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문제 정의
- 태양광발전시스템의 설치를 고려하는 초기 설계단계에서는 식(1)의 최적화 함수에 있어서 해당 주택의 연간전력사용량은 실적치가 아니고 추정치가 될 수밖에 없다. 따라서 본 연구에서는 설계단계에서 제시한 모델을 사용하는 상황을 가정하여 주택의 월별 전력사용량을 추정하는 방법에 대해서도 고려하도록 한다. 그러나 실제 현장 적용의 편의를 위해 유사한 주택의 월 전력사용량을 그대로 사용하는 것도 무방할 것으로 판단된다.
- 본 연구는 일반주택에서 태양광발전시스템을 설치하고자 할 때, 해당지역에서 가장 경제적인 규모의 태양광발전용량 선정을 위한 최적화 설계기법 적용 가능성을 제시한 것에 의미를 둘 수 있다. 실제 적용시에는 태양광모듈의 경사각은 고정하고 태양광모듈의 최적용량만 추정할 수도 있을 것이다.
- 본 연구에서는 목적함수로 연간 전력요금비용과 태양광설치에 따른 연간 비용을 정의하고 이를 최소화하는 태양광시스템의 용량과 설치각도를 구하는 것을 목표로 하였다.
- 본 연구에서는 우리나라의 일반적인 주택에 태양광발전시스템을 설치하는 경우에 있어서 설계단계에서 고려할 수 있는 최적의 태양광발전시스템 설치용량 및 경사각에 대한 최적화 과정을 논하였다. 특정 지역에 있어서 태양광모듈의 용량과 설치경사각에 따른 태양광에너지 출력함수를 태양광발전 시뮬레이터인 PVWATTS를 이용하여 추정하는 방법을 제시하였다.
- 본 연구에서는 일반 주택에 있어서 태양광발전시스템을 설치할 경우, 설계단계에서 최적의 경제성을 확보할 수 있는 태양광발전시스템의 용량과 설치각도를 도출할 수 있는 최적화 기법을 제안하였다. 제안된 최적화모델의 목적함수는 태양광발전시스템 설치에 따른 연간 고정비용 및 운전유지 비용과 태양광발전시스템 도입후의 발생할 것으로 예상되는 전력요금을 최소화하도록 설계되었다.
가설 설정
- 본 연구에서는 일반 주택의 경우, 추적식의 태양광발전시스템은 초기 비용 및 운영 면에서 경제성이 떨어진다고 판단하였기 때문에, 고정식의 태양광발전시스템을 설치한다고 가정하였다. 또한 주택의 전력요금 최소화를 위해 가장 경제적인 규모의 태양광발전시스템을 설치한다는 것이 목적이기 때문에 잉여전력이 발생하지 않을 정도의 용량으로 제한하였고, 잉여전력이 발생하였다 하더라고 전력시장에 판매하지 않는다고 가정하였다.
- 또한 태양광 설치에 따른 연간 비용은 연간 고정비용과 운전유지비용으로 구성되는데, 연간 고정비용은 초기 태양광 발전시스템의 내용연수를 25년으로 가정하고 초기 설치비용을 자본회수계수를 이용하여 연간균등가치로 배분한 후, 이를 연간 고정비용으로 정의하였다. 또한 연간 운전유지비용은 태양광발전시스템의 운전과 유지 보수에 소요되는 연간비용으로 정의하였다 이에 대한 자세한 설명은 2.
- 본 연구에서는 일반 주택의 경우, 추적식의 태양광발전시스템은 초기 비용 및 운영 면에서 경제성이 떨어진다고 판단하였기 때문에, 고정식의 태양광발전시스템을 설치한다고 가정하였다. 또한 주택의 전력요금 최소화를 위해 가장 경제적인 규모의 태양광발전시스템을 설치한다는 것이 목적이기 때문에 잉여전력이 발생하지 않을 정도의 용량으로 제한하였고, 잉여전력이 발생하였다 하더라고 전력시장에 판매하지 않는다고 가정하였다.
- 정부의 보급사업의 경우, 주택용 태양광발전시스템의 용량은 보통 3kW를 기준으로 하고 있으며, 이를 넘어 과도하게 많은 용량의 태양광발전 용량을 주택에 도입하는 것은 비효율적이라는 판단 하에 본 연구에서는 태양광발전시스템의 용량을 3kW이하로 제한하였다. 또한 태양광 모듈 경사각의 경우 15°이하, 60° 이상에서는 발전량이 다른 경사각에 비하여 급격히 줄어들기 때문에 제약조건에 포함시켰다.
- 이때, 목적함수에는 현행 누진제의 전력요금을 표현되는 전력구입비용과 태양광발전시스템의 설치비용 및 연간유지비용이 구성요소가 된다. 특히 태양광발전시스템의 초기설치비용은 25년 균등 상환한다는 가정 하에 자본회수계수를 이용하여 연간고정비용으로 환산하였다. 최종적으로 최적화모델은 SQP 알고리즘을 적용하여 Matlab상에서 시뮬레이션을 실시하였다.
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