[논문]염전 병행 태양광 발전의 실증과 시뮬레이션

박종성; 김봉석; 김근호; 이승민; 임철현

doi:10.21218/cpr.2019.7.4.121

염전 병행 태양광 발전의 실증과 시뮬레이션
Salt Farm Parallel Solar Power System:Field tests and Simulations 원문보기

Current photovoltaic research = 한국태양광발전학회논문지, v.7 no.4, 2019년, pp.121 - 124

박종성 (태양에너지연구실, 녹색에너지연구원) , 김봉석 (에너지밸리연구센터 전력연구원) , 김근호 (태양에너지연구실, 녹색에너지연구원) , 이승민 (에너지밸리연구센터 전력연구원) , 임철현 (태양에너지연구실, 녹색에너지연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In this research, the concept of a salt farm parallel solar power system, which produce salt and electricity at the same site, is proposed for the first time in the world. The concept is that large waterproof plates made by interconnected solar modules are installed at the bottom of the salt farm. The pilot system was successfully installed at a sea shore, and verified its feasibility as a solar power plant. For deeper understanding, simulations for power prediction of the system were carried out and compared with the field test results. The power generation of the salt farm parallel system is comparable to conventional solar power plants. The cooling effect by sea water contributes more to the increase in the crystalline silicon photovoltaic module performance than the absorption loss due to sea water by maintaining certain height above the module.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. (a) the concept, and (b) 100kW of the salt farm parallel solar power system
표 Table 1. Calculated current density of c-Si solar cell in different depth from the sea level
그림 Fig. 2. Normalized Efficiency of mono and multi silicon solar cells with different water depth, a) 2.5 cm and b) 10 cm
그림 Fig. 3. System yield and performance ratio (May ~ Sep 2018, sea water level 2 cm)
그림 Fig. 4. Power generation simulations (water factor(f(temperature, depth) dependence

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 동일 장소에서 소금과 전기를 생산할 수 있는 염전 병행 태양광 발전소를 제안하였다. 현장 테스트 결과, 해수에 의한 냉각 효과로 인해 염전 병행 모듈이 육상 설치 모듈보다 더 높은 발전량을 보여주었다.
따라서 천일염 생산자의 소득을 증대시켜 해당 산업을 보호할 수 있는 방안이 필요하다. 이에 따라 본 연구에서는 세계 최초로 소금 생산과 태양광 발전을 결합한 염전 병행 태양광 발전 시스템의 개념을 제안하였다. 해당 시스템은 염전 하부 증발지에 태양광 모듈을 설치하여 해수의 증발을 돕고, 태양광을 이용하여 전기를 생산하며 동시에 천일염 생산이 가능한 병행 시스템이다.

제안 방법

2는 수심에 따른 단결정과 다결정 태양전지의 효율을 나타내고 있다. 단결정과 다결정 태양전지 각각 3장씩을 수심 2.5cm와 10 cm 깊이의 수조에 위치시키고 온도에 따른 효율 변화를 측정하였다. Fig.
시뮬레이션에 필요한 기상 조건은 전라남도 목포의 기상청 자료를 바탕으로 하였다. 또한 염전의 온도를 정확하게 예측하기 위해 염전 시험장에서 수집한 기상 데이터와 파일롯 시스템 모듈의 온도를 사용하였다. 염전병행 태양광의 개요와 100kW 실증사이트는 Fig.
수심에 따른 단락전류의 감소를 확인하기 위하여 PVLighthouse (www2.pvlighthouse.com. au)에서 사용 가능한 스펙트럼 불일치 계산을 사용하여 해수의 기생 광흡수에 따른 단락전류의 감소를 계산하였다. 계산을 위하여 standard screen printed c-Si solar cell의 데이터를 활용하였다.
4는 SolarPro PV 시뮬레이션 소프트웨어를 활용하여 염전 병행 태양광 시스템과 대조군인 육상 설치 시스템의 발전량 예측을 보여준다. 시뮬레이션을 위하여 위에서 진행한 해수에 의한 광흡수 감소를 적용하였고 해수는 2 cm 높이로 설정하여 단락전류의 감소를 4.46%로 설정하였다. 그림2에 표시된 실제 측정 데이터와 유사하게, 염전 모듈의 발전량은 모든 달에서 육상 설치 모듈 (0º, 기준)의 발전량보다 높았다.
염전 병행 태양광 시스템의 실효성을 확인하기 위하여 100kW 규모의 실증 사이트 전라남도 무안에 구축하였고 발전량 비교를 위하여 6kW 파일롯 시스템을 이용하여 실증 결과와 시뮬레이션을 수행하였다. 실증과 시뮬레이션을 통해 염전 모듈의 발전량은 육상 설치 모듈(Reference, 0º 설치)의 발전량보다 더 높은 것으로 나타났다.
태양광 모듈 상부에 해수를 담기 위하여 대형 방수 용기를 제작하였고, 해당 용기는 열 충격강도가 높으며, 내염성을 갖는 FRP (Fiber Reinforced Plastic)로 만들어졌다. 용기의 측면은 태양 모듈의 음영을 방지하기 위해 30도 각도를 주었고, 최대 20 cm의 해수를 채울 수 있도록 설계, 제작 되었다. 태양광 모듈 사이의 간격은 실리콘 소재의 식용 방수 폴리머로 채워졌다.
염전의 증발지 기능을 태양광 발전시스템에 적용하기 위해서는, 태양광 모듈 위에 해수를 저장해야하며, 일정 염분농도 이상이 되면 결정지로 이동하야 한다. 태양광 모듈 상부에 해수를 담기 위하여 대형 방수 용기를 제작하였고, 해당 용기는 열 충격강도가 높으며, 내염성을 갖는 FRP (Fiber Reinforced Plastic)로 만들어졌다. 용기의 측면은 태양 모듈의 음영을 방지하기 위해 30도 각도를 주었고, 최대 20 cm의 해수를 채울 수 있도록 설계, 제작 되었다.
태양광 모듈 사이의 간격은 실리콘 소재의 식용 방수 폴리머로 채워졌다. 태양광 모듈은 지면에 수평으로 설치되므로 태양열 모듈 부분을 바닥에서 일정 높이로 띄우고 낮은 지열의 영향을 고려하여 높이를 조정하도록 설계되었다. 설치된 염전 병행 연간 발전량을 예측하기 위해 SolarPro PV 시뮬레이션 소프트웨어(Laplace system, USA)를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다.

대상 데이터

au)에서 사용 가능한 스펙트럼 불일치 계산을 사용하여 해수의 기생 광흡수에 따른 단락전류의 감소를 계산하였다. 계산을 위하여 standard screen printed c-Si solar cell의 데이터를 활용하였다. Table 1에서 보는 바와 같이 수심이 깊어 질수록 단락전류가 감소하는 것을 확인 할 수 있었으며, 수심 2 cm에서는 AM 1.
설치된 염전 병행 연간 발전량을 예측하기 위해 SolarPro PV 시뮬레이션 소프트웨어(Laplace system, USA)를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에 필요한 기상 조건은 전라남도 목포의 기상청 자료를 바탕으로 하였다. 또한 염전의 온도를 정확하게 예측하기 위해 염전 시험장에서 수집한 기상 데이터와 파일롯 시스템 모듈의 온도를 사용하였다.

이론/모형

태양광 모듈은 지면에 수평으로 설치되므로 태양열 모듈 부분을 바닥에서 일정 높이로 띄우고 낮은 지열의 영향을 고려하여 높이를 조정하도록 설계되었다. 설치된 염전 병행 연간 발전량을 예측하기 위해 SolarPro PV 시뮬레이션 소프트웨어(Laplace system, USA)를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에 필요한 기상 조건은 전라남도 목포의 기상청 자료를 바탕으로 하였다.

성능/효과

5cm와 10 cm 깊이의 수조에 위치시키고 온도에 따른 효율 변화를 측정하였다. Fig. 2에서 보는 바와 같이 온도가 증가함에 따라 2.5 cm 수조와 10 cm 수조에 위치한 단결정/다결정 태양전지의 효율이 선형으로 감소되는 것을 확인하였다. 따라서 동일 수심에서 온도에 따른 효율 저하는 단결정과 다결정 태양전지 간에 차이가 없음을 의미한다.
계산을 위하여 standard screen printed c-Si solar cell의 데이터를 활용하였다. Table 1에서 보는 바와 같이 수심이 깊어 질수록 단락전류가 감소하는 것을 확인 할 수 있었으며, 수심 2 cm에서는 AM 1.5 대비 4.5%의 단락 전류 감소가, 20 cm에서는 약 21%의 단락전류 감소를 확인하였다. 단락전류의 감소를 해수의 기생 광흡수에 기인하다는 것을 확인 할 수 있다⁹⁾.
그러나 장기 운영에서 염전 모듈은 모듈 표면에 이물질의 적층으로 발전효율이 낮아질 수 있다는 것을 확인하였다. 따라서 염전 모듈의 표면을 깨끗하게 유지하는 것이 중요하다는 것을 확인 할 수 있었다. 전력 예측 시뮬레이션으로부터, 우리는 염전 모듈의 발전량이 모든 달에서 육상설치 모듈 (0º, 기준)의 발전량보다 더 높다는 것을 확인 할 수 있었고, 이는 해수가 모듈 위로 2 cm의 높이를 유지할때 해수에 의한 광손실보다 냉각효과에 의한 모듈 성능의 증가가 전체 발전량에 더 크게 기여한다는 것을 알 수 있었다.
그러나 다른 달에 염전 병행 모듈은 더 높은 발전을 보였으며 총 연간 발전량은 염전 모듈 (1910 kWh)과 육상 설치 모듈 (30º) (1962 kWh)이 유사하였다. 따라서 염전 병렬시스템의 발전은 해수에 의한 모듈 냉각효과의 영향으로 기존의 태양광 발전소와 유사한 발전량을 낼 수 있다고 사료된다.
시뮬레이션 결과 염전 병렬 시스템은 육상 설치 모듈 (0º 설치)보다 높은 발전량을 보여주었으며 육상 발전 모듈 (30º 설치)와 유사한 연간 발전량을 보여주었다.
실증과 시뮬레이션을 통해 염전 모듈의 발전량은 육상 설치 모듈(Reference, 0º 설치)의 발전량보다 더 높은 것으로 나타났다.
3은 염전 병행 태양광 모듈이 2018년 5월부터 8월까지 해수의 높이가 2 ~ 3 cm로 유지 된 날에 대한 발전량과 육상 모듈(0º 설치)을 비교 한 것이다. 염전 병행 태양광 발전 시스템은 5월에서 8월까지 육상 모듈에 비하여 높은 발전량을 보여줬으며, 5월에는 육상 모듈 대비 108%, 7월에는 118%의 발전량을 보여줬다. 앞서 논의한 바와 같이, 해수에 의한 냉각 효과는 염전 병행 태양광 모듈에서 더 나은 발전을 제공한다.
전력 예측 시뮬레이션으로부터, 우리는 염전 모듈의 발전량이 모든 달에서 육상설치 모듈 (0º, 기준)의 발전량보다 더 높다는 것을 확인 할 수 있었고, 이는 해수가 모듈 위로 2 cm의 높이를 유지할때 해수에 의한 광손실보다 냉각효과에 의한 모듈 성능의 증가가 전체 발전량에 더 크게 기여한다는 것을 알 수 있었다.
그림2에 표시된 실제 측정 데이터와 유사하게, 염전 모듈의 발전량은 모든 달에서 육상 설치 모듈 (0º, 기준)의 발전량보다 높았다. 해수는 모듈 위로 2 cm의 높이를 유지함으로써 해수로 인한 광손실보다 냉각효과가 모듈의 성능의 증가에 더 크게 기여한다는 것을 알 수 있었다. 육산 설치 모듈 (30º)은 9월에서 3월까지 염전 병행 모듈 보다 높은 발전량을 보여주었는데, 이는 해당 계절에 태양의 입사각이 낮아졌기 때문이다.
실증과 시뮬레이션을 통해 염전 모듈의 발전량은 육상 설치 모듈(Reference, 0º 설치)의 발전량보다 더 높은 것으로 나타났다. 해수는 모듈 위로 2 cm의 높이를 유지함으로써 해수에 인한 광손실 손실보다 냉각효과로 인하여 발전량 향상에 기여한 것으로 판단되었다. 시뮬레이션 결과 염전 병렬 시스템은 육상 설치 모듈 (0º 설치)보다 높은 발전량을 보여주었으며 육상 발전 모듈 (30º 설치)와 유사한 연간 발전량을 보여주었다.
본 연구에서는 동일 장소에서 소금과 전기를 생산할 수 있는 염전 병행 태양광 발전소를 제안하였다. 현장 테스트 결과, 해수에 의한 냉각 효과로 인해 염전 병행 모듈이 육상 설치 모듈보다 더 높은 발전량을 보여주었다. 그러나 장기 운영에서 염전 모듈은 모듈 표면에 이물질의 적층으로 발전효율이 낮아질 수 있다는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	염전 병행 태양광 발전 시스템이란?	이에 따라 본 연구에서는 세계 최초로 소금 생산과 태양광 발전을 결합한 염전 병행 태양광 발전 시스템의 개념을 제안하였다. 해당 시스템은 염전 하부 증발지에 태양광 모듈을 설치하여 해수의 증발을 돕고, 태양광을 이용하여 전기를 생산하며 동시에 천일염 생산이 가능한 병행 시스템이다. 실리콘 태양광 모듈의 염분 환경에서의 작동시 부식문제가 보고되었으나, 염분에 대한 안정성 확보를 위한 연구 및 실효성이 입증되고 있어4)염전 병행 시스템의 활용에 가능하다.
	염전 병행 모듈의 역할은 무엇인가?	이는 해수에 포함되어 있는 부유물들이 태양광 모듈 표면에 적층되어 태양광의 투과를 막을 것으로 생각된다. 해수는 다양한 미생물과 이물질을 포함하고 있으므로 증발지 역할을 하는 염전 병행 모듈 위에 지속적으로 적층될 가능성이 높다. 이러한 이물질들은 태양광의 투과를 방해하게 되고 결과적으로는 시스템의 발전효율 저하를 가져올 수 있다.
	우리나라의 지리적 환경은 어떠한가?	그러나 국토 면적의 제약은 추가적인 태양광 발전소의 설치를 제한하고 있다3). 우리나라는 삼면이 바다로 둘러싸여 있고 길은 해안선을 보유하고 있다. 이로 인하여 해안을 이용하는 염전산업이 발달하여왔다.

참고문헌 (9)

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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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