강원도 기상데이터를 이용한 풍속 지도 제작
Producing Wind Speed Maps Using Gangwon Weather Data
1)
김기홍*ㆍ윤준희**ㆍ김백석***
Kim, Gi HongㆍYoun, Jun HeeㆍKim, Baek Seok
要 旨
석유파동이후 신재생에너지의 중요성이 대두되고 현재에 들어 저탄소 녹색성장으로 다시금 그 중요성은 커지고 있다. 본 논문에서는 신재생 에너지 중 가장 현실적인 대안으로 받아들여지고 있는 풍력에너지에 대하여 강원지방 기상청의 2008년 데이터 이용하여 풍속지도를 제작 하였다. 강원도 월별 평균 풍속과 최대풍속지도를 제작하였으 며, 기상자료에 여러 가지 보간법을 적용하고 방법에 따른 차이를 확인하였다. 강원도 지역의 특수한 지형적, 기후 적 특성이 반영된 풍속지도는 풍력 단지 입지분석에 활용성이 높을 것으로 기대된다.
핵심용어 : 신재생에너지, 녹색성장, 풍속지도
Abstract
After oil shock, the importance of renewable energy has emerged and it came to the fore again as Korean government declared the policy on low-carbon green growth. Among various renewable energies, it is generally accepted that wind power is the most practical alternative. In this paper we showed the process of producing wind speed map from Gangwon Regional Meteorological Administration's 2008 data. We mapped monthly average and maximum wind speed and compared several interpolation methods applied to the weather data. This wind speed map, which reflects Gangwon's topographical and climatic regional characteristics, is expected to be a good tool for wind farm location analysis.
Keywords : renewable energy, green growth, wind speed map
1. 서 론
최근 유가의 불안정, 기후변화협약 규제 대응 등 신 재생에너지의 중요성이 재인식되면서 에너지공급방식 의 다양화가 필요하게 되었다. 기존에너지원 대비 가격 경쟁력을 고려할 때 신재생에너지산업은 IT, BT, NT 산업과 더불어 미래 산업, 차세대산업으로 급신장이 예 상되며 우리나라는 2011년 총에너지의 5%를 신재생에 너지로 보급한다는 목표하에 신재생에너지기술개발 및 보급사업 등에 대한 지원을 강화하고 있다(김종민 등, 2008). 현재까지 다양한 신재생에너지원 중에서 가장 현실적인 대안으로 받아들여지고 있는 풍력발전은 공 기의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 것이다. 풍 력은 인류가 고대부터 사용한 에너지원으로서 주로 양 수, 도정, 관개의 목적으로 많이 이용되어 왔으며 19세
기에 이르러서는 신기술의 발달에 따라 발전시스템으 로 활용이 가능하게 되었다. 우리나라에서도 에너지위 기 이후 개발을 시작하여 국산화와 병행하여 한국에너 지기술연구소는 100kW급 풍력발전시스템을 도입하여 연계 운전을 위한 연구를 수행하고 있다(문채주 등, 2008). 국내의 풍력에너지자원 우수지역은 이미 기상 청 자료 분석과 해당지역의 직접계측을 통한 분석을 수 행하여 확보된 상태이다. 특히 제주도, 경북 동해안, 전 북 및 전남 서해안. 그리고 대관령 지역이 풍력등급 4
∼6등급으로 아주 우수한 자원을 보유하고 있다. 현재 국내 풍력발전 현황은 강원풍력, 영덕풍력, 행원풍력 등 총 14개소, 146기로 생산량 232,445kW를 생산할 수 있을 정도로 성장하였다. 또한 새로운 대용량 발전 단지 설계와 개발에 많은 노력을 기울이고 있으며, 지 상뿐만이 아닌 해상풍력 발전에도 박차를 가하고 있다.
2010년 1월 22일 접수, 2010년 2월 18일 채택
* 정회원ㆍ강릉원주대학교 토목공학과 조교수(ghkim@gwnu.ac.kr)
** 교신저자ㆍ삼성SDS 공공컨설팅그룹 수석컨설턴트(junhee.youn@samsung.com)
*** 삼아항업(주) 기술연구소 사원(sugy2006@naver.com) 연구논문
풍력발전단지를 선정하거나 설계하는데 있어 정확한 풍력자원의 분석은 가장 기초적이며 중요한 자료 중에 하나이다. 풍력에너지는 풍속의 3승에 비례하는데 예를 들어 풍속이 5m/s인 곳에 설치된 풍차의 출력은 풍속 이 4m/s인 곳의 풍차의 거의 2배의 출력을 생산한다.
따라서 풍력발전의 경제성에 가장 중요한 열쇠는 적당 한 입지의 선정이다(변효인 등, 2005).
따라서 본 논문에서는 강원지방기상청의 2008년 자 동관측장비(AWS)와 강원지방기상관측소 총 70여곳의 풍향, 풍속자료를 바탕으로 강원도 지역의 월별 풍속지 도를 제작하였으며, 풍속 자료 보간을 위한 보간법들 간의 차이를 확인하기 위하여 12월 강원도의 61곳의 자동관측장비(AWS) 데이터를 다양한 보간법을 적용하 여 풍속자료를 생성하고 실측된 상시관측소 데이터와 비교하였다.
2. 풍력발전의 설치 조건
중대형 풍력발전기(Wind Tubin Generator, WTG)를 설치하기까지 3∼5년이 소요된다. 그 이유는 WTG 설 치의 타당성과 경제성을 분석하기 위해 설치할 곳의 풍 향 및 풍질 계측이 최소 1년, 인허가, 프로젝트 파이낸 싱(Project financing)등을 사전에 준비해야 하고, 계약 후 WTG 공급까지 최소 6∼12개월, 시공, 산업운전 등 다양한 절차가 필요하기 때문이다.
설치 장소를 선택하기 위해 7가지 조건을 고려해야 한다. 첫 번째로 풍향과 WTG의 블레이드(blade)가 가 능한 직각이 될 수 있는 산등성이 필요하다. WTG 뒤 에는 후폭풍이 생겨 다른 WTG에 영향을 줄 수 있기 때문이다. 두 번째로는 폭 50m 길이 3Km 정도의 넓고 긴 산등성이 필요하다. 즉 WTG를 설치하기 위한 작업 공간이 있어야 한다. 세 번째로 풍속은 7m/s 이상이어 야 한다. 4m/s부터 블레이드가 돌기 시작해서 15m/s에 서 최대 효율을 나타낸다. 25m/s 이상은 WTG 보호를 위해 정지시켜야 한다. 설치 장소의 풍속, 풍향, 온습도 등은 Met Mast를 이용해 측정한다. Met Mast는 Zone
& Datum WGS84 UTM 좌표에 따라 위치를 선정하고 풍질을 측정하는 장비로 1년간 10분 단위로 WTG의 hub 높이에서 측정하고 최적의 입지를 선정한다. 많은 지점에서 측정하면 보다 정확한 데이터를 얻을 수 있 다. 얻어진 데이터는 보정과정을 반드시 거쳐야 한다.
네 번째로는 설치 주변에 장애물(산봉우리 등)이 가능 한 없는 지점이어야 한다. 다섯 번째는 공사를 취해 접 근성이 좋은 곳 이어야 한다. 2MW급 WTG의 블레이 드는 약 40m로 설치하기 위한 진입로가 필요하다. 여
섯 번째로는 인근의 송전, 변전소가 가까운 곳이다. 계 통전력과 연결이 필요한 송전, 변전소가 없으면 같이 설치해야 하며 공사비 상승을 유발한다. 전문가에 따르 면 154KV 지중고압선을 10km 설치하면 약 100억원 이 소요된다고 한다(이영호, 2005). 마지막으로 와류가 없고 풍속이 높이에 따라 편차가 적은 바람이 부는 곳 이다. 국내의 경우 거의 북서풍이며 인천 지역이 바람 이 많이 분다고 하나 풍속이 낮아 풍력 발전을 하기에 는 어렵다. 서해안 지역도 일반 사업자가 설치하기는 무리가 있다. 국내 내륙은 와류, 난기류가 많아 풍질이 좋지 않으며 사유지 및 국립공원이 많아 진입 접근성이 좋지 않은 단점이 있다. 전라남도 해안이 풍속은 떨어 지지만 설치가 적합한 것으로 알려지고 있다. 제주도의 경우 WTG가 많이 설치되었으나 도내의 전력 수요량 이 거의 다 찼으며 추가 설치로 내륙으로 전송하기 위 한 계통연계를 위해서는 154KV 고압선을 연결해야 하 는 문제점이 있다.
풍력발전을 위한 입지 선정은 바람에 대한 기초 정 보, 최소 5m 간격을 갖는 등고선 지도 Met Mast정보, 계통연계 정보, 기후(태풍 등)등을 잘 고려해야 향후 전 력 생산량 극대화 및 유지비 최소로 할 수 있다. 또한 경관 영향 및 발생 소음 영향, 배수가 원활할 수 있는 성분의 토양. 설치 지역의 토양이 큰 하중을 견딜 수 있 는지의 여부도 입지조건의 중요한 점이다.
3. 강원도 풍력자원의 특성 및 데이터취득
3.1 강원도 풍력자원의 특성
강원도는 남북으로 길게 뻗은 태백산맥을 중심으로 영동과 영서로 분리되어 있으며 기후적으로 전혀 다른 특성을 나타내고 있다. 우리나라 주요바람 자원은 북서 풍과 남동풍이고 계절에 따라서 영동과 영서 지방에 고 온 건조한 높새바람이 분다. 지리적으로 서쪽으로는 대
그림 1. 강원도 풍력발전시스템 보급현황
부분이 산간지역이나 비교적 경사가 완만하고 분지가 형성되어 있는 곳이 많다. 동쪽으로는 태백산맥 분수령 (평균고도 900m)에서 해안쪽으로 서쪽경사에 비하여 약 5배에 달하는 급경사를 이루면서 대관령 정상에서 해안선까지 경사면 약 20㎞ 정도로 서쪽에 비해 매우 짧으며 동쪽으로 동해바다와 접해있어 산간, 해안, 바 다 등이 복합된 지형지세로 국지적, 시간적 기상변화가 심하여 산악지형에서는 밤과 낮의 기온 차에 의해서 산 풍인 골바람과 산바람이 분다. 이에 50MW 이상 풍력 발전 단지가 강원도에 주로 건설되어 운용되고 있는 이 유이기도 하다(강원지방기상청, 2003).
3.2 강원도 풍속 데이터 취득
그림 2. 강원도 기상관측자료
그림 3. 강원도 상시관측소(위)와 AWS 위치(아래)
강원지방기상청의 2008년 강원지방관측소 자료와 기 상관서가 없는 지역을 위하여 설치되어 있는 자동기상 장비(AWS) 자료, 총 70여 지점의 시간별 온도, 풍속, 풍향, 최대풍속 및 관측지점의 경도, 위도 정보를 취득 하였다. 이 자료들을 사용함에 있어서 각 지역별로 데 이터 분류를 하는 작업이 필요하였으며, 지역별 분류가 마무리된 후에는 월별로 데이터를 정리하고 월평균 풍 속을 계산하여 지도 제작에 활용하였다.
4. 강원도 풍속지도 제작
4.1 보간법에 따른 풍속도 분석
각각의 관측지점에서 관측된 풍속 데이터는 GIS 상 에서 점 데이터로 표현된다. 이를 통하여 강원도 전체 의 풍속지도를 제작하기 위해서는 보간법을 이용하여 래스터 자료로 변환하여야 한다. 보간법은 샘플 포인트 가 부족한 지점에서 값을 예측하기 위해 사용되는 방법 으로 공간적 상관관계 또는 공간적 의존관계의 개념에 기반하여 가깝고 먼 객체들 사이에 관계성 혹은 의존성 을 정도로 나타낸다. 값이 서로 관련 된다면, 공간적 패 턴이 존재하며 영역내의 객체 유사성을 근거로 추가점 에 대한 값을 결정한다. 여러 가지 보간법 중 풍속자료 를 보간하는데 있어서 가장 적합한 방법을 확인하기 위 하여 평균풍속이 가장 큰 12월의 강원도의 61개 지점 의 실측된 AWS 12월 기상관측자료를 입력한 후 이를 보간하여 강원도 전체 풍속지도를 제작하고 12개 상시 관측지점의 실측된 12월 기상관측자료와 비교하였다.
4.1.1 IDW
가장 일반적인 보간법중 하나인 IDW법은 인접한 기 지점들과의 거리에 따라 비선형적인 가중치를 계산하 여 사용하는 것으로 서로 다른 기지점이 한 미지점에 미치는 영향은 미지점으로부터 기지점까지의 거리에 따라 감소한다는 기본 가정에 의해 보간이 이루어진다.
측정값은 아래와 같은 식으로 표현할 수 있다.
(1)
여기서, 는 미지점, 즉 추정하고자 하는점, 는 미 지점에서 주변의 관측지점(기지점) 까지의 거리, 는 기지점에서의 값들, 은 가중치를 나타낸다. 이 식에
그림 4. IDW 보간법에 의한 평균풍속도
서 가중치 m의 값이 커질수록, 더 멀리 있는 지점들의 영향은 작아지는 것을 알 수 있다. 그림 4는 IDW 방식 에 의한 풍속지도이다.
4.1.2 Kriging
보건학, 지화학, 오염 모델링과 같은 다양한 분야에서 사용되는 강력한 통계학적 보간 방법인 Kriging은 샘플 포인트들 간의 거리와 방향이 표면의 변화를 설명할 수 있는 공간 상관성을 반영한다고 전제한다. Kriging은 데이터에서 거리의 상관성 또는 방향성이 파악되는 경 우에 가장 적합하며, 토양학과 지질학에서도 사용된다.
예측 값은 가중 평균 연산을 사용하여 샘플의 관계성을 측정하여 산출되며, 고정 또는 가변적일 수 있는 검색 반경을 사용한다. 생성된 셀 값은 샘플 값의 범위를 초 과할 수 있고 표면은 샘플 포인트를 통과하지 않는다.
Kriging에서는 몇가지 유형이 있는데, 가장 일반적인 방법인 Ordinary Kriging은 지역 평균에서 데이터의 고정 평균(경향)이 없음을 전제한다. Universal Kriging 은 데이터에 두드러진 경향성이 있으며, 그것이 모델링
그림 5. Kriging 보간법에 의한 평균풍속도
그림 6. Natural Neighbor 보간법에 의한 평균풍속도
될 수 있음을 전제하게 된다. 그림 5는 Ordinary Kriging 방법을 통해 보간한 풍속지도이다.
4.1.3 Natural Neighbor
Natural Neighbor 보간은 보간과 외삽 모두에 사용 될 수 있고, 군집된 분산 포인트에 적절하게 사용될 수 있는 방법이다. Natural Neighbor 보간에서 사용되는 기본식은 IDW 보간에서 사용되는 식과 동일하다. 이 방법은 대용량의 입력 포인트 데이터 셋을 효율적으로 처리할 수 있다. Natural Neighbor 방법을 사용하면, 국지적 위치에 의해서 분산 포인트가 결과에 미치는 영 향력이 결정된다. 그림 6은 Natural Neighbor 방식에 적용한 풍속지도이다.
4.1.4 Spline
Spline은 전체 표면의 굴곡은 최소화하는 수학적 연 산으로 값을 계산하며, 부드러운 표면을 산출한다. 고 무판을 구부린 것처럼, 표면이 포인트를 통과하여 전체 굴곡을 최소화한다. Spline 표면에서 데이터의 능선과
그림 7. Spline 보간법에 의한 평균풍속도
그림 8. TIN에 의한 평균풍속도
계곡을 파악할 수 있다. Regularized Spline은 1차 도 함수(경사도), 2차 도함수(경사도의 변화율), 3차 도함 수(2차 도함수의 변화율)를 최소 연산으로 조합하며, Tension Spline은 1차와 2차 도함수만을 사용하지만, 연산시에 더 많은 포인트를 사용하게 된다. 따라서 Tension Spline은 대개 부드러운 표면을 생성하지만 연 산 시간이 길다. Regularized Spline 방법을 통해 보간 하였으며 그림 7은 이를 나타낸 것이다.
4.1.5 TIN
TIN(Triangulated Irregular Network)은 점들을 불규 칙 삼각망으로 구성하는 것으로 주로 지형의 표현에 많 이 이용되는 방법이다. 점들의 집합을 삼각망으로 구성 하는 방법에는 여러 가지가 있으나 Delaunay 삼각형이 가장 많이 사용되고 있다. 그림 8은 TIN을 이용한 풍 속지도이다.
4.1.6 보간법의 비교
각각의 보간방식에 의해 추출된 상시관측소 지점의 데이터와 실제 측정된 12개소 상시관측소 지점의 12월 데이터와 비교하여 평균제곱근 오차(RMSE)와 최대오 차를 산출하였다.
보간법 IDW Kriging Natural
Neighbor Spline TIN RMSE (m/s) 1.022 0.891 1.074 2.037 1.010
최대오차
(m/s) 3.059 2.588 3.297 5.284 3.031 표 1. 보간법에 따른 오차
그림 4에서 그림 8과 표 1에서 보는바와 같이 풍속자 료의 경우 보간법에 따라 다소 차이를 보이는데 Kriging이 오차가 가장 적은 것으로 나타났다. 최대오 차의 경우 크게 나타났는데 풍속의 경우 각각의 지점에 서 지형적, 기후적 특성이 급격히 변할 수 있으며 이에 따라 풍속이 크게 달라질 수 있기 때문인 것으로 판단 된다. 따라서 풍속자료의 경우 대상지역에 골고루 분포 된 충분한 수의 관측지점을 확보하여야 한다. 사정상 충분한 관측지점을 조밀하게 확보할 수 없는 경우 단순 한 GIS적인 보간법의 적용은 최대오차가 크게 발생할 수 있다. 따라서 적은 관측지점의 데이터로 보간을 할 경우 기상학적인 기반에서 지형적 기후적 모델링을 통 한 보간법이 적용되어야 할 것으로 사료된다.
4.2 강원도 평균 풍속지도
2008년도 강원도 지방의 12개 상시관측소와 61곳의 AWS 데이터를 바탕으로 Kriging을 이용하여 강원도 의 월별 평균 풍속지도를 제작하였다.
2008년 강원도지방기상청 자료를 바탕으로 강원도 평균 풍속도를 제작, 분석한 결과 대부분의 월별 평균 풍속이 7m/sec를 만족하는 지역은 미시령부근과 현재 설치되 운용중인 강원도의 풍량 발전단지들이 위치한 곳과 일치하였다. 그러나 치악산, 백운산이 고지대임에 도 불구하고 평균 풍속이 낮게 나타났는데 이는 산악지 역의 특성상 풍속 확률밀도의 형상계수가 낮고 산풍의 영향으로 풍속표준편차가 크기 때문인 것으로 생각 된다.
그림 9. 강원도 월별 평균풍속도
4.3 강원도 최대 풍속지도
2008년도 강원도 지방의 12개 상시관측소와 61곳의 AWS 데이터를 바탕으로 Kriging을 이용하여 강원도 의 월별 최대풍속지도를 제작하였다.
최대 풍속도는 미시령부근, 치악산부근 지역에 최대 풍속이 발생 하였다. 최대 풍속도는 평균풍속도와 마찬 가지로 풍량 발전단지 적지분석에 함께 활용되어야 할 것이다.
그림 10. 강원도 월별 최대풍속도 기상청 국립기상연구소에서는 국가 신재생에너지 기
반기술 확보를 위해 풍력, 태양광자원지도 개발 연구를 계획하고 있으며 동아시아 규모의 미래 기후변화 전망 이 추진되어 오고 있다. 또한 최근 강원지방의 여러 지 자체에서 신재생에너지에 의한 녹색성장을 추진하고 있다. 본 연구에서는 기 구축되어 있는 신·재생 에너지 원 km급 지도의 낮은 활용성을 고려하여 강원도 지역 에 대한 보다 자세한 풍속지도를 제작하였으며 향후 풍 속지도를 기반으로 강원도 지역의 특수한 지형적, 기후 적 특성을 반영하고 토지이용, 식생, 환경 등 다양한 요 소들을 GIS기반으로 분석한다면 보다 신뢰성 있는 풍 력 단지 입지분석이 가능할 것으로 기대된다.
5. 결 론
본 논문에서는 2008년 강원지방기상청의 데이터를 토대로 풍속지도를 제작하였다. 평균 풍속지도에서 미 시령부근, 기 구축되어 운용되고 있는 풍력발전단지에 서 평균 풍속이 높은 것으로 나타났다. 또한 최대 풍속 지도는 평균 풍속지도와 마찬가지로 운용중인 풍력발 전단지에서 최대 풍속이 발생하는 것으로 나타났다. 풍 속지도를 토대로 풍력발전 조건에 유리한 지역은 미시
령과 대관령이 가장 가능성이 높은 것으로 나타났다.
대관령 부근은 현재 풍력 발전이 이미 가동 중이나 미 시령 부근은 아직 풍력발전이 시작되지 않았다. 미시령 의 경우 대관령과 고도가 비슷하고 최대 풍속지도에서 보듯이 풍속 역시 풍력 발전을 이용하기에 적당하다.
하지만 미시령은 대관령에 비해 경사가 급하고 일대에 는 설악산국립공원을 비롯하여 풍력발전을 하기 위한 부지의 확보가 대관령에 비해서는 어렵다고 판단된다.
강원도 풍속자료에 대해 Idw, Kriging, Natural Neighbor, Spline, TIN 5가지 보간법을 적용한 결과 Kriging이 가장 좋은 결과를 보여주었으나 풍속 자료의 경우 특성상 충분한 수의 관측지점을 입력하지 않고 보 간하는 것은 오차가 크게 발생할 수 있음을 확인하였다.
현재에 우리나라의 풍력발전은 고산 지대나 해안가 주변에서 시작하고 있다. 강원도의 경우 기존의 대관령 풍력단지와 함께 동해안에 해양풍력발전을 고려해볼 수 있으며 향후 신재생에너지의 주요 거점으로 발전할 가능성이 크다. 풍력발전은 풍속뿐만 아니라, 지형, 배 후단지, 소음, 생태, 환경 등 많은 영향들을 고려하여야 하며 이를 위해서는 GIS기반의 적지분석 공간 모델링 이 필수적이며 향후 많은 연구가 이루어져야할 것으로 사료된다.
감사의 글
본 과제(결과물)는 교육과학기술부․지식경제부의 출 연금으로 수행한 산학협력중심대학육성사업의 연구결 과입니다.
참고문헌
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석 연구, 한국태양에너지학회 논문집, 한국태양에너지 학회, pp.70-77.
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4. 변효인, 류지윤, 김두훈 (2005), 풍력자원해석 및 에너지 예측을 통한 풍력발전단지 설계 연구, 신재생에너지학 회지, 신재생에너지학회, 제1권, 제2호, pp.19-25.
5. 이영호, 김범석 (2005), 풍력에너지의 이용 및 기술 현 황, 유체기계저널, 제8권, 제3호, pp.51-58.
