[논문]에너지 자립섬을 위한 신재생복합발전시스템의 최적용량 설계에 관한 연구

장봉철; 문채주; 장영학; 박태식; 정문선

doi:10.13067/jkiecs.2015.10.11.1271

초록
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최근 발전원가가 높은 도서지역의 디젤발전을 신재생에너지로 대체하는 추세이다. 이에 따라 전라남도는 디젤발전기에 의존하여 섬에 전기를 공급하는 지역을 대상으로 태양광과 풍력 그리고 에너지 저장장치 등을 이용한 친환경에너지원을 통해 전기를 공급하는 에너지 자립섬 조성사업을 추진하고 있다. 하지만 신재생에너지원의 용량 설계는 환경적, 지형적 조건으로 부하에 100%로 대응할 용량의 신재생에너지원을 설치하기란 어렵다. 또한 경제성 있는 하이브리드시스템 최적 구성을 위해서는 설계 단계부터 기후조건과 부하패턴 분석을 통해 시스템 구성요소의 적절한 용량 설계와 효과적인 운영을 고려한 마이크로그리드 설계가 요구된다. 따라서 본 논문에서는 서남해안에 위치한 도서지역 중 300호 이상의 가구수를 갖고 증설이 요구되는 거문도를 대상으로 디젤 발전량 중 40%를 신재생에너지원으로 대치하는 하이브리드 발전시스템을 구성하여 최적조합과 용량산정 그리고 경제성에 대한 연구를 수행하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The recent trend is that diesel power generation on islands where its prime cost for power generation is high is replaced by new and renewable energy. Therefore, south Jeolla province is progressing the construction project of self-sufficient islands for the areas where power is supplied by dependin...

The recent trend is that diesel power generation on islands where its prime cost for power generation is high is replaced by new and renewable energy. Therefore, south Jeolla province is progressing the construction project of self-sufficient islands for the areas where power is supplied by depending on diesel generators, which is the project that power is supplied through eco-friendly energy source using sunlight, wind power and energy storage device etc. However, it is difficult to construct new and renewable energy source with the capacity to respond to the load perfectly due to its environmental and geographical conditions regarding capacity design of new and renewable energy. Besides, Microgrid design considering appropriate capacity design of the system components and efficient operation is required through the analysis of climate conditions and load patterns from the design stage for optimal composition of a hybrid system with economic feasibility. Therefore, this study is aimed to conduct a research on optimal combination, capacity calculation and economic feasibility by comprising a hybrid power generation system which will replace 40% of power generation by diesel as new and renewable energy source for Geomun Island where has more than 300 households and requires expansion of the facility among islands located in southwest coast.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 서남해안에 위치한 도서지역 중 300호 이상의 가구수를 갖고 증설이 요구되는 거문도를 대상으로 디젤 발전량 중 40%를 신재생에너지원으로 대치하는 하이브리드 발전시스템을 구성하여 최적조합과 용량산정 그리고 경제성에 대한 연구를 수행하고자 한다[1-4].

제안 방법

본 논문에서는 거문도를 대상으로 디젤발전량 중 40%를 신재생에너지원으로 대처하고자 HOMER프로그램을 이용해 신재생복합발전시스템을 구성하여 최적조합과 용량산정 그리고 디젤과 풍속에 따른 LCOE 민감도를 분석한 결과 다음과 같다.
각 발전기별 비용은 다음의 표 1과 같다[6]. 풍력, 태양광, 디젤, 배터리는 시중가격을 비교하여 가격을 산정하였고, 디젤발전기의 운영유지비용은 연간이 아닌 시간당으로 동작 시간 동안 계산되어진다[7-8].

대상 데이터

이외의 계절적 영향인자는 냉난방 부하로 파악되며, 기타 주민 생업활동(농어업철) 등의 영향을 받는 것으로 분석되었다. 2010년부터 5년 동안 도서에서 발생한 평균발전량은 889,402[kWh], 부하의 평균 부하량은 1,217[kWh]으로 분석되었다.
본 논문에서는 태양광 발전의 수명보다는 최대의 출력을 위해 f_PV의 계수를 100[%]로 설정하였다. 일사량은 HOMER에서 제공하는 북반구의 대표적인 일사량 샘플 데이터를 활용하였고, 일사량의 연간평균 청명도는 0.495이고, 일일평균 일사량은 4.07㎾h/㎡이다.
풍속 데이터는 기상청에서 측정한 자료를 활용하였으며, 최근 5년간 9m높이에서 측정된 평균풍속은 3.9m/s인 것으로 분석되었다.

성능/효과

신재생복합발전시스템의 디젤과 풍속에 따른 민감도를 분석한 결과 한계발전비용, 디젤 발전량당 비용은 평균 3%∼4%로 유사한 비율로 증가하는 것으로 분석되었고, 풍속이 높아질수록 균등화발전원가는 485.3원/kWh에서 353.25원/kWh로 9%∼13%까지 감소하는 것으로 분석되었다.
최적용량 산정 결과 태양광발전 1MW, 풍력발전기 750kW 3대, 디젤발전기 1MW이며, 이 경우 총 발전량 대비 40%를 신재생에너지원으로 전력 생산이 가능하며, 순 현재비용은 약 578.5억원, LCOE값은 489.17원/kWh으로 분석되었다.

후속연구

향후 풍력발전기 최적 설치위치에 기상탑을 설치하여 보다 더 정확한 기상자료를 적용한다면 기상청 자료를 기반으로 현재 분석된 발전용량보다 더 정확하고 높은 값을 기대할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광발전설비의 특징은 무엇인가?	태양광발전설비는 설치 이후 시간이 지남에 따라 발전효율이 떨어지지만 최대 30년까지 사용이 가능하다. HOMER에서 사용하는 태양광 발전 출력은 식(2)와 같다[3],[5].
	거문도의 발전부하의 특징은 무엇인가?	거문도의 발전부하는 7월과 8월에 최대부하가 발생하고, 6월과 10월에 최소부하가 나타나며, 가을과 겨울철 중간부하가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
	신재생에너지 자립섬 조성사업에서 고려해야할 점은 무엇인가?	이에 따라 전라남도는 디젤발전기에 의존하여 섬에 전기를 공급하는 지역을 대상으로 태양광과 풍력 그리고 에너지 저장장치 등을 이용한 친환경에너지원을 통해 전기를 공급하는 신재생에너지 자립섬 조성사업을 추진하고 있다. 하지만 신재생에너지원은 화석연료에 비해 연료비용이 들지 않는다는 장점이 있는 반면 에너지양은 간헐성이라는 단점이 존재하고, 도서 지역마다 기후조건과 부하사용량이 다르므로 부하의 용량에 맞추어 설비용량을 설계해야 한다. 또한 섬이라는 지형적조건과 국립공원 등으로 인해 부하에 100%로 대응할 용량의 신재생에너지원을 설치하기란 힘들다.

참고문헌 (8)

S. Park, Y. Lee, Y. Choi, and K. Lee, "Optimization of Residential Photovoltaic-Fuel Cell Hybrid System Using HOMER," The Trans. of The Korean Institute of Electrical Engineers, vol. 59, no. 1, Mar. 2010, pp. 129-133.
S. Yang, J. Kwon, and W. Kim, "The Design of Operating System on Wind Power Plant," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 6, no. 1, Feb. 2011, pp. 136-141.
M. Jeong, C. Moon. Y. Chang, T. Park, and S. Lee, "A Study on Optimization Design of Off-grid Hybrid Power Generation System," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 10, no. 2, Feb. 2015, pp. 247-252.

원문보기 상세보기
H. Kim, "Development of a stand-alone solar street light controller integrated," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 9, no. 6, June 2014, pp. 641-647

원문보기 상세보기
J. Lim and H. Lim, "Optimal Capacity Design and Economic Evaluation of Hybrid Generation Systems Based on the Load Characteristics," J. of Korean Soc. Precis. Eng., vol. 30, no. 10, Oct. 2013, pp. 1103-1109.

원문보기 상세보기
Intergovernmental Panel for Climate Change(IPCC), "IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation(SRREN)," IPCC' special reports, Nov, 2011.
U.S. Energy Information Administration(EIA), "Assumptions to Annual Energy Outlook 2011," Annual Energy Outlook Report, July 2011.
S. Baron, "Developing Power Businees Plan: Empowering the Bottom of the Pyramid," Master's Thesis, Natural Resources and Environment, University of Michigan, Apr. 2004.

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