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문제 정의
- 본 연구는 온실 운영에 필요한 전력량을 확보함으로서 온실경영비 절감을 목적으로 태양광발전시스템을 온실에 인접한 건물의 옥상에 설치하여 일사량에 따른 발전량을 실험적으로 검토하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
- 6m)에 설치하여 수평면 일사량에 따른 발전량과 시간의 경과에 따른 태양광발전시스템의 성능을 보고한 바가 있다(Yoon 등, 2009; Kwon 등, 2012). 본 연구에서는 선행연구에서 구성하지 못하였던 시스템, 즉 인버터나 축전지 등으로 독립형 태양광발전시스템을 완전히 구축하여 그 성능을 실험적으로 검토하였다.
제안 방법
- 3(a)에 의해 전력과 전압을 측정하여 데이터로거 (Japan, KEO, SOLAK V)에 저장되면서 직병열로 배열된 축전지(Korea, ROCKET, Longest 6225, 16V × 16EA)에 충전되도록 하였다.
- 그리고 야간에는 축전지에 충전된 전력은 인버터(Korea, (주) 동이에코스 Sun Light O.G.S) 및 전등의 안정기를 경유하여 건물 옥상에 설치된 부하 (전등; Korea, MIA ELECTRIC, HQI 150, 150W × 4EA) 를 통해 소비되도록 하였으며, 부하에 의해 소비되는 전력량은 적산전력계(Korea, LG산전, WL 13S)로 측정하였다.
- 그리고 태양전지 모듈의 모델과 규격도 선행영구와 동일하게 각각 KD6200 및 986 × 1,500 × 38mm(1.479m2)이고, 모듈 1장당 정격출력이 200Wp인 5장(array, 1kWp) 으로 구성하였다.
- 단, 축전지에 충전된 전력의 경우, 당일 축전지에 충전된 충전량을 100% 소비하게 되면, 축전지의 수명이 극히 단축 될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 축전지의 수명을 연장하기 위하여 축전지에 충전된 전압(48V)의 약 80%인 38.4V 정도만 부하에 의해 소비되도록 인버터에 내장된 컨트롤러로 조절하였다. Fig.
- 본 연구에서 구성한 축전지는 우선 개당 용량 6V인 8개씩을 각각 직렬로 연결한 후, 이를 병열 연결하는 직병렬 방법으로 연결하였다. 실험초기에는 축전지 8개(직 열)와 부하(전등) 2개로 시험을 수행하였지만, 실험 중축전지 용량 및 부하가 충분하지 않아 축전지를 추가하여 총 16개로 직병렬로 연결하고 부하도 2개 추가하게 되었다.
- 본 연구에서 구성한 축전지는 우선 개당 용량 6V인 8개씩을 각각 직렬로 연결한 후, 이를 병열 연결하는 직병렬 방법으로 연결하였다. 실험초기에는 축전지 8개(직 열)와 부하(전등) 2개로 시험을 수행하였지만, 실험 중축전지 용량 및 부하가 충분하지 않아 축전지를 추가하여 총 16개로 직병렬로 연결하고 부하도 2개 추가하게 되었다. 이와 같이 축전지를 직병렬로 설치한 것은 인버터 전압(48V)과 동일하게 맞추기 위해서다.
- 태양광 발전기에서 발생된 전력, 수평면일사량, 어레이 전면 및 배면온도는 선행연구와 동일하게 컨트롤러, 건물옥상 바닥에 일사센서(Japan, ECHO, MS-802) 및 열 전대(Japan, NEC, T-type)를 이용하여 계측하였다. 이들 데이터는 2분 간격으로 측정하여 데이터 로거(Japan, KEO, SOLAK V)에 저장하여 분석하였다.
- 태양광 발전기에서 발생된 전력, 수평면일사량, 어레이 전면 및 배면온도는 선행연구와 동일하게 컨트롤러, 건물옥상 바닥에 일사센서(Japan, ECHO, MS-802) 및 열 전대(Japan, NEC, T-type)를 이용하여 계측하였다. 이들 데이터는 2분 간격으로 측정하여 데이터 로거(Japan, KEO, SOLAK V)에 저장하여 분석하였다.
대상 데이터
- 태양광발전시스템을 이용한 시험은 2008년 12월 1일부터 현재까지 수행되고 있지만, 2010년 1월경부터 시스템이 완전히 구성되어 정상적으로 작동하게 된 2012년 5월 초순까지는 설치비용 문제, 시스템 변경 시도(축전지, 인버터 등의 추가 설치), 계측기 오작동 등으로 인하여 간헐적으로 시험을 수행하였고 그 결과를 이미 보고한 바가 있다(Yoon 등, 2009; Kwon 등, 2012). 본 연구의 시험기간은 2012년 4월 27일부터 2013년 5월 12일까지로서 시스템이 정상적으로 작동할 때부터 1년 정도이다. 독립형 태양광 발전시스템의 경우, 본 연구와 같이 구성하여야만 원래의 목적을 달성할 수 있다.
성능/효과
- 7(c)의 경우가 일사량이 Fig. 7(b)에 비해 일사량이 약 79.8% 정도 많지만 발생전력량은 약 2.0%정도 밖에 증가하지 않은 것을 알 수 있다. 또한 Fig.
- (b)의 경우, 수평면 일사량은 각각 12.70, 12.97MJ · m−2로서 비슷하지만, 일별 발생전력은 각각 4.37 및 5.29kWh 정도로서 어레이 온도에 관계없이 시스템을 변경한 경우가 약 18.8% 정도 증가하는 것으로 나타났다.
- 7(c), (d)에서 어레이 최고 표면온도를 보면, Fig. 7(c)의 경우가 (d)에 비해 약간 높거나 비슷하게 유지되는 경향일 때, 일사량이 약 14.9% 정도 증가하게 되면 전력량은 약 19.8% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 이와 같이 어레이 표면온도가 전기 생산에 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
- 2kWh 정도이었다. 그리고 부하에 의해 소비된 적산전력량의 최대, 평균 및 최소값은 각각 4.5kWh, 2.4kWh 및 0.0kWh 정도이었고, 누계 전력량은 739.2kWh 정도로서 발생 전력량의 약 63.5%에 해당하였다. 본 실험에 사용된 시스템의 평균 소비전력량을 기준으로 보면, 온풍기의 용량 및 작동시간이 작은 경우는 충분하지만 큰 경우는 부족한 것으로 나타났다.
- 2kWh 정도이었다. 그리고 부하에 의해 소비된 적산전력량의 최대, 평균 및 최소값은 각각 4.5kWh, 2.4kWh 및 0.0kWh 정도이었고, 누계 전력량은 739.2kWh 정도로서 발생 전력량의 약 63.5%에 해당한다. 그리고 날씨가 하루 종일 청명하고 정상적으로 시스템이 작동된 경우에도 약 70% 전 · 후 정도였다.
- 7h) 정도이다. 따라서 본 실험에 사용된 시스템의 평균값을 기준으로 보면, 온풍기의 용량 및 작동시간이 작은 경우(제주도, 채소재배)는 충분하지만 큰 경우는 부족한 것으로 나타났다.
- 5%에 해당하였다. 본 실험에 사용된 시스템의 평균 소비전력량을 기준으로 보면, 온풍기의 용량 및 작동시간이 작은 경우는 충분하지만 큰 경우는 부족한 것으로 나타났다. 어레이 표면온도가 상대적으로 높아지면 일사량에 비례해서 발생 전력이 증가하지 않은 것으로 나타났지만, 두 인자 간에 상관계수는 0.
- 실험기간 동안 수평면 일사량의 최대, 평균 및 최소 값은 각각 26.1MJ · m−2, 14.0MJ · m−2 및 0.6MJ · m−2 정도였고, 일일 전력량은 각각 약 6.1kWh, 3.7kWh 및 0.01kWh 이었다.
- 실험기간동안 일사량의 최대, 평균및 최소값은 각각 26.1MJ · m−2, 14.0MJ · m−2 및 0.6MJ · m−2 정도였고, 일일 전력량은 각각 약 6.1kWh, 3.7kWh 및 0.01kWh이었다.
- 본 실험에 사용된 시스템의 평균 소비전력량을 기준으로 보면, 온풍기의 용량 및 작동시간이 작은 경우는 충분하지만 큰 경우는 부족한 것으로 나타났다. 어레이 표면온도가 상대적으로 높아지면 일사량에 비례해서 발생 전력이 증가하지 않은 것으로 나타났지만, 두 인자 간에 상관계수는 0.851 정도로서 상관관계가 높은 것으로 나타났다.
- 특히 태양광과 풍력을 중심으로 시장이 확대되고 있으며, 연료전지와 바이오에너지 분야 등의 성장이 예상되고 있다. 연료전지의 생산량은 2007년 이후 2011년까지 연평균 142.49% 증가하였으며, 태양광(89.04%) 과 지열(44.03%), 풍력(23.11%), 바이오에너지(27.01%) 등도 연평균 20% 이상의 높은 증가율을 나타내고 있다. 국내 신 · 재생에너지 생산량은 2007년 560만 9,000toe에서 2011년 758만 3,000toe로 연평균 7.
후속연구
- 그리고 이상 저온현상의 출현빈도가 빈번히 발생되고 있는 점(http://www.rda.go.kr; Yun 등, 2013), 국가적 전력 수급의 어려움에 따른 농사용 및 심야 전기료 인상 압박, 국내외적으로 최근 그린에너지 산업의 핵심으로 주목받고 있는 차세대 지능형 전력망인 스마트그리드 사업(http://www.kepco.co.kr; BIR, 2012) 등을 감안하고 저탄소 녹색성장의 국가 비전을 실현하기 위하여 태양열, 태양광발전, 바이오매스, 지열 및 폐기물에너지 등 신 · 재생에너지를 온실의 난방에 적극적인 도입하여야 할 것으로 판단된다.
- 이것은 실제로 설정(발생 전력량의 80%정도 소비)한 값과는 다소 차이가 있다. 따라서 설정 값을 다시 수정하여야 할 것으로 판단되며, 또한 축전지의 수명 문제만 보장된다면 소비 전력량도 20~30% 정도 증가시킬 수 있을 것으로 판단된다.
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