제주도 풍력 자원 평가를 위한 재해석 데이터 신뢰성 평가

Abstract

풍력자원평가 및 기상 분석을 위한 재해석 데이터에 대한 연구는 국·내외에서 활발하게 진행되고 있다. 국내에서는 재해석 데이터 중에서 MERRA를 이용한 풍력자원평가 신뢰성 평가 사례(9)가 있으나, ECMWF에서 제공하는 ERA-Interim은 비교적 분석 사례가 없어 이에 대한 연구가 필요한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 우선 제주 지역에서 해상 풍력발전단지 건설을 위한 풍력자원평가의 방법으로 MERRA와 ERA-Interim 재해석 데이터 사용을 제안하고 이에 대한 신뢰성을 평가하고자 한다. 이를 위해 EMD사에서 개발한 풍력발전단지 설계 소프트웨어인 WindPRO에서 제공하는 온라인 재해석 데이터를 이용하여 제주도 해안가에 위치한 4개 지점(신창, 한동, 우도, 강정)에서 측정된 기상탑의 50m 높이 데이터와 동일 높이, 동시간대의 ERA-Interim, MERRA 재해석 데이터를 취득, 비교하고, WAsP 기반 선형 해석을 통해 각 지점에서의 기상탑 및 재해석 데이터의 풍력자원(연간 평균 풍속, 풍력에너지밀도, 연간 발전량, Weibull 분포, 월간 발전량)을 예측하고 비교, 분석하였다. 이러한 1차적인 분석 결과는 전 세계에 설치된 60개의 기상탑 데이터와 여러 종류의 재해석 데이터를 비교한 결과, ERA-Interim의 상관계수가 가장 높은 것으로 보고된 국외에서 연구한 결과와 동일하게(10), 제주지역에 대한 MERRA 재해석 데이터와 ERA-Interim 재해석 데이터의 신뢰성 평가 결과도 ERA-Interim 데이터의 신뢰성이 높은 것으로 확인되었다.(12) 1차적인 분석 결과를 바탕으로 ERA-Interim 데이터에 대한 상세한 검토 필요성이 인지되어 제주 지역에서 육·해상 풍력발전 단지 건설 위한 육·해상 풍력자원평가 방법으로 ERA-Interim 재해석 데이터 사용을 제안하고 이에 대한 신뢰성을 평가를 위에서 언급한 두 가지 관점에서 수행하고자 한다. 이에 본 연구는 추가적으로 ERA-Interim 재해석 데이터를 ECMWF에서 제주도 주변 153개 지점의 10년간의 장기간 데이터(2006년∼2015년)를 직접 취득하여 이를 기반으로 제주 지역에서 육/해상 풍력발전 단지 건설 위한 육/해상 풍력자원평가 방법으로 ERA-Interim 재해석 데이터 사용을 제안하고 이에 대한 신뢰성을 평가하였다. 이를 위해 우선 한반도 및 제주도 주변 지역에 대한 풍속, 풍향, 온도 분포 지도를 ERA-Interim 재해석 데이터 기반으로 구성 및 분석하고, 제주도 주변 지역에 설치된 종관기상관측장비(ASOS)와 해양기상관측장비(BUOY)의 관측 결과와 월 평균풍속, 풍향, 온도 등을 비교하여 육상과 해상간의 재해석 데이터 신뢰성을 평가하였다. 또한 1차와 동일한 방법으로 WindPRO에서 제공하는 WAsP 기반 선형 해석을 통해 제주도 해안가에 위치한 3개 지점(신창, 한동, 우도)과 육상에 위치한 2개 지점(청수, 수산)에서 측정된 5개 기상탑 데이터와 해당 지점을 직사각형 격자로 둘러싼 동일 높이, 동시간대의 ERA-Interim 각 4개 지점을 선택, 총 20개의 ERA-Interim 데이터를 취득한 뒤, 기반으로 풍력 자원을 예측하여 육·해상 간의 신뢰성 및 해당 데이터 간의 이격 거리에 따른 신뢰성을 비교·분석하였다.

The investigation on reliability of MERRA (Modern-Era Retrospective and Applications) and ERA-Interim (ECMWF ReAnalysis–Interim) reanalysis wind data was conducted using the four met mast wind data at coastal regions, Jeju island. Shinchang, Handong, Udo and Gangjeong sites were chosen for the met mast sites. ERA-Interim and MERRA reanalysis data at two points on the sea around Jeju Island were analyzed for creating Wind Statistics of WindPRO software. Reliability of reanalysis wind data was assessed by comparing the statistics from the met mast wind data with those from Wind Statistics of WindPRO software. The relative error was calculated for annual average wind speed, wind power density and annual energy production. In addition, Weibull wind speed distribution and monthly energy production were analyzed in detail. As a result, ERA-Interim reanalysis data was more suitable for wind resource assessment than MERRA reanalysis data. Then, the investigation on reliability of ERA-Interim reanalysis wind data was carried out using five met masts wind data at inland and coastal areas, Jeju island. To assess the reliability of ERA-Interim data in detail and widely, the maps of wind resource and temperature over Korean peninsula and Jeju island were drawn using ERA-Interim reanalysis data. Besides, the wind and temperature data of ASOS installed inland and BUOY installed at sea was compared with ERA-Interim reanalysis data for analyzing the reliability of onshore and offshore reanalysis data. The monthly mean wind speed and wind veer from BUOY data were much similar to those from ERA-Interim reanalysis data, while those from ASOS data were a lot different from ERA-Interim reanalysis data. All the correlation coefficients of air temperature, dew point temperature, and water temperature were above 0.9. Also, Shinchang, Handong, Udo, Susan and Cheongsoo sites were chosen for the met mast location. ERA-Interim reanalysis data at onshore and offshore points of twenty over Jeju island were analyzed for creating Wind Statistics of WindPRO software. Reliability of ERA-Interim reanalysis wind data was assessed in the same way described above. The relative errors were calculated for annual average wind speed and annual energy production in terms of onshore and offshore wind resources. In addition, the trend of the errors were analyzed with distance from a met mast. As a result, ERA-Interim reanalysis wind data was more suitable for offshore wind resource assessment than onshore.