최근 지속 가능한 도시시스템 구축을 위해 신, 재생에너지 시스템에 대한 사회적 관심이 집중되고 있으며, 이에 따른 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 전체 에너지 소비의 40% 이상을 차지하고 있는 건설부문 또한 이러한 경향이 두드러지고 있다. 조경부문도 재생에너지설비가 적용된 다양한 조경시설물이 제작, 설치되고 있으나, 계획, 설계단계에서 활용 가능한 체계적인 연구가 아직 국내에 보고되고 있지 않다. 본 연구는 조경시설물에 재생에너지 시스템을 적용하면서 발생되는 에너지, 경제적 효과를 정량적으로 도출하여 조경계획 및 설계에 활용하고자 한다. 이를 위해 서울, 인천, 대구의 도시공원 내 가로등 전력을 계통연계형 태양광시스템으로 대체하는 스마트 가로등 적용 시나리오를 적용하여 에너지, 경제적 해석을 수행하였다. 전산모의는 NASA Satellite Meteorological Data를 이용한 청정에너지 전산모의 프로그램인 RETScreen$^{(R)}$을 적용하였다. 결과적으로 해당 도시의 기후적 특성에 따라 발전량 및 경제성의 차이를 보였으며, 본 연구결과는 향후 조경계획 및 설계에 건전한 재생에너지 시스템 적용을 위한 의사결정에 활용될 것으로 사료된다.
최근 지속 가능한 도시시스템 구축을 위해 신, 재생에너지 시스템에 대한 사회적 관심이 집중되고 있으며, 이에 따른 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 전체 에너지 소비의 40% 이상을 차지하고 있는 건설부문 또한 이러한 경향이 두드러지고 있다. 조경부문도 재생에너지설비가 적용된 다양한 조경시설물이 제작, 설치되고 있으나, 계획, 설계단계에서 활용 가능한 체계적인 연구가 아직 국내에 보고되고 있지 않다. 본 연구는 조경시설물에 재생에너지 시스템을 적용하면서 발생되는 에너지, 경제적 효과를 정량적으로 도출하여 조경계획 및 설계에 활용하고자 한다. 이를 위해 서울, 인천, 대구의 도시공원 내 가로등 전력을 계통연계형 태양광시스템으로 대체하는 스마트 가로등 적용 시나리오를 적용하여 에너지, 경제적 해석을 수행하였다. 전산모의는 NASA Satellite Meteorological Data를 이용한 청정에너지 전산모의 프로그램인 RETScreen$^{(R)}$을 적용하였다. 결과적으로 해당 도시의 기후적 특성에 따라 발전량 및 경제성의 차이를 보였으며, 본 연구결과는 향후 조경계획 및 설계에 건전한 재생에너지 시스템 적용을 위한 의사결정에 활용될 것으로 사료된다.
Recently, as the social interest increase has been focused on new renewable energy system to build-up sustainable urban planning system, the related studies have been actively conducting. As well as in other areas, the construction area, which accounts for over 40% of the total energy consumption, c...
Recently, as the social interest increase has been focused on new renewable energy system to build-up sustainable urban planning system, the related studies have been actively conducting. As well as in other areas, the construction area, which accounts for over 40% of the total energy consumption, clearly showed this tendency. Whereas, various landscape facilities applying renewable energy equipments have been manufactured and installed, systematic study available for planning and designing is rarely found in Korea. This study is expected to contribute to the landscape planning and designing by quantifying the energy-efficient and economic advantages of the renewable energy system for landscape facilities. For this purpose, the analysis on the energy-efficiency and economic values under the scenario that the current fossil power supply for the streetlights in urban parks in Seoul, Daegu, and Incheon were replaced by photovoltaic power generation were performed through RETScreen$^{(R)}$ a clean energy simulation program based on the NASA Satellite Meteorological Data. As a result, the generated power and the economic values vary depending on the climatic features of the appointed cities. This study will be used to build up the effective decision-making in applying the clean renewable system to the plan and design of landscaping.
Recently, as the social interest increase has been focused on new renewable energy system to build-up sustainable urban planning system, the related studies have been actively conducting. As well as in other areas, the construction area, which accounts for over 40% of the total energy consumption, clearly showed this tendency. Whereas, various landscape facilities applying renewable energy equipments have been manufactured and installed, systematic study available for planning and designing is rarely found in Korea. This study is expected to contribute to the landscape planning and designing by quantifying the energy-efficient and economic advantages of the renewable energy system for landscape facilities. For this purpose, the analysis on the energy-efficiency and economic values under the scenario that the current fossil power supply for the streetlights in urban parks in Seoul, Daegu, and Incheon were replaced by photovoltaic power generation were performed through RETScreen$^{(R)}$ a clean energy simulation program based on the NASA Satellite Meteorological Data. As a result, the generated power and the economic values vary depending on the climatic features of the appointed cities. This study will be used to build up the effective decision-making in applying the clean renewable system to the plan and design of landscaping.
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문제 정의
본 연구는 최근 지속 가능한 디자인과 관련하여 재생에너지시스템이 적용된 조경시설물의 계획, 설계를 보다 직관적 으로 수행할 수 있는 방안을 제안하고자 한다. 따라서 다양한 재생에너지원 중에서 디자인요소로 활용 가능한 태양광발전설비가 적용된 가로등시스템을 국내 주요도시의 공원가로 등을 대체할 때 발생되는 에너지, 경제적 손익을 산정하고자 한다.
따라서 본 연구는 국내기후환경과 재생에너지자원을 정량적 으로 해석하고,국내 주요도시공원의 에너지, 경제적 관점의 전생애주기 비용분석을 통해 경제적 손익을 창출할 수 있는 수익형 도시공원모델의 가능성을 평가하고자 한다.
본 연구는 스마트 가로등 시스템을 적용한 도시공원모델에 대한 정량적 경제성 평가를 통해 국내 적용 가능성을 도출하고자 한다. 이를 위해 국내기후특성이 대표되는 서울,인천, 대구를 전산모의 대상도시로 선정하였다.
기존 도시공원은 지역주민의 여가생활, 공공복지증진, 도심 미기후조절 등의 순기능을 수행하였으나, 지속가능한 유지관리에 필요한 재원확보기능이 미비하였다. 본 연구는 스마트 가로등 시스템의 전력생산, 경제성 분석을 통해 도시공원의 수익구조가 물리적으로 가능한지를 모의하였다.3개 대상도시의 모의 결과 대구 두류공원이 10년 내에 수익구조로 수렴되어 수익형 도시공원모델의 가능성을 유추할 수 있었다.
본 연구는 최근 지속 가능한 디자인과 관련하여 재생에너지시스템이 적용된 조경시설물의 계획, 설계를 보다 직관적 으로 수행할 수 있는 방안을 제안하고자 한다. 따라서 다양한 재생에너지원 중에서 디자인요소로 활용 가능한 태양광발전설비가 적용된 가로등시스템을 국내 주요도시의 공원가로 등을 대체할 때 발생되는 에너지, 경제적 손익을 산정하고자 한다.
특히 기존 도시공원에 적용되던 재생에너지 시스템은 설치상의 용이성을 제외하면 배터리교환 비용발생 등 유지관리상의 문제점이 도출되고 있다. 이에 본 연구는 기존 독립형 시스템의 경제성을 개선하고 수익형 도시공원모델에 대한 가능성을 확인하기 위해 스마트 가로등 시스템 적용을 모의하였으며, 결과는 다음과 같다.
제안 방법
그리고 RETScreenⓇ의 단순투자회수(SP)모델은 채무 및 자기자본을 포괄하는 총투자비용이 이익으로 회수되는 물리적인 시간을 연간단위로 산출되는 모델을 적용하였다.다음은 도입된 단순투자회수 산식이다.
기존 보안등을 대체하는 제안모델은 LED60W,평균 점등 시간 10시간, 주 7일 연속점등을 기준하여 연산을 수행하였다. 이에 따른 제안모델 전체전력 평균 부하량은 서울 3.
나트륨이 사용되는 현재의 보안등 체계를 기준모델로 하고, 이를 LED등,태양광발전설비가 적용된 스마트 가로등으로 교체 하는 것을 제안모델로 설정하여 전산모의를 진행하였다. 여기서 기준모델은 각 대상공원의 객관적 평가를 위해 일괄적으로 나트륨등 150W, 평균 점등시간 10시간, 주 7일 연속점등을 기본 조건화하였다.
대상도시의 도시공원으로 서울 오동공원, 인천 센트럴공원, 대구 두류공원으로 선정하였다. 대상공원의 가로등 현황은 해당 관할구청 담당자의 협조를 통해 이루어졌으며,사용시간, 설치개소현황 등을 파악하였다.우선 서울 오동공원은 면적 684,366.
대안모델은 스마트 가로등의 기본요소를 충족하도록 설정되었으며,단가는 부가가치세를 포함하고 있다. 여기에는 인건비, 기술개발비, 연구비 등의 제품개발비용이 포함되어 있지 않으며, 보다 상세한 모델단가산정은 Table4와 같다.
나트륨이 사용되는 현재의 보안등 체계를 기준모델로 하고, 이를 LED등,태양광발전설비가 적용된 스마트 가로등으로 교체 하는 것을 제안모델로 설정하여 전산모의를 진행하였다. 여기서 기준모델은 각 대상공원의 객관적 평가를 위해 일괄적으로 나트륨등 150W, 평균 점등시간 10시간, 주 7일 연속점등을 기본 조건화하였다. 그리고 기준모델의 전체전력 평균부하량(PG)은 다음과 같은 산식으로 도출되며, 사용되는 전기기구에 대하여 Weq는 소비전력,Tu는 사용시간,Neq는 수량을 의미한다.
대상 데이터
대상도시의 도시공원으로 서울 오동공원, 인천 센트럴공원, 대구 두류공원으로 선정하였다. 대상공원의 가로등 현황은 해당 관할구청 담당자의 협조를 통해 이루어졌으며,사용시간, 설치개소현황 등을 파악하였다.
본 연구는 스마트 가로등 시스템을 적용한 도시공원모델에 대한 정량적 경제성 평가를 통해 국내 적용 가능성을 도출하고자 한다. 이를 위해 국내기후특성이 대표되는 서울,인천, 대구를 전산모의 대상도시로 선정하였다. 전산모의는 재생에너지적용계획,설계 등에서 복합적인 의사결정이 가능한 RETScreenⓇ을사용하였으며,기후데이터로는 NASA Satellite Meteorological Data를 적용하였다.
이를 위해 국내기후특성이 대표되는 서울,인천, 대구를 전산모의 대상도시로 선정하였다. 전산모의는 재생에너지적용계획,설계 등에서 복합적인 의사결정이 가능한 RETScreenⓇ을사용하였으며,기후데이터로는 NASA Satellite Meteorological Data를 적용하였다. 이는 RETScreen International의 협업을 통해 NASA에서 개발된 기후데이터로 NASA의 Surface Meteorology와 Solar Energy(SSE)데이터를 조합한 것이다.
제안모델에 적용되는 태양광발전 설비에서 생산되는 전력은 전량 한국전력공사에 역송전되며, 야간에 필요한 전력부하는 기존전력망에서 공급받게 된다.이때 역송전 단가는 481.
태양광 모듈은 공원용 가로등에 가장 많이 사용되는 단결정 중소형셀 100Wp급을 사용하였으며, 광원은 전력소모 최적화를 위해 LED60W로 가로등의 높이는 4m로 설정하였다.결정질 태양광모듈의 최적효율을 위해 경사각은 30˚를 유지했으며, 용이한 유지관리를 위해 고정형이 선택되었다.
이론/모형
RETScreenⓇ 경제성 분석모델은 Brealey와 Myers(1991), Garrisonetal.(1990)등에 의한 금융표준모델이 적용되었다 (CLEAN ENERGY PROJECT ANALYSIS:TEXTBOOK -RETScreen). 여기에서 초기투자비용이 발생되는 시점을 0년으로 설정되고 비용 및 융자가 이때 발생된다.
성능/효과
1.각 대상도시에 단위면적별 유입되는 태양복사량은 대구가 수평선상 1.72MWh/m2,30˚ 고정경사상 2.04MWh/m2로 가장 높게 나타났다. 이는 위도, 전운량으로 인한 청명도등의 위치, 기후적 특성이 반영된 결과로 보여진다.
2.대구 두류공원의 경우, 대상지 중에서 가장 높은 설비이용율 19.6%를 기록하여,총 전력생산량은 121.03MWh,연간 총 58,246,134원의 수익을 거두었다. 이는 제안모델의 연간 전력부하량 154.
3.본 제안모델을 기준으로 볼 경우, 단순상환(SP),자기자본 회수(EP)에서 각각 10.9년,9.7년을 기록한 대구 두류공원은 상대적으로 높은 사업성을 보였다.즉,10년부터 35,988,591원의 순수익이 발생하여 모의 마지막 해인 20년에는 누적수익 2,071,373,859원을 기록하였다.
본 연구는 스마트 가로등 시스템의 전력생산, 경제성 분석을 통해 도시공원의 수익구조가 물리적으로 가능한지를 모의하였다.3개 대상도시의 모의 결과 대구 두류공원이 10년 내에 수익구조로 수렴되어 수익형 도시공원모델의 가능성을 유추할 수 있었다.
4.서울 오동공원의 경우, 대구 두류공원에 비해 단순상환 3.2년, 자기자본회수 2.1년이 늦어져 가장 낮은 경제성을 보였다. 이에 따라 상대적으로 낮은 광환경을 극복할 수 있는 태양전지소재적용이 필요할 것으로 사료된다.
반면, 인천 센트럴파크는 11년부터 흑자전환 후 20년에는 1,509,619,528원의 누적수입이 발생하였으며, 대구 두류공원은 10년부터 흑자로 전환되어 20년에는 2,071,373,859원의 수입이 누적되었다. 마지막으로 순 현재가치는 서울 오동공원을 제외한 두 지역 모두 양수를 기록하여 사업성이 있을 것으로 예상된다.
서울,인천, 대구 3개 도시 중 대구 두류공원의 제안모델이 전력생산, 경제성 측면에서 가장 우수한 결과가 도출되었다.반면, 서울 오동공원은 인천 센트럴파크,대구 두류공원에 비해 완만한 증감율을 기록하였으며, 나머지 두 공원에 적용된 제안 모델은 이보다 급격한 증감율을 기록하였다.
기존 보안등을 대체하는 제안모델은 LED60W,평균 점등 시간 10시간, 주 7일 연속점등을 기준하여 연산을 수행하였다. 이에 따른 제안모델 전체전력 평균 부하량은 서울 3.53kW, 인천 14.75kW, 대구 17.6kW로 산출되었으며, 최종 사용자측 에너지효율은 60%로 설정되었다.
태양광발전시스템 성능에 직접적 영향을 미치는 기후요소인 기온과 수평면 일일태양복사량은 서울이 11.9℃,3.22kWh/m2/dy, 인천은 12.2℃,4.05kWh/m2/dy,대구는 14.1℃,4.70kWh/m2/dy로 대구의 일일태양복사량이 가장 높게 나타났다.상대 습도는 해안에 위치한 인천이 가장 높은 12.
후속연구
이로 인하여 보다 현실적인 결과산출에 한계를 가지고 있으며, 이는 후속연구를 통해 보완되어야 할 것이다. 또한 공원의 장소적 한계를 극복하기 위해 입사각, 직달태양복사량에 상대적으로 민감하지 않은 비결정질(a-Si)태양전지가 적용된 가로시설물에 대한 연구개발도 필요할 것으로 사료된다.
본 연구결과는 향후 지속가능한 성장을 위해 기존 조경 설계 및 계획에 수익형 재생에너지 시스템 적용을 위한 기초연구로 활용될 것으로 기대된다.
그리고 한국전력공사에서 시행하고 있는 재생에너지원 전력생산자에 대한 인센티브제도의 지속변수도 고려되지 않았다. 이로 인하여 보다 현실적인 결과산출에 한계를 가지고 있으며, 이는 후속연구를 통해 보완되어야 할 것이다. 또한 공원의 장소적 한계를 극복하기 위해 입사각, 직달태양복사량에 상대적으로 민감하지 않은 비결정질(a-Si)태양전지가 적용된 가로시설물에 대한 연구개발도 필요할 것으로 사료된다.
1년이 늦어져 가장 낮은 경제성을 보였다. 이에 따라 상대적으로 낮은 광환경을 극복할 수 있는 태양전지소재적용이 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
계통연계형 시스템에 관한 기존연구들은 어떤 것들이 있었나?
계통연계형 시스템에 관한 기존연구를 살펴보면 스마트 가로등 시스템의 필터성능개선 시 비용 감소효과와 개별 가로등 운영관리의 효율성을 증대하기 위한 연구(김명호,2009)가 있었으며,스마트 가로등을 위한 컨트롤러 개발에 있어 나타나는 효율적 운용기술,문제점,필요기술,기능의 보완에 관한 연구(윤태민 등,2010),또한 wifi무선통신 기술을 접목한 확장형 인터페이스 기능을 포함하는 가로등 원격제어시스템을 개발한 연구(김영백과 송법성,2011)가 있었다.
주요 가로시설물인 가로등은 기존 전력망과의 연동 여부에 따라 어떻게 구분되고 있는가?
최근 가로시설물을 중심으로 다양한 재생에너지시스템들이 도입되고 있다.주요 가로시설물인 가로등의 경우,기존 전력망과의 연동 여부에 따라 크게 독립형 시스템과 계통연계형 시스템 등으로 구분되어 적용되고 있다.일반적으로 소규모 독립형 시스템이 주로 사용되고 있으나,스마트 가로등(SmartStreet Light)개념이 적용된 계통연계형 시스템의 경우,관리,경제적 측면에서 다양한 연구가 진행 중에 있다.
참고문헌 (8)
김동환(2006) 국내외태양광 기술 및 산업동향. 공학교육연구 13(2): 42-45.
김명호(2009) 스마트가로등 시스템의 전력선 필터성능개선 및 효율 평가. 전기학회논문지 58(2): 154-157.
김영백, 송법성(2011) 스마트 가로등 원격제어 시스템에 관한 연구. 한국전자통신학회 학술대회지 5(1): 412-414.
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