해상 풍력 농장을 만들고 가동하는 것은 비용이 많이 드는 사업이다. 공장의 이익을 측정할 수 있기 위해서는 먼저 풍력 잠재력이 결정되어야만 한다. 독일 프라운호퍼 실험실의 연구원들은 현재 필요한 데이터를 공급하는 체계적이고 정확한 측정기술과 함께 풍력 측정 부양기를 개발하였다. 해상풍력농장의 계획자들은 이익이 풍속에 의존하기 때문에 어느 정도의 바람이 부는지를 알 필요가 있었다. “해양에서 일정하고 센 풍력 속도는 농장의 건축 비용과 그리드에 이들을 연계하는 큰 투자비용을 상쇄할 수 있게 해준다. 풍력 농장의 이익은 피드-인(feed-in) 보상과 건축 및 유지를 위한 경비 차에 의한 것”이라고 Bremerhaven에 있는 프라운호퍼 풍력에너지 및 에너지시스템 기술 IWES의 과학자인 Claudia Rudolp는 말한다. 특별한 풍력 측정 부양기를 사용하여 기상학자들과 그녀의 연구팀은 풍력 잠재력을 계산하고 이에 의해 예측할 수 있는 에너지를 산출한다. 이러한 시도를 연구원들은 LiDAR (Light Detection and Ranging) 기술에 의존하고 있다.
프라운호퍼 IWES LiDAR 부양기를 디자인하는 것은 과학자들이 풍력 잠재성을 측정하기 위해 채택하였던, 지난 30년 동안 북해에 사용되어 온 광 부양기에 기반으로 하고 있다. 길이가 8 미터 이상, 지름이 2.55미터이며 무게는 4.9톤이다. 부양기는 40~200 미터의 높이에서 풍속을 측정하는 LiDAR 측정 장비를 가지고 있다. “LiDAR 시스템은 펄스 레이저 빔을 대기 중으로 보내는데 이는 공기 중의 에어로졸 입자에 반향된다. 백스케터링된(backscattered) 신호의 주파수 이동에 의해 풍속과 방향이 상응하는 측정 높이에서 계산된다”고 Rudolph는 설명한다.
이 기술이 이미 육상에서 사용되고 있지만 이전에는 부정확성에 의해 부양기 및 떠다니는 플랫폼에서 측정하는 데에는 부적당한 것으로 고려되었다. 측정값을 왜곡시키는 부양기 자체의 운동은 LiDAR 장비의 신뢰성 있는 사용을 방해한다. 이들 측정들이 움직이는 구조물에서 수행될 수 있게 하기 위해서 IWES 연구원들은 부양기 자체의 운동을 측정값에서 빼는 수정 알고리듬을 개발하였다. 새로운 부양 LiDAR 시스템은 고정된 해상풍력 돛대에 의해 얻어진 결과와 비교하여 높은 측정 정확도를 보장한다. 이는 북해에서 수행된 확인측정값으로 북해에서는 부양기가 FINO 1 풍력 돛대 근처의 Borkum 섬 해안으로부터 45킬로미터 떨어져 있는 Alpha Ventus 풍력 농장에서 30미터의 수심 위치에 장착되어 있다. 돛대와 부양기 사이의 값은 99.7%의 연계가 있다.
“깊은 바다 속에서 LiDAR 부양기는 풍력 돛대의 순수한 대체물로서 풍속을 100미터 높이에서만 측정한다”고 Rudolph는 말한다. 이 시스템의 또 다른 장점은 유연한 부양기가 바다의 어느 곳에서도 사용될 수 있고 빠르게 설치할 수 있어 비용을 5~10배 낮출 수 있다는 점이다. 부양기는 또한 풍력 돛대에 비해 유지하는게 훨씬 쉽고 비용이 적게 든다. 개개의 요구조건에 대해 시스템은 파도, 전류 및 온도와 같은 부가적인 파라미터도 동시에 측정할 수 있다. 부양기의 또 다른 장점은 LiDAR 측정장비를 싸고 있는 알루미늄 하우징으로 염기가 있는 물과 바다의 극단적인 환경조건으로부터 측정장비를 보호해준다는 것이다. 하우징은 레이저 빔이 방해받거나 도중에 부러지지 않고 대기 중으로 통과되게 하는 특별한 유리를 포함하고 있다. 자율적인 전력 공급 시스템에 의해 패키징이 완성된다. 3개의 소형 400와트 풍력 발전기와 3개의 70와트 태양 패널이 전기를 발생하며 3개의 겔 배터리가 전기를 저장한다. 이는 에너지 저장이 풍력 및 태양이 없는 주에 사용할 수 있게 해준다. 부유하고 있는 플랫폼 내부에는 데이터 통신을 위한 컴퓨터가 있다. 현 상황 및 측정 데이터는 WLAN 혹은 위성을 통해 수령자에게 전송된다.
LiDAR 부양기는 현재 덴마크 해변에서 연구 프로젝트에 사용되고 있으며 보다 많은 부양기들이 북해 데모 측정을 위해 사용될 것이다. 이 프로젝트를 통해서 과학자들은 자신들이 개발한 것을 기후와 친화적인 경제로 전이를 임무로 여기고 있는 비영리 조직인, Carbon Trust가 주관하고 있는 해상 풍력 엑셀러레이터(Offshore Wind Accelerator: OWA) 컴소시엄에 제시하는 것을 목표로 하고 있다. “만약 여러분들이 OWA의 영역을 실행한다면 여러분들은 상업 이전의 상태를 보상받을 것으로 이는 중요한 신호를 우리의 잠재적인 소비자에게 보내게 된다. 이는 우리의 시스템이 완전하게 가동되며 우리가 풍력 농장 계획자 및 가동자들에게 설치 동안에 온라인 풍력 측정 및 생산량 예견을 위한 장기적 측정과 같은 다양한 제공과 함께 접촉할 수 있게 해준다”고 Rudolph는 말한다.
<사진> 북해에서 FINO 1 풍력 돛대 앞에 위치한, 체계적이고 정확한 측정 기술을 가지고 설치된 풍력 측정 부양기
Offshore wind farms – measuring buoy reduces costs
Building and operating offshore wind farms is an expensive business. To be able to estimate the profitability of the plants, first the wind potential must be determined. Fraunhofer researchers have now created a wind measurement buoy with sophisticated, precise measurement technology that supplies the necessary data.
Planners of offshore wind farms need to know which way the wind is blowing, as their profitability depends on wind speeds. “Constant high wind speeds at sea can offset the huge investment costs for building the farms and connecting them to the grid. The profitability of wind farms comes from the difference between feed-in compensation and the costs for construction and maintenance,” says Claudia Rudolph, scientist at the Fraunhofer Institute for Wind Energy and Energy System Technology IWES in Bremerhaven. Using a special wind measurement buoy, the meteorologist and her team want to calculate the wind potential and therefore the energy yields that can be expected, thus providing valuable support to wind farm planners. For this endeavor, the researchers rely on LiDAR (Light Detection and Ranging) technology.
An alternative to wind met masts
The design of the Fraunhofer IWES LiDAR buoy is based on the light buoys that have been used in the North Sea for over thirty years, which the scientists have adapted to measure wind potential. It is over eight meters in length, has a diameter of 2.55 meters and weights 4.9 tons. The buoy carries a LiDAR measuring device that measures wind speeds at heights of between 40 and 200 meters. “LiDAR systems send pulsed laser beams into the atmosphere, which reflect off of aerosol particles in the air. From the frequency shift of the backscattered signal, the wind speed and direction are calculated at the corresponding measurement heights,” explains Rudolph.
Although the technology is already used on land, it was previously considered unsuitable for measurements on buoys and floating platforms because it was too imprecise. The buoy’s own movement, which distorts the measured values, prevented the reliable use of a LiDAR device. To allow these measurements to be carried out on moving structures, the IWES researchers developed a correction algorithm that subtracts the buoy’s own movement from the measurement values.
The new floating LiDAR system guarantees high measuring accuracy, comparable to the results obtained by fixed offshore wind met masts. This was the conclusion of validation measurements carried out in the North Sea, where the buoy was installed at a location with a water depth of 30 meters at the Alpha Ventus offshore farm 45 kilometers off the coast of the island of Borkum, near the FINO 1 wind met mast. There was a 99.7 percent correlation between the values from the met mast and those from the buoy.
“Out in deep water, the LiDAR buoy is a genuine alternative to wind met masts, which measure wind speeds only at a height of 100 meters,” says Rudolph. Another advantage of the system is that the flexible buoy can be used anywhere at sea and is quick to install, making the costs five to ten times lower. The buoys are also much easier and cheaper to maintain than wind met masts. Depending on individual requirements, the system can also measure additional parameters such as waves, currents and temperatures at the same time.
Another of the buoy’s noteworthy features is the aluminum housing that encapsulates the LiDAR measuring device and protects it against salt water and the extreme environmental conditions at sea. The housing contains special glass through which the laser beam passes unhindered and unbroken into the atmosphere. An autonomous power supply system completes the package: three small 400-watt wind generators and three 70-watt solar panels generate the electricity, while three gel batteries store it. This ensures that reserve energy is available for a week without wind and sun. Inside the floating platform there is a computer for data communication. Status and measurement data are transmitted to the recipient via WLAN or satellite.
Projects in the North Sea
A LiDAR buoy is currently being used in a research project off the coast of Denmark, while a further buoy will be used for demonstration measurements in the North Sea. Through this project, the scientists aim to present their development to the Offshore Wind Accelerator (OWA) consortium brought together by the Carbon Trust, a nonprofit organization whose mission is to promote the transition to a climate-friendly economy. “If you fulfill the OWA’s criteria, you are awarded pre-commercial status, which sends an important signal to our potential customers. It shows that our system is fully operational, and enables us to approach wind farm planners and operators with various offers such as long-term measurements for yield forecasting and online wind measurements during installation,” says Rudolph.
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