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GIS기반 AHP기법을 이용한 풍력발전소 적지 분석

Title
GIS기반 AHP기법을 이용한 풍력발전소 적지 분석
Other Titles
The Site Analysis for Wind Power Using GIS-Based AHP Method
Authors
전상희
Issue Date
2011
Department/Major
대학원 사회생활학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Master
Advisors
성효현
Abstract
The interest in new&renewable energy is increasing internationally. Among such, wind power generation is rising as the core of new&renewable energy with low production unit cost and high technological maturity. In pace with the trend for new&renewable energy utilization, Korean government has announced the plan to expand the new&renewable energy propagation rate from 2.49% in 2008 to 11% in 2030, and accordingly the amount of energy produced by wind power generation is expected to increase by 40 times in 2030 compared to 2008. As such, the propagation of wind power generation is catalyzed at the national level, the wind power generators are expected to extended - not only increasing the installation capacity, but also installing the generators where the negative effects due to the wind generators can be minimized and the usage efficiency can be higher is necessary. The purpose of this study is to find out an appropriate site for wind power plant centering on Gangwondo. Detailed goals for this include, first of all, deducing the factors that must be considered for site selection. Second, in order to apply weighted value to the deduced factors for overlay analysis, the importance level of each factor must be calculated. Third, the classification criterion corresponding to each factor and the appropriateness grade to classify the data uniformly must be set. Fourth, based on the above results, the appropriate site for the wind power plant is determined in the Gangwondo area, and the property of the site per each score is reviewed. Lastly, the result of this study and the current location of the wind power plant is compared and analyzed. In order to deduce the factors to be considered for site selection of wind power plant, the studies related to site selection of wind power plants were investigated. In order to secure the objectivity and the site applicability of the factors deduced through documentation, an interview with the expert was conducted, through which the site selection factors were ultimately finalized. Each factor had relatively different level of importance so that AHP (Analytic Hierarchy Process) technique was used to calculated the weighted value per factor. For overlay analysis, the appropriateness of the site was classified into 3 grades(very appropriate-5, intermediate-3, poor-1) and classification criteria were prepared for each factor. After classification criteria and weighted values were applied to the data, overlay analysis was executed to determine appropriate sites for wind power plants. In order to find out the wind resource characteristics of the sites per grade as deduced from the results, the yearly average wind power density and monthly average wind power density per grade were analyzed using Arc GIS Desktop 9.3. Also, the current location of the wind power plant complex was implemented as GIS data, which was used for the analysis of the characteristics of the current complex and the interrelationship with the results of this study. The study results can be summarized as follows. First, total of 11 factors were deduced for consideration for site selection of wind power plant. In order to facilitate the analysis, the deduced factors were largely categorized into Physical factors, environment protection factors, human damage factors, and economic factors. Physical factors included wind resources, topography(valley angle, distance to the ridge), and forest density; environment protection factors included land use, preservation area, national park, and Baekdu-Daegan; human damage factors included noise and shade; economic factors included Transmission Line and approaching roads. Second, as the result of calculating importance level per factor using AHP technique, Level 2 showed that natural factors(65%) had the highest importance, followed by economic factors(19%) and environment protection factors(11%) with human damage factors(5%) having the lowest importance level. In the detailed categorization item(Level 3), the importance level was calculated per each factor; among natural factors, wind resources(68%) showed the highest importance, followed by distance to ridge(16%), valley angle(9%), and forestation density(7%). Among environment protection factors, land use(41%) had the highest importance, and national park(27%) and Baekdu-Daegan(22%) appeared similarly high with preservation area (10%) at the lowest. Among human damage factors, noise(50%) and shade (50%) were found to have the same importance level. Among economic factors, power line path(62%) was found to be relatively more important than approaching roads(38%). Third, in this study, the factors to be considered for site selection of wind power plant were classified largely into 4 categories and 11 subcategories, and the data corresponding to each subcategory was constructed. Each data, however, has information of a different unit which is also continuous, so that in order to facilitate overlay analysis, such needs to be classified into uniform appropriateness grading. Thus, according to the level of appropriateness for the wind power plant to settle, the three grades of 'very appropriate,' 'intermediate,' and 'poor' were assigned, and 5 for 'very appropriate,' 3 for 'intermediate,' and 1 for 'poor' were attributed. Also, based on existing researches and expert opinions, the classification criteria for each data were suggested. Fourth, as the result of overlay analysis centering on Gangwondo area, areas from grade 1-5 were found. Grade 5 received the highest grade, and can be said to be the most appropriate site for wind power plants as per the criteria of this report. Most grade 5 areas had the tendency to exist along the ridge of over 600m elevation. Most grade 4 and 5 areas were concentrated on the Taebak mountain range so that this area with relatively high altitudes were found to be appropriate for wind power generation. In order to find out the characteristics of the areas per each grade, the analysis per grade was executed, and as the result, grade 5 areas were found to have very excellent conditions compared to areas with other grades. Grade 5 areas, however, had high forestation density and many are ecological natural level grade 1 areas, and core regions of Baekdu-Daegan are partially included so that difficulties are expected for attaining construction permits from the environmental perspective. Fifth, as the most important factor for site selection is wind resources, it is important to find out the wind resources of the site per grade. Accordingly, wind power density(W/㎡), most representatively used for evaluation of wind resources, was used to figure out the wind resources per grade. As the result of analysis of yearly average wind power density, grade 1 area was 127.64W/㎡, grade 2 area 137.31W/㎡, grade 3 area 243.27W/㎡, grade 4 area 554.27W/㎡, and grade 5 area 546.46W/㎡. Considering that large-scale wind generators are recommended to be installed at a location with 400W/㎡ or more, the installation appears to be appropriate for grade 4 and 5. As the result of analysis of monthly average wind power density, spring, fall, and winter showed high wind power density, but it significantly dropped during summer, indicating a large gap by month. Sixth, as the result of comparing the deduced results of this study and the current location of the wind power generation complex, the 6 complexes in Gangwondo were at grade 3, 4, and 5 locations. All complexes except Taegisan complex and Yangyang complex were located at hilly sections of over 1000m, and most complexes were found to be located at the ridge, indicating that hilly ridges are appropriate for wind power generation. The reason the locations of existing complexes are also at grade 3, 4 sites and not just grade 5 sites is thought to be because the values emphasized by government policy or company policy all differ. This study has its limitations in that it used GIS as the tool for site analysis so that the factors that are difficult to be constructed as spatial data were excluded from consideration. Also, as the targets of the survey were the operators of wind power plants, the weighted values had the tendency to incline towards economic side. As wind power generation complex uses the national land which is the property of all citizens, it appears necessary to consider the opinions of various experts altogether. This report, however, has its significance in that it allowed various factors for site selection to be considered at the same time using AHP and GIS, avoiding the trouble of considering each factor separately. GIS, as it is based on location, may confirm the distribution of the deduced sites right away, and makes it easy to understand the characteristics of the sites. Also, in this study, the study process was constructed into a model so that the varying weighted values and criteria depending on passage of time and situations can be applied and analyzed immediately. This study intends to roughly deduce the candidates for wind power plants, and for finalized decision of a site for a power plant requires over 1 year of post investigation. As such, in order to establish a single wind power plant, a long period of pilot survey and due evaluation are necessary since it is difficult to change the location of a wind power generator once it is installed. Even though the site selection is very critical in case of wind power plants, currently there are not many researches on the site selection of wind power plants in Korea. Before establishing the plan to increase wind power generators, it is necessary to prepare the detailed criteria appropriate for the actual situations. When such detailed criteria are prepared on the national scale, the wind power generation industry of Korea would be able to grow one step further.;세계적으로 신・재생에너지에 대한 관심이 증가하고 있다. 신・재생에너지 중 풍력발전은 낮은 생산단가와 높은 기술성숙도로 신・재생에너지의 핵심으로 떠오르고 있다. 세계의 신・재생에너지 활용에 대한 흐름에 발맞춰 우리나라 정부는 신・재생에너지 보급률을 2008년 2.49%에서 2030년 11%로 확대하겠다는 계획을 발표했으며, 이에 따라 풍력발전 생산 에너지양 역시 2030년에는 2008년에 비해 약 40배 확대될 것으로 예상된다. 이처럼 국가적인 차원에서 풍력발전 보급이 촉진됨에 따라 풍력발전기 또한 증설될 것으로 보인다. 풍력발전기의 설치용량만을 증가시키는 것이 아니라 이용 효율이 높으면서 풍력발전기로 인한 부정적 영향을 최소화 시킬 수 있는 장소에 풍력발전기를 설치할 필요가 있다. 본 연구의 목적은 강원도를 중심으로 풍력발전소가 입지하기에 적절한 장소를 알아보고자 하는 것이다. 이를 위한 세부목적으로는 먼저 풍력발전소 입지선정 시 고려해야 할 요인들을 도출해야 한다. 둘째, 도출된 요인들의 중첩분석 시 가중치를 주기 위하여 각 요인들의 중요도를 산출해야 한다. 셋째, 각 데이터를 일률적으로 분류하기 위한 적절성 등급과 각 요인들에 부합하는 분류기준을 마련할 필요가 있다. 넷째, 위의 결과를 토대로 강원도 지역에서 풍력발전소가 입지하기에 적절한 지역을 찾고 각 점수별 지역의 특징을 알아본다. 마지막으로 본 연구의 결과와 기존 풍력발전소의 위치를 비교・분석한다. 풍력발전소 입지선정 시 고려해야할 요인들을 도출하기 위하여 풍력발전소 입지선정과 관련된 연구들을 조사하였다. 문헌연구를 통해 도출된 요인들의 객관성과 현장에서의 적용가능성 확보를 위하여 전문가와의 인터뷰를 실시하였으며 이를 통하여 최종적으로 입지선정 요인을 확정하였다. 각 요인들은 상대적으로 다른 중요도를 가지므로 AHP(Analytic Hierarchy Process)기법을 이용하여 요인별 가중치를 산출하였다. 중첩분석을 위하여 풍력발전소가 입지하기에 적절한 정도에 따라 3등급(매우적합-5점, 보통-3점, 미흡-1점)으로 구분하고 각 요인별로 이에 맞는 분류기준을 마련하였다. 데이터에 분류기준과 가중치를 부여한 후 중첩분석을 실시하여 풍력발전소가 입지하기에 적절한 지역을 파악하였다. 분석결과 도출된 점수별 지역의 바람자원 특성을 알아보기 위하여 점수별로 연평균 풍력밀도와 월평균 풍력밀도를 Arc GIS Desktop 9.3을 이용하여 분석하였다. 또한 기존풍력발전단지의 위치를 GIS데이터로 구축하고 이를 이용하여 기존풍력발전단지의 특징과 본 연구결과와의 상관성을 분석하였다. 연구결과는 다음과 같이 요약할 수 있다. 첫째, 풍력발전소 입지선정 시 고려해야 할 요인으로 총 11개의 요인이 도출되었다. 분석을 용이하게 하기 위하여 도출된 요인들을 크게 자연적 요인, 환경보호 요인, 인간피해 요인, 경제적 요인으로 분류하였다. 자연적 요인으로는 바람자원, 지형(골짜기 각도, 능선까지의 거리), 산림밀도를 고려하였으며, 환경보호 요인으로는 토지이용, 보존지역, 국립공원, 백두대간을 고려하였다. 인간피해 요인으로는 소음과 그림자를 고려하였으며, 경제적 요인으로는 송전선로, 접근도로를 고려하였다. 둘째, AHP기법을 이용하여 요인별 중요도를 산출한 결과 Level 2에서는 자연적 요인(65%)이 가장 높은 중요도를 가진 것으로 도출되었으며, 다음으로 경제적 요인(19%), 환경보호 요인(11%)이 높게 나타났으며 인간피해 요인(5%)이 가장 낮은 중요도를 가진 것으로 나타났다. 세부분류 항목(Level 3)에서는 각 요인별로 중요도가 산출되었는데, 자연적 요인에서는 바람자원(68%)이 가장 높은 중요도를 보였으며 다음으로 능선까지의 거리(16%), 골짜기 각도(9%), 산림밀도(7%)가 차례대로 높게 나타났다. 환경보호 요인에서는 토지이용(41%)이 가장 중요도가 높았고, 국립공원(27%)과 백두대간(22%)이 비슷한 비율로 높게 나타났으며, 보존지역(10%)이 가장 낮은 중요도를 가진 것으로 나타났다. 인간피해 요인에서는 소음(50%)과 그림자(50%)가 같은 중요성을 가진 것으로 나타났다. 경제적 요인은 송전선로(62%)가 접근도로(38%)에 비해 상대적으로 더 중요한 것으로 나타났다. 셋째, 본 연구에서는 풍력발전소 입지선정 시 고려해야 할 요인을 크게 4가지의 대분류 항목으로 구분하였으며 그 아래 총11개의 세부항목을 두었다. 그리고 각 세부 항목에 부합하는 데이터를 구축하였다. 그러나 각 데이터는 각자 다른 단위의 정보를 가지고 있으며 연속적인 데이터이므로 중첩분석을 용이하게 하기 위해서는 일률적인 적절성 등급으로 구분할 필요가 있다. 이에 풍력발전기가 입지하기에 적절한 정도에 따라 ‘매우 적합’, ‘보통’, ‘미흡’으로 구분하였으며, ‘매우적합’에 5점, ‘보통’에 3점, ‘미흡’에 1점을 부여하였다. 그리고 기존연구와 전문가 의견을 바탕으로 각 데이터에 대한 분류 기준점을 제시하였다. 넷째, 강원도 지역을 중심으로 중첩분석을 실시한 결과 1점부터 5점까지의 지역이 도출되었다. 5점 지역은 가장 높은 점수를 받은 지역으로 본 논문의 기준으로 보았을 때 풍력발전소가 입지하기에 가장 적절한 지역이라고 할 수 있다. 5점을 받은 지역은 대부분 고도 600m 이상에 있는 능선을 따라 존재하는 경향이 있었다. 4점과 5점 지역이 대부분 태백산맥 산지에 몰려있어 상대적으로 고도가 높은 태백산맥 지역이 풍력발전을 하기에 유리한 지역임을 알 수 있었다. 점수별 지역이 어떤 특징을 가지고 있는지 알기 위하여 점수별로 분석을 실시한 결과 5점 지역이 다른 점수를 받은 지역에 비하여 매우 탁월한 조건을 갖추고 있음을 알 수 있었다. 그러나 5점 지역은 산림밀도가 높고 생태자연도 1등급 지역이 많으며, 백두대간 핵심구역도 일부 속해있어 풍력발전소 건립 시 환경적인 측면에서 건립허가에 어려움이 예상된다. 다섯째, 풍력발전 입지선정 시 가장 중요한 것이 바람자원인 만큼 점수별 지역의 바람자원을 파악하는 것이 중요하다. 이에 바람자원을 평가하는데 가장 대표적으로 사용되는 풍력밀도(W/㎡)를 이용하여 점수별 바람자원을 파악하였다. 연평균 풍력밀도를 분석해본 결과 1점 지역이 127.64W/㎡, 2점지역이 137.31W/㎡ 3점 지역이 243.27W/㎡, 4점 지역이 554.27W/㎡, 5점 지역이 546.46W/㎡로 나타났다. 대형풍력발전기가 400W/㎡이상인 곳에 세워지도록 권장된다는 사실로 비춰봤을 때 4점과 5점 지역에 세우는 것이 적절할 것으로 보인다. 점수별로 월별 평균 풍력밀도를 구하여 비교해본 결과 봄, 가을, 겨울에는 풍력밀도가 높게 나타났으나 여름에는 확연히 낮아져 월별로 그 격차가 큰 것을 확인할 수 있었다. 여섯째, 풍력발전소 적지 분석을 통해 도출된 결과와 기존 풍력발전단지의 위치를 비교해본 결과 강원도에 위치한 6개의 풍력발전 단지는 3점, 4점, 5점 지역에 위치하고 있었다. 태기산 풍력발전단지와 양양풍력발전 단지를 제외한 모든 풍력발전단지가 1000m 이상의 고지대에 위치하고 있었으며, 풍력발전단지 대부분이 능선에 위치한 것으로 나타나 고지대 능선이 풍력발전을 하기에 적절한 장소임을 알 수 있었다. 기존 풍력발전단지의 위치가 5점 지역만이 아닌 3점, 4점 지역에 위치하는 것은 정부정책이나 회사의 정책에 따라 중요시하는 가치가 다르기 때문으로 생각된다. 본 논문에서 입지분석을 위한 도구로 GIS를 이용함에 따라 풍력발전소 입지선정 시 고려해야할 요인들 중 공간데이터로 구축되기 어려운 요인들은 고려대상에서 제외되었다는 점에서 한계가 있다. 또한 설문의 대상이 주로 풍력발전소 운영자이다 보니 가중치가 경제적인 측면에 치우치는 경향이 있었다. 풍력발전단지가 우리 모두의 자산인 국토를 이용하는 만큼 다양한 전문가들의 의견이 함께 고려될 필요가 있을 것으로 보인다. 그러나 본 논문은 풍력발전소의 입지를 선정하는데 고려해야 할 다양한 요인들을 각각 따로 고려해야 하는 번거로움 없이 AHP와 GIS를 이용하여 동시에 고려할 수 있도록 했다는데 그 의의가 있다. GIS는 위치를 기반으로 하므로 도출된 지역의 분포를 바로 확인할 수 있으며 장소의 특징을 파악하기가 용이하다. 또한 본 연구에서는 연구과정을 모델로 구축하여 시대와 상황에 따라 변하는 가중치와 기준을 바로 적용하여 분석할 수 있도록 하였다. 본 연구는 풍력발전소의 후보지를 개략적으로 도출하기 위한 것으로 풍력발전소의 입지를 최종결정하기 위해서는 후보지에 대한 1년 이상의 사후조사가 필요하다. 이처럼 하나의 풍력발전소가 세워지기 위해서는 오랜 기간의 사전조사와 이에 대한 평가가 필요하다. 이것은 풍력발전기의 경우 한 번 세워지면 장소이동이 어렵기 때문이다. 이처럼 풍력발전소의 경우 입지선정이 매우 중요함에도 불구하고 우리나라에서는 풍력발전소 입지선정에 대한 연구가 많이 이뤄지고 있지 않다. 풍력발전기 증대라는 계획을 세우기에 앞서 우리나라 현실에 적합한 세부적인 기준들을 마련할 필요가 있다. 국가적으로 풍력발전기를 세우기 위한 세부적인 기준들이 마련될 때 우리나라 풍력사업은 한 걸음 성장할 수 있을 것이다.
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