최근 국제적으로 신재생 에너지 개발이 활발함에 따라 풍력발전의 비중이 확대되고 있다. 특히 고품질의 풍력자원을 이용하고 소음 피해를 최소화하기 위하여 해안에서 멀리 떨어진 해역에 대규모 풍력단지가 조성되는 추세이다. 해상에 풍력단지가 건설됨에 따라 영해나 영공 감시를 위한 레이더에 간섭을 일으키는 문제 이외에도 해상에서 육상으로 송신하는 조난통신을 간섭하는 지에 대한 분석이 필요하다. 이를 위해서 본 연구에서는 선박에서 MF 또는 HF 대역의 전자파를 송신할 경우, 선박과 육상 기지국 사이에 위치한 해상풍력 발전단지가 송신된 전자파에 대한 간섭 여부를 분석하였다. 이를 위해 대상지역을 수치지형도와 풍력발전기 CAD모델을 활용하여 주변 환경 및 해상풍력 발전단지를 전자기학적으로 모델링하였다. 파장에 비해 광범위한 지역에 대한 전파 분석이므로 고주파 분석기법이 타당하나, 적용할 고주파 분석기법을 주변해역과 지형을 간략화하여 저주파 분석기법으로 먼저 검증하였다. 해상풍력 발전단지 부근에서 송신한 신호에 대해 육상기지국에서 수신한 전력을 분석한 결과, 발전단지가 설치되더라도 거의 동일한 수준으로 전파를 수신할 수 있었다. 이는 풍력발전기가 대형 구조물이기는 하나 타워의 직경은 수 미터에 불과하므로 지향성이 없고 파장이 긴 MF 및 HF 대역에 대해서는 큰 장애물로 작용하지 않기 때문으로 판단된다.
최근 국제적으로 신재생 에너지 개발이 활발함에 따라 풍력발전의 비중이 확대되고 있다. 특히 고품질의 풍력자원을 이용하고 소음 피해를 최소화하기 위하여 해안에서 멀리 떨어진 해역에 대규모 풍력단지가 조성되는 추세이다. 해상에 풍력단지가 건설됨에 따라 영해나 영공 감시를 위한 레이더에 간섭을 일으키는 문제 이외에도 해상에서 육상으로 송신하는 조난통신을 간섭하는 지에 대한 분석이 필요하다. 이를 위해서 본 연구에서는 선박에서 MF 또는 HF 대역의 전자파를 송신할 경우, 선박과 육상 기지국 사이에 위치한 해상풍력 발전단지가 송신된 전자파에 대한 간섭 여부를 분석하였다. 이를 위해 대상지역을 수치지형도와 풍력발전기 CAD모델을 활용하여 주변 환경 및 해상풍력 발전단지를 전자기학적으로 모델링하였다. 파장에 비해 광범위한 지역에 대한 전파 분석이므로 고주파 분석기법이 타당하나, 적용할 고주파 분석기법을 주변해역과 지형을 간략화하여 저주파 분석기법으로 먼저 검증하였다. 해상풍력 발전단지 부근에서 송신한 신호에 대해 육상기지국에서 수신한 전력을 분석한 결과, 발전단지가 설치되더라도 거의 동일한 수준으로 전파를 수신할 수 있었다. 이는 풍력발전기가 대형 구조물이기는 하나 타워의 직경은 수 미터에 불과하므로 지향성이 없고 파장이 긴 MF 및 HF 대역에 대해서는 큰 장애물로 작용하지 않기 때문으로 판단된다.
Recently, the share of wind power in energy markets has sharply increased with the active development of renewable energy internationally. In particular, large-scale wind farms are being developed far from the coast to make use of abundant wind resources and to reduce noise pollution. In addition to...
Recently, the share of wind power in energy markets has sharply increased with the active development of renewable energy internationally. In particular, large-scale wind farms are being developed far from the coast to make use of abundant wind resources and to reduce noise pollution. In addition to the electromagnetic interference (EMI) caused by offshore wind farms to coastal or air surveillance radars, it is necessary to investigate the EMI on global maritime distress and safety system (GMDSS) communications between ship and coastal stations. For this purpose, this study investigates whether the transmitted field of MF/HF band from a ship would be subject to interference or attenuation below the threshold at a coastal receiver. First, using geographic information system digital maps and 3D CAD models of wind turbines, the area of interest is electromagnetically modeled with patch models. Although high frequency analysis methods like Physical Optics are appropriate to analyze wide areas compared to its wavelength, the high frequency analysis method is first verified with an accurate low frequency analysis method by simplifying the surrounding area and turbines. As a result, the received wave power is almost the same regardless of whether the wind farms are located between ships and coastal stations. From this result, although wind turbines are large structures, the size is only a few wavelengths, so it does not interfere with the electric field of MF/HF distress communications.
Recently, the share of wind power in energy markets has sharply increased with the active development of renewable energy internationally. In particular, large-scale wind farms are being developed far from the coast to make use of abundant wind resources and to reduce noise pollution. In addition to the electromagnetic interference (EMI) caused by offshore wind farms to coastal or air surveillance radars, it is necessary to investigate the EMI on global maritime distress and safety system (GMDSS) communications between ship and coastal stations. For this purpose, this study investigates whether the transmitted field of MF/HF band from a ship would be subject to interference or attenuation below the threshold at a coastal receiver. First, using geographic information system digital maps and 3D CAD models of wind turbines, the area of interest is electromagnetically modeled with patch models. Although high frequency analysis methods like Physical Optics are appropriate to analyze wide areas compared to its wavelength, the high frequency analysis method is first verified with an accurate low frequency analysis method by simplifying the surrounding area and turbines. As a result, the received wave power is almost the same regardless of whether the wind farms are located between ships and coastal stations. From this result, although wind turbines are large structures, the size is only a few wavelengths, so it does not interfere with the electric field of MF/HF distress communications.
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문제 정의
대한 간섭이 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 기존의 레이더 간섭 문제에서 벗어나 해상조난통신의 간섭을 분석한다. 세부적으로는 연안에 설치된 해상풍력 발전단지의 인근에 위치한 선박국에서 조난신호를 송신하고, 해상교통관제센터(Vessel Traffic Service System, VTS)나 어업정보통신국과 같은 주요 해안국에서 수신하는 전자파의 전력에 대한영향을 파악한다.
제안 방법
고주파 해석을 위해서 물리광학기법과 Ray 기반의 기하광학 기법(Geometric Optics, GO)과 물리광학기법을 혼합한 SBR(Shooting and Bouncing Ray, SBR)기법을 적용한 전용 프로그램을 활용하였다.
국내 서남해 해상에 8 MW급 풍력발전기를 기반으로 2×6 배열의 해상풍력 발전단지가 조성될 예정이며, 이에 따라 발전단지 주변 해상에 위치한 선박에서 송신한 MF 및 HF 대역의 조난신호가 육상 기지국에 수신되는가에 대한 영향을 수치적으로 분석하였다.
수행하는 것이 적절하다. 그러나 고주파 해석기법은 해석속도는 빠르지만 정확도가 상대적으로 낮기 때문에 MoM 기반의 저주파 해석을 추가로 수행하여 해석결과의 신뢰성을 확인한 이후 주된 해석을 수행하였다.
송신 출력과 안테나 특성, 송수신기 간의 거리, 풍력발전기 크기 및 좌표, 송수신 안테나 좌표, 지형 간략화 등 모든 조건은 저주파 해석기법과 고주파 해석기법에 대해 동일하게 적용하였다. 단, 고주파 해석기법은 6차 반사까지 계산하였으며, 풍력발전기를 모델링할 때 저주파 해석기법의 패치 모델은 한 변의 길이가 최대 0.1λ를 넘어가지 않도록 설정하여 해석하였다(Fig. 5).
따라서 본 연구에서는 기존의 레이더 간섭 문제에서 벗어나 해상조난통신의 간섭을 분석한다. 세부적으로는 연안에 설치된 해상풍력 발전단지의 인근에 위치한 선박국에서 조난신호를 송신하고, 해상교통관제센터(Vessel Traffic Service System, VTS)나 어업정보통신국과 같은 주요 해안국에서 수신하는 전자파의 전력에 대한영향을 파악한다.
5kHz를 선정하였다. 송신 출력과 안테나 특성, 송수신기 간의 거리, 풍력발전기 크기 및 좌표, 송수신 안테나 좌표, 지형 간략화 등 모든 조건은 저주파 해석기법과 고주파 해석기법에 대해 동일하게 적용하였다. 단, 고주파 해석기법은 6차 반사까지 계산하였으며, 풍력발전기를 모델링할 때 저주파 해석기법의 패치 모델은 한 변의 길이가 최대 0.
피해대상 장비와 해석 주파수를 선정한다. 이후 대상 지역과 풍력발전기를 전자기학적으로 모델링하고 해석을 수행하여 간섭 여부와 정도를 예측하는 순서로 진행한다.
고주파 해석기법은 근사기법을 사용하나 파장이 해석대상에 비해 클 경우 주로 사용하며 빠른 시간 내에 정확도가 높은 해를 제공한다. 통상적인 전자파 환경 해석은 넓은 지역을 포함해야 하므로 고주파 해석을 주로 이용하나, 본 연구에서는 MF/HF 대역이 관심 대역으로 파장이 수백 미터 이상이므로 이에 추가하여 저주파 해석의 결과를 비교하였다.
해상 송신위치(Tx1~Tx3)를 선정하고, Table 1의 MF 및 HF 대역 주파수에 대하여 53.98dBm의 출력으로 송신하고 육상기지국(목포 VTS: Rx1, 목포 어업정보통신국: Rx2)의 무지향성 안테나에서 -107.0dBm 이상의 전력이 수신되는지 분석하였다. 해상 송신위치는 풍력발전기로부터 최단거리로 500m 떨어져 있으며, VTS까지는 최대 45.
해상풍력 발전단지 부근에서 송신한 DSC 신호가 인근 VTS로 얼마나 수신되는 분석하기 위해 우선 지리정보를 활용하여 대상지역을 전자기 해석 프로그램에서 활용할 수 있도록 Fig. 3과 같이 수치지형도를 활용하여 패치로 모델링하였다. 대상 해역과 육지는 해석 프로그램상의 해수와 육지로 설정 하였으며, 풍력발전기는 사업계획에 따라 발전단지 내에 좌우 950m, 1-2열간 2, 400m 간격으로 2열로 총 12기가 설치되었다.
대상 데이터
3과 같이 수치지형도를 활용하여 패치로 모델링하였다. 대상 해역과 육지는 해석 프로그램상의 해수와 육지로 설정 하였으며, 풍력발전기는 사업계획에 따라 발전단지 내에 좌우 950m, 1-2열간 2, 400m 간격으로 2열로 총 12기가 설치되었다.
제원은 Table 2와 같다. 블레이드 재질은 복합재이며 타워는 강관이나 보다 제한적인 상황을 고려하여 모두 Steel 로 모델링하였다. Fig.
비교 대상 주파수는 MF 대역인 2, 187.5kHz와 HF 주파 수중 중간 주파수인 8, 414.5kHz를 선정하였다. 송신 출력과 안테나 특성, 송수신기 간의 거리, 풍력발전기 크기 및 좌표, 송수신 안테나 좌표, 지형 간략화 등 모든 조건은 저주파 해석기법과 고주파 해석기법에 대해 동일하게 적용하였다.
전파환경 분석의 대상 지역은 서남해안의 신안군 자은도주변의 해상풍력 발전단지를 선정하였다. 이 지역은 발전단지와 목포 해상교통관제센터 및 목포 어업정보통신국 사이에 해역, 산 및 연안지역이 골고루 위치하고 있어 송신국과 수신국간 전파환경이 상대적으로 열악할 것으로 예상되는 구역이다.
5km 떨어져 있다. 해상 송신위치의 송신 안테나 높이는 어선을 기준으로 10m로 설정하였으며, 수신 안테나는 VTS의 실제 목포 VTS와 목포 어업정보통신국 안테나 고도인 각각 114m 및 61m를 반영하였다.
이론/모형
저주파 해석을 위해서는 사각 패치에 고차 기저함수를 적용한 higher-order MoM 기반의Wipl-D 시뮬레이터를 활용하였다.
성능/효과
Table 3과 4에서 보는 것처럼 두 해석 결과의 차이가 1dB 내외로 미미함을 알 수 있다. 따라서 속도가 빠른 고주파 해석기법을 MF 및 HF 대역에 대해 수행한 분석 결과는 신뢰할 수 있음을 확인하였다.
해상풍력 발전단지 부근에서 송신한 신호에 대해 수신 안테나에서의 전력을 분석한 결과, 타워 지름 4.5m의 풍력발전기가 송신 선박과 육상 기지국간의 가시선에 정확히 위치할 경우에는 수신 전력이 낮아지게 되나, 가시선을 조금이라도 벗어나게 되면 거의 동일한 수준으로 전파를 수신할 수 있다. 이는 선박이 정선하더라도 상대적인 위치는 변하기 때문에 풍력발전기가 가시선에 정확히 위치하는 확률은 극히 적으므로 MF 및 HF 대역의 조난통신에는 간섭을 거의 일으키지 않을 것이다.
후속연구
다만, 본 논문에서는 특정 지형과 풍력발전단지의 구성을 중심으로 전자파 해석을 수행하였기 때문에 지형이나 발전단지의 구성이 다르면 전자파의 산란 특성이 달라지는 한계가 있다. 따라서 풍력발전단지의 구성이나 주변 환경이 다를 경우에는 이를 반영하여 해석이 필요하다.
따라서 풍력발전단지의 구성이나 주변 환경이 다를 경우에는 이를 반영하여 해석이 필요하다. 또한 본 논문에서는 모델링의 용이성을 고려하여 해수면을 평면으로 가정하고 해석하였으나, 좀 더 정확한 해석을 위해서 해수면의 모델링을 반영한 심도 있는 연구가 필요하다.
참고문헌 (7)
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