풍력발전단지 설계프로그램의 예측성능 비교 평가에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 제주도 중산간과 일주도로변 등 평탄지형과 복잡지형의 각 지점에서 측정된 바람데이터를 이용하여 10km이상 장거리 예측성능을 풍력발전단지 설계 프로그램인 WAsP과 WindPRO를 이용하여 비교 평가하였고 그 적용가능성을 알아보았다. 대상 지역은 해안가 지역인 행원, 조천과 산악지역인 회천, 수산이고, 바람 데이터 수집 기간은 1년 이다. 행원사이트로부터 10km이상 떨어진 서로 다른 지형을 가진 3사이트(조천, 회천, 수산)에서 얻은 바람데이터를 이용하여 행원사이트의 풍황을 예측하고, 행원사이트에서 얻은 실측 데이터와 비교하여 그 예측성능을 평가하였다. 반대로 행원사이트로부터 얻은 바람데이터를 이용하여 나머지 3사이트에 대하여 바람 프로파일 예측성능도 평가하였다. 측정지점 중 30m 높이에서 행원의 연평균 풍속이 측정기간 기준 6.6m/s로 가장 높으며 4지점의 연평균풍속이 약 5.1~6.6m/s사이에 분포하고 있어 전체적으로 좋은 풍황을 가지고 있었다. 수산 실측데이터를 이용한 행원사이트 예측에서 평균풍속과 연간발전량은 상대오차가 15%이내로 과대평가되었으며 바람 프로파일 자체가 맞지 않았다. 이는 수산의 주 풍향인 북서풍 방향으로 기생화산이 분포하는 복잡한 지형에 해당하여 다른 사이트보다 신뢰성이 떨어진 것으로 판단된다. 행원사이트에서 가장 먼 거리에서 측정된 회천 실측데이터를 사용하여 행원사이트의 평균풍속과 연간발전량을 예측한 결과, 상대오차 -14% 이내로 과소평가 되었다. 또한 조천 실측데이터를 통한 행원사이트 예측 시에도 풍속과 연간발전량의 상대오차가 -11~-21%로 과소평가 되었지만 예측 사이트와의 거리가 10km 이상인 것을 감안하면 WindPRO 와 WAsP 모두 충분히 이용 가능한 예측성능을 가졌다고 평가된다. 그러나 행원데이터를 이용한 회천, 수산 사이트 예측의 경우 ATLAS 모듈의 바람 프로파일 결과가 WAsP-interface나 WAsP의 결과와 다른 그래프를 나타내었으며 METEO보다 상대오차가 컸다. 이는 ATLAS 모듈이 평탄지형에서 구동하도록 EMD사에서 개발되었기 때문에 그 예측의 한계를 보여주었다고 사료된다. 행원풍력발전단지의 8호기의 2007년 12월부터 2008년 11월까지의 연간발전량 기준으로 모든 예측 값의 연간발전량 비교 시 ±10~30% 정도의 상대오차를 가졌으며 예상을 크게 벗어난 차이를 보이지 않아 WindPRO모듈과 WAsP의 결과 값은 신뢰할 수 있다고 생각된다. 향후 풍력발전단지의 실제발전량과 바람데이터의 축적이 이루어지고, 예측오차 발생 요인이 분석된다면, WAsP과 WindPRO를 이용하여 보다 정확한 풍황 및 발전량 예측이 가능할 것으로 생각된다.

Two applications, the WAsP and the WindPRO, for a wind farm design have been used to evaluate the performance of the prediction in the northeastern part of Jeju island. Four sites were selected for this study, which were Hangwon and Jochun located in a coastal area, and Hoechun and Soosan located in a mountainous area. The wind data acquisition period was for 1 year for all sites. Using the wind data from Jochun, Hoechun and Soosan, the two applications estimated wind resource of Hangwon. On the other hand, based on the wind data from Hangwon, wind resources of the other sites were also estimated. As a result, it was found that Hangwon site had the highest value of mean wind speed in the four sites. At 30m height over ground level, mean wind speed of the four sites ranged from 5.1m/s to 6.6m/s, which means good for wind energy development. In the case of prediction for Hangwon using wind data of Soosan, relative error for mean wind speed and annual energy production(AEP) was within 15 percent, which was overestimated. In the case of prediction for Hangwon using wind data of Hoechun and Jochun, relative error for those was within -14 percent and -21 percent, respectively, which meant underestimation. When the AEP predicted using the two applications was compared with real AEP of number 8 wind turbine of Hangwon wind farm, relative error was about ±10~30 percent. Nevertheless, the two applications, the WAsP and the WindPRO would be enough to use for estimation of wind resource at a candidate site, because comparatively small relative errors occurred in this investigation. To evaluate wind energy more accurately, it is necessary to obtain lots of wind data and electric power production data from real wind turbines.