[논문]해상기상탑과 윈드 라이다의 높이별 풍황관측자료 비교

김지영; 김민석

doi:10.9765/kscoe.2017.29.1.12

해상기상탑과 윈드 라이다의 높이별 풍황관측자료 비교
A Comparison of Offshore Met-mast and Lidar Wind Measurements at Various Heights 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.29 no.1, 2017년, pp.12 - 19

초록
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풍력 개발을 위한 해상기상탑은 초기 설치비와 유지보수비가 크기 때문에 윈드 라이다와 같은 원격관측장비를 이용하여 기상탑을 대체할 필요가 있다. 본 연구에서는 해상기상탑에서 윈드 라이다를 동시 운영하고 수집된 풍속 및 풍향의 관측결과를 상호 비교하여 윈드 라이다의 적용성을 검증하였다. 높이별 풍속 및 풍향 관측결과 두 자료간의 크기 및 경향 등의 통계적 특성 차이는 거의 없으며, 기상탑 관측자료는 구조물 차폐영향에 의한 오차가 발생하는 반면, 윈드 라이다는 오차가 없는 보다 정확한 자료를 얻을 수 있는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

There is a need to substitute offshore met-mast with remote sensing equipment such as wind lidar since the initial installation and O&M costs for offshore met-mast are quite high. In this study, applicability of wind lidar is verified by intercomparison test of wind speed and direction data from offshore met-mast and wind lidar for simultaneous operational period. Results at various heights show no statistical difference in trend and size and data from wind lidar is found to be more accurate and have less error than data from offshore met-mast where error from structural shading effect is significant.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

반면 윈드 라이다와 같은 원격장비를 이용할 경우 탑구조물이 존재하지 않기 때문에 차폐영향을 받지 않는 장점이 있다. 본 연구에서는 라이다 자료를 이용하여 기상탑 관측자료의 차폐영향 정도를 파악해 보았다. 해모수 1호의 기상탑 평면구조는 Fig.
본 연구에서는 풍력 개발 시 요구되는 특정 고도의 풍황 관측을 기존 기상탑 대신 원격관측장비인 윈드 라이다를 이용하여 수행하기 위하여 해상에서의 관측결과를 비교하였다. 기상탑의 경우 구조물 차폐영향에 의한 관측오차가 발생되며, 자료분석 시 이러한 자료를 배제하여 분석함으로써 정확도를 향상시킬 필요가 있으나, 윈드 라이다를 이용할 경우 풍속 및 풍향의 크기, 편차, 경향 등에 있어 기존 기상탑 풍향·풍속계와 거의 동일한 수준의 관측결과를 얻을 수 있으며, 구조물에 의한 차폐영향이 없는 보다 정확한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
이상의 사례로 볼 때 라이다 장비 자체의 관측품질은 타 방식과 비교해도 손색이 없는 것을 알 수 있다. 이에 본 연구에서는 윈드 라이다를 이용하여 해상기상탑을 완전히 대체할 수 있는지에 대하여 재검증하고자 해상환경에서 운영하기에 적합한 소형화 및 경량화되고 저전력소모를 특징으로 하는 1차원 수직방향 측정 도플러라이다 방식의 장비를 직접 해상기상탑 플랫폼에서 운영하며 장비 가용률을 확인하고, 기존 기상탑과 신규 라이다의 관측결과를 상호 비교하여 각 관측결과의 정확도를 교차 검증하고자 한다.

제안 방법

5는 각 높이에서 측정 풍향별 기상탑 풍속대비 라이다 풍속비를 나타내며, 높이 56 m와 76 m 결과를 보면 역시 동풍계열의 바람이 불 경우 기상탑 차폐영향으로 기상탑 풍속이 약 20~60% 감소되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 이하 비교 분석에서는 높이 56~76 m에서는 차폐영향 방위각구간을 70^o~120^o, 높이 97 m에서는 162^o~170^o로 설정하여 구간 내에 있는 자료를 포함하는 경우와 제거한 경우에 대하여 분석하였다.
8% 이상 확보되어 가용률 측면에서 라이다 장비만으로 기상탑 대체가 충분할 것으로 판단된다. 자료 가용률 저하 원인을 찾고자 Fig. 3과 같이 인근 고창기상관측소의 일일 강수량 자료와 일평균 PM10 및 PM2.5농도 자료를 라이다의 일일 자료 가용률과 함께 비교하였다. 앞서 소개한 Kim et al.
해상기상탑과 윈드 라이다의 동시 관측결과를 비교하기 위하여 Fig. 1과 같이 해상기상탑 해모수 1호 플랫폼에 윈드 라이다를 설치하여 동시 관측을 수행하였으며, Table 1과 같이 자료를 확보하여 분석하였다. 해모수 1호는 서남해 해상풍력개발을 목적으로 전북 부안군 해역에 설치되어 2011년부터 현재까지 운영되고 있으며, 관측시설 정보와 자료분석 사례는 Ko et al.

데이터처리

여기서, I는 난류강도, σ는 풍속 표준편차, $\bar{u }$는 풍속 평균을 나타내며, 본 연구에서는 1초 관측자료의 10분단위 표준편차와 평균을 이용하였다.

이론/모형

(2015), Kim and Kim(2016) 등에 의하여 소개된 바가 있다. 윈드 라이다 장비는 1차원 수직방향으로 높이별 풍속과 풍향을 측정하는 프랑스 Leosphere사의제품을 사용하였다. 이 장비의 주요 제원은 Table 2와 같고 4개의 경사빔과 1개의 수직빔으로부터 대기 중의 에어로졸 등의 입자 이동을 감지하여 풍속과 풍향을 측정한다.

성능/효과

9%로 일정하게 나타났으며, 해모수 기상탑 자료는 모든 높이에서 100% 확보되었음을 확인하였다. 그리고 윈드 라이다의 경우 관측높이 180 m 이상부터 가용률이 다소 저하되었으나 최소 99.8% 이상 확보되어 가용률 측면에서 라이다 장비만으로 기상탑 대체가 충분할 것으로 판단된다. 자료 가용률 저하 원인을 찾고자 Fig.
12는 각 방위별 두 풍향 관측자료간의 편차를 표시한 그림으로, 3개 높이 모두에서 270^o 전후 구간에서 양의 편차를 보이고 있다. 기상탑 첨두 수직붐대에는 풍속계만 설치되어 높이 97 m 관측자료 분석 시 풍속은 97 m 풍속계 관측자료를 사용하고 풍향은 높이 95 m에 설치된 풍향계 자료를 사용하였기 때문에 97 m 자료 역시 다른 높이와 마찬가지로 서편에 위치한 기상탑 구조물의 차폐 영향을 받는 것을 확인할 수 있다. Table 4는 관측풍향간의 평균 편차로, 전체 편차의 평균치와 각 시점별 편차의 절대값에 대한 평균치를 보여준다.
기상탑의 경우 구조물 차폐영향에 의한 관측오차가 발생되며, 자료분석 시 이러한 자료를 배제하여 분석함으로써 정확도를 향상시킬 필요가 있으나, 윈드 라이다를 이용할 경우 풍속 및 풍향의 크기, 편차, 경향 등에 있어 기존 기상탑 풍향·풍속계와 거의 동일한 수준의 관측결과를 얻을 수 있으며, 구조물에 의한 차폐영향이 없는 보다 정확한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
기상탑의 경우 구조물 차폐영향에 의한 관측오차가 발생되며, 자료분석 시 이러한 자료를 배제하여 분석함으로써 정확도를 향상시킬 필요가 있으나, 윈드 라이다를 이용할 경우 풍속 및 풍향의 크기, 편차, 경향 등에 있어 기존 기상탑 풍향·풍속계와 거의 동일한 수준의 관측결과를 얻을 수 있으며, 구조물에 의한 차폐영향이 없는 보다 정확한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다. 또한 윈드 라이다 자료를 이용하여 기상탑의 차폐 영향에 의한 자료 오차 발생정도를 정량적으로 파악할 수 있었다. 자료 가용률 측면에서도 관측높이별로 차이가 없이 우수한 성능을 보이며, 기상환경 영향에 의한 자료 결측이 거의 나타나지 않아 원격관측방식의 한계점 또한 보이지 않았다.
10은 12개 방위별 출현율을 나타내는 바람장미도이며 두 자료가 거의 유사한 경향을 보이고 있으나 약간의 차이는 보이고 있다. 보다 정량적인 비교를 위하여 Fig. 11과 같이 각 풍속크기별 두 관측풍향간의 편차를 산출하였으며, 3개 높이에서 공통적으로 저풍속구간에서 편차가 다소 크게 나타나고 풍속 12~14 m/s 구간에서 기상탑 풍향계가 다소 크게 관측되는 경향이 나타났다. 저풍속 구간에서 풍향편차가 크게 나타나는 것은 기상탑의 풍향계(wind vane) 특성에서 기인된다고 볼 수 있다.
기존 연구결과는 미세먼지 농도가 높은 서울 도심에서 높이 400 m 이상의 고층관측에 따른 결과를 분석하였으나, 본 연구에서는 해상에서의 관측이고 높이가 200 m 이하로 한정되었으며 관측장비도 성능이 개선된 최근 장비를 사용하였기 때문에 기존 연구와 직접적인 비교가 어려울 수 있다. 본 연구에 이용된 PM10 농도 자료의 경우 결측일이 많았지만 PM2.5 농도자료와 변화추이가 유사하여 결측구간이 적은 PM2.5 농도 변화에 따른 라이다 관측자료 가용률의 변화를 비교해볼 수 있었다. 대기의 미세먼지 농도가 라이다 관측자료의 가용률에 직접적인 영향을 준다고 보기 어려웠으나, 관측거리가 가장 긴 높이 200 m 자료를 보면 강우가 지속되어 낮은 PM 농도가 유지될 경우 자료 결측이 발생할 가능성이 높아질 수 있음을 어느 정도 추정해볼 수 있다.
따라서 먼저 측정자료의 가용률을 확인하였다. 분석대상기간이 충분히 길지 않아서 계절별 영향 등 다양한 기상환경이 충분히 반영되지 못한 부분이 있지만 약 3개월간의 관측결과는 자료 가용률이 충분히 확보되는 것을 확인할 수 있었다. 확보되어야할 총 자료수는 12,096개(84일×144개/일)이며, Fig.
이에 대해서는 보다 장기 관측자료를 수집하여 분석할 필요가 있겠다. 이상과 같이 원격관측장비 특성상 대기조건에 따라서 자료의 가용률이 저하될 수 있으나 관측기간 중에는 높이 160 m 이하에서 일자료 가용률이 97% 이상을 유지하며 전반적으로 자료 결측 가능성이 매우 낮아 윈드 라이다 장비의 단독 활용성은 충분한 것으로 보인다.
(2010)이 독일 FINO1 해상기상탑에서 1년 관측자료를 비교한 사례가 있으며, 높이별 관측결과가 서로 잘 일치함을 확인하였다. 이상의 사례로 볼 때 라이다 장비 자체의 관측품질은 타 방식과 비교해도 손색이 없는 것을 알 수 있다. 이에 본 연구에서는 윈드 라이다를 이용하여 해상기상탑을 완전히 대체할 수 있는지에 대하여 재검증하고자 해상환경에서 운영하기에 적합한 소형화 및 경량화되고 저전력소모를 특징으로 하는 1차원 수직방향 측정 도플러라이다 방식의 장비를 직접 해상기상탑 플랫폼에서 운영하며 장비 가용률을 확인하고, 기존 기상탑과 신규 라이다의 관측결과를 상호 비교하여 각 관측결과의 정확도를 교차 검증하고자 한다.
6은 높이 97 m에서의 윈드 라이다와 해모수 1호 풍속계에서 관측된 10분 평균풍속의 시계열 일부 구간을 보여주는 것으로 두 자료가 거의 일치하는 것으로 보인다. 정량적 비교를 위하여 Fig. 7과 같이 x-y plot을 통해 풍속크기별 적합도를 보면 모든 자료를 포함하는 경우 결정계수 R²가 높이별로 0.9921, 0.9943, 0.9985로 나타났고, 구조물 차폐영향을 받는 구간의 자료를 제외할 경우 0.9967, 0.9984, 0.9993로나타나 두 자료가 잘 일치하는 것을 알 수 있다. Table 3은 풍속자료 전체기간의 평균과 표준편차를 나타내는 것으로, 차폐영향을 받는 자료를 포함하는 경우 라이다와 기상탑 풍속계 간의 평균풍속비가 99.
차폐영향 자료를 제외할 경우 56~76 m의 경우 차폐영향을 받은 저풍속 자료가 많이 제외되어 평균풍속이 97 m 결과보다 크게 나타났으며, 자료간 차이도 더욱 감소하였다. 표준편차 비는 차폐영향 자료를 배제하지 않아도 두 자료간의 차이가 매우 작았으며, 차폐영향 자료를 배제하였을 때 그 차이가 보다 감소하였다.
확보되어야할 총 자료수는 12,096개(84일×144개/일)이며, Fig. 2에 나타낸바와 같이 윈드 라이다 관측자료는 관측높이 160 m 이하에서 총 11개가 누락되어 가용률 99.9%로 일정하게 나타났으며, 해모수 기상탑 자료는 모든 높이에서 100% 확보되었음을 확인하였다.

후속연구

다만 본 연구결과는 이용 자료의 기간이 3개월 정도밖에 되지 않아 1년 이상의 장기간 자료를 확보하여 계절영향 및 대기환경 조건 등에 따른 자료 가용률 변화 등에 관한 보다 심도 있는 연구가 필요해 보인다. 그러나 이상의 결과만으로도 향후 높이별 풍황 관측 시 윈드 라이다가 기상탑을 충분히 대체할 수 있을 것으로 판단되며 보다 경제적이고 효율적인 관측을 수행할 수 있을 것으로 기대된다.
자료 가용률 측면에서도 관측높이별로 차이가 없이 우수한 성능을 보이며, 기상환경 영향에 의한 자료 결측이 거의 나타나지 않아 원격관측방식의 한계점 또한 보이지 않았다. 다만 본 연구결과는 이용 자료의 기간이 3개월 정도밖에 되지 않아 1년 이상의 장기간 자료를 확보하여 계절영향 및 대기환경 조건 등에 따른 자료 가용률 변화 등에 관한 보다 심도 있는 연구가 필요해 보인다. 그러나 이상의 결과만으로도 향후 높이별 풍황 관측 시 윈드 라이다가 기상탑을 충분히 대체할 수 있을 것으로 판단되며 보다 경제적이고 효율적인 관측을 수행할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍력 개발을 위해서는 어떤 분석이 필요한가?	풍력 개발을 위해서는 사업 타당성 평가 및 기기 설계를 위한 대상 지역의 정확한 높이별 풍황 등의 기상환경 관측과 분석이 필요하다. 이를 위하여 풍력단지 개발자는 높이 100 m에 이르는 기상탑을 건설하여 장기간 관측을 수행하며, 기상 탑에는 일반적으로 10~20 m 간격으로 각 높이별 풍속계 및 풍향계 등의 계측센서가 설치되어 운영된다.
	풍력 개발 시 요구되는 특정 고도의 풍황 관측을 기존 기상탑 대신 원격관측장비인 윈드 라이다를 이용하여 수행하기 위하여 해상에서의 관측결과를 비교한 결과는?	본 연구에서는 풍력 개발 시 요구되는 특정 고도의 풍황 관측을 기존 기상탑 대신 원격관측장비인 윈드 라이다를 이용하여 수행하기 위하여 해상에서의 관측결과를 비교하였다. 기상탑의 경우 구조물 차폐영향에 의한 관측오차가 발생되며, 자료분석 시 이러한 자료를 배제하여 분석함으로써 정확도를 향상시킬 필요가 있으나, 윈드 라이다를 이용할 경우 풍속 및 풍향의 크기, 편차, 경향 등에 있어 기존 기상탑 풍향·풍속계와 거의 동일한 수준의 관측결과를 얻을 수 있으며, 구조물에 의한 차폐영향이 없는 보다 정확한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다. 또한 윈드 라이다 자료를 이용하여 기상탑의 차폐 영향에 의한 자료 오차 발생정도를 정량적으로 파악할 수 있었다. 자료 가용률 측면에서도 관측높이별로 차이가 없이 우수한 성능을 보이며, 기상환경 영향에 의한 자료 결측이 거의 나타나지 않아 원격관측방식의 한계점 또한 보이지 않았다. 다만 본 연구결과는 이용 자료의 기간이 3개월 정도밖에 되지 않아 1년 이상의 장기간 자료를 확보하여 계절영향 및 대기환경 조건 등에 따른 자료 가용률 변화 등에 관한 보다 심도 있는 연구가 필요해 보인다.
	풍력 개발을 위한 해상기상탑은 초기 설치비와 유지보수비가 크기 때문에 무엇으로 대체할 필요가있나?	풍력 개발을 위한 해상기상탑은 초기 설치비와 유지보수비가 크기 때문에 윈드 라이다와 같은 원격관측장비를 이용하여 기상탑을 대체할 필요가 있다. 본 연구에서는 해상기상탑에서 윈드 라이다를 동시 운영하고 수집된 풍속 및 풍향의 관측결과를 상호 비교하여 윈드 라이다의 적용성을 검증하였다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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Westerhellweg, A., Canadillas, B., Beeken, A. and Neumann, T. (2010). One year of lidar measurements at FINO1-Platform: Comparison and verification to met-mast data. 10th German Wind Energy Conference DEWEK 2010.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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