[해양정보] 해상 풍력 터빈의 시야에서 HF RADAR를 운영하기 위한 전략

해양 고주파(HFR, High Frequency Radar) 레이더는 파도 및 표층 해류 속도와 같은 연안의 해양상태를 준실시간으로 해안에서 250km까지 모니터링하는 데 사용된다. 이러한 HFR 네트워크는 지난 30년 동안 NOAA 통합 해양 관측 시스템(IOOS)에 의해　전 세계에서 운영되어 왔다.

Strategies_for_Operating_HF_Radars_in_Field_of_View_of_Offshore_Wind_Turbines.pdf

1.89MB

offshore-wind-turbine-radar-interference-mitigation-webinar-7-27-2020.pdf

8.70MB

고주파 레이더를 활용하여 사용되고 있는 애플리케이션에는 수색 및 구조, 기름 유출 대응, 해조류 번식 모니터링, 쓰나미 감지 등이 있다. 최근 파리협정, 탄소중립 정책 등이 시행되면서 신재생에너지 특히, 해상 풍력의 수요가 급격히 증가하고 있는 가운데 고주파 레이더의 관측시야에 있는 해상 풍력 터빈은 강력한 반사판 역할을 하며 간섭을 일으켜 측정 결과의 손실 및 또는 오류 등의 결과로 이어지고 있는 실정이다.

현재 미국은 행정부의 목표에 따라 2030년까지 30기가와트(GW)의 해상 풍력을 배치하는 것을 목표로 하고 있다. 미국의 풍력 발전 단지는 미국 전 해역에서 운영되어 수요가 크게 증가할 것으로 예상된다.

본문에서는 풍력 터빈 간섭에 대한 현재의 이해와 고주파 레이더 데이터의 터빈 간섭(WTI) 및 현재 WTI의 영향을 완화하기 위한 모범 사례 권장 사항을 살펴보고자 한다.

 

현재 완화 방법은 다음과 같이 분류됩니다.

1) 레이더 구성 또는 실행 방식 변경

2) 소프트웨어를 사용하여 데이터에 플래그를 지정하는 방법 또는 실행

3) 소프트웨어를 사용하여 WTI가 포함된 데이터에 플래그를 지정하고 레이더 네트워크의 설계를 변경하여 중복성을 높이는 방법

 

풍력 터빈 간섭(WIND TURBINE INTERFERENCE)

Wyatt et al.은 영국 콘월(Cornwall)에서 HFR의 WTI를 처음 관찰했다.

이러한 관찰을 통해 커뮤니티는 WTI가 HFR 네트워크에 미치는 영향을 조사하게 되었다. Teague와 Barrick은 먼저 간섭의 원인으로 주기적 진폭 변조의 WTI 신호 성분을 확인했다. Trockel et. al은 풍력 터빈의 회전 속도를 기반으로 간섭의 위치에 대한 분석 솔루션을 도출했다.

 

HFR 데이터에서 WTI의 특성은 주로 다음과 같다.

풍력 터빈 회전율(rotation rate), yaw angle, 그리고 레이더의 도플러에 대한 회전 속도의 변화에 의해 결정된다.

WTI는 HF 도플러 스펙트럼에서 식별할 수 있으며 이는 풍력 터빈의 회전 속도는 터빈 파워와 해상 풍력 조건에 따라 결정된다.

회전 속도가 증가함에 따라 양의 WTI 피크가 증가하고 도플러 주파수가 감소하여 중심에서 멀어지게 된다.

WTI는 15번째 범위 구간에서 교차 스펙트럼으로 시뮬레이션된다. 원본 스펙트럼이 위쪽 그림에 표시되고(상), WTI 추가된 Sea Echo와 WTI는 점선으로표시되어 있다(하). (여기서 시뮬레이션된 두 터빈의 회전 속도는 11.3 - 11.5 및 4.2 - 4.3이며 4.3 rpm, yaw 각도는 44°)

대규모 풍력 발전 단지가 HFR 네트워크에 미치는 영향은 현재 NOAA 해양 2024년에 종료될 기술 이전 기금 지원을 통해 연구 중에 있다.
이 연구는 매사추세츠주 연안에 배치된 풍력 발전소의 터빈 64기 주변 Drifter 실험을 통해 해류의 현장 측정하고, 서로 다른 주파수에서 작동하는 여러 고주파 레이더의 시야에 있는 대규모 풍력 발전 단지에서 완화 방법의 효과를 검증을 포함하고 있다.

또한 해상 풍력 발전 단지의 블레이드 회전 속도를 수집하기 위해 부표에 카메라를 설치하여 이 데이터 세트를 향후 완화 및 플래그 체계의 검증에 사용할 계획이다.

훨씬 더 많은 수의 터빈 영향을 시뮬레이션하기 위한 노력이 필요하며 현재 진행 중에 있다.

손실된 총 벡터 수와 변경된 벡터의 제곱근 평균 차 (RMSD)는 3x3 범위의 도플러 빈을 플래그 지정하여 변경된 벡터의 수와 RMSD는 합계를 산출

 

손실된 총 벡터의 수와 변경된 벡터의 평균제곱근 차 (RMSD), 시뮬레이션된 WTI를 더 많은 사이트에 플래그를 지정하여 변경된 벡터의 수를 사용하여 산출