[논문]CFD를 이용한 등가풍속 산정과 대기안정도에 따른 연안풍력단지 발전량 변화 연구

류건화; 김동혁; 이화운; 박순영; 김현구

doi:10.5322/jesi.2016.25.2.247

CFD를 이용한 등가풍속 산정과 대기안정도에 따른 연안풍력단지 발전량 변화 연구
A Study of Energy Production Change according to Atmospheric Stability and Equivalent Wind Speed in the Offshore Wind Farm using CFD Program 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.25 no.2, 2016년, pp.247 - 257

류건화 (부산대학교 지구환경시스템학부) , 김동혁 (부산대학교 환경연구원) , 이화운 (부산대학교 지구환경시스템학부) , 박순영 (부산대학교 환경연구원) , 김현구 (한국에너지기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

To predict annual energy production (AEP) accurately in the wind farm where located in Seongsan, Jeju Island, Equivalent wind speed (EQ) which can consider vertical wind shear well than Hub height wind speed (HB) is calculated. AEP is produced by CFD model WindSim from National wind resource map. EQ shows a tendency to be underestimated about 2.7% (0.21 m/s) than HB. The difference becomes to be large at nighttime when wind shear is large. EQ can be also affected by atmospheric stability so that is classified by wind shear exponent (${\alpha}$). AEP is increased by 11% when atmosphere becomes to be stabilized (${\alpha}$ > 0.2) than it is convective (${\alpha}$ < 0.1). However, it is found that extreme wind shear (${\alpha}$ > 0.3) is hazardous for power generation. This results represent that AEP calculated by EQ can provide improved accuracy to short-term wind power forecast and wind resource assessment.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

현재, 풍력발전에 관련된 IEC (International Electrotechnical Commission)규정은 대기안정도가 근중립상태라는 가정 하에 허브고도 풍속만을 이용한 발전량 산출을 행하고 있어서 과대모의 하는 경향이 있기에 이에 따른 정확도 향상이 요구되어진다. 따라서 본 연구에서는 연안지역인 제주도 서귀포에 위치하는 성산풍력단지에서 경계층 내 로터디스크를 포함하는 고도 내의 등가풍속을 이용한 발전량과 허브고도풍속을 이용한 발전량 사이의 관계에 대해 알아보고 더 나아가 연직시어계수 α값을 토대로 분류한 대기안정도에 따라 등가풍속을 이용한 발전량의 변화특성을 알아보고자 한다.

제안 방법

윈드시어와 난류강도, TKE(Turbulence Kinetic Energy, 난류운동에너지)는 본질적으로 관련이 있기에 같이 고려하는 것이 중요하지만 허브고도 풍속만으로는 이러한 요인들을 모두 고려할 수 없다. 이에, 로터디스크내의 연직 바람시어와 대기안정도가 풍속변화에 미치는 효과를 분석하고 발전량에는 어떤 영향을 미칠 수 있는지 알아보고자 본 연구에서는 등가풍속을 이용한 발전량과 허브고도 풍속을 이용한 발전량을 비교하고 또한 상하층 풍속차이로 계산된 멱지수를 통해 안정도를 분류하고 그에 따른 발전량 변화를 분석하였다. 그 결과는 다음과 같다.

대상 데이터

연구대상지역은 Fig. 1(a)에 나타난 바와 같이 제주도 서귀포시 성산읍 수산리에 위치한 성산풍력 제 2단지로, 터빈은 덴마크의 풍력발전기업인 Vestas사에서 개발한 Vestas V80모델로써 2 MW의 용량을 가지며 4기가 설치되어 있다. 허브높이는 78 m, 로터직경은 80 m이며 가동풍속과 정지풍속은 각각 4.
0 m/s이다. 풍력발전량 예측을 위한 기상자료로는 한국에너지기술연구원에서 제작한 국가풍력자원지도를 사용하였다(Fig. 1(b)). 연구기간은 2005년 1월 1일부터 2007년 12월 31일까지 3년간이다.

이론/모형

멱지수를 이용한 안정도 분류법으로 계산된 성산지역 대기안정도의 일변화를 Fig. 7에 나타내었다. 일출 후 오후에 가까워질수록 지표면이 가열되면서 일중 대기 불안정의 출현빈도가 점차 증가하게 되고 동시에 안정한 빈도는 줄어들게 된다.

성능/효과

(2) 연직바람시어를 고려한 등가풍속으로 산정한 AEP는 허브고도의 풍속만으로 산정한 AEP보다 적게산출되는 경향을 보였다. 그 차이는 터빈 1개당 평균251.
(3) 안정도에 따른 발전량의 일변화를 살펴보았을 때,약한 연직시어는 발전량과 음의 상관관계를 가지고, 안정할 때와 비교했을 때 약 11%정도 낮은 발전량을 보였다. 이는 성산풍력단지가 고도가 낮고 평탄하며 단순한지형에 위치해있기 때문에 산악지형보다는 작은 수치의 차이를 가지는 것으로 보인다.
주 · 야간, 계절에 따른 대기안정도의 변화는 풍향, 풍속에 큰 영향을 주게 되어 터빈의 발전량을 좌우하게 된다. 본 연구의 결과는 등가풍속을 통해 계산된 AEP로 인해 단기풍력예보와 풍력자원평가에 향상된 정확도를 제공할 수 있음을 보여준다.

후속연구

(1) 멱지수를 이용한 분석은 대기안정도를 판별하는 데 있어서 대략적인 방법일 뿐이다. 그러므로 연직적인 온도분포나 더 조밀한 고도풍속자료를 통한 안정도 분석이 추가적으로 필요하다.
(3) 성산단지에 대한 실제 발전량과의 비교분석이 추가적으로 필요하다. 수치 모의된 AEP와 실제 AEP를 비교해서 연직시어와 안정도를 필수적으로 고려해야 한다는 것을 증명하는 연구가 진행되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	등가풍속은 어떻게 구할 수 있는가?	그러므로 로터면적에 해당하는 영역 내의 정확한 풍속계산은 발전량 산정에 있어서 필수적인 요인이다. 로터면적을 일정영역으로 나누어 면적에 비례한 가중치를 고도별 풍속에 부여해서 등가풍속을 산출할 수 있다. 등가풍속 개념을 이용하면 로터 면적 내바람의 연직적인 변화를 포함시킨 풍속값을 산출해 낼 수 있다.
	등가풍속이 허브고도풍속보다 과소모의 된 결과를 초래하게 된 원인은 무엇인가?	이는 결과적으로 등가풍속이 허브고도풍속보다 과소모의 된 결과를 초래하였다. 지표면 근처의 풍속이 연직적으로 매우 급격하게 변화하는 것을 고려할 때 허브높이 아래에서는 상대적으로 약한 풍속이 등가풍속 산정에 반영되기 때문이다.
	정확한 바람자원 산출이 어려운 이유는 무엇인가?	터빈에 의해 생산되는 풍력에너지는 대체로 허브높이 근처의 풍속에 의존한다. 그러나 일반적으로 풍력발전기와 블레이드가 위치하는 대기 경계층 하부의 바람은 지표 마찰에 의한 기계적 강제력과 지표면 가열 등에 의한 열적 강제력이 동시에 존재하기 때문에 정확한 바람자원 산출이 매우 어렵다(Yoo et al., 2012).

참고문헌 (17)

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