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반응표면분석법에 의한 해상풍력터빈 최적배치 설계
Optimal Layout Design of Offshore Wind Turbines by Response Surface Analysis 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.23 no.2, 2011년, pp.163 - 170  

김지영 (한국전력공사 전력연구원) ,  김경열 (한국전력공사 전력연구원) ,  이준신 (한국전력공사 전력연구원)

초록
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해상풍력단지 설계과정의 일환으로 실험계획법의 일종인 반응표면분석법을 이용하여 풍력터빈의 최적 배치조건을 연구하였다. 총 36기 터빈을 해상에 설치한다는 가정 하에 터빈들의 행렬조합, 행간 및 열간거리를 반응표면 분석시의 설계변수로 사용하였으며, 터빈 후류손실에 의해 저하되는 발전효율과 내부 전력선 공사비를 목적함수로 고려하였다. 이러한 설계변수와 목적함수간의 관계를 이용한 반응 최적화 분석을 통해 목표 설계조건을 도출하였으며, 해상풍력단지의 경제성을 확보하기 위한 풍력터빈의 배치조건은 "설계범위에서 행수 및 행간거리를 최소화하고, 최적 열간거리를 산정하여 적용해야 한다"는 결과를 얻을 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

An optimal layout condition of the offshore wind turbines is studied by using the response surface analysis which is a kind of the design of experiments. Based on the assumption that total 36 turbines would be installed in the offshore wind farm, the number and distance of the rows and columns are u...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 일반적으로 터빈간 거리가 클수록 후류영향이 작아져서 단지 효율이 커지는 반면, 내부 전력선 연결비용이 증가하기 때문에 최적 배치 설계를 위해서는 단지면적을 함께 고려할 필요가 있다. 본 연구에서는 대규모 해상풍력단지 개발이 예상되는 부안-영광 해역을 대상으로 3 MW 터빈 36기로 이루어진 108 MW 단지설계를 위하여 단지면적의 제한선이 정해지지 않은 상황에서 일단 영역의 제한을 두지 않고 내부 전력선 공사비와 터빈간섭 손실에 의한 발전효율 감소량을 비교하여 터빈 최적 배치조건을 도출해 보았다. 최적 조건의 도출을 위하여 통계적 기법의 일종인 반응표면분석법을 이용하였다.
  • 해상풍력 단지설계를 위해서는 총 개발 용량 대비 단지면적, 기타 입지조건과 경제성에 좌우되는 목표 발전량 등이 고려되어야 한다. 본 연구에서는 타당성 조사단계에서의 사전 검토 수준으로 상기와 같은 사항들이 결정이 되지 않은 상태에서 해상풍력단지의 터빈 배치 형태에 영향을 주는 조건 중 하나인 단지효율과 내부 전력선 공사비만을 고려하여 최적 배치안을 설계하고자 하였다. 단지효율과 내부 전력선 공사비에 영향을 미치는 인자는 전제조건인 풍황 등의 기상조건과 설계변수인 터빈제원, 터빈간 거리, 배치형태, 행렬조합형태 등이 있다.
  • 해상풍력단지 설계의 과정 중 터빈의 최적 배치 설계가 필요하다. 본 연구에서는 터빈 배치안 설계변수로서 행렬조합, 행간 및 열간거리를 고려하였으며, 이들 설계변수와 발전효율 감소량 및 내부 전력선 공사비의 관계를 통해 최적 터빈 배치안을 도출하고자 하였다. 발전효율 감소량 계산시 인근 해안에 위치한 고창시험센터의 철탑에서 관측한 풍황자료를 이용하였으며, 터빈제원은 Vestas사의 V90-3000 모델을 기준으로 하고 100 MW급 단지 구성을 위하여 36기를 배치하는 조건으로 검토하였다.
  • 이상과 같이 해상풍력 터빈 최적 배치안의 효율적인 도출을 위하여 반응표면분석법과 같은 실험계획법의 적용을 시도해 보았다. 실제 단지설계 시에는 보다 다양한 설계 변수와 현장 조건 등을 고려한 상세 검토가 이루어져야 하겠지만, 본 연구에서 수립된 모형을 기반으로 한다면 터빈 배치설계를 효율적으로 수행할 수 있을 것이라고 여겨진다.
  • 최근 지식경제부의 제안으로 국내 해역의 중대형 해상풍력발전단지 조성을 위한 타당성 조사 연구가 수행 중이며, 입지 분석과 단지 설계 등이 진행되고 있다. 해상풍력단지 설계는 입지 분석, 터빈기기 제원 선정, 지지구조물인 기초의 형식 선정 및 설계, 전력계통 설계 등의 과정으로 이루어지는데, 본 연구는 이러한 단지 설계 과정 중에서 풍력터빈의 배치 설계에 관한 것이다. 터빈의 간격, 배열 형태 등에 따라 터빈간 간섭 영향으로 발전효율이 달라지기 때문에 풍력터빈의 배치 설계는 경제성에 영향을 주는 중요한 과정이라 할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
해상풍력단지 설계는 어떤 과정으로 이루어지는가? 최근 지식경제부의 제안으로 국내 해역의 중대형 해상풍력발전단지 조성을 위한 타당성 조사 연구가 수행 중이며, 입지 분석과 단지 설계 등이 진행되고 있다. 해상풍력단지 설계는 입지 분석, 터빈기기 제원 선정, 지지구조물인 기초의 형식 선정 및 설계, 전력계통 설계 등의 과정으로 이루어지는데, 본 연구는 이러한 단지 설계 과정 중에서 풍력터빈의 배치 설계에 관한 것이다. 터빈의 간격, 배열 형태 등에 따라 터빈간 간섭 영향으로 발전효율이 달라지기 때문에 풍력터빈의 배치 설계는 경제성에 영향을 주는 중요한 과정이라 할 수 있다.
대규모 신재생에너지 개발이 요구되는 이유는 무엇인가? 신재생에너지 공급의무 할당제(RPS)의 도입이 결정됨에 따라 대규모 신재생에너지 개발이 요구되고 있는 가운데, 해상풍력이 이에 대한 가장 현실적인 대안으로 여겨지고 있다. 이와 더불어 해상풍력 개발에 대한 관심이 증대되고 있지만, 아직까지 해상풍력 개발을 위한 기반기술의 확보, 산업기반, 시장형성 등이 매우 미흡한 실정이다.
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참고문헌 (6)

  1. Kusiak, A. and Song, Z. (2010). Design of wind farm layout for maximum wind energy capture. J. of Renewable Energy, 35, 685-694. 

  2. EMD International A/S (2008). WindPRO 2.6 User Guide. 

  3. EMD International A/S (2010). WindPRO 2.7 Quick-Guide. 

  4. Katic, I., Hojstrup, J. and Jensen, N.O. (1986). A Simple Model for Cluster Efficiency. European Wind Energy Association Conference and Exhibition, 7-9 October 1986, Rome, Italy. 

  5. Minitabl Inc. (2007). Minitab 15 길잡이. 

  6. Sorensen, T., Nielsen, P. and Thogersen, M.L. (2006). Recalibrating Wind Turbine Wake Model Parameters - Validating Wake Model Performance for Large Offshore Wind Farms. European Wind Energy Conference, 27 February - 2 March 2006. Athens, Greece. 

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