1. 서 론

세계적으로 환경, 에너지 안보 및 경제성 등을 위해 태양 광, 조력, 풍력 등 재생에너지에 대한 개발이 더욱 활발해 지고 있다. 그 중에서도 풍력발전은 24시간 생산이 가능하고 해상에 설치할 경우 부가적로 발생되는 소음이나 안전성에 대한 위험요인을 제거할 수 있어 점차 확대되고 있다. 2019 년 풍력발전의 신규 설비용량은 60.4 GW가 추가되어 누적 용량은 651 GW가 되었으며, 특히 해상풍력은 2019년 6.1 GW 가 추가되어 신기록을 세웠고, 최초로 전 세계 신규 설치의 10 %를 차지하였다(GWEC, 2019).

해상에 풍력발전기를 설치하기 위해서는 풍량이 풍부하 여 발전단지로서 적합한 지역이더라도 지역주민이나 환경 에 끼치는 영향이 검토되어야 한다. 또한 환경영향평가 뿐 만 아니라, 해상교통안전진단제도에 의해 해상교통현황과 해상교통시스템의 적정성 평가 등을 수행해야 한다(Lee et al., 2018).

전자기학적인 문제로는 해상풍력 발전단지가 연안 감시 또는 영공 감시를 위한 레이더에 클러터로 작용하는 것이 다. 특히 풍력발전기가 대형화됨에 따라 레이더 반사면적 (Radar Cross Section, RCS)이 증가하고 블레이드의 속력이 항 공기의 속력에 가까워짐에 따라 항공기와 오인하게 되는 문 제가 발생하게 되었다. 이에 따라 풍력발전기 타워의 형상 을 경사형으로 변경하고, 전파 흡수체를 도포하여 레이더 반사면적을 감소시키는 연구가 수행되었다(Park et al., 2012;Kim et al., 2014).

또한 해상 풍력발전기에 의한 소음과 레이더에 대한 잡음 영향을 분석한 연구도 수행된 바 있다(Ryu and Kim, 2016).

그러나 해상풍력 발전단지가 많이 조성되고 계획이 수립 됨에 따라 기존의 레이더 간섭 문제 이외에도 해상조난통신 에 대한 간섭이 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 기존 의 레이더 간섭 문제에서 벗어나 해상조난통신의 간섭을 분 석한다. 세부적으로는 연안에 설치된 해상풍력 발전단지의 인근에 위치한 선박국에서 조난신호를 송신하고, 해상교통 관제센터(Vessel Traffic Service System, VTS)나 어업정보통신 국과 같은 주요 해안국에서 수신하는 전자파의 전력에 대한 영향을 파악한다.

2. 전파환경 분석

해상풍력 발전단지에 대한 전파환경 분석은 먼저 전자기 간섭이 예상되는 또는 분석이 요구되는 대상지역을 선정하 고 피해대상 장비와 해석 주파수를 선정한다. 이후 대상지 역과 풍력발전기를 전자기학적으로 모델링하고 해석을 수 행하여 간섭 여부와 정도를 예측하는 순서로 진행한다.

전파환경 분석의 대상 지역은 서남해안의 신안군 자은도 주변의 해상풍력 발전단지를 선정하였다. 이 지역은 발전단 지와 목포 해상교통관제센터 및 목포 어업정보통신국 사이 에 해역, 산 및 연안지역이 골고루 위치하고 있어 송신국과 수신국간 전파환경이 상대적으로 열악할 것으로 예상되는 구역이다. Fig. 1은 전파환경 분석 대상인 신안 부근 해역의 고도와 위치 정보가 담겨 있는 수치지형도이며, 해상도는 30 m 수준이다.

세계해상조난 및 안전제도(Global Maritime Distress and Safety System, GMDSS), 어선법, 전파법 등 관계 법령에 따라 연안을 항해하는 모든 선박은 디지털선택호출장치(Digital Selective Calling, DSC) 기능이 있는 MF, HF, VHF 대역의 무 선전화를 갖추어야 한다. DSC를 통한 조난 통신은 무선설비 외부의 Distress 버튼을 약 3 ~ 5초간 누르면 자동으로 주변 선 박과 해안국에 조난 신호를 송신한다. Table 1은 MF/HF대역 에서 조난 통신용으로 지정된 주파수(ITU-R, 2015)와 국산 해상용 무선설비의 통상적인 출력과 수신감도를 나타내고 있다.

2.1 해상풍력 발전단지 제원

풍력발전기는 8 MW급으로 블레이드 회전중심에 있는 Hub 높이는 해수면에서 100 m, 블레이드의 길이는 82 m이며 주요 제원은 Table 2와 같다. 블레이드 재질은 복합재이며 타워는 강관이나 보다 제한적인 상황을 고려하여 모두 Steel 로 모델링하였다. Fig. 2는 풍력발전기의 실제 CAD 모델이다.

2.2 전자파 해석

풍력단지 외해에서 송신한 전계가 육상 기지국에 수신되 는지를 확인하기 위해서는 수치적인 표현이 필요하다. 이는 해당 위치의 안테나에서 수신되는 전력으로 표현되며, 이를 위해서는 전자파의 감쇄 및 산란을 포함하는 전자파 해석이 수행되어야 한다.

전자파 해석 기법에는 저주파 해석기법과 고주파 해석기 법이 있다. 저주파 해석기법은 정확한 해를 구할 수 있으나 파장에 비해 산란체나 해석환경이 커지게 되면 많은 컴퓨터 용량과 시간을 요구하는 단점이 있다. 고주파 해석기법은 근사기법을 사용하나 파장이 해석대상에 비해 클 경우 주로 사용하며 빠른 시간 내에 정확도가 높은 해를 제공한다. 통 상적인 전자파 환경 해석은 넓은 지역을 포함해야 하므로 고주파 해석을 주로 이용하나, 본 연구에서는 MF/HF 대역이 관심 대역으로 파장이 수백 미터 이상이므로 이에 추가하여 저주파 해석의 결과를 비교하였다.

고주파 해석기법인 물리광학기법(Physical Optics, PO)은 산 란체의 표면을 입사 자계에 관한 식으로 표현되는 표면 전 류로 등가한 후, 그 전류성분을 면 적분함으로써 산란 전자 계를 구하는 방법이다. 산란체 표면의 전자파를 알고 있다 면, 임의의 관측점에서의 산란파는 다음과 같다(Park et al., 2012).

N개의 패치로 모델링된 산란체에 대해 M개의 패치가 가 시면일 경우 식(1)은 아래와 같은 식으로 간략화 된다.

고주파 해석을 위해서 물리광학기법과 Ray 기반의 기하 광학기법(Geometric Optics, GO)과 물리광학기법을 혼합한 SBR(Shooting and Bouncing Ray, SBR)기법을 적용한 전용 프 로그램을 활용하였다.

저주파 해석기법인 모멘트(Method of Moment, MoM) 기법 은 전계와 자계의 수평성분은 경계를 통해 연속이라는 경계 조건(Boundary condition)을 이용하여 표면의 전류분포를 구함 으로써 전계와 자계를 구하는 방법이다(Harrington, 1993). 저 주파 해석을 위해서는 사각 패치에 고차 기저함수를 적용한 higher-order MoM 기반의Wipl-D 시뮬레이터를 활용하였다.

2.3 전파환경 분석 방법

풍력발전기는 대상 지역에서 지반이 단단하고 해상교통 을 방해하지 않으며 많은 풍량을 받는 것을 최우선으로 하 여 배치한다. 따라서 풍력발전기의 위치가 거의 확정된 상 황에서 전자기 분석을 수행하게 되나, 전자기적으로 문제가 되는 상황, 예를 들어 레이더에 간섭을 일으키는 경우나 통 신 환경에 심각한 영향을 끼치는 경우에 위치를 조정해야 한다.

해상풍력 발전단지 부근에서 송신한 DSC 신호가 인근 VTS로 얼마나 수신되는 분석하기 위해 우선 지리정보를 활 용하여 대상지역을 전자기 해석 프로그램에서 활용할 수 있 도록 Fig. 3과 같이 수치지형도를 활용하여 패치로 모델링하 였다. 대상 해역과 육지는 해석 프로그램상의 해수와 육지 로 설정 하였으며, 풍력발전기는 사업계획에 따라 발전단지 내에 좌우 950 m, 1-2열간 2,400 m 간격으로 2열로 총 12기가 설치되었다.

해상 송신위치(Tx1 ~ Tx3)를 선정하고, Table 1의 MF 및 HF 대역 주파수에 대하여 53.98 dBm의 출력으로 송신하고 육상 기지국(목포 VTS: Rx1, 목포 어업정보통신국: Rx2)의 무지향 성 안테나에서 -107.0 dBm 이상의 전력이 수신되는지 분석하 였다. 해상 송신위치는 풍력발전기로부터 최단거리로 500 m 떨어져 있으며, VTS까지는 최대 45.0 km, 어업정보통신국까 지는 최대 44.5 km 떨어져 있다. 해상 송신위치의 송신 안테 나 높이는 어선을 기준으로 10 m로 설정하였으며, 수신 안테 나는 VTS의 실제 목포 VTS와 목포 어업정보통신국 안테나 고도인 각각 114 m 및 61 m를 반영하였다.

3. 전파환경 분석 결과

3.1 고주파 해석결과 검증

앞서 기술한 바와 같이 전자기 환경 분석은 대상지역, 주 파수, 파장 대비 산란체의 크기 등을 고려하여 고주파 해석 기법으로 수행하는 것이 적절하다. 그러나 고주파 해석기법 은 해석속도는 빠르지만 정확도가 상대적으로 낮기 때문에 MoM 기반의 저주파 해석을 추가로 수행하여 해석결과의 신 뢰성을 확인한 이후 주된 해석을 수행하였다.

저주파 해석기법은 고주파 해석기법에 비해 연산 시간이 상당히 길고 컴퓨터 자원의 사용량이 압도적으로 높기 때문 에 Fig. 4와 같이 실제 지형에 대한 정보는 분석에서 제외하 고, 주변 지형은 PEC로 간략화 하였다. 그리고 해상풍력 발 전단지 주변에 Tx1, Tx2, Tx3을 설정하고, 육상 기지국은 Rx1, Rx2로 반영하였다.

비교 대상 주파수는 MF 대역인 2,187.5 kHz와 HF 주파수 중 중간 주파수인 8,414.5 kHz를 선정하였다. 송신 출력과 안 테나 특성, 송수신기 간의 거리, 풍력발전기 크기 및 좌표, 송수신 안테나 좌표, 지형 간략화 등 모든 조건은 저주파 해 석기법과 고주파 해석기법에 대해 동일하게 적용하였다. 단, 고주파 해석기법은 6차 반사까지 계산하였으며, 풍력발전기 를 모델링할 때 저주파 해석기법의 패치 모델은 한 변의 길이 가 최대 0.1 λ를 넘어가지 않도록 설정하여 해석하였다(Fig. 5).

Table 3과 4는 각각 MF 대역과 HF 대역의 선정된 주파수 에 대한 저주파 해석기법과 고주파 해석기법의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. Table 3과 4에서 보는 것처럼 두 해석결과 의 차이가 1 dB 내외로 미미함을 알 수 있다. 따라서 속도가 빠른 고주파 해석기법을 MF 및 HF 대역에 대해 수행한 분 석결과는 신뢰할 수 있음을 확인하였다.

3.2 분석 결과

3.1항에서 검증된 고주파 기법을 사용하여 MF 및 HF 대 역을 분석하였으며 그 결과인 수신 전력은 Table 5에 제시하 였다. Table 5에서 보는 바와 같이 풍력발전단지가 설치되더 라도 Tx1의 위치를 제외하고는 최소 수신감도(-107.0 dBm) 이상의 전계가 수신됨을 알 수 있다. Tx2에서 Rx2 사이의 구 간과 Tx3에서 Rx1 사이의 구간은 기존의 고도 80 ~ 200 m의 지형에 의한 부분적인 통신 음영구역으로 풍력발전기에 의 한 영향은 미미하다. Tx1에서 송신하는 경우에는 풍력발전 기가 설치됨에 따라 수신 전력이 상당히 감소함을 알 수 있 는데, 이러한 영향을 Fig. 6에서 살펴보면 설치 예정인 풍력 발전기가 Tx1과 Rx1 ~ 2의 가시선을 정확히 간섭하기 때문임 을 알 수 있다.

풍력발전기들이 가시선을 간섭하지 않도록 Tx1 ~ 3의 위치 를 수정하여 해석한 수신 전력은 Table 6과 같다. 이는 해상 에서 선박이 이동 또는 표류하면서 조난통신을 보내는 상황 을 가정한 것으로, Table 6에서 보는 것처럼 가시선을 차폐 하지 않는 풍력발전기는 수신 전력에 영향을 주지 않음을 알 수 있다.

또한 MF 및 HF 대역은 파장이 풍력발전기보다 상대적으 로 길기 때문 큰 장애물로 작용하지 않는 것으로 판단된다. 따라서 풍력발전단지 주변에서 송신한 MF 및 HF 대역의 조 난신호를 육상 기지국에서 수신하는 것은 문제가 없으며, 소규모 발전단지의 존재 여부가 수신 전계의 세기에는 거의 영향을 끼치지 못하는 것으로 판단된다.

4. 결 론

국내 서남해 해상에 8 MW급 풍력발전기를 기반으로 2 × 6 배열의 해상풍력 발전단지가 조성될 예정이며, 이에 따라 발전단지 주변 해상에 위치한 선박에서 송신한 MF 및 HF 대역의 조난신호가 육상 기지국에 수신되는가에 대한 영향 을 수치적으로 분석하였다.

해상풍력 발전단지 부근에서 송신한 신호에 대해 수신 안 테나에서의 전력을 분석한 결과, 타워 지름 4.5 m의 풍력발 전기가 송신 선박과 육상 기지국간의 가시선에 정확히 위치 할 경우에는 수신 전력이 낮아지게 되나, 가시선을 조금이 라도 벗어나게 되면 거의 동일한 수준으로 전파를 수신할 수 있다. 이는 선박이 정선하더라도 상대적인 위치는 변하 기 때문에 풍력발전기가 가시선에 정확히 위치하는 확률은 극히 적으므로 MF 및 HF 대역의 조난통신에는 간섭을 거의 일으키지 않을 것이다. 그리고 풍력발전기가 대형 구조물이 기는 하나 타워의 직경은 수 미터에 불과하므로 지향성이 없고 파장이 긴 MF 및 HF 대역에 대해서는 큰 장애물로 작 용하지 않는 것으로 생각할 수 있다.

다만, 본 논문에서는 특정 지형과 풍력발전단지의 구성을 중심으로 전자파 해석을 수행하였기 때문에 지형이나 발전 단지의 구성이 다르면 전자파의 산란 특성이 달라지는 한계 가 있다. 따라서 풍력발전단지의 구성이나 주변 환경이 다 를 경우에는 이를 반영하여 해석이 필요하다. 또한 본 논문 에서는 모델링의 용이성을 고려하여 해수면을 평면으로 가 정하고 해석하였으나, 좀 더 정확한 해석을 위해서 해수면 의 모델링을 반영한 심도 있는 연구가 필요하다.