http://dx.doi.org/10.5515/KJKIEES.2012.23.4.533 ISSN 1226-3133 (Print)
「이 논문은 2011년도 두뇌한국21사업 및 한국기계연구원 부설 재료연구소(KIMS)의 연구비 지원에 의하여 수행되었음.」
포항공과대학교 전자전기공학과(Department of Electrical Engineering: POSTECH)
*한국기계연구원 부설재료연구소(Korea Institute of Materials Science: KIMS)
․Manuscript received November 9, 2011 ; Revised December 22, 2011 ; Accepted December 22, 2011. (ID No. 20111109-138)
․Corresponding Author : Kyung-Tae Kim (e-mail : [email protected])
레이더 신호 간섭의 최소화를 위한 풍력 발전기 설계
Design of Wind Turbines for Reducing Interference to Radar Signals
박강국․진희철․김경태․김효태․김진봉*
Kang-Kook Park․Huicheol Chin․Kyung-Tae Kim․Hyo-Tae Kim․Jin-Bong Kim*
요 약
풍력 에너지는 많은 이점으로 인해서 그 사용량이 증가하고 있다. 많은 나라에서 유가 폭등과 기후의 다변화 로 인해 전력 사용량이 증가하여 풍력 발전 단지 설치를 추진하고 있다. 그러나 풍력 발전기는 군 레이더 시스템 의 성능을 방해하는 왜곡을 일으키는 설비이다. 풍력 발전기의 대용량화로 인해서 풍력 발전기의 크기가 커지게 되어 해안가의 풍력 발전기는 군 레이더 시스템에 군사 표적으로 오인하게 한다. 그래서 본 논문은 풍력 발전기 에서 나타나는 레이더 산란 신호의 최소화를 위한 방안을 나타내었다. 구체적으로 풍력 발전기의 각 부분들의 레이더 산란 신호 최소화를 위한 방안을 나타내었다. 레이더 신호 간섭 최소화를 위한 방법은 전투기의 스텔스 디자인 개발 기술을 기반으로 하고 있다. 그러나 풍력 발전기의 레이더 산란 신호 감소를 위한 구현은 비록 전투 기 스텔스 디자인 개발 기술을 기초로 하고 있지만, 현재 중요한 시도이다. 본 논문에서는 풍력 발전기의 레이더 신호 간섭을 최소화하기 위해서 다양한 기법들을 풍력 발전기에 적용하였다. 풍력 발전기의 타워 및 날개 부분 에 대한 두 가지 기법 적용을 통해서 풍력 발전기의 레이더 단면적 감소 효과가 나타남을 알 수 있다.
Abstract
The use of wind energy is gaining importance because of its many advantages. Nations worldwide are promoting the installation of wind farms to produce electricity in an attempt to tackle climate change and increasing oil costs.
But, wind turbines can generate undesired signals which disturb the performance of military radar systems. Because the current generation of on and off-shore three bladed wind turbines have radar signatures consistent with their very large physical size. So this study considers the options available for the reduction of wind turbine radar signature and presents solutions for each of the main external turbine components. The radar signature reduction approaches are based on existing technologies developed for aerospaces stealth applications. However, the realization of these for the purposes of reduction wind turbine radar signatures is a novel development, particularly in the solutions proposed. This paper is presented techniques which reduce radar signatures of wind turbine. We know that radar signatures of wind turbine reduce by using these techniques.
Key words : Wind Turbine, Radar Signature Reduction, Radar Cross Section(RCS), Stealth Design
Ⅰ. 서 론 최근 신재생 에너지의 중요성이 부각되고 있는 가운데 많은 신재생 에너지 관련 부서에서 풍력 발
전 사업에 관심을 보이고 있다. 풍력 발전기의 최근 동향은 저비용, 고신뢰성, 대용량이 풍력 터빈 성공 의 핵심 요인으로 강조되고 있고, 이러한 이유로 풍 력 터빈은 급속도로 대형화되는 추세를 보이고 있 다. 현재 설치되고 있는 풍력 터빈은 로터 직경이 60
～90 m, 출력 1～3 MW 급이 주를 이루고 있으며, 로터 직경126 m에 달하는 6 MW 풍력 터빈 시제품 (prototype)도 시험 운행되고 있다[1].
풍력 발전기가 대형화됨에 따라서 풍력 발전기의 표면적과 부피가 증가하고, 블레이드의 깃 끝 선속 도가 거의 항공기의 비행 속도에 가까워져서 항공기 의 신호와 구분이 되지 않게 되기 때문에 레이더 간 섭이 발생하게 된다. 그리고 풍력 발전기의 대용량 으로 인한 표면적, 부피의 증가는 풍력 발전기의 레 이더 단면적 크기(Radar Cross Section: RCS)가 기존 풍력 발전기에 비해서 더 커지게 된다. 레이더에서 는 비행기, 탱크, 함정과 같은 군 표적을 발견하고 그것을 추적하는 기능을 하게 되는데, 풍력 발전기 의RCS값이 비행기, 탱크, 함정의 RCS값과 유사하 여 오인하게 되는 원인이 된다.
실제로 영국의 경우, 풍부한 풍력 자원에도 불구 하고 풍력 에너지 생산량은 유럽의 다른 나라에 비 해서 뒤처지고 있는데, 그 결정적인 이유는 이러한 레이더 신호 간섭을 일으키는 위치를 피해서 풍력 발전 단지 조성을 해야 하는 지역적 어려움 때문이 다[2],[3].
그래서 풍력 발전 단지의 레이더 신호 간섭을 최 소화 하기 위해서 많은 연구를 해오고 있다. 본 논문 에서는 크게 세 부분으로 풍력 터빈의 레이더 신호 간섭을 최소화하는 방법을 제시하고 있다. 풍력 터 빈의 타워, 풍력 터빈의 나셀 부분, 그리고 풍력 터 빈의 블레이드 이렇게 세 부분에 대해서 레이더 신 호 간섭을 줄일 수 있는 방안을 제시하고 있다.
Ⅱ. 풍력 발전기의 전자기적 산란 해석 우선 레이더 신호의 간섭이 얼마나 되는지를 정 량적으로 분석하기 위해서 수치적 표현 방법이 필요 하다. 주로 레이더 단면적(RCS)을 사용하여 레이더 상에서의 산란체의 크기를 표현하게 된다. 이 값을 이용하면 레이더 신호 간섭의 정도를 정량적으로 분
석할 수 있다. 풍력 발전기의 레이더 단면적을 얻기 위해서는 전자기적 산란해석을 수행해야 한다.
전자기적 산란 해석 기법에는 크게 저주파 기법 과 고주파 기법으로 나눌 수 있다. 저주파 산란 해석 기법은 산란체의 크기가 파장에 비해서 그렇게 크지 않은 경우에 주로 이용한다. 정확한 해를 구할 수 있 는 장점이 있지만, 파장에 비해서 산란체의 크기가 커지게 되면 해석 시간이 매우 길어지고, 쉽게 컴퓨 터 메모리의 한계를 넘어가는 단점이 있다. 그 다음 은 고주파 산란 해석 기법이 있다. 저주파 기법과는 달리 산란체의 크기가 파장에 비해서 충분히 클 경 우에 주로 이용한다. 본 논문에서 주로 관심을 두고 있는 산란체는 파장이3 cm인 X밴드 레이더 상에서 보이는1～3 MW급 로터의 직경이 60～90 m인 풍력 발전기이다. 파장에 비해서 매우 큰 산란체에서 산 란 해석을 해야 하므로 고주파 기법인 물리 광학법 (Physical Optics: PO)을 주로 사용하게 된다[4].
물리 광학 기법은 산란체의 표면을 입사 자계에 관한 식으로 표현되는 표면 전류로 등가화 한 뒤, 그 전류 성분을 면적분함으로써 산란 전자계를 구하는 방법이다. 즉, 주파수가 높을수록 전체적인 산란체 의 기하학적인 구조가 산란 현상에 미치는 영향은 줄 어들기 때문에 산란체 표면에서의 전자계를 산란체 의 표면이 무한 평면일 때의 전자계로 근사화하고, 등가 이론을 사용하여 등가의 전류를 구한 뒤 표면 에 대한 면적분으로 산란 전자계를 구한다. 산란체 표면에서의 전자파를 알고 있다면, 임의의 관측점에 서의 산란파는 다음의 산란 적분에 의해 구할 수 있다.
≈
×
′×× ′
× ′
′′
(1) 여기서 ′, ′은 산란체 표면에서의 전계와 자계, 은 원점에서 관측점까지 벡터, ′은 원점에서 산란체까지 벡터, 은 산란체 표면의 법선 벡터,
은r방향의 단위 벡터이다. Fresnel의 반사 계수로 산 란체 표면에서의 전자파를 식(2), (3)과 같이 나타낼 수 있다.
′ ≈⊥ ⊥║║║║ ∙ ′ (2)
′ ≈⊥ ║║⊥║⊥
∙ ′
(3) 여기서 는 입사되는 전계 벡터가 입사 평면과 평 행한 경우의 반사 계수이고, 는 입사되는 전계 벡 터가 입사 평면과 수직인 경우의 반사 계수이다. 여 기서 식(1)을 간략하게 하기 위해서 식 (2), (3)을 이 용하면 아래와 같은 식으로 간략하게 나타내어진다.
′′ ∙ ′ (4)
식(4)에서 입사파의 방향을 항상 z 축으로 설정 해 주고, 모노스태틱(monostatic) 산란파를 계산하는 경우는 아래와 같다.
′
′
∙ ′
․
(5) 여기서 는 아래와 같다.
║ ⊥ ║ ⊥ (6)
산란파는 식(5)와 같이 계산할 수 있다. 식 (5) 안 의 적분 부분도 원래 수치 해석 기법을 사용해야 하 지만 산란체를 평판(flat plate)으로 구성하면, 적분식 을 간략한 수식(closed form)으로 나타낼 수 있다.
이 절차를 거친 물리광학법을 사용하면 파장에 비해서 매우 큰 풍력 발전기의 레이더 신호에 대한 산란값을 빠르고 쉽게 얻어낼 수 있다[4].
그림 1. 평판으로 모델링 된 표적물 Fig. 1. Facet model of a scatterer.
그림 2. 풍력 발전기 구조 Fig. 2. Wind turbine geometry.
Ⅲ. 레이더 신호 간섭 최소화 원리
3-1 풍력 발전기 구조
그림 2는 풍력 발전기의 구조를 나타낸다. 풍력 발전기는 크게 세 부분으로 나눌 수 있다. 차지하는 면적이 가장 큰 타워(tower) 부분, 바람의 영향을 가 장 크게 받는 풍력 발전기 날개 부분(blades), 동력을 주고 받는 나셀(nacelle) 및 노즈콘(nosecone)으로 나 눌 수 있다.
3-2 레이더 기지 근처의 풍력 발전기의 영향 앞에서 언급한 레이더 단면적의 크기는 산란체에 서 산란된 레이더 신호의 양과 직접적인 관련이 있 다. 레이더 단면적의 크기가 크면 산란된 레이더 신 호의 양이 많은 것이고, 적으면 산란된 레이더 신호 의 양은 적은 것이다. 풍력 발전기의 레이더 단면적 은 먼 거리에서도 탐지될 만큼 큰 값을 갖는다. 아래 표3은 다른 임의의 산란체와 풍력 발전기의 레이더 단면적을 비교한 것이다.
레이더는 움직이는 물체와 정지된 물체를 구분하 는 기능을 한다. 레이더 중 하나인 이동목표 지시장 치(Moving Target Indicator: MTI)는 정지된 클러터와 느린 물체들은 제거하고 속도가 빠른 비행 물체 등 을 탐지하며 추적하게 된다. 그런데 풍력 발전기의 대용량화로 인해서 로터의 직경이 점차 대형화되어 서 로터 날개 끝의 각속도(～150 mph)가 비행기의 속도와 유사해지게 된다. 그리고 풍력 발전기의 재 질이 반사가 잘 되는 물질이기 때문에 날개뿐만 아
표 1. 레이더 단면적 비교
Table 1. Comparison of RCS for three targets.
RCS (dBsm) dBsm m Small aircraft 1～10 0 1 Large aircraft 20 10 10 Wind turbines 40～50 20 100
니라 타워, 나셀, 노즈콘의 레이더 단면적도 매우 크 다. 표 1은 대형화된 풍력 발전기의 레이더 단면적 을 나타낸 것이다. 이런 이유 때문에 레이더 신호 간 섭을 일으킬 가능성이 있다. 특히 우리나라 특성상 바람이 많은 곳은 산 또는 해안가인데, 이런 지역에 는 반드시 레이더 기지들이 존재한다. 그래서 반드 시 풍력 발전기의 레이더 단면적을 줄여서 레이더 상에 비행기와 같은 물체로 오인하지 않게 해줘야 한다.
3-3 레이더 단면적 최소화 과정 3-3-1 타워(Tower)
타워는 풍력 발전기의 레이더 단면적에 가장 큰 영향을 미치는 부분이다. 그림 2에서와 같이 타워의 RCS는 전체 RCS의 약 75 %를 차지함을 알 수 있다.
풍력 발전기를 설치 시 레이더 신호 간섭을 최소화 하기 위해서 타워의 레이더 신호 간섭을 최소화하는 것이 선행되어야 한다. 타워의 레이더 신호 간섭을 최소화하기 위해서 크게 두 가지 방법을 병행하게 된다. 첫 번째는 타워의 기울기를 조절하여 RCS를 줄이는 방법이다. 즉, 타워의 구조를 변경하여 RCS 를 줄이는 것이다. 다양한 주파수에 대해서 기울기 를 변화시켜가면서 최적의 기울기를 찾아서 변경을 하게 되면RCS를 크게 줄일 수 있다. 두 번째 방법 은 타워에 흡수체를 도포하여RCS를 줄이는 방법이 있다. 흡수체에 도포하는 것으로 RCS를 크게 줄일 수 있다. 제시한 두 가지 방법을 병행하게 되면 타워 의RCS를 크게 줄일 수 있을 것으로 예상된다. 그림 3은 타워의 레이더 간섭을 최소화할 방안을 설명한 것이다[5].
3-3-2 나셀 및 노즈콘(Nacelle and Nosecone) 나셀과 노즈콘은 풍력 발전기 전체RCS에 1 % 정
그림 3. 두 가지 방법의 타워 설계
Fig. 3. Development of wind turbine by using two methods.
도의 영향을 미친다. 물론 이 부분도 레이더 신호 간 섭을 최소화하는 구조로 변경하면 좋겠지만, 전체 RCS의 영향에 크게 미치지 못할 것으로 예상된다.
이 부분에 대해서 구조 변경으로 아래 그림4와 같 은 방식으로 가능하다.
그림 4의 왼쪽 그림은 기존 둥근 노즈콘이다. 기 존 둥근 노즈콘은 입사각 전 범위에 대해서 동일한 레이더 산란 신호를 발생한다. 그런데 오른쪽 그림 처럼 기존 둥근 곡률을 갖는 것이 아닌 다양한 불연 속점들이 발생하는 구조로 변경하게 되면 특정 각도 에 대해서만 레이더 산란 신호를 많이 발생시킬 수 있게 된다. 불연속 지점을 줄이면 줄일수록 레이더
그림 4. 노즈콘 구조 변경
Fig. 4. Modification of nosecone geometry.
산란 신호가 많이 발생하는 특정 각도의 범위를 줄 일 수 있다.
3-3-3 날개(Blades)
풍력 발전기의 날개는 타워 다음으로 큰 레이더 산란 신호를 발생시키는 부분이다. 그런데 풍력 발 전기 날개는 바람의 방향, 바람의 세기 등과 같은 요 인에 따라서 풍력 터빈을 가장 잘 동작할 수 있도록 설계가 되어야 한다. 단순히 레이더 산란 신호를 줄 이기 위한 날개의 구조 변경은 불가능하다. 그래서 풍력 발전기 날개의 경우는 구조 변경이 아닌 전자 파 흡수체를 사용하여 레이더 산란 신호를 감소시키 게 된다[5].
Ⅳ. 실험 및 예측 결과
4-1 타워
타워에 대한 레이더 단면적 최소화는 두 가지 방 법을 병행해야 한다. 우선 앞에서 언급했듯이 타워 의 기울기 변화를 통해서 타워의 레이더 단면적을 줄인다. 그리고 레이더 단면적이 최소화되게 기울기 를 설정한 타워에 흡수체를 도포하게 되면 구조 변 경에 의한 레이더 단면적 최소화보다 더 많은 레이 더 단면적을 줄일 수 있게 된다. 그 효과를 보이기 위해서 그림 5와 같이 타워를 모델링하여 주파수와 기울기 변화에 따른 레이더 단면적의 변화를 나타내 었다.
레이더 단면적을 예측하기 위해서 전자파 산란 해석 중 물리광학 및 회절 이론을 통해서 예측하였 다. 타워의 기울기에 따른 레이더 단면적 감소는 그 림6과 그림 7에서 알 수 있다. 그림 6, 7의 x축은 타
그림 5. 타워의 모습 Fig. 5. Tower geometry.
그림 6. 타워 구조 변경에 따른 RCS 변화 Fig. 6. RCS pattern for modifying tower geometry.
그림 7. 구조 변경 및 흡수체 도포 시 RCS 변화 Fig. 7. RCS pattern for modifying tower geometry and
using the radar absorbing material.
워의 밑면의 반지름의 길이를 나타낸다. 여기서 타 워의 윗면의 반지름을2.3 m로 고정시키고, 아래 면 의 반지름을 계속 늘려나갔을 때 그림과 같이RCS 가 감소하는 것을 알 수 있다. 구조 변경 및 흡수체 를 도포하게 되면 그림 7과 같은 결과가 나타남을 알 수 있다. 그림 6과 그림 7을 통해서 풍력 발전기 의 전체RCS의 75 %를 차지하는 타워에 대해서 위 와 같은 방법을 사용하게 되면 레이더 단면적을 크 게 줄일 수 있음을 알 수 있다.
4-2 날개
날개의 첫 번째 기능은 바람을 가장 잘 받게 하는
것이다. 바람을 가장 잘 받게 하기 위한 구조를 RCS 를 줄이기 위한 구조로 변경하는 것은 불가능하므로 흡수체를 도포하는 방법을 통해서RCS를 크게 줄일 수 있다. 여건상 40 m 이상의 날개에 흡수체를 도포 하는 것이 불가능하여 실제 날개의 일부분에 대해서 흡수체를 도포하였다. 그리고 포항공대에 설치된 RCS 측정 실험 설비인 단축거리 무반향실에서 측정 하였다. 측정 대상이 된 날개의 일부분은 그림 7과 같다. 그림 7의 윗 그림은 실제 제작된 날개의 일부 분이며, 아직 흡수체가 도포되기 전의 그림이다. 그 리고 그림 7의 아래 그림은 날개의 명칭을 나타낸 것이다.
날개의 일부분에 대한 레이더 단면적 최소화에 대한 결과는 그림8, 9에서 알 수 있다. 그림 8은 석
그림 8. 날개의 일부분(blade section) Fig. 8. A part of a real type blade.
그림 9. 날개의 석션 부분에 대한 주파수 분석 Fig. 9. RCS of blade suction part.
그림 10. 날개의 프레셔 부분에 대한 주파수 분석 Fig. 10. RCS of blade pressure part.
션 부분에 대한 주파수 분석 그림을 나타낸다. 그림 9는 프레셔 부분에 대한 주파수 분석 그림을 나타낸 다. 붉은 선은 흡수체를 도포하기 전의 그래프이며, 푸른 선은 흡수체를 도포했을 때 그래프를 나타낸 다. 흡수체를 통해서 날개의 일부분이긴 하지만 RCS 값의 감소가 두드러지게 나타남을 알 수 있다.
흡수체의 중심 주파수가 10 GHz 부근으로 흔히 운영하고 있는 군 레이더의 운영 주파수들을 충분히 포함하고 있다. 흡수체 도포 시 중심 주파수 부근에 서 20 dB 정도의 흡수능을 보이고 있다.
Ⅴ. 결론 및 향후 연구
본 논문에서는 풍력 발전기와 군 레이더 사이에 레이더 신호 간섭을 줄일 수 있는 방안에 대해서 연 구하였다. 최근 풍력 발전기의 대용량화로 인해서 타워의 높이가 높아지고, 날개의 반지름 길이가 길 어졌다. 그 결과, 레이더 단면적 크기는 커지게 되고, 이로 인해 군 레이더에서는 풍력 발전기를 군 표적 으로 오인하게 되었다. 이 현상을 줄이기 위해서는 풍력 발전기의 레이더 신호 간섭 최소화 설계가 필 요하다. 풍력 발전기의 레이더 단면적에 영향을 주 는 부분은 크게 두 부분이다. 풍력 발전기의 타워와 날개인데, 이 두 부분에 대해서 레이더 단면적 최소 화 설계가 필요하다.
레이더 단면적 최소화 설계 방법은 구조 변경 및 흡수체 도포이다. 본 논문에서는 타워에서는 구조
변경 및 흡수체 도포를 수행했을 때 변화를 살펴보 았고, 날개는 구조 변경이 불가하여, 흡수체 도포를 통해서 레이더 단면적의 변화를 분석하였다.
풍력 발전기의 타워와 날개에 대해서 레이더 신 호 간섭 최소화 설계를 적용했을 경우, 위의 방법들 을 적용하지 않은 풍력 발전기에 비해서 충분히 큰 레이더 단면적의 감소 효과가 나타났다. 비록 실제 풍력 발전기에 대해서 이 방법들을 적용해 보진 않 았지만, 위의 결과를 통해서 풍력 발전기에 대한 레 이더 신호 간섭 최소화 방법은 충분한 감소 효과가 있을 것으로 예상된다. 본 논문은 풍력 발전기의 레 이더 단면적을 최소화하는데 초점을 맞춰 연구한 내 용이다. 하지만 이동목표 지시장치(Moving Target In- dicator: MTI)와 같은 움직이는 목표물을 탐지하는 레이더의 경우 풍력 발전기의 모양보다 움직이는 날 개의 깃속도의 변화에 따른 도플러 영향을 크게 받 게 된다. 단순한 레이더 단면적 감소 효과만으로 레 이더 신호 영향을 분석하기보다 도플러 영향을 분석
함으로 풍력 발전기의 레이더 신호 영향을 좀 더 자 세하게 분석할 수 있다. 향후 풍력 발전기의 도플러 영향에 대해서 심도 있는 연구가 필요하다.
참 고 문 헌
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[주 관심분야] RCS, EMI/EMC, 레이더 신호처리
김 진 봉
1994년 2월: 인하대학교 항공우주 공학과(공학사)
1996년 2월: 한국과학기술원 항공우 주공학과(공학석사)
2008년 2월: 한국과학기술원 항공우 주공학과(공학박사)
1996년 3월～현재: 한국기계연구원 부설 재료연구소 책임연구원
[주 관심분야] 전파흡수 복합재 구조, 탄소 나노 복합재, 풍력 발전용 블레이드 산란 해석
