[ 논문 ] 한국태양에너지학회논문집 Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 30, No. 6, 2010 ISS N 1 5 9 8-6 4 1 1 제주지역바람자료분석및풍속예측에관한연구 박윤호 *, 김경보 *, 허수영 *, 이영미 *, 허종철 * * 기상청 (csat3@korea.kr),** 기상청 (kbkim@korea.kr),*** 제주대학교풍력특성화협동과정 (youngwind@jejunu.ac.kr), ****( 주 ) 에코브레인 (claris075@hanmail.net),***** 제주대학교기계시스템공학부 (jchuh@cheju.ac.kr) A Study on the Wind Data Analysis and Wind Speed Forecasting in Jeju Area Park,Yun-Ho* Kim,Kyung-Bo* Her,Soo-young * Lee,Young-Mi * Huh,Jong-Chul * *KoreaMeteorologicalAdministration(csat3@korea.kr), **KoreaMeteorologicalAdministration(kbkim@korea.kr), ***InterdisciplinaryPostgraduateProgram inwindenergy,jejunationaluniversity(youngwind@jejunu.ac.kr), ****EcobrainCo,Ltd(claris075@hanmail.net), *****FacultyofMechanical& System Engineering,JejuNationalUniversity(jchuh@cheju.ac.kr) Abstract Inthisstudy,weanalyzedthecharacteristicsofwindspeedandwinddirectionatdiferentlocationsinJejuarea usingpast10yearsobserveddataandusedthem inourwindpowerforecastingmodel.generalythestrongest hourlywindspeedswereobservedduringdaytime(13kst 15KST)whilstthestrongestmonthlywindspeeds weremeasuredduringjanuaryandfebruary.theanalysiswithregardstotheavailablewindspeedsforpower generation gavepercentagesof83%,67%,65% and59% ofwindspeedsover4m/sforthelocationsgosan, Sungsan,JejusiteandSeogwiposite,respectively.Consequentlythemostfavorableperiodsforpowergeneration injejuareaareinthewinterseasonandgeneralyduringdaytime.thepredictedwindspeedfrom theforecast modelwasinaveragelower(0.7m/s)thantheobservedwindspeedandthecorrelationcoeficientwasdecreasing withlongerpredictiontimes(0.84for1h,0.77for12h,0.72for24hand0.67for48h).forthe12hourprediction horizonpredictionerrorswereabout22 23%,increasedgradualyupto25 29% for48hourspredictions. Keywords: 바람데이터 (WindData), 풍속예측 (WindSpeedforecasting) 투고일자 :2010 년 9 월 13 일, 심사일자 :2010 년 9 월 28 일, 게재확정일자 :2010 년 12 월 1 일 교신저자 : 박윤호 (csat3@korea.kr) 66
제주지역바람자료분석및풍속예측에관한연구 / 박윤호외 1. 서론 최근기상청에서발표된국내풍력현황 ( 풍력자원지도 ) 을살펴보면풍력발전을위 한최적의지역은제주도로나타났다 1), 제주 도에는동, 서, 남, 북각각네곳 ( 제주, 고산, 서귀포및성산 ) 에기상청및기상대가위치 하고있어지역별바람특성을파악하기가용 이하다. 제주지방기상청이위치한지역의경 우해양성기후특징인연중기온의변화가작 고해륙풍의순환이비교적뚜렷하게나타나 는경향을보인다. 고산기상대가위치한지역 의경우제주도서쪽끝에위치한지리적특 성으로인해해상으로부터불어오는바람이 연중매우강하게나타난다. 제주도의남쪽 경사면에위치한서귀포기상대지역의경우 아열대성해양기후가나타나연중온화하며, 한라산의동남쪽에위치한성산기상대지역 의경우북서풍이불어올때는풍속이비교적 약한기후특성을보이고있는것으로알려져 있다 2). 이러한기상학적바람자료의분석에 대한연구는현재까지일부진행되고있으나 3,4), 풍력발전을위한발전기높이에서의바 람장에대한연구는미약한실정이다. 본논 문에서는제주도내지점네곳의최근 10 년간 (1999~2008) 의관측자료를활용하여발전 기높이에서의풍속을계산하여풍력발전단 지별로풍력발전으로이용가능한바람자원 을평가하고기상예측모델을이용하여풍력 발전량예측에활용되는바람자료를예측하 고자한다. 또한이를통해제주도내풍력발 전단지의안정적발전운용가능성을평가하 고자한다. 2. 연구방법및자료분석 2.1 연구방법 풍력발전에활용가능한바람자원을평가 하기위해 1999 년부터 2008 년까지관측된제 주지방기상청 ( 이하제주지점 ), 고산기상대 ( 이 하고산지점 ), 서귀포기상대 ( 이하서귀포지 점 ) 및성산기상대 ( 이하성산지점 ) 자동기상 관측장비 (AutomaticWeatherSystem,AWS) 에서관측된 10m 높이에서의바람자료에대 해식 (1) 을이용하여지점별로 70m 고도에서 의풍속을산정하였다. 이를통해지점별전력 생산가능풍속에대한계절별, 시간별발생빈 도와시간별최다풍향및지점별월별, 시간 대별이용가능풍속발생빈도를산정하였다. ln ln (1) 여기서,V obs 는관측풍속,Z 0 : 거칠기길 이,Z obs 는풍속관측높이,Z 는예상되는풍력 터빈의허브높이이다. 이와함께현재제주도 에서운영중인세곳 ( 한경, 수산, 행원 ) 에대 한풍력단지별월별, 시간별및풍향별풍속 과전력생산가능한풍속의발생빈도에대한 분석을수행하였다. 본연구에서는풍력발전 기제작사및장비의차이를고려하여시동풍 속 4m/s 이상, 정지풍속 25m/s 이하에대한풍 속을사용하였다. 자료분석기간은한경단 지의경우,2003 년 3 월 2004 년 2 월, 수산 단지의경우,2005 년 8 월 2006 년 7 월, 행원 단지의경우,2008 년 10 월 2009 년 9 월까지 각각 1 년동안의자료이다. 표 1 은제주도네 지점에대한위도및경도, 해발고도및풍속 계높이이다. 표 2 는풍력단지세지점의위 도및경도, 허브높이이다. 표 1. 제주도네곳에위치한풍속계의위치, 해발고도및풍속계의높이 위 경도해발고도풍속계높이 제주 33 31 N,126 32E 20.0m 15.0m 고산 33 17 N,126 10 E 71.2m 10.0m 서귀포 33 15 N,126 34 E 50.5m 10.0m 성산 33 23 N,126 53 E 18.6m 10.2m Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 30, No. 6, 2010 67
표 2. 제주도풍력발전단지의위치및허브높이위 경도허브높이한경 33 20 N,126 09 E 80m 수산 33 26 N,126 49 E 80m 행원 33 33 N,126 48 E 45m 그림 1은바람장예측을위해구축한기상예측모델 (WeatherResearchandForecasting Model,WRF) 의수행흐름도를나타낸다. 구축된시스템은 WRF 5,6,7) 를기반으로 NCEP(National CentersforEnvironmentalPrediction) 의자료서버에서파일전송프로토콜 (FileTransfer Protocol,FTP) 방식으로 1 간격의 GFS(Global ForecastSystem) 전구자료를초기및경계자료로하루 2차례정해진시간 (07KST,19KST) 에실시간으로전송받으며, 전처리계산을통해 06UTC 와 18UTC 의초기장을생성한다. 바람장예측을위한 3차원기상모델링수행시이러한초기및경계자료를사용하고상세한지형자료를이용함으로써, 제주도지역에대한전반적인기상장을예측하기때문에그지역의기상을대표할수있는적절한값을예측할수있게된다. 되어저장되며구축된데이터베이스는예보자료분석을통해제주지역에적합한국지바람장구축에이용된다. 3. 결과및고찰 3.1 관측지점별풍속변화최근 10 년간에걸쳐일반적인풍력발전기운영높이인 80m 고도에서산출된바람자료를분석하였다. 가장높은연평균풍속이관측된지점은고산 (12.7m/s) 으로나타났으며, 가장낮은연평균풍속이관측된지점은서귀포 (5.1m/s) 로나타났다. 관측지점별월별풍속은서귀포 (9 월,5.9m/s) 를제외한모든지점에서 1월및 2월에가장높게나타났다 ( 제주 : 1월,7.1m/s, 고산 :1 월,17.8m/s 및성산 :2 월, 6.4m/s). 또한모든지점에서 6월에풍속이가장낮게 ( 제주 :4.9m/s, 고산 :8.4m/s, 서귀포 :4.7m/s 및성산 :4.6m/s) 나타나제주도지역은겨울철에강한풍속이나타나고여름철에약한풍속이나타남을알수있다. 그림 2는각지점에대한시간별평균풍속을나타낸다. Processing (imaging) 07KST Data receive Initial time 18UTC During 3hr Initial time 06UTC 19KST Data receive Processing (imaging) During 3hr 그림 2. 각지점에대한시간별평균풍속변화 그림 1.WRF 모델의수행흐름도. 생성된초기장을바탕으로실시간으로계산을수행하면 1km 간격의분해능을가지는제주도지역의바람장을 1시간간격의 48 시간예보장으로표출되고날짜별로데이터베이스화 모든시간에대해고산에서관측된풍속이약 6m/s 정도높게나타났으며, 각지점에대한시간별최대풍속은 13KST~15KST 에가장높게나타나 ( 제주 :14 시,7.0m/s, 고산 : 15 시 13.7m/s, 서귀포 :13 시와 14 시,6.4m/s 및 68
제주지역바람자료분석및풍속예측에관한연구 / 박윤호외 성산 : 13 시와 14 시, 6.9m/s) 주간 (9KST~ 18KST) 에관측된풍속이야간 (0KST~8KST 및 19KST~23KST) 에관측된풍속보다높게나타남을알수있었다. 3.2 관측지점별풍향변화풍향별평균풍속은각각의지점이위치한지리적, 지형적요인에의해다소상이하게나타났다. 제주도의북쪽과서쪽에위치한제주및고산지점의경우연간북서 (NW) 풍과북북서 (NNW) 풍일경우각각 7.8m/s 와 19.9m/s 로가장높게나타난반면, 남쪽과동쪽에위치한서귀포및성산지점의경우동북동 (ENE) 풍일경우각각 6.0m/s 와 6.2m/s 로가장높게나타났다. 서귀포지점의경우한라산의남쪽에위치한관계로북북서 (NNW) 풍, 북 (N) 풍및북북동 (NNE) 풍의북풍계열의바람이불경우풍속이비교적약하게 ( 약 3.7m/s) 나타났으며성산지점의경우한라산동남쪽에위치한관계로서풍계열과북서풍계열의바람이불경우풍속이비교적약하게 ( 약 4.5m/s) 나타났다. 철 (60%) 에그빈도가높게나타났다. 성산지 점의경우연간 67%, 겨울철에 73% 의바람 이전력생산이가능한바람으로나타났다. 표 3. 제주및고산지점연간및계절별가능풍속빈도 ( 단위 :%) <4m/s 4~13m/s 13~25m/s >25m/s 제주고산제주고산제주고산제주고산 봄 37 8 60 54 3 30 0 8 여름 44 13 55 68 1 18 0 1 가을 38 8 61 60 1 26 0 7 겨울 24 3 69 37 7 38 0 22 연간 36 8 61 55 3 28 0 10 표 4. 서귀포및성산지점연간및계절별가능풍속빈도 ( 단위 :%) <4m/s 4~13m/s 13~25m/s >25m/s 서귀성산서귀성산서귀성산서귀성산 봄 41 32 58 66 1 2 0 0 여름 42 41 56 58 1 1 0 0 가을 39 34 59 65 1 1 0 0 겨울 42 27 57 71 0 2 0 0 연간 41 33 58 65 1 2 0 0 3.3 지점별전력생산가능풍속의발생빈도본연구에있어서풍력발전기에서의전력생산이가능한풍속을 4m/s~25m/s 로결정하여각지점별로연간및계절별전력생산가능풍속빈도를조사하였다 ( 표 3과 4.). 시간대별풍속의발생빈도는각지점별로 4.0m/s~13.0m/s 의풍속발생빈도가가장높게나타났으며특히, 다른지점에비해고산지점에서 13.0m/ s~25.0m/s 의풍속빈도가높게나타났다. 제주지점의경우연간 64% 의바람이풍력발전기에서의전력생산이가능한바람으로나타났으며겨울철에그빈도가가장높게 (76%) 나타났다. 고산지점의경우연간 83% 의바람이전력생산에가능한것으로조사되었고, 여름철 (68%) 과가을철에 (38%) 그빈도가가장높게나타났다. 서귀포지점의경우연간 59% 의바람이전력생산이가능한바람이며가을 3.4 전력생산가능풍향의발생빈도그림 3은전력생산가능풍속의발생빈도가높은고산지점에대한시동풍속 (4m/s) 이상바람에대한시간별풍향의빈도를나타낸다. 그림 3. 고산지점시간별풍향발생빈도고산및제주지점의경우일중북북서 (NNW) Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 30, No. 6, 2010 69
풍및북서 (NW) 풍이우세하게나타났다. 서귀포지점은북동 (NE) 풍, 성산지점은북북서 (NNW) 풍이우세하게나타났다. 이러한제주지역에대한바람장분석을통한전력생산가능성의빈도에대한분석은향후발전단지의선정및기설치된발전단지의발전량분석에활용될수있을것으로판단된다. 3.5 풍력발전단지별풍속변화그림 4는풍력발전단지별월별평균풍속을나타낸다. 관측기간동안한경지점이평균 6.6m/s 로가장높게나타났으며, 수산지점이 6.3m/s, 행원지점이 6.2m/s 로나타났으며모든지점에서 6월에풍속이낮게나타났다. 각지점별월별풍속은한경지점이 12 월에 9.2m/s 로가장높게나타났으며 10 월에 4.4m/s 로가장낮게나타났다. Wind Speed(m/s) 1 0 H a n k y u n g S u s a n 9 H a n g w o n 8 7 6 5 4 3 J a n F e b M a r A p r M a y J u n J u l A u g S e p O c t N o v D e c T im e (m o n th ) 그림 4. 풍력단지별월별평균풍속 타났으며 6월에 5.0m/s 로가장낮게나타났다. 행원지점은 1월에 8.9m/s 로가장높게나타났으며 6월에 4.2m/s 로가장낮게나타나겨울철에강한풍속이나타난반면여름철에상대적으로약한풍속이나타남을알수있었다. 그림 5는시간별풍속변화를나타낸다. 모든지점에서낮동안 (08KST 18KST) 풍속이증가하는뚜렷한일변화특징을보였으며, 특히한경지점의경우밤동안에도약 6.5m/s 이상의강한바람이관측되고일중풍속의변화가상대적으로적어풍력발전에이상적인지점으로분석된다. 3.6 풍력발전단지별풍향변화풍력발전단지에대한풍향별평균풍속은각지점이위치한지형적요인에의해상이하게나타났다. 제주도서쪽에위치한한경지점의경우연간북북서 (NNW) 풍일경우 9.5m/s 로가장높게나타났으며동 (E) 풍일경우동측에위치한한라산으로인해풍속이 3.5m/s 로약화되는특징을보였다. 수산지점의경우연간북서 (NW) 풍일경우 8.3m/s 로가장높게나타났으며, 제주도북동측해안가에위치한행원지점의경우연간북서 (NW) 풍및서북서 (WNW) 풍의바람이불경우풍속이 8.9m/s 로높게나타났으며, 특히여름철바다에서불어오는동북동 (ENE) 풍의바람일경우에 7.6m/s 로풍속이높게나타났다. 7.5 Wind Speed(m/s) H a n k yu n g S u s a n H a n g w o n 7.0 6.5 6.0 5.5 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 T im e (H o u r) 그림 5. 풍력단지별시간별평균풍속수산지점은 4월에 7.8m/s 로가장높게나 3.7 풍력발전단지별전력생산가능풍속의발생빈도풍력발전단지별이용가능한바람의계절별발생빈도를표 5와 6에나타내었다. 한경지점의경우연간 76% 의바람이풍력발전기에서의전력생산이가능한바람으로분석되었으며특히, 겨울철의경우그빈도가 91% 로가장높게나타났다. 수산발전소의경우연간 72% 의바람이전력생산이가능한바람이며가을철에 80% 로그빈도가가장높게 70
제주지역바람자료분석및풍속예측에관한연구 / 박윤호외 나타났다. 행원발전소의경우연간 68% 의바 람이전력생산이가능한바람으로나타났으 며겨울철에 77% 의바람이전력생산이가능 한바람으로나타나대체로겨울철이풍력발 전에최적의계절로조사되었다. 표 5. 한경및수산풍력단지연간및계절별가능풍속빈도 ( 단위 :%) <4m/s 4~13m/s13~25m/s >25m/s 한경수산한경수산한경수산한경수산 봄 25 24 68 70 7 7 0 0 여름 37 37 62 61 1 1 0 0 가을 24 21 71 76 5 4 0 0 겨울 8 30 79 66 12 4 0 0 연간 24 28 70 68 6 4 0 0 표 6. 행원풍력단지연간및계절별가능풍속빈도 ( 단위 :%) <4m/s 4~13m/s13~25m/s >25m/s 행원행원행원행원 봄 31 62 7 0 여름 39 59 1 0 가을 35 62 3 0 겨울 23 62 15 0 연간 32 61 7 0 3.8 예측풍속및오차 그림 6 과 7 은한경풍력단지내 6 호기에서관 측된풍속과 1 시간,12 시간,24 시간및 48 시간예 측풍속의변화를나타낸다. 분석기간은 2009 년 8 월 1 일부터 2010 년 2 월 16 일까지약 7 개월간 이며, 하루 2 회예측풍속을생산 (15 시,03 시 ) 하 였고, 이를예측시간변화에따라관측풍속과 비교하였다. 관측된풍속과예측풍속에대한상 관계수 R 은 1 시간예측 (0.84),12 시간예측 (0.77), 24 시간예측 (0.72) 및 48 시간예측 (0.67) 으로예 측시간이길어질수록상관도가낮아짐을알수 있었다. 관측된풍속은약 1m/s 에서 22m/s 까지 의변화를보였으며, 예측된풍속이관측된풍속보 다평균 0.6m/s 정도낮게예측되었다. Model Forecast Wind Speed(m/s) Model Forecast Wind Speed(m/s) 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 W ind T urbine vs M odel W ind S peed(1h) W ind T urbine vs M odel W ind S peed(12h) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 W ind Turbine W ind Speed(m /s) 1h forecast y = 0.73x + 1.55 r = 0.84 12h forecast y = 0.69x + 2.12 r = 0.77 그림 6. 관측된풍속과모델에서예측된 1 시간및 12 시간풍속의비교 (2009.8.1 2010.2.16) 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 W ind Turbine vs Model W ind Speed(24h) W ind Turbine vs Model W ind Speed(48h) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 W ind Turbine W ind Speed(m /s) 24h forecast y = 0.65x + 2.27 r = 0.72 48h forecast y = 0.62x + 2.62 r = 0.67 그림 7. 관측된풍속과모델에서예측된 24 시간및 48 시간풍속의비교 (2009.8.1 2010.2.16) 이러한예측풍속이관측풍속보다낮게예 측되는결과는실제발전량예측시에도발전량 이과소모의될것으로판단된다. 그림 8 은분 석기간중관측풍속에대한예측풍속 (1 48 시간 ) 에대한오차율을나타낸다. 대체로짧은 예측구간 (12 시간이내 ) 에서는약 22 23% 이 내의오차율을보였으며,12 시간 24 시간구간 에서는약 23 25% 이내의오차율을,24 48 시간구간에서는약 25 29% 이내의오차율을 보여예측시간이길어질수록오차가커짐을알 수있었다. 이러한오차는, 단순통계모델 8) 에서 제시된예측성능보다다소높은오차를보이지 만기상모델을이용한예측은모델성능향상을 통한예측정확도의향상가능성이높아국제적 으로도활발한연구가진행되고있다. 보다정확 한예측시간별풍속생산을위한모델의물리과 Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 30, No. 6, 2010 71
정에대한최적화와함께큰오차를가져오는사례에대한분석을통해예측정확도향상에대한추가연구가필요할것으로판단된다. Error Rate(%) 30 Error_rate 28 26 24 (0.67) 로예측시간이길어질수록상관도가낮아짐을알수있었다. 관측풍속과예측풍속에대한오차율은 12 시간이내가약 22 23% 로나타났으며, 이후점차증가하여 48 시간은약 25 29% 의오차를보였다. 이러한연구결과는단기풍력발전계획수립과안정적전력운용을위한기초자료로활용될수있을것으로기대된다. 하지만오차율최소화를위한정밀한모델분석과함께추가적인기상학적분석에대한연구가필요할것으로판단된다. 22 20 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 Forecasting Time(hour) 그림 8. 예측시간에따른오차율 (2009.8.1 2010.2.16) 4. 결론 후기본연구는에너지관리공단의연구비지원 ( 과제번호 :R0001-21-12345) 과제주대학교풍력특성화대학원의지원으로수행되었음. 본연구에서는최근 10 년간에걸쳐관측된제주도지역네곳의풍향및풍속자료를바탕으로풍력발전기높이에서의바람장을산출하였으며이를통해풍력발전으로이용가능한바람자원을평가하였다. 전력생산이가능한풍속의경우, 제주지점에서연간 64% 고산지점에서연간 83%, 서귀포지점에서연간 59%, 성산지점에서연간 67% 의바람이전력생산에가능한것으로분석되었다. 전력생산에이용가능한풍속의월별발생빈도를살펴보면, 월별로다소차이를나타내지만 6 월에이용가능한풍속의발생빈도가비교적낮게나타났다. 한경발전단지의경우 12 월과 1월에상대적으로높게나타났고수산발전단지의경우 10 월이높게나타났으며행원발전단지의경우 1월에높게나타나대체적으로겨울철낮동안이전력생산에유리한것으로분석되었다. 한경풍력단지내 6호기에대한관측풍속과예측풍속에대한분석결과관측풍속에비해예측풍속이평균약 0.7m/s 낮게나타났으며상관계수는 1시간예측 (0.84),12 시간예측 (0.77),24 시간예측 (0.72) 및 48 시간예측 참고문헌 1. 기상청,htp:/www.kma.go.kr/weather/climate/ wind_map.jsp 2. 제주지방기상청, 제주지방예보실무지침서, 2008.;173. 3. 김경보, 이경호, 고경남, 허종철 KWRF 를이용한풍력발전출력예측타당성연구, 한국풍력에너지학회, 춘계학술발표회,2008. 4. 이영미, 김경보, 고경남, 허종철 풍력발전량예측시스템개발을위한기상예보시스템구축, 한국풍력에너지학회, 춘계학술발표회,2008. 5.htp:/www.wrf-model.org/index.php 6.Wicker,L.J.,andW.C.Skamarock,"Time splitingmethodsforelasticmodelsusing forwardtimeschemes",mon.wea.rev., 130,2088-2097, 2002 7.User sguideforadvancedresearchwrf (ARW)ModelingSystem Version. 8. 김현구, 이영섭, 장문석, 경남호 월령단지풍력발전예보모형개발에관한연구, 한국태양에너지학회,Vol.26,No.2,2006. 72