05-48~59기술04풍력발전기.ps

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형민 삼
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1 05-48~59기술04풍력발전기.ps :53 페이지48 유신기술회보 _ 기술자료 Wind Generator Noise Impact and Reduction The noise generated from the operational process of wind energy complexes is classified into structure-borne noise and airborne noise. In this study, noise prediction, which is used for the quantitative estimate and calculation of noise level and the features of noise sources are also analyzed to understand the noise impact and suggest reduction ways. It is recommended to compare the noise prediction and noise modelling (CadnaA version4.1, SoundPLAN version7.0) at the planning stage and the actual and expected noise level during operation. When the noise reduction is not effective under the methods suggested, the arrangement, installation interval, types, capacities, and locations of generators shall be second-checked. 1. 서언 2. 풍력발전기의 구조 3. 발전풍속 4. 소음 영향 및 예측 5. 소음영향회피 및 저감방안 최경돈 1) 6. 결언 1) 환경부문 전무, 환경기술사(lovewooheok@hanmail.net) 48_ 제19호

2 05-48~59기술04풍력발전기.ps :53 페이지49 1. 서언 화석연료 고갈과 온실가스(Greenhouse Gases) 배출 증가에 따른 환경문제는 전 세계적으로 대체에 너지의 개발과 보급을 가속화시키고 있다. 지난 수 십 년 간 기상청의 자료와 최근 수행된 풍력자원 조 사결과에 의하면, 태백준령 육상지역과 제주특별자 치도 서귀포시 대정, 서남해(전북 부안 위도와 전남 영광 안마도 사이 해역) 등 해상 지역이 풍력발전에 유리한 풍황에너지가 분포하고 있음이 확인되었다. 근래에는 대관령지역의 강원풍력(98MW), 영덕풍 력(39.6MW), 제주특별자치도 구좌읍 행원풍력 (11.25MW) 등 지역에 국내 최대의 상업용 풍력발 전단지(Wind Farm)가 가동되고 있고, 정부의 신 에너지 개발이용보급 정책 추진으로 강원도 등 지자 체와 서남해 2.5GW 해상풍력 종합추진계획에 따 라 풍력발전단지가 늘어날 전망으로 국내 풍력발전 산업의 성장 가능성은 여전히 높은 편이다. 풍력발 전은 신재생에너지로서 화석연료나 원자력발전에 비해 친환경적이면서도 주변 환경에 미치는 몇 가지 문제점을 갖는다. 즉, 소음도, 경관문제, 전자파 간 섭, 그리고 조류 충돌이나 육 해상 생태계에 미치 는 영향 등이 있다. 특히 소음은 단지 주변의 지역 주 민 민원을 야기하고 야생생물 생태계에도 영향을 끼 치므로 운영시 풍력발전기의 소음영향의 원인과 저 감방안에 대해 알아본다. 2. 풍력발전기의 구조 풍력발전기(HATG : Horizontal Axis Wind Turbine Generator)는 [그림 1]과 같이 바람으로 부터 회전에너지를 만드는 1로터 블레이드(Rotor Blade), 2나셀(Nacelle), 3회전자(Rotor)의 회전에너지를 발전기로 전달하는 구동장치(Drive Train)와 기어박스(Gear Box), 4전기를 생산하는 동기발전기(Synchronous Generator),이러한 주 요 장치를 지(해수)면으로부터 정격풍속(VR) 높이에 위치시키기 위한 5타워(Tower) 등으로 구성된다. [그림 1] 풍력발전기의 구조 풍력발전기의 국제규격은 IEC 이며, 우리나라는 에너지관리공단이 인증기관으로서 풍력 설비 심사기준(WT-011)에 따른다. 3. 발전풍속 일반적으로 풍속은 지상고( 地上高 ) 10m에서의 바람의 평균속도를 말하고, 정온이란 풍속 0.5m/sec미만을 말한다. 풍력발전기의 기준풍속 (Vexr : Reference Extreme Wind Speed)은 허 브높이(H : Hub Height)에서 재현기간 50년 빈 도, 10분간 평균풍속을 말한다. 풍력발전단지 조성 시(사업부지 선정시)에는 이러한 풍속자료(풍속 Weibull 분포도, 풍력에너지 Wind Rose, 전력 풍 _ 49

6MW), 제주특별자치도 구좌읍 행원풍력 (11.25MW) 등 지역에 국내 최대의 상업용 풍력발 전단지(Wind Farm)가 가동되고 있고, 정부의 신 에너지 개발이용보급 정책 추진으로 강원도 등 지자 체와 서남해 2.5GW 해상풍력 종합추진계획에 따 라 풍력발전단지가 늘어날 전망으로 국내 풍력발전 산업의 성장 가능성은 여전히 높은 편이다.

3 05-48~59기술04풍력발전기.ps :53 페이지50 유신기술회보 _ 기술자료 나셀(Nacelle) : 나셀은 회전자와 발전기를 연결하는 회전 축을 지지하기 위한 구조물로서 용접공정으로 제작된다. 바람 하중에 의한 굽힘응력이 가장 크게 작용하므로 돌풍 에 의한 극한하중, 20년 이상의 운전에 따른 피로하중을 견디기 위해 하중을 분산시킬 수 있는 구조로 설계된다. 회전축(Rotor Shaft) : 회전축은 회전자와 발전기를 연결 하는 중요한 장치로서 운전기간 중 계속 회전하기 때문에 피로하중에 대한 내구성 설계가 중요하다. (약 9~28rpm) 로터 허브(Rotor Hub) : 로터 허브는 주로 3개의 블레이 드가 조립되는 장치로서 형상이 매우 복잡해 주조 공정을 통해 제작된다. 요 시스템(Yaw System) : 블레이드 로터를 풍향에 추종 시키는 시스템으로 타워 최상부에 설치된 로터리 액추에이 터로부터 구동되고 풍향센서로 상대적인 풍향을 감지하여 로터의 방위를 제어한다. 타워(Tower) : 타워는 풍력터빈의 회전자, 구동장치, 발전 기 등 모든 기계장치를 지(해수)면으로부터 정격풍속(VR) 높이에 위치시키는 구조물이다. 타워는 동적 하중에 가장 취약하며, 고유진동수를 계산하여 운전시 공진을 피하는 방향으로 설계하고 또한, 좌굴에 의한 붕괴의 위험이 있으 므로 좌굴해석에 의한 타워를 설계한다. (수 10m~150mH) [그림 2] 풍력발전기(HATG) 외형도 력자원 지도, GIS 분석자료 windpro version 2.7 해석결과 등)와 운전 데이터를 분석한 풍질조사 결과를 바탕으로 회전축(Rotor Shaft) 허브높이 에서의 풍속(VHUB)을 기초로 한다. 풍력발전기 허브 높이에서의 풍속(VHUB)은 운전 상태별로 [표 1]과 같 이 나눌 수 있다. [표 1] 운전 상태별 풍속(V HUB) 구 분 운전상태 풍 속 1 초기 구동풍속(Vid : Idling Wind Speed) 전력을 생산하지 않고 로터 블레이드만 회전하는 상태의 풍속 약 2m/sec 2 시동풍속(Vin : Cut-in Wind Speed) 회전에너지를 발전기에 연결하여 발전을 개시하는 풍속 3~3.5m/sec 3 정격풍속(VR : Rated Wind Speed) 풍력기기의 정격출력을 생산하는 지정 풍속 11.5~13m/sec 4 종단풍속(Vout : Cut-out Wind Speed) 허브높이에서 발전하도록 설계된 발전최대 풍속 약 25m/sec 50_ 제19호

(약 9~28rpm) 로터 허브(Rotor Hub) : 로터 허브는 주로 3개의 블레이 드가 조립되는 장치로서 형상이 매우 복잡해 주조 공정을 통해 제작된다. 요 시스템(Yaw System) : 블레이드 로터를 풍향에 추종 시키는 시스템으로 타워 최상부에 설치된 로터리 액추에이 터로부터 구동되고 풍향센서로 상대적인 풍향을 감지하여 로터의 방위를 제어한다.

4 05-48~59기술04풍력발전기.ps :53 페이지51 종단풍속(Vout) 이상에서는 기계적 충격과 무리한 회전으로 인한 고장, 마모 등의 원인이 되므로 가동 을 정지시켜 유지보수의 횟수를 줄이고 수명을 길게 보호하며, 풍력발전기의 안전을 도모한다. 로터 블 레이드(Rotor Blade)의 회전속도는 설계한계 (Nmax) 이내에서 운전토록 한다. 벨은 음압 레벨(SPL : Sound Pressure Level, L PA ), 음의 세기레벨(SIL : Sound Intensity Level, L IA ), 음향파워레벨(PWL : Sound Power Level, L WA )이다. 음압레벨과 음의 세기레벨은 서로 같으며, 음압레벨과 음향파워레벨의 관계에서 무지 향성 점음원으로 자유공간(Free Field)의 크기(S) 를 고려하면 다음 식(1)로서 정리된다. 4. 소음 영향 및 예측 풍력발전에서 발생하는소음은주로나셀(Nacelle) 내부에서 발생하는 기계음과 로터 블레이드에서 발 생하는 바람을 가르는 마찰 기류음으로 대별할 수 있다. 즉, 기계음은 주로 로터 블레이드(Rotor Blade)의 회전에너지를 발전기에 전하는 구동장치 의 기어(Gear)의 맞물림으로부터 발생하나 소음레 벨은 기종( 機種 )마다 발전구조가 다르므로 다소 차 이가 있다. 또한, 바람을 가르는 마찰 기류음은 로터 블레이드의 회전에 수반되어 발생하기 때문에 회전 속도와 로터 블레이드 사이를 통과하는 기류의 질 (풍속, 난류 강도 등)에 따라 다르다. 풍력발전기 제조업체(현대중공업/AMSC, 삼성중 공업/LOI, 유니슨, 효성, 두산중공업/WinDS 3000, STX중공업/Harakosan, 대우조선해양 /DeWind 등)에서 제시하는 발전기소음 특성평가 에는 상기 2종류의 음이 포함되어 있다. 국제규격의 IEC (International Electrotechnical Commission) 규정과 우리나라 표준번호 (KSC-IEC :2006) 풍력발전 System 제11부에는 소음 산출방법, 풍력발전기의 소음실증 절차 및 방법 등이 수록되어 있다. 소음의 3가지 레 PWL = SPL(또는 SIL)+10logS 식(1) SPL(또는 SIL) = PWL-10logS, 자유공간(S)=4πγ 2 SPL(또는 SIL) = PWL-10log(4πγ 2 ) SPL(또는 SIL) = PWL-10log 2-10log4π A특성을 가진 풍력발전기로부터 수평거리 l [m]떨 어진 지점의 소음레벨 [db]을 다시 표현하면 다음 식 (2)와 같다. L PA = LWA-10logγ 2-10log4π 식(2) L PA = LWA-20logγ-11 1) 음의 지향성(Directivity) 대부분의 소음원은 어느 정도 크기를 갖고 있기 때문에 음원의 중심에서 등거리에 떨어진 공간상의 음압레벨은 서로 상이할 때가 많다. 지향계수(Q : Directivity Factor)는 특정방향에 대한 음의 저 항도로서 음에너지와 평균 음에너지의 비로 나타내 고, 음원에서 방출되는 음의 강도가 방향에 따라 변 화하는 상태를 지향성이라 한다. 지향성은 지향지수 (DI : Directivity Index)로 나타내며, DI=10log Q로 정의된다. 상기 식(2)에서 지향성을 고려하면 _ 51

음압레벨과 음의 세기레벨은 서로 같으며, 음압레벨과 음향파워레벨의 관계에서 무지 향성 점음원으로 자유공간(Free Field)의 크기(S) 를 고려하면 다음 식(1)로서 정리된다. 4. 소음 영향 및 예측 풍력발전에서 발생하는소음은주로나셀(Nacelle) 내부에서 발생하는 기계음과 로터 블레이드에서 발 생하는 바람을 가르는 마찰 기류음으로 대별할 수 있다.

5 05-48~59기술04풍력발전기.ps :53 페이지52 유신기술회보 _ 기술자료 다음 식(3)이 된다. LPA = LWA-20logγ-11+10log Q 식(3) 풍력발전기는 지표면에서의 점음원(Point Source)으로서 [그림 3]과 같이 지향계수(Q)=2를 적용하면 LPA = LWA-20log 10 γ-11-3 LPA = LWA-20log 10 γ-8 식(4)가 된다. [그림 3] 점음원의 방사조건과 위치별 지향계수 2) 공기의 음향흡수에 의한 감쇠치( Lair, La) Lair = m x [db] 식(5) 여기서 m : 감쇠계수 [ m -1 ], x : 거리[ m ] 다음 식(6)으로도 감쇠치를 구하기도 한다. f 2 x Lair = ( ) [db] 식(6) ø 여기서 f : 음의 주파수 [H z], ø: 20 에서 상대습도 [%], x : 거리 [m] 감쇠(Attenuation)는 주파수가 높을수록, 상대 [그림 4] 공기의 음향흡수에 따른 감쇠계수 52_ 제19호

LWA-20log 10 γ-8 식(4)가 된다. [그림 3] 점음원의 방사조건과 위치별 지향계수 2) 공기의 음향흡수에 의한 감쇠치( Lair, La) Lair = -4.

6 05-48~59기술04풍력발전기.ps :53 페이지53 습도가 낮을수록 크고, 습도가 낮을 경우에는 기온 이 높을 때, 습도가 높을 경우에는 기온이 낮을 때에 감쇠가 크다[그림 4]. 음( 音 )은 공기중을 전파(Propagation)하는 과정 에서 음에너지가 흡수되는데 공기의 점성, 공기분자 받는다[그림 5]. 감쇠치는 기온의 영향이 크며 기온 이 높을수록 감쇠(Attenuation)가 크다. 단, 감쇠 치는 수 100m 이하에서는 그 양이 적기 때문에 무 시할 수 있으나 항공기 소음, 고주파음 잔향시간 T(sec) 계산 시는 고려한다. 의 운동상태 변화에 기인하는데 이는 기온에 영향을 (a) (b) [그림 5] 기온분포에 따른 음의 전파특성 결국 상기 식(5), 식(6)과 같이 감쇠치를 고려하면 풍력발전소 소음예측식은 3) 소음예측 LPA = LWA-20log 10 γ-8- Lair 식(7) 이 된다. 풍력발전기의 음향파워레벨(LWA )은 블레이드, 허 브, 타워 등 발전기 구조 뿐 아니라 풍황, 주변 지형, 여기서 LPA: 풍력발전기로부터 수평거리 l [m]떨어진 지점의 소음 레벨 [db(a)] LWA: A특성을 가진 풍력발전기 음향파워레벨 [db(a)] γ: 풍력발전기로부터 예측지점까지의 거리 [m] γ= ( l 2 + h 2 ) ½ l : 풍력발전기로부터 소음예측지점까지 수평거리 [m] h : 지(해수)면에서 풍력발전기 블레이드 중심 허브까지 높이 [m] Lair : 공기의 음향흡수에 의한 영향 감쇠치 [db] 장애물 효과가 복합적으로 작용하므로 현실적인 예 측모델을 구현하는 데 어려움이 있어 [표 2]와 같이 제조업체에서 제시하는 음향파워레벨을 적용하거 나, 정격속도 하에서 단순평가모델(Lowson, Hau, Hagg 등)을 사용하여 구할 수 있다. Lowson식을 정리하면 LWA = 10log PWT +50 [db] 식(8) 이 된다. [표 2] 풍속별 풍력발전기(7MW급) 음향파워레벨 VR (m/s) LWA [db(a)] _ 53

의 운동상태 변화에 기인하는데 이는 기온에 영향을 (a) (b) [그림 5] 기온분포에 따른 음의 전파특성 결국 상기 식(5), 식(6)과 같이 감쇠치를 고려하면 풍력발전소 소음예측식은 3) 소음예측 LPA = LWA-20log 10 γ-8- Lair 식(7) 이 된다.

7 05-48~59기술04풍력발전기.ps :53 페이지54 유신기술회보 _ 기술자료 여기서 PWT : 풍력발전기의 발전용량(Rated Power)[Watt] 위 식(7), 식(8)에서 구한 소음레벨(소음도)은 어디 까지나 각각의 풍력발전기로부터 발생하는 소음만 나타낸다. 예측소음도 산정시 개별 풍력발전기의 소 음을 구한 후, 다음 식(10)의 풍력발전 소음도 합성식 을 이용하여 예측한다. LPAN LPA 1 LPA1 LPA2 LPAN =10log ( ) : 발전단지의 예측 합성소음레벨[dB(A)] n : 1, 2...n번째 풍력발전기의 소음레벨[dB(A)] 식(10) 실제로 사업지역에 풍력발전기를 설치한 후 발생 하는 주변지역의 소음은 상기의 식(10)에서 구한 예 측결과와 설치 전에 존재하고 있는 소음레벨인 암소 음을 중합해서 구한다. LPAn 시 말해 암소음은 짧고 간결하게 동시에 큰 폭으로 변동하지만 바람의 흩뜨려짐이 적은 나셀 부근에서 발생하는 기계음과 바람을 가르는 로터 블레이드의 마찰 기류음에 의한 소음레벨의 변동 폭은 비교적 적다[그림 6]. 풍력발전기에서 발생하는 소음은 암소 음에 덮여 못 느끼는(음폐효과 : Masking Effect) 시간대와 노출되어 수음측의 귀에 들리는 시간대가 발생하게 된다. 이러한 시간대에는 암소음과 풍력발 전의 소음이 상호 교차적으로 발생하여 신경에 거슬 리는 이질적인 소음이 형성된다. 이러한 정도가 심 한 경우에 수면장해까지 일으킨다. 4) 소음영향 암소음( 暗騷音 : Back Ground Noise)은 측정 시의 기상조건에 대해 크게 변화한다. 소음 합성식 으로 산출한 소음레벨은 어떤 특정 기상조건하에 한 정하므로 소정의 시간대에서 평균화된 상태를 나타 낸다. [그림 6]은 강풍지역에서 쉽게 나타나는 암소 음과 풍력발전기로부터 발생하는 소음레벨의 각각 의 변화를 시계열적으로 나타낸 것이다. 산간지역의 대표적인 암소음인 나뭇가지의 마찰 기류음의 크기 는 풍력발전기의 운전 상태를 결정하는 나셀 (Nacelle)부근의 높이에서 부는 바람보다 수음측 ( 受音側 ) 즉, 가옥 근처를 막힘없이 빠져나가는 바람 의 세기에 의해 달라진다. 지표 부근의 바람은 여러 가지 지상 장애물(수목, 건축물 등)의 여부에 따라 크 게 난류상태로 혼합되고 풍속은 일정하지 않다. 다 [그림 6] 소음레벨 변화의 개념 이 같은 현상은 풍력발전소로부터 충분히 떨어진 지역에도 나타날 수 있다. 산간의 정온지역 등에서 낮은 Level인데도 불구하고 음( 音 )이 신경에 거슬려 괴로움으로 발전하는 일이 있다. 풍력발전기로부터 발생하는 소음은 지향성(Directivity)이 있고, [표 3]과 같이 일반적인 전달매질의 특성으로서 소음은 풍하측( 風下側 )으로 전달되기 쉽기 때문에 예측하 지 못한 원거리까지 영향을 미치므로 유의하여야 한 다. 54_ 제19호

..n번째 풍력발전기의 소음레벨[dB(A)] 식(10) 실제로 사업지역에 풍력발전기를 설치한 후 발생 하는 주변지역의 소음은 상기의 식(10)에서 구한 예 측결과와 설치 전에 존재하고 있는 소음레벨인 암소 음을 중합해서 구한다.

8 05-48~59기술04풍력발전기.ps :53 페이지55 [표 3] 벡터풍속 벡터풍속[m/s] 음원으로 부터의 거리[m] ± 1 ± 0.5 db ± 0.5 db ± 1.0 db ± 3 ± 1.5 db ± 2.0 db ± 3.0 db ± 5 ± 2.5 db ± 3.5 db ± 5.0 db 풍력발전기가 바람이 불어오는 쪽에서 로터 블레 이드가 회전되는 (a) up-wind 형태에 위치하는가, 바람이 불어가는 쪽에서 회전되는 (b) down-wind 형태에 위치하는가에 따라 소음레벨이 다르다. 후자 의 경우에는 타워 후류영역의 와류 중에서 로터가 회전하기 때문에 필연적으로 소음은 더 크게 된다 [그림 7]. [그림 8] 풍력발전기의 일반적인 소음레벨 [그림 9]는 풍력발전기로부터 발생하는 소음으로 인해 수면장해가 있는 가옥의 실내 외 측정결과를 나타내고 있다. 연결선( 와 )은 소음영향의 지표 인 NC(Noise Criteria)곡선이며, NC25~NC30 은 수면장해에 의한 괴로움이 발생하기 시작하는 지 표를 나타내는 곡선이다. 실내 외 소음측정결과는 음압레벨(Sound Pressure Level)이 125Hz, 500Hz, 1kHz대에서 NC30을 초과하면 개인차가 있지만 해당지역 거주주민의 수면에 영향이 있음을 나타낸다. [표 4]는 NC치에 따른 실내 소음상태에 대한 적용의 예이다. [그림 7] 풍력발전기의 위치와 소음 그리고 풍력발전기의 소음레벨은 기종에 따라 다 르지만 [그림 8]과 같이 일반적으로 발전기에서 약 200m떨어지면 약 43[dB(A)]로 감쇠하는 것을 알 수 있으므로 설치시 최소한의 수평거리를 확보할 필 요가 있다. [그림 9] 실내 외 소음의 측정 사례 _ 55

[그림 8] 풍력발전기의 일반적인 소음레벨 [그림 9]는 풍력발전기로부터 발생하는 소음으로 인해 수면장해가 있는 가옥의 실내 외 측정결과를 나타내고 있다. 연결선( 와 )은 소음영향의 지표 인 NC(Noise Criteria)곡선이며, NC25~NC30 은 수면장해에 의한 괴로움이 발생하기 시작하는 지 표를 나타내는 곡선이다.

9 05-48~59기술04풍력발전기.ps :53 페이지56 유신기술회보 _ 기술자료 [표 4] NC치에 따른 실내소음 상태 NC 치 소음의 상태 적용 예 20 ~ 30 아주 정온, 전화에 지장 없음, 큰 규모 회의 가능 중역실, 대회의실 30 ~ 35 정온, 탁자에서 회의 가능, 거리에서 보통 음성으로 회화 가능 전용실, 응접실, 소회의실 35 ~ 40 탁자에서 회의 가능, 전화에 지장없음, 거리에서 보통 음성으로 회화 가능 중사무실, 공장, 사무실 5. 소음 영향 회피 및 저감방안 소음저감 대상을 풍력발전기의 기계음, 바람을 가 르는 마찰 기류음 어느 방향으로 계획을 하느냐에 따라 저감방안은 다르다. 1) 풍력발전기의 기계음 1 기계음은 여러 가지 복합적 요인으로 발생하지 만 동적, 정적 발음기구에 의한 풍력발전기의 기계 음은 충분히 대처가 가능하다. 풍력발전기의 기계음은 증속기어의 재질 및 치면 사상정도에 따른 마찰음, 엔진의 비틀림진동 및 공 진현상에 의한 충격음, 기어 편심오차로 인한 사이 클 내 피치의 연속적인 파도음, 마운팅 오차에 의한 축 어긋남(Misalignment), 비틀림(Wobble) 등이 다. [그림 10]은 나셀 부근의 일반적인 소음레벨을 나 타내고 있다. 특히 구동기어와 종동기어의 회전각관계와 잘못 가공된 피치의 오차 등 맞물린 기어(Mating Gear) 의 오차에 의한 치합전달 기계음이 가장 크다. 이러 한 문제는 기어 물림 해석에 의한 치합전달 오차를 규명하여 치형 수정을 실시하고, [그림 11]과 같이 인 벌류트 치형(Involute Tooth)에 가깝게 하여 치합 전달 오차를 줄이고, 정밀한 저소음형 풍력발전기어 설계와제작및조립기술로서소음을저감할수있다. [그림 11] 인벌류트 치형 [그림 10] 나셀부근의 일반적인 소음레벨 2 풍력발전기 통기구와 나셀(Nacelle) 내부에 다공질형 흡음재(유리섬유, 암면, 세라믹 등)를 이용 하여 공기층을 두고 설치 또는 내부 벽면에 부착하 여 소음을 저감한다. 이것은 발생하는 음파의 운동 에너지를 효율적으로 열에너지로 전환시키는 일반 56_ 제19호

지장없음, 거리에서 보통 음성으로 회화 가능 중사무실, 공장, 사무실 5. 소음 영향 회피 및 저감방안 소음저감 대상을 풍력발전기의 기계음, 바람을 가 르는 마찰 기류음 어느 방향으로 계획을 하느냐에 따라 저감방안은 다르다.

10 05-48~59기술04풍력발전기.ps :53 페이지57 적인 방음처리 기술이다. 단, 이 경우에는 나셀 (Nacelle) 내부의 온도 상승을 억제하기 위해 폐열 처리가 필요하므로 비용증가가 불가피하다. 유압시스템으로 블레이드에 피치각(Pitch Angle) 을 풍향에 평행하게 각도를 조절, 제어하여 바람을 가르는 마찰 기류음을 줄인다. 2) 바람을 가르는 마찰 기류음 1 로터 블레이드의 개발 및 표면처리 바람을 가르는 로터 블레이드의 마찰 기류음을 저 감하기 위해서는 로터 블레이드 끝의 와류를 줄이기 위한 기술개발이 요구된다. 로터 블레이드의 끝부분 은 난류소음 해석을 통해 일정한 각으로 설계하여 와류를 줄임으로써 소음저감효과를 높인다. 또한, 고탄성 특성을 가진 블레이드 소재에 그루브 (Groove) 및 리브렛(Riblet) 표면막 처리기술로서 항력저감에 의한 소음저감효과를 구현하고 있다. [그림 12]는 바람을 가르는 기류음의 원인이 되는 로 터 블레이드 주위의 바람 흐름을 나타낸다. [그림 12] 로터 블레이드 주위의 바람 흐름 2 로터 블레이드 피치각 제어 운전 정지상태의 풍력발전기의 로터 블레이드는 바람의 입력에 대해 회전방향의 힘이 생기지 않도록 3 수음측에서의 저감방안 바람을 가르는 마찰 기류음을 줄이는 방안으로는 풍력발전기에 국한하지 않고 수음측 즉, 개별가옥에 대한 소음저감방안을 강구하는 경우가 많다. 일반적 으로 창틀(Sash)작업, 이중창 작업, 환기구의 방음 처리 등 흡음 및 차음시설을 많이 한다. 주파수를 측 정해 본 후 지표치( 指標値 )를 초과하고 있는 주파수 에 대한 차음성능이 높은 창틀을 선정하여 설치하면 저감효과를 더 높일 수 있다. 이런 의미에서 창틀작 업에는 주파수분석을 할 필요가 있다. 4 운전조건 측면의 저감방안 풍력발전기를 주변가옥의 분포상황을 살펴 부문 운영 관리(Sector Management)하는 것도 소음 저감효과를 크게 할 수 있다. 바람이 전방에 설치된 풍력발전기의 로터 블레이드를 통과하면서 운동에 너지를 빼앗겨 후류영역에서 풍속은 감소하고, 와류 가 발생하여 후방에 있는 풍력발전기에 기계적 무리 와 손상, 고장을 일으켜 정상운전에 상당한 영향을 줄 수 있다. 부문운영 관리는 본래 이러한 문제를 회 피할 목적으로서 바람의 아래쪽에 위치하는 풍력발 전기를 비례적분(PI : Proportional Integral)제 어기를 이용한 피치제어(Pitch Control)에 의해 로터 블레이드를 페더링(Feathering)상태로 정지 (Parking)시키는 기술이다. 이러한 기술을 응용하 여 바람의 아래쪽을 타고 전파되기 쉬운 발전기소음 을 저감할 수 있다. [그림 13]과 같이 풍력발전단지 _ 57

로터 블레이드의 끝부분 은 난류소음 해석을 통해 일정한 각으로 설계하여 와류를 줄임으로써 소음저감효과를 높인다. 또한, 고탄성 특성을 가진 블레이드 소재에 그루브 (Groove) 및 리브렛(Riblet) 표면막 처리기술로서 항력저감에 의한 소음저감효과를 구현하고 있다.

11 05-48~59기술04풍력발전기.ps :53 페이지58 유신기술회보 _ 기술자료 (Wind Farm) 부근에 주변 가옥이 풍하측에 위치 할 시에는 일부의 풍력발전기를 정지시켜서 소음의 영향을 저감한다. 정지된 풍력발전기 대수만큼 가옥 에 미치는 소음 기여도를 낮출 수 있다. 후방에 설치 된 풍력발전기의 출력은 전방에 설치된 풍력발전기 의 출력에 비해 후류풍속으로 인해 약 25~40% 떨 어지므로 발전기의 부문 운전정지로 인한 발전량의 저하는 크지 않다고 할 수 있다. 가동시킨 풍력발전기 정지시킨 풍력발전기 [그림 13] 부문운영 관리(Sector Management) 사례 [그림 14] 해상풍력발전 배치 사례 6. 결언 풍력발전은 무한청정에너지 자원인 바람을 이용 하여 에너지를 생성하는 신재생, 친환경에너지 발전 분야로서 태양광발전과 같이 시장 경쟁력을 갖추고 있을 뿐만 아니라 대규모 발전단지(Wind Farm)로 추진할 수 있다. 특히 해상(Offshore)은 육상 (Onshore)에 비해 바람의 난류가 적으며, 방향에 따른 풍속변화가 적고 풍력에너지의 부존량이 방대 하기 때문에 저탄소(Low Carbon), 녹색성장 (Green Growth) 국가정책 도입으로 풍력발전사 업이 요즘 원활히 검토되고 있는 편이다. 풍력발전 기의 소음문제는 육상에서 풍력발전 블레이드 끝속 도를 60m/s 미만으로 제한하여 설계하지만, 해상 에서는 육상만큼 소음으로 인한 지역주민 민원이 상 대적으로 적기 때문에 100m/s 를 초과하여 고속화, 대형화를 하고 있다. 풍력발전단지 공사시 소음 저 감방안은 일반적인 건설공사 소음 저감방안과 큰 차 이가 없다. 그러나 운영시에는 충분한 자료와 데이 터가 부재한 이유로 적정한 소음문제 해결을 위한 저감방안을 수립하는데 소극적이다. 본 원고( 原稿 ) 에서는 풍력발전단지에서 소음레벨을 정량적으로 예측, 계산하는 데 이용하는 소음예측식을 풍력발전 에 맞게 이론적으로 해석하고, 소음발생원의 특성을 분석하여 소음영향 및 저감방안을 검토하였다. 풍력 발전단지 운영으로 인한 주된 소음영향은 풍력발전 기의 기계음과 바람을 가르는 마찰 기류음으로서 이 자료가 활용되기를 기대한다. 사업계획시 소음예측식과 소음모델링(CadnaA version4.1, SoundPLAN version7.0 해석결 과 등)을 이용한 예측결과를 비교 검토하고, 운영 58_ 제19호

결언 풍력발전은 무한청정에너지 자원인 바람을 이용 하여 에너지를 생성하는 신재생, 친환경에너지 발전 분야로서 태양광발전과 같이 시장 경쟁력을 갖추고 있을 뿐만 아니라 대규모 발전단지(Wind Farm)로 추진할 수 있다.

12 05-48~59기술04풍력발전기.ps :53 페이지59 시(사후환경영향조사 등) 실제 소음레벨과 소음예측 결과를 서로 비교분석하여 데이터를 축적할 필요가 있다. 제언한 소음저감방안이 불충분한 것으로 나타날 경우 발전기의 배치와 설치간격, 발전기종 및 발전 용량, 설치장소의 재선정 등을 추가 검토할 필요가 있다. 참고문헌 1. 풍력발전기 소음 성능 실증. 김석현, 김태형, 박 무열 외. 한국소음진동학회. 2005년도 춘계학 술대회 논문집. pp.241~ 해상풍력발전기술매뉴얼. 박우선, 이광수 외. 한국해양연구원. pp.36~39 3. 風力エネルギ- 讀本. 牛山泉, Ohmsha, pp.249~ 풍력공학입문. 牛山泉 원저, 고경남, 허종철 공 역. 문운당. pp.248~ Wind Turbine Control(풍력터빈의 제어), 남윤수, GS인터비전. pp.139~143, Fundamental of Wind Turbine(풍력터빈 의 기술). 장종훈 저. GS인터비전. pp.211~ Renewable Energy in Power Systems (전력시스템 연계 신재생에너지). 차준민, 국경 수 외 공역. 도서출판 그린. pp.37~46 8. 풍력발전기의 이론과 실제. 박노길, 정철웅 외 공저. 홍릉과학출판사. pp.203~ 소음진동학. 정일록 저. 신광출판사. pp.58~ 풍력발전 기술자료와 신재생 에너지의 사례 집. 김석권 역. 도서출판 신기술. pp.177~ _ 59

문운당. pp.248~251 5. Wind Turbine Control(풍력터빈의 제어), 남윤수, GS인터비전. pp.139~143, 165 6. Fundamental of Wind Turbine(풍력터빈 의 기술). 장종훈 저. GS인터비전. pp.211~ 229 7.

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