[논문]친환경 농촌마을계획을 위한 재생에너지 활용방안 연구 - 태양에너지 자원분석 -

남상운; 김대식

doi:10.5389/ksae.2008.50.3.105

문제 정의

따라서 본 연구에서는 재생에너지를 활용한 친환경 농촌마을 정비방안을 모색하고자 대표적인 유형의 3개 농촌마을을 대상으로 기상관측자료를 이용하여 태양에너지 자원을 분석하고, 태양광 발전량과 태양열 온수 생산량을 예측하여 농촌마을의 에너지 사용실태조사 결과와 비교 평가하였다.
있다. 따라서 본 연구에서는 남향 경사각 30도에 대하여 태양에너지 자원분석을 실시하였다.
2%로 단독 난방시스템으로 사용하기에는 부족한 실정이다 (김용기 등, 2006). 따라서 농촌주택의 난방용으로 태양열을 이용하기위해서는 상당히 넓은 집열면적과 큰 축열조를 필요로 하고, 이들을 주거공간에 설치하는 것은 어렵기 때문에 적용이 곤란하므로 본 연구에서는 온수급탕시스템으로 사용하는 것을 전제로 태양열 시스템을 평가하였다.

가설 설정

태양열 집열판 설계시 집열효율은 55%로 설정하고 있으나(김용기 등, 2006), 실증연구에 의하면 일사량이 양호한 경우 40~60%의 범위를 보이고 연평균 1일 집열효율은 45% 정도인 것으로 보고하고 있다(주현로 등, 2006). 따라서 본 연구에서는 집 열효율을 45%로 가정하였으며 온수 공급온도는 50℃ 로 설정하였다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 재생에너지를 활용한 친환경 농촌마을 정비방안을 모색하고자 대표적인 유형의 3개 농촌마을을 대상으로 기상관측자료를 이용하여 태양에너지 자원을 분석하고, 태양광 발전량과 태양열 온수 생산량을 예측하여 농촌마을의 에너지 사용실태조사 결과와 비교 평가하였다.
김대식, 2007). 이 값을 전력량(kWh)으로 환산한 후 한국전력공사의 전력통계(1991~2006) 자료로부터 가정용 전력사용량의 월별 패턴을 구하고, 이를 적용하여 대상농촌마을의 월별 전력사용량을 예측하였다(농림부, 2007).
전형적인 농촌마을인 금산군 진산면 막현리는 금산기상관측소, 해안평야지역인 당진군 우강면 부장리는 서산기상대, 복합영농지역인 당진군 합덕읍 소소리는 천안기상관측소의 기상관측 자료를 이용하여 태양에너지 자원분석을 실시하였다. 태양광발전시스템은 국내의 주택용 건물에 가장 많이 보급되어 있는 1모듈 3kWp 출력 용량의 PV시스템을 대상으로 선정하여 국내 실험 발전효율과 각 지역별 경사면 일사량 환산 자료를 이용하여 태양광 발전량을 예측하고, 대상 농촌마을의 에너지사용 실태조사 결과의 전력사용량과 비교 평가하였다.
전형적인 농촌마을인 금산군 진산면 막현리는 금산기상관측소, 해안평야지역인 당진군 우강면 부장리는 서산기상대, 복합영농지역인 당진군 합덕읍 소소리는 천안기상관측소의 기상관측 자료를 이용하여 태양에너지 자원분석을 실시하였다. 태양광발전시스템은 국내의 주택용 건물에 가장 많이 보급되어 있는 1모듈 3kWp 출력 용량의 PV시스템을 대상으로 선정하여 국내 실험 발전효율과 각 지역별 경사면 일사량 환산 자료를 이용하여 태양광 발전량을 예측하고, 대상 농촌마을의 에너지사용 실태조사 결과의 전력사용량과 비교 평가하였다. 마을 전체의 평균적인 전력사용량과 비교할 때 1모듈의 태양광발전 시스템으로 막현리와 소소리의 경우 각각 182.
1%로 부족한 것으로 나타났다. 태양광발전 시스템과 동일한 일사량 자료를 이용하여 태양열온수 시스템의 적용성을 분석하였다. 집열면적 2.

대상 데이터

분석 결과를 농촌마을의 에너지 사용 실태조사 결과와 비교 평가하기 위하여 필자들이 발표한 논문 (남상운, 김대식, 2007)의 조사대상지역과 동일한 농촌 마을을 연구대상으로 하였으며, 3개의 대상 농촌 마을은 금산군 진산면 막현리(중산간지역의 전형적인 농촌 마을), 당진군 우강면 부장리(해안지역의 평야 지대 농촌마을), 당진군 합덕읍 소소리(축산농가를 포함하는 복합영농지역의 농촌마을)이다.
대상농촌마을의 태양에너지 자원 분석을 위하여 막현리는 금산기상관측소(충남 금산군 금산읍 소재), 부장리는 서산기상대(충남 서산시 수석동 소재), 소소리는 천안기상관측소(충남 천안시 신방동 소재)의 기상관측 자료를 이용하였다(Table 1). 당진군 부장리와 소소리는 모두 서산기상대와 천안기상관측소의 중간 부분에 위치하고 있으나 해안지역 특성을 갖고 있는 부장리는 서산기상대, 내륙지역 특성을 갖고 있는 소소리는 천안 기상관측소의 자료를 이용하였으며, 기상자료는 Table 2와 같은 30년간(1971 ~ 2000) 의평년값을 사용하였다(기상청, 2007).
자료를 이용하였다(Table 1). 당진군 부장리와 소소리는 모두 서산기상대와 천안기상관측소의 중간 부분에 위치하고 있으나 해안지역 특성을 갖고 있는 부장리는 서산기상대, 내륙지역 특성을 갖고 있는 소소리는 천안 기상관측소의 자료를 이용하였으며, 기상자료는 Table 2와 같은 30년간(1971 ~ 2000) 의평년값을 사용하였다(기상청, 2007).
이와 같이 이론적인 방법으로 수평면일사량을 경사면 일사량으로 환산하기 위해서는 시간대별로 태양고도를 추적하고 기간별로 적산해야 하기 때문에 매우 복잡하고, 또한 일사량 성분을 직달과 산란으로 나누어야 하는데 대기투과율에 따라 달라지므로 이를 정확히 예측하는 것은 매우 어렵다. 따라서 본 연구에서는 Table 3에 제시된 대전지방에서의 방위별 경사면일사량 실측 분석자료를 이용하여 환산하였다(조덕기 등, 2001).
6%를 적용하였다(안교상 등, 1999). 태양광발전시스템은 국내의 주택용 건물에 가장 많이 보급되어 있는 3 kWp 출력 용량의 시스템을 대상으로 선정하였으며, 그 특성은 Table 4와 같다.
분석에 사용한 평판형 태양열 집열기는 폭 1.2m, 길이 2.2m, 두께 81mm, 1일 온수생산 용량 150/ 인 시제품의 성능을 이용하였으며 집열면적은 2.64m2 이다. 태양열 집열판 설계시 집열효율은 55%로 설정하고 있으나(김용기 등, 2006), 실증연구에 의하면 일사량이 양호한 경우 40~60%의 범위를 보이고 연평균 1일 집열효율은 45% 정도인 것으로 보고하고 있다(주현로 등, 2006).

성능/효과

결과이다. 태양에너지에 의한 연간 태양광 발전량은 3 kWp 출력 용량의 1모듈을 기준으로 막현리 6, 711 kWh, 부장리 4, 174 kWh, 소소리 8, 097 kWh 에 이르는 것으로 분석되었다.
1은 대상농촌마을의 월별 전력 사용량과 본연구에서 분석한 태양광발전 잠재력을 비교한 것이다. 막현리와 소소리의 경우에는 마을 전체의 평균적인 전력사용량과 비교할 때 3 kWp 모듈의 태양광발전 시스템으로 충분한 전력을 공급할 수 있는 것으로 나타났다. 연간 평균 전력 사용량을 기준으로 하면 막현리 3, 678 kWh, 소소리 4, 738 kWh를 소비하는데 비하여 태양광발전량은 6, 711 kWh 및 8, 097 kWh로서 각각 182.
막현리와 소소리의 경우에는 마을 전체의 평균적인 전력사용량과 비교할 때 3 kWp 모듈의 태양광발전 시스템으로 충분한 전력을 공급할 수 있는 것으로 나타났다. 연간 평균 전력 사용량을 기준으로 하면 막현리 3, 678 kWh, 소소리 4, 738 kWh를 소비하는데 비하여 태양광발전량은 6, 711 kWh 및 8, 097 kWh로서 각각 182.5% 및 170.9%의 전력을 생산할 수 있는 것으로 나타났다. 반면 부장리의 경우에는 3~6월과 10월의 5개월을 제외하고는 3 kWp 모듈의 전력생산량이 평균 전력소비량을 밑도는 것으로 나타났다.
전형적인 농촌마을인 막현리는 태양에너지 잠재력이 비교적 높은 것으로 평가되었으며, 복합영농 지역인 소소리의 경우 태양>1]너지 잠재력이 가장 높게 나타났고 더불어 축산농가에 의해 배출되는 바이오에너지 자원도 활용 가능하므로 재생에너지 잠재력이 가장 높은 것으로 판단된다. 부장리는 해안평야 지역에 위치하여 풍력자원은 높을 것으로 예측되지만 태양에너지 잠재력은 가장 낮은 것으로 나타났다.
높은 것으로 판단된다. 부장리는 해안평야 지역에 위치하여 풍력자원은 높을 것으로 예측되지만 태양에너지 잠재력은 가장 낮은 것으로 나타났다. 이는 서해안 지역이 안개와 구름의 영향으로 일조시간이 저감되어 나타난 것으로 판단된다.
태양광발전시스템은 국내의 주택용 건물에 가장 많이 보급되어 있는 1모듈 3kWp 출력 용량의 PV시스템을 대상으로 선정하여 국내 실험 발전효율과 각 지역별 경사면 일사량 환산 자료를 이용하여 태양광 발전량을 예측하고, 대상 농촌마을의 에너지사용 실태조사 결과의 전력사용량과 비교 평가하였다. 마을 전체의 평균적인 전력사용량과 비교할 때 1모듈의 태양광발전 시스템으로 막현리와 소소리의 경우 각각 182.5% 와 170.9%의 전력을 생산하여 충분한 전기를 공급할 수 있는 것으로 나타났으나, 부장리의 경우 96.1%로 부족한 것으로 나타났다. 태양광발전 시스템과 동일한 일사량 자료를 이용하여 태양열온수 시스템의 적용성을 분석하였다.
태양광발전 시스템과 동일한 일사량 자료를 이용하여 태양열온수 시스템의 적용성을 분석하였다. 집열면적 2.64m2의 평판형 태양열 집열기 1모듈을 적용하여 대상 농촌마을의 기상 조건에서 온수생산 능력을 검토한 결과, 막현리와 소소리는 각각 142//day 및 173//day로 3인 가족을 기준으로 할 때 자급이 가능하지만, 부장리는 89 ℓ/day로 집열면적을 50%이상 증가시켜야 할 것으로 판단되었다. 이상의 분석결과로부터 태양에너지는 전형 적 인 농촌마을의 재생에너 지원으로 활용 가능성이 매우 높은 것으로 판단된다.
64m2의 평판형 태양열 집열기 1모듈을 적용하여 대상 농촌마을의 기상 조건에서 온수생산 능력을 검토한 결과, 막현리와 소소리는 각각 142//day 및 173//day로 3인 가족을 기준으로 할 때 자급이 가능하지만, 부장리는 89 ℓ/day로 집열면적을 50%이상 증가시켜야 할 것으로 판단되었다. 이상의 분석결과로부터 태양에너지는 전형 적 인 농촌마을의 재생에너 지원으로 활용 가능성이 매우 높은 것으로 판단된다. 하지만 각 마을의 입지에 따라 매우 상이한 특성을 보이는 것을 발견하였으며, 따라서 효율적인 재생에너지 활용을 위해서는 지역적인 특성에 맞는 그린빌리지 계획을 세워야 할 것으로 판단된다.
13% 에 불과한 것으로 나타났다. 그 중에서 폐기물이 75.9%로 가장 많고, 수력이 18.8%로 뒤를 이었으며, 바이오 3.72%, 태양열 0.71%, 풍력 0.67%, 태양광 0.07%, 지열 0.05%, 연료전지 0.01%의 순으로 나타났다. 한편, 지역별 재생에너지 사용 현황을 살펴보면 풍력은 경북 제주, 강원지역에 집중적으로 설치되어 있는 것을 알 수 있으나 다른 재생에너지원은 뚜렷한 지역적 경향을 찾을 수 없었다.

후속연구

이상의 분석결과로부터 각 마을의 입지에 따라 상이한 특성을 보이는 것을 발견하였으며, 이로부터 그 지역 특성에 맞는 재생에너지 활용계획을 세워야 할 것으로 판단되었다.
이상의 분석결과로부터 태양에너지는 전형 적 인 농촌마을의 재생에너 지원으로 활용 가능성이 매우 높은 것으로 판단된다. 하지만 각 마을의 입지에 따라 매우 상이한 특성을 보이는 것을 발견하였으며, 따라서 효율적인 재생에너지 활용을 위해서는 지역적인 특성에 맞는 그린빌리지 계획을 세워야 할 것으로 판단된다.

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