1. 서 론
최근 화석 연료 매장량의 한계와 환경오염 문 제로 인하여 청정한 재생 에너지원이 각광받고 있다 다양한 재생 에너지 중에서 풍력 에너지는. 지난 수십 년 동안 독일 덴마크 스페인과 같은, , 유럽에서 주로 개발되었고, 2002년부터 우리나라 에서도 MW급 풍력 발전소가 건설되기 시작했다.
유럽의 풍력 발전소는 평탄한 지형 혹은 연안에 설치되는 경우가 많은 반면 우리나라는 산이 많, 기 때문에 일반적으로 복잡한 지형 위에 풍력 발 전소가 건설되고 있다.
풍력 에너지는 일반적으로 풍속의 세제곱에 비례 하기 때문에 성공적인 풍력 발전소 건설을 위하여, 풍속 자원에 대한 사전 조사는 필수적이다 풍력 발. 전 단지에서 사용 가능한 풍속 자원을 사전에 예측 하기 위해 과거에는 풍속을 실제로 측정하거나 로그, 형태의 외삽법에 기반한 경험식을 주로 사용하였다.
학술논문
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DOI:10.3795/KSME-B.2010.34.10.901
ISSN 1226-4881지형에 따른 발전기 배치가 풍력 발전 성능에 미치는 영향에 관한 수치해석 연구
이명성* 이승호* 허남건*
서강대학교 기계공학과
*
A Numerical Study on the Effect of Mountainous Terrain and Turbine Arrangement on the Performance of Wind Power Generation
Myungsung Lee*, Seung Ho Lee* and Nahmkeon Hur*
** Dept. of Mechanical Engineering, Sogang Univ.
(Received March 22, 2010 ; Revised August 2, 2010 ; Accepted August 3, 2010)
Key Words: Wind Farm(풍력발전 단지), Wind Turbine(풍력 발전기), Turbine Arrangement(발전기 배치), Digital
전자 지도 복잡한 지형 산악 지형
Map( ), Complex Terrain( ), Mountainous Terrain( ), Computational
전산 유체 역학 고정 회전자 기법
Fluid Dynamics( ), Frozen Rotor Method( )
초록: 복잡한 지형에 위치한 풍력발전소의 유동장을 분석하기 위해 차원 유동해석이 수행되었다 본 논문의3 . 목적은 복잡한 지형과 풍력발전기의 배치가 풍력발전소의 성능에 미치는 영향을 연구하는 것이다 자세한 블. 레이드 형상을 고려한 총 49대의 풍력발전기가 계산 도메인에 포함되었다 풍력발전기의 회전운동을 고려하. 기 위해 고정회전자 기법이 사용되었고 블레이드에 작용하는 토크를 계산함으로써 풍력발전기의 성능을 평, 가하였다 수치해석 결과를 통하여 풍력발전소 전체의 자세한 유동장과 지형적 영향으로 풍속이 감소되는 국. 부적인 영역을 예측하였고 상류의 발전기에서 발생하는 후류가 하류에 위치한 발전기의 성능에 미치는 영향, 도 분석되었다 본 연구의 해석기법은 추후 건설되는 풍력발전소의 부지와 풍력발전기의 최적 위치를 선정하. 는 데 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
Abstract: A three-dimensional flow simulation was performed to investigate the flow field in a wind farm on a complex terrain. The present study aims to examine the effects of mountainous terrain and turbine arrangement on the performance of wind power generation. A total of 49 wind turbines was modeled in the computational domain; detailed blade shape of the turbines was considered. Frozen rotor method was used to simulate the rotating operation. The torque acting on the turbine blades was calculated to evaluate the performance of the wind turbines. The numerical results showed details of the flow structure in the wind farm including the velocity deficit in the separated flow regions; this velocity deficit was due to the topographical effect. The effect of the wake induced by the upstream turbine on the performance of the downstream wind turbine could also be observed from the results. The methodology of the present study can be used for selecting future wind-farm sites and wind-turbine locations in a selected site to ensure maximum power generation.
Corresponding Author, [email protected]
2010 The Korean Society of Mechanical Engineers
Ⓒ
Finardi 등(1)은 복잡한 지형에서 관측된 바람의 수직 방향 프로파일과 지면 근처의 풍속 데이터와 같은 기상 자료를 바탕으로 거리에 대한 보간을 수행하여, 풍속의 공간적인 분포를 나타내었다 이와 같은 연구. 방법은 평탄한 지형의 경우 만족할만한 정확도를 보 이지만 지형의 굴곡이 심한 경우에는 상당한 오차를 보이는 단점이 있다.(2)
근래에는 수치 해석 기법의 발전과 컴퓨터 하 드웨어 성능의 향상으로 전산유체역학(CFD)에 기 반한 수치적 연구가 점차 증가하고 있다. Uchida 와 Ohya(3)는 복잡한 지형에 설치되는 풍력 발전 기의 최적 위치를 도출하기 위해 대와동 모사, 기법을 사용하여 언덕 뒤에서 발생하는 유동 박 리가 유동장에 미치는 영향을 분석하였다.
일반적으로 풍력 발전 단지 내부의 유동장은 풍속 풍향 복잡한 경사를 가지는 지형 그리고, , 풍력 발전기의 운전 조건 등에 영향을 받는다.
기존 연구에서는 풍력 발전 단지 주변의 풍향 및 풍속을 직접 측정하거나 경험식을 사용하여 3차 원 유동장을 계산함으로써 풍력 발전 단지의 대 략적인 성능을 예측하였다 하지만 복잡한 지형. 과 일정한 속도로 회전하는 풍력 발전기를 동시 에 고려하여 풍력 발전 단지의 실제적인 성능을 예측한 연구는 거의 수행되지 않았다.
본 연구의 선행 연구(4)에서는 단일 풍력 발전 기가 복잡한 지형의 다양한 위치에 설치되는 경 우에 고정 회전자 기법(Frozen rotor method)을 적 용하여 회전하는 풍력 발전기의 운전조건을 고려 함으로써 지형적 특성이 발전 성능에 미치는 영 향을 분석하였다.
본 논문에서는 복잡한 산악 지형에 위치한 풍 력 발전 단지 내부의 모든 발전기들을 함께 고려 하여 유동장을 예측하였고, 수렴된 유동장에서 발전기의 블레이드에 작용하는 토크를 계산하여 풍력 발전 단지의 성능을 도출하였다 또한 각각. 의 발전기에서 계산된 토크를 비교하여 성능이 낮은 풍력 발전기를 선별한 후 발전 성능을 향, 상시키기 위해 그 풍력 발전기를 적절한 장소로 이동시켜 지형과 발전기 배치를 동시에 고려하여 다시 해석함으로써 풍력 발전기의 최적 위치 선 정에 도움이 되는 유용한 자료를 제공하였다.
수치 해석 대상 및 방법 2.
수치 해석 대상 2.1
계산 도메인으로 사용된 산악 지형 격자는 본 연구실에서 Chin 등(5)이 개발한 격자 생성 프로 그램을 사용하여 구성하였다. 이 프로그램은 형식의 등고선 전자 지도에서 각각의 등고 CAD
선 높이 데이터를 검색하여 보간하는 알고리즘을 사용하기 때문에 굴곡이 심한 산악 지형 격자도 효과적으로 생성할 수 있다 본 연구에서는 풍력. 발전 단지 전체를 포함하는 유동장을 충분히 고 려할 수 있도록 Fig. 1(a)과 같이 10 km x 12 km x 6 km의 영역을 계산 도메인으로 설정하였다. 풍력 발전 단지는 총 49대의 풍력 발전기로 구성 되고 각각의 발전기는, Fig 1(b)에 나타난 번호로 구별하였다.
년부터 년까지 관측된 기상 정보를 바 2000 2008
탕으로 Fig. 2와 같이 서쪽 경계면에 자유 흐름
(a) Dimensions of computational domain (b) Wind turbines denoted by numbers Fig. 1 Computational domain of the wind farm consisting of 49 wind turbines installed on complex terrain
속도가 15 m/s인 입구 경계조건을 적용하였다. 유동에 평행한 남쪽과 북쪽 경계면은 풍력 발전 기에서 충분히 멀리 위치하므로 이 경계면들은 풍력 발전 단지의 유동장에 영향을 미치지 않는 것으로 가정하여 대칭면 경계조건이 적용되었다.
계산 도메인의 윗면도 같은 이유로 대칭면 조건 이 적용되었으며 입구 경계면의 반대쪽인 동쪽, 경계면은 출구 경계조건으로 설정하였다.
본 연구에서 풍력 발전단지의 현재 배치에 대 한 유동장의 선행 해석(6) 결과, 31번과 32번 풍력 발전기가 상류에 위치한 발전기로부터 발생한 후 류(wake)의 영향을 많이 받는 것으로 예측되었다. 풍력 발전기의 성능을 향상시키기 위해, Fig. 3과 같이 하류에 위치한 풍력 발전기들(31, 32번 이) 상류 발전기의 후류 영향을 받지 않도록 상류 발 전기가 위치한 능선의 옆 공간으로 이동시켰다.
풍력 발전기의 자세한 계산 격자 형상은 Fig. 4 에 나타나 있다 해석에 사용된 풍력 발전기의. 허브 높이는 80 m이고 블레이드 반경은, 40 m이 다 풍력 발전기의 자세한 사양은 표. 1과 같다. 풍력 발전기를 지나는 유동을 정확하게 해석하기 위해 풍력 발전기의 블레이드와 타워에 대한, 3 차원 CAD 도면을 이용하여 격자를 생성하였다. 격자 생성 시 풍력 발전기와 그 주변을 비정렬, 다면체 격자로 조밀하게 구성하였고 정렬 육면, 체 격자의 주변 유동장 격자에 삽입하였다.
수치 해석 방법 2.2
풍력 발전기의 회전하는 블레이드가 유동장에 Fig. 2 Computational case of west wind direction
and adopted boundary conditions
(a) Original location of wind turbines
(b) Relocation of wind turbines (WT 31, 32) Fig. 3 Detailed view of meshes for two different
turbine arrangements of the wind farm. Circles denote the wind turbines whose location are reassigned
Fig. 4 Embedded polyhedral cells for the wind turbine to resolve the flow passing through turbine blades and wind tower
Number of blades 3 Diameter 80 m Area swept 5,027 m2
Revolution 6 rpm Oncoming wind speed 15 m/s Table 1 Specifications of wind turbine
미치는 영향을 고려하기 위하여 고정 회전자 방 법(Frozen rotor method)이 사용되었다 이 방법은. 다중회전 상대구조(Multiple rotating reference 방법 중의 하나인 다중회전구조 음 frame, MRF)
해법(Implicit multiple rotating frame)을 사용하는 것으로 정상 상태로 가정된 유동장에서 격자의, 회전 효과를 유동장에 적용할 수 있다 이 방법. 은 풍력 발전기의 블레이드를 포함하는 실린더 형태의 회전 영역 격자를 설정하고 풍력 발전기 의 회전 속도만큼 spin을 적용함으로서 블레이드 의 회전을 고려할 수 있다 이때 블레이드의 회. 전 속도는 표 과 같이1 6 rpm으로 설정되었다.
풍력 발전 단지 내부의 유동장 해석을 위해 사 용된 도메인의 전체 격자수는 24,000,000개이다. 효율적인 계산을 위해 도메인을 분할하여 병렬 해석을 수행하였다. 계산 컴퓨터는 Intel Xeon Quad Core 2.5 GHz 64 bit processor 기반의 20 가 사용되었다 정상 상태 비 CPUs Linux Cluster .
압축성 유동과 Standard k-ε 난류 모델로 가정된
차원 방정식을 계산하기 위해
3 Navier-Stokes
이 사용되었다 각각의 케이스에 STAR-CD V4.08 .
서 소요된 계산 시간은 약 20 시간이고 1000 스 텝 후에 수렴되었다.
결과 및 고찰 3.
는 잠재적인 풍력 자원을 평가할 때 유용 Fig. 5
한 정보로 사용되는 발전기의 허브 높이(80 m)에
서 예측된 풍속 분포를 보여준다 그림에서 지형. 의 경사도를 표현하는 등고선은 50 m 간격이다. 등고선과 수치해석으로 예측된 풍속을 통하여 알 수 있듯이 서풍 유동이 풍력 발전 단지를 통과, 할 때 산악 지형의 상향 경사면에서 유동 속도가 증가하고 산 정상부에서 최대 속도를 보이며 산 정상을 지난 하향 경사면의 유동 속도는 감소하 는 것을 알 수 있다 또한 풍력 발전기를 통과하. 면서 유동이 감속되는 후류 영역도 예측되었다.
선행연구(6)에서 Fig. 5(a)의 A 영역에 있는 풍력 발전기가 상류 발전기의 후류 영향을 많이 받는 것으로 나타났기 때문에 본 연구에서는, Fig. 5(b) 의 B 영역으로 발전기의 위치를 변경하여 수치해 석을 수행하였다 해석 결과 각각의 풍력 발전기. 의 크기는 전체 도메인 영역에 비하여 상당히 작 기 때문에 풍력 발전기의 위치 변경이 전체 유동 장에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 나타났다.
하지만 위치가 변경된 풍력 발전기들은 주변, 지형의 경사도와 다른 발전기에 대한 상대적인 배치가 변하기 때문에 국소 유동장의 경우 다소 변화가 있을 것으로 예상되었다 이와 같은 이유. 로 Fig. 6과 같이 풍력 발전기 주변의 국소 유동 장을 도시한 결과 기존의 배치에서 발전기, 31번 과 32번은 후류로 인해 상당히 감속된 유입 유동 을 보이지만 변경된 배치에서는 다른 발전기와 비슷한 수준의 유입 속도를 보이는 것으로 확인 되었다 또한 변경된 배치 조건에서 발전기. 31, 번은 산 정상부 부근에 위치하기 때문에 상향 32
(a) Original location of wind turbines (b) Relocation of wind turbines
Fig. 5 Contour plots of horizontal wind speed at hub height (80 m) above ground level. Circles show the variation of turbine location between original and reassigned wind turbine site
경사면을 따라 증가되는 유속이 최대가 될 때 풍 력 발전기로 유입되고 있다.
풍력 발전 단지의 성능을 평가하기 위해 수렴, 된 유동장에서 각각의 풍력 발전기에 작용하는 토크를 계산하였다 블레이드 허브의 축은 발전. 기의 기어박스와 기계적으로 연결되어 있으므로 수치해석으로 예측된 블레이드에 작용하는 토크 는 풍력 발전을 위해 사용 가능한 에너지와 같다 고 가정할 수 있다. Fig. 7은 풍력 발전 단지 내 부의 모든 발전기에 작용하는 토크를 나타낸 것 이다 이 때 각각의 발전기에 작용하는 토크는. 번 발전기에 작용하는 토크로 무차원화되었다
27 .
번 발전기는 선행 연구
27 (6)의 해석 결과 전체 도
메인의 복잡한 산악 지형에서 상대적으로 평지에 위치하여 지형에 의한 영향이 가장 적게 나타났 기 때문에 기준으로 사용되었다.
에서 알 수 있듯이 기존 배치에서 풍력 Fig. 7
발전기 31번과 32번은 다른 발전기들에 비하여 상대적으로 낮은 토크가 예측되었다 주유동 방. 향인 서풍 조건에서 풍력 발전기 31번과 32번은 각각의 상류(upstream) 발전기인 29번과 30번과 함께 직렬(tandem)로 배열되었기 때문에, 하류 발전기인 번이 상류 발전기의 (downstream) 31, 32
후류에 의하여 영향을 받고 있다 발전 성능을. 증가시키기 위해 31, 32번 발전기를 주유동에 직 각 방향인 병렬(side-by-side)로 배치한 경우에는 번 번 발전기에 작용하는 토크가 다른 발전 31 , 32
기와 비슷한 수준으로 증가한 것으로 나타났다.
풍력 발전기의 직렬 배치가 발전 성능에 미치는 영향은 두 개의 3차원 지형물 주위의 유동 해석 결과와 유사하다.(7) 직렬로 배치된 지형물 사이의 거리가 유동 특성에 영향을 주는 것처럼 직렬로 (a) Original location of wind turbines (b) Relocation of wind turbines
Fig. 6 Effect of the relocation of wind turbines on the local wind speed distribution. No flow deficit induced by wake of upstream turbines is appeared in the relocation case (right)
Fig. 7 Performance enhancement of wind farm with relocation of turbines. Note that the perfor- mance of each wind turbine is evaluated by integrating torque acting on turbine blades.
배치된 발전기 사이의 거리는 후류로 인한 발전 성능 감소에 영향을 준다 발전기들의 배치가 주. 유동에 직각 방향인 병렬 배열과 달리 주유동과, 동일한 방향인 직렬 배열인 경우에는 상류 발전 기의 후류 영향으로 하류 발전기의 유입 풍속이 감소하기 때문에 토크로 평가되는 발전 성능이 저하되는 것으로 생각된다. Fig. 6에서 확인한 바 와 같이 발전기 31, 32번은 위치를 변경한 경우 에 더 이상 상류 발전기의 후류 영향을 받지 않 고 상향 경사면을 따라서 속도가 상승하는 유동 의 영향을 받아 결과적으로 토크가 증가되었다.
일반적으로 풍환경을 연구할 때 사용되는 실측 혹은 선형 모델에 기반한 경험식을 사용한 연구 에서도 특정 지점에서 풍향 및 풍속을 측정하고 거리에 대한 보간을 수행하여 3차원 유동장을 간 단히 계산하는 것은 가능하지만 본 연구와 같이, 지형의 경사도와 회전하는 풍력 발전기의 운전 조건을 동시에 고려하여 자세한 유동장 정보를 구하는 것은 불가능하다 특히 본 연구의 수치. 해석 방법은 풍력 발전기의 후류로 인해 풍속이 감소하는 것과 같은 실제적인 정보도 제시할 수 있기 때문에 풍력 발전 단지에서 최적의 발전기 배치를 도출하는 데 매우 유용하게 사용될 수 있 을 것으로 사료된다.
4. 결 론
본 연구에서는 산악 지형에 풍력 발전 단지가 건설되는 경우에 풍력 자원을 효과적으로 예측하 기 위하여 복잡한 지형과 회전하는 풍력 발전기, 의 운전 조건을 모두 고려하여 실제적인 유동장 과 풍력 발전기 배치에 따른 발전 성능을 예측하 였다 격자 생성 프로그램으로 복잡한 지형에 대. 한 계산 격자를 구성하고 고정 회전자 방법을, 이용하여 회전하는 풍력 발전기가 유동장에 미치 는 영향을 고려하였으며 블레이드의 표면에 작, 용하는 토크를 수치 해석으로 직접 계산하여 풍 력 발전기의 성능을 도출하였다 수치 해석 결과. 로부터 복잡한 산악 지형에서 발생하는 유동 특 성과 풍력 발전기의 후류 영역에 대한 국소 유동 장 정보를 도출하였다 또한 풍력 발전 단지의. 성능 향상을 위해 발전기의 위치를 변화시켜 지 형에 따른 풍력 발전기 배치가 발전 성능에 미치 는 영향도 분석되었다 본 연구를 통하여 실제적.
인 풍력 발전 단지의 성능을 예측함으로서 풍력 발전 단지 내부의 발전기 배치에 유용한 정보를 제공하였다.
후 기
이 논문은 2009년도 교육과학기술부의 재원으 로 한국연구재단의 지원을 받은 다중현상‘ CFD 연구센터(ERC)’의 과제로 수행된 연구임(No.
20090083510).
참고문헌
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