해상 라이다 데이터에 기반한 난류강도 분석 결과의 신뢰성 검토

A Review of the Reliability of Turbulence Intensity Based on Offshore LiDAR Data

Abstract

This study aims to evaluate the reliability of LiDAR-derived turbulence intensity (TI) by comparing it with met mast TI data and quantitatively analyzing their differences. Using wind data from a 116-m-high offshore met mast and a fixed LiDAR installed on its platform, the correlations and deviations between the two datasets were assessed. The compliance of LiDAR TI with DNV guidelines was also investigated. The results showed that the TI deviation ranged from -0.01 to 0.00 m/s, and the relative error ranged from -11.37 % to 3.49 %. Most LiDAR TI values met the DNV criteria for site suitability and energy production assessment. However, stricter criteria for load validation revealed limitations at high wind speeds. Overall, LiDAR TI is a reliable material for energy production assessment and provides supplementary data for site suitability and load validation, highlighting its potential in wind energy applications.

1. 서론

풍력터빈이 대형화됨에 따라 원격탐사장치(Remote sensing device)를 이용한 바람자원 측정은 점점 더 중요해지고 있다. 특히, 라이다(Light detection and ranging, LiDAR) 시스템은 기존의 기상탑 풍속계 및 풍향계를 이용한 측정 방법에 비해 설치 및 철거가 용이하며, 200 m 높이 이상까지 측정이 가능함에 따라 시간적, 경제적, 공간적인 측면에서 보다 효율적이다. 이에 라이다 시스템은 다양한 풍력발전 응용 분야에 적용되고 있으며, 특히 라이다로부터 측정된 풍속 및 풍향 데이터는 많은 연구 결과로부터 측정 정확도가 검증되어 풍력발전 사업 타당성 검토를 위한 근거자료로 많이 활용되고 있다 [1-6].

하지만, 프로젝트 인증(Project certification) 등 풍력터빈 및 풍력발전단지의 설계근거(Design basis)를 검증하기 위한 자료로써 라이다 데이터에 기반한 분석 결과는 부분적으로 인정되지 않고 있다. 그 이유는 라이다로부터 측정된 난류강도(Turbulence intensity, TI)에 대한 기준을 명시하고 있는 국제표준이 없기 때문이다. 예를 들어, 풍력터빈의 설계요건을 제시하는 국제표준 IEC(International electrotechnical commission) 61400-1에서는 후류 영향 및 풍력터빈 하중을 모델링하기 위한 방법으로 기상탑 데이터에 기반한 기준만을 제시하고 있다 [7, 8].

또한, 라이다 난류강도가 설계근거의 검증자료로써 활용되지 못하는 이유에는 측정 데이터의 신뢰성 문제도 있다. 기상탑 데이터와 비교하였을 때, 라이다 풍속 및 풍향은 높은 상관성을 보이는 반면 라이다 난류강도와는 큰 차이를 보인다. 이러한 차이의 원인으로는 근본적으로 측정방식의 차이에 있다. 기상탑의 컵형 풍속계 풍속은 Scalar point 측정방식에 기반하여 측정되는 반면에 라이다 풍속은 Volume averaging 측정방식에 기반한다. 라이다는 방출되는 레이저 빔 둘레에 걸쳐 균일한 흐름을 가정하여 측정하는데, 만약 그렇지 못한 조건일 경우 높은 난류강도 오차가 발생할 수 있다 (예를 들어, 복잡지형). 또한, 대기 안정도에 따라 차이가 발생할 수 있다. 라이다는 레이저 수신 시스템 내 신호 간섭 등 계기 소음에 취약하며, 이로 인해 불안정한 대기조건에서 분산이 과대평가 될 수 있다.

최근 노르웨이 선급(Det Norske Veritas, DNV)에서는 평탄한 지형 또는 해양 조건에 설치된 고정식 라이다(Fixed LiDAR)에 한하여 기상탑 난류강도와 비교하여 라이다 난류강도를 평가하는 가이드라인을 발행한 바 있다 [9].

기상탑 및 라이다 난류강도 간의 차이는 널리 알려져 있지만, 그 차이를 정량적으로 나타낸 연구 결과는 없다. 본 연구는 해상 조건에서의 두 계측기 간의 난류강도 차이를 정량적으로 식별하고, DNV 가이드라인에서 제시하는 라이다 난류강도 허용기준에 따라 분석 결과를 검토하여 풍력산업에 적용 가능성을 평가하는 것을 목적으로 한다.

2. 분석 방법

DNV-RP-0661 (2021) 가이드라인에서는 기상탑 난류강도(TIcup)를 참값으로 가정하여 라이다 난류강도(TIlidar)와의 평균 상대 편향 오차(Mean relative bias error, MRBE) 및 상대 제곱근 평균 오차(Relative root mean square error, RRMSE)를 구해 라이다 난류강도의 신뢰성을 평가하는 기준을 제시하고 있다 [9].

\(\begin{align}\operatorname{TIMRBE}_{i}[\%]=\frac{1}{N_{i}} \sum_{n=1}^{N_{i}} \frac{T T_{\text {lidar }}-T I_{\text {cup }}}{T I_{\text {cup }}} \times 100\end{align}\)       (1)

\(\begin{align}\operatorname{TIRRMSE}_{i}[\%]=\sqrt{\frac{1}{N_{i}} \sum_{n=1}^{N_{i}}\left(\frac{T I_{\text {lidar }}-T I_{\text {cup }}}{T I_{\text {cup }}}\right)^{2}} \times 100\end{align}\)       (2)

이 때, 각 오차율은 분석 목적에 따라 아래와 같이 허용기준(Acceptance criteria, AC)을 만족해야 한다.

① 사이트 적합성(Site suitability)

∙ -3 % ≤ TI MRBE ≤ 10 % (7 m/s 풍속 이상)

∙ -6 % ≤ TI MRBE ≤ 10 % (7 m/s 풍속 미만)

∙ TI RRMSE ≤ 10 % (7 m/s 풍속 이상)

∙ TI RRMSE ≤ 30 % (7 m/s 풍속 미만)

② 하중 검증(Load validation)

∙ TI MRBE ≤ ±5 %

∙ TI RRMSE ≤ 15 %

③ 발전량 평가(Energy production assessment)

∙ TI MRBE ≤ ±10 %

3. 분석 조건

3.1 사이트 정보

본 연구는 대한민국 전라남도 신안군 자은도 인근에 위치한 국제 인증기관 TÜV SÜD (티유브이 슈드)의 부유식 라이다 검교정 사이트에서 수행되었다 (Fig. 1). 해당 사이트는 116 m 높이의 삼각격자(Triangular lattice) 형식의 기상탑을 중심으로 일곱 개 지점의 부유식 라이다를 동시에 평가할 수 있는 조건을 갖추고 있다. 기상탑과 가장 인접한 섬과의 거리는 20 km 이상임에 따라 바람자원 측정 시에 지형에 의한 영향은 없으며, Fig. 2와 같이 사이트 주변에 유동 왜곡을 야기할 수 있는 장애요소는 없다. 즉, 측정 데이터의 신뢰성을 평가하기 위한 최적의 입지조건을 갖고 있다.

Fig. 1 Location of Jaeun offshore met mast

Fig. 2 View of the test site

3.2 측정 정보

Table 1은 본 연구를 위해 사용된 고정식 라이다 Zephir ZX의 사양을 나타낸다. Zephir ZX는 다양한 선행연구를 통해 측정 데이터의 신뢰성이 검증된 바 있다 [10-12]. 본 연구에서 고정식 라이다는 기상탑 플랫폼 위에 설치되었으며, 설정된 여러 높이 중 105 m 높이에서 측정된 2024년 5월부터 6월까지 2개월간의 10분 평균 데이터가 분석되었다.

Table 1 Specification of the fixed LiDAR [13]

Table 2는 라이다 난류강도의 신뢰성을 검증하기 위한 기준 데이터로 사용된 기상탑의 센서 사양을 나타낸다. 해당 기상탑 센서들은 국제 시험기관인 Deutsche Windguard에 의해 센서 설치 상태 및 측정 데이터의 신뢰성 부문에 대하여 제 3자 검증을 받은 바 있다 [14]. 2023년 4월부터 2024년 5월까지 14개월동안 측정된 10분 평균 데이터가 분석되었다.

Table 2 Specification of sensors on the met mast

고정식 라이다는 기상탑 플랫폼의 서쪽(270°) 방향에 설치되었으며, Fig. 3과 같이 라이다 측정기간 동안의 주요 풍향은 북쪽(0°) 및 남남동(150°) 방향으로 기상탑에 의한 간섭 가능성은 낮은 것으로 판단된다. Fig. 4는 기상탑과 라이다의 동 시간대 평균풍속 데이터로부터 도출된 선형회귀(Linear regression) 분석 결과를 나타낸다. 회귀계수(Coefficient of regression) 및 결정계수(Coefficient of determination) 모두 0.99로 매우 높은 상관성을 보이며 측정 데이터의 신뢰성이 확인되었다.

Fig. 3 Frequency rose from fixed LiDAR data (2 months)

Fig. 4 Relationship between met mast and LiDAR wind speed

4. 분석 결과

4.1 난류강도 편차 및 상대오차 분석

Fig. 5는 기상탑 데이터를 기반으로 도출한 풍속 별 난류강도 분포를 나타낸다. 15 m/s 풍속일 때의 평균 및 대표 난류강도는 각각 0.052 및 0.091로 나타났다. 이 결과는 IEC 61400-1의 풍력터빈 등급을 선정하기 위한 난류강도 기준 중 가장 낮은 등급인 C 등급(참조 난류강도 0.12 이하)에 해당한다.

Fig. 5 Met mast turbulence intensity (14 months)

Fig. 6은 기상탑 및 라이다의 동 시간대 난류강도를 비교하여 분석한 편차 및 상대오차 결과를 나타낸다. 이 때, 풍속 빈 간격(Bin interval)은 1 m/s로 설정하였으며, 25 m/s 이하 풍속 구간에서의 빈 별 데이터 수는 최소 8개에서 최대 740개 범위로 확보되었다. 분석결과, 기상탑 및 라이다 난류강도의 편차는 -0.005에서 0.000 범위 내였으며, 상대오차는 –11.37 %에서 3.49 %로 나타나 전반적으로 양호한 일치를 보였다.

Fig. 6 Deviation and relative error between TIs

4.2 DNV 가이드라인에 따른 난류강도 허용기준 검토

① 사이트 적합성

사이트 적합성 평가 시의 라이다 난류강도는 특정 풍속 조건에서 허용기준을 충족하는지 확인하는 것이 중요하다. Fig. 7과 같이 TI MRBE는 7 m/s 풍속 미만에서 -6 %에서 10 % 범위 내, 7 m/s 풍속 이상에서 -3 %에서 10 % 범위 내여야 한다. 또한, Fig. 8과 같이 TI RRMSE는 7 m/s 풍속 미만에서 30 % 이하, 7 m/s 풍속 이상에서 15 % 이하의 조건을 만족해야 한다. 본 연구의 분석조건에서 사이트 적합성 항목에 대한 라이다 난류강도 오차율은 풍속 20 m/s에서 TI MRBE가 허용기준을 초과한 경우를 제외하고, 모든 조건에서 라이다 난류강도가 허용기준을 충족하였다. 이러한 결과는 라이다 난류강도가 사이트 적합성 평가에 사용될 수 있음을 시사하며, 특히 피로하중(Fatigue load)과 관련된 초기 설계 단계에서 중요한 데이터를 제공할 수 있음을 보여준다.

Fig. 7 TI MRBE for site suitability

Fig. 8 TI RRMSE for site suitability

② 하중 검증

하중 검증은 풍력터빈의 구조적 안정성과 수명을 보장하기 위한 필수적인 단계이다. TI MRBE가 ±5 %, TI RRMSE가 15 % 이하를 만족해야 하는 이 기준은 사이트 적합성 평가보다 더 보수적으로 접근한다. Fig. 9 및 Fig. 10에 나타낸 결과에 따르면 TI MRBE는 18 m/s 이상의 풍속에서 허용기준을 초과하였으나, TI RRMSE는 풍속 4 m/s를 제외하고 모든 풍속조건에서 허용기준을 충족하였다. 특히, 고풍속 조건에서 TI MRBE가 기준을 초과한 것은 라이다 데이터가 하중 검증에서 더욱 신중하게 사용되어야 함을 시사한다. 이러한 결과는 피로하중을 포함한 하중 검증 단계에서 라이다 난류강도가 제한적으로 활용될 수 있음을 나타낸다. 하지만 풍속 범위에 따른 보완적 접근이 이루어진다면, 하중 검증에서도 라이다 데이터의 신뢰성을 더욱 강화할 수 있을 것이다.

Fig. 9 TI MRBE for load validation

Fig. 10 TI RRMSE for load validation

③ 발전량 평가

발전량 평가 시에 요구되는 TI MRBE의 허용기준은 ±10 % 내이며, Fig. 11과 같이 모든 풍속 빈에서 허용기준을 만족하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 라이다 난류강도가 발전량 평가와 같은 경제성 분석 결과에서 신뢰할 수 있는 데이터로 활용될 수 있음을 시사한다. 특히, 발전량 평가에서는 피로하중 보다 평균적인 바람의 특성을 더 중시하므로, 라이다 데이터가 효과적인 근거자료가 될 수 있다.

Fig. 11 TI MRBE for energy production assessment

5. 결론

본 연구는 해상 조건에서 측정된 기상탑 및 라이다 데이터를 비교하여 라이다 난류강도의 신뢰성을 평가한 결과를 나타내며, 주요 결과는 다음과 같다.

1) 본 연구의 분석조건에서 기상탑 및 라이다 난류강도의 편차는 –0.005에서 0.000 범위 내였으며, 상대오차는 –11.37 %에서 3.49 % 범위 내였다.

2) 사이트 적합성 평가에서 라이다 난류강도는 대부분의 풍속조건에서 DNV 가이드라인의 허용기준을 충족하였으며, 이는 초기 설계 단계에서 피로하중과 같은 중요한 설계 변수로 활용 가능함을 보여준다.

3) 하중 검증에서는 TI MRBE가 일부 고풍속 영역에서 허용기준을 초과하였지만, TI RRMSE는 대부분의 풍속 조건에서 기준을 만족하였다. 이는 라이다 데이터를 보완적으로 활용한다면 하중 검증에서도 유용하게 사용할 수 있음을 시사한다.

4) 발전량 평가에서는 모든 풍속 빈에서 TI MRBE가 허용기준을 충족하였으며, 이는 라이다 데이터가 경제성 분석 및 발전량 예측에 효과적으로 활용될 수 있음을 보여준다.

결론적으로, 라이다 난류강도는 발전량 평가와 같은 경제성 분석에서 높은 신뢰성을 제공하며, 사이트 적합성과 하중 검증에서도 보완적 도구로 유용하게 사용될 수 있음을 알 수 있었다. 한편, 고풍속 구간에서 TI MRBE가 일부 기준을 초과한 것은 해당 풍속 구간의 데이터 수 부족이나 라이다의 측정 품질 저하 가능성과 관련이 있을 수 있으며, 이에 대한 추가 검토가 필요하다. 향후 연구에서는 보다 장기적인 데이터를 확보하여 추가 분석을 수행할 필요가 있으며, 본 연구에서 활용된 라이다 외에 다양한 모델 또는 측정방식의 라이다를 활용한 분석이 필요하다.

후기

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 결과입니다 (No. 20213030020340).