현재 전 세계 각국에서는 석유자원의 오염문제 및 고갈에 대비한 신재생 에너지 개발을 위한 다양한 연구가 수행되고 있다. 이러한 신재생 에너지 생성 방법들 중 설치비용, 건설기간 및 에너지 효율에서 가장 유망한 방법 중 하나가 풍력발전이며, 이로 인하여 다양한 형태의 풍력발전 기법들이 개발되고 있다. 이러한 경향에 따라 현재 우리나라 정부도 풍량 및 풍질이 우수한 해안지대 및 산악지대에 풍력발전단지를 활발히 건설하고 있다.

하지만 풍력발전단지가 무분별하게 건설될 경우, 풍력발전단지 인근에서 운용 중인 군사 레이더에 다양한 영향들을 초래할 수 있으며, 결국 국가 안보에 큰 위협이 될 수 있다. 여러 요인들 중 특히 문제가 되는 것이 풍력발전기의 회전 시에 반사되는 레이더 신호의 도플러 변조(Doppler modulation)인데, 도플러 변조가 발생할 경우 레이더에 수신되는 신호의 위상을 파괴하여 추적 레이더 및 영상 레이더의 성능에 심각한 영향을 줄 수 있다.

풍력발전기의 도플러 주파수로 인한 문제점을 분석하여 사전에 그 해결책을 제시하기 위하여, 본 논문의 저자들은 최근 국내 최초로 해상에 설치되는 풍력발전기의 운동 모델링 및 전자파 산란기법을 적용한 시변(time-varying) 도플러 영상을 분석하였다 [1]. 하지만 해상의 경우 레이더 시선(line-of-sight) 상의 장해물이 거의 없는데 반하여, 산악지형의 경우 지형으로 인한 다양한 형태의 차폐(blockage)가 발생하기 때문에 이를 고려한 도플러 주파수 분석이 필요하다.

본 논문에서는 산악지형에 건설되는 풍력발전기의 도플러 주파수를 추출하고 분석할 수 있는 기법을 제안한다. 제안된 기법은 기존의 해상에 설치되는 풍력발전기 도플러 분석 기법[1]을 기반으로 한 기법이며, 산악지형의 삼각형 모델링, 레이더 신호의 직진성 및 산악지형의 삼각형을 고려한 차폐분석, Rodriguez 회전공식을 이용한 풍력발전기 운동 모델링 및 처프(chirp)신호를 이용한 레이더 신호 모델링으로 구성되어 있다. 물리광학(physical optics) 기법[2]을 적용하여 얻어진 블레이드의 레이더 단면적(radar cross section: RCS)을 적용한 결과, 풍력발전기의 시변 도플러 주파수를 성공적으로 추출할 수 있었으며, 산악지형에 의한 차폐 현상도 성공적으로 분석할 수 있었다.

시뮬레이션 조건은 Table 1과 같이 일반적으로 사용되는 L-band 레이더를 사용하였으며, 표적을 한 거리성분에 표현하기 위하여 1.5MHz 대역폭(해상도 = 100 m)을 사용하였다. 또한 블레이드의 시변 도플러가 최악인 상태를 고려하여 발전기와 레이더 사이 각도를 90로 설정하였으며, 14.4 RPM(rotation per minute)으로 회전하는 블레이드 하나당 3개의 산란점으로 블레이드를 모델링 하였다(Figure 4). 산란점의 크기는 중심에서부터 [1 5 10 3] dB로, 블레이드를 3등분으로 나눈 후에, 각각의 평균 RCS 물리광학 기법으로 구하여 설정하였다. 안테나 빔폭은 2.2°의 pencil beam을 고려하였다. 블레이드 장동운동의 크기는 일반적으로 회전 성분에 비하여 매우 작으므로, 거의 0에 가까운 0.0001 radian으로, ω_n = 4π rad/s로 설정하였다.

Figure 4: 
Blade modeling

산악지형의 경우, 강원도 내에 위치한 산의 캐드 데이터를 구입하여 모델링 하였으며, 레이더 좌표 편의상 (x,y,z) = (153,650,0.02) km로 설정하였다. 또한 풍력발전기 건설 장소는 레이더에서 30mm 거리로 설정한 후, 균일한 간격으로 35대의 풍력발전기를 배치하였다. Figure 5는 레이더와 풍력발전단지 사이의 관측 상황을 나타낸다.

Figure 5: 
Observation geometry

레이더에서 바라본 차폐 분석 결과는 Figure 6과 같다. 그림에서 보는 바와 같이, 총 23개의 발전기가 레이더에 의해서 발견되는 것을 알 수 있다. 레이더가 스캔할 경우, 관측각도 및 차폐 정도에 따라서 매우 변할 수 있기 때문에, Figure 7과 같이 5개의 구역으로 나누어 대표적인 풍력발전기의 미세도플러를 분석하였다.

Figure 6: 
Result of blockage analysis

Figure 7: 
Sectors for Doppler extraction

1번 영역 풍력발전기의 거리측면도 및 미세도플러 결과는 Figure 8과 같다(2.2절 참조). 그림에서 보는 바와 같이, 거리측면도의 경우 풍력발전기가 위치한 거리성분에서 레이더 신호가 시간에 따라 매우 변화하는 것을 확인할 수 있었으며, 도플러 주파수의 경우 23번 발전기가 안테나 빔에 동시에 포함되어 중첩됨을 확인할 수 있다. 또한 최대 도플러 주파수는 fd=2υλcosθa 공식(θ_α = 90°)을 적용할 경우, 681 Hz로 정확한 도플러 주파수 크기를 확인할 수 있으며, 블레이드 회전 속도 14.4 회전/분에 해당하는 각속도 1.5080 rad/s를 이용하여 계산된 시변 주파수 주기 4.1667 Hz와 거의 유사함을 확인할 수 있다. 장동운동의 경우, 크기가 회전운동보다 훨씬 작기 때문에, 도플러 주파수의 전체 분포에는 영향을 거의 주지 않음을 알 수 있다.

Figure 8: 
Range profile and Doppler frequency (sector 1)

2번 영역 풍력발전기의 20호기를 관측한 결과는 Figure 9와 같다. 이 때 빔 폭 안으로 들어오는 풍력발전기는 14, 15, 20, 21, 27, 28호기이며, 이로 인하여 여러 개의 거리측면도에서 풍력발전기가 존재함을 확인할 수 있다. 14, 15호기의 경우, 지형의 차폐로 인하여 거리측면도 상에서 전체 에너지도 작음을 확인할 수 있으며, 또한 미세도플러도 주기적으로 일부 구간이 제거됨을 확인할 수 있다.

Figure 9: 
Range profiles (a) and Doppler frequency results (b) ~ (f) of sector 2

그에 비하여 20호기와 27호기는 산악지형에 의하여 차폐되지 않으므로 연속적인 도플러 주파수가 형성 되었으며, 1번 영역에서와 마찬가지로 레이더 시선방향으로 동일한 거리성분에 존재하여 도플러 주파수가 중첩되어 형성됨을 알 수 있다. 또한 21, 28호기는 독립된 거리방향 성분에 존재하여 다른 터빈과 중첩되지 않음을 알 수 있다.

3번 영역에서는 1, 2, 8, 11, 12, 33호기가 한 레이더 빔 안에서 관측이 되었으며, 1번 및 2번 영역과 유사한 결과를 나타낸다(Figure 10). 21호기의 경우, 거의 대부분이 차폐되어 매우 일부분의 도플러 주파수가 추출됨을 알 수 있다. 4번 영역에서 관측된 3, 4, 5, 6, 7, 9호기의 도플러 주파수는 Figure 11과 같으며, 5번 영역에서 관측된 10, 34, 35호기의 결과는 Figure 12와 같다. 두 경우 모두 앞의 경우와 유사하게 전체 도플러가 형성되거나, 일부가 차폐 또는 중첩되어 형성된다.

Figure 10: 
Range profiles (a) and Doppler frequency results (b) ~ (e) of sector 3

Figure 11: 
Doppler frequency results of sector 4

Figure 12: 
Doppler frequency results of sector 5

본 논문에서는 산악지형에 설치되는 풍력발전기의 도플러 주파수를 추출하고 분석할 수 있는 기법을 제안하였다. 제안된 기법은 산악지형의 캐드 모델에서 추출된 좌표를 이용한 삼각형 모델링, 삼각형 모델링을 이용한 차폐분석, 풍력발전기 회전 모델링, 처프 신호를 이용한 레이더 신호 모델링, 시간-주파수 영상형성 기법으로 구성된다. 점산란원으로 구성된 풍력발전기를 이용한 시뮬레이션 결과, 산악지형에 의한 도플러 주파수 차폐 여부, 최대 도플러 주파수 크기 및 풍력발전기 회전으로 인한 도플러 주파수의 주기 등의 정보를 추출할 수 있었으며, 이러한 정보는 풍력발전기 근처의 레이더 운용에 있어서 매우 중요한 정보로 사용될 것이다.