풍력에너지데이터참조표준세부평가절차서 - 풍향, 풍속 - 문서번호 NE-WG-0001 제정일자 2010.06.25 개정일자 개정번호 0 대전관역시유성구장동 71-2번지전화 : 042-860-3731 팩스 : 042-860-3462 홈페이지주소 : http://www.kier.re.kr
풍력에너지데이터참조표준세부평가절차서 - 풍향, 풍속 - 문서번호 NE-WG-0001 제 개정일자 2010.06.25 개정번호 0 페이지 2/7 목 차 1. 적용범위 2. 인용자료 3. 용어정의 4. 평가기준부록 ( 풍력에너지자원평가 ) 3 / 7 3 / 7 3 / 7 4 / 7 제 개정이력부 관련조항개정번호개정일자제 개정내용 전면 0 2010.06.25 - 참조표준제정및보급에관한운영요령 제9조 ( 참조데이 터기술평가기준 ) 에준하여제정 구분작성작성검토승인 직책담당선연책연센터장 결재 성명김상엽윤창열장문석김광득 서명 일자 2010/06/20 2010/06/25 2010/06/25 2010/06/25-2 -
풍력에너지데이터참조표준세부평가절차서 - 풍향, 풍속 - 문서번호 NE-WG-0001 제 개정일자 2010.06.25 개정번호 0 페이지 3/7 1. 적용범위 본세부평가기준서는풍력에너지데이터 ( 풍향, 풍속 ) 에대한세부평가기준으로적용한다. 2. 인용자료 2.1 Wind turbines - Part 12-1 Power performance measurements of electricity producing wind turbines, INTERNATIONAL STANDARD, IEC 61400-12-1, 2005. 2.2 풍력발전시스템 - 제12부 : 풍력터빈출력성능시험, 한국표준협회, KS C IEC 61400-12, 2004. 2.3 풍력발전시스템 - 제21부 : 계통연계형풍력터빈의출력품질특성에대한측정및평가, 한국표준협회, KS C IEC 61400-21, 2004. 2.4 풍력발전시스템 - 제12-1부 : 출력성능측정, 산업자원부기술표준원, KS C IEC 61400-12-1, 2008. 3. 용어정의 3.1 정확도 (accuracy) : 측정값과측정량의참값이일치하는정도 3.2 복잡지형 (complex terrain) : 시험부지주위지형이변화가심하고유동을왜곡할수있는장애물이존재하는지형 3.3 데이터세트 (data set) : 일정기간동안연속적으로측정된데이터의모음 3.4 거리상수 (distance constant) : 풍속계의출력이단위계단입력에대해최종응답의 63% 까지도달하는데소요되는시간을그풍속계를통해지나가는바람의길이로환산한값으로서풍속계의응답빠르기를나타낸다. 3.5 빈방법 (method of bin) : 일정한빈을설정하고측정한데이터를각구간별로그룹화하여데이터수를줄여가는방법 3.6 유동왜곡 (flow distortion) : 장애물, 복잡지형 (complex terrain) 또는다른풍력기기등에의해측정치와자유유동풍속의편차가심하게발생할정도로바람의흐름이왜곡되는현상 3.7 측정방위구간 (measurement sector) : 실측출력곡선을도출하기위해서는유동왜곡이발생하지않은방향의풍속데이터만을이용해야한같이장애물이나다른풍차에의한유동왜곡이발생하지않은바람의방향구간을측정방위구간이라한다. 3.8 표준불확도 (standard uncertainty) : 표준편차로표현되는측정불확도 3.9 측정불확도 (uncertainty in measurement) : 측정결과에관련하여, 측정량을합리적으로추정한값의분산특성을타나내는파라미터 3.10 민감도 (sensitivity) : 측정시스템의지시값의변화와이에대응하는측정되는양의값의변화의비 3.11 수집데이터 : 실측또는보고서, 학술논문, 공신력이있는국외데이터베이스등을통해얻은데이터로서숫자, 그래프, 모델등의형태로제공되는데이터 3.12 참조데이터 : 참조표준으로등록되기전의수치데이터또는과학기술적통계 3.13 회전자회전면적 (swept area) : 로터에수직한회전자가회전하면서형성하는회전면의면적 - 3 -
풍력에너지데이터참조표준세부평가절차서 - 풍향, 풍속 - 문서번호 NE-WG-0001 제 개정일자 2010.06.25 개정번호 0 페이지 4/7 4. 평가기준 데이터를세부적으로평가하여등급을부여하기위한평가기준은 ( 그림1) 과같은절차에따른다. 데이터의신뢰성, 정확성등은아래의데이터평가절차와각항목에해당하는세부적평가기준에따라평가된다. 4.1 등급부여기준 모든데이터는각각의평가단계를거쳐다음과같은등급 ( 안 ) 이부여된다. (1) 유효참조표준 : 예측가능성검증 단계에서기각된데이터 (2) 검증참조표준 : 전문가평가 단계에서기각된데이터 (3) 인증참조표준 : 모든평가단계를통과하고전문가에의해인증된데이터 기각 N 측정대상측정방법 / 절차측정방법적절성요인제어여부 참조데이터 N 불확도평가적절성재현가능성측정결과일관성 유효참조표준 N 예측가능성검증 검증참조표준 N 전문가평가 인증참조표준 ( 그림 1) 풍력에너지자원평가절차 - 4 -
풍력에너지데이터참조표준세부평가절차서 - 풍향, 풍속 - 문서번호 NE-WG-0001 제 개정일자 2010.06.25 개정번호 0 페이지 5/7 풍력에너지 ( 풍속, 풍향 ) 데이터평가기준 ( 제 1~10 항 ) 1. 측정하고자하는양이명확하게명시되어있는지여부 측정량 ( 측정량에포함되어야할 ) 측정정보 - 풍속 (Wind speed) - 풍향 (Wind direction) - 온도 (Temperature) - 습도 (Humidity) - 대기압 (Atmospheric Pressure) - 공기밀도 (Air Density) - 에너지밀도 (Wind Energy Density) - 난류강도 - 측정위치 ( 측정지점및고도 ) - 측정시간및기간 - 측정방위 ( 유효측정방위구간의정의 ) 2. 측정방법과절차및이론계산에대한설명내용명시여부 측정방법 측정이론 - 측정장비의설치, 작동방법및측정절차가명시되었는지여부 - 풍속계보정을위한보정절차는제정되어있는지여부 - 지형보정을위한보정절차는제정되어있는지여부 - 풍속계보정의이론적근거는적정한지여부 - 측정을위한요소들의이론적정의 ( 모델식, 환산식등 ) 가명시되었는지여부 - 풍속, 풍향, 공기밀도, 회전속도등의측정값을보정하는이론이적정 ( 근거 ) 한가여부 3. 측정방법의적절성및그근거의명기여부 측정지구성측정시스템조건자료수집및처리 - 측정지의선정이적절한지에대한여부 - 복잡지형일경우전문가의의견및지형평가여부 - 측정시스템의구성은 KS C IEC 61400-12-1 규격만족여부 - 측정시스템의출력 ( 풍속, 풍향등 ) 은적정한방법 ( 근거 ) 으로측정되었는가여부 - 풍향계설치위치와설치방법은적정 ( 근거 ) 한가여부 - 풍속계설치위치와설치방법은적정 ( 근거 ) 한가여부 - 측정데이터의수집과처리는적절히이루어지고있는지여부 - 5 -
풍력에너지데이터참조표준세부평가절차서 - 풍향, 풍속 - 문서번호 NE-WG-0001 제 개정일자 2010.06.25 개정번호 0 페이지 6/7 4. 측정결과에영향을주는요인의제어여부 측정기기 - 풍향계, 풍속계, 기압계, 온도계, 데이터로거등이측정기간내지속적으로점검하고있는지여부 - 풍속계보정을위한설비및측정기기는적정한것을사용하고있으며설치방법은적당 ( 근거 ) 한가여부 측정영향량 - 측정량에영향을주는요인 ( 위치, 고도, 시간, 방위등 ) 은적절히제어되고있는지여부 5. 측정방법의불확도평가및측정소급성확보여부 측정기기 - 풍력측정에사용되는풍속계는등급이평가되었는지여부 - 풍속계의교정주기는설정되어있으며주기적으로교정을받고있는지여부 불확도평가절차 - 측정결과의불확도평가기준이수립되어있는지여부 6. 측정결과의불확도추정에대한적정성여부 불확도평가 - GUM 에따른불확도평가 A형표준불확도 (KS C IEC 61400-12-1 참조 ) B형표준불확도 (KS C IEC 61400-12-1 참조 ) 풍속계교정, 풍속계특성, 풍속계설치, 데이터로거, 지형특성, 온도계, 습도계, 기압계 풍속계특성 : 풍속계의기기적특성 - 6 -
풍력에너지데이터참조표준세부평가절차서 - 풍향, 풍속 - 문서번호 NE-WG-0001 제 개정일자 2010.06.25 개정번호 0 페이지 7/7 7. 측정의상세절차와측정의재현조건명기여부 - 제3자가같은절차로측정하거나측정결과를참조할수있도록측정절차를상세히명시하였는지여부측정절차 - 제3자가같은조건 ( 방법, 기기, 환경등 ) 으로측정하거나측정결과를참조할수있도록측정의조건을명시하였는지여부 8. 다른경로에의해얻어진결과와측정결과의일관성여부 일관성비교 - 이론및경험적인측정결과에대한비교여부 9. 연관식과모델링을통한데이터의예측가능성검증 예측가능성 - 측정자료가없는부분의측정값을예측하기위한모델은적정히설정되었는지여부 - 위성관측데이터와실측치와상관관계분석 10. 2 인이상관련분야제 3 자의종합검토를받았는지여부 종합검토방법 2 인이상의제 3 의전문가의종합검토를받았는지여부 기타 기술위원회는 참조표준제정및보급에관한운영요령 제7조제2항제4호규정에따라참조데이터를평가할때에는데이터의속성을충분히고려하여야한다 - 7 -
별첨 1. 풍력에너지데이터세부평가결과서 Wind Energy Data Evaluation Report (1) 쪽중 (1) 쪽 Page (1) of (1) Pages 아래표에서이탤릭체문구는이해를돕기위해각수집데이터평가예를기재한것임. 작성자 ( 인 ) email 측정자 측정자명소속기관 측정대상 실측데이터 예측데이터 - 풍력데이터종류 ( 풍속, 풍향 ) 적절 부적절 측정방법 측정방법불확도적절성 측정결과불확도적절성 측정절차재현성 측정결과일관성 데이터예측가능성 - 측정네트워크설계 ( 측정네트워크구성시만 ), 측정지선정방법적합 - 측정지선정방법, 시스템구성, 시스템조건, 자료수집처리적절 - 측정영향요인제어적합 적절 부적절 - 표준기기확보 ( 정기적공인기관교정시제외 ) - 측정절차적합 ( 측정절차서 ) - 측정기준적합 ( 측정위치, 측정환경, 측정이론등 ) 적절 부적절 - 불확도평가모델설정 - 불확실자료들일정기준기법 ( 공인기준 ) 하에서수정 측정치와기대치의비교 측정조건유사지역상호비교 임계적조건 (Critical Control) 품질관리 적절 부적절 - 측정절차명시적절 - 측정조건명시적절 적절 부적절 - 피교정기기출력적합 - 자료비교를통한정확도평가적절 적절 부적절 - 예측데이터와실측치와의비교검토적절 데이터등급 ( 안 ) 유효 검증 인증 전문가의견 - 기 타 - 없음 305-343 대전광역시유성구가정로 102번지 T. 042) 860-3731 / Fax. 042) 860-0000 개정 2010. 06. 25-8 -
부 록 1. 데이터측정, 장비설치및계측방법 가. 데이터측정 1) 자료획득 데이터의측정은 1Hz 또는그이상의속도로연속적으로획득및저장되어야한다. 공기밀도와대기압, 강수량, 풍력발전기의운전상태등은더늦은속도로측정가능하지만최소한 1회 / 분의획득속도는유지되어야한다. 자료처리시스템은측정자료혹은다음의통계자료를저장하여야한다. 평균값 표준편차 최대값 최소값 자료군은연속측정된자료의 10 분평균값을기본으로하여측정되어야한다. 2) 풍속 (Wind speed) 풍속측정은 4장의기준을충족시키는컵형풍속계를사용하여측정하여야하며, 사용전보정이필요하며, 측정이후에도재보정이반드시이루어져야한다. 두보정결과의차이는풍속 6~12m/s 범위에서 ±0.1m/s 이하이어야한다. 보정절차는 2장에준하여수행되어야한다. 컵형풍속계는지상에설치된기상탑에대해허브높이의 ±25% 이내에설치되어야하며, 이와관련한상세요구사항은아래에명기되어있다. 3) 풍향 (Wind direction) 풍향은아래의내용과같이기상탑에수직하게부착된지지구조물 (boom) 에설치된풍향계를이용하여측정한다. 풍향측정과관련하여보정, 작동및설치각도와관련된복합불확도는 5 미만이어야한다. 4) 에너지밀도 (Wind energy density) 풍력의에너지밀도는측정되는값이아니라측정된풍속의값을이용하여계산하여나타낸다. 에너지밀도의식은다음과같다. - 9 -
( 식 1.1) P(V) : 풍속분포 or 풍속의출현률 ρ : 공기의밀도 (kg/m 3 ) A : 공기의투과면적 (m 2 ) Γ : Gamma 함수 C : 척도계수 (scale parameter) K : 형상계수 (shape parameter) 나. 기상탑에설치되는측정기기 1) 일반사항 기상탑에장착되는측정기기류의적절한설치위치선정은정확한풍력발전기출력성능평가를위해서중요한요소이다. 특히풍속계의경우에는기상탑구조물과지지대로인한유동왜곡을최소화할수있는위치에설치하며, 이를위해서는기상탑최상단에설치하는것이바람직하다. 풍속계가기상탑측면에보조지지대를이용하여설치되는경우에는이로인한유동의영향을반드시고려하며, 풍속계이외의여타측정기기류는가능한허브높이에가깝게설치됨과동시에풍속계와의간섭영향을피할수있도록장착한다. 2) 풍속계의기상탑최상단부설치방법 위에언급한바와같이가장바람직한풍속계설치위치는기상탑의최상단이며, 주변에다른측정기기가설치해서는안된다. 이절에명기된모든조항들은풍속측정의오류가무시될수있을정도가되기위해서는반드시준수하여야한다. 풍속계는보정에사용된것과동일한외경을갖는수직튜브에장착하며, 연결되는케이블종류는튜브내부를통해서외부장치와연결한다. 튜브의수직방향허용설치오차는 ±2 이며경사계를이용하여그설치각도를측정하는것이바람직하다. 튜브의직경은풍속계본체의직경보다작거나같아야하며, 풍속계컵이기상탑으로부터최소 0.75 m 떨어진위치에고정될수있어야한다. 풍속계를튜브에고정시키는받침대는그표면구조가매끈하고대칭적이어야하며, 동시에크기가최소화되어야한다. 풍속계를보다안정적으로고정시킬필요가있을경우에는추가적인튜브가사용될수있으며, 이때추가설치튜브의직경은기존의튜브보다작아야한다. 또한이경우풍속계컵이설치되는높이지점에서지표면을향해 1:5 원추를가정하였을때이범위를벗어나서는안된다. 풍속계이외의다른측정기기는풍속계컵보다최소 1.5 m 아래에설치하며, 이들측정기기의보조지지대는 1:5 원추형범위를벗어날수있다. 다음의그림 1.1은풍속계의기상탑상단설치의예이다. - 10 -
그림 1.1 풍속계의기상탑최상단설치의예 3) 풍속계의기상탑최상단설치대안 유동왜곡으로인해풍속측정의불확도가증가한다면풍속계설치를위한다른대안이고려대상이될수있다. 2개의풍속계가서로간에적합한이격거리를유지하고동시에기상탑으로부터도적정거리가확보된상태로기상탑최상단에평행으로설치된다면상대적유동왜곡도가비교적적게유지될수있다. 이경우설치를위한지지받침대는상기에명시된요구사항을만족시켜야한다. 풍속계컵은보조지지대직경의최소 15배높이에설치해야하나 25배가권장된다. 그림 1.2는풍속계평행설치의예이며, 시험평가개시이전에주풍속계를지정하며, 나머지풍속계는제어풍속계로활용된다. 제어풍속계의경우측정방위각을제한함으로써주풍속계에미치는영향이없도록하여야하며, 다른측정기기와기상탑및지지구조물의유동왜곡으로인한불확도에대한평가가이루어져야한다. 그림 1.2 주풍속계및제어풍속계설치의예 4) 낙뢰보호 - 11 -
낙뢰보호를위해피뢰침이기상탑최상단부에설치될수있으며, 이경우다음의사항을충족해야한다. 설치피뢰침은풍속계에대해 60 보호우산역할을해야하며, 피뢰침으로인해발생하는후류에풍속계가노출되지않아야한다. 적합한용량의접지가기상탑하단부에설치한다. 풍속계에대한유동왜곡분석이이루어져야하며, 추가적인불확도를반드시고려해야한다. 5) 기타기상측정기기의설치 제어풍속기가설치될경우주풍속계에근접하여설치됨으로써성능평가기간중상호간에양호한상관관계를구축하며, 이상관관계는주풍속계가측정기간중그보정특성이유지됨을입증하는유효한자료로활용될수있다. 그러나제어풍속계가주풍속계에간섭영향을미쳐서는안된다. 풍향계는주풍속계의최소 1.5 m 아래, 허브높이의 10 % 범위내에위치하여야한다. 또한측정방위각에미치는유동왜곡의영향이최소화되도록설치한다. 온도및압력측정기는주풍속계로부터최소 1.5 m 아래그리고허브높이에근접하게설치하며, 온도측정기의경우복사열방지를위한설비가갖추어져야한다. 압력계는비바람으로부터보호받을수있도록별도제작된용기에설치가능하나, 이경우제작된용기에대해적절한환기가이루어짐으로써용기내의압력에의해측정압력이영향을받지않아야한다. 기상탑의상단부에풍속계가설치되고다른측정기기들은보조지지대물을이용하여기상탑측면에설치된예가그림 1.3과그림 1.4에도시되었다. 그림 1.3 주풍속계및제어풍속계와풍향계등의설치의예 - 12 -
그림 1.4 병렬설치풍속계및풍향계등의설치의예 6) 컵형풍속계의지지구조물 지지구조물을사용하여기상탑에장착된풍속계는기상탑과보조지지대로인한유동의왜곡에영향을받는다. 튜브형태구조물의경우영향도는튜브직경의 15배이격지점에설치되었을때 0.5 % 이며, 보조지지대로인한유동왜곡은 0.5 % 이하로유지한다. 기상탑의후류영향권내에서풍속계가작동할경우측정결과는상당정도교란되므로출력성능평가에활용할수없다. 또한기상탑상류에서의유동왜곡은매우중요하므로, 이로인한영향이수용가능한수준으로낮게유지될수있도록풍속계와기상탑간의적정거리를유지한다. 이와관련된상세사항은가 ) 및나 ) 에명기되어있다. 기상탑의지지용철선은상당히먼거리에서도풍속계에영향을미치므로지선근처에는풍속계를설치하면안된다. 성능평가를위해수용가능한유동의교란정도나불확도수준을결정하는것은측정기관 ( 자 ) 의역무에속하나기상탑과보조지지대로인한유동왜곡도를각각 1 % 및 0.5 % 이하로유지한다. 기상탑은원통형또는격자형의철골구조물로설계 / 제작될수있으며, 풍속계의기상탑이격거리는기상탑의형상과바람의투과도에따라달리적용된다. 가 ) 원통형상의기상탑 원통형상의기상탑주변의유동장은그림 1.5에묘사된것과유사하다. 그림은 Navier-Stokes 방정식을적용하여기상탑주변의유동장에대해등속도분포를도시한것으로서, 최소교란은풍향이 45 인경우에발생하고있다. 즉, 기상탑상류지역에서는유동의감속이발생한후다시유동이가속되다가기상탑후면에서는후류가발생한다. - 13 -
그림 1.5 원통형기상탑주변의등속도유동장 풍속계와기상탑을연결하는선의 45 범위내에서의바람에대해가장큰상대풍속은풍향이풍속계및기상탑과일렬로정렬되는경우이다. 그림 1.6은거리에따른상대풍속의변화를나타내고있으며, 풍향이 45 이상이되는경우에는풍속변화가그림에도시된것보다클수있다는점에유의해야한다. 그림 1.6 기상탑의직경 d 와기상탑중심으로부터의거리 R 의함수로표현된상대풍속 위그림에서 99.5 % 의상대풍속은 R/d가 8.2인지점에서발생하고있음을알수있으며, 99 % 에해당하는형상비는 6:1이다. 나 ) 격자구조형기상탑 격자구조의기상탑주변유동해석은판형발동기 (Actuator Disc) 및 Navier-Stokes 이론에기초한것으 - 14 -
로, 유동왜곡의정도가기상탑에대한바람의투과도, 기상탑부재의항력, 풍향및기상탑과측정지점의이격거리의함수로나타난다. 그림 1.7은삼각형기상탑의평면도로써주요거리지표를표시하고있다. 그림 1.7 삼각기상탑의풍속왜곡 유동왜곡은추력계수 CT의함수로써, 추력계수는기상탑의바람투과도및각부재의항력의영향을받는다. 따라서추력계수는기상탑단위길이당의전체항력을동압과기상탑폭 L로나눈값이다. 그림 1.8은추력계수가 0.5인기상탑주변의유동을해석한결과로써, R=2 이상인경우기상탑에대한풍향에따른유동의왜곡정도가거의없음을알수있다. 그림 1.8 격자구조형기상탑주변의등속도분포도 만약측정방위각이 90 또는그이하일경우최소유동왜곡은풍속계가측정방위각의중심에서 90 지점에서발생함을알수있다. 이외의경우에는풍속왜곡은유동상류의풍속저하를거리의함수로써고려하여결정한다. 그림 1.9는다양한추력계수에대한상대풍속을전산모사한결과로써, 바람이풍속계와기상탑에대해 100 이상으로유입될경우에는풍속왜곡이더클수있다. - 15 -
그림 1.9 기상탑으로부터의거리 (R) 와기상탑폭 (L) 의함수로서의추력계수 다음의수식은추력계수와 R/L 의함수로써저감풍속 U d 를나타내고있다. ( 식 1.2) U d : 중앙선기준풍속결손 [m/s] C T : 추력계수 L : 기상탑폭 R : 기상탑으로부터의거리 추력계수는표 1.1에나타낸바와같이구할수있으며, 바람의투과도 t는구조물의전체면적에대한모든구조물부자재의투영단면적의비로정의된다. 표 1.1 격자구조형기상탑의형태에따른추력계수 만약요구되는저감풍속이확정된경우라면이격거리 R 은다음과같이구할수있다. - 16 -
( 식 1.3) 추력계수가 0.5이고저감풍속이 99.5 % 라면위식을통해 R은기상탑다리간격 L에 5.7을곱한값임을알수있으며, 저감풍속 99 % 인경우에는 L에 3.7을곱한값이다. 다. 계측기간 계측타워를이용한풍력자원의실측은계측기간이길수록풍력자원예측의정확도가증가하며, 계측기간은최소한사계절을포함하는 1년이상이되어야한다. 국내에서는풍력발전단지를개발할때보통 1년정도의단기간의풍속을계측하므로, 장기간의풍속을예측하기위해서는주변의기상관측대등으로부터약 10년정도의장기간의풍속데이터를확보한다. 또한 Measure Correlate Predict (MCP) 방법등을이용하여계측타워설치지점의장기간풍속을예측한다. 라. 계측기기 1) 일반사항 풍력자원데이터수집및측정에상용되는풍속계는주의환경에견딜수있는견고한것으로선정해야하며, 설치전에 KS C IEC 61400-12-1 혹은 MEASNET (International Measuring Network of Wind Energy Institutes) 기준안에따라교정을받고이후약 1년마다재교정을수행해야한다. 컵풍속계교정은 MEASNET 인증기관에서수행하는것을권장하고있으나, 다른기관에서교정을할경우에는국가기준안또는 MEASNET 기준안에적합한풍동을이용하여야한다. 풍향계는정확도가 5 이내의것을사용하여야하며, 복잡한지형에서는정확한풍향계측이중요하므로정확도 1 이내인풍향계를사용할것을권장한다. 풍향계는풍속계아래쪽에풍속계와같은방향으로설치하여간섭을최소화하도록한다. 또한온도센서, 대기압센서, 상대습도센서를설치하여온도, 대기압, 상대습도를계측하고이로부터공기밀도를계산한다. 온도센서는태양복사광이차단되는곳에설치해야하며, 동결유무를확인할수있는센서, 태양광복사센서및강수량센서도설치할것을권장한다. 계측선서로부터출력을저장하는데이터수집장치 ( 데이터로거 ) 는주변기후나강수등의환경으로부터견딜수있는보호장치를설치하고, 내부독립전원또는태양광보조전원을병행사용한다. 그리고폭우및폭설등의자연재해에의해계측지점에접근이곤란할경우를대비하여계측데이터저장용량은적어도 2개월이상인것을추천한다. 데이터획득속도는 1Hz 보다빠르며 10분평균값이저장되도록한다. 아울러자연풍을동력원으로사용하는풍력발전시스템을위해어느기간동안에어느정도의풍속을가진바람에대한분석이필요하다. 이것을풍속의출현밀도라고하며, 출현밀도를정리한여러종료의함수중가장널리사용되는함수식은 Weibull 분포함수이다. - 17 -
( 식 1.4) f(v) : 풍속의출현율 c : 척도계수 (Scale Parameter) k : 형상계수 (Shape Paramater) 이다. 2) 풍속및풍향계의예 그림 1.10은독일 Thies Clima사의정밀풍속계측기인 Thies First Class 컵풍속계이다. 이컵풍속계는높은정밀도로인하여덴마크 RISOE의 P2546A 컵풍속계와함께풍력발전기성능시험에널리사용되고있다. 그림 1.10 Thies First Class 풍력발전단지풍속계측에서는위의두풍속계보다정확도가약간낮은풍속계들이널리사용되고있다. 그림 1.11은국내발전단지풍속계측에널리쓰이는 NRG사의저가형 #40 컵풍속계를나타낸다. 그림 1.11 #40 컵풍속계 그림 1.12 는 NRG 사의풍향계를나타낸다. - 18 -
그림 1.12 #200P 풍향계 라. 풍속계교정 : MESANET 기준 유럽의풍력관련연구기관들에서풍력에너지분야에서공통적으로통용될수있는정밀계측방법을위한지침을만들기위하여 International Measuring Network of Wind Energy Institutes (MESANET) 라는조직을구성하였다. MESANET에서는계측절차서작성과참여기관들의계측신뢰성등에대한주기적검증을수행하며, MESANET에서인정된참여기관들이절차서에따라계측을수행한다. 그림 1.13 MEASNET 현재 MEASNET에서인증하고있는계측종류는풍속계교정, 성능곡선측정, 소음측정및전력품질측정이다. 풍속계보정에있어서 MEASNET은일관성및정확성을보증하기위한절차의기준안을제시함으로써풍속계보정절차의확보에선도적인역할을수행한다. 다음표 1.2는 MEASNET에서인증받은기관을나타낸다. - 19 -
표 1.2 MEASNET 인증기관 기관명 CRES DEWI GmbH WIND-consult GmbH WINDTEST Kaiser-Wilhelm-Koog GmbH IDR/UPM Svend Ole Hansen ApS Wind Engineering Deutsche WindGuard Wind Tunnel Serveces GmbH 국가 Greece Germany Germany Germany Spain Denmark Germany - 20 -
2. 풍력데이터측정기기의보정및평가 가. 컵형풍속계보정절차 1) 일반사항 풍속계보정을위해서요구되는일반사항은다음과같이요약될수있다. 모든트랜스듀서와측정기기는보정이력을구비하여야하며, 보정확인서와기록이모든관련된이력을포함해야한다. 풍속계의보정중적용된모든규정및기준이보정시험보고서에명기해야한다. 피토튜브가사용될경우적합한풍속범위내에서보정을수행하고그과정및결과가문서로서기록해야한다. 모든보정작업에앞서시험장치의구성에대한검증이수행기관이보유하고있는 기준풍속계 를이용한비교보정을통해이루어져야한다. 유동에대한정성적측정을수행해야한다. 풍속계의보정은 ISO 지침에의거한엄밀한불확도평가를수반해야한다. 2) 풍동에대한요구조건 풍속계의정확한보정을위해서는풍동이반드시필요하다. 풍동내설치된풍속계가유동장미치는영향이있어서는안되며, 측정중풍동의경계층및장애효과가어느정도풍속계보정에영향을미칠수있다. 풍동의전체시험단면적에대한풍속계의정면단면적 ( 설치장비포함 ) 비율인장애효과는개방형풍동일경우 0.1, 폐쇄형풍동일경우 0.05를초과하지말아야한다. 풍동내유동장은균일해야하며, 균일도가보정작업에앞서평가한다. 유동균일도는피토튜브, hot-wire나 laser Doppler 등을사용하여유속을횡방향및종방향과수직방향으로측정함으로써검증이가능하며, 그결과가 0.2 % 이하여야한다. 이러한검증은유동장에대한변화가없다면 1회에한하여수행될수있으나풍동의공력특성에대한변화가있을때마다유동장의균일도를검증한다. 컵형풍속계는풍속의수평방향속도구배에매우민감하게작용한다. 풍속의상이한수평구배는풍동내에설치된유동균일화장치나여기에누적된먼지등에의해영향을받게된다. 그러므로동일한형식의피토튜브 2개를사용하여수평방향속도구배를측정하는것이유용하다. 이때피토튜브는그헤드부분길이가컵형풍속계의회전면적과비슷하여야하며, 실제풍속계가설치될위치에정확하게설치해야한다. 측정기기의구성후 2개의피토튜브에서측정한동압사이의선형회귀가구해져야하며, 그차이는 0.2 % 미만이어야한다. 풍속계설치위치에서의축방향난류강도는2 % 이하여야한다. 기준측정위치와풍속계측정위치사이의관계에대한풍동보정계수는피토튜브를이용해구하여야한다. 모든측정관련설비는풍속계보정의재현성을세밀히점검해야하며, 이를위해기준풍속계가구비되어야한다. 기준풍속계는이러한재현성과다른풍속계측정설비를점검하는목적으로만사용해야한다. - 21 -
재현성검증을위해서는기준풍속계에대해최소 5회의보정 ( 다양한대기환경조건하에서 ) 을수행한다. 각각의보정간최대차이는풍속이 10 m/s일때 0.5 % 를초과해서는안되며, 측정설비의변경이나재보정이이루어졌을경우마다이러한재현성검증이이루어져야한다. 연속적인시험을통해사용하고자하는측정설비가다른풍속계보정설비와그보정결과가유사함을입증하여야한다. 이때측정설비의기준풍속계보정 ( 위에언급한재현성시험에서평가된 ) 평균은다른측정설비의보정평균과비교시풍속이 4 16 m/s 범위에서 1 % 이내의오차를가져야한다. 3) 보정을위한측정기기및설치요구조건 주파수 / 전압전화장치와같은외부신호처리기는풍속계와연결되지않은상태에서보정을수행함으로써풍속계의보정이외부신호처리장치와단절된상황에서이루어질수있다. 데이터처리장치의해상도는초속 0.02 m/s가되어야하며, 아날로그전압기기의경우에는저임피던스 (low impedence) 측정기기에의한신호감쇄가발생하지않도록주의가필요하다. 보정중풍속계는유동왜곡을최소화하기위해튜브의상단에설치하며, 이튜브의크기는실제출력측정시풍속계가설치될튜브와동일하여야한다. 풍속계의설치상태는특히회전자직경에대한튜브직경의비율이높을수록기기의민감도에큰영향을끼친다. 풍속계가어떤기준풍속측정장비로부터도영향을받지않도록하는것은매우중요하다. 역으로, 풍속계가기준장비가설치된지역의유동에영향을미쳐서도안된다. 만약유동왜곡현상이발생했다면피토튜브의위치를재조정하며, 풍속계와기준풍속측정장비 ( 피토튜브또는기준풍속계 ) 를철거후재설치하고나머지기기의출력이변하는지확인함으로써그영향을평가할수있다. 풍동의제어되지않는교란에의해발생하는불확도를제거하기위해서는이상의절차를여러차례반복하는것이바람직하다. 피토튜브는가능한한정확하게유동장에수직으로풍동의시험부에설치한다. 피토튜브의수용가능한최대기울기는 1 이다. 풍속계도가능한정확하게풍동내시험부의유동장에수직으로설치하며허용가능한최대기울기는 1 이다. 많은연구결과에의하면이같은기울기각도변화에따른컵형풍속계의민감도변화는측정기기의형상에따라달라지며, 수직에가까울수록매우민감해진다. 보정중풍속계의출력신호가간섭이나잡음의영향을받고있지않는지확인을하여야한다. 4) 보정절차 풍속계는보정시작전약 5분동안작동시켜야하며, 이렇게함으로써풍속계베어링의기계적마찰에의해발생하는커다란온도구배에의한영향을제거할수있다. 보정은 1 m/s 이하의증분으로풍속을 4 m/s에서 16 m/s까지올리고다시동일한증분으로감소시키면서수행한다. 이처럼가속과감속의두가지경우에대해측정을수행함으로써측정장비에히스테리시스영향유무를확인할수있다. 샘플링주파수는최소 1 Hz이어야하며, 샘플링간격은최소 30초이다. 이값은낮은해상도의풍속계를보정할경우에는증가시켜야하며, 보정대상풍속계와기준풍속계의샘플링간격은동일하게유지해야한다. 각각의풍속에서자료를측정하기에앞서일반적으로 1분정도의시운전시간을가짐으로써풍동내의유동이안정화되도록하여야하며, 이시간은장비에따라변할수있다. 30초간격으로측정한 2개의연속한측정자료의평균값이 0.05 m/s 이내의차이를보인다면유동이안정화된것으로간주한다. - 22 -
공기밀도는풍동의평균공기온도와상대습도그리고기압을이용하여다음의식과같이구할수있다 ( 표준불확도 10-3 kg/m 3 이하 ). ( 식 2.1) B : 공기압 [Pa] T : 절대온도 [K] φ : 상대습도 [0 1] R 0 : 공기가스상수 [287.05 J/kgK] R w : 수증기가스상수 [461.5 J/kgK] P w : 증기압 [Pa] ( 식 2.2) 여기서증기압은평균 P w 공기온도의함수이다. 풍속계가설치된위치에서의평균유속은다음의식을사용하여기준위치에서의평균압력차 Δp ref 로부터구한다. ( 식 2.3) C h : 피토튜브 head constant k c : 풍동보정계수 k b : 장애보정계수 n : 획득자료의수 장애보정계수는 Maskells 이론을이용하여구하며, 장애보정계수를구할수없을경우에는폐쇄형풍동의경우장애비율의 1/4, 개방형풍동의경우에는 1/16을적용한다. 5) 자료분석 다음의회귀계수를구하기위해서는보정자료에대해선형회귀분석을수행한다. 오프셋, 기울기, 회귀계수 기울기의표준불확도와절편 기울기의공분산 풍속절편 - 23 -
풍속값은풍속계출력에따라회귀한다. 풍속에대해풍속계출력이회귀하는것이논리적일수는있지만역으로하는것이보다편리하다. 풍소계보정의경우풍속계출력은일반적으로그정화도가매우높은것으로알려져있으나풍속측정은정확도가떨어진다. 측정값에대한상관계수 r이 0.99995보다작은경우에는보정이다시이루어져야하며, 반복보정결과그값이계속높게나온다면이는보정설비또는풍속계의과도한비선형특성때문이므로관련설비와풍속계를사용하여서는안된다. 6) 불확도분석 풍속계에대해바람이수평으로평행하게불어올때의불확도를분석하는것은매우중요하다. 이를위해불확도분석은 ISO 지침에따라수행하며, 분석된불확도는 A형및 B형으로표현한다. 불확도의크기는통계적으로평가하며, 다음의사항을포함한다. 풍속측정의불확도 ( 피토튜브, 트랜스듀서, 공기밀도계산등 ) 주파수측정 장애효과를포함한풍동보정 풍속계부근에서의유동변화성 7) 보고서형식 풍속계보정관련기록에는보정수행절차, 사용된장비및각각의풍속계보정결과를포함한다. 보정시험보고서에는최소한다음의사항을기록한다. 사용풍동에관한사항 풍속계및피토튜브의정확한설치위치를포함한풍동에관한도면 유동장에관한정성적측정결과 장애보정계수 사용측정기기의인증서 측정절차 측정자료분석절차 풍속계보정의재현성관련기록 불확도분석 이상의요구사항에대한불일치사항 보정보고서는다음의사항을포함하고있어야한다. 측정풍속계의제작사, 형식및제작일련번호 ( 컵이풍속계와분리되어납품되었을경우에는컵에대한제작사, 형식및제작일련번호 ) - 24 -
풍속계설치장비의튜브직경 주파수 / 전압전환기와같이외부신호전환기와사용되었을경우에는전환기의제작사, 형식및제작일련번호 보정의뢰자의이름과주소 보정시험수행자및검사자그리고보정확인서발급자의사인 풍동의명칭 보정기간동안의공기온도, 압력및습도등을포함한기상환경조건 회귀변수 ( 오프셋, 기울기, 회귀계수, 기울기의표준불확도와절편, 기울기의공분산및풍속절편 ) 모든보정및회귀결과에대한도표및그래프 측정풍속과관련된불확도 보정일시및보정보고서등에관한참고자료 풍동에설치된풍속계사진 8) 불확도계산의예 가장이상적인불확도계산은하나의보정시험에적용된각각의풍속보정조건마다독립적으로그계산을수행하는것이다. 예로써, 25 m/s의정격풍속을갖는풍동을사용하여 10 m/s 풍속에서보정을수행하는경우를상정하여보자. 표 2.1은각각의불확도원인들을나열하고있다. 중복을피하기위해기압측정의세부적인평가는생략하였다.( 오차원인의기호및단위는예이므로본문의기호와다를수있음 ) 표 2.1 풍속계보정불확도평가의예 오차원인 ui 평가방법현재적용가능한기술로풍동간비교 값 ui 민감도 ci u i c i m/s u f, 풍동교정계수, k f 실험결과풍속교정계수가 0.5 % 라면 k f =1.005이다. 따라서보정값과보정되지않은값의차이의 1/2이표준불확 0.0025 C f=ν/k f =10 m/s/1.005 =9.95 m/s 0.025 도이다. 풍동보정이 2 개의피토튜브를사용해 서이루어졌고, 이중 1 개의피토튜브 는영구고정기준점에설치되었고, 다 른하나는시험용풍속계에사용된경 u t, 풍동보정계수, k c 우, 이들 2개의피토튜브를서로바꾸어측정함으로써모든 B형오차들이제거될수있다. 또한회귀분석법에의해 0.01 Ct=0.5 ν/k c =0.5 10/1.02 =4.90 m/s 0.049 교정계수와 A 형표준불확도를평가할 수있다. 교정계수가 1.02 이고표준불확도가 0.01 이라고가정하면다음의결과를얻 - 25 -
을수있다. 압력변환계가 500 N/m2라면풍속 10 m/s 에서압력은약 60 N/m2 이된다. 오차한계가제작사에의해측정한도내 에서 0.2 % 로명기해있고삼각형태의 u p,t 압력변환기민감도, K p,t 불확도분포를지닌다고가정한다면표준편차는 1 1/ 또는 0.40 N/m 2 이다. 또한변환기의민감도 K p,t 가 5000 33 c p,t =0.5 ν/k p,t =0.5 10/5 000 =0.001 0.033 N/m 2 /Volt( 최대출력 100 mv) 라고가 정하면 60 N/m 2 에서의표준불확도 u p,t 는 33 N/m 2 /Volt이다. 신호처리가측정시스템의전체측정범 u p,s 압력변환기 신호처리보상이익, K p,s 위 (10 V) 에대한최대변환출력전압 (100 mv) 를위한것이라면필요한보상이익은 100이다. 따라서 K p,s=0.01이며, 표준불확도가 0.2 % 라면 u p,s 는 0.00002 c p,s =0.5 ν/k p,s =0.5 10/0.01 =500 0.010 0.00002 이다. 자료획득 / 처리시스템의해상도가 10V 에대해 12bit(4096) 또는 0.00244V 의 u p,d 압력변환계 측정자료전환, K p,d K p,d 와같이전체측정범위에대해정의된경우정량화된한계는그값의 1/2, 즉 0.00122V이고직사각형형태의불확도분포가적합하므로표준불확도는 0.000704 c p,d=0.5 ν/k p,d =0.5 10/0.002 44 =2 049 0.004 0.00122/ 또는 0.000704V 이다. u T,t, 대기온도변환계, K T,t 대기온도는이론적으로는변환기출력과실측대기온도사이의편차를 0 으로가정하지만실제로는매우큰편차가존재하므로매우까다로운항목이며, 일반적으로 -20 에서 30 의온도범위에대해 4 ma에서 20 ma의전류범위를사용한다. 수학적으로새로운분석을하기보다는보다쉬운방법으로변환기가 0.2 의분해능과삼각형태의불확도분포를보인다고가정한다면표준불확도는 0.08 이다. 이는전체온도계측시스템이아닌변환기로인한오차이며 T, B 및 p의항목으로풍속을 - 26 - 해당없음 c T,t =0.5 ν/k T,t 0.001
나타내는기본방정식을활용한다면온 도 T(15, 288 K 15.08, 288.08 K) 를 변화시킴으로써이에해당하는풍속변 화를구할수있다. 이경우풍속 10m/s 에대해 0.001m/s 의출력값을얻 을수있다. 이값은분석적방법을적 용한세번째및네번째열을활용하 지않고직접마지막열에대입가능하 다. 온도센서에서 500 Ω 정밀저항으로흐르 u T,s 온도신호처리보상이익, K T,s 는출력전류가전체측정온도범위에대해 2 10 V라고가정할때보상이익 K T,s 는 2 ma/v이며, 저항의표준불확도가 0.2 Ω이라면이에대한보상이익 0.0008 ct,t=0.5 ν/kt,s =0.5 10/2 =2.5 0.002 의불확도는 0.0008 ma/v 이다. 압력변환기의신호전송선이위와같을 때정량화에따른표준불확도는 u T,d 온도신호의 디지털변환, K T,d 0.000704V이다. 온도가 15 일때디지털 / 아날로그전환기의전압은 7.6 V이며, 전환된공칭값은 3113이다. 0.0000023 c T,d =0.5 ν/k T,d =0.5 10/0.002 44 =2049 0.004 이때전환에따른불확도 U T,d 는 0.0000023V 이하이다. 피토튜브의수두계수는풍속의유입각 도에영향을받으며, 2 개의가능한오 차원인이존재한다. 하나는피토튜브 u h, 피토튜브수두계수, C h 가평균유동장방향에대해얼마나정확하게설치되었는가이며, 다른하나는순간유동방향에대한난류변화이다. 공칭수두계수 C h 가 0.997이고풍속의 0.000997 C h =-0.5 ν/c h =-0.5 10/0.997 =-5.015 0.005 유입각에대한표준편차가 2 라고가정 한다면관련 ISO 표준에의하면수두계 수가 0.1 % 증가한다. u B,t 기압계민감도, K B,t u B,s 기압계신호처리보상이익, 기압계는물리적편차가크므로온도계측기와상당부분동일하게처리된다. 여타신호처리항목과유사 c B,t=-0.5 ν/k B,t c B,s=0.5 ν/k B,s - 27 -
K B,s ub,d 기압계신호의디지털전환, 여타자료획득 / 처리채널과유사 c B,d=0.5 ν/k B,d K B,d s A 시계열평균풍속의통계적불확도 난류강도가 2 % 이고풍속이 30초간 2 Hz의속도로측정되었다고가정하면 60개의획득자료군이존재한다. 평균값 10 m/s에대한표준불확도는다음과같다. 0.026 1 0.026 일반적으로그렇듯이만약 가 cb 또 는 ct 보다는 에의해결정된다면 cρ2 uρ2 가 uϕ2( 는습도에대한불확도이 며, 습도에대한풍속에서구한민감도 이다.) 와동일함을보일수있다. u ρ, 밀도에대한 상대습도 가 95 % 신뢰도구간에서 5 습도교정 k ρ 또는, 상대습도 ϕ % 정확도로 50 % 라고측정되었을때 =0.5이고 =0.025이다. = 0.025 c ρ=0.032 0.001 Pw=1700 Pa, 15 에서 B=1013 mbar = 101300Pa 라고가정한다면 kρ 는 0.997, 는풍속 10 m/s 에서 0.032 이 다. 복합불확도는우측열에명기된불확도들의제곱근이며, 위표의경우그값은 0.07 m/s이다. 위예의경우 B형오차가지배적인데, 보정기간을연장하면 A형불확도는감소하겠지만 B형불확도에는아무영향이없다. 더욱이 B형불확도의원인요소들은특정풍속에서서로간에상관관계를이루지않고있으며, 이는보정이잘이루어졌음을의미하지만불확도는여전히높은편이다. 나. 컵형풍속계의평가 1) 일반사항 등급분류를위한풍속계의평가는풍동실험, 현장측정및이와관련된전산해석과외삽을통해이루어질수있으며, 특히풍동및현장측정실험은반드시이루어져야하며이들의결과가상호비교를통해검증해야한다. - 28 -
컵형풍속계의형식평가는다음의특성들에대한영향을평가하기위해검증된절차를통해이루어져야한다. 유동유입각에따른응답특성 회전자의가속과감속토크특성으로인한동적영향 베어링에대한마찰토크 3) 과 4) 는서로다른평가방법에따른예를보여주고있다. 실제평가작업은제시된예중하나를기본으로수행될수있지만, 기본특성들의영향을분석하기위한검증된절차를따르는과정에서다른한가지의예가적용될수도있다. 2) 컵형풍속계의특성실험 가 ) 풍동을이용한유입각응답특성실험 유동유입각응답특성은풍동실험을통해분석될수있다. 이를위해세가지풍속대 (4 16 m/s에걸쳐균일하게분포된풍속으로 5 m/s, 8 m/s 및 12 m/s가권장됨.) 에서풍속유입각이최소한 -30 +30 의범위에걸쳐변화하는매 2 마다유동유입각에따른풍속계의응답특성이측정되어야한다. 그림 2.1은가장이상적인코사인형태의응답특성을보여주는측정의예이다. 그림 2.1 방위각응답특성의측정결과 나 ) 풍동을이용한감속 / 가속력측정 풍속계회전자의토크특성은가느다란축을풍속계회전자의윗부분에붙이고풍속계가풍동의유동속도에대해비평형회전속도로회전하게한다. 이때축에작용하는토크는풍속계에작용하는회전토크와동일하며이측정값이풍속계의토크특성이된다. 보다정확한측정을위해서는가능한한평형속도비에서상기측정을수행하는것이필요하며, 다음의예는 8 m/s로일정하게유지되는상황에서풍속계회전 - 29 -
자의회전속도를변화시켜가며회전토크를측정한예이다 ( 그림 2.2 참조 ). 그림 2.2 풍동유동속도 8m/s 에서측정한회전토크 다 ) 베어링마찰토크측정 마찰토크는풍속계의회전자를플라이휠로교체한후풍속이약 20 m/s에서회전속도를저감시키면서측정한다. 이때회전자에작용하는토크와플라이휠에작용하는공기마찰토크가베어링에작용하는마찰토크이며, 공기마찰토크는측정토크에서공제된다. 그림 2.3은마찰토크측정의예이다. 그림 2.3 베어링에작용하는마찰토크의측정 라 ) 야외비교실험 비교실험을위해서는풍속계와풍동에서보정된 3차원초음파속도계를설치하며, 지지구조물에수직한방향으로비교적작은유동유입각에서의 10분평균측정값만이유효하다. 유효데이터베이스는일정한난류강도의범위에서측정및구성되어야한다 ( 예 : 난류강도 0.04 0.14). - 30 -
3) 풍동및실험실측정과야외비교실험을통한 S1 등급풍속계평가 가 ) 상이한유동유입각에서난류유동에대한방위각특성 평균유동유입각 0 난류유동에서의유입각에따른응답특성은상이한유동유입각에대한계산으로구할수있다. 예로써평평한부지에서유입각이 0 일경우난류강도는다음과같이구할수있다. ( 식 2.4) σ u : 수평유동속도의표준편차 U : 수평방향평균풍속 난류유동장에서유입각에따른풍속계의응답특성은난류유동의수직방향성분에영향을받으며, 수직유동속도에대한표준편차는수평성분에대한표준편차보다작다 ( 등급분류를위해서는 σ v =0.8 σ u 를적용한다 ). 유동유입각의확률 ( 아래에서위로향하는유동이 + 은서로다른난류강도에대해그림 2.4와같이구할수있다. 그림 2.4 유동장의수직속도성분분포 다음단계로위그림에서주어진확률분포는유동유입각에따른응답특성과전체유입각에대한그림 5.5에서의이상적값과의차이를곱함으로써구할수있다 [ 그림 2.5(a) 의경우특정난류강도에대한이상적경우와등급분류된풍속계와의차이를나타낸다 ]. 이상적경우와의차이는난류강도가0.2에이르는전체범위에대해그림 2.5(b) 에도시하였다. - 31 -
그림 2.5 코사인응답특성에대한편차 평균유동유입각 -20 +20 복잡지형에서평균유동장의유입각이 0 가아닐경우유입각의확률분포는그림 2.6에도시된바와같이평균유입각에서최대값이된다. 그림 2.6 세가지상이한유입각에서의확률분포 유동유입각이 -20 +20 이고수직방향속도성분의난류강도가변하는경우풍속계의응답특성과이 - 32 -
상적경우에대한편차가보고서에포함되어야한다 ( 그림 2.7 참조 ). 그림 2.7 수평방향난류강도에대한세가지상이한유입각의편차 위결과로부터평균유입각및난류강도의볌위가 1등급풍속계에대해정의될수있으며, 작동범위내에서등급분류된풍속계는이상적경우대비 1 % 미만의편차를가진다. 나 ) 비정상유동으로인한동적영향 풍속계의유입각응답특성으로인해비정상유동장에서어떤풍속계들은종종 공력적과속현상 이라불리는동적영향을나타내기도하며, 이러한영향들은현장실험을통해평가및분류를수행한다. 이를위해서는 30 m 높이에서평가가이루어져야하며, 평가결과는보정된초음파풍속계의결과와비교검증해야한다. 이를위해난류강도에대한과속현상의영향 ( 컵형풍속계와초음파풍속계의측정결과의차이에대한기울기 ) 이그림 2.8과같이보고서에포함된다. 그림 2.8 기울기조건을충족시키지못한풍속계의예 1 등급풍속계는기울기가 0.05 미만이어야하며, 난류강도 0.2 에대해 1 % 미만의과속영향을가져야한 - 33 -
다. 다 ) 베어링마찰토크 풍동에서의풍속계보정은종종실온에서이루어지지만풍속계는실제현장에서광범위한온도범위에서작동을하게된다. 이러한온도변화로인한풍속계의측정값차이역시반드시측정및평가해야하며, 1등급풍속계의경우작동온도범위내에서 1 % 이상의편차를가져서는안된다. 위절차에따른편차는양또는음의값을가질수있으며, 1등급풍속계는출력곡선의측정에영향을미치는요소들의작동범위내에서 1 % 이하의편차를가져야한다. 4) 풍동및실험실측정과모델링을통한평가방법 가 ) 방법 이방법은모든영향요소들의작동범위내에서풍속계의응답특성을분석하기위해풍동, 실험실측정, 모델링을통한전산모사및임의의풍속자료를활용하는것이다. 나 ) 풍속계의모델링 보정결과, 유입각에따른응답특성및속도비와마찰력에대한토크계수등의풍속계의기본특성과회전자의관성, 컵의면적및풍속계중심에서컵까지의반경등의풍속계의물리적특성등을이용해모델링을함으로써유입풍속에대한풍속계의응답특성을분석할수있다. 풍속계의응답특성은회전자에작용하는토크를공력토크와마찰토크의합으로이루어진미분방정식을통해유도할수있다. ( 식 2.5) I : 컴협풍속계회전자관성 [kg/m 2 ] d : 기상탑직경 [m] Q A : 공력토크 [Nm] Q f : 마찰토크 [Nm] 공력토크 Q A 는순간속도벡터 와유동유입각의함수이다. ( 식 2.6) : 풍속벡터 - 34 -
u : 길이방향풍속 v : 횡방향풍속 w : 수직방향풍속 평형수평유동풍속은풍속벡터의스칼라양과유입각에대한응답특성에의해다음과같이결정된다. ( 식 2.7) U eq : 등가수평풍속 : 왜곡방위각 [ ] 또한공력토크는다음과같이나타낼수있다. ( 식 2.8) ρ : 공기밀도 A : 컵하나의면적 R : 풍속계중심으로부터컵까지의반경 U eq : 평형수평유동풍속 U t : 풍속계회전개시풍속 C QA : 공력토크계수 공력토크계수는 C QA 가풍동내풍속과같을때의토크를측정함으로써구할수있다. ( 식 2.9) 또한위에서구한공력토크계수는풍속비의함수이다, ( 식 2.10) 마찰토크는풍속계회전속도와온도의함수로써다음과같이나타낸다. ( 식 2.11) - 35 -
T : 절대온도 [K] 다 ) 영향요소의범위변화및등급결정 영향요소의범위는임의의 3차원난류유동장을발생시키는난류모델의적용에따라변화한다. 이같은임의의유동장에풍속계를 10분간위치시킴으로써풍속계의응답특성을분석할수있다. 모든영향요소범위에대해정확한측정값과의차이를분석하고, 그결과에따라풍속계의등급이결정된다. 그림 2.9는 A등급의영향요소범위변화에대한편차를보여주며, 평가결과에의한등급은 2.0 A이다. 그림 2.9 2.0 A 등급풍속계편차의예 다. 지형보정절차 1) 일반사항 지형보정은출력테스트사이트의장애물과지형으로인한영향을정량화하고잠재적으로는그영향의정도를감소시켜주는역할을한다. 이러한지형과장애물은기상탑이설치된위치에서의풍속과풍력발전기회전자중심에서의풍속간에계통적차이를발생시킨다. 현장지형보정측정의가장중요한결과는전체측정방위각에대한풍향에따른유동보정계수를도표화하는것이다. 따라서지형보정측정은출력성능시험을위한유효방위각이조정될경우그적정성을입증하는근거를제공한다. 2) 보정을위한준비 출력시험용풍력발전기의설치전또는철거후에 2기의기상탑이설치되어야한다. 하나는출력성능시험을위한기준위치에설치되어야하며, 다른하나는평가용풍력발전기가설치되는지점에위치하여야한다. 시험을위한측정기로는 2개의풍속계와 1개의풍향계그리고자료처리및기록장치가필요하다. 기준위치에설치되는풍속계와풍향계는출력성능시험기간중사용될기상탑에설치되어야하며, 풍력발전기가설치될지점에위치하는풍속계는가능한허브높이와동일한높이에임시구조물을이용하여설치되어야하며, 동일한높이가어려울경우에는허브높이의 ±2.5 % 이내에서조정이가능하다. 또한이풍속 - 36 -
계를고정하는구조물은풍력발전기타워의중심선에설치되어야하며, 중심선으로부터이격되는경우라도타워높이 (H) 의 20 % 범위를넘어서는안된다. 또한유동왜곡에대한추가적자료수집을위해보조풍향계가이임시구조물에설치될수있다. 지형보정에사용되는계측기, 풍속계는동일한형식의것들이사용되어야한다. 사용되는풍속계들의보정작업은함께이루어져야하며, 출력성능시험을위해기상탑에부착되는측정기기는지형보정에사용된기기와동일하여야한다. 만약동일하지않은경우에는추가적인불확도에대한분석및평가가이루어져야한다. 3) 데이터의처리 출력성능측정데이터는동일한표본추출비율로연속적으로획득되어야하며, 이를통해 10분평균측정값들로이루어진데이터군이완성되어야한다. 또한각각의 10분간격데이터에대해평균, 표준편차및최대 / 최소값이도출되어야한다. 데이터군은풍향빈으로정리되어야하며, 각각의빈은 10 보다클수없으며, 풍향빈은풍향계의불확도와같거나커야한다. 다음의상황에서획득한데이터군은폐기되어야한다. 측정기기의장애또는결빙등으로인한성능저하 풍향이유효측정방위각을벗어난경우 평균풍속이 16 m/s를초과하거나 4 m/s 미만인경우 출력성능시험기간중데이터폐기기준에해당하는특별한외부기상환경이발생한경우 지형보정을위한데이터군은각각의풍향별풍속구간에대해최소한 24시간측정자료로구성되어야함과동시에각각의풍속구간은풍속이 8 m/s를초과한경우에측정된자료가최소 6시간분량, 8 m/s 이하에서측정된자료가 6시간분량이어야한다. 이러한최소요구조건이외에측정데이터가수렴여부를확인하기위해성능시험과정이모니터링되어야한다. 이상의과정을통해완성된지형보정자료로부터지형으로인한평균유동보정계수 ( αj: 풍력발전기설치위치에서의풍속을기상탑에서의측정풍속으로나눈비값 ) 가각측정방위각에대해결정된다. 4) 불확도분석 유동보정계수의측정불확도는 3장에의거하여산출되며, 각각의풍향빈에대한복합불확도평가의예가 3장에자세히제시된다. 5) 최종측정방위각의선정 측정방위각전체에대한유동보정계수평가를위한충분한자료가확보되지못하는경우가종종발생하며, 보정계수가풍향빈에따라급격하게변하는상황도있다. 따라서유동보정계수가인접측정방위각의유동보정계수대비 0.02 이상변화하는경우해당측정방위각은유효측정방위각에서제외되어야한다. - 37 -
또한어떤경우에는지형보정을위한측정결과, 장애물이측정된유동보정계수에대해무시될수있을정도의영향을미치는상황도있다. 이러한경우, 유효측정방위각이요구하는범위를넘어확장될수도있다. 그러나이같은경우에도장애물의후류가풍력발전기에미칠수있는잠재적영향에대한분석이이루어져야한다. 6) 측정결과의검증 2개의기상탑에서측정된자료로부터도출된보정결과는출력성능시험기간중풍력발전기로부터직접측정된자료와비교검토되어야한다. 정격출력이하에서는풍력발전기를향하는풍속은측정된출력곡선을이용하여전기출력의순간평균값으로부터도출된다. 기상탑에서측정한풍속과전기출력을이용하여계산한풍속의비는풍향에따라빈평균값으로정리된다. 가장이상적인경우는이풍속비율이풍력발전기설치이전에수행된지형보정을통해평가된풍속보정계수와동일한경우이다. 라. 테스트사이트의지형평가 테스트사이트에대한지형보정절차없이출력성능시험을수행하기위해서는풍력발전기타워하단부와측정방위각으로이루어지는주변지형이수평면상에서오직약간의변화를보여야한다. 주변지형이표 2.2의요구조건을충족시킬경우테스트사이트지형에대한보정은불필요하다. 만약지형특성이표 2.2에서요구하는최대기울기한도를 50 % 이내에서초과한다면지형보정이별도로필요하지않은지를판단하기위한유동모델해석이이루어져야한다. 만약유동모델해석결과가기상탑과풍력발전기허브높이에서의풍속간차이가전체측정방위각에대해풍속 10 m/s에서 1 % 이내의변화를보인다면지형보정은불필요하다. 그렇지않다면지형보정측정이요구된다. 표 2.2 테스트사이트의요구조건 : 지형적변화 거리 방위각 최대기울기 % 최대기울기변화 <2 360 <3* <0.04(H+D) 2 그리고 <4 측정방위각 <5* <0.08(H+D) 2 그리고 <4 측정방위각외각 <10** 해당없음 4 그리고 <8 측정방위각 <10* <0.13(H+D) * 최대기울기가측정지역에잘일치하며풍력발전기타워하단부를통과 ** 최대기울기를갖는경사선이풍력발전기타워하단부와측정구역의각각의지형점을연결 - 38 -
그림 2.10 평가대상지역의예 ( 평면도 ) 마. 테스트사이트의장애요소평가 1) 시험평가풍력발전기와그인근지역에대한요구조건 시험평가대상풍력발전기와기상탑은설치주변지역으로인한영향을받지않아야한다. 평가대상풍력발전기에인접한다른풍력발전기가평가기간중운전을하고있다면그후류영향에대해정한바에따라평가가이루어져야한다. 만약인접풍력발전기가측정기간중운전정지상태이라면 2) 에명기된바와같이장애요소로평가되어야한다. 평가대상풍력발전기와기상탑은인접한다른운전중인풍력발전기와의이격거리가인접풍력발전기회전자직경 (D n ) 의 2배가되어야하며, 평가대상풍력발전기의회전자직경이더클경우에는평가대상풍력발전기회전자직경의 2배거리만큼이격되어야한다. 인접하여운전중인풍력발전기의후류로인해유효측정방위각에서제외되어야하는지역은그림 2.11을기준으로하여야하며, 이때기준이되는요소는실제거리 L n 과인접하여운전중인풍력발전기의회전자직경 D n 이다. 유효측정방위각에서제외되어야하는지역은평가대상풍력발전기와기상탑모두에대해도출되어야하며, 인접풍력발전기로부터기상탑또는평가대상풍력발전기로이어지는방향에정렬되어야한다. 그림 2.12는예시이다. 2) 장애요소에대한요구조건 건축물, 나무및정지중인풍력발전기등의중요장애요소들이측정대상풍력발전기와기상탑주변에존재해서는안된다. 평가를위해운전중인풍력발전기또는측정기기와관련된작은건축물만이출력성능평가에서수용가능하다. 장애요소평가모델은허브높이에서풍력발전기와기상탑에미치는영향을예측하기위해사용된다. 심각한장애요소로판정되는기준은유효측정방위각범위내에서모든풍향에대해기상탑과풍력발전기허브높이에서장애물로인한유동영향도가 1 % 이상을초과하는지여부이다. 일정높이 (z) 에서의풍력발전기또는기상탑에대한장애요소의영향도는다음과같이평가된다. - 39 -
( 식 2.12) ( 식 2.13) ( 식 2.14) 여기에서 x : 기상탑또는풍력발전기와장애물과의거리 (m) h : 장애물의높이 (m) U h : 장애물높이 h에서의풍속 (m/s) n : 속도분포지수 (n=0.14) P 0 : 장애물의공극률 (0: 고체, 1: 비장애 ) H : 허브높이 (m) Z 0 : 표면거칠기 (m) κ :von Karman 상수 0.4 중요장애물이존재하는구간은그림 2.11과같이측정방위각에서제외되어야하며, 장애물까지의실제거리 L e 와장애물의등가회전직경 D e 가표기되어야한다. 장애물의등가회전직경은다음과같이정의된다. ( 식 2.15) 여기에서 D e : 장애물의등가회전직경 I h : 장애물의높이 I w : 장애물의폭 - 40 -
그림 2.11 인접한풍력발전기의운전으로인한후류영향과중요장애물로인해유효측정방위각에서제외되어야하는구간 - 41 -
그림 2.12 인접한풍력발전기의운정으로인한후류영향과중요장애물로인해유효측정방위각에서제외되어야하는구간의예 위그림은다음의경우에제외되어야하는구간의예이다. a) 기상탑이평가대상풍력발전기의후류영향권에속한경우 b) 기상탑이인접하여운전중인풍력발전기의후류영향권에속한경우 c) 평가대상풍력발전기가인접하여운전중인풍력발전기의후류영향권에속한경우 d) 기상탑이중요장애물의후류영향권에속한경우 e) 평가대상풍력발전기가중요장애물의후류영향권에속한경우 f) 위 a) e) 까지의모든영향이복합하여작용하는경우 - 42 -
바. 풍속계의분류 1) 일반사항 풍속계는바람의속도를측정하는기기로서, 외부조건이풍속계의작동특성을통해결과적으로측정풍속에까지영향을미치게된다. 컵형풍속계에영향을미치는것으로일반적으로알려진요소들은난류, 공기밀도와바람의유입각도이다. 출력성능시험을위해사용되는풍속계는표3.1에서요구하는이들영향요소들과운전불확도에대한평가가이루어져야한다. 풍속계의형식분류방법은운전불확도평가에적용되며, IEC 60688의출력변환기에적용되는분류방법과유사하다. 어느한형식의풍속계에대해최소두가지경우가평가되어야하며, 풍속계의마찰토크에영향을미치는외형변경또는내부설계변경은새로운평가가이루어져야한다. 풍속계의적용에앞서해당풍속계의형식이실제와일치하는지확인이필요하다. 2) 영향요소의범위와등급분류 영향요소의범위에는두가지방법이적용될수있다. 첫번째는등급번호 k로부터유도되는일반적영향요소범위를적용하는것이다. 여기에서 k는모든영향요소들의변화에의한풍속계의응답편차를평가하는것과관련되어있으며, 다음의식에부합하는풍속범위에서풍속계의최대응답편차가 k값이되어야한다. ( 식 2.16) 여기에서 w i : 편차를정의하는가중함수 ε max,i :i번째풍속구간에서의최대편차 k : 등급번호 U i :i번째풍속구간에서의풍속 일반요소들의범위는 라. 테스트사이트의지형평가 (A형영향요소범위, 표 2.3 참조 ) 에서요구하는지형조건을만족하는지또는지형보정이필요한지 (B형영향요소범위, 표 2.3 참조 ) 에따라두가지등급으로분류된다. - 43 -
표 2.3 A 형및 B 형영향요소범위 (10 분평균측정값기준 ) A형지형이테스트사이트의지평평가의요구사항을충족 B형지형이테스트사이트의지평평가의요구사항을불충족 최소 최대 최소 최대 풍속범위 (m/s) 4 16 4 16 난류강도 0.03 0.12+0.48/V 0.03 0.12+0.96/V 1/0.8/0.5 1/1/1 난류구조 ( 비등방성난류 ) ( 등방성난류 ) 대기온도 ( ) 0 40-10 40 공기밀도 (kg/m 3 ) 0.9 1.35 0.9 1.35 평균유동유입각 ( ) -3 3-15 15 영향요소들의범위를적용하는또다른방법은이들범위가분리적용되는낮은등급번호를갖는특별등급 S를적용하는것이다. S등급에대한영향요소범위는표 2.3에명기된것과동등하여야한다. 특정측정에대한풍속계등급의선택은측정에필요한지형및정확도요구조건에따른다. A등급 : 부속서 B에서요구하는지형조건을만족하고, 이지형조건대한일반적영향요소범위를갖는등급 B등급 : 부속서 B에서요구하는지형조건을충족하지못하며, 복잡지형에대한일반적영향요소범위를갖는등급 S등급 : 영향요소의범위가풍속계에요구되는정확도를만족시키기위해제한되는등급. 대안으로서이등급은영향요소의범위가 A형또는 B형에의해만족되지않거나또는출력성능시험중그범위가검증되는등급 풍속계의등급분류는등급번호 (k) 와등급형식에의해 ka, kb 및 ks 등으로표현된다 ( 예 :1.7A, 2.5S). 컵형풍속계의운전표준편차는정방형불확도분포의가정하에분류등급으로부터유도될수있으며, 이경우출력성능불확도평가에적용되는표준불확도는다음과같다. ( 식 2.17) - 44 -
3. 풍력데이터에대한불확도평가 가. 측정불확도 풍속구간별로측정자료를정리하는방법 (the method of bin) 을활용한불확도평가를위한이론적배경과상세한예는다음에서술되어있다. 측정된출력곡선은 ISO 지침 Guide to the expression of uncertainty in measurement 에따라반드시측정불확도와함께제시해야한다. ISO 지침에따르면두가지의측정불확도가존재한다. A형불확도는측정결과로부터평가되는것이며, B형불확도는다른방법을이용하여평가된불확도이다. 두가지모두불확도가표준편차로써표현되며표준불확도라명칭한다. a) 측정대상측정대상은풍속과전기출력의표준화된측정빈에의해결정되는출력곡선이다. 측정에대한불확도는민감계수에의해측정대상의불확도로전환된다. b) 불확도요소다음은불확도평가에반드시포함하는최소한의불확도요소들에대한표이다. 표 3.1 불확도요소 측정항목풍속대기온도자료획득장치자료획득장치 불확도요소풍속계보정풍속계작동특성풍속계고정장치자료획득장치온도계복사열차폐자료획득장치압력계압력계고정장치자료획득장치신호전송자료처리시스템정확도신호조절 - 45 -
표 3.2 불확도요소별 A형, B형불확도및민감도 불확도요소 A/B 구분 적용기준 불확도 민감도 풍속 A/B u v,i 풍속계 * b u v1,i 풍속계작동특성 * c, d u v2,i 풍속계고정장치영향 * c u v3,i 자료획득장치 B u d,i 신호전송 * b u d1,i 민감도는실제불확도 자료처리시스템정확도 * c, d u d2,i 신호조절 * u d3,i 요소로부터결정됨 방법 A u m,i 공기밀도보정 c, d u m1,i C T,i 그리고 C B,i * 불확도분석필수 비고 불확도구분 a = 관련표준참고 b = 보정 c = 여타객관적인방법 d = 추정 e = 통계 나. 풍속구간별분류방법을이용한측정불확도평가를위한이론적근거 1) 확장불확도 확장불확도는측정기기, 데이터처리장치및테스트사이트의지형과관계된다. 만약불확도가불확범위또는잠재적이고일정하지않은적용범위계수로써표현된다면표준불확도를반드시분석해야한다. 비고불확도가불확범위 ±U 로표현될경우, 그분포가직사각형형태로가정된다면표준불확도는 ( 식 3.1) 만약삼각형분포로가정된다면표준불확도는다음과같다. ( 식 3.2) - 46 -
2) 풍속에대한 A 형불확도 각각의풍속구간에대한분포의표준편차는 이며, 평균값 의표준편차가 A 형불확도이다. 여기서 는 j 번째풍속구간에서의측정횟수이다. A 형불확도는다음과같이나타낸다. ( 식 3.3) 3) 데이터처리장치의 B 형불확도 데이터처리장치의자료전송, 신호처리및 A/D 전환과정에서불확도가존재할수있다. 이들불확도는각각의측정채널마다다를수있으며, 특정측정채널의전체측정범위에대한데이터처리장치의표준불확도 u d,i 는다음과같다. ( 식 3.4) ud1,i :i번째풍속구간의신호전송및처리과정에서의불확도 ud2,i :i번째풍속구간의신호디지털화과정에서의불확도 ud3,i :i 번째풍속구간의데이터처리장치의다른부분 ( 프로그램및저장장치등 ) 에서의불확도 상기식에서데이터처리장치의표준불확도 u d,i 는각측정채널의전체측정범위에대해 0.1 % 로가정된다. 4) 지형보정에대한불확도 현장보정이이루어진경우라면, 현장보정의불확도가반드시 2 % 나 3 % 와같이고정된값이아니라지형으로인한유동왜곡불확도 U V4,i 를포함한다. 각각의풍향별풍속구간에대한유동보정계수의불확도는측정된유동보정계수 ( 풍력발전기위치에서의풍속과기상탑위치에서의풍속비 ) 의분포로부터구해져야한다. 각각의풍속구간에대한분포의표준편차는 s α,j 이며, 평균값 s α,j 의표준편차가 A형불확도이다. 여기에서 는 j번째풍향풍속구간에서풍속비의수이다. 보정불확도는출력곡선측정의경우와동일하다. 지형보정에사용되는 2개의컵형풍속계에대한작동특성불확도는이들풍속계가동일한형식일경우상관관계에있는것으로보고무시될수있다. j번째빈에서의지형보정불확도 ( 각각의풍향빈에서의풍속비 ) 는다음과같다. ( 식 3.5) - 47 -
u α,i,j :i번째풍속구간의풍속과 j번째빈풍향에대한지형보정불확도 u V1,i :i번째풍속구간의풍속계보정불확도 u dv,i :i번째풍속구간의풍속에대한데이터처리장치의불확도 s α,j :j번째풍향풍속구간에서풍속비의표준편차 N j :j번째풍향풍속구간에서풍속비의수 5) 풍속에대한 B 형불확도 풍속측정의불확도는몇가지불확요소들의복합적작용에기인한다. 일반적으로가장중요한불확요소들은지형으로인한유동왜곡, 컵형풍속계의작동특성, 풍속계의설치로인한영향및풍속계보정불확도등이다. 만약주위지형이요구하는조건들을만족시킨다면, 지형으로인한유동왜곡은풍력발전기와기상탑간의거리에따라 2 % 또는 3 % 로결정된다. 만약평가현장보정이이루어진경우라면그보정결과에서도출된표준불확도를적용한다. 풍속계가기상탑의튜브에설치되지않는한설치된풍속계로인한유동왜곡의영향역시고려해야한다. 풍속계보정불확도와작동특성으로인한불확도는출력측정중에중요하게작용하는요소이다. i번째풍속구간의풍속에대한 B형불확도 는다음과같이표현된다. ( 식 3.6) u V1,i :i번째풍속구간의풍속계보정불확도 u V2,i :i번째풍속구간의풍속계작동특성불확도 u V3,i :i번째풍속구간의풍속계설치로인한유동왜곡불확도 u V4,i :i번째풍속구간의지형으로인한유동왜곡불확도 u dv,i :i번째풍속구간의풍속에대한데이터처리장치의불확도 풍속계보정의표준불확도는 0.1 m/s, 작동특성으로인한불확도는 1.2A등급으로평가된다. 불확도분포가직사각형이라고가정한다면이등급은표준불확도가 0.034 m/s±0.0034 V i 이다. 풍속계의설치로인한유동왜곡표준불확도는풍속의 1 % 이다. 측정채널의풍속범위가 30 m/s이고데이터처리장치의불확도가이풍속범위에대해 0.1 % 라는점을고려한다면데이터처리시스템으로인한표준불확도는 0.03 m/s이다. 이경우, 지형보정이없었다고가정한다면지형으로인한유동왜곡은풍속의 3 % 정도이며각각의풍속군에대한불확도는다음과같다. ( 식 3.7) - 48 -
6) 복합불확도 각각의풍속구간에대한복합불확도는다음과같다. ( 식 3.8) 7) 확장불확도 각각의풍속구간에대한확장불확도는다음과같다. (95% 신뢰구간에서 k=2) ( 식 3.9) - 49 -