원격탐사를 이용한 풍력자원 측정
2019-11-30
org.kosen.entty.User@7c9c2062
김현구(windflow)
원격탐사를 이용한 풍력자원 측정
김현구, hyungoo@kier.re.kr
한국에너지기술연구원, 신재생에너지자원정책센터
Key words
Lidar, Sodar, Wind resource assessment, Meteorological tower, Remote sensing
라이다, 소다, 풍력자원평가, 기상탑, 원격탐사
1. 풍력자원 측정의 개요
1.1. 풍력발전단지 개발절차
풍력발전단지를 개발하는 과정에서 가장 핵심이 되는 프로세스인 풍력자원평가(WRA; Wind Resource Assessment)는 대상지에 기상탑(meteorological tower)을 설치하여 풍력자원을 측정하고 이를 장기간으로 보정하여 풍력발전량을 예측하는 과정이다[1]. 이때 대상지의 바람 특성을 대표할 수 있는 지점에 풍력터빈(wind turbine)의 허브 높이(hub height)에 준하는 고공 기상탑을 설치해야 하며 계절 변화가 포함되는 최소 1년 이상 자료의 누락 없는 측정이 이루어져야 한다[2].
그림 1. 풍력발전단지 개발 프로세스 (출처: EFD Renewables)
1.2. 원격탐사를 이용한 풍력자원평가
기존에는 풍력자원평가 및 풍력터빈 출력성능 측정에 대한 국제풍력표준인 IEC 61400-12에 의거하여 반드시 풍력터빈의 허브높이 2/3 이상인 고정식 기상탑을 설치하여 풍력자원 측정을 하도록 규정하고 있다[3]. 최근 다년간의 캠페인을 통하여 원격탐사장비의 신뢰성이 확보됨에 따라 IEC 61400-12-1:2017부터는 라이다(lidar; Ligth Detection And Ranging), 소다(sodar; Sound Detection And Ranging)와 같은 지상 고정형 원격탐사장비도 표준 측정장비로 인정받게 되었다.
우리나라 산업통상자원부도 이러한 국제풍력표준의 추세에 부합하여 2018년 12월부로 원격탐사장비를 풍력자원 측정의 표준장비로 인정하게 되었고, 따라서 향후 풍력터빈 허브높이 2/3 이상 지점에서 1년 이상 측정한 고정식 기상탑 또는 원격탐사장비(라이다 또는 소다) 측정자료가 모두 풍력발전사업 허가를 위한 측정자료로 인정받게 되었다.
2. 원격탐사 라이다의 측정원리
원격탐사(remote sensing)란 관측 대상과의 접촉 없이 멀리서 정보를 얻어내는 기술을 말한다. 소다(SODAR; Sonic Detection And Ranging)는 지상에서 음파를 발생시키고 상공의 대기 유동에 의해 산란 반사된 에코(echo)를 수신하여 진동수 변화와 반사에코 강도를 측정하고 방위별 에코자료를 벡터 합성함으로써 풍향 및 풍속을 산출하는 원리이다. 라이다(LIDAR; Light Detection And Ranging)는 비교적 최근에 풍황측정 용도로 개발된 레이저 탐지에 바탕을 둔 원거리 센서로, 미세한 공기입자(먼지, 수증기, 구름, 안개, 오염물질 등)에 의해 산란된 레이저 발산의 도플러 이동(Doppler shift)을 검출하여 벡터 합성에 의해 상공풍의 풍향, 풍속을 산출한다
![4: Measurement process of Windcube lidar. Adapted from [24]. ？](file:///C:/Users/saeronam/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.png)
그림 2. 도플러 이동을 이용한 라이다의 바람벡터 측정방법 (출처: Leosphere)
기존의 고정식 고층 기상탑 대비 지상기반 원격탐사장비인 소다 또는 라이다의 장단점을 정리하면 표 1과 같다. 풍력자원평가에 있어서 라이다를 활용할 경우 가장 큰 이득은 대형 풍력터빈 블레이드가 회전하는 구간의 풍속연직분포를 측정하여 로터등가풍속(REWS; Rotor Equivalent Wind Speed)을 정확하게 측정한다는 것이며, 이동식으로 운영하여 여러 위치의 풍력자원을 측정할 수 있다는 점이다. 기상탑만 운용하는 경우에 비하여 보조적으로 라이다를 여러 지점으로 이동시켜가면서 풍력자원의 공간분포 및 연직구조 측정에 활용할 경우, 풍력자원평가의 불확도를 대폭 낮춤으로써 결국은 풍력발전사업의 경제성을 향상시킬 수 있다.
표 1. 고정식 기상탑 대비 라이다, 소다의 장단점 비교
3. 원격탐사 라이다의 종류
3.1. 지상기반 라이다
가장 일반적인 라이다의 설치방법은 지상 또는 해상 플랫폼에 설치하는 방식으로, 한 지점에서 연직방향으로 레이저를 방사하여 여러 높이의 층에서의 풍향, 풍속을 측정한다. 지상기반 1차원 라이다 제작사로는 프랑스 Leosphere, 영국 ZXLidars, 영국 Galion, 러시아 Windex, 일본 Mitsubishi, 이스라엘 SpiDAR 등이 있으며, 각각의 원리 및 성능에는 다소의 차이가 있다[4].
3.2. 스캐닝 라이다
스캐닝(scanning) 라이다는 레이저를 연직 또는 수평으로 방사하여 광범위한 면적을 스캐닝 함으로써 2차원 단면의 바람장을 측정하는 방식이다. 스캐닝 라이다 제작사로는 미국 Lockheed Martin, 프랑스 Leosphere, 영국 Galion, 일본 Mitsubishi 등이 있다.
레이저를 연직으로 스캐닝할 경우 풍력터빈에 의해 생성되는 후류(wake)의 난류구조를 측정할 수 있으며, 수평으로 스캐닝할 경우 즉각적으로 바람지도(wind map)을 생성할 수 있다. 특히 풍력발전단지에서 풍력터빈에 의한 후류의 복잡한 구조를 평면적으로 파악할 수 있어서, 후류에 의한 출력저하가 매우 큰 해상 풍력발전단지의 최적 배치(layout), 후류 난류구조 연구 등에서 활용되고 있다.
그림 3. 스캐닝 라이다로 측정된 해상풍력단지의 후류 구조 (출처: University of Oldenburg)
3.3. 나셀장착 라이다
지상기반 라이다는 레이저를 지상에서 연직방향의 상공으로 방사하여 풍속의 연직분포를 측정하는 반면 풍력터빈 나셀(nacelle)에 장착하는 라이다는 레이저를 지면과 평행하게 풍력터빈의 전방으로 방사하여 풍력터빈에 불어오는 풍상부의 바람을 측정한다. 나셀장착 라이다 제작사로는 프랑스 Leosphere, 프랑스 Avent Lidar Technology, 프랑스 EPSILINE, 영국 ZXLidars, 일본 Mitsubishi 등이 있다.
그림 4. 나셀장착 라이다의 측정 방법 (출처: DTU Wind Energy)
지상기반 1차원 라이다가 기상탑을 대체하는 역할이라면 나셀장착 라이다의 용도는 정확히 풍력터빈으로 입사되는 바람을 특성을 파악함이 목적이다. 특히 풍상부에 또 다른 풍력터빈이 설치되어 있을 경우, 그 풍력터빈에 의해 생성된 후류(wake)가 풍하측 풍력터빈의 출력성능 등에 직접적인 영향을 미치기 때문에, 후류의 난류구조를 파악하기 위한 목적으로도 사용된다.
지상기반 1차원 라이다는 라이다와 풍력터빈이 일직선이 되는 특정 풍향일 경우에만 풍력터빈에 입사되는 정확한 풍속분포를 측정할 수 있는 반면, 나셀장착 라이다는 풍력터빈의 요(yaw) 제어에 의해 항상 수직으로 입사되는 바람을 측정할 수 있다. 따라서 풍력터빈의 성능곡선(power curve) 인증에 나셀장착 라이다를 활용할 경우 정확도의 향상은 물론이고 인증을 위한 시험기간이 대폭 단축된다[5].
3.4. 부유식 라이다
해상 풍력발전단지를 개발하기 위해 풍력자원평가를 수행할 경우, 국제풍력표준에 따라서 해상기상탑(offshore meteorological tower)을 설치해야 하는데, 그 설치비용이 엄청나다. 해상 풍력자원 측정비용을 절감하기 위해서 라이다를 부유체에 장착하여 풍속 연직분포를 측정하는 방식이 부유식(floating) 라이다이다. 부유식 라이다는 지상기반 1차원 라이다를 부유체에 장착하는 방식이지만 해상에서 파도에 의한 3차원적인 움직임에 따른 측정좌표계를 실시간으로 보정할 수 있어야 하며 태양전지 등으로 자가 전원공급을 해야 하고 염분에 의한 부식 및 파도에 의한 파손 등도 견뎌야 하므로 아직까지는 표준 측정장비로서의 충분한 신뢰도가 확보되지 못한 상태이다. 그러나 해상기상탑 대비 비용절감 효과가 매우 높기 때문에 제반 문제점들은 기술개발과 실증연구를 통해 빠른 시일 내에 해결이 될 수 있을 것으로 기대된다[6].
부유식 라이다의 경우 기존의 상용 라이다를 부유체에 장착하는 방식으로 개발되고 있다. 부유식 라이다 제작사로는 캐나다 AXYS FLiDAR WindSentinel, 스페인 Eolos, 미국 DeepCLidar, 프랑스 Akrocean 등을 비롯하여 여러 제작사에서 경쟁적으로 개발 및 실증을 진행 중에 있다.
그림 5. 캐나다 AXYS의 FLiDAR (출처: AXYS)
4. 결론
풍력에너지는 지속적인 풍력터빈의 대형화 및 해상으로의 확장을 통해 2018년말 현재 전세계적으로 설비용량이 590 GW에 이르렀으며, 이는 태양광 설비용량 505 GW를 넘어서는 규모이다. 풍력발전 보급의 가속도 및 시장확대에 힘입어 기존의 측정방식에서 진일보한 원격탐사에 의한 풍력자원 측정이 육상풍력의 경우 국제풍력표준에서 공인된 측정방법으로 인정받게 되었으며, 해상으로도 그 적용영역을 확대해나가고 있다.
원격탐사 기반 풍력자원 측정에 대한 기술의 동향을 종합적으로 정리하면 다음과 같다.
References
1. 고정우, 이병결. 풍력발전단지 개발 기본서. 문운당, 2018.
2. 이병걸, 고정우. 풍력발전단지 바람자원의 정확한 평가를 위한 기상탑 설치 및 관리방안. 문운당, 2017.
3. International Electrotechnical Commission. IEC 61400-12-1:2017, Wind energy generation systems - Part 12-1: Power performance measurements of electricity producing wind turbines. International Electrotechnical Commission, 2017.
4. 전력연구원. 해상기상탑 대체를 위한 연직 도플러 라이다 적용성 검증 연구. 한국전력공사, 2017.
5. Borraccino, A., Wagner, R., Schlipf, D., Haizmann, F. Near Flow Measurements with Nacelle Lidars: The Future of Power Performance Verification? UniTTe Workshop 2016, DTU Wind Energy, Denmark, 2016.
6. The Carbon Trust. Carbon Trust Offshore Wind Accelerator Roadmap for the Commercial Acceptance of Floating LiDAR Technology. Carbon Trust Press, 2018.
김현구, hyungoo@kier.re.kr
한국에너지기술연구원, 신재생에너지자원정책센터
Key words
Lidar, Sodar, Wind resource assessment, Meteorological tower, Remote sensing
라이다, 소다, 풍력자원평가, 기상탑, 원격탐사
1. 풍력자원 측정의 개요
1.1. 풍력발전단지 개발절차
풍력발전단지를 개발하는 과정에서 가장 핵심이 되는 프로세스인 풍력자원평가(WRA; Wind Resource Assessment)는 대상지에 기상탑(meteorological tower)을 설치하여 풍력자원을 측정하고 이를 장기간으로 보정하여 풍력발전량을 예측하는 과정이다[1]. 이때 대상지의 바람 특성을 대표할 수 있는 지점에 풍력터빈(wind turbine)의 허브 높이(hub height)에 준하는 고공 기상탑을 설치해야 하며 계절 변화가 포함되는 최소 1년 이상 자료의 누락 없는 측정이 이루어져야 한다[2].
그림 1. 풍력발전단지 개발 프로세스 (출처: EFD Renewables)
1.2. 원격탐사를 이용한 풍력자원평가
기존에는 풍력자원평가 및 풍력터빈 출력성능 측정에 대한 국제풍력표준인 IEC 61400-12에 의거하여 반드시 풍력터빈의 허브높이 2/3 이상인 고정식 기상탑을 설치하여 풍력자원 측정을 하도록 규정하고 있다[3]. 최근 다년간의 캠페인을 통하여 원격탐사장비의 신뢰성이 확보됨에 따라 IEC 61400-12-1:2017부터는 라이다(lidar; Ligth Detection And Ranging), 소다(sodar; Sound Detection And Ranging)와 같은 지상 고정형 원격탐사장비도 표준 측정장비로 인정받게 되었다.
우리나라 산업통상자원부도 이러한 국제풍력표준의 추세에 부합하여 2018년 12월부로 원격탐사장비를 풍력자원 측정의 표준장비로 인정하게 되었고, 따라서 향후 풍력터빈 허브높이 2/3 이상 지점에서 1년 이상 측정한 고정식 기상탑 또는 원격탐사장비(라이다 또는 소다) 측정자료가 모두 풍력발전사업 허가를 위한 측정자료로 인정받게 되었다.
2. 원격탐사 라이다의 측정원리
원격탐사(remote sensing)란 관측 대상과의 접촉 없이 멀리서 정보를 얻어내는 기술을 말한다. 소다(SODAR; Sonic Detection And Ranging)는 지상에서 음파를 발생시키고 상공의 대기 유동에 의해 산란 반사된 에코(echo)를 수신하여 진동수 변화와 반사에코 강도를 측정하고 방위별 에코자료를 벡터 합성함으로써 풍향 및 풍속을 산출하는 원리이다. 라이다(LIDAR; Light Detection And Ranging)는 비교적 최근에 풍황측정 용도로 개발된 레이저 탐지에 바탕을 둔 원거리 센서로, 미세한 공기입자(먼지, 수증기, 구름, 안개, 오염물질 등)에 의해 산란된 레이저 발산의 도플러 이동(Doppler shift)을 검출하여 벡터 합성에 의해 상공풍의 풍향, 풍속을 산출한다
그림 2. 도플러 이동을 이용한 라이다의 바람벡터 측정방법 (출처: Leosphere)
기존의 고정식 고층 기상탑 대비 지상기반 원격탐사장비인 소다 또는 라이다의 장단점을 정리하면 표 1과 같다. 풍력자원평가에 있어서 라이다를 활용할 경우 가장 큰 이득은 대형 풍력터빈 블레이드가 회전하는 구간의 풍속연직분포를 측정하여 로터등가풍속(REWS; Rotor Equivalent Wind Speed)을 정확하게 측정한다는 것이며, 이동식으로 운영하여 여러 위치의 풍력자원을 측정할 수 있다는 점이다. 기상탑만 운용하는 경우에 비하여 보조적으로 라이다를 여러 지점으로 이동시켜가면서 풍력자원의 공간분포 및 연직구조 측정에 활용할 경우, 풍력자원평가의 불확도를 대폭 낮춤으로써 결국은 풍력발전사업의 경제성을 향상시킬 수 있다.
표 1. 고정식 기상탑 대비 라이다, 소다의 장단점 비교
| 풍력자원 측정방법 | 고정식 고층 기상탑 | 이동식 원격탐사장비 |
| 측정높이 | 기상탑 높이에 따라 제약 | 지상 10m ~ 200m |
| 측정지점수 | 통상 3~10개 지점 내외 | 통상 10개 지점 이상 |
| 측정방식 | 포인트 측정 | 체적 측정 |
| 설치형태 | 고정식 | 이동식 |
| 설치비용 | 3천만원 이상 | 1억5천만원 이상 |
3. 원격탐사 라이다의 종류
3.1. 지상기반 라이다
가장 일반적인 라이다의 설치방법은 지상 또는 해상 플랫폼에 설치하는 방식으로, 한 지점에서 연직방향으로 레이저를 방사하여 여러 높이의 층에서의 풍향, 풍속을 측정한다. 지상기반 1차원 라이다 제작사로는 프랑스 Leosphere, 영국 ZXLidars, 영국 Galion, 러시아 Windex, 일본 Mitsubishi, 이스라엘 SpiDAR 등이 있으며, 각각의 원리 및 성능에는 다소의 차이가 있다[4].
3.2. 스캐닝 라이다
스캐닝(scanning) 라이다는 레이저를 연직 또는 수평으로 방사하여 광범위한 면적을 스캐닝 함으로써 2차원 단면의 바람장을 측정하는 방식이다. 스캐닝 라이다 제작사로는 미국 Lockheed Martin, 프랑스 Leosphere, 영국 Galion, 일본 Mitsubishi 등이 있다.
레이저를 연직으로 스캐닝할 경우 풍력터빈에 의해 생성되는 후류(wake)의 난류구조를 측정할 수 있으며, 수평으로 스캐닝할 경우 즉각적으로 바람지도(wind map)을 생성할 수 있다. 특히 풍력발전단지에서 풍력터빈에 의한 후류의 복잡한 구조를 평면적으로 파악할 수 있어서, 후류에 의한 출력저하가 매우 큰 해상 풍력발전단지의 최적 배치(layout), 후류 난류구조 연구 등에서 활용되고 있다.
그림 3. 스캐닝 라이다로 측정된 해상풍력단지의 후류 구조 (출처: University of Oldenburg)
3.3. 나셀장착 라이다
지상기반 라이다는 레이저를 지상에서 연직방향의 상공으로 방사하여 풍속의 연직분포를 측정하는 반면 풍력터빈 나셀(nacelle)에 장착하는 라이다는 레이저를 지면과 평행하게 풍력터빈의 전방으로 방사하여 풍력터빈에 불어오는 풍상부의 바람을 측정한다. 나셀장착 라이다 제작사로는 프랑스 Leosphere, 프랑스 Avent Lidar Technology, 프랑스 EPSILINE, 영국 ZXLidars, 일본 Mitsubishi 등이 있다.
그림 4. 나셀장착 라이다의 측정 방법 (출처: DTU Wind Energy)
지상기반 1차원 라이다가 기상탑을 대체하는 역할이라면 나셀장착 라이다의 용도는 정확히 풍력터빈으로 입사되는 바람을 특성을 파악함이 목적이다. 특히 풍상부에 또 다른 풍력터빈이 설치되어 있을 경우, 그 풍력터빈에 의해 생성된 후류(wake)가 풍하측 풍력터빈의 출력성능 등에 직접적인 영향을 미치기 때문에, 후류의 난류구조를 파악하기 위한 목적으로도 사용된다.
지상기반 1차원 라이다는 라이다와 풍력터빈이 일직선이 되는 특정 풍향일 경우에만 풍력터빈에 입사되는 정확한 풍속분포를 측정할 수 있는 반면, 나셀장착 라이다는 풍력터빈의 요(yaw) 제어에 의해 항상 수직으로 입사되는 바람을 측정할 수 있다. 따라서 풍력터빈의 성능곡선(power curve) 인증에 나셀장착 라이다를 활용할 경우 정확도의 향상은 물론이고 인증을 위한 시험기간이 대폭 단축된다[5].
3.4. 부유식 라이다
해상 풍력발전단지를 개발하기 위해 풍력자원평가를 수행할 경우, 국제풍력표준에 따라서 해상기상탑(offshore meteorological tower)을 설치해야 하는데, 그 설치비용이 엄청나다. 해상 풍력자원 측정비용을 절감하기 위해서 라이다를 부유체에 장착하여 풍속 연직분포를 측정하는 방식이 부유식(floating) 라이다이다. 부유식 라이다는 지상기반 1차원 라이다를 부유체에 장착하는 방식이지만 해상에서 파도에 의한 3차원적인 움직임에 따른 측정좌표계를 실시간으로 보정할 수 있어야 하며 태양전지 등으로 자가 전원공급을 해야 하고 염분에 의한 부식 및 파도에 의한 파손 등도 견뎌야 하므로 아직까지는 표준 측정장비로서의 충분한 신뢰도가 확보되지 못한 상태이다. 그러나 해상기상탑 대비 비용절감 효과가 매우 높기 때문에 제반 문제점들은 기술개발과 실증연구를 통해 빠른 시일 내에 해결이 될 수 있을 것으로 기대된다[6].
부유식 라이다의 경우 기존의 상용 라이다를 부유체에 장착하는 방식으로 개발되고 있다. 부유식 라이다 제작사로는 캐나다 AXYS FLiDAR WindSentinel, 스페인 Eolos, 미국 DeepCLidar, 프랑스 Akrocean 등을 비롯하여 여러 제작사에서 경쟁적으로 개발 및 실증을 진행 중에 있다.
그림 5. 캐나다 AXYS의 FLiDAR (출처: AXYS)
4. 결론
풍력에너지는 지속적인 풍력터빈의 대형화 및 해상으로의 확장을 통해 2018년말 현재 전세계적으로 설비용량이 590 GW에 이르렀으며, 이는 태양광 설비용량 505 GW를 넘어서는 규모이다. 풍력발전 보급의 가속도 및 시장확대에 힘입어 기존의 측정방식에서 진일보한 원격탐사에 의한 풍력자원 측정이 육상풍력의 경우 국제풍력표준에서 공인된 측정방법으로 인정받게 되었으며, 해상으로도 그 적용영역을 확대해나가고 있다.
원격탐사 기반 풍력자원 측정에 대한 기술의 동향을 종합적으로 정리하면 다음과 같다.
- 다년간의 정확도 및 신뢰도 평가를 거쳐 2017년 원격탐사장비가 국제풍력표준의 육상 풍력자원 측정장비로 인정받게 되었다. 음파을 이용하는 소다는 소음에 의해 수용성이 떨어지는 반면 레이저를 이용한 라이다는 급속도로 파급되고 있으나 유일한 단점은 가격이다. 라이다 시장의 급성장에 따라 대량생산 및 가격경쟁에 의해 지속적인 가격하락이 이어지고 있어서 조만간 라이다가 기존 고층 기상탑을 모두 대체하게 될 것으로 예상된다.
- 라이다는 풍력자원 측정의 용도 이외에도 풍력터빈 성능평가, 후류의 난류구조 규명, 복합적 제어 및 풍력발전 예보 등의 다양한 용도로 활용되고 있으며, 전세계적으로 해상풍력의 급성장에 부응하여 부유식 라이다의 개발도 치열한 경쟁체계에 들어갈 것으로 예상된다.
- 우리나라는 2007년 한국에너지기술연구원에서 프랑스 Lesophere 사의 WindCube 라이다를 아시아 최초로 도입한 이후 풍력자원 측정 등에 활용해오고 있으며, 최근에는 프랑스 제작사의 부유식 라이다를 울산 앞바다에 설치한 바 있다. 프랑스, 영국 대학에서는 전세계적인 풍력발전 시장의 확대를 예상하고 2000년 초부터 라이다의 연구개발에 총력을 기울여 왔으나 우리나라는 이러한 기회요인을 포착하고 과감하게 연구개발에 투자하는 모험성이 매우 부족하다고 사료된다.
References
1. 고정우, 이병결. 풍력발전단지 개발 기본서. 문운당, 2018.
2. 이병걸, 고정우. 풍력발전단지 바람자원의 정확한 평가를 위한 기상탑 설치 및 관리방안. 문운당, 2017.
3. International Electrotechnical Commission. IEC 61400-12-1:2017, Wind energy generation systems - Part 12-1: Power performance measurements of electricity producing wind turbines. International Electrotechnical Commission, 2017.
4. 전력연구원. 해상기상탑 대체를 위한 연직 도플러 라이다 적용성 검증 연구. 한국전력공사, 2017.
5. Borraccino, A., Wagner, R., Schlipf, D., Haizmann, F. Near Flow Measurements with Nacelle Lidars: The Future of Power Performance Verification? UniTTe Workshop 2016, DTU Wind Energy, Denmark, 2016.
6. The Carbon Trust. Carbon Trust Offshore Wind Accelerator Roadmap for the Commercial Acceptance of Floating LiDAR Technology. Carbon Trust Press, 2018.