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문제 정의
- 본 연구에서는 제주특별자치도 가시리육상풍력 단지의 기상탑에서 측정된 데이터와 풍력터빈 SCADA 데이터를 이용하여 단일 풍력터빈 후류에서의 풍속저감 및 난류강도 변화율을 분석하였다. 분석결과인 풍속저감 및 난류강도변화율은 후류에서의 풍속저감 예측을 위한 eddy viscosity 모델과 후류 난류강도 예측을 위한 Lange 모델을 이용한 해석결과와 비교∙ 검증되었고, 사용된 두 후류모델들의 예측 정확도를 제시하였다.
가설 설정
- Eddy viscosity 모델의 경계조건으로써, Ainslie 는 로터직경의 2 배(2 D) 떨어진 곳에서 후류유동이 시작된다는 가정과 함께 로터디스크 후단거리 x 만큼 떨어진 곳에서의 속도분포는 가우시안분포 (Gaussian distribution)를 따른다는 경계조건을 사용 하였다. 가우시안 속도분포 식은 식 (6)과 같이 주어진다.
제안 방법
- 의 기준에 준하여 20 년 내구수명을 갖도록 설계되며 설계수명 20 년 동안 견딜 수 있는 난류강도의 크기에 따라 난류강도등급 A, B 그리고 C 로 구분된다. 가시리풍력단지에 설치된 풍력터빈은 난류강도등급 A 로써 국제표준 IEC 61400-1 이 규정하는 대표난류강도(representative T.I.) 값이 설계에 반영되었으며, 이 대표난류강도에 의해 발생하는 피로하중을 견딜 수 있도록 설계되었다. 그러나 전술한 바와 같이 후류영역에 놓인 풍력터빈은 높은 난류강도의 영향을 받게 된다.
- 8은 북동쪽(NE)에서 바람이 불어올 경우 #1 풍력터빈의 후류영향을 받는 #2 풍력터빈을 나타내고 있다. 난류등급 A 인 #2 풍력터빈은 풍속 7m/s 조건에서 난류강도(representative T.I.) 24.8%를 견딜 수 있도록 설계되었으며, 풍속 11m/s 에서는 20.1%, 15m/s 에서는 17.9%의 난류강도를 견디도록 설계되었다. Lange 모델에 의해 #1 풍력터빈의 후류영향을 받는 #2 풍력터빈의 유효난류강도를 Fig.
- 또한 기상탑과 후류중심과의 반경거리 ‘r ’ 변화에 따라 풍속저감이 어떻게 나타나는지를 고찰하기 위해 풍향변화 조건을 정의하였다.
- 본 연구에서는 가시리 풍력발전단지에서 측정된 풍황 데이터와 eddy viscosity 및 Lange 후류모델을 이용한 해석결과의 비교를 통해 풍력터빈 후류 유동특성 및 후류모델 예측정확도를 분석하였다.
- 본 연구에서는 기상탑과 #1 풍력터빈 모두가 주변 터빈의 후류영향을 받지 않는 조건인 340°~ 20°(NE) 구간에서 바람이 불어올 때, 기상탑과 나셀 풍속계로부터 측정된 풍속의 비교를 통해 나셀변환함수를 도출 하였다.
- 본 연구에서는 후류 풍속저감 정도를 확인하기 위해 7m/s, 11m/s, 15m/s 조건의 자유단 풍속(보정 후 나셀풍속)과 풍력터빈 후류영역에 위치한 기상탑 측정풍속 결과를 비(ratio)로 나타내었다. 또한 기상탑과 후류중심과의 반경거리 ‘r ’ 변화에 따라 풍속저감이 어떻게 나타나는지를 고찰하기 위해 풍향변화 조건을 정의하였다.
- 후류에서의 난류강도 값은 후류영역에 놓이게 되는 기상탑에서 직접 측정되었으며, 후류에서의 풍속저감과 마찬가지로 후류중심에서 벗어남에 따른 난류강도의 변화를 관찰하기 위해 후류중심각인 144°을 중심으로 좌·우 4°의 풍향 간격으로 측정 데이터를 구분하여 난류강도 값을 관찰하였다.
대상 데이터
- 풍력터빈 후류분석을 위해 2012년 4월부터 2013년 9월까지 총 1년 5개월 동안 측정된 기상 탑 데이터 (풍속, 풍향, 난류강도)와 풍력터빈 SCADA 시스템에 의해 측정된 풍속 데이터가 함께 사용되었다. 기상탑은 가시리풍력단지 내에 설치된 70m 높이의 기상탑으로써 35m, 68m 그리고 70m 높이에 풍속계가 위치하며, 66m 와 67m 높이에 풍향계가 위치하고 있다. 그 외 온도, 습도, 대기압 등을 측정할 수 있는 센서들이 설치되어 사이트에서의 대기 조건변화를 측정할 수 있다.
- 본 연구에서는 #1 풍력터빈으로부터 유발되는 단일후류 영향을 분석하기 위해 기상탑 측정 데이터의 풍향범위를 112°~ 176°로 한정하였다.
- 풍력터빈 후류분석을 위해 2012년 4월부터 2013년 9월까지 총 1년 5개월 동안 측정된 기상 탑 데이터 (풍속, 풍향, 난류강도)와 풍력터빈 SCADA 시스템에 의해 측정된 풍속 데이터가 함께 사용되었다. 기상탑은 가시리풍력단지 내에 설치된 70m 높이의 기상탑으로써 35m, 68m 그리고 70m 높이에 풍속계가 위치하며, 66m 와 67m 높이에 풍향계가 위치하고 있다.
데이터처리
- 본 연구에서는 기상탑과 #1 풍력터빈 모두가 주변 터빈의 후류영향을 받지 않는 조건인 340°~ 20°(NE) 구간에서 바람이 불어올 때, 기상탑과 나셀 풍속계로부터 측정된 풍속의 비교를 통해 나셀변환함수를 도출 하였다. 기상탑과 나셀 풍속계로부터 각각 측정된 데이터의 비교를 위해 Windographer v3.1(9)을 이용하였으며 최종적으로 도출된 나셀변환함수는 식(1)과 같다.
- 본 연구에서는 제주특별자치도 가시리육상풍력 단지의 기상탑에서 측정된 데이터와 풍력터빈 SCADA 데이터를 이용하여 단일 풍력터빈 후류에서의 풍속저감 및 난류강도 변화율을 분석하였다. 분석결과인 풍속저감 및 난류강도변화율은 후류에서의 풍속저감 예측을 위한 eddy viscosity 모델과 후류 난류강도 예측을 위한 Lange 모델을 이용한 해석결과와 비교∙ 검증되었고, 사용된 두 후류모델들의 예측 정확도를 제시하였다.
이론/모형
- Eddy viscosity 모델을 사용하여 후류에서의 풍속 저감을 계산하기 위해 RES 의 simplified method(13)가 사용되었으며, 최종적으로 후류중심에서의 풍속저감은 식 (14)와 같이 1 차 미분방정식으로 나타내어진다.
- 각각의 후류모델 해석결과는 Matlab 을 이용한 수치해석을 통해 얻었다. 후류에서의 속도저감 및 난류강도를 계산하기 위해 초기 입력값들이 필요하며, 수치해석에 필요한 변수값들로써 자유단에서의 풍속, 주변난류강도, 지표면 거칠기, 로터직경, 풍력터빈으로부터의 후방거리 그리고 풍력터빈 추력계수 및 주속비가 필요하다.
- 그러나 전술한 바와 같이 후류영역에 놓인 풍력터빈은 높은 난류강도의 영향을 받게 된다. 따라서 후류 영역에서 운전되는 풍력터빈이 영향을 받게되는 난류강도 값이 설계기준인 대표난류강도 범위 이내에 해당되는지 여부가 검토될 필요가 있으므로, 풍력단지 내에 실제 풍력터빈 설치지점에서의 유효난류강도(effective T.I.)를 Lange 모델을 이용하여 예측하였다.
- 출력성능에 영향을 미치는 후류 풍속저감과 마찬가지로 풍력터빈 후류에서의 난류강도 특성 또한 매우 중요한 후류 유동특성이며, 이는 주로 풍력터빈의 피로수명에 영향을 미친다. 이러한 난류 강도 특성은 Bernhard Lange 등(12)에 의해 제안된 Lange 후류모델을 적용하여 계산될 수 있다. Lange 모델에서 후류 난류강도 증분은 식 (11)과 같이 속도구배와 확산(diffusion)에 의해 결정된다.
성능/효과
- 측정데이터 분석결과 후류중심에서 풍속저감이 가장 크게 나타났으며, 자유단 풍속이 낮을수록 풍속저감은 증가하였다. Eddy viscosity 후류모델은 후류중심에서의 풍속저감을 과대예측하는 경향을 보이며 자유단 풍속이 낮을수록 낮은 예측정확도를 보였다. 반대로 Lange 모델은 자유단 풍속이 높을수록 낮은 예측정확도를 보였다.
- 1에 나타내었듯이 이 방위 전방 800m 떨어진 곳에 오름이 위치하고 있기 때문이다. 난류강도의 측정값에서 보인 경향과 마찬가지로 Lange 후류모델에 의한 난류강도 역시 자유단 풍속이 낮을수록 후류에서의 난류강도 증가율은 커지고 있으며, 후류중심각에서 멀어질수록(후류영역을 벗어날수록) 난류강도 값은 점차 감소하고 있음을 알 수 있다.
- (4) 자유단에서의 풍속범위가 7m/s ~ 11m/s 이고, 풍력터빈의 이격거리가 7 D 인 조건에서 측정된 결과를 통해 안정된 대기상태에서 후류영향에 노출된 풍력터빈의 출력 감소율이 불안정 대기상태에서보다 약 4% 더 높게 나타난다고 보고하였다. 또한 일렬로 배치된 풍력터빈들이 중첩후류의 영향을 받을 경우, 두 번째에 위치하는 풍력터빈의 출력감소율이 세 번째에 위치하는 풍력터빈의 출력감소율보다 약 1% 더 높게 나타나고 있음을 보였다.
- 5 D 떨어진 지점에서는 최대 35%의 풍속저감율이 나타났다. 또한 풍속의 변동성을 나타내는 표준편차값은 풍력터빈 후류에서 크게 증가하고 있음을 제시하였는데, 특히 후류영역에서 측정된 풍속이 높을수록 표준편차값 역시 높게 나타나고 있음을 보였다.
- 따라서 이러한 유동예측에 영향을 주는 인자요소를 포함하지 못한 후류모델의 오차라고 할 수 있을 것이다. 마지막으로 Lange 모델을 이용하여 단일후류영향을 받는 풍력터빈이 겪을 수 있는 난류 강도를 예측해 보았고, 결과로써 특정 풍속조건에서는 설계 값보다 높은 난류강도를 겪을 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 난류강도는 풍속 5m/s 부터 점차 증가하다가 13m/s 부근을 기점으로 다시 감소하고 있다. 본 연구에서는 자유단 풍속이 7m/s, 11m/s 그리고 15m/s 일 때 풍력터빈의 후류영향을 분석하였으며, 이때 자유단에서의 난류강도 값은 12.06%, 12.76%, 12.59%로 측정되었다.
- 본 연구에서는 풍력터빈 후방거리 2.5 D 지점에서의 후류영역 이탈 상대각도는 후류중심(144°)을 기준으로 좌측 32°와 우측 26° 부근에서 나타나고 있으며, 이에 따른 전체 후류 폭은 162m~200m 정도로 판달 할 수 있다.
- 에서는 실증용 풍력터빈의 후류특성을 측정하고 후류영향 분석결과를 제시하였다. 분석결과, 풍력터빈으로부터 2.5 D 떨어진 후류영역에서 자유단(free stream) 풍속대비 최대 45%의 풍속저감율이 나타났으며, 3.5 D 떨어진 지점에서는 최대 35%의 풍속저감율이 나타났다. 또한 풍속의 변동성을 나타내는 표준편차값은 풍력터빈 후류에서 크게 증가하고 있음을 제시하였는데, 특히 후류영역에서 측정된 풍속이 높을수록 표준편차값 역시 높게 나타나고 있음을 보였다.
- 72%로 증가되었음을 확인할 수 있으며, 이는 풍력터빈 후류에서의 난류강도가 자유단 대비 96% 증가하였음을 나타낸다. 자유단에서의 난류강도가 12.76%(풍속 11m/s)일 때 후류중심에서의 난류강도 증가율은 60%, 자유단에서의 난류강도가 12.59%(풍속 15m/s)일 때는 38%의 난류강도 증가율을 보이고 있는데, 풍력터빈으로 불어오는 자유단 풍속이 낮을수록 후류에서의 난류강도 증가율은 커지고 있음을 알 수 있다. 후류중심 144°를 기준으로 Fig.
- 7은 후류중심각 144°을 기준으로 풍향변화에 따라 측정된 후류에서의 난류강도를 보여주고 있다. 자유단풍속이 7m/s 이고 이때의 난류강도가 12.06%이면 풍력터빈을 거친 후 2.5 D 떨어진 후류중심에서의 난류강도는 23.72%로 증가되었음을 확인할 수 있으며, 이는 풍력터빈 후류에서의 난류강도가 자유단 대비 96% 증가하였음을 나타낸다. 자유단에서의 난류강도가 12.
- 측정 데이터의 분석결과, 자유단 풍속이 높고 상대각도 ‘ θ ’가 클수록 후류 풍속비가 증가 하였다.
- 측정데이터 분석결과 후류중심에서 풍속저감이 가장 크게 나타났으며, 자유단 풍속이 낮을수록 풍속저감은 증가하였다. Eddy viscosity 후류모델은 후류중심에서의 풍속저감을 과대예측하는 경향을 보이며 자유단 풍속이 낮을수록 낮은 예측정확도를 보였다.
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