. A comparison of the positions of the wind turbine derived from the OpenWind optimization process and the current positions were in good agreement. The annual energy production predicted by OpenWind compared with the prediction by the micrositing software, WindSim, were also validated to within 1%. Therefore, it was confirmed that OpenWind can be used for a practical wind farm design project. It is also anticipating that this paper will provide a prototype process for the design of a wind farm site and offer a database for the post-evaluation of a constructed wind farm in Korea.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 절에서는 OpenWind의 풍력발전량 예측 정확도를 검증하기 위하여 WindSim의 풍력발전량 예측결과와 비교 하였다. 이때 풍력발전기 배열은 현재 영덕 풍력단지 배열을 두 프로그램에서 동일하게 적용하였으며, 비교결과는 Table 3에 정리하였다.

가설 설정

본 사례연구에서는 환경부 환경성평가지도를 적지 분석을 위한 평가조건으로 적용하지는 않았다. 풍력단지는 주로 풍황이 우수한 고산지 능선에 조성되기 때문에 대부분 환경보전가치가 높은 지역에 해당될 것으로 예상된다.

제안 방법

GIS 적지분석 기반의 풍력단지설계 및 단지배열 최적화 공개 소프트웨어인 OpenWind를 이용하여 모델사례인 영덕풍력단지에 대한 최적설계를 수행하였으며 적지분석 결과를 분석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다.
OpenWind의 풍력발전기 설치위치 최적화(Turbine Position Optimization) 기능을 이용하여 결정한 총 24기의 풍력발전기 설치위치와 현재의 영덕풍력단지에 설치된 풍력발전기 위치를 비교한 그림을 Fig. 4에 도시하였다. Fig.
본 연구에서는 복잡지형에 적합한 전산유동해석 기반의 국소바람지도(micrositing wind mapping) 프로그램인 WindSim(Meissner 등, 2009)과 풍력단지설계용 적지분석 프로그램인 OpenWind를 이용하여 현재 가동 중인 풍력단지 중 하나를 모델로 설정하여 재설계를 수행하였다. 이 과정을 통하여 기존 풍력단지의 배열과 OpenWind로부터 도출된 최적배열을 비교함으로써 효율적인 적지분석 방법에 대하여 고찰하였다.
본 해석에서는 주풍향은 250도, 장축과 단축은 3D×2D로 설정하였으며 D는 풍력발전기 블레이드 지름이다.
2 (b)는 WindSim으로 작성한 국소바람지도 WRG 레이어와 풍황탑 계측자료 TAB 파일을 불러들인 화면을 보여주고 있다. 영덕지역은 산지지형이기 때문에 전산유동해석 기반의 WindSim으로 대기유동장 해석을 수행하여 국소바람지도를 작성하였다. Fig.
본 연구에서는 복잡지형에 적합한 전산유동해석 기반의 국소바람지도(micrositing wind mapping) 프로그램인 WindSim(Meissner 등, 2009)과 풍력단지설계용 적지분석 프로그램인 OpenWind를 이용하여 현재 가동 중인 풍력단지 중 하나를 모델로 설정하여 재설계를 수행하였다. 이 과정을 통하여 기존 풍력단지의 배열과 OpenWind로부터 도출된 최적배열을 비교함으로써 효율적인 적지분석 방법에 대하여 고찰하였다.
본 해석에서는 주풍향은 250도, 장축과 단축은 3D×2D로 설정하였으며 D는 풍력발전기 블레이드 지름이다. 일반적으로 이격거리는 5D 이상으로 설정하지만 본 해석에서는 영덕풍력단지 배열의 최소 이격 거리를 참조하여 상기 이격거리를 부과하였다.
참고로 원의 지름은 풍력발전기 블레이드 지름과 동일하다. 참고로 영덕풍력단지 기존배열은 인공위성영상을 이용하여 좌표를 확인 하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 OpenWind를 이용한 풍력단지설계 모델로 경상북도 영덕군 영덕읍 영덕풍력단지를 선택 하였다. 영덕풍력단지는 2005년 3월부터 상업운전을 시작하였으며 1.
경계영역 내에서 국소배치를 결정하기 위해서는 설치할 풍력발전기를 결정하여야 한다. 본 해석은 영덕풍력단지와 동일하게 1.65MW급 풍력발전기인 NEG-Micon MN82C을 설치기종으로 선정하였으며 제원, 성능곡선, 추력곡선 등은 풍력발전기 기종 제원 (Turbine Type Specification) 메뉴를 통해 입력함으로써 풍력발전기 라이브러리에 추가할 수 있다.
지형경사도는 지형고도 레이어로부터 계산할 수 있다. 참고로 본 연구에서는 30m 해상도를 갖는 2009년판 DEM을 이용하였다. 환경부에서 제공한 토지피복도(land cover map) 및 환경성평가지도(environmental assessment map)는 래스터 형식으로, 토지피복도로부터 피복분류에 해당하는 지면거칠기(surface roughness)를 산출하여 국소바람지도 작성에 필요한 지면경계조건으로 사용하였다.

데이터처리

(2) OpenWind로 설계한 최적배치와 현재 영덕풍력단지의 배열과의 비교분석을 통하여 유사한 최적배치를 도출하였음을 확인하였다. 또한 OpenWind의 전력생산량 예측정확도를 검증하기 위하여 WindSim의 예측결과와 비교하였으며, 두 결과가 동일함을 확인하였다.

이론/모형

참고로 본 연구에서는 30m 해상도를 갖는 2009년판 DEM을 이용하였다. 환경부에서 제공한 토지피복도(land cover map) 및 환경성평가지도(environmental assessment map)는 래스터 형식으로, 토지피복도로부터 피복분류에 해당하는 지면거칠기(surface roughness)를 산출하여 국소바람지도 작성에 필요한 지면경계조건으로 사용하였다. 환경성평가지도는 환경보존 가치가 높은 순서에 따라 1 등급부터 5 등급까지 등급이 매겨져 있다.

성능/효과

(1) OpenWind는 공개 소프트웨어임에도 불구하고 다양한 지리정보를 입력하여 복합적인 배제조건을 적용하여 적지분석을 할 수 있었다.
(2) OpenWind로 설계한 최적배치와 현재 영덕풍력단지의 배열과의 비교분석을 통하여 유사한 최적배치를 도출하였음을 확인하였다. 또한 OpenWind의 전력생산량 예측정확도를 검증하기 위하여 WindSim의 예측결과와 비교하였으며, 두 결과가 동일함을 확인하였다.
(3) 결론적으로 OpenWind는 풍력단지설계 현업에 사용가능한 수준의 기능과 정확도를 제공함을 확인하였다.
후류손실을 고려하지 않은 이론적 최대 연간에너지생산량은 OpenWind와 WindSim이 각각 144GWh, 144.1GWh로 불과 0.07%의 미소한 차이만 나타나고 있어 OpenWind의 풍력발전량 계산모듈의 정확도를 재검증 할 수 있다.

후속연구

본 연구는 실제 풍력단지설계에 OpenWind를 적용하여 프로그램의 기능과 예측 정확도를 평가하였을뿐아니라 아직 국내에서는 공식적으로 시도된 바 없는 풍력단지 사후평가를 위한 기초 분석자료를 제공한다는 점에서 의미가 크다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍력단지개발의 제약조건은?	풍력단지개발에는 자연적(생태), 사회적(경관, 주민 수용성), 환경적(소음, 그림자), 기술적(경사도, 접근성), 경제적(전력연계) 요인 등 다양한 제약조건이 복합적으로 존재한다. 따라서 이러한 제약조건을 회피하면서 에너지생산량 최대가 되는 풍력단지 최적배열을 찾아내기 위해서는 효율적인 적지분석 전략과 함께 수단이 필요하다(김 등, 2009).
	풍력단지설계란?	풍력단지설계란 제약조건(constraint)을 회피하면서 최대 에너지생산량을 확보할 수 있는 풍력발전기 최적배치를 찾아내는 것으로, 지리정보시스템(GIS; Geographical Information Systems)의 적지분석(site analysis)에 해당한다.
	풍력단지개발의 제약조건을 회피하면서 에너지생산량 최대가 되는 풍력단지 최적배열을 찾아내기 위해서 무엇이 필요한가?	풍력단지개발에는 자연적(생태), 사회적(경관, 주민 수용성), 환경적(소음, 그림자), 기술적(경사도, 접근성), 경제적(전력연계) 요인 등 다양한 제약조건이 복합적으로 존재한다. 따라서 이러한 제약조건을 회피하면서 에너지생산량 최대가 되는 풍력단지 최적배열을 찾아내기 위해서는 효율적인 적지분석 전략과 함께 수단이 필요하다(김 등, 2009).

참고문헌 (7)

김현구, 송규봉, 황선영, 윤진호, 황효정, 2009, 국가바람 지도 및 지리정보시스템 기반의 해상풍력단지 입지 전략 연구, 한국환경과학회지, 18(8), 877-883.

원문보기 상세보기
Ainslie, J. F., 1988, Calculating the flow field in the wake of wind turbines, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., 27, 213-224.

상세보기
AWS Truepower, 2010, OpenWind theoretical basis and validation version 1.3, AWS Truepower, LLC, USA.
Ishihara, T., Yamaguchi, A., Fujino, Y., 2004, Development of a new wake model based on a wind tunnel experiment, Proceedings of the Global Wind Power.
Katic, I., Højstrup, J., Jensen, N. O., 1996, A Simple model for cluster efficiency, Proceedings of the European Wind Energy Conference, Rome, Italy.
Larsen, C. G., 1988, A simple wake calculation procedure, Riso-M-2760, Riso Laboratory, Denmark.
Meissner, C., Gravdahl, A. R., Steensen, B., 2009, Including thermal effects in CFD wind flow simulations, 한국환경과학회지, 18(8), 833-839.

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