Effect of Wind Speed up by Seawall on a Wind Turbine

***†김현구(교신저자):한국에너지기술연구원 신재생에너지 연구센터.

E-mail:[email protected],Tel:042-860-3376

*하영철 :금오공과대학교 건축학부

**이봉희 :금오공과대학교 건축학부

***†Kim Hyun-Goo(corresponding author) : New & Renewable Energy Resource Center, Korea Institute of Energy Research.

E-mail : [email protected], Tel : +82-42-860-3376 *Ha Young-Cheol : Dept. of Architectural Engineering,

Keumho National Institute of Technology.

**Lee Bong-Hee : Dept. of Architectural Engineering, Keumho National Institute of Technology.

방파제에 의한 풍속할증이 풍력터빈에 미치는 영향

EffectofWindSpeedupbySeawallonaWindTurbine

하영철* ․이봉희* * ․김현구* * * †

HaYoung-Cheol * ,LeeBong-Hee* *andKi m Hy un-Goo* * * †

(Submitdate:2013.1.11. Judgmentdate:2013.1.28. Publicationdecidedate:2013.5.3.)

Abstract：Inordertoidentifypositiveornegativeeffectofseawallonwindturbine,awindtunnelexperiment hasbeenconductedwitha1/100scaled-downmodelofGoonsanwindfarm whichislocatedinWestcoastalong seawall.Windspeedupduetotheslopeofseawallcontributedtoabout3% incrementofarea-averagedwindspeed onrotor-planeofawindturbinewhichisanticipatedtoaugmentwindpowergeneration.From theturbulence measurementand flow visualization,itwas confirmed thatthere would be no negative effectdue to flow separationbecauseitsinfluenceisconfinedbelow windturbineblades’sweepingheight.

Key Words：방파제(Seawall),풍속할증(Windspeedup),풍력터빈(Windturbine).풍동실험(Windtunnelexperiment), 군산 풍력단지(Goonsanwindfarm),LES(Large-EddySimulation)

1.서 론

현재 국내에 조성된 풍력단지의 대부분은 해 발고도 1 , 0 0 0 m 이상의 고산지대 및 해안지대에 위치하고 있다.일반적으로 지형고도가 높아지 면 풍속도 증가하지만,복잡한 산악지형에서는 돌풍 및 난류가 수반되므로 풍력터빈 입장에서

는 보다 높은 구조강도가 요구된다.반면 주풍 향 방향이 바다로 향한 해안가의 경우에는 균 일한 해풍을 이용할 수 있다는 장점이 있다.그 러한 예로는 군산 풍력단지,누에섬 풍력단지, 새만금 풍력단지,신안 풍력단지 등이 있다.

그런데 이 중 군산 풍력단지와 새만금 풍력단 지는 해안 방파제 내측에 풍력터빈을 설치한 경우

[논문] 한국태양에너지학회 논문집 Journal of the Korean Solar Energy Society

Vol. 33, No. 3, 2013 IS S N 1 5 9 8 - 6 4 1 1 http://dx.doi.org/10.7836/kses.2013.33.3.001

로,해상에서 불어오는 해풍이 방파제를 지나서 풍력터빈에 입사될 때 풍속할증에 의해 풍속전단 에 따른 풍력발전량 증가 및 구조하중 경감의 혜 택을 기대할 수 있다.

그러나 이와 동시에 방파 제 후단에서 발생하는 유동박리의 비정상성 또는 난류강도 증가로 인한 부정적 영향도 우려된다.

이에 본 연구에서는 군장 풍력단지의 축소 모형을 이용한 풍동실험을 통하여 풍력터빈 전방 구조물 즉 방파제에 의한 대기경계층의 변형이 풍력터빈에 미치는 긍정적,부정적 영 향을 실험적으로 연구하였다.즉,풍속할증과 난류강도의 변화특성을 물리모형으로 해석하 여 정량적 결과를 제시하고자 한다.

2.자료 및 방법 2. 1군산 풍력단지

본 연구에서는 전라북도 군산시 비응도동 군장산업단지 내 해안가 방파제 내측에 조성 된 군산 풍력단지를 모형화하여 풍동실험을 수행하였다.군산 풍력단지에는 Fi g.1 과 같이 서해로 향해 남북으로 뻗은 방파제를 따라 20 0m 동일 간격으로 총 10기의 풍력터빈이 일렬로 설치되어 있다.이 중 6 기는 NEG-Mi c o n NM4 87 5 0kW ( 허브높이 4 5m,블레이드 지름 48m) 이며,나머지 4기는 Ve s t asV5 285 0kW ( 허브높이 49m,블레이드 지름 52m) 이다.

Fig.1.Goonanwindfarm constructedbyseawall

한국에너지기술연구원에서 구축한 국가바 람지도에 의하면

군산 풍력단지 지점의 주풍 향은 북북서풍이며,지상 5 0m 높이에서 평균 풍속 5 . 4m/ s그리고 풍속분포지수( wi ndpr o f i l e e xpone nt ) 는 0. 13 3 이다. ( Fi g.2 )풍동실험을 원 방 입사풍으로 이러한 조건을 모사하였다.

Fig.2.Windrose(left)andwindspeedprofile(right) atGoonanareapredictedbyKIER-WindMap^TM

2. 2경계층풍동

풍동실험은 수축비( c ont r ac t i on r at i o)4: 1 ,

측정부가 1. 5m ( W)x1. 3m ( H)x17m ( L) 인

금오공과대학교 토출식 에펠형( Ei f f e lt ype )

경계층풍동에서 수행하였으며( Fi g.3) ,측정부

입구에 설치된 스파이어( s pi r e ) 와 측정부 바닥

면에 배치된 조도블록으로 국토해양부고시 건

축구조설계기준( KBC-2 0 0 9 ) 에서

제시하는 해

안가에 해당하는 노풍도( e xpos ur ec at e gor y)

D를 모사하였다.

Fig.3.TheboundarylayerwindtunnelofKumho NationalInstituteofTechnology

Fi g.4는 풍동에서 생성된 대기경계층의 평균풍속 및 난류강도 연직분포를 보여주는 데,50m 높이에 해당하는 50 0mm 모델높이 에서 평균풍속 5m/ s ,풍속분포지수는 0 . 13그 리고 경계층 하단부의 난류강도는 1 0%이다.

이는 Fi g.2에 제시된 군산 풍력단지 지점의 풍황을 최대한 모사한 것이다.

Fig.4.Windspeed(left)andturbulenceintensity(right) profilesgeneratedinthewindtunnel

건축풍공학 풍동실험은 특성길이가 크기 때 문에 10 0배 또는 1, 0 00배 이상의 레이놀즈 수 불일치 발생한다.그러나 최소 10

이상의 레

이놀즈 수에서는 난류경계층 하에서 각진 형 상으로 인하여 유동박리가 발생할 경우에는 레이놀즈 수 의존도를 무시할 수 있다.

참고로 본 풍동실험의 레이놀즈 수는 1. 7x10

이다.

평균풍속 연직분포는 다음 식으로 표현할 수 있다.단, 

는 지면으로부터의 높이 z 에 서의 평균풍속이며 

는 경도풍 높이

에서의 평균풍속,그리고

는 풍속분포지수 이다.













^{( 1)}

난류강도( 

) 는 풍속변동의 표준편차(

) 를 평균풍속(

 ) 으로 나눈 변동계수로서,다음과 같이 정의된다.





_

( 2)

자연풍의 난류특성을 단지 난류강도만으로 규정할 수 없는데,이는 자연풍은 다양한 주기 를 갖는 와류가 중첩되어 불규칙한 변동을 형 성하기 때문이다.따라서 풍동에서 재현된 실 험기류와 자연풍의 상사성을 입증하기 위해서 는 반드시 불규칙한 변동의 주기특성을 그 크 기와의 관계로 분석한 파워스펙트럼 밀도 ( powe rs pe c t r alde ns i t y) 의 상사성을 확인하 여야 한다.

Fi g.5는 풍동에서 재현된 실험기류의 무차

원 파워스펙트럼 밀도를 MEM( Maxi mum

Ent r opyMe t hod) 으로 산출한 결과와 본 카르

만( vonKa r man)실험식을

비교한 것으로 변

동풍속의 주기구조가 자연풍과 유사하게 재현

되었음을 확인할 수 있다.단 n은 진동수( Hz ) ,

는 무차원 진동수이다.

_^





    ^{ }^

 ^

( 4 )

Fig.5.Comparisonofthepowerspectraldensity (circles:windtunnel,solidline:vonKarmanequation)

2. 3풍동실험 모형

본 연구에서는 서해안 조수 간만의 차를 고 려하여 만조( hi ght i de )및 간조( e bbt i de )상 황의 방파제 모형을 1 / 10 0축척으로 제작하되 바다와 접한 풍상부 경사면의 테트라포드 ( t e t r apod) 를 실제와 가깝게 가공하였다.또한 해풍의 방파제 입사각이 0

,1 1. 25

,22 . 5

인 세 경우에 대하여 실험을 수행하였다.해풍의 방 파제 입사각은 xy-평면과 평행한 풍속벡터가 x-축과 이루는 각도로 정의되며,입사각이 0

라 함은 Fi g.6에서 ( +) x-축 방향인 좌측에서 우측으로 해풍이 불 때이다.

풍력터빈은 허브( hub)높이 50m,블레이드 직경 5 0m로 가정하였으므로 블레이드 회전구 간은 지상 2 5m∼ 7 5m 높이구간이 된다.( 풍 동모형에서는 25 0mm∼ 7 5 0mm 높이구간)

풍속측정은 Fi g.6 에 원번호로 표시한 지점 에서 연직방향 2 5mm 간격으로 열선풍속계 ( hot -wi r eane mome t e r ) 를 사용하여 20 0Hz 로 3 0s 간 샘플링 하였으며 5 회 반복 측정하여 앙 상블 평균을 취하였다.Fi g.7 은 풍하측에서 풍상측으로 바라본 풍동실험 모델 설치모습이다.

1 2 3 4 5

Wind Turbine

Road

x z

Fig.6.Crosssectionaldrawingoftheseawallmodel andpositionsofwindtunnelmeasurement(unit:cm)

Fig.7.ScaledmodeloftheGunsanSeawallandwind turbinesforwindtunnelexperiment(rearview)

3.결과 및 고찰 3. 1풍속할증

전방 구조물에 의한 풍속할증을 정량적으로 분석하기 위하여 평균풍속의 할증계수( s pe e dup r at i o)S를 다음과 같이 정의하였다.단,U

는 전방 구조물이 없는 상태,즉 원방 입사풍의 평균풍속이다.







( 5)

(1) (2) (3) (4) (5) Fig.8.Windspeedupratioprofilesatthemeasurementpositions① to⑤ forahightidecase

(1) (2) (3) (4) (5)

Fig.9.Windspeedupratioprofilesatthemeasurementpositions① to⑤ foranebbtidecase

Fi gs .8 과 9는 각각 만조와 간조인 경우 평 균풍속 할증계수 연직분포를 비교한 것으로, 상대적으로 풍상부 경사면의 높이가 높아지는 간조시가 만조시에 비하여 할증률이 높지만 정성적 관점에서 풍속할증 경향은 두 경우 모 두 동일함을 확인할 수 있다.

즉,방파제의 최대높이 지점인 ②에서 특히 하단부의 풍속할증이 가장 크게 발생하며 후 방으로 갈수록 할증계수는 줄어들어 ⑤ 지점 에서는 풍력터빈 블레이드 회전구간에서의 풍속 할증은 거의 소멸된 것으로 나타났다.( Ta bl e1 ) 또한 입사각에 따른 풍속할증은 큰 변화가 없 음을 확인할 수 있다.이는 2 차원적 방파제 형 상 때문에 대기유동 역시 2 차원적이기 때문인 것으로 해석된다.

Position Hightide Ebbtide Change

①

0^o 1.00 1.01 +1.0% 11.25^o 1.01 1.03 +1.9% 22.5^o 1.02 1.01 -1.0%

②

0^o 1.16 1.26 +7.9% 11.25^o 1.16 1.27 +8.7% 22.5^o 1.16 1.26 +7.9%

③

0^o 1.15 1.21 +5.2% 11.25^o 1.12 1.22 +8.9% 22.5^o 1.15 1.22 +6.1%

④

0^o 1.11 1.11 0.0% 11.25^o 1.10 1.12 +1.8% 22.5^o 1.08 1.14 +5.6%

⑤

0^o 1.04 1.05 +1.0% 11.25^o 1.04 1.04 0.0% 22.5^o 1.05 1.06 +1.0% Table1.Maximum windspeedupratios

Tabl e2는 풍력터빈 블레이드의 회전영역 내에서의 평균풍속을 산출한 것이다.풍력터 빈 입장에서는 블레이드 회전영역에 입사하는 바람에 의해 풍력발전이 이루어지기 때문에 실질적인 풍속할증 효과도 허브높이의 풍속이 아닌 블레이드 회전영역의 평균풍속으로 평가 하여야 할 것이다.

블레이드 회전영역 내에서의 평균풍속 는 다음과 같이 계산된다.단,H는 풍력터빈 허 브높이이고 R은 블레이드의 길이이다.









  

  

^







( 6)

풍력터빈이 위치한 ④ 지점에서는 방파제에 의한 풍속할증으로 인하여 풍속의 면적평균이 만조와 간조인 경우 각각 원방 입사풍속 대비 3 . 9 %와 3 . 5 % 증가하였다.이러한 풍속의 면적 평균의 증가는 풍력발전량 증가로 이어지게 될 뿐 아니라 풍력터빈 블레이드에 입사하는 풍속분포의 전단( s he ar ) 이 완화됨에 따라 블 레이드가 회전할 때 작용하는 비대칭의 굽힘 모멘트( be ndi ng mome nt ) 를 감소시킴으로써 풍력터빈에 가해지는 구조하중을 경감시키는 효과를 기대할 수 있다.

Position Hightide Ebbtide Change Ref. 4.80 4.80 -

①

②

③

④

⑤

Table2.Rotor-planewindspeed(unit:m/s)

3. 2난류강도

방파제 경사면 후단에서 발생하는 유동박리 ( f l ow s e par at i on) 의 정성적 고찰을 위해 레이 저 평면광을 생성하여 가시화실험을 하였다.

Fi g.10 을 보면 방파제 경사면을 따라 가속된 유동은 ② 지점 후단의 절단면 이후에도 계속 모멘텀을 유지하며 상승함에 따라 유동박리가 시작되며 박리된 유동은 다시 하부로 재순환 하는 형태를 잘 보여주고 있다.또한 박리유동 과 재순환유동의 경계면에서는 강한 풍속전단 으로 인하여 불규칙적인 와류가 떨어져나감과 동시에 난류운동에너지를 상승시키게 된다.

Fi g.1 1 은 LES( La r geEddySi mul a t i o n) 로 실 제규모 군산 방파제 유동박리를 수치모의한 결 과로,

풍동실험 가시화와 동일한 박리유동 형 태를 보여주고 있다.즉,박리지점에서 간헐적으 로 생성되는 와류의 비정상 변동성은 풍력터빈 하단부에만 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.

Fig.10.Flow visualizationofflow separationover seawallmodelbythewindtunnelexperiment.

Fig.11.Flow visualizationofflow separationover seawallbyLargeEddySimulations

(1) (2) (3) (4) (5) Fig.12.Turbulenceintensityprofilesatthemeasurementpositions① to⑤ foranebbtidecase

유동박리에 의해 강화되는 난류강도의 변화 를 살펴보면( Fi g.1 2) ,방파제의 최대높이 지 점인 ②의 후단에 발생한 유동박리의 영향으 로 난류강도가 급격히 증가하지만 그 영향범 위는 풍력터빈 블레이드 회전구간 이하에 머 무르고 있다.참고로 이해를 돕기 위하여 Fi gs .8,9 ,12에 풍력터빈 허브높이에 실선으 로,블레이드 회전구간 상· 하단 높이에 점선으 로 수평높이를 표시하였다.

4.결 론

서해안에 방파제 내측에 풍력터빈이 설치된 군산 풍력단지의 1/ 1 00축소모형으로 풍동실 험을 수행하여 방파제 경사면에 의한 풍속할 증 및 난류강도 변화특성을 분석하였으며,다 음과 같은 결론을 도출하였다.

( 1 )방파제 경사면에 의해 특히 경계층 하단부 에 풍속할증이 발생하며 상대적으로 구조 물의 높이가 높아지는 간조 때가 만조 때보 다 할증율이 높게 나타났다.그러나 입사각 에 따른 풍속할증의 변화는 크지 않았다.

( 2)풍속할증은 풍력터빈 블레이드 회전면적 에서의 평균풍속을 3% 이상 증가시키므 로 풍력발전량의 소폭 증가를 기대할 수 있다.

( 3 )가시화실험 및 LES수치모의에 의하면 방 파제 후단에서 발생하는 유동박리의 영향 은 풍력터빈 블레이드 회전구간 하단부 이 하에 국한되었다.

( 4)대형구조물 풍동실험의 경우 레이놀즈수 상사성을 맞추기 어렵기 때문에,추후 전 산유동해석으로 풍동규모와 실제규모의 유동특성을 비교할 경우 해석결과의 신뢰 성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

후 기

본 연구는 한국에너지기술연구원 부처임 무사업의 연구비 지원으로 수행되었습니다.

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