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문제 정의
- 강원지역은 태백산맥을 중심으로 비교적 고도가 높고 복잡한 지형으로 인하여 자원개발 및 토지이용이 한정적으로 이루어지고 있으며 다른 지역과 비교하여 면적대비 활용성이 현저하게 떨어지고 있다. 따라서 이 연구에서는 복잡한 지형 및 고해상의 자료들을 이용하여 태양 에너지 자원지도를 구축하고 태양발전관련 자료들을 적용하여 태양광 발전 가능성 및 효율성을 평가하였다.
- 이 연구에서는 강릉원주대학교에서 개발한 GWNU 태양복사 모델을 이용하여 지표면에 도달하는 태양광 에너지를 계산하였다. 태양 복사 모델은 Iqbal의 태양복사 이론에 기초하였으며 NREL의 방법을 일부 수정 적용하여 개발되었다.
제안 방법
- 이 연구에서는 조일성 등(2010)이 개발한 강릉원주대학교(GWNU) 태양복사 모델을 이용하였다. 이 모델은 Iqbal(1983)의 태양복사 모델이론을 기반으로 제작되었으며 미국 NREL에서 사용된 태양복사 모델(Bird, 1984) 이론을 수정 및 적용하였다. 지표면에 도달하는 태양광(태양복사)은 물리적 과정에 따라 직달 일사와 산란 일사로 구분되고 지표면에서 이 요소들은 분리 관측(직달과 산란 및 전천 일사)할 수 있다.
- 기상청 지역예보 모델인 RDAPS (Regional Date Assimilation and Prediction System; 10 km × 10 km)예측자료에서 가강수량 자료를 계산하여 사용하였고 이들 자료는 6시간 간격의 자료이기 때문에 시간 내삽하여 적용하였다.
- 해상도 1˚×1˚의 AQUA와 TERRA 위성의 MODIS의 에어로솔 광학두께 그리고 AURA 위성의 OMI의 오존전량 자료를 이용하여 격자점에 맞도록 내삽하였다.
- 기상청 지역예보 모델인 RDAPS (Regional Date Assimilation and Prediction System; 10 km × 10 km)예측자료에서 가강수량 자료를 계산하여 사용하였고 이들 자료는 6시간 간격의 자료이기 때문에 시간 내삽하여 적용하였다. 구름 자료는 정기궤도 위성인 MTSAT-1R 의 운량과 가시광선 영역의 반사도를 이용하여 구름 요소(CloudFactor; 기상청, 2009)를 계산하여 적용하였다. 이 연구에 사용된 입력 자료를 표 1에 정리하였다.
- 한국전력 및 에너지공단은 전력생산과 관련하여 매년 발전설비 및 발전량 등을 조사하여 통계연보를 공개하고 있다(에너지공단, 2008, 2009; 한국전력공사, 2008, 2009). 이 연구에서는 강원지역 및 전국에 대한 태양광 발전설비 및 발전량 자료를 이용하여 강원지역에 대한 효율성 및 태양광 발전에 대한 발전가능지역을 산출에 적용하였다.
- 태양광 에너지는 GWNU 태양복사 모델을 이용하여 강원지역을 중심으로 수평면과 지형을 고려한 경우에 대하여 계산하였다. 지형을 고려하였을 때 가장 중요한 지형자료는 SRTM 3초(90m 해상도)자료를 이용하여 4 km 와 1 km 및 180 m 자료로 내삽하여 계산하였다. 계산을 위한 지형고도, 경사와 향 및 하늘시계요소는 그림 2∼4와 같다.
- 최근 남한지역의 신재생에너지 발전은 급격한 증가를 보이고 있으며 특히 태양광 발전의 경우 1998년을 시작으로 2008년에는 풍력 다음으로 높은 발전 효율을 보이고 있다. 에너지공단과 한국전력공사에서 발표된 2008년과 2009년 태양광 설비 및 전력 생산량 통계자료를 이용하여 지역별로 발전량과 설비량및 효율을 표 2에 정리하였다.
- 3.1절의 강원지역의 태양광 자원지도와 지형효과를 고려하여 태양광 발전량의 지도를 작성하였다. 태양에너지가 100% 전기로 전환되었을 때의 잠재 발전량과 최근 신안의 대규모 태양광 설비(24 MW)를 기준으로 하였을때 발전설비 가능량 그리고 2009년 한국전력의 태양광 발전소의 발전효율을 기준으로 예상발전량을 계산하였다.
- 1절의 강원지역의 태양광 자원지도와 지형효과를 고려하여 태양광 발전량의 지도를 작성하였다. 태양에너지가 100% 전기로 전환되었을 때의 잠재 발전량과 최근 신안의 대규모 태양광 설비(24 MW)를 기준으로 하였을때 발전설비 가능량 그리고 2009년 한국전력의 태양광 발전소의 발전효율을 기준으로 예상발전량을 계산하였다.
- 태양에너지가 지상에 도달될 때 100% 전기로 전환되었을 때의 발전량을 계산하였다. 3.
- 이 발전소를 기준으로 강원지역의 태양광발전의 가능한 발전설비지도를 계산하였다.
- 이 연구에서는 강릉원주대학교에서 개발한 GWNU 태양복사 모델을 이용하여 지표면에 도달하는 태양광 에너지를 계산하였다. 태양 복사 모델은 Iqbal의 태양복사 이론에 기초하였으며 NREL의 방법을 일부 수정 적용하여 개발되었다. 해상도에 따른 계산을 위해서는 그에 해당되는 입력 자료가 요구되며 지역규모의 모델 예측자료,위성자료 및 지상 관측 자료를 수집하여 입력 자료를 구축하여 GWNU 태양복사 모델을 수행하였다.
- 태양 복사 모델은 Iqbal의 태양복사 이론에 기초하였으며 NREL의 방법을 일부 수정 적용하여 개발되었다. 해상도에 따른 계산을 위해서는 그에 해당되는 입력 자료가 요구되며 지역규모의 모델 예측자료,위성자료 및 지상 관측 자료를 수집하여 입력 자료를 구축하여 GWNU 태양복사 모델을 수행하였다. 또한 해상도에 따른 지형자료를 구축하여 지형효과가 적용된 태양광 에너지를 계산하였다.
- 해상도에 따른 계산을 위해서는 그에 해당되는 입력 자료가 요구되며 지역규모의 모델 예측자료,위성자료 및 지상 관측 자료를 수집하여 입력 자료를 구축하여 GWNU 태양복사 모델을 수행하였다. 또한 해상도에 따른 지형자료를 구축하여 지형효과가 적용된 태양광 에너지를 계산하였다. 수평면뿐만 아니라 복잡한 지형에 대하여 계산 가능하기 때문에 더욱 현실적인 값을 산출하게 된다.
- 특히 지형효과가 고련된 태양광 자원지도를 분석하였을 때 지형의 경사가 남향일 때 수평면일 때보다 태양광 발전에 유리함을 확인할 수 있었다. 그리고 실제 한반도의 태양광 발전에 관련된 통계자료를 수집하여 강원지역의 태양광발전에 대한 특성을 살펴보았으며 발전설비및 발전량을 이용하여 발전소의 효율을 분석 하였다. 2008년과 2009년 발전설비 및 발전량은 다른 지역과 비교하여 적었으나 2008년 발전효율은 최고 수준이었고 투자나 설비 개선이 이루어지지 않은 2009년에는 하위권으로 발전 효율이 떨어졌다.
- 태양광 자원지도를 기준으로 태양광 발전통계 자료 및 실제 발전설비와 발전효율을 이용하여 4km와 1km 및 180m 해상도의 강원지역 태양광 발전량 지도를 작성하였으며 지형효과 및 지형 특성을 고려하여 발전 설비 가능지도를 작성하여 태양광 발전의 기초자료로 활용할 수 있도록 하였다. 고해상도 자료에서는 복잡한 지형으로 그 특성을 뚜렷이 볼 수 없으나 4km와 1km 해상도지도에서는 태양광 자원지도와 마찬가지로 원주 및 영월지역에서 발전소 건설 및 에너지 생산의 효율이 높은 것으로 나타났다.
대상 데이터
- 지표면 도달 일사량을 계산하기위하여 2.1절에 설명된 GWNU 태양복사 모델을 이용하였으며 이 모델을 구동하기 위한 입력 자료는 2009년 위성과 지역규모의 수치 모델 그리고 관측 자료 등을 이용하였다.
- 지표면에 도달하는 태양광은 지표면 고도에 따라 크게 변화하기 때문에 태양광 자원지도 제작을 위하여 정밀한 지형자료가 요구되어 미국 NASA(National Aeronautics and Space Administration) SRTM(Shuttle Radar Topographic Mission)의 3초 자료(약 90m의 해상도)를 사용하였다. 강원지역의 지면특성은 MODIS에서 제공하는 0.
- 지표면에 도달하는 태양광은 지표면 고도에 따라 크게 변화하기 때문에 태양광 자원지도 제작을 위하여 정밀한 지형자료가 요구되어 미국 NASA(National Aeronautics and Space Administration) SRTM(Shuttle Radar Topographic Mission)의 3초 자료(약 90m의 해상도)를 사용하였다. 강원지역의 지면특성은 MODIS에서 제공하는 0.05˚ 월평균 자료가 사용되었으며 해상도에 따라 내삽하여 이용하였다. 해상도 1˚×1˚의 AQUA와 TERRA 위성의 MODIS의 에어로솔 광학두께 그리고 AURA 위성의 OMI의 오존전량 자료를 이용하여 격자점에 맞도록 내삽하였다.
이론/모형
- 이 연구에서는 조일성 등(2010)이 개발한 강릉원주대학교(GWNU) 태양복사 모델을 이용하였다. 이 모델은 Iqbal(1983)의 태양복사 모델이론을 기반으로 제작되었으며 미국 NREL에서 사용된 태양복사 모델(Bird, 1984) 이론을 수정 및 적용하였다.
- 그러나 시·공간 분포에 따른 연직 입력 자료 확보가 불가능하고 계산 시간이 오래 걸리는 단점 때문에 이 연구를 위해서는 다층 모델 채택은 적절하지 못하기 때문에 GWNU 태양복사 모델은 다층 기준 모델(Line-by-Line Model; Chou and Suarez, 1999)을 이용하여 보정하였다.
- Lai et al.(2010)의 방법을 이용하여 그림 1과 같이 직달 성분과 산란 성분을 계산하였다.
- 태양광 에너지는 GWNU 태양복사 모델을 이용하여 강원지역을 중심으로 수평면과 지형을 고려한 경우에 대하여 계산하였다. 지형을 고려하였을 때 가장 중요한 지형자료는 SRTM 3초(90m 해상도)자료를 이용하여 4 km 와 1 km 및 180 m 자료로 내삽하여 계산하였다.
성능/효과
- 수평면 도달 태양광과 지형효과를 고려한 태양광을 복사 모델을 이용하여 계산하였으며 이들의 차이를 그림 5에 나타내었다. 계산 해상도가 높을수록 정밀한 값을 표현할 수 있으며 해상도가 높을수록 그 차이가 큰 것을 그림에서 확인할 수 있으며 복잡한 지형이 많은 강원지역에서 남향인 경사지에서 뚜렷한 차이를 볼 수 있다. 태양광 계산에서 중요한 직달 일사량에서 뚜렷한 차이를 볼 수 있으나 산란 일사에서는 그 차이가 뚜렷하게 나타나지 않는다.
- 3.3.1절과 같은 조건일 때 4km 지도의 최대발전설비는 880MW이고 1km 지도에서는 86MW 그리고 180m 해상도의 지도에서는 2.2MW이다.
- 2절에서 계산된 설비를 기준으로 발전효율을 곱하면 예상되는 발전 가능량이 산출할 수 있다. 3.3.1절과 같은 조건일 때 4 km 지도의 최대 예상 발전량은 130MW이고 1km 지도에서는 13MW 그리고 180m 해상도의 지도에서는 0.33MW이다. 이러한 발전량은 신안 태양광 발전소와 동일한 규모로 설비했을 때의 양이며 지표의 특성은 고려되지 않은 값이다.
- 강원지역에서 최대의 설비로 태양광 발전을 계산해 보았으며 예상 발전지는 원주와 영월 그리고 영동 해안지역으로 나타났다. 3.
- 3.3절의 결과는 태양광자원지도를 고려하여 작성되었으나 지형이 북향이거나 경사각이 20도 이상일 때는 태양광 발전설비의 설치가 힘들어 진다. 따라서 3.
- 4km와 1km 및 180m 해상도의 강원지역을 중심으로 수평면 및 지형효과에 따른 태양광 자원지도를 계산하였으며 그들의 차이를 보였다. 특히 지형효과가 고련된 태양광 자원지도를 분석하였을 때 지형의 경사가 남향일 때 수평면일 때보다 태양광 발전에 유리함을 확인할 수 있었다. 그리고 실제 한반도의 태양광 발전에 관련된 통계자료를 수집하여 강원지역의 태양광발전에 대한 특성을 살펴보았으며 발전설비및 발전량을 이용하여 발전소의 효율을 분석 하였다.
- 또한 경사지가 많은 강원지역의 경우 동일한 수평면적에 대하여 경사지의 경우 태양광 설비시 공간 활용이 높은 유리한 지형적 특성을 가지고 있다.이러한 기상학적 그리고 지형적 특성을 고려할 때 강원내륙인 영월, 원주지역이 상대적으로 태양광 발전 가능성 높은 것으로 분석되었다.
- 태양광 자원지도를 기준으로 태양광 발전통계 자료 및 실제 발전설비와 발전효율을 이용하여 4km와 1km 및 180m 해상도의 강원지역 태양광 발전량 지도를 작성하였으며 지형효과 및 지형 특성을 고려하여 발전 설비 가능지도를 작성하여 태양광 발전의 기초자료로 활용할 수 있도록 하였다. 고해상도 자료에서는 복잡한 지형으로 그 특성을 뚜렷이 볼 수 없으나 4km와 1km 해상도지도에서는 태양광 자원지도와 마찬가지로 원주 및 영월지역에서 발전소 건설 및 에너지 생산의 효율이 높은 것으로 나타났다.
후속연구
- 지형에 의한 주변 차폐를 나타내는 하늘시계요소가 복잡하게 나타나 주변 지형에 의한 지면도달 일사량의 특성을 뚜렷하게 구분 지을 수 있다. 그러나 해상도가 높기 때문에 그에 따른 그림의 크기도 확대되어야만 관심지점의 태양광 특성을 확인 할 수 있을 것으로 분석된다.
- 발전 가능지도는 0∼100%로 표현되며 100%에 가까울수록 발전량이 높고 발전설비의 설치가 쉬운 곳이다. 최대 해상도가 180m이기 때문에 이 자료는 참조자료로 활용될 수 있고 직접적인 적용은 설치가능 위치에 대한 답사나 세밀한 조사가 수반되어져야 한다.
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