[논문]대학건물의 전력소비패턴 분석을 통한 태양광, ESS 적정용량 산정 및 경제적 효과 분석

이혜진; 최정원

doi:10.21289/ksic.2018.21.5.207

대학건물의 전력소비패턴 분석을 통한 태양광, ESS 적정용량 산정 및 경제적 효과 분석
Calculation of Photovoltaic, ESS Optimal Capacity and Its Economic Effect Analysis by Considering University Building Power Consumption 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.21 no.5, 2018년, pp.207 - 217

이혜진 (영남이공대학교, 전기자동화과) , 최정원 (영남이공대학교, 전기자동화과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the importance of energy demand management, particularly peak load control, has been increasing due to the policy changes of the Second Energy Basic Plan. Even though the installation of distributed generation systems such as Photovoltaic and energy storage systems (ESS) are encouraged, high initial installation costs make it difficult to expand their supply. In this study, the power consumption of a university building was measured in real time and the measured power consumption data was used to calculate the optimal installation capacity of the Photovoltaic and ESS, respectively. In order to calculate the optimal capacity, it is necessary to analyze the operation methods of the Photovoltaic and ESS while considering the KEPCO electricity billing system, power consumption patterns of the building, installation costs of the Photovoltaic and ESS, estimated savings on electric charges, and life time. In this study, the power consumption of the university building with a daily power consumption of approximately 200kWh and a peak power of approximately 20kW was measured per minute. An economic analysis conducted using these measured data showed that the optimal capacity was approximately 30kW for Photovoltaic and approximately 7kWh for ESS.

주제어

표/그림 (17)

표 Table 1. Electric charges seasonal⋅time division
표 Table 2. Educational electric charges system 교육용 전력(갑)
표 Table 3. Example of electric charges system
그림 Fig. 1 Electric charges discount by ESS
그림 Fig. 2 Power usage of 1^st semester (2018.05.09.)
그림 Fig. 4 Power usage of 2nd semester (2017.10.25.)
그림 Fig. 3 Power usage of summer vacation (2018.07.09.)
그림 Fig. 5 Power usage of winter vacation 2018.01.08.)
그림 Fig. 6 PV Utilization rate by time[6]
그림 Fig. 7 Algorithm of Photovoltaic
표 Table 4. 1^st semester’s power using 10kW PV
표 Table 5. Expected electric charges
표 Table 6. Payback period by PV
그림 Fig. 8 Graph of 1^st semester’s power using 20kW,30kW, 40kW PV
표 Table 7. 1^st semester’s power using 10kWh ESS
표 Table 8. Payback period by ESS
그림 Fig. 9 Graph of 1^st semester’s power using 10kWh ESSESS

AI 본문요약
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문제 정의

한전 요금 체계에는 주택용, 일반용, 교육용, 산업용 등으로 구분된다. 본 논문에서는 실제 영남이공대학교 전기관의 전기 사용량을 측정하였기 때문에 교육용 전기요금 체계에 대해 나타내었다. 교육용 전기요금 체계에서는 교육용 전력(갑)과 교육용 전력(을)로 구분된다.
6%의 비중을 차지하는 대학 건물은 1980년∼2000년에 집중적으로 생겨 대부분 노후화되어 있어 에너지 효율이 낮다[5]. 본 연구에서는 임의의 대학 건물의 실시간 전력 사용량을 측정하여 건물에 설치가 용이한 신재생에너지원인 태양광과 ESS의 최적 용량을 산정하였다.
전력의 피크부하 억제를 위해서 두 번째로 ESS 운영에 대해 연구하였다. ESS 용도는 세 가지로 구분할 수 있다.

가설 설정

Table 3은 계약전력이 20kW이며 경부하 시간대 40kWh, 중간부하 60kWh, 최대부하 100kWh, 총 200kWh를 여름철에 사용한다고 가정한 것이다. 이때 전기 요금은
본 논문에서는 4000Cycle로 충⋅방전할 수 있다고 가정하였다[8,9].
전력의 피크부하 억제를 위해서 첫 번째로 신재생에너지 중 태양광발전 운영을 가정하고 최적용량을 산출한다. 태양광발전은 햇빛을 이용한 발전으로, 일조량이 태양광 이용률에 큰 영향을 끼친다.

제안 방법

ESS 용량을 지정한 후 사용전력을 Peak-cut하는 적정 전력을 산정하여 사용전력(A)이 적정 전력보다 큰 경우 ESS 방전량(B)을 사용하도록 하였다. 이때, 연간 사용전력(A)이 다르기 때문에 적정전력을 구하기 위해서는 사용전력 합계에서 ESS 용량을 뺀 값에 대한 평균을 구한다.
Table 4는 1학기의 특정 날짜를 대상으로 태양광 10kW 적용, 2016년도 경기도 태양광 발전량 이용률 적용 시 시간대별로 태양광 발전량(B)을 계산하였고, 사용전력(A)에서 태양광 발전량(B)을 제한 값으로 조정된 전력(A-B)을 구하였다. 태양광 10kW 사용 시 1학기 사용전력 193.
태양광발전 적용 시, 태양광 발전으로 생성된 전력을 사용하여 전체적인 전기 사용량을 낮추었고, ESS 적용 시, Peak-cut을 통해 피크치를 감소하였다. 감소된 전력을 통해 투자비용 회수기간을 구하고, 태양광 발전과 ESS의 수명에 따른 절약 비용 합계와 투자비용을 비교하여 최적의 용량을 선정하였다.
앞의 3장에서 학기마다 정한 특정 날짜의 사용전력을 1학기는 3월∼6월, 여름방학은 7월∼8월, 2학기는 9월∼12월, 겨울방학은 1월∼2월로서 해당하는 기간 전체에 적용한다. 계절과 시간에 따라 요금이 다르기 때문에 그에 맞게 분류하여 계산에 적용하였다. 이때 계약전력은 연간 전력 사용량 중 가장 큰 20kW로 설정하였다.
본 논문의 한계점은 태양광 발전과 ESS을 접목하여 실현하지 못하였다. 두 가지를 적용할 경우,다양한 운영방법이 있기 때문에 각각의 태양광 발전에 대한 내용과 ESS에 대한 내용을 2가지로 나누었다. 더 나아가 태양광 발전과 ESS를 같이 접목한 연구가 필요하다.
계약전력은 사업자별 최대 수요량을 정하고 그것을 반영하여 기본요금을 산정하고, 초과 사용 시 위약금을 부가하는 전력수요 기준이다. 또한 경부하, 중간부하, 최대부하 사용 시간대를 구분하여 요금을 각각 다르게 부과함으로써 피크부하억제를 유도한다.
현재 추가적인 ESS 요금 할인 제도를 적용하면 투자비용 회수기간은 더욱 짧아진다. 또한, 수명이 다할 때까지의 전기 요금 절약비용 합계를 계산하여 설치비용과 비교하였다. 투자비용 회수기간은 2kWh시 5.
고압의 경우 선택Ⅰ과 선택Ⅱ로 구분되는데, 선택Ⅰ은 기본요금이 낮고 전력량 요금이 높으므로 전기 사용시간이 월 200시간 이하일 경우 유리하고, 선택Ⅱ는 기본요금이 선택Ⅰ보다 높으며 반대로 전력량 요금은 낮으므로 전기 사용시간이 월 200시간 초과인 경우에 유리하다. 본 논문에서는 교육용 전력(을)과 고압 A-선택Ⅰ을 적용하였다.
3%). 측정한 데이터 중 주말을 제외한 1학기, 여름방학, 2학기, 겨울방학으로 분류하여 각 기간에 대하여 대표적인 날짜를 뽑아서 본 논문에 활용하고자 한다. Fig 2, Fig 4와 같이 1학기와 2학기는 수업 시작인 9시부터 20시까지 전력 사용량이 나타나며, 점심시간에는 전력 사용량이 줄어드는 모습을 확인할 수 있다.
Table 6과 같이 태양광 설치비용은 1kW당 1,650,000원이며 태양광 설치 시 전기 요금 절약 비용은 영남이공대학교 전기관의 연간 예상 전기요금 7,405,100원에서 태양광을 적용하였을 경우의 전기 요금을 뺀 금액이다. 태양광 용량에 따라 계약전력이 변경되도록 설정하여 전기 요금이 감소하도록 하였다. 투자비용 회수기간은 태양광 설치비용에서 연간 절약 비용 합계를 나눈 값이다.

이론/모형

세 번째, 경부하 시 충전하고 최대부하 시 방전하여 피크를 감소시킨다. 본 논문에서는 피크 감소 방법을 사용하였다.

성능/효과

ESS 용도는 세 가지로 구분할 수 있다. 첫 번째, 주파수 조정에 적용 방법으로서 규정 주파수 초과 시 충전하고 규정 주파수 미달 시 방전한다. 두 번째, 신재생에너지의 불안정한 출력을 보장하여 평활화한다.
태양광발전 적용 시, 태양광 발전으로 생성된 전력을 사용하여 전체적인 전기 사용량을 낮추었고, ESS 적용 시, Peak-cut을 통해 피크치를 감소하였다. 감소된 전력을 통해 투자비용 회수기간을 구하고, 태양광 발전과 ESS의 수명에 따른 절약 비용 합계와 투자비용을 비교하여 최적의 용량을 선정하였다.

후속연구

본 논문에서는 현재 변경된 정책을 반영하지 않고, 투자비용 회수기간을 구하였기 때문에 2020년까지 추가 할인 내용을 적용한다면 ESS투자비용 회수기간은 더욱 짧아진다. 그리고 앞으로 ESS 설치비용이 줄어들 것으로 예상되는데, 설치비용이 줄어들면 투자비용 회수기간이 짧아질 것이다.
수명동안 절약되는 전기 요금 합계와 투자비용을 비교하면 7kWh가 최적 용량이다. 본 논문에서는 현재 변경된 정책을 반영하지 않고, 투자비용 회수기간을 구하였기 때문에 2020년까지 추가 할인 내용을 적용한다면 ESS투자비용 회수기간은 더욱 짧아진다. 그리고 앞으로 ESS 설치비용이 줄어들 것으로 예상되는데, 설치비용이 줄어들면 투자비용 회수기간이 짧아질 것이다.
본 논문의 한계점은 태양광 발전과 ESS을 접목하여 실현하지 못하였다. 두 가지를 적용할 경우,다양한 운영방법이 있기 때문에 각각의 태양광 발전에 대한 내용과 ESS에 대한 내용을 2가지로 나누었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	피크부하 억제는 왜 중요하게 인식되고 있는가?	대형건물의 에너지 수요관리에 관한 연구는 전체 에너지 사용량 절약과 최대부하 시간대의 피크 부하 억제로 구분된다[3]. 특히 피크부하 억제는 시간대별 전력 사용량의 불균형에도 불구하고 예비전력을 확보해야 하는 전력운영환경 때문에 더욱 중요하게 인식된다. 한전은 피크부하 억제를 위하여 다양한 요금 제도를 활용하고 있는데, 그 예로 산업용 및 교육용에 계약전력 전기요금체계를 활용한다.
	ESS 용도는 무엇인가?	ESS 용도는 세 가지로구분할 수 있다. 첫 번째, 주파수 조정에 적용 방법으로서 규정 주파수 초과 시 충전하고 규정 주파수 미달 시 방전한다. 두 번째, 신재생에너지의 불안정한 출력을 보장하여 평활화한다. 세 번째, 경부하 시 충전하고 최대부하 시 방전하여 피크를 감소시킨다. 본 논문에서는 피크 감소 방법을 사용하였다.
	한전이 피크부하 억제를 위하여 시행하고 있는 요금제도에는 무엇이 있는가?	특히 피크부하 억제는 시간대별 전력 사용량의 불균형에도 불구하고 예비전력을 확보해야 하는 전력운영환경 때문에 더욱 중요하게 인식된다. 한전은 피크부하 억제를 위하여 다양한 요금 제도를 활용하고 있는데, 그 예로 산업용 및 교육용에 계약전력 전기요금체계를 활용한다. 계약전력은 사업자별 최대 수요량을 정하고 그것을 반영하여 기본요금을 산정하고, 초과 사용 시 위약금을 부가하는 전력수요 기준이다.

참고문헌 (9)

Sang-Hyeon Jin, "Definition and Application of the Concept of Disributed Heat Energy : Focusing on the Green Heat Project," Journal of Environmental Policy and Administration, Vol. 24, No. 3, pp. 131-160, (2016).
박태식, 이보혜, 김종용, 석주헌, 신정수, 최도영, 최문선, 정창봉 "2014 에너지 총 조사보고서", 에너지경제연구원 연구보고서, pp.1-771, (2015).
김종덕, 최병렬, 이상원, 박종배 "에너지수요 관리 체계 확립 방안," 에너지경제연구원 연구보고서, pp. 1-250, (2001).
Na-Eun Lee, Wook-Won Kim and Jin-O Kim, "Optimal Configuration Algorithm for ESS with Renewable Energy Resources Considering Peak-shaving Effects," The transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 63, No. 9, pp. 1199-1205, (2014).

원문보기 상세보기
Koo, Bon-Kil, Hong, Won-Hwa and Kim, Kang-Min, "A Study on the Energy Reduction Effect Using Renewable Energy Through the Analysis of Energy Consumption Structure in the University Buildings," Journal of the architectural institute of Korea Planning & Design, Vol. 29, No. 9, pp. 203-210, (2013).

상세보기
"한국서부발전 태양광 발전 현황" http://www.data.go.kr/dataset/15025486/fileData.do
Yeo-Jin Lee, Se-Kyung Han and Sung-Yul Kim, "A Study on the Optimal Angle Setting Considering the Stability of Photovoltaic Systems," The transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 67, No. 4, pp. 498-504, (2018).
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Jaekyun Ahn, "Enhancing the usability of ESS installed on CHP for district heating," Korean Energy Economic Review, Vol. 15, No. 2, pp. 189-223, (2016).

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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