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The wind data obtained from an AWS(Automated Weather Station) was used to predict the AEP(annual energy production) of Gangwon wind farm having a total capacity of 98 MWin Korea. A wind energy prediction program based on the Reynolds averaged Navier-Stokes equation was used. Predictions were made fo...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 하지만 풍속이 아닌 풍력에너지 또는 발전량 예측을 수행한 연구는 문헌상에서 찾아보기 매우 어렵다. 따라서, 본 연구에서는 국내 최대의 98MW 풍력발전단지인 강원풍력발전단지의 발전량을 인근 자동기상관측소의 자료와 상용 CFD프로그램을 이용하여 예측하고 이를 실제 발전량과 비교 분석하여, 그 적용 가능성을 알아보고자 한다.
  • 본 연구에서 해석 프로그램으로 사용된WindSim 프로그램은 1997년 노르웨이의 WindSim AS사에 의해 유동장과 풍력자원 계산을 위해 개발되었다. 전산유체역학(CFD: Computational Fluid Dynamics)에 기반을 둔 프로그램인 WindSim은 3차원 유동장(Flow Field)의 비선형 해를 얻기 위해 비압축성 유동에 대한 Reynolds Averaged Navier - Stokes (RANS)식과 Standardk - epsilon난류모델을 사용한다[13].

가설 설정

  • 해석을 위해 고도에 따라서 풍속이 변화하는 대기 경계층의 높이는 500m로 가정되었으며, 이 값은 많은 문헌상에서 지균풍의 높이를 설명하기 위해 많이 사용되는 높이이다 [13]. 대기 경계층 밖의 풍속은 10m/s로 일정한 값으로 설정되어 해석에 적용되었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
풍력에너지의 장점은? 최근 전 세계적으로 지구 온난화와 화석에너지 고갈문제로 인하여 신재생에너지 개발에 대한 연구의 관심이 급속도로 높아지고 있다.그 중 풍력은 영구적이고 환경오염이 없는 재생에너지원중 비교적 낮은 발전단가로 현재 전세계적으로 연구가 활발히 진행 되고 있다[1].
실측 풍황자료를 얻기 위해 이용되는 것은? 실측 풍황자료를 얻기 위해서는 기상관측 타워를 설치하거나,우리나라 전역에 설치된 자동기상관측기 (AWS)의 데이터를 이용하게 된다.기상관측타워 설치를 통한 자료의 입수는 타워설치 및 데이터 측정을 위해 시간 및 경제적 부담이 따르게 되지만 질이 좋은 풍황자료를 얻을 수 있고,반면 자동기상관측소의 데이터를 이용하는 경우 시간적,경제적인 부담은 적지만 지면으로 부터의 측정 높이가 낮아 풍황 데이터의 정확도에 문제가 있을 수 있게 된다.
자동기상관측소(AWS)의 데이터를 이용하여 CFD프로그램인 WindSim 프로그램을 통해 강원풍력발전단지의 연간에너지발전량을 예측하고 2007년~2009년 동안의 연간발전량과 실측된 연간에너지 발전량의 비교를 통하여 자동기상관측소(AWS)의 데이터 이용가능성을 검토하였다, 이에 대한 결과는? 예측된 2007년~2009년 동안의 연간발전량과 실측된 연간에너지 발전량의 비교를 통하여 자동기상관측소(AWS)의 데이터 이용가능성을 검토하였다.가동율을 96%로 가정하고,인근 강릉 기상대의 온도와 압력 데이터를 각 풍력발전기 허브 높이로 보정하고,각각의 연 평균 밀도를 이용하여 WindSim의 연간 발전량 예측결과를 보정 하였을 때 실측 연간발전량과 비교하여 7.8% 이내의 오차를 보였다. 일반적으로 자동기상관측소(AWS)데이터는 설치고도가 낮고,풍속 및 풍향을 측정하는 높이가 지표면에서 10m 정도로 낮아 지형적인 영향을 많이 받기 때문에,발전량 예측에 있어 사용하기 적합하지 않은 데이터로 알려져 있다.하지만,이번 연구에 적용된 대관령 자동기상관측기의 경우,강원풍력발전단지와의 거리 그리고 고도차이가 크지 않아,해석 프로그램을 이용한 예측이 실측값과 매우 근접함을 알 수 있었다.하지만,WindSim 프로그램의 예측 정확성을 보다 면밀히 비교 분석하기 위해서는 복잡지형에서의 더 많은 해석 데이터의 비교 분석이 이루어져야 할 것이다.
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참고문헌 (16)

  1. M.S. Jang, and H.J. Bang, The Current Status and the Prospects of Wind Energy, Journal oft he Environmental Sciences, Vol. 18, No8, pp.933-940, 2009. 

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    그 중 풍력은 영구적이고 환경오염이 없는 재생에너지원중 비교적 낮은 발전단가로 현재 전세계적으로 연구가 활발히 진행 되고 있다[1].

  2. J.S. Bae, M.S. Jang, Y.C. Ju, J.E. Yoon, and N.H. Kyung, Wind Resource Assessment of Antarctic King Sejong Station, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 25, No 3, pp. 53-60, 2005. 

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    풍속은 풍력발전단지의 경제성에 가장 큰 영향을 미치는 인자이기 때문에 풍력발전단지의 입지 선정시 우수한 풍력자원, 즉, 풍속이 강한 지역에 입지를 선정하여야 한다[2].

  3. M. Lee, S.H. Lee, and N. Hur, A numerical study on the effect of mountainous terrain and turbine arrangement on the performance of wind power generation, Journal of the Korean Society of Mechanical Engineers, Vol. 34, No 10, pp. 901-906, 2010. 

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    이를 위해 풍력발전 단지가 건설될 대상 지점의 풍황실측자료를 이용한 풍력자원 분석및 예측이 필요하며, 정확한 풍력자원예측을 위한 여러 연구가 국내에서 지속적으로 수행되어 왔다[3-6].

  4. N.H. Kyong, J.E. Yoon, M.S. Jang, D.S. Jang, and J.C. Huh, A refinement of WAsP prediction in a complex terrain, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 23, No4, pp. 21-27, 2003. 

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    이를 위해 풍력발전 단지가 건설될 대상 지점의 풍황실측자료를 이용한 풍력자원 분석및 예측이 필요하며, 정확한 풍력자원예측을 위한 여러 연구가 국내에서 지속적으로 수행되어 왔다[3-6].

  5. N.H. Kyong, J.E. Yoon, J.C. Huh, and D.S. Jang, An assessment of WAsP prediction in a complex terrain, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 23, No1, pp.39-47, 2003. 

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    이를 위해 풍력발전 단지가 건설될 대상 지점의 풍황실측자료를 이용한 풍력자원 분석및 예측이 필요하며, 정확한 풍력자원예측을 위한 여러 연구가 국내에서 지속적으로 수행되어 왔다[3-6].

  6. E.H. Cheang, C.J. Moon, E.S. Kim, and Y.H. Chang, A study on wind source interpolation based on shape of complex topography, Journal oft he Korean Solar Energy Society, Vol. 29, No6, pp.62-68, 2009. 

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    이를 위해 풍력발전 단지가 건설될 대상 지점의 풍황실측자료를 이용한 풍력자원 분석및 예측이 필요하며, 정확한 풍력자원예측을 위한 여러 연구가 국내에서 지속적으로 수행되어 왔다[3-6].

  7. E. Berge, A.R. Gravdahl, J. Schelling, L. Tallhaug, and O. Undheim, Wind in complex terrain. A comparison of WAsP andtwo CFD-models, Proceedings of the 2006 EWEC, Athens, Greece, Feb. 27-Mar.2. 

  8. R. Cattin, B. Schaffner, and S. Kunz, Validation of CFD wind resource modeling inhighly complex terrain, EWEC Athens, 2006. 

  9. Y.S. Hwang, I. Paek, K.Y. Yoon, W.S. Lee, N.S, Yoo and Y.S. Nam, Application of wind data from automated weather stations to wind resources estimationin Korea, Journal of Mechanical Science and Technology, Vol.24, No10, pp.2017-2023, 2010. 

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    최근 자동 기상관측 데이터를 CFD 풍황해석 프로그램에 적용하여 복잡지형의 풍력자원해석을 수행하는 연구가 수행되었다[9].

  10. Y.H. Kim, and H.C. Lim, Study on development of onshore wind farm estimation ofwind energy production, Journal of the Wind Engineering Institute of Korea, Vol. 14, No1, pp.9-17, 2010. 

  11. Wind PRO Manua l2.7, EMD International A/S, pp 2-1, 2010 

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    각 풍력발전기 별 온도와 압력 계산을 위해 약 12.3km 떨어진 강릉기상대(해발고도 26m)에서 측정된 약 40년동안의 연평균 온도와 압력을 기준으로 문헌에 제시된 다음의 식을 이용하여 각 풍력발전기의 허브 높이에 대한 값으로 보정한 후 밀도를 계산하였다[11].

  12. S.S. Ju, CDM Monitoring Report 2009, Gangwon Wind Park Project (CDM Registration Reference Number0222), 2010. 

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    자동기상관측소(AWS)의 풍황데이터를 이용하여 예측한 강원풍력발전단지의 연간에너지발전량과 실제 연간에너지발전량의 비교를 위해서 강원풍력발전단지의 CDM 보고서 내의 모니터링 (Monitering)분야 보고서를 참조하였다 [12].

  13. D. Fallo, Wind energy resource evaluation in a site of centralItaly by CFD simulations, Ph. D. Diss., Univ. o fCagliari, DiMeCa, 2007. 

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    전산유체역학(CFD: Computational Fluid Dynamics)에 기반을 둔 프로그램인 WindSim은 3차원 유동장(Flow Field)의 비선형 해를 얻기 위해 비압축성 유동에 대한 Reynolds Averaged Navier - Stokes (RANS)식과 Standardk - epsilon난류모델을 사용한다[13].

    해석을 위해 고도에 따라서 풍속이 변화하는 대기 경계층의 높이는 500m로 가정되었으며, 이 값은 많은 문헌상에서 지균풍의 높이를 설명하기 위해 많이 사용되는 높이이다 [13].

    WindSim에서 대기경계층의 풍속을 일정하게 적용하였을 때, 야기될 수 있는 해석오차는 거의 없는 것으로 알려져 있다 [13].

  14. Private Communication with the personal in Gangwon Wind Park 

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    강원풍력발전단지의 각 해의 가동률은 대략적으로 96%정도라고 알려져 있어[14], 이를 2007년~2009년 까지 동일하게 해석 결과에 적용하였다.

  15. J.F. Manwell, J.G. McGowan, and A.L. Rogers, Wind Energy Explained: Theory, Design and Application, JOHN WILEY & SONS, LTD, England, pp.33-50, 2002. 

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    각각의 영역에 대한 지표거칠기 값은 바다와 강(Sea, River)은 Roughness class 0, 농경지(Farmland)에 해당 하는 영역은 Roughness class 1, 마을(Village)에 해당하는 영역은 Roughness class 2.8, 그리고 숲(Forest)에 해당하는 영역은 Roughness class 3.0으로 설정하여 모델링하였다[15].

  16. N.G. Mortensen, A.J. Bowen and I. Antoniou, Improving WAsP predictions in (too) complex terrain, Proceedings of the 2006 EWEC, Athens, Greece, Feb. 27-Mar. 2. 

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