KR102348546B1 - Calculation method of high resolution wind speed data at the hub-height - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 풍력발전고도에서의 고해상도 풍속 수치 자료 산출 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 대기안정도와 지표특성을 고려하여 풍력발전고도에서의 풍속 수치 자료를 산출하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of calculating high-resolution numerical data of wind speed at the altitude of a wind power generation, and more particularly, to a method of calculating numerical data of wind speed at an altitude of a wind power generation in consideration of atmospheric stability and surface characteristics.
일반적으로 풍력발전을 위한 기상자료를 수집하기 위해서 해당지역에 관측탑을 설치하여 실측하는 것이 가장 정확하다. 그러나 관측자료 기반의 풍황 정보의 경우 시간적 문제 및 비용적 문제가 있을 뿐 아니라 관측이 불가능한 지역이나 사용자가 원하는 지역에 대한 풍황 정보를 산출하는 것이 용이하지 않기 때문에, 정확도 높은 수치모델 기반의 격자화된 풍속 수치정보가 요구되고 있다.In general, in order to collect meteorological data for wind power generation, it is most accurate to install an observation tower in the relevant area and measure it. However, in the case of observation data-based wind condition information, there is a problem of time and cost, and it is not easy to calculate wind condition information for an area that cannot be observed or a user wants. Wind speed numerical information is required.
또한 풍력발전에 있어서 풍력 에너지를 효율적으로 이용하기 위해서는 지표로부터 약 80m 높이의 대기 경계층 내 풍속 고도 분포를 파악하는 것이 중요하다. 특히 터빈의 대형화로 허브 높이가 점차 높아지고 있어 허브 높이에서의 정확도 높은 풍속 추정이 요구되고 있다.In addition, in order to efficiently use wind energy in wind power generation, it is important to understand the distribution of wind speed and altitude in the atmospheric boundary layer at a height of about 80 m from the surface. In particular, as the height of the hub is gradually increasing due to the enlargement of the turbine, it is required to estimate the wind speed with high accuracy at the height of the hub.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 풍속외삽기법을 기반으로 풍력발전고도에서의 고해상도의 풍속 수치 자료를 정확하게 산출하는 것을 일 목적으로 한다.An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to accurately calculate high-resolution numerical data of wind speed at the altitude of a wind power generation based on a wind speed extrapolation method.
또한 본 발명은 풍력발전고도에서의 고해상도 풍속 수치 자료를 산출하여 관측탑이 설치되지 않은 지점이나 전국의 바람 정보를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide high-resolution numerical data on wind speed at wind power generation altitude to provide wind information at locations where no observation tower is installed or across the country.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고해상도 수치 자료, 격자 별 시간 별 풍속 지표 및 상층 풍속 자료를 포함하는 풍속 자료를 수신하는 a 단계, 상기 풍속 자료를 기반으로 제1 풍속전단계수를 산출하는 b 단계, 상기 제1 풍속전단계수를 기반으로 계절 별 시간 별 평균 풍속전단계수인 제2 풍속전단계수를 생성하는 c 단계 및 상기 고해상도 수치 자료에 상기 제2 풍속전단계수를 적용하여, 풍력발전고도에서의 고해상도 풍속 자료를 생성하는 d 단계를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.In order to achieve this object, the present invention provides a step a of receiving wind speed data including high-resolution numerical data, an hourly wind speed index for each grid, and upper wind speed data, a step b of calculating a first wind speed shear factor based on the wind speed data. , step c of generating a second shear factor that is an average wind speed factor for each season and time based on the first shear factor and applying the second shear factor to the high-resolution numerical data, It is characterized in that it includes step d of generating high-resolution wind speed data.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 풍속외삽기법을 기반으로 풍력발전고도에서의 고해상도의 풍속 수치 자료를 정확하게 산출할 수 있다.According to the present invention as described above, it is possible to accurately calculate high-resolution numerical data of wind speed at the altitude of the wind power generation based on the wind speed extrapolation method.
또한 본 발명은 풍력발전고도에서의 고해상도 풍속 수치 자료를 산출하여 관측탑이 설치되지 않은 지점이나 전국의 바람 정보를, 풍력에너지를 효율적으로 이용하기 위한 기초 자료로 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide high-resolution numerical data on wind speed at the wind power generation altitude to provide wind information at locations where no observation tower is installed or across the country as basic data for efficiently using wind energy.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 풍력발전고도에서의 고해상도 풍속 수치 자료 산출 방법을 설명하기 위한 순서도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 풍력발전고도에서의 고해상도 풍속 수치 자료 산출 과정을 직관적으로 도시한 도면이다.1 is a flowchart for explaining a method of calculating high-resolution wind speed numerical data at a wind power generation altitude according to an embodiment of the present invention;
2 is a diagram intuitively illustrating a process of calculating high-resolution numerical data of wind speed at a wind power generation altitude according to an embodiment of the present invention.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.The above-described objects, features and advantages will be described below in detail with reference to the accompanying drawings, and accordingly, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to easily implement the technical idea of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.
도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용되며, 명세서 및 특허청구의 범위에 기재된 모든 조합은 임의의 방식으로 조합될 수 있다. 그리고 다른 식으로 규정하지 않는 한, 단수에 대한 언급은 하나 이상을 포함할 수 있고, 단수 표현에 대한 언급은 또한 복수 표현을 포함할 수 있음이 이해되어야 한다.In the drawings, the same reference numerals are used to indicate the same or similar elements, and all combinations described in the specification and claims may be combined in any manner. And unless otherwise provided, it is to be understood that references to the singular may include one or more, and references to the singular may also include plural expressions.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정 예시적 실시 예들을 설명할 목적을 가지고 있으며 한정할 의도로 사용되는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은 단수적 표현들은 또한, 해당 문장에서 명확하게 달리 표시하지 않는 한, 복수의 의미를 포함하도록 의도될 수 있다. 용어 "및/또는," "그리고/또는"은 그 관련되어 나열되는 항목들의 모든 조합들 및 어느 하나를 포함한다. 용어 "포함한다", "포함하는", "포함하고 있는", "구비하는", "갖는", "가지고 있는" 등은 내포적 의미를 갖는 바, 이에 따라 이러한 용어들은 그 기재된 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 및/또는 컴포넌트를 특정하며, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 컴포넌트, 및/또는 이들의 그룹의 존재 혹은 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 설명되는 방법의 단계들, 프로세스들, 동작들은, 구체적으로 그 수행 순서가 확정되는 경우가 아니라면, 이들의 수행을 논의된 혹은 예시된 그러한 특정 순서로 반드시 해야 하는 것으로 해석돼서는 안 된다. 추가적인 혹은 대안적인 단계들이 사용될 수 있음을 또한 이해해야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing specific exemplary embodiments only and is not intended to be limiting. As used herein, singular expressions may also be intended to include plural meanings unless the sentence clearly indicates otherwise. The term “and/or,” “and/or” includes any and all combinations of the items listed therewith. The terms "comprises", "comprising", "comprising", "comprising", "having", "having" and the like have an implied meaning, so that these terms refer to their described features, integers, It specifies steps, operations, elements, and/or components and does not exclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, and/or groups thereof. The steps, processes, and acts of the methods described herein should not be construed as necessarily performing their performance in such a specific order as discussed or exemplified, unless a specific order of performance is determined. . It should also be understood that additional or alternative steps may be used.
또한, 각각의 구성요소는 각각 하드웨어 프로세서로 구현될 수 있고, 위 구성요소들이 통합되어 하나의 하드웨어 프로세서로 구현될 수 있으며, 또는 위 구성요소들이 서로 조합되어 복수 개의 하드웨어 프로세서로 구현될 수도 있다.In addition, each of the components may be implemented as a hardware processor, the above components may be integrated into one hardware processor, or the above components may be combined with each other and implemented as a plurality of hardware processors.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 풍력발전고도에서의 고해상도 풍속 수치 자료 산출 방법을 설명하기 위한 순서도로, 도 1을 참조하면 본 발명은 고해상도 수치 자료, 격자 별 시간 별 풍속 지표와 상층 풍속 자료를 기반으로 고해상도 풍속 수치 자료를 생성할 수 있다.1 is a flowchart for explaining a method for calculating high-resolution numerical data of wind speed at a wind power generation altitude according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1 , the present invention is a high-resolution numerical data, a time-based wind speed index for each grid, and upper wind speed High-resolution wind speed numerical data can be generated based on the data.
구체적으로 설명하면, 본 발명은 고해상도 풍속 수치 자료를 산출하기 위해 고해상도 수치 자료, 격자 별 시간 별 풍속 지표 및 상층 풍속 자료를 수신(S100)할 수 있다. 본 발명에서 사용하는 고해상도 수치 자료의 경우 규모상세화 수치 자료 산출체계인 KMAPP를 기반으로 하며, 구체적으로 KMAPP는 기상청에서 현재 사용중인 국지예보모델(Local Data Assimilation and Prediction System, LDAPS)에 고해상도 지형자료를 적용하여 상세 지형효과를 반영하고, 바람 자료에 특화된 규모상세화 기법을 적용하여 고해상도의 바람장을 생산할 수 있다. Specifically, the present invention may receive high-resolution numerical data, a time-based wind speed index for each grid, and upper-level wind speed data in order to calculate high-resolution numerical data of wind speed (S100). The high-resolution numerical data used in the present invention is based on KMAPP, which is a scale-detailed numerical data calculation system. Specifically, KMAPP uses high-resolution topographic data in the Local Data Assimilation and Prediction System (LDAPS) currently used by the Korea Meteorological Administration. It can be applied to reflect the detailed topographical effect, and a high-resolution wind field can be produced by applying the scale detailing technique specialized for wind data.
본 발명은 격자 별 시간 별 고해상도 풍속 지표, 그리고 풍력발전고도(허브 높이)에서의 풍속 수치 자료를 기반으로 각 격자점에 대한 시간 별 풍속전단계수인 제1 풍속전단계수를 연산(S200)할 수 있다. 일반적으로 풍력발전고도에서의 풍속 수치 자료를 생성하는 데 사용되는 풍속전단계수는 0.143(1/7)을 사용하여 근중립 상태임을 가정한 후 풍속 값을 산출하나, 풍속전단계수는 대기안정도, 지표면 거칠기 등에 영향을 받기 때문에 풍속전단계수가 0.143과 차이가 많은 지역일 경우 풍속이 과소 혹은 과대 모의될 수 있다. 따라서 본 발명은 각 격자점에 대한 시간 별 제1 풍속전단계수를 연산하여 풍속을 정확하게 추정할 수 있다.The present invention can calculate the first wind shear coefficient, which is the time-wise wind shear coefficient for each grid point, based on the high-resolution wind speed index for each grid and the wind speed numerical data at the wind power generation altitude (hub height) (S200) have. In general, the wind speed shear factor used to generate numerical data at wind power generation altitude is 0.143 (1/7) and assuming that it is in a near-neutral state, then the wind speed value is calculated. Because it is affected by roughness, the wind speed may be under- or over-simulated in an area where the wind speed shear factor is much different from 0.143. Therefore, in the present invention, the wind speed can be accurately estimated by calculating the first wind speed shear factor for each grid point for each time.
본 발명의 일 실시 예에 의한 고해상도 풍속 수치 자료를 생성하는 과정에서, 허브 높이에서의 풍속을 추정하는데 있어서 지상과 상층 고도의 풍속을 기반으로 하는 풍속외삽기법은 풍력 발전량 추정에 중요하게 작용한다. 일반적으로 풍력발전고도에서의 풍속을 산정하기 위해 지표가 균질하고 대기 안정도가 중립이라는 가정 하에 대수 법칙 또는 멱 법칙을 사용한다.In the process of generating high-resolution numerical data of wind speed according to an embodiment of the present invention, in estimating the wind speed at the hub height, the wind speed extrapolation method based on the wind speed at the ground and upper altitudes plays an important role in estimating the wind power generation amount. In general, the logarithmic law or the power law is used to estimate the wind speed at wind power altitude, assuming that the surface is homogeneous and the atmospheric stability is neutral.
실제 대기경계층 내에서 풍속의 연직 분포는 지표 거칠기, 대기안정도 등에 의해 좌우됨에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 의한 고해상도 풍속 수치 자료 생성 방법에서는 국지 순환의 특성과 함께 대기 안정도와 지표 조건의 효과를 암시적으로 표현하기 위해 풍력전단계수의 시공간변화를 고려하는 멱 법칙 기반의 풍속외삽기법을 적용하였다. As the vertical distribution of wind speed in the actual atmospheric boundary layer is influenced by surface roughness and atmospheric stability, the high-resolution numerical data generation method according to an embodiment of the present invention examines the effects of atmospheric stability and surface conditions along with the characteristics of local circulation. To express implicitly, a power law-based wind speed extrapolation method that considers the temporal and spatial changes of the wind shear coefficient was applied.
로그 법칙을 기반으로 하는 기법은 균질한 지표와 중립 대기를 가정하는 반면, 멱 법칙을 기반으로 하는 기법은 지표 특성 및 대기 안정도 효과를 명시적으로 구분하지는 않으나, 풍속전단계수를 통해 간접적으로 지표 특성 및 대기 안정도의 효과가 반영될 수 있다.Techniques based on log-law assume a homogeneous surface and a neutral atmosphere, whereas techniques based on power-law do not explicitly differentiate between surface properties and atmospheric stability effects, but indirectly through wind shear coefficients. and the effect of atmospheric stability may be reflected.
본 발명의 일 실시 예에 의한 멱 법칙을 기반으로 하는 풍속외삽기법은 수학식 1 및 2와 같은 수식을 사용하여 풍속전단계수를 연산할 수 있다. 수학식 1 및 2에서 사용되는 파라미터 
본 발명은 생성된 제1 풍속전단계수를 이용하여 제2 풍속전단계수를 생성(S300)할 수 있다. 제1 계절 및 일 별 풍속 변화가 큰 지역의 경우 풍속을 보다 정확하게 추정하기 위하여, 제1 풍속전단계수를 계절 별, 시간 별로 구분하여 멱 법칙을 기반으로 하는 풍속외삽기법을 적용하여 각 격자점에 대한 계절 별 시간 별 평균 풍속전단계수인 제2 풍속전단계수를 연산할 수 있다. 본 발명은 제2 풍속전단계수를 기반으로 풍력발전고도에서의 정확도 높은 격자 별 풍속자료를 생성할 것이다.In the present invention, a second shear factor may be generated ( S300 ) by using the generated first shear factor. In order to estimate the wind speed more accurately in the case of a region with a large change in the first season and daily wind speed, the first wind speed shear coefficient is divided by season and time, and the wind speed extrapolation method based on the power law is applied to each grid point. It is possible to calculate the second wind shear coefficient, which is the average wind speed shear coefficient for each season and time. The present invention will generate high-accuracy grid-specific wind speed data at the wind power generation altitude based on the second wind speed shear factor.
보다 구체적으로 설명하면 상기 단계 300에서 생성된 제2 풍속전단계수는 육상의 경우 주간과 야간의 변동성이 해상 대비 크게 나타났으며, 주간에는 태양복사에 의한 지표 비균질가열로 인해 풍속이 강해지고, 야간에는 대기 안정도의 효과로 풍속이 약해짐이 나타났다. 이와 같이 지점 별, 계절 별, 시간 별에 따라 풍속전단계수의 변화가 무시할만한 수준이 아니기 때문에, 풍속전단계수를 보다 정확하게 산정할 필요가 있음을 알 수 있다.More specifically, the second wind speed shear coefficient generated in step 300 showed greater daytime and nighttime variability on land compared to the sea, and the wind speed became stronger during the day due to inhomogeneous heating of the surface by solar radiation, and at night showed that wind speed weakened due to the effect of atmospheric stability. As described above, since the change in the wind speed shear factor according to each point, season, and time is not negligible, it can be seen that it is necessary to more accurately calculate the wind speed shear factor.
본 발명은 기초 자료인 고해상도 수치 자료에 제2 풍속전단계수를 적용하여 풍력발전고도에서의 고해상도 풍속 자료를 생성(S400)할 수 있다. 도 2는 멱 법칙 기반의 풍속외삽기법을 적용한 풍력발전고도에서의 고해상도 풍속 자료 생성 과정을 도시한 도면으로, 제2 풍속전단계수와 고해상도 수치 자료를 이용하여 풍력발전고도에서의 고해상도 풍속 자료가 생성된 것을 확인할 수 있다.The present invention can generate high-resolution wind speed data at the wind power generation altitude by applying the second wind speed shear factor to high-resolution numerical data that is basic data (S400). 2 is a diagram illustrating a process of generating high-resolution wind speed data at a wind power generation altitude to which a power law-based wind speed extrapolation method is applied. it can be checked that
본 발명은 상세 지형 자료를 고려하여 생산된 고해상도의 고도 별 풍속 수치 자료에 대기안정도와 지표특성을 암시적으로 고려하는 풍속외삽기법을 적용함에 따라, 시공간적으로 상세하고 정확한 해당 풍속발전고도에서의 풍속 수치 자료를 생산할 수 있어 풍력에너지를 보다 효율적으로 사용할 수 있는 기반이 될 것으로 기대된다.The present invention applies a wind speed extrapolation method that implicitly considers atmospheric stability and surface characteristics to high-resolution numerical wind speed data for each altitude produced in consideration of detailed topographic data, so that the wind speed at the corresponding wind speed generation altitude is spatially and temporally detailed and accurate. As it can produce numerical data, it is expected that it will become a basis for more efficient use of wind energy.
본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.The embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are merely provided for specific examples to easily explain the technical content of the present invention and help the understanding of the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains that other modifications based on the technical spirit of the present invention can be implemented in addition to the embodiments disclosed herein.
Claims (4)
상기 풍속 자료를 기반으로 제1 풍속전단계수를 산출하는 b 단계:
상기 제1 풍속전단계수를 기반으로 계절 별 시간 별 평균 풍속전단계수인 제2 풍속전단계수를 생성하는 c 단계; 및
상기 고해상도 수치 자료에 상기 제2 풍속전단계수를 적용하여, 풍력발전고도에서의 고해상도 풍속 자료를 생성하는 d 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전고도에서의 고해상도 풍속 수치 자료 산출 방법.
a step of receiving wind speed data including high-resolution numerical data, an hourly wind speed index per grid, and upper wind speed data;
Step b of calculating a first wind speed shear factor based on the wind speed data:
c step of generating a second wind speed shear factor that is an average wind speed shear factor for each season and time based on the first wind speed shear factor; and
and applying the second wind speed shear factor to the high-resolution numerical data to generate high-resolution wind speed data at the wind power generation altitude.
상기 고해상도 수치 자료는,
지능형 규모상세화 기법을 적용한 고해상도 수치 자료 산출체계(KMAPP)를 기반으로 하는 것을 특징으로 하는 풍력발전고도에서의 고해상도 풍속 수치 자료 산출 방법.
According to claim 1,
The high-resolution numerical data is,
A high-resolution numerical data calculation method at wind power generation altitude, characterized in that it is based on the high-resolution numerical data calculation system (KMAPP) applied with the intelligent scale detailing technique.
상기 제1 풍속전단계수는,
각 격자점에 대한 시간 별 풍속전단계수인 것을 특징으로 하는 풍력발전고도에서의 고해상도 풍속 수치 자료 산출 방법.
According to claim 1,
The first wind speed shear factor is,
A method of calculating high-resolution numerical data of wind speed at the altitude of a wind power generation, characterized in that it is the wind speed shear factor by time for each grid point.
멱 법칙을 기반으로 이하의 수학식을 통해 상기 제1 및 제2 풍속전단계수를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전고도에서의 고해상도 풍속 수치 자료 산출 방법.
(
The method of claim 1, wherein in steps b and c,
A method for calculating high-resolution numerical data of wind speed at a wind power generation altitude, comprising the step of calculating the first and second wind speed shear coefficients through the following equation based on the power law.
(
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2020
- 2020-10-12 KR KR1020200131131A patent/KR102348546B1/en active IP Right Grant
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