[논문]도서지역 소형풍력발전기 에너지 발생량 평가

장춘만; 이종성; 전완호; 임태균

doi:10.7316/khnes.2013.24.6.558

도서지역 소형풍력발전기 에너지 발생량 평가
Evaluation of Energy Production for a Small Wind Turbine Installed in an Island Area 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.24 no.6, 2013년, pp.558 - 565

장춘만 (한국건설기술연구원) , 이종성 (한국건설기술연구원) , 전완호 (쎄딕주식회사) , 임태균 (쎄딕주식회사)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents how to determine AEP(Annual Energy Production) by a small wind turbine in DuckjeokDo island. Evaluation of AEP is introduced to make a self-contained island including renewable energy sources of wind, solar, and tidal energy. To determine the AEP in DuckjeokDo island, a local wind data is analyzed using the annual wind data from Korea Institute of Energy Research firstly. After the wind data is separated in 12-direction, a mean wind speed at each direction is determined. And then, a small wind turbine power curve is selected by introducing the capacity of a small wind turbine and the energy production of the wind turbine according to each wind direction. Finally, total annual wind energy production for each small wind turbine can be evaluated using the local wind density and local energy production considering a mechanical energy loss. Throughout the analytic study, it is found that the AEP of DuckjeokDo island is about 2.02MWh/y and 3.47MWh/y per a 1kW small wind turbine installed at the altitude of 10 m and 21m, respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

5배 연간 에너지발생량이 큼을 알 수 있었다. 본 연구에서는 덕적도의 지형특성을 고려하지 않고 풍황 조건만을 반영하여 1kW의 소형풍력발전기를 설치할 경우의 연간 에너지발생량을 평가하였다.
본 연구에서는 인천 덕적도를 대상으로 하여 1kW 소형풍력발전기 설치에 따른 년간 예상발전량을 대한민국 바람지도 데이터를 기반으로 하는 기상측정 자료를 이용하여 산출하였다. 또한 소형풍력발전기 터빈의 설치높이에 따른 연간 발전량도 비교하여 분석하였다.

제안 방법

본 연구에서는 인천 덕적도를 대상으로 하여 1kW 소형풍력발전기 설치에 따른 년간 예상발전량을 대한민국 바람지도 데이터를 기반으로 하는 기상측정 자료를 이용하여 산출하였다. 또한 소형풍력발전기 터빈의 설치높이에 따른 연간 발전량도 비교하여 분석하였다.
그림에서 북쪽과 남쪽방향은 각각 1번 및 7번이며, 동쪽과 서쪽방향은 각각 4번과 10번이다. 바람장미는 바람 데이터를 이용하여 풍속과 풍향에 대한 12개의 구간을 설정하고, 이를 통계적으로 분석하여 도출하였다. 그림에서 알 수 있듯이, 북북서 방향으로 바람의 빈도가 높음을 알 수 있으며, 동풍 및 서풍은 상대적으로 빈도가 낮다는 것을 알 수 있다.
본 연구에서는 소형풍력단지용 1kW급 소형풍력을 선정하였으며, 덕적도의 연간 풍황 데이터를 고려한 연간 에너지 발전량을 예측하였다. 본 연구에서 적용한 1kW 소형풍력터빈의 연간 발전량을 예측하기 위한 수순은 Fig.
본 연구에서는 인천시 옹진군 덕적도를 대상으로 3년간의 대한민국 바람지도를 이용한 덕적도 풍황 데이터 및 12 방향의 풍황 구간별 풍력밀도 계산을 통하여 1kW 소형풍력발전기의 연간 에너지발생량(annual energy production)을 평가하였으며, 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
연간 풍력에너지생산량(AEP, Annual Energy Production)을 계산하기 위하여 구간별 평균풍속을 구하고, 이를 이용하여 풍력밀도(wind density)를 계산하였다. 풍력밀도는 단위면적당 풍력에너지로(P/A), 정의식은 아래의 식 (1)과 같다.
이와 같은 과정을 거쳐서 각 구간별 풍력발전량이 계산되고, 구간별 합을 일 년 동안 풍력발전을 통하여 확보할 수 있는 연간 에너지발전량(AEP, Annual Energy Production)으로 하였다.
풍력발전량은 풍력밀도를 이용하여 계산하였으며, 블레이드 회전면적을 고려하고 평가하였다.

대상 데이터

기상자료는 한국에너지기술연구원으로부터 제공받은 3km 해상도의 바람지도의 데이터를 기반으로 하였으며, 덕적도 인근 지역에 대한 모든 풍속과 풍향 데이터를 고려하여 평가하였다.
도서지역의 풍황 데이터는 한국에너지기술연구원이 2003년부터 2007년까지 5년간 수치기상 예측모델을 이용하여 영토 및 영해를 대상으로 1km×1km까지 풍황 데이터를 기반으로 한반도 국가바람지도(national wind atlas)를 구축하였다1-5).
본 연구에서 사용된 바람정보는 앞장에서 설명한 대한민국 바람지도을 이용하였으며, 바람지도 데이터는 인근측정 자료를 이용하여 기상예측 프로그램으로 재 작성된 바람정보이다. 바람정보는 3년간(2005년~2007년)의 정보를 기반으로 하였으며, 한 시간 간격으로 풍속정보와 풍향 정보 그리고 밀도와 압력 등의 대기 정보를 가지고 있다.
본 연구에서는 소형풍력팜으로 확장성을 고려하여 1kW급의 소형풍력발전기를 선정하였다.
도서지역의 풍황 데이터는 한국에너지기술연구원이 2003년부터 2007년까지 5년간 수치기상 예측모델을 이용하여 영토 및 영해를 대상으로 1km×1km까지 풍황 데이터를 기반으로 한반도 국가바람지도(national wind atlas)를 구축하였다^1-5). 실측자료는 LIDAR (light detection and ranging), SODAR (sonic detection and ranging) 등의 위성영상을 이용하였다. 김현구 및 황효정⁶⁾은 인천 무의도를 포함하여 5개 도서의 해상풍력단지 제안지역에 대한 풍력밀도, 풍속 등을 분석하여 해상풍력단지의 적합성을 평가하였다.

성능/효과

1) 2007년 12월부터 1개월간 대한민국 바람지도를 이용한 바람속도는 1kW소형풍력의 설치높이에 해당하는 10m 상공에서 4.9m/s이였으며, 지표면의 점성(viscous)효과의 영향으로 설치높이가 21m 및 72m로 높아질수록 기류속도도 5.9m/s 및 6.4m/s로 상승됨을 알 수 있었다.
2) 3년간의 덕적도 풍황데이터를 기반으로 12방향의 바람장미(windrose)를 분석하였으며, 덕적도의 지형위치에서는 북북서방향이 주방향임을 알 수 있었다.
3) 주방향인 북북서 방향에서는 10m/s 이상과 4m/s 이하의 낮은 바람이 모두 상대적으로 빈도가 높으며, 이는 주방향방향이 모두 높은 바람성분만 존재하는 것은 아님을 알 수 있었다.
4) 해발 21m의 바람측정 높이에서의 12방향 평균풍속의 구간 최고속도는 지면의 점성(viscosity)영향으로 10m 높이의 구간 최대풍속에 비해 31% 증가됨을 알 수 있었다.
5) 바람속도의 발생빈도는 설치높이 10m 및 21m의 경우 풍력발전기의 설치높이에 무관하게 3~5m/s 구간에서 가장 큼을 할 수 있었다.
6) 풍력밀도를 이용한 1kW 소형풍력발전기의 연간 에너지발생량은 풍력터빈의 설치높이 10m 및 21m에서 각각 2.02MWh/y 및 3.7MWh/y이며, 약 10m 설치고도 상승으로 발전량은 약 1.6배 상승함을 알 수 있었다.
소형풍력발전기의 설치높이가 높을수록 발전량도 증가하며, 본 계산의 경우 21m 설치의 1kW 풍력발전기가 10m 설치 높이에 비하여 약 1.5배 연간 에너지발생량이 큼을 알 수 있었다. 본 연구에서는 덕적도의 지형특성을 고려하지 않고 풍황 조건만을 반영하여 1kW의 소형풍력발전기를 설치할 경우의 연간 에너지발생량을 평가하였다.
36m/s까지의 분포를 나타낸다. 즉 최대속도는 10m 높이와 비교하여 약 31% 증가되었다. 바람의 풍속빈도는 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도서지역의 에너지 자립화를 위해 신재생에너지가 필요한 이유는 무엇인가?	최근 들어 국민행복과 삶의 질 향상을 위한 친환경 도시개발과 더불어 관광휴양 시설을 갖출 수 있는 도서지역이 새롭게 주목을 받고 있다. 도서개발은 보존과 개발 양면의 조화와 함께 고립된 지역특성을 고려한 에너지 및 물 자립 그리고 외부로의 무배출(zero discharge) 설계기술이 필요하다. 따라서 도서지역의 에너지 자립화를 위해 풍력, 태양광, 조류 등 신재생에너지가 기반이 되어야 한다.
	풍력발전의 특징은 무엇인가?	이 중에서 도서지역의 특성을 고려할 때 풍력발전은 발전효율이 상대적으로 높고 장기간 발전이 가능하여 적합한 에너지원으로 알려져 있다. 풍력발전을 위한 단지설계 초기단계에서는 단지 위치선정 과정과 단지 내 풍력발전기 배치설계 과정이 필요하다.
	단지 평가의 방법은 무엇이 있는가?	단지 평가는 기상측정 자료를 가지고 산술적으로 발전량을 예측하거나, 추가적으로 단지지형 데이터를 함께 이용하는 방법이 있다. 도서지방의 에너지 자립과 관광지 개발에는 대형풍력발전 못지않게 소형풍력발전기를 태양광 발전과 복합적으로 구성함으로써 보다 안정적인 에너지 공급이 가능하다.

참고문헌 (7)

Hyun-Goo Kim, Moon-Seok Jang and Ki-Wahn Ryu, 2013, "Wind Resource Assessment on the Western Offshore of Korea Using MERRA Reanalysis Data," Journal of Wind Energy, Vol. 4, No. 1, pp. 39-45.
Hyun-Goo Kim, Hwa-Un Lee and Woo-Sik Jung, 2005, "A Study on Establishment of a Wind Map of the Korean Peninsula (I. Evaluation of Offshore Wind Resources Using Remote-Sensing Data)," Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, Vol. 21, No. 1, pp. 63-72.
Hyun-Goo Kim, Moon-Seok Jang, Yong-Heack Kang and Kwang-Deuk Kim,, 2010, "National Wind Map Database and Visualization Program," Proceeding of the winter conference of Korean Solar Energy Society, Vol. 30, No. 2, pp. 1-3.
National Wind Atlas (http://www.kier- wind.org/)
Technical Report, 2009, "Establishment of High-Resolution Korea Offshore Wind Resource Map and Development of Suitability Assessment System for Offshore Wind Farm Siting ," Ministry of Trade, Industry and Energy .
Hyun-Goo Kim and Hyo-Jung Hwang, 2010, "Review on The Proposed Offshore Wind Farm Projects Using National Wind Atlas and National Geographic Information," Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 30, No. 5, pp. 44-55.
Report on Eco-Island Project, Incheon City, Korea, 2013.

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