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문제 정의
- CFD 시뮬레이션을 실시한 후 소형 풍력발전기를 설치하기에 적합한 장소를 예상하고 풍력 발전량을 예측하였다. 본 연구의 목적은 캠퍼스나 주거지역에 소형 풍력발전기를 설치하는데 필요한 기초자료를 제공하는데 있다.
가설 설정
- 각 풍향별 선정된 7가지 지점에서의 풍력 에너지 발전량은 가:1,375kWh, 나:1,109kWh, 다:1,109kWh, 라:1,109kWh, 마:921kWh, 바:747kWh, 사:747kWh 이었다. 7개 지점 중에서 비교적 발전량을 많이 확보 할 수 있는 4지점 (가:W, 나:WSW, 다:WNW, 라:ENE)에 수직형 소형풍력발전기를 설치하였다고 가정하였다. 수직형 소형풍력발전기 4대를 설치했을 경우 연간 발전량이 4,514kWh이었다.
제안 방법
- CFD 시뮬레이션 해석은 H 대학교에 가장 많은 영향을 주는 풍향, 풍속 특성에 따라 겨울철(NW, WNW, W, WSW)과 여름철(SE, ESE, ENE)로 나누어 실시하였다. 7가지 풍향별 건물 주위의 바람환경을 분석하였다. 시뮬레이션 결과를 이용하여 풍속이 빠른 지점을 분석하고 지상15m, 25m 높이에 소형 풍력발전기를 세운다고 가정하고 설치위치를 제안하였으며 소형 풍력발전기 설치 제안에 따른 발전량을 예측하였다.
- CFD 시뮬레이션 해석은 H 대학교에 가장 많은 영향을 주는 풍향, 풍속 특성에 따라 겨울철(NW, WNW, W, WSW)과 여름철(SE, ESE, ENE)로 나누어 실시하였다.
- H 대학교 캠퍼스 바람 분석을 통해 와이블분포를 파악하고 소형 풍력 에너지 밀도를 예측 하였다. CFD 시뮬레이션을 실시한 후 소형 풍력발전기를 설치하기에 적합한 장소를 예상하고 풍력 발전량을 예측하였다. 본 연구의 목적은 캠퍼스나 주거지역에 소형 풍력발전기를 설치하는데 필요한 기초자료를 제공하는데 있다.
- H 대학교 소형 풍력발전기는 캠퍼스 안에서 실측된 AWS 자료와 현재 소형 풍력기발전기 개발 현황을 조사하여 선정 하였다. 수직형 소형 풍력발전기는 풍속이 작아도 발전기 구동이 가능하고 풍력에너지 생산도 가능함으로 유리하다고 판단된다.
- H 대학교 캠퍼스 AWS 실측 풍향 풍속 자료와 CFD 시뮬레이션 결과를 이용 하여 소형 풍력발전기 설치 위치를 선정하고 풍력 에너지 발전량을 예측하였고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- H 대학교 캠퍼스 바람 분석을 통해 와이블분포를 파악하고 소형 풍력 에너지 밀도를 예측 하였다.
- 시뮬레이션은 A시에 위치한 H 대학교 캠퍼스를 대상으로 실시하였다. H 대학교 캠퍼스 전체 영역을 대상으로 CFD시뮬레이션을 실시 후, 풍속 분포가 가장 빠른 영역을 분석하였다. 외부유동을 위한 3차원 모델의 해석은 STAR-CCM+ 5.
- H 대학교 캠퍼스에서 풍력발전기를 설치하기 위한 유리한 곳으로 평균풍속이 1.6m/s 이상인 지역과 불리한 곳으로 0.8m/s 이하인 지역을 지상 높이 15m, 25m에서 각각 분석하였다. 그림 7과 같이 15m 높이에서는 주로 A 위치에서 풍력발전기를 설치하기 유리한 지역을 찾을 수 있었다.
- 각 센서는 지상 15m 지점에 설치한 실측장비(NRG – Symphonie)를 이용해 실측을 하였다.
- 실측된 바람 자료를 바탕으로 H대학교 와이블분포(Weibull distribution)를 구하고 풍력에너지밀도를 예측 하였다. 국내, 외 대도시의 와이블계수 기존 자료를 수집, 분석하여 본 연구 분석 자료와 비교하였다. 소형 풍력 발전기 설치 제안을 하기위하여 H 대학교 캠퍼스를 대상으로 CFD 시뮬레이션을 실시하였다.
- 특히 풍향의 빈도수는 겨울철에는 WNW, 여름철에는 SE에서 가장 많아 주풍향을 나타내었다. 그래서 본 연구에서는 가장 풍향 빈도수가 많은 여름철 풍향 SE, ESE, ENE와 겨울철 풍향 NW, WNW, W, WSW에서의 풍향을 고려하여 CFD시뮬레이션을 실시했다.
- 본 연구에서는 H 대학교 캠퍼스 내에서 실측한 AWS(Automatic Weather Station) 자료를 이용하여 H 대학교 캠퍼스 풍향, 풍속을 분석하였다.
- 소형 풍력발전기의 연간 발전량(P, kWh)은 출력곡선과 설치지점의 발전기 높이 25m에서의 풍속 출현율 분포를 사용하여 예측하였다1).
- 5m/s 이므로 비교적 풍력이 약한 H 대학교 캠퍼스 내 적용하기에 유리하다고 사료된다. 수직형 소형 풍력발전기 중 아이알 윈드파워사의 IRTV13-10kW를 선택하고, 이를 이용하여 5.3에서 발전량을 예측하였다.
- 시뮬레이션 결과를 이용하여 풍속이 빠른 지점을 분석하고 지상15m, 25m 높이에 소형 풍력발전기를 세운다고 가정하고 설치위치를 제안하였으며 소형 풍력발전기 설치 제안에 따른 발전량을 예측하였다.
- 실측된 바람 자료를 바탕으로 H대학교 와이블분포(Weibull distribution)를 구하고 풍력에너지밀도를 예측 하였다.
대상 데이터
- H 대학교 캠퍼스 내의 소형 풍력 발전기 설치 위치는 7가지 풍향별 예측풍속을 고려하여 선정 하였다. 그림 9는 지상25m 에서 각 풍향(NW, WNW, W, WSW, SE, ESE, ENE)의 각각 가장 강한 풍속 위치(가:W, 나:WSW, 다:WNW, 라:ENE, 마:NW, 바:ESE, 사:SE)를 보여주고 있으며 그림 8의 결과와 동일 한 것을 알 수 있었다.
- H 대학교에서 2005년 8월 1일부터 2007년 7월 31까지 2년간 실측한 풍향, 풍속 자료를 분석하였다.
- 그림 1과 그림 9는 AWS 실측 장비와 설치 위치를 보여주고 있다. 본 실측에서는 지상 15m 자료를 분석 하였다. 각 센서는 지상 15m 지점에 설치한 실측장비(NRG – Symphonie)를 이용해 실측을 하였다.
- 국내, 외 대도시의 와이블계수 기존 자료를 수집, 분석하여 본 연구 분석 자료와 비교하였다. 소형 풍력 발전기 설치 제안을 하기위하여 H 대학교 캠퍼스를 대상으로 CFD 시뮬레이션을 실시하였다. CFD 시뮬레이션은 Star-CCM+ 5.
- 시뮬레이션은 A시에 위치한 H 대학교 캠퍼스를 대상으로 실시하였다. H 대학교 캠퍼스 전체 영역을 대상으로 CFD시뮬레이션을 실시 후, 풍속 분포가 가장 빠른 영역을 분석하였다.
데이터처리
- 소형 풍력 발전기 설치 제안을 하기위하여 H 대학교 캠퍼스를 대상으로 CFD 시뮬레이션을 실시하였다. CFD 시뮬레이션은 Star-CCM+ 5.04를 사용하였고, 정상상태 해석을 실시하였다. CFD 시뮬레이션 해석은 H 대학교에 가장 많은 영향을 주는 풍향, 풍속 특성에 따라 겨울철(NW, WNW, W, WSW)과 여름철(SE, ESE, ENE)로 나누어 실시하였다.
- 실측장비는 NRG사의 Symphonie Wind Data Logger로 지속적인 풍속 및 풍향 자료를 실측 저장하였다. 실측 시간은 매시 정각 이였고, 정시부터 10분간 측정한 측정치의 평균값을 사용 하였다. 실측 자료는 컴퓨터를 이용하여 분석하도록 하였다.
이론/모형
- H 대학교 캠퍼스 전체 영역을 대상으로 CFD시뮬레이션을 실시 후, 풍속 분포가 가장 빠른 영역을 분석하였다. 외부유동을 위한 3차원 모델의 해석은 STAR-CCM+ 5.04를 이용하였고 Wind profile을 적용하였다. CFD 경계 조건은 표 3과 같고, 해석 영역은 그림 6과 같다.
성능/효과
- 1) H 대학교 캠퍼스 2년간에 주풍향은 WNW풍, 부풍향은 W풍이었다. 겨울철에 주로 불어오는 풍향은 NW, WNW, W, WSW풍이고, 여름철에 주로 불어오는 풍향은 SE, ESE, ENE풍 이었다.
- 2) CFD 시뮬레이션 결과 겨울철에는 주로 ②번, ⑤번, ⑦번 건물의 영향으로 캠퍼스 내 풍속 영역이 결정되는 것으로 분석 되었다. 여름철에는 주로 ①번, ⑧번, ⑥번 건물의 영향으로 캠퍼스 내 풍속영역이 결정되는 것으로 분석 되었다.
- 지상 25m높이에서는 서쪽에 위치한 길고 높은 건물 주변으로 풍력발전기를 설치하기 유리한 지역을 찾아 볼 수 있었다. 그림8과 같이 지상 25m에서는 지상 15m보다 풍속이 약한 지점이 줄어드는 것을 볼 수 있었고, 풍력발전기를 설치하기 유리한 영역(A 부분)이 증가하는 것 을 알 수 있었다.
후속연구
- 추후, 풍력발전기 설치를 위한 CFD시뮬레이션 연구를 보다 다양하게 실시하고, 실 상황에 맞는 자료보완이 이루어져야 할 것으로 여겨진다.
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