풍력 발전의 효율을 극대화 하기 위해 풍력 터빈들은 단지화 되어 가는 추세이다. 하지만 풍력 발전의 효율을 저하시키는 주요 원인 중 하나가 바로 후류(wake)이다. 하류 풍력 터빈은 상류 풍력 터빈의 후류에 의해 발전량이 감소하고 피로 하중이 증가하는 문제를 겪는다. 하지만 현재 풍력 발전 단지 배치 최적화 과정에는 후류로 의한 발전량 손실만 고려하며, 피로 하중은 반영되지 않는다. 이는 후류로 인한 피로 하중 평가의 복잡성에서 기인한다.

  강유주 박사과정 학생과 이상봉 교수는 대와류 시뮬레이션 (Large Eddy Simulation, LES)를 활용하여 상류 풍력 터빈의 후류를 생성한 후, 2,580개의 후류 위치에서 부유식 풍력 터빈의 공탄성 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 통해 후류-터빈 중첩 효과를 면밀히 분석하고, 하류 풍력 터빈의 위치에 따른 전력 손실, 블레이드 및 타워의 하중 증가, 부유체 거동 불안정성의 고해상도 지도를 작성하였다. 연구 결과, 후류에 의해 증가한 피로 하중을 완화하는데 필요한 필요한 터빈 간 횡 방향 거리는 발전량 손실을 회복하는 데 필요한 횡 방향 거리보다 더 길어야 한다는 점을 발견하였다.

  본 연구는 풍력 발전단지 배치 최적화 과정에서 발전량 뿐만 아니라 피로 하중 분석을 포함하는 것이 필수적임을 시사하며, 이를 통해 터빈의 수명을 연장하고 운영 및 유지보수 비용을 절감하는 데 기여할 수 있음을 보여준다. 해당 연구는 국제 학술지인 Physics of Fluids  2024년 12월호에 게재되었다. Physics of Fluids는 유체분야 JCR 상위 4% 이내의 최상위 국제 학술지이다.

https://doi.org/10.1063/5.0242835