[논문]지형에 따른 발전기 배치가 풍력 발전 성능에 미치는 영향에 관한 수치해석 연구

이명성; 이승호; 허남건

doi:10.3795/ksme-b.2010.34.10.901

지형에 따른 발전기 배치가 풍력 발전 성능에 미치는 영향에 관한 수치해석 연구
A Numerical Study on the Effect of Mountainous Terrain and Turbine Arrangement on the Performance of Wind Power Generation 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.34 no.10 = no.301, 2010년, pp.901 - 906

이명성 (서강대학교 기계공학과) , 이승호 (서강대학교 기계공학과) , 허남건 (서강대학교 기계공학과)

초록
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복잡한 지형에 위치한 풍력발전소의 유동장을 분석하기 위해 3차원 유동해석이 수행되었다. 본 논문의 목적은 복잡한 지형과 풍력발전기의 배치가 풍력발전소의 성능에 미치는 영향을 연구하는 것이다. 자세한 블레이드 형상을 고려한 총 49대의 풍력발전기가 계산 도메인에 포함되었다. 풍력발전기의 회전운동을 고려하기 위해 고정회전자 기법이 사용되었고, 블레이드에 작용하는 토크를 계산함으로써 풍력발전기의 성능을 평가하였다. 수치해석 결과를 통하여 풍력발전소 전체의 자세한 유동장과 지형적 영향으로 풍속이 감소되는 국부적인 영역을 예측하였고, 상류의 발전기에서 발생하는 후류가 하류에 위치한 발전기의 성능에 미치는 영향도 분석되었다. 본 연구의 해석기법은 추후 건설되는 풍력발전소의 부지와 풍력발전기의 최적 위치를 선정하는 데 사용될 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

A three-dimensional flow simulation was performed to investigate the flow field in a wind farm on a complex terrain. The present study aims to examine the effects of mountainous terrain and turbine arrangement on the performance of wind power generation. A total of 49 wind turbines was modeled in the computational domain; detailed blade shape of the turbines was considered. Frozen rotor method was used to simulate the rotating operation. The torque acting on the turbine blades was calculated to evaluate the performance of the wind turbines. The numerical results showed details of the flow structure in the wind farm including the velocity deficit in the separated flow regions; this velocity deficit was due to the topographical effect. The effect of the wake induced by the upstream turbine on the performance of the downstream wind turbine could also be observed from the results. The methodology of the present study can be used for selecting future wind-farm sites and wind-turbine locations in a selected site to ensure maximum power generation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 복잡한 산악 지형에 위치한 풍력 발전 단지 내부의 모든 발전기들을 함께 고려하여 유동장을 예측하였고, 수렴된 유동장에서 발전기의 블레이드에 작용하는 토크를 계산하여 풍력 발전 단지의 성능을 도출하였다. 또한 각각의 발전기에서 계산된 토크를 비교하여 성능이 낮은 풍력 발전기를 선별한 후, 발전 성능을 향상시키기 위해 그 풍력 발전기를 적절한 장소로 이동시켜 지형과 발전기 배치를 동시에 고려하여 다시 해석함으로써 풍력 발전기의 최적 위치 선정에 도움이 되는 유용한 자료를 제공하였다.
또한 풍력 발전 단지의 성능 향상을 위해 발전기의 위치를 변화시켜 지형에 따른 풍력 발전기 배치가 발전 성능에 미치는 영향도 분석되었다. 본 연구를 통하여 실제적인 풍력 발전 단지의 성능을 예측함으로서 풍력 발전 단지 내부의 발전기 배치에 유용한 정보를 제공하였다.
본 연구에서는 산악 지형에 풍력 발전 단지가 건설되는 경우에 풍력 자원을 효과적으로 예측하기 위하여, 복잡한 지형과 회전하는 풍력 발전기의 운전 조건을 모두 고려하여 실제적인 유동장과 풍력 발전기 배치에 따른 발전 성능을 예측하였다. 격자 생성 프로그램으로 복잡한 지형에 대한 계산 격자를 구성하고, 고정 회전자 방법을 이용하여 회전하는 풍력 발전기가 유동장에 미치는 영향을 고려하였으며, 블레이드의 표면에 작용하는 토크를 수치 해석으로 직접 계산하여 풍력 발전기의 성능을 도출하였다.

가설 설정

풍력 발전 단지의 성능을 평가하기 위해, 수렴된 유동장에서 각각의 풍력 발전기에 작용하는 토크를 계산하였다. 블레이드 허브의 축은 발전기의 기어박스와 기계적으로 연결되어 있으므로 수치해석으로 예측된 블레이드에 작용하는 토크는 풍력 발전을 위해 사용 가능한 에너지와 같다고 가정할 수 있다. Fig.
2와 같이 서쪽 경계면에 자유 흐름속도가 15 m/s인 입구 경계조건을 적용하였다. 유동에 평행한 남쪽과 북쪽 경계면은 풍력 발전기에서 충분히 멀리 위치하므로 이 경계면들은 풍력 발전 단지의 유동장에 영향을 미치지 않는 것으로 가정하여 대칭면 경계조건이 적용되었다. 계산 도메인의 윗면도 같은 이유로 대칭면 조건이 적용되었으며, 입구 경계면의 반대쪽인 동쪽 경계면은 출구 경계조건으로 설정하였다.

제안 방법

풍력 발전기를 지나는 유동을 정확하게 해석하기 위해, 풍력 발전기의 블레이드와 타워에 대한 3차원 CAD 도면을 이용하여 격자를 생성하였다. 격자 생성 시, 풍력 발전기와 그 주변을 비정렬 다면체 격자로 조밀하게 구성하였고, 정렬 육면체 격자의 주변 유동장 격자에 삽입하였다.
본 연구에서는 산악 지형에 풍력 발전 단지가 건설되는 경우에 풍력 자원을 효과적으로 예측하기 위하여, 복잡한 지형과 회전하는 풍력 발전기의 운전 조건을 모두 고려하여 실제적인 유동장과 풍력 발전기 배치에 따른 발전 성능을 예측하였다. 격자 생성 프로그램으로 복잡한 지형에 대한 계산 격자를 구성하고, 고정 회전자 방법을 이용하여 회전하는 풍력 발전기가 유동장에 미치는 영향을 고려하였으며, 블레이드의 표면에 작용하는 토크를 수치 해석으로 직접 계산하여 풍력 발전기의 성능을 도출하였다. 수치 해석 결과로부터 복잡한 산악 지형에서 발생하는 유동 특성과 풍력 발전기의 후류 영역에 대한 국소 유동장 정보를 도출하였다.
본 논문에서는 복잡한 산악 지형에 위치한 풍력 발전 단지 내부의 모든 발전기들을 함께 고려하여 유동장을 예측하였고, 수렴된 유동장에서 발전기의 블레이드에 작용하는 토크를 계산하여 풍력 발전 단지의 성능을 도출하였다. 또한 각각의 발전기에서 계산된 토크를 비교하여 성능이 낮은 풍력 발전기를 선별한 후, 발전 성능을 향상시키기 위해 그 풍력 발전기를 적절한 장소로 이동시켜 지형과 발전기 배치를 동시에 고려하여 다시 해석함으로써 풍력 발전기의 최적 위치 선정에 도움이 되는 유용한 자료를 제공하였다.
수치 해석 결과로부터 복잡한 산악 지형에서 발생하는 유동 특성과 풍력 발전기의 후류 영역에 대한 국소 유동장 정보를 도출하였다. 또한 풍력 발전 단지의 성능 향상을 위해 발전기의 위치를 변화시켜 지형에 따른 풍력 발전기 배치가 발전 성능에 미치는 영향도 분석되었다. 본 연구를 통하여 실제적인 풍력 발전 단지의 성능을 예측함으로서 풍력 발전 단지 내부의 발전기 배치에 유용한 정보를 제공하였다.
격자 생성 프로그램으로 복잡한 지형에 대한 계산 격자를 구성하고, 고정 회전자 방법을 이용하여 회전하는 풍력 발전기가 유동장에 미치는 영향을 고려하였으며, 블레이드의 표면에 작용하는 토크를 수치 해석으로 직접 계산하여 풍력 발전기의 성능을 도출하였다. 수치 해석 결과로부터 복잡한 산악 지형에서 발생하는 유동 특성과 풍력 발전기의 후류 영역에 대한 국소 유동장 정보를 도출하였다. 또한 풍력 발전 단지의 성능 향상을 위해 발전기의 위치를 변화시켜 지형에 따른 풍력 발전기 배치가 발전 성능에 미치는 영향도 분석되었다.
풍력 발전 단지의 성능을 평가하기 위해, 수렴된 유동장에서 각각의 풍력 발전기에 작용하는 토크를 계산하였다. 블레이드 허브의 축은 발전기의 기어박스와 기계적으로 연결되어 있으므로 수치해석으로 예측된 블레이드에 작용하는 토크는 풍력 발전을 위해 사용 가능한 에너지와 같다고 가정할 수 있다.
풍력 발전기의 자세한 사양은 표 1과 같다. 풍력 발전기를 지나는 유동을 정확하게 해석하기 위해, 풍력 발전기의 블레이드와 타워에 대한 3차원 CAD 도면을 이용하여 격자를 생성하였다. 격자 생성 시, 풍력 발전기와 그 주변을 비정렬 다면체 격자로 조밀하게 구성하였고, 정렬 육면체 격자의 주변 유동장 격자에 삽입하였다.
결과, 31번과 32번 풍력발전기가 상류에 위치한 발전기로부터 발생한 후 류(wake)의 영향을 많이 받는 것으로 예측되었다. 풍력 발전기의 성능을 향상시키기 위해, Fig. 3과 같이 하류에 위치한 풍력 발전기들(31, 32번)이 상류 발전기의 후류 영향을 받지 않도록 상류 발전기가 위치한 능선의 옆 공간으로 이동시켰다.
풍력 발전 단지 내부의 유동장 해석을 위해 사용된 도메인의 전체 격자수는 24,000,000개이다. 효율적인 계산을 위해 도메인을 분할하여 병렬 해석을 수행하였다. 계산 컴퓨터는 Intel Xeon Quad Core 2.

대상 데이터

2000년부터 2008년까지 관측된 기상 정보를 바탕으로 Fig. 2와 같이 서쪽 경계면에 자유 흐름속도가 15 m/s인 입구 경계조건을 적용하였다. 유동에 평행한 남쪽과 북쪽 경계면은 풍력 발전기에서 충분히 멀리 위치하므로 이 경계면들은 풍력 발전 단지의 유동장에 영향을 미치지 않는 것으로 가정하여 대칭면 경계조건이 적용되었다.
풍력 발전 단지 내부의 유동장 해석을 위해 사용된 도메인의 전체 격자수는 24,000,000개이다. 효율적인 계산을 위해 도메인을 분할하여 병렬 해석을 수행하였다.
4에 나타나 있다. 해석에 사용된 풍력 발전기의 허브 높이는 80 m이고, 블레이드 반경은 40 m이다. 풍력 발전기의 자세한 사양은 표 1과 같다.

이론/모형

계산 도메인으로 사용된 산악 지형 격자는 본 연구실에서 Chin 등⁽⁵⁾이 개발한 격자 생성 프로그램을 사용하여 구성하였다. 이 프로그램은 CAD 형식의 등고선 전자 지도에서 각각의 등고선 높이 데이터를 검색하여 보간하는 알고리즘을 사용하기 때문에 굴곡이 심한 산악 지형 격자도 효과적으로 생성할 수 있다.
정상 상태 비 압축성 유동과 Standard k-ε 난류 모델로 가정된 3차원 Navier-Stokes 방정식을 계산하기 위해 STAR-CD V4.08이 사용되었다.
풍력 발전기의 회전하는 블레이드가 유동장에 미치는 영향을 고려하기 위하여 고정 회전자 방법(Frozen rotor method)이 사용되었다.

성능/효과

(7) 직렬로 배치된 지형물 사이의 거리가 유동 특성에 영향을 주는 것처럼 직렬로 배치된 발전기 사이의 거리는 후류로 인한 발전 성능 감소에 영향을 준다.
그림에서 지형의 경사도를 표현하는 등고선은 50 m 간격이다. 등고선과 수치해석으로 예측된 풍속을 통하여 알 수 있듯이, 서풍 유동이 풍력 발전 단지를 통과할 때 산악 지형의 상향 경사면에서 유동 속도가 증가하고 산 정상부에서 최대 속도를 보이며 산 정상을 지난 하향 경사면의 유동 속도는 감소하는 것을 알 수 있다. 또한 풍력 발전기를 통과하면서 유동이 감속되는 후류 영역도 예측되었다.
주유동 방향인 서풍 조건에서 풍력 발전기 31번과 32번은 각각의 상류(upstream) 발전기인 29번과 30번과 함께 직렬(tandem)로 배열되었기 때문에, 하류(downstream) 발전기인 31, 32번이 상류 발전기의 후류에 의하여 영향을 받고 있다. 발전 성능을 증가시키기 위해 31, 32번 발전기를 주유동에 직각 방향인 병렬(side-by-side)로 배치한 경우에는 31번, 32번 발전기에 작용하는 토크가 다른 발전기와 비슷한 수준으로 증가한 것으로 나타났다. 풍력 발전기의 직렬 배치가 발전 성능에 미치는 영향은 두 개의 3차원 지형물 주위의 유동 해석 결과와 유사하다.
본 연구에서 풍력 발전단지의 현재 배치에 대한 유동장의 선행 해석⁽⁶⁾ 결과, 31번과 32번 풍력발전기가 상류에 위치한 발전기로부터 발생한 후 류(wake)의 영향을 많이 받는 것으로 예측되었다. 풍력 발전기의 성능을 향상시키기 위해, Fig.
이 개발한 격자 생성 프로그램을 사용하여 구성하였다. 이 프로그램은 CAD 형식의 등고선 전자 지도에서 각각의 등고선 높이 데이터를 검색하여 보간하는 알고리즘을 사용하기 때문에 굴곡이 심한 산악 지형 격자도 효과적으로 생성할 수 있다. 본 연구에서는 풍력 발전 단지 전체를 포함하는 유동장을 충분히 고려할 수 있도록 Fig.
하지만, 위치가 변경된 풍력 발전기들은 주변 지형의 경사도와 다른 발전기에 대한 상대적인 배치가 변하기 때문에 국소 유동장의 경우 다소 변화가 있을 것으로 예상되었다. 이와 같은 이유로 Fig. 6과 같이 풍력 발전기 주변의 국소 유동장을 도시한 결과, 기존의 배치에서 발전기 31번과 32번은 후류로 인해 상당히 감속된 유입 유동을 보이지만 변경된 배치에서는 다른 발전기와 비슷한 수준의 유입 속도를 보이는 것으로 확인되었다. 또한 변경된 배치 조건에서 발전기 31, 32번은 산 정상부 부근에 위치하기 때문에 상향 경사면을 따라 증가되는 유속이 최대가 될 때 풍력 발전기로 유입되고 있다.
5(b)의 B 영역으로 발전기의 위치를 변경하여 수치해석을 수행하였다. 해석 결과 각각의 풍력 발전기의 크기는 전체 도메인 영역에 비하여 상당히 작기 때문에 풍력 발전기의 위치 변경이 전체 유동장에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 나타났다.

후속연구

일반적으로 풍환경을 연구할 때 사용되는 실측 혹은 선형 모델에 기반한 경험식을 사용한 연구에서도 특정 지점에서 풍향 및 풍속을 측정하고 거리에 대한 보간을 수행하여 3차원 유동장을 간단히 계산하는 것은 가능하지만, 본 연구와 같이 지형의 경사도와 회전하는 풍력 발전기의 운전 조건을 동시에 고려하여 자세한 유동장 정보를 구하는 것은 불가능하다. 특히 본 연구의 수치 해석 방법은 풍력 발전기의 후류로 인해 풍속이 감소하는 것과 같은 실제적인 정보도 제시할 수 있기 때문에 풍력 발전 단지에서 최적의 발전기 배치를 도출하는 데 매우 유용하게 사용될 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	청정한 재생 에너지원이 각광받는 이유는?	최근 화석 연료 매장량의 한계와 환경오염 문제로 인하여 청정한 재생 에너지원이 각광받고 있다. 다양한 재생 에너지 중에서 풍력 에너지는 지난 수십 년 동안 독일, 덴마크, 스페인과 같은 유럽에서 주로 개발되었고, 2002년부터 우리나라에서도 MW급 풍력 발전소가 건설되기 시작했다.
	유럽의 풍력 발전소와 우리나라의 풍력 발전소는 어떤 차이가 있는가?	다양한 재생 에너지 중에서 풍력 에너지는 지난 수십 년 동안 독일, 덴마크, 스페인과 같은 유럽에서 주로 개발되었고, 2002년부터 우리나라에서도 MW급 풍력 발전소가 건설되기 시작했다. 유럽의 풍력 발전소는 평탄한 지형 혹은 연안에 설치되는 경우가 많은 반면, 우리나라는 산이 많기 때문에 일반적으로 복잡한 지형 위에 풍력 발전소가 건설되고 있다.
	풍속을 실제로 측정하거나 로그 형태의 외삽법에 기반한 경험식을 통한 연구의 단점은 무엇이 있는가?	Finardi 등(1)은 복잡한 지형에서 관측된 바람의 수직 방향 프로파일과 지면 근처의 풍속 데이터와 같은 기상 자료를 바탕으로, 거리에 대한 보간을 수행하여 풍속의 공간적인 분포를 나타내었다. 이와 같은 연구 방법은 평탄한 지형의 경우 만족할만한 정확도를 보이지만 지형의 굴곡이 심한 경우에는 상당한 오차를 보이는 단점이 있다.(2)

참고문헌 (7)

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Sahin, A. D., 2004, "Progress and Recent Trends in Wind Energy," Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 30, pp. 501-543.

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Uchida, T. and Ohya, Y., 2008, "Micro-Siting Technique for Wind Turbine Generators by Using Large-Eddy Simulation," J. Wind Eng. Ind. Aerod., Vol. 96, pp. 2121-2138.

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Choi, C.-B. and Yang, K.-S., 2006, "(in Korean) Numerical Study of Density-Stratified Flow Past Two 3D Hills Aligned in Tandem," Transaction of the KSME B, Vol. 30, No. 12, pp. 1218-1227.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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