Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 18, No. 10 pp. 681-687, 2017 https://doi.org/10.5762/kais.2017.18.10.681 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 고속철도열차주행풍의풍력발전활용성에대한연구 김제근, 서기범 * 우송대학교일반대학원철도전기시스템학과 Study on Potential Utility of Wind Power Generation Based on Driving Wind of High-Speed Trains Je-Guen Kim, Ki-Bum Suh * Dept.of Railroad Electriccity System, Woosong Univ 요약본논문은고속철도차량주행풍에기반한풍력발전의가능성을분석한다. 저자는풍속계와데이터분석프로그램을포함한풍속측정장비를구성하였으며, 이를활용해실제고속철도차량노선부근에서주행풍의특성을측정하였다. 저자는반복적인측정을통해주행풍특성의변화를야기할수있는다양한요인들의영향을고려하였다. 우선적으로, 저자는터널의유무및계곡지형요인에의해구분되는세지점에서개별적으로주행풍의풍속및지속시간을측정하여, 지형요인에따른주행풍의특성차이를분석한다. 또한세단계에걸쳐높이를점증시키며주행풍의특성을측정해, 차량과의상대적인높이에따른주행풍의변화를분석한다. 나아가주행차량의특성을고려하여, 길이와중량에서차이가있는 Korean Train express (KTX) 차량과 Super Rapid Train (SRT) 차량에따른주행풍의차이를분석한다. 끝으로측정된주행풍의풍속및지속시간을토대로, 실제풍력발전에도입할경우얻을수있는풍력에너지수준을도출하고, 이를통해기대되는효용성에대해논의한다. Abstract We investigated the potential for wind-power generation using the wind produced by express trains. We built equipment to detect the wind velocity, including windmeters and a dataanalyzer. We considered various conditions that might change the wind. First, we measured the velocity and duration of the wind at three locations distinguished by the presence of a tunnel and a valley landscape.we analyzed the changes in the wind according to the geometric conditions. Also, we analyzed the changes in the wind according to three different heights relative to the train. We also compared the wind produced by a KTX train and an SRT train. Finally, we used the results to derive the wind power energy harvested from the wind and discuss the expected utility. Keywords : Alternative energy, Anemometer, Driving wind, Express train, Wind power generation. 1. 서론풍력발전은공기의유동이갖는운동에너지를회전체의회전을이용하여기계적에너지로변환시키고, 이에너지를활용하여발전기를동작시켜전기에너지를생산하는전력기술이다. 풍력발전은에너지를생산하기위해공기의유동에너지이외에별도의자원을필요로하지않는다는점에서, 화석에너지원, 원자력기술에기 반한타전력발전방식에서야기될수있는대기환경오염문제및폐기물문제로부터자유롭다는장점을갖는다. 또한설치비용및설치소요면적이작기때문에기반비용이저렴한청정에너지원으로써점차보급률이높아지고있다. 전술한바와같은친환경신재생에너지인풍력발전에대한관심은최근급부상하고있어, 해외선진국의경우, 최근 10여년간풍력발전의규모가매년 20% * Corresponding Author : Ki-Bum Suh(Woosong Univ.) Tel: +82-42-630-9705 email: kbsuh@wsu.ac.kr Received July 28, 2017 Revised (1st September 25, 2017, 2nd September 27, 2017) Accepted October 13, 2017 Published October 31, 2017 681
한국산학기술학회논문지제 18 권제 10 호, 2017 30% 씩꾸준히성장해왔다 [1]. 특히, 미국은 2030 년에총전력량의 20 % 를풍력에너지에서조달할계획을수립하였으며, 유럽은 2030 년까지 400 GW에달하는풍력발전기반전력생산을목표로하고있다 [1]. 일반적으로풍력발전은자연풍이활발한특정부지에다수의풍력터빈을설치해상시적으로전력을생산하는방식을일컫는다. 하지만이와같이자연풍에기반한일반적인풍력발전의경우, 입지조건이제한적이고전력생산량이불규칙적이라는단점을갖는다. 특히국내의경우평균풍속이 4 m/s로측정된바있으며, 이는경제성을갖기위한연평균풍속량기준인 10 m/s 에크게못미치는수치에해당한다 [2]. 즉, 국내에서는자연풍에기반한풍력발전이가능한부지가크게제한되어있다. 최근에는이러한풍력발전의한계를극복, 보완하기위한방안이활발히논의되고있다. 그중심사례로서, 차량에의해야기되는주행풍을활용한추가적인전력생산을통해, 경제적, 사회적, 환경적부가가치를창출하고자하는시도가활발히이루어지고있다. 대표적으로고속도로차량에의한주행풍을활용한전력생산가능성이연구된바있다. 참고문헌 [3] 에보고된바에따르면, 고속도로중앙분리대위치에서차량주행풍의순간최대풍속과 8시간평균풍속이각각 15 m/s, 9.5 m/s로측정되어, 풍력발전원으로써잠재성이입증된바있다. 하지만고속도로의차량에기반한주행풍은차량의통행량에따라평균풍속이저하될수있고, 가용한최대풍속량이도로주행차량의속도와크기에의존해제한될수있다. 따라서최근에는, 차량의운행이규칙적이고, 보다높은풍속을기대할수있는철도차량에의한주행풍의풍력발전가능성에대한관심이모아지고있다. 참고문헌 [4] 에서는대전도시철도 1호선에서철도차량의운행으로발생되는주행풍을이용하여터빈구동형플라이휠에너지저장시스템이고안되었으며, 해당시스템의구체적활용성이실험적으로검토되었다. 하지만고안된시스템은차량의상부에부착되는방식을따르는데, 이는터널높이의제한, 팬터그래프의간섭 [4], 차량환기시스템과의구조적충돌을고려할때, 현재운행중인도시철도차량에적용하기에여전히어려움이존재할수있다. 또한연구에고려된대전도시철도 1 호선의표정속도가 40 km/h에그친다는점에서 [4], 보다높은주행속도를갖는고속철도차량에의한주행풍과비교해기대할수있는경제성이제한된것으로볼 수있다. 한편, 참고문헌 [5] 에서는고속철도차량주행풍의풍속을측정해풍속자원으로써의가치가검토된바있다. 하지만고정된거리및높이에서단편적인측정에그쳤으며, 측정된풍속이회차마다크게요동쳐통계적신뢰도를확보한결과로보기어렵다 [5]. 따라서본논문은풍력자원으로써기대가치가큰고속의철도차량기반주행풍의활용성을보다엄밀하고체계적인실험연구를통해검증하고자한다. 이를위해, 고속철도차량의궤도근방에서고속철도차량에의한주행풍의풍속이다양한조건하에서실험적으로측정된다. 보다구체적으로, 본논문에서는 3 종의지형조건, 2 종의차량조건, 3 종의높이조건에따른차량주행풍의풍속이측정되며, 이를토대로고속철도차량주행풍의평균풍속및지속시간을도출해각조건에따른주행풍의변화를정량적으로비교분석한다. 나아가측정된주행풍의풍속을토대로기대풍력에너지수준을계산해경제적유용성을정량적으로검토한다. 본연구에따른세부적이고반복적인측정데이터들은후속연구에통계적으로유용한지식자원이될것이며, 또한고속철도차량의주행풍에기반한풍력발전시스템의밑거름이될것으로기대한다. 본논문의구성은다음과같다. 본논문의 2장에서는연구의방법론에대해소개하며, 실험에서활용된풍속측정장비및풍속측정절차와풍력에너지의산출방법을설명한다. 본논문의 3장은다양한주행조건하에서측정된주행풍의특성을시연하고, 각조건이주행풍에미치는영향에대해논의한다. 마지막으로본논문의 4장에서본연구의요약과결론을제시한다. 2. 본론 2.1 연구방법고속철도차량주행풍의정밀한풍속측정을위해, 풍속센서와데이터분석프로그램이연동된장비가자체적으로구축되었으며, 구체적인구성은그림 1과같다. 풍속센서는 1 m 높이의지지대에부착되어있으며, 최소 1 m/s에서최대 96 m/s의풍속을실시간으로측정가능한 rene wable NRG system사의 RNRG 40C 3 cup anemometer이활용되었다. 이때시간상의측정주기는 1 초로고정되었다. 측정된풍속데이터는센서와연동 682
고속철도열차주행풍의풍력발전활용성에대한연구 된데이터처리모듈에의해기록과분석이수행된다. 데이터처리모듈은 USA CAMPBELL Scientific INC. 의 CR 10 X wiring panel. Measurement And Control Module, s/n x5804 제품이활용되었으며, 센서에의해측정된풍속및풍향이 1 초단위로엑셀에기록된다. 추가적으로측정데이터와프로그램과의통신을위하여 CAMPBELL 사의시리얼인터페이스를활용하였다. 확인하기위해, 보다일반적인고속철도노선에해당하는송정고가서울기점 395 km 지점에서풍속측정을수행하였다. 송정고가에서는레일면 1.2 m 를기준으로 1 m 씩단수로구분하여높이를점증하였으며궤도에서 3.5 m 거리의전철주에측정센서를설치하였다. 한편연구수행의편의상풍속계를기존의구조물인전철주에부착하여궤도로부터의이격거리가 3.5 m로고정되었으며, 실제발전시에는안전과발전효율의두변수를고려하여보다최적화된이격거리가선택될수있을것이다. Fig. 1. Equipment for detection of wind speed. 전술된측정시스템을활용해 KTX 차량의실제운행노선부근에서주행풍의풍속측정이수행되었다. 우선적으로선택된풍속측정지점은풍력발전에유리한입지조건을가진평산터널의터널진출방면으로경부고속철도노선의서울기점에서 385 km에위치한다. 해당풍속측정지점은터널과터널사이에위치하였으며, 고도가높고계곡지형이라는점에서기대풍속이매우높다고판단되었다. 그림 2는준비된풍속측정시스템이적용된실제계측환경을보여준다. 측정시스템은차량의궤도로부터약 3.5 m 떨어진전철주에부착되었으며, 차량의차륜지름을감안하여레일면으로부터 1.2 m 높이를기점으로 1 m 간격으로높이를점증시키며주행풍의풍속을측정하였다. ( 차륜지름 = 850mm 920mm) 한편상기터널진출방향의측정지점의궤도반대편에위치한, 터널진입방향의하행선궤도부근의경우에도고속으로열차가주행한다는점에서 ( 측정값 : 210 km/h) 풍속자원으로서충분할수있다. 이를검증하기위해하행성궤도부근에서동일한풍속측정을수행하였다. 추가적으로터널진출지점및계곡지형이라는특수요소가주행풍의풍속에미치는영향을정량적으로 Fig. 2. Experimental environment for detection of wind speed of express trains. 전술된반복적실험측정에따라본논문의 3장에서는지형조건및발전높이에따른고속철도차량주행풍의풍력수준이정량적으로분석된다. 또한측정된주행풍의풍속과주행풍의지속시간을토대로고속철도차량주행을통해가용한전력에너지가정량적으로분석된다. 이때실제선로변풍력발전에활용될수있는금풍에너지사의 GWE-500B1 (500 W 급 ) 모델을고려하였으며, 제품정보에서제공되는풍속과평균전력의정량적관계를활용하였다. 해당제품은본연구결과를토대로실제선로변에서풍력발전시스템을구축하기에적합한모델이며, 풍속과평균전력의정량적관계는선택된제품을이용할시실제로얻어지는전력량이실험적으로측정된결과에해당한다. 본연구에서는측정된풍속데이터를통해제품의풍속대비전력의관계를적용해전력을도출하며, 실험적으로측정된주행풍의지속시간을곱해전력에너지의계산이수행된다. 제품정보에서제공되는풍속과평균전력의해석적관계는제품정보에서제공되는데이터를토대로지수함수로근 683
한국산학기술학회논문지제 18 권제 10 호, 2017 사되었으며, 이는아래수식과같다. (1) 범위내에서변동이있었으나가정된 4 m/s 값과큰차이를보이지않았다. 따라서측정데이터에서가정된 4 m/s의자연풍의풍속을감산하여, 지속시간내에서주행풍의풍속을평균내어계산하였다. 위식에서 P는평균전력 (W), v는풍속 (m/s) 를의미한다. 근사에사용된풍속에따른전력의데이터및근사화된결과는그림 3과같다. 저자는다양한조건에서측정된주행풍의풍속, 지속시간과식 (1) 을활용해최종적으로고속철도차량의주행에의한가용풍력에너지를정량적으로논의하고자한다. Table 1. Measured speed and time duration of driving wind from the KTX trains in different geometric and height conditions. Height: 1st step Height: 2nd step Height: 3rd step Location PT(U) PT(D) S(D) W-S (m/s) W-S (m/s) W-S (m/s) 49.4 71.8 55.6 6.93 2.59 2.99 90.6 160 138 8.48 2.42 3.41 81.7 143 71.5 12.5 2.45 2.55 * PT(U): the up line on Pyungsan tunnel, PT(D): the down line on Pyungsan tunnel, S(D): the down line on Songjeong, : time duation, W-S: wind speed Fig. 3. Sampled data and formulated curve of electric power converted from driving wind. 2.2 연구결과전술된측정장비를활용해세지형조건 : (1) 터널의진출부 ( 평산터널상선 ), (2) 터널의진입부 ( 평산터널하선 ) 및평이한지형에해당하는 (3) 송정고가하선에서고속철도차량주행풍의풍속이측정되었다. 이때보다높은풍속이기대되는 Korea Train express (KTX) 차량의경우가우선적으로고려되었으며, Super Rapid Train (SRT) 차량에의한주행풍의특성도후술될것이다. 또한각지형별로풍속계의높이를조절하며, KTX 차량과상대적인높이에따른주행풍풍속의변화를측정하였다. 표 1은선택된장소, 높이별주행풍의지속시간및평균풍속을나타낸다. 해당데이터는자연풍의영향이배제된주행풍의풍속을나타내며, 주행풍의지속시간은측정된풍속이앞서언급한자연풍의연평균풍속인 4 m/s 이상으로유지되는시간으로정의되었다. 한편자연풍의풍속은 KTX 차량이부재한시간대에서별도로측정되었으며, 경우에따라 3.8m/s 4.3m/s의 표 1에서보이는풍속측정결과에서주목할만한점은크게두가지로볼수있다. 첫째, 터널의진출부에해당하는평산터널상선차량에의한주행풍이다른장소에서보다높은풍속을가진다. 특히, 앞서언급한경제적유용성을갖기위한평균풍속인 10 m/s를상회하는풍속의주행풍이생성됨을알수있다. 이는 KTX 차량에의해터널의진출부라는지형에기인해, 터널내공기의진출이순간적으로유출되어보다강한주행풍을야기하는것으로볼수있다. 한편, 주행풍의지속시간은하선측에서오히려길게측정되었는데, 이는유동할수있는공기량이터널내부에제한된상선의경우와달리, 하선방향에서는외부에서지형적제한이없이공기와접촉하기때문에유동되는풍량자체는상선의경우보다더많기때문으로해석할수있다. 또한측정된장소는계곡에위치하기때문에와류가형성되어주행풍이쉽게소실되지않고장시간동안유지된것으로해석된다. 두번째로차량의하부측에해당하는 1 단높이보다 2 m 이상의높이에해당하는 2 단및 3 단위치에서주행풍이보다강한것으로측정되었다. 이는궤도부근에설치된약 1.8 m 높이의방음벽에의해공기의유동이일부제한되었기때문으로보인다. 한편, 국내에서설치운용 684
고속철도열차주행풍의풍력발전활용성에대한연구 중인수직축풍력기의선로변설치를고려할때, 전차선높이인 5.08 m로부터 [6] 안전상의이격거리를감산한 2m 3m 높이에풍력기를위치하는것이적절하다고볼수있다. 따라서표 1에서보이는 2 단및 3 단높이에서우세한주행풍의특성은실제선로변풍력발전에서고려될수있는발전위치에부합한다는점에서큰의의를갖는것으로볼수있다. 10 m/s를상회하는높은풍속이계측되는평산터널상선에서 3 단높이의경우에대해보다자세한주행풍의특성을분석하기위해시간에따른주행풍풍속변화를관찰하였다. 그림 4는 KTX 차량의진출시점부터 3 분의시간동안관측된풍속을나타내며, 비교를위해동일한조건에서평산터널하선에서의풍속을같이나타내었다. 앞서논의한고속철도차량주행풍의변화를야기하는장소요인에더해, 이하에서차량요인에의한주행풍의변화를분석한다. 이를위해표 1에서가장우세한주행풍을야기하는평산터널상선위치에서 KTX 차량과비 KTX 차량에의한주행풍의풍속및지속시간을측정하였다. 비 KTX 차량으로, 동일한노선을공유하는 SRT 차량이선정되었으며, KTX 차량과비교해차체폭은유사하나차량의전체중량 (KTX: 773 톤, SRT: 406 톤 ) 및차량의전체길이 (KTX: 388 m, SRT: 201 m) 에서현저한차이를보인다 [7]. 두종의차량에의한주행풍의측정결과는표 2와같다. Table 2. Measured speed and time duration of driving wind from the KTX and SRT trains. KTX trains SRT trains W-S (m/s) W-S (m/s) 81.6 12.45 61.1 5.43 * : time duation, W-S: wind speed Fig. 4. Instantaneous wind-speed of the KTX trains. 그림 4는평산터널상선 KTX 차량에의한주행풍의풍속이시간에대한급격하고불규칙적으로변하는양상을보여준다. 하선 KTX 차량의경우와비교해, 상선 KTX 차량은터널내부의공기를단시간에터널밖으로유출시키기때문에주행풍의풍속이전반적으로높은것을확인할수있다. 특히 KTX 차량이풍속측정위치를통과한직후순간풍속은최대 48 m/s에달하는것으로측정되었다. 또한 KTX 차량의통과이후에도, 계곡내에형성된와류에의해주행풍의풍속이불규칙적으로유지되며특히차량의통과후 2 분이지난시점에서도일시적으로 20 m/s에달하는풍속이측정되었다. 반면에하행의경우에는터널내부의공기와무관한조건이라는점에서풍속의변화가상대적으로안정적인것을확인할수있다. 표 2에서나타난바와같이 KTX 차량과 SRT 차량간의주행풍은풍속및지속시간에서큰차이를보이는것을확인할수있다. 즉, 차량의전체길이에따라발생되는주행풍에큰차이가나타난다. 이는차량의길이가길수록터널내공기와의접촉수풍면적이늘어나게되고, 따라서더욱많은공기를유동시키기때문으로해석할수있다. 비슷한예로, 수평축풍력기에서블레이드의길이및수풍면적이클수록풍력발전효율이상승하는경우를들수있다 [8]. 전술한바와같이지형및높이, 차량조건에따른 KTX 차량주행풍의풍속및지속시간이실험적으로측정되었으며, 이를식 (1) 에적용해상기다양한조건하에서차량의주행에기반한풍력에너지가계산될수있다. 이는그림 5에서차트를통해정리되었으며, 가장강한주행풍이나타나는평산터널상행선의경우를고려해 (12.5 m/s) 수풍높이는 3 단 (3.2 m) 으로선택되었다. 또한시간당가용한전력에너지 (kwh) 를계산하기위해각측정위치에서차량이시간당 5 회지나가는것으로가정하였다. 685
한국산학기술학회논문지제 18 권제 10 호, 2017 Fig. 5. Chart of expected wind-power energy from the express trains in three different locations. 그림 5에서보이는바와같이고속철도차량의주행풍에기반해단독풍력발전기로수 kwh 수준의풍력에너지를획득할수있다. 특히최적화된지형및높이조건에해당하는평산터널상선차량부근 3 단높이에서가용한 KTX 주행풍기반풍력에너지는 169 kwh에달한다. 따라서해당위치에풍력발전기를설치할경우시간당 KTX 차량과 SRT 차량이각각 5 회씩주행하는것을가정하면, 단독풍력발전기를통해얻을수있는풍력에너지는 182 kwh에달한다. 해당구간에는본논문에서고려된금풍에너지사의 GWE-500B1와같은소형풍력발전기가설치되기에충분한면적이선로변에존재한다 ( 예상발전기크기 : 폭 < 1 m, 높이 < 3 m). 따라서노선을따라 5개의풍력발전기를설치한다고가정했을때약 850 kwh의풍력에너지를얻을수있다. 이는조명으로쓰일수있는 LED 등의구동전력이수십 W 수준임을고려할때 [9], 고속철도차량주행풍의경제적인활용성이충분함을보여준다. 3. 결론 본논문은고속철도차량에의한주행풍에대한연구를보고하였다. 연구를위해고속철도차량주행풍의특성측정을위한시스템이자체적으로구성되었고, 이를활용해계곡지형과터널의유무에따라구분되는평산터널상선선로부근, 평산터널하선선로부근, 송정고가하선선로부근의세지형조건하에서고속철도차량주행풍의풍속및지속시간이측정되었다. 또한지형요인에더해높이및차량조건에따른주행풍의특성을측정하였다. 전술된체계적실험및분석을통해크게하기의네가지주요연구결과가도출되었다. 첫째, 터널의진출부에서는차량이터널내공기를순간적으로유 출시키기때문에두드러지게높은풍속의주행풍이생성되었다. 둘째, 선로부근에약 1.8 m의소음벽은주행풍의풍속을낮추는경향이있었으며, 3 m의이상의높이에서가장강한주행풍이생성되었다. 셋째, 길이가보다긴 KTX 차량에서생성된주행풍이 SRT 차량의경우와비교할때보다풍속이높았으며지속시간이길게나타났다. 끝으로, 측정된실험결과를토대로산출된풍력에너지수치에따르면, 평산터널상선방향에서약 850 kwh 수준의풍력에너지를얻을수있다. 본논문에서수행된연구결과에따르면, 주행풍이활발한지형조건에서는 LED 등수십여개를야간철도주행시간동안동작시킬수있을정도의전력량이발생할수있다는점에서, 고속철도차량주행풍의경제적효용성이입증된것으로볼수있다. 따라서본연구결과는현재운행중인고속철도노선에손쉽게적용되어, 장거리터널및사갱의조명, 비상구등, 대피통로등, 수직구계단등, 통신중계설비, CCTV, 기타제어설비의전원을제안된풍력에너지로대체할수있을것으로기대된다. References [1] Md Maruf Hossain and Mohd. Hasan Ali, Future research directions for the wind turbine generator system, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 49, pp. 481-489, 2015. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.04.126 [2] Jeongick Lee, Development of practical convergence education by construction of the wind power system using the wind by car, Journal of the Korea Convergence Society, vol. 5, no. 4, pp. 107-112, 2014. DOI: https://doi.org/10.15207/jkcs.2014.5.4.107 [3] Byoungsam Kang, A study on a Scheme for the Using and Planning Covering Vehicle Wind in Wind Power Generation (Thesis), p. 11, Yonsei University, 2002. [4] Yongbum Seo, Jaemoon Im, and Kwangbok Shin, Development of a turbine based flywheel energy storage system using traveling wind power of an urban train, Journal of The Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, vol. 23, no. 5, pp. 443-449, 2014. DOI: https://doi.org/10.7735/ksmte.2014.23.5.443 [5] AeRim Kim, Sangwoo Nam, Jinwoo Choi, Hyunung Bae, and Namhyoung Lim, An energy harvesting using the wind power in the railway system, korea railroad society, 2013 spring conference, vol. 5, pp. 775-780, 2013. [6] Byungnam Yang, Electric Railway Engineering, p. 604, Sungandang, 2015. 686
고속철도열차주행풍의풍력발전활용성에대한연구 [7] Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, Railway Statistics, p. 62, 2011 [8] Science sharing study grop, Design and production of small wind turbines, p. 39, Iljinsa, 2011. [9] https://www.usa.philips.com/c-m-li/led-light-bulbs 김제근 (Je-Guen Kim) [ 정회원 ] < 관심분야 > 철도전기, 전차선로 2011 년 2 월 : 우송대학교철도대학원철도전기제어공학과졸업 ( 공학석사 ) 2015 년 2 월 : 우송대학교일반대학원철도전기시스템학과 ( 박사수료 ) 1982 년 10 월 2015 년 12 월 : 한국철도공사선임전기장 2017 년 9 월 현재 : 주 ) 세종기술기술이사 서기범 (Ki-Bum Suh) [ 정회원 ] 1991 년 2 월 : 한양대학교일반대학원전자공학과졸업 ( 공학석사 ) 2000 년 2 월 : 한양대학교일반대학원전자공학과졸업 ( 공학박사 ) 2000 년 8 월 2002 년 2 월 : 한국전자통신연구원선임연구원 2002 년 9 월 현재 : 우송대학교철도전기시스템학과교수 < 관심분야 > 철도전기, 전차선로 687