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문제 정의
- 시험을 통하여 부유체의 설계와 제작, 운송 및 설치, 복원안정성, 밸러스트 수 이용 태양추적, 태양광 발전에 미치는 태양추적의 효과 등을 조사한 바 있다. 앞으로 발전시스템의 집단화에 앞서서 부유식 태양광 발전시스템의 설계와 태양추적 기술에 관련된 부분을 정리하여 소개하고자 한다.
제안 방법
- 이와 같은 배경에서 10kW 급 태양광 발전 단위제품을 설계, 제작하였다. 개발된 시스템은 경기도 군포시 둔대동에 소재한 반월저수지에 설치 운용하며 성능시험을 시행하였다.
- 이 시스템은 정상적인 직립 상태에서 충분한 복원력을 확보해야하고 최소한의 밸러스트 수를 이동시켜 원하는 방향으로 경사시킬 수 있는 동시에 경사상태에서도 적정한 복원안정성을 유지할 수 있어야 한다. 부유체의 설계하중을 산정하기 위해서는 바람, 물의 유속 등이 고려되어야 하나 본 논문에서는 유속이 거의 없는 반월저수지에 설치하였으므로 유속을 무시하였고 풍속에 대해서는 소극적으로 순응하도록 하여 부유체의 복원성 확보에 중점을 두었다. 첫째, 집광판을 배치하며 일부 위치에는 의도적으로 집광판을 배치하지 않아 바람이 빠지도록 하여 과도한 풍압이 걸리지 않도록 하였고, 둘째, 나머지 중 일부 집광판은 일정 이상의 풍압이 걸리면 힌지를 중심으로 회전 하여 자동으로 열리도록 함으로써 풍압 상승을 억제 하도록 설계하였다.
- 첫째, 집광판을 배치하며 일부 위치에는 의도적으로 집광판을 배치하지 않아 바람이 빠지도록 하여 과도한 풍압이 걸리지 않도록 하였고, 둘째, 나머지 중 일부 집광판은 일정 이상의 풍압이 걸리면 힌지를 중심으로 회전 하여 자동으로 열리도록 함으로써 풍압 상승을 억제 하도록 설계하였다. 셋째, 기상 예보 등에 의하여 과도한 풍압 발생 소지가 있을 경우에는 경사조절용 밸러스트 수를 주 밸러스트 탱크로 보내고 추가의 밸러스트 수를 적재하여 집광판이 정수면에 수평하게 놓이도록 제어하고 중량중심 하강으로 인하여 GM의 상승이 이루어지도록 하여 안전성을 제고하였다.
- 4와 같다. 즉 주 부력통이 수면 하에 잠겨 있고 이와 연결된 수직기둥과 8개의 방사상으로 뻗쳐진 8개의 경사 기둥으로 밸러스트 탱크와 집광판을 받쳐주는 구조가 되도록 설계하였고, 시험용 발전시스템의 설계에서 각각의 부재치수에 맞추어 제관작업으로 부재를 제작하였다. 시중에 공급되어 있는 규격제품을 최대한 활용하는 것이 제작원가를 낮추는 길이 될 수 있으므로 시험 운영 실적을 검토하여 최적화 하는 것이 필요하다.
- 유휴공간이라 할 수 있는 저수지나 호수의 수면 상에서 무한한 자연 에너지인 태양광으로부터 효과적인 발전을 수행할 수 있는 부유식 태양광 발전시스템인 Sundancer-Diamond를 설계하였다. 밸러스트 수를 이동시킴으로 태양추적이 가능한 발전용량 10kW급 발전시스템을 제작하여 경기도 군포시 둔대동에 소재한 반월저수지에 설치 운용하여 성능을 조사하여 다음을 확인 하였다.
- 유휴공간이라 할 수 있는 저수지나 호수의 수면 상에서 무한한 자연 에너지인 태양광으로부터 효과적인 발전을 수행할 수 있는 부유식 태양광 발전시스템인 Sundancer-Diamond를 설계하였다. 밸러스트 수를 이동시킴으로 태양추적이 가능한 발전용량 10kW급 발전시스템을 제작하여 경기도 군포시 둔대동에 소재한 반월저수지에 설치 운용하여 성능을 조사하여 다음을 확인 하였다.
대상 데이터
- 이와 같은 배경에서 10kW 급 태양광 발전 단위제품을 설계, 제작하였다. 개발된 시스템은 경기도 군포시 둔대동에 소재한 반월저수지에 설치 운용하며 성능시험을 시행하였다. 시험을 통하여 부유체의 설계와 제작, 운송 및 설치, 복원안정성, 밸러스트 수 이용 태양추적, 태양광 발전에 미치는 태양추적의 효과 등을 조사한 바 있다.
- 국내에 공급되고 있는 태양전지판을 적정하게 배치하여 10kW용량의 태양광발전시스템을 수용할 수 있는 시험용 발전시스템을 설계, 제작하는 것을 일차적인 목표로 설정하였다. 시험용 발전시스템은 주 부력통이 수면 하에 잠겨 있고 이와 연결된 수직기둥과 8개의 방사상으로 뻗쳐진 8개의 경사 기둥으로 밸러스트 탱크와 집광판을 받쳐주는 구조가 되며 이는 마치 보석 받침 장식과 같은 구조가 되므로 시스템을 Sundancer-Diamond 라 칭하였다.
- 7 m2 이상이 되어야 한다. 따라서 규격품으로 제조 공급되는 태양전지판의 형상과 발전시스템의 경사상태에서의 최소 건현을 고려하여 맞변 거리가 10m 인 8각형 집광판 평면에 태양전지판을 배치하였다. 즉 폭 990mm 이고 길이가 1650mm인 전지판을 선택하면 40개의 태양전지판을 배치하였을 때 하나의 전지판에서 250Watt의 전력을 얻을 수 있으므로 10,000Watt의 발전을 기대 할 수 있다.
- 여러 개의 단위 계류용 틀을 연결 배치하면 수역에 적합한 규모의 집단화가 가능하다. 본 논문에서 수상 태양광발전 시험에 사용한 sundancer-diamond 는 10 kW 급으로서 소형 1개를 대상으로 하였으며 총 배수 중량이 14톤에 미달하는 소형 구조물임으로 계류에 문제점이 없었으나, 다만 집단화를 계획하는 경우에는 발전 유닛 상호간의 그림자 간섭, 급배전 선로, 유지 보수를 위한 접근성 등을 충분히 검토해야 하며 계류삭의 통합화와 합리화를 미리 계획하여야 한다. 제시한 수심적응 계류방식은 소규모이고 수심 변동이 적은 수역에서 적응되는 방식이며, 집단화 된 대형 발전 단지인 경우에는 자동 장력 조절 윈치를 채택한 대단위 계류 시스템에 대한 별도의 연구가 필요하다고 판단된다.
성능/효과
- 부유식 태양광 발전 시스템을 수상에 계류시킨 상태에서 1년 이상 운용하였는데 풍우 및 수심변화에도 성공적으로 운용할 수 있었다.
- 0.177kWh의 적은 동력을 사용하여 밸러스트 수를 이동시킴으로 태양광 집광판이 태양을 추적하며 최상의 방향으로 정렬되도록 할 수 있었다.
- 10kW급 발전시스템으로 하절기로부터 가을까지 쾌청한 날에는 1일 최대 누적 발전량이 약 65kWh에 달하였다.
- 3kW급 고정식 수상 태양광 발전 시스템과 비교하면 밸러스트 수 이동으로 태양을 추적함으로 발전 효율이 약 23% 향상되는 것이 확인되었다.
- 태양광 발전 시스템을 수상에 설치하였을 때 약 7%의 효율향상이 일어남을 포함하면 밸러스트 수를 이용하여 태양을 추적하는 발전시스템은 육상시스템에 비하여 약 30%의 효율향상이 있음을 확인할 수 있다.
후속연구
- 본 논문에서 수상 태양광발전 시험에 사용한 sundancer-diamond 는 10 kW 급으로서 소형 1개를 대상으로 하였으며 총 배수 중량이 14톤에 미달하는 소형 구조물임으로 계류에 문제점이 없었으나, 다만 집단화를 계획하는 경우에는 발전 유닛 상호간의 그림자 간섭, 급배전 선로, 유지 보수를 위한 접근성 등을 충분히 검토해야 하며 계류삭의 통합화와 합리화를 미리 계획하여야 한다. 제시한 수심적응 계류방식은 소규모이고 수심 변동이 적은 수역에서 적응되는 방식이며, 집단화 된 대형 발전 단지인 경우에는 자동 장력 조절 윈치를 채택한 대단위 계류 시스템에 대한 별도의 연구가 필요하다고 판단된다.
- 제안된 부유식 발전시스템은 공장에서 제작하여 설치 환경이 열악한 내수면에 운반하여 조립 및 설치하게 됨으로 설계단계에서 운반을 고려한 표준화가 필요하다.
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