해상풍력자원지도는 풍력발전사업, 국가 재생에너지 공급 정책, 전력계통망 계획의 핵심자료이다. 본 연구에서는 풍력자원 해석기술의 개발 동향을 검토하고 시사점을 논의하였다. 국가별 해상풍력자원지도 개발하여 활용하고 있는 대표적인 국가는 유럽연합 (덴마크), 미국, 그리고 일본이며, 이들을 중심으로 풍력자원지도 생산 기술 및 활용 현황을 분석하였다. 기본적으로 풍력자원지도의 품 질 향상을 위해 수치해석 기술을 업그레이드 해오고 있다. 이들의 개발 전략은 앙상블 중규모 수치해석과 중규모-미세규모 모델의 커 플링이었고 그 외 모델내 물리해석기법들의 적용은 지역마다 다른 것으로 확인되었다. 따라서 최근 진보된 수치모델을 도입하고 우리 나라 풍황 특성을 고려하여 최적의 실험디자인을 도출해야 할 것으로 보인다. 특히 300 m부근의 대기경계층에서의 연직고도의 상세 한 반영은 공통점으로, 이는 대형화된 풍력터빈을 고려하여 최적의 풍력발전소 후보지 발굴에 적합하도록 장기간의 풍황정보를 정확 하게 제공하기 위한 제안사항인 것으로 보인다.

본 연구에서는 다기준 의사결정분석모델을 사용하여 우리나라 전체 풍력에너지의 잠재량을 연산하였다. 이 모델은 육상과 해상의 풍력터빈 2 MW과 3 MW를 기준설비에 대해 용량밀도 및 이용률을 연산하여 이론적, 기술적 잠재량을 산정한 후 환경규제 및 시장지원정책에 따른 환경성과 경제성과 고려하여 시장잠재량을 산정되는데 풍력 자원, 기술, 그리고 입지환경의 영향단계별 설 비용량 및 발전량을 산정하도록 구성된 잠재량은 최종 의사결정 시나리오를 분석하여 정책적 현안을 고려할 수 있도록 확대 구축하 였다. 의사결정 시나리오의 정책적 현안은 도로 및 주거밀집지역으로 부터의 이격거리를 시나리오로 포함하였다. 전문가 협의에 의 해 도출된 2016년 신재생에너지백서 기준의 풍력잠재량의 발전량 110 TWh/년과 설비용량 39 GW는 도로나 주거건물로부터의 이격 거리에 따라 –33% ~ 8%까지 변화가 있었다. 풍력에너지 보급은 도로와 이격거리 강도에 크게 달라질 수 있으며, 잠재량 변화에 대 한 본 연구 결과는 정부의 보급목표 수립과 적정성을 검토하는데 중요하게 활용될 것이다.

Modular construction is an economical and efficient construction that reduces time and costs by manufacturing units in factories and constructing them on site. Currently, the demand for modular construction is increasing not only abroad but also domestically. As the demand for modular construction increases, a lot of development and research on connections between modular units are being conducted. Connections between modular units should be quick and simple to assemble when assembling units on site, and should be in a form that allows each unit to be connected regardless of direction. In addition, it must be able to exert sufficient strength against external loads. In this study, a connection between modular units using connecting steel plates and bolts was proposed, and the nonlinear behavior of the connection to external lateral force was analyzed through finite element analysis, and resistance performance was evaluated.

풍력발전단지는 초기 투자비용이 높고 설치 후 이동이 용이하지 못하기 때문에 풍력발전단지 설계 과정에서 해당 지역의 생 산 가능 자원량을 정확히 예측하는 것이 필수적이다. 많은 연구자들이 풍력에너지 발전량을 예측하기 위해 수치기상예보(Numerical Weather Prediction, NWP) 방법으로부터 얻은 장기간 기상데이터를 활용한다. 하지만 NWP 방법은 국지적 지형지물과 표면조도가 풍 황에 미치는 영향을 충분히 고려하지 못한다는 한계점이 존재하여 대부분의 육상풍력발전단지가 지형이 복잡한 산간지역에 설치되어 있는 한국에서 활용하기에 적합하지 않다. 이에 NWP 방법을 통해 얻어진 장기간 기상데이터를 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)의 경계조건으로 활용하여 지형지물과 표면조도의 영향을 고려하여 축소함으로써 공간해상도를 100m 급으로 고해상 도화 하였다.

재해석 자료는 공간해상도가 저해상도이지만 풍력자원의 장기간 보정이나 수치기상예측 또는 전산유체역학과 연동하여 고 해상도로의 축소화에 활용될 수 있다. 본 연구에서는 재해석 자료의 전세계 풍속을 지형요소 등의 함수로 회귀 분석하였으며 향후 고 해상도 축소화에의 활용 가능성을 시험하였다. 다중선형회귀와 기계학습 모델로서 신경망, 랜덤 포레스트 모델을 적용하여 다양한 지 형형태별로 회귀 분석한 결과에 의하면 접합도(R2)가 각각 0.71, 0.95, 1.00으로 향상되었으며, 지형요소 중 위도, 셀 면적, 지형고도, 경 도, 지형 개방도 순으로 설명력이 높은 것으로 나타났다. 기본 신경망에 비해 수정 쌍둥이 신경망 모델은 불균질 데이터 대상 성능 개 선 효과가 있는 것으로 나타났다. 그럼에도 불구하고 본 연구에서 활용한 신경망 모델로는 데이터의 비선형성을 재현하는데 한계가 있 었으나 랜덤 포레스트 모델을 통해 이를 극복하였다.

풍력자원평가를 수행할 때 풍력자원의 특성이 동질한 바람권역을 파악하여 측정지점을 선택하여야 한다. 본 연구에서는 풍력자원의 공간적인 동질성을 파악하기 위하여 시계열 바람벡터의 유사성, 시계열 풍속의 피어슨 상관계수, 시계열 풍향의 코사인, 시 계열 풍속의 일치도 지수, 24시간 자기상관함수, 풍력자원 요인의 주성분을 유사도 척도로 이용하여 바람권역을 군집분석하였다. 주성 분분석을 수행하여 와이블 풍속분포의 척도계수 및 형상계수가 제 1 주성분으로, 지형고도와 24시간 자기상관함수가 제 2 주성분인 것으로 파악되었다. 단순지형인 제주도와 복잡한 산지지형인 포항지역에 여러 가지 유사도 척도를 적용하여 바람권역을 분류하였으며, 다연상관계수와 상자그림으로 군집내 풍력자원 요인이 유의미한 통계적 차이가 존재하는가를 평가하였다. 결론적으로 시계열 바람벡 터의 유사도와 풍력자원 요인의 주성분 거리가 가장 효과적인 군집분석의 척도임을 확인하였다.

본 연구는 육상풍력 입지지도를 고도화하기 위하여 초고해상도 풍력이용률 자원지도와 풍력시장 경제성 모델을 활용하여 풍력자원 분류지도를 개발하였다. 풍력자원 분류는 경제성의 유무에 따라 적합성을 상, 하로 구분하되 적합성 상내에서도 우수지역을 추가 분류하여 우선 검토대상지역을 제시하였다. 국내 풍력입지를 분석한 결과, 전국의 25.1%는 경제성이 있었으며 이중에서 1.7%는 우수지역에 해당하였다. 풍력자원의 경제적 적합성 평가 결과는 이용률 지도의 정확도, 설비설치비용(Capital expenditure, CAPEX), 그리고 계통한계가격의 변동성에 따라 적합성 상 지역은 –7.6%p ~ 12.6%p(적합성 우수 지역은 –1.1%p ~ 2.7%p)까지 변화하였다. 풍력 자원은 보조금, 이용률에 가장 크게 영향을 받는 반면, CAPEX의 변화는 경제성 없는 지역이 경제성 있는 지역으로 바뀔 수 있는 확률이 크다는 것도 확인했다.

육상풍력의 보급이 지연되는 가장 큰 원인인 입지애로 문제를 해결하기 위해 육상풍력 사업성 사전 검토 단계에서 입지적 합성을 검토할 수 있도록 육상풍력 입지지도가 개발되었다. 본 연구에서는 육상풍력 입지지도 고도화의 일환으로 산업부, 환경부, 산 림청의 부처간 협의에 따라 풍력자원, 생태·환경 입지요인 24종, 산림 입지요인 21종을 통합하여 육상풍력 입지 적합성을 종합적으로 평가할 수 있는 고려대상 지역 지도를 개발하였다. 고려대상 지역 지도를 분석한 결과 환경·산림 입지 적합성이 모두 상(high)이고 경제성이 확보되는 지역은 조사대상 면적의 4%인 4,032km2로 산정되었으며, 고려대상 지역의 민감도 분석에 의하면 생태·자연도 1등급 및 2등급과 겨울철 조류동시센서스 조사지역의 민감도가 가장 큰 것으로 확인하였다. 이를 통해 육상풍력 입지의 사전 검토를 위한 고려대상 지역 지도의 실효성을 확인하였다.

농촌지역에서는 농업활동의 영향에 의한 질산성질소 오염이 천부지하수를 생활용수나 먹는물로 사용하는데 큰 장애요인이 되고 있다. 본 연구에서는 충남 예산군 효교리 농업지역의 천부지하수의 수질특성을 토지용도 및 토양층의 화학성분과 연계하여 고찰하였다. 지하수의 NO3-N 평균 농도는 생활용수와 농업용수 수질 기준을 초과하며, 이는 비료, 축산폐수, 생활하수 등의 인위적인 오염원으로부터 유래하는 것으로 판단된다. 연구지역 지하수 수질형은 주로 Ca(Na)-Cl형에 속하는 것으로 나타나며, 일반적인 천부지하수의 수질형인 Ca-HCO3형과는 다르다. 논 및 기타(상류, 목장, 주거) 지역과 밭 지역으로 구분하여 지하수의 NO3-N 농도를 비교한 결과, 밭 지역의 NO3-N의 평균 농도는 22.8 mg L−1이고, 논 및 기타 지역의 NO3-N 평균 농도는 7.7 mg L−1로서 밭 지역의 NO3-N의 평균 농도가 높게 나타난다. 이는 논지역이 낮은 투수성을 가지고, 밭지역은 높은 투수성을 가지기 때문이다. Mann-Kendall 검정과 Sen 검정에 의한 경향성 분석 에 의하면, NO3-N 농도는 매년 0.011 mg/L 정도로 매우 약한 감소 추세를 보여주고 있으며, 이는 현재 지하수내 NO3-N 농도가 거의 평형상태에 있음을 지시한다. 한편 SO4 2− 농도는 매년 −15.48% 씩 감소하며, HCO3 − 농도는 매년 −13.75% 씩 감소하는 것으로 나타났다. 입도분석에 의한 수리전도도는 지표하 5 m까지의 심도에서 평균 1.86×10−5 cm s−1을 보이며, 모래층에서는 1.03×10−4 cm s−1을 그리고 실트층에서는 2.50×10−8 cm s−1을 보인다.

풍공학분야에 특화된 학술지인 한국풍공학회지에서 발간된 논문에 대해 토픽모델링 기법 중 잠재의미분석(LSA)와 잠재디리 크레할당(LDA)을 적용하여 연구주제 추출의 적합성을 비교 평가하였다. 토픽간의 유사도를 평가하기 위해 문서토픽행렬을 이용한 상 관분석법을 제안하였으며, 이를 적용하여 문서단어행렬의 특성벡터로부터 토픽을 추출하는 LSA 대비 단어의 결합확률을 이용하는 LDA가 토픽 구성단어를 2배 이상 사용하여 보다 독립적인 토픽을 추출하였다는 평가결과를 얻었다. 학술지의 연구주제를 종합하면 ‘building’, ‘bridge’를 ‘연구대상’으로 ‘wind speed’, ‘wind load’, ‘vibration control’을 ‘연구목적’으로 ‘wind tunnel test’, ‘numerical method’의 ‘연구방법’을 사용하였다. 향후 토픽모델링은 연구주제를 ‘연구대상’, ‘연구목적’, ‘연구방법’의 구조적인 결합으로 정의하여 단어의 사용특성을 반영하는 방식으로 개선되어야 할 것으로 사료된다.

타워형 집광태양열발전의 핵심요소인 헬리오스타트는 경량화를 통한 설비비 저감이 매우 중요한다. 반사판 면적 16m2의 기 존 헬리오스타트 대비 샌드위치 패널을 사용하여 무게를 50% 경량화한 헬리오스타트의 풍하중 평가를 수행하였다. 반사판이 수직, 45 도 경사인 경우에 대해 전산유체역학 해석을 하여 반사판에 작용하는 풍압을 산정하고 구조해석을 수행하여 최대응력의 발생부위 및 반사판의 변위에 의한 반사각도의 이격을 계산하였다. 45도 경사진 반사판이 바람이 불어오는 반대편으로 향한 경우가 바람을 마주보 는 배치보다 최대 풍하중이 더 크게 나타났으며, 반사판 풍하측으로의 유동박리에 의한 후류의 발달도 반사판의 배치에 따라 매우 상 이한 형태를 보였다. 경량화 모델의 경우 반사판 구동을 위한 기어의 배치를 변경하여 핵심 지지체인 기둥의 강성을 확보할 필요가 있 음을 확인하였다.

한반도 풍력자원의 연간 변동성을 파악하기 위하여 한국 기상청의 아시아권 및 한반도권 지역예보모델 해석자료를 초기 기 상장으로 연계한 UM-WRF 수치기상예측 모델로 2010년부터 2018년까지의 풍력자원지도를 생산하였다. 풍력자원지도의 풍력발전량 예측정확도를 확인하기 위해 가동 중인 모든 풍력터빈의 발전량을 예측하고 전력거래소의 월간 발전량 기록과 비교검증하였으며, R2=0.83의 높은 일치도를 확인하였다. 한반도 육상 및 해상의 연간 풍속 변동성은 각각 COV = 11.4%와 4.3%로 파악되었으며, 특히 풍력자원이 우수한 고산지대의 변동성이 큰 것으로 나타났다. 풍력보급의 증가에 따라서 전력계통에 미치는 변동성의 우려가 커지고 있기 때문에 지속적으로 장기간의 고해상도 풍력자원지도를 생산하고 발전량 검증을 거쳐 발전량 변동성을 정밀하고도 정량적으로 파 악할 필요가 있다.

본 연구는 국내 주요 수계 중 만경강, 섬진강, 남해권 수계, 탐진강, 영산강, 동진강과 연결된 농수로 어류의 종 조성과 어류 길드 특성, 군집 특성을 분석하였다. 2017년 9월부터 2018년 8월까지 4회에 걸쳐 현지 조사를 시행한 결과, 어류는 농수로에서 6목 11과 53종 3,633개체가 출현하였고 본류에서 9목 15과 57종 7,108개체가 출현했다. 농수로의 우점종과 아우점종은 칼납자루 (Tanakia koreensis)와 납자루 (T. lanceolata)로 나타났으며, 납자루아과의 어종이 우점하는 지점이 10지점 중 6지점으로 나타났다. 이는 담수성 이매패류의 서식에 기인한다고 사료된다. 그리고 환경부 지정 멸종위기 야생생물 I급 임실납자루 (T. somjinensis)가 섬진강 수계의 농수로에서 출현했고, 멸종위기 야생생물 II급 큰줄납자루 (Acheilognathus majusculus)와 꺽저기 (Coreoperca kawamebari)가 각각 섬진강 수계, 섬진강과 탐진강 수계의 농수로에서 출현했다. 지점별로 어류 길드 분석 결과, 대체로 농수로가 본류보다 낮은 민감종의 비율을 나타냈다. 군집 분석 결과 하상 구조가 복잡하게 나타난 지점에서 비교적 안정적인 군집을 보였으며, 환경적 변수에 따른 분석 결과 하상 구조가 복잡한 농수로 그룹이 높은 다양도 지수와 낮은 우점도 지수를 나타냈다. 결과적으로 본 연구는 농수로의 어류 서식 특성을 나타내고, 향후 연구와 관리의 필요성을 제시했다.

고리 원자력발전소 1호기 폐쇄 후 잉여 계통접속 용량을 활용한 해상풍력단지를 개발함에 있어서, 본 논문은 해안 단기간 라이다 측정자료를 이용한 해상 풍력자원평가 방법을 제시하였다. 이를 위해 전산유체역학을 이용한 복잡지형에서의 라이다 측정오차 보정, 제3세대 재해석자료를 이용한 장기간 보정, 그리고 후류모델에 따른 발전량 예측오차를 분석하였다. 해안 평탄지형에서 라이다 측정이 수행되었기 때문에 복잡지형 보정오차는 풍속 MAE로 0.03m/s에 불과하였으나 최종 연간에너지생산량은 미보정시에 비해 10% 의 차이가 발생하였다. 특히 장기간 보정과 해안 기상자료를 해상 기상자료로 전달하는 과정의 불확도가 큰 것으로 평가되었다. 풍력 터빈 이격거리가 충분할 경우 기존 육상풍력용 후류모델은 후류손실이 없다고 예측한 반면 심층배열 후류모델은 6%의 후류손실을 예 측하였다. 정리하자면 해상풍력사업의 불확도 최소화를 위해서는 해상기상탑을 설치하고 장기간 측정을 수행하는 것이 필수적임을 재확인하였다.

급경사 복잡지형 산체인 울릉도는 국지기상 특성이 매우 강하기 때문에 풍력자원평가에 사용되는 지상관측자료를 선택할 때 먼저 그 유효성을 평가하여야 한다. 본 논문에서는 종관기상자료인 재해석자료 또는 중규모 수치기상예측 자료와 지상관측자료의 상 관성 분석을 통하여 지상관측자료의 국지기상 대표성을 평가하였다. 또한 지형에 의한 유동장 변형을 정확하게 고려하기 위하여 전산 유동해석을 할 경우에, 종관기상자료를 축소화한 예측결과가 얼마나 지상관측자료와 일치하는지도 평가하였다. 이때 지형복잡지수를 이용하여 지형이 복잡해질수록 국소배치의 예측오차도 증가함을 확인하였다. 울릉도의 지상관측자료는 현포리의 고공 기상탑 측정자 료를 제외하고는 모두 국지기상 특성이 강하게 나타났으며, 전산유동해석으로 지형효과를 반영하더라도 풍계효과는 반영하지 못함에 따라 지상관측자료에 의존한 풍력자원평가에 불확도가 상당히 클 것으로 판단된다. 따라서 풍력발전 후보지에서 반드시 고공 기상탑 을 설치하고 IEC 61400-12를 준용한 측정을 수행하여야 할 것으로 사료된다.

한반도 풍력자원지도의 시계열 풍속벡터의 유사성을 유클리디안 거리로 정의하여 군집분석에 의해 바람권역을 분류하는 방법을 포항지역에 적용하였다. 풍력자원지도는 포항지역 기상탑 측정자료와의 비교를 통해 정확도를 검증하였다. 이때 풍력자원지도 와 기상탑 측정자료의 시간범위가 서로 상이하여, 재해석자료와의 측정-상관-예측을 이용하여 동기간으로 변환한 후 비교검증 하였다. 포항지역에 대한 바람권역 분류 결과, 계절별로 바람권역의 변화가 매우 큰 것으로 나타났으며, 이로부터 우리나라의 바람권역은 계절특성을 고려해야함을 확인하였다. 풍력자원지도의 공간해상도에 따른 바람권역 분류에서는 상대적으로 지형고도가 낮지만 바 람의 특성에 민감한 지형이 존재하며, 이러한 지형요소의 수치해석이 정확하게 반영되어야 바람권역 분류의 실질적인 설명력이 향상됨을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통해 구축된 국지적 바람권역 분류방법은 풍력발전소 설계, 대기환경영향평가, 풍환경평가 등에 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

태양광 패널의 최적 경사각은 한국의 경우 위도 범위인 30∼40도로 상당히 크기 때문에 패널을 지나가는 바람은 필연적으로 유동박리가 수반된다. 본 연구에서는 유동박리가 수반되는 대기유동장 해석시 난류강도 모델링이 우수한 대와류모사(LES)를 이용하여 풍동실험용 축소모형 및 실제규모 태양광 패널에 대한 수치해석을 수행하였다. 태양광 패널에 작용하는 풍하중이 최대가 되는 풍향인 0도와 180도에 대해 해석하고 압력계수를 실측자료와 비교하였다. 패널 경사면을 타고 올라가는 풍향 0도의 경우는 실측자료와 LES로 예측한 압력계수가 잘 일치하였으나 반대로 패널에 부딪쳐 타고 내려가는 풍향 180도의 경우는 실측값과 상당한 차이가 있었다. 패널 위, 아래면의 압력계수의 차이로 정의되는 순압력계수를 산출하고 이를 건축구조기준의 독립된 편지붕의 최소 설계기준과 비교하였으며, 설계기준 범위 이내인 것을 확인하였다.

본 연구는 지표항력모수화법과 공간해상도 설정에 대한 WRF 중규모모델내 지표풍속모의 성능을 평가하였다. 지표풍속 보정효과는 지형이 복잡한 한반도를 대상으로 연구하였다. 두 가지 새로운 지표항력모수화법과 수평 및 연직해상도를 가지고 총 5가지 실험(CTRL, Exp_JD, Exp_MO, Exp_h2, 그리고 Exp_l38)을 수행하였다. 1995년 한 해 동안 10m와 1000hPa에서 모의된 풍속을 검증 하였다. 실험결과, 지표풍속모의에 대한 최고성능은 WRF 모델내 아격자규모의 지표항력모수화법을 적용하고 연직층을 38개로 설계 한 실험 Exp_l38에서 나타났다. 10m 고도(1000hPa)에서 풍속 Bias와 RMSE가 각각 0.18(-2.65), 0.83(2.73)m/s였다. 이 연구에서 제안 한 MO의 지표항력모수화법과 연직층의 상세화가 풍속모의 설계는 WRF 모델을 활용하여 보다 정확한 바람정보를 생산하고 활용하는데 있어서 도움이 될 것이다.