[논문]부하특성에 따른 복합발전시스템의 최적용량 설계 및 경제성 분석

임종환

doi:10.7736/kspe.2013.30.10.1103

[국내논문] 부하특성에 따른 복합발전시스템의 최적용량 설계 및 경제성 분석
Optimal Capacity Design and Economic Evaluation of Hybrid Generation Systems Based on the Load Characteristics 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.30 no.10, 2013년, pp.1103 - 1109

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This paper presents an optimal capacity design of a Hybrid generation system based on economical evaluation for various loads. Optimal sizes of a standalone and grid connection wind- PV hybrid systems were designed for normal, residential and industrial loads using HOMER (Hybrid Optimization Model for Electronic Renewable). Their economical evaluation were performed and compared with a diesel generation system that covers the same loads. The results showed that the stand alone hybrid generation system can be more economical than a diesel generation system for long term operation.

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문제 정의

본 논문에서는 일반용, 주택용, 산업용 부하 특성에 따른 풍력과 태양광 복합발전시스템의 최적 용량을 경제성 평가를 바탕으로 설계하는 방법을 제시한다. 경제성 평가는 구성된 복합발전시스템의 각 발전시스템 별 초기비용, 교체비용, 유지보수비용, 효율, 수명과 이자율, 프로젝트 기간에 따른 순 현재비용을 기준으로 수행한다.

가설 설정

순 현재비용에서 비용은 양수이고 수입은 음수로 나타내지며, 이는 순 현재가치와는 반대된다. 본 연구에서는 프로젝트 기간 동안 모든 가격이 같은 비율로 상승하는 것으로 가정하였다. 순 현재비용은 다음과 같은 식으로 표현된다.
본 연구에서는 1기당 용량이 10 kW인 BWC Excel-S소형 풍력 발전기를 가정하였는데 수명은 25년 이며 이 발전기의 정격풍속은 12 m/s 이다. 풍력발전 출력을 구하는 모델은 다음과 같다.
55kWh/m²이다. 태양광 모듈의 수명은 20년으로, 모듈의 단위 용량은 20kW 로 각각 가정하였다.
시뮬레이션에 적용된 축전지는 가장 일반적인 Rolls/Surrette사의 S6CS25P 납 축전지를 가정하였는데, 단위용량은 6.94kWh 이고 효율은 80%이다. 이 축전지는 2개가 한 set를 이루며 잦은 충·방전이 예상되어 수명은 4년으로 설정하였다.
컨버터는 인버터와 정류기가 같이 포함된 통합형 시스템으로 가정하였으며 정류기 효율은 95%, 수명은 15년으로 가정하였고 용량은 최대 500 kw로 설정하였다.
순 현재비용의 변수에서 연간이자율(할인율) 8%, 프로젝트 기간은 25년으로 고려하였다.¹⁵ 각 발전구성요소들의 비용은 국내에서 정확한 비용을 알 수가 없을 뿐더러 공개가 되지 않아 외국자료를 근거로 하여 비용을 가정하였다. 여기서 디젤발전기의 단위는 70 kW이다.
최적용량설계에 가정된 복합발전시스템 각 구성요소의 용량범위는 Table 2와 같다. 즉, 풍력은 2set, 태양광은 20 kW, 배터리는 2set, 그리고 컨버터는 10 kW 단위로 용량이 변화되는 것으로 가정하였다. HOMER는 가정된 각 단위발전시스템의 용량 범위 내에서 가능한 모든 용량조합에 대해 자원데이터 및 발전모델을 이용하여 총 프로젝트 기간 동안의 발전량을 계산하고 그것이 부하모델을 충족하는지 여부를 판단한다.
디젤발전기의 용량은 각 산업별 부하의 피크부하가 300 kW인 것을 고려하여 350 kW 발전기를 가정하였다. 디젤유 가격은 리터당 0.
디젤발전기의 용량은 각 산업별 부하의 피크부하가 300 kW인 것을 고려하여 350 kW 발전기를 가정하였다. 디젤유 가격은 리터당 0.8$로 가정하였으며 수명은 20년, 그리고 효율(열효율 및 기계효율)은 일반적인 디젤발전시스템 효율인 35%를 가정하였다. 비용분석 결과는 Table 3과 같다.
본 연구에서는 경제성 평가를 바탕으로 복합발전시스템의 최적용량을 설계하고 그 경제성을 평가하는 가능성을 제시하기 위한 것으로서 산업별 부하와 신재생 에너지 자원량을 임의로 가정하였다. 만약 복합발전시스템이 필요한 지역의 정확한 부하소비량 데이터와 신재생 에너지 자원량의 상세정보가 제공될 경우 그 지역에 대한 최적의 복합발전시스템 용량설계 및 경제성 평가가 가능할 것으로 사료된다.

제안 방법

경제성 평가는 구성된 복합발전시스템의 각 발전시스템 별 초기비용, 교체비용, 유지보수비용, 효율, 수명과 이자율, 프로젝트 기간에 따른 순 현재비용을 기준으로 수행한다. 최적용량설계는 독립형과 계통 연계형 두 종류의 복합발전시스템에 대해 수행하고 동일한 부하를 감당하는 디젤 발전시스템과 경제성을 비교 분석한다.
이 부하 데이터는 대표 지역의 계절별 대표 월의 산업별 실제 부하를 한 시간 단위로 평균한 것이다. 부하 모델링은 HOMER에서 제공하는 Random variability 기능을 사용하여 대표 월의 실제 부하를 바탕으로 하여 매일 24시간 동안의 순간부하를 1년간 모델링 하였다.
최적용량설계 및 경제성 분석은 다음과 같은 3가지의 경우를 고려하여 수행하였다. 먼저 디젤발전기만을 사용하는 경우 발생하는 비용과 디젤발전기가 발생하는 온실가스배출량을 평가하고, 다음으로 신재생 에너지만을 고려한 독립형 발전시스템을 설계하여 발생하는 비용을 평가하여 디젤발전시스템과 비교한다. 마지막으로 계통 연계형으로 발전하는 복합발전시스템을 설계하여 요구되는 비용을 평가한다.
먼저 디젤발전기만을 사용하는 경우 발생하는 비용과 디젤발전기가 발생하는 온실가스배출량을 평가하고, 다음으로 신재생 에너지만을 고려한 독립형 발전시스템을 설계하여 발생하는 비용을 평가하여 디젤발전시스템과 비교한다. 마지막으로 계통 연계형으로 발전하는 복합발전시스템을 설계하여 요구되는 비용을 평가한다.
풍력, 태양광, 배터리, 컨버터로 구성된 독립 운전형 복합발전 시스템을 세 종류의 부하 조건에 대해 용량설계 및 비용분석을 수행하였으며, Table 5에 최적용량조합결과를 나타내었다. 부하가 클수록 풍력 및 PV용량이 커지고 있으며, 배터리는 최대 900조(12,492 kWh)를 가정하였기 때문에 더 이상 증가하지 않고 있다.
독립운전형 시스템과 동일한 발전시스템에 대해 계통과 연계하여 운전하는 계통연계형 복합발전 시스템의 최적 용량을 설계하고 경제성을 분석하였다. 계통에 연계되는 전력판매단가는 일반용 및 주택용은 0.
본 연구에서는 풍력-태양광 복합발전시스템의 부하 특성에 따른 최적용량조합 선정을 경제성 평가에 근거하여 수행하였으며 설계된 복합발전시스템에 대해 동일 부하용 디젤 발전시스템과 경제성을 비교 분석하였다. 디젤 시스템의 경우 독립형 복합발전시스템에 비해 순 현재비용과 발전단가가 낮아 복합발전시스템보다 경제적이지만 연간 총 운영비용이 높고 오염물질을 배출하므로 장기 운전시에 발생하는 오염물질의 사회적 비용 및 운전 비용이 커지는 오지나 도서지역에서의 발전 등의 경우에는 그 경제성 차가 크게 좁혀질 것으로 분석되었다.

대상 데이터

경제성분석에 필요한 년간 부하 사용량 모델은 에너지관리공단의 ‘수용가 부하곡선을 이용한 전력사용 형태분석자료(2005년∼06년)’13의 일반용, 주택용, 산업용 부하 데이터를 사용하였다.
이 축전지는 2개가 한 set를 이루며 잦은 충·방전이 예상되어 수명은 4년으로 설정하였다.
본 연구에서는 특정지역을 지정하여 경제성 평가를 하는 것이 아니므로 풍속 데이터는 HOMER에서 제공하는 샘플 데이터를 사용하였다. Fig.
MOHER일사량 데이터는 NASA와 연동되어 있어 위도와 경도, Time zone을 입력하면 직접 NASA 서버에 접속하여 1년간의 위성으로 측정된 일사량과 청명도 데이터를 제공하여 준다. 제공된 연간 일사량은 Fig.

이론/모형

본 연구에서는 복합발전시스템의 경제성 평가를 위하여 미국의 국립재생에너지연구소에서 개발한 경제성 분석 소프트웨어인 HOMER를 이용한다.¹¹ HOMER는 복합발전시스템의 최적 설계를 위한 것으로서 순 현재비용을 사용하여 다양한 조합의 발전용량에 대해 경제성을 비교 분석함으로써 최적 발전용량을 설계하는 소프트웨어이다.

성능/효과

비용분석 결과는 Table 3과 같다. NPC는 부하가 가장 큰 산업용이 가장 높지만 kW 당 발전단가 비용은 산업용이 제일 낮으며 부하가 가장 작은 일반용이 제일 높게 나타났다. 이는 각 산업별 초기 설치비용은 동일하지만 일반용 부하 율이 가장 낮아 발전단가가 높아진 것으로 분석된다.
본 연구에서는 풍력-태양광 복합발전시스템의 부하 특성에 따른 최적용량조합 선정을 경제성 평가에 근거하여 수행하였으며 설계된 복합발전시스템에 대해 동일 부하용 디젤 발전시스템과 경제성을 비교 분석하였다. 디젤 시스템의 경우 독립형 복합발전시스템에 비해 순 현재비용과 발전단가가 낮아 복합발전시스템보다 경제적이지만 연간 총 운영비용이 높고 오염물질을 배출하므로 장기 운전시에 발생하는 오염물질의 사회적 비용 및 운전 비용이 커지는 오지나 도서지역에서의 발전 등의 경우에는 그 경제성 차가 크게 좁혀질 것으로 분석되었다.
그러나 계통전력 발전에서 배출되는 오염물질로 발생되는 사회적 비용을 고려한다면 경제성 차이가 다소 줄어들 가능성이 있다. 또한 신재생 복합발전시스템은 용량이 클수록 경제성이 향상되는 것으로 분석되었다.

후속연구

4배로서 현저히 낮기 때문에OC가 높아질 수 밖에 없는 오지나 도서지역에서는 경제성 차가 좁혀질 수 있다. 또한 디젤 시스템에 비해 오염물질이 배출되지 않으므로 오염물질의 사회적 비용을 감안하면 장기 운전 시에는 디젤시스템과의 경제성 차이가 더욱 줄어 들 수 있을 것으로 예상된다.
본 연구에서는 경제성 평가를 바탕으로 복합발전시스템의 최적용량을 설계하고 그 경제성을 평가하는 가능성을 제시하기 위한 것으로서 산업별 부하와 신재생 에너지 자원량을 임의로 가정하였다. 만약 복합발전시스템이 필요한 지역의 정확한 부하소비량 데이터와 신재생 에너지 자원량의 상세정보가 제공될 경우 그 지역에 대한 최적의 복합발전시스템 용량설계 및 경제성 평가가 가능할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	복합발전시스템의 에너지원으로 무엇이 사용되는가?	복합발전시스템의 에너지원으로는 태양광, 태양열, 풍력, 연료전지, 지열, 소수력 등으로 발전 등으로 다양하며, 사용목적에 따라 발전조합을 적절히 하여 최적의 발전이 가능하도록 설계를 해야 한다.1 신재생 에너지 중에서 실용화에 가장 접근해 있는 것으로는 풍력, 태양에너지, 그리고 해양에너지가 있다.
	신재생 에너지 중에서 실용화에 가장 접근해 있는 것으로는 무엇이 있는가?	복합발전시스템의 에너지원으로는 태양광, 태양열, 풍력, 연료전지, 지열, 소수력 등으로 발전 등으로 다양하며, 사용목적에 따라 발전조합을 적절히 하여 최적의 발전이 가능하도록 설계를 해야 한다.1 신재생 에너지 중에서 실용화에 가장 접근해 있는 것으로는 풍력, 태양에너지, 그리고 해양에너지가 있다. 특정 지역에서의 태양에너지와 풍력에너지, 해양에너지는 서로 보완적인 특성을 갖고 있기 때문에 이러한 복합발전시스템을 설계할 경우 비교적 높은 신뢰도의 전력을 공급할 수 있어 이에 대한 연구가 더욱 많은 관심을 받고 있다.
	복합발전시스템의 최적용량설계가 중요한 이유는?	신재생 에너지원은 에너지밀도가 낮고 통계학적 특성을 가지고 있기 때문에 복합발전시스템의 주요 설계인자는 안정적인 전력공급과 경제성확보이다. 이러한 측면에서 복합발전시스템의 최적용량설계가 무엇보다도 중요하다.

참고문헌 (16)

Park, S. J., Lee, Y., Choi, Y. S., and Lee, K. S., "Optimization of Residential Photovoltaic-Fuel Cell Hybrid System Using HOMER," The Transaction of The Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 59, No. 1, pp. 129-133, 2010.
Park, K. H., "A Study on Optimal Sizing of New and Renewable Hybrid Generation System," M.Sc. Thesis, Department of Mechatronics, Jeju National Univ., 2009.
Park, K. H., Kang, C. U., and Lim, J. H., "Optimal Sizing of Hybrid Wind-PV-Tide System," studies in computational Intelligence, Springer, Vol. 365, pp. 209-218, 2011.
Kellogg, W., Nehrir, M. H., Venkataramanan, G., and Gerez, V., "Optimal Unit Sizing for a Hybrid Wind/Photovoltaic Generating System," Electric power systems research, Vol. 39, No. 1, pp. 35-38, 1996.

상세보기
Chedid, R. and Saliba, Y., "Optimization and Control of Autonomous Renewable Energy Systems," Int. J. Energy Res., Vol. 20, No. 7, pp. 609-624, 1996.

상세보기
Karaki, S. H., Chedid, R. B., and Ramadan, R., "Probabilistic Performance Assessment of Autonomous Solar-Wind Energy Conversion Systems," IEEE Trans. Energy Conv., Vol. 14, No. 3, pp. 766-772, 1999.

상세보기
Bagul, A. D., Salameh, Z. M., and Borowy, B., "Sizing of Stand-Alone Hybrid PV/Wind System using a Three-Event Probabilistic Density Approximation. Solar Energy," Vol. 56, No. 4, pp. 323-335, 1996.

상세보기
De, A. R. and Musgrove, L., "The Optimization of Hybrid Energy Conversion System using the Dynamic Programming Model - RAPSODY," Int. J. of Energy Res., Vol. 12, No. 3, pp. 447-457, 1988.

상세보기
Diaf, S., Diaf, D., Belhame, M., Haddadi, M., and Louche, A., "A Methodlogy for Optimal Sizing of Autonomous Hybrid PV/Wind System, Energy Policy," Vol. 35, No. 11, pp. 5708-5718, 2007.

상세보기
Lim, J. H., "Optimal Combination and Sizing of a New and Renewable Hybrid Generation System," Int. J. of Future Generation Communication and Networking, Vol. 5, No. 2, pp. 43-60, 2012.
HOMER, http://www.nrel.gov/homer (Accessed 11 Sep. 2013)
Jang, H. N. and Kim, D. S., "A Pre-Feasibility Test of Introducing Renewable Energy Hybrid Systems," Environmental and Resource Economics Review. Vol. 15, No. 4, pp. 693-712, 2006.
HOMERENERGY, http://homerenergy.com (Accessed 11 Sep. 2013)
Navaeefard, A., Moghaddas, S. M., and Mehdi, D. M., "Distributed Energy Resource Capacity Determination of a Hybrid Power System in Electricity Market," Proc. of 25th International Power System Conference, pp. 1-9, 2010.
Hossan, M. S., Hossain, A. R., and Haque, R., "Optimization and Modeling of a Hybrid Energy System for off-grid Electrification," 10th Int. Conf. on EEEIC, pp. 1-4, 2011.
Deepak, K. L., Bibhuti, B. D., and Akella, A. K., "Optimization of PV/Wind/Micro-Hydro/Diesel Hybrid Power System in HOMER for the Study Area," International Journal on Electrical Engineering and Informatics, Vol. 3, No. 3, pp. 307-325, 2011.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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