[논문]공동주택 발코니 PV 연계 가정용 BESS의 에너지 절감 효과 분석

김차년; 엄지영; 김용기

doi:10.7836/kses.2020.40.3.021

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The government mandates gradually zero energy building and Photovoltaic power generation systems installed in buildings are emerging as the most realistic alternative to increase the independence rate of building energy. In this study, we propose a method to reduce the power consumption of household...

The government mandates gradually zero energy building and Photovoltaic power generation systems installed in buildings are emerging as the most realistic alternative to increase the independence rate of building energy. In this study, we propose a method to reduce the power consumption of households by increasing the PV capacity of balconies and applying the method used the charged electric power stored in batteries after sunset. In order to evaluate the electric power energy savings of the residential BESS, a balcony PV 1.2 kW and a battery pack 2 kWh were installed for 9 houses in 4 apartments in Seoul and Gyeonggi-do. The BESS is charged when the balcony PV is generated electric power, and when solar power generation is finished, it supplies power to the electric appliances connected to the load. As a result of installing the solar PV module 1.2 kW and 2 kWh class BESS for 3 households located in Seoul and Gyeonggi-do, the average electric power consumption saving rate was 40%. The reduction in electricity consumption in the case of zero generation surplus power by maximizing the utilization rate of BESS has been improved to about 53%. Therefore, in order to increase the self-sufficiency rate of electric energy in apartment houses, it is effective to increase the solar photovoltaic capacity of the balcony and apply the residential BESS. In the future, it is believed that the balcony PV and home BESS will play a key role in achieving mandatory zero-energy housing.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1 Pictures of PV panels installed on the balcony
표 Table 1 Information of apartments installed the BESS linked bacony PV
그림 Fig. 2 Pictures of realtime electric power meters
표 Table 2 Specification of a hybrid inverter and battery pack
그림 Fig. 3 Operation mode conceptual diagram of the BESS linked balcony PV
그림 Fig. 4 Monitoring system of the BESS linked balcony PV
표 Table 3 Hybrid inverter operating mode
그림 Fig. 5 Pictures of BESS installed on the balcony
그림 Fig. 6 Variations of PV module generation area according to the direction of the sun
그림 Fig. 7 Time variations of the instantaneous PV power of each household per day
그림 Fig. 8 Daily operation characteristics of the BESS linked balcony PV
표 Table 4 Daily operation characteristics data of the BESS linked balcony PV
표 Table 5 Average data of daily operation characteristics for the BESS linked balcony PV
그림 Fig. 9 Electric power consumption saving rate by a household according to using the BESS linked balcony PV

AI 본문요약
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문제 정의

BESS가 탑재된 3kW급 가정용 하이브리드 인버터(Hybrid inverter)를 이용하여 충·방전 시뮬레이션에 따른 가능성에 대한 연구²⁾도 진행되었으나 실험결과가 아닌 시뮬레이션으로 결과^3,4)를 제시하였다. 실제 공동주택에 태양광 발전설비 연계 BESS를 설치하여 진행된 연구결과는 없으며 본 연구에서는 발코니 태양광 발전설비 용량을 증대시키고 맑은 날 주간의 태양광 발전에 따른 잉여전력을 BESS에 저장하여 일몰 후 사용하는 방식을 세대에 적용함으로써 세대의 전력소비량을 절감시키는 방안을 제안하고 에너지 절감 효과를 분석하고자 한다.

제안 방법

대상 세대들의 3일 동안의 PV 발전량, 배터리 충·방전량, 부하사용량과 세대 분전반에 설치된 전력량계를 통해 전체 전력사용량 및 잉여전력을 비교하였다. Fig.
본 연구에서는 공동주택 세대별 전기에너지 자립율을 높이기 위하여 기존 서울시 미니 태양광 발전 사업용 300 W급 태양광 모듈 대비 용량을 증대시켜 1.2 kW급 태양광 모듈을 발코니 난간에 설치하고, 주간의 태양광 발전에 따른 잉여전력을 배터리 에너지저장시스템(BESS)에 저장하여 일몰 후 사용하는 방식을 적용하여 세대의 전력소비량을 감소시키는 방안에 대한 실증결과를 검토하였다.

대상 데이터

BESS에 사용된 배터리는 리튬이온(Li-ion)배터리 보다 안전성이 높다고 알려진 리튬인산철(LiFePO4) 배터리를 사용하였다. 배터리 자체 BMS (Battery Mangement System)에서 과전압, 저전압, 과전류, 과방전, 과충전 발생 시 배터리에 공급되는 전력을 차단하는 기능을 가지고 있다.
실증 대상 세대는 태양광 발전이 가능한 수도권 소재의 중규모 아파트로 선정하였다. 실증 규모는 총 9세대를 대상으로 태양광 발전 설비(PV)와 BESS를 설치하였으나, 본 연구에서는 현재 데이터를 받고 있는 3세대(서울시 노원구 J 아파트, 성동구 D 아파트, 경기도 용인시 수지구 R 아파트)만을 대상으로 분석하였으며, 각 세대의 정보는 Table 1과 같다.
실증 대상 세대는 태양광 발전이 가능한 수도권 소재의 중규모 아파트로 선정하였다. 실증 규모는 총 9세대를 대상으로 태양광 발전 설비(PV)와 BESS를 설치하였으나, 본 연구에서는 현재 데이터를 받고 있는 3세대(서울시 노원구 J 아파트, 성동구 D 아파트, 경기도 용인시 수지구 R 아파트)만을 대상으로 분석하였으며, 각 세대의 정보는 Table 1과 같다.

성능/효과

(1) 세대별 발코니 태양광 발전 설비의 순간 발전전력은 세대 방향 및 모듈 설치 각도의 영향으로 정격 용량 대비 13~30%의 손실이 발생하였다. 공동주택에서 단독주택의 경우처럼 세대 잉여 태양광 발전전력에 대한 상계거래가 된다면, 1.
(2) 서울과 경기도에 위치한 아파트 3세대에 대하여 발코니 태양광 모듈 1.2 kW와 2 kWh급 BESS를 설치한 결과, 전기에너지 절감율은 평균 40%를 기록하였다. 실증결과에서의 BESS 이용율은 43% 수준으로 연결부하를 세대 분전반으로 확대할 경우, 즉 BESS의 이용율을 최대로 활용하여 세대 잉여 전력을 제로로 만들 경우의 전기소비량 절감율은 53% 정도로 향상되었다.
2 kW) 대비 13 ~ 30%의 손실이 발생하였다. 공동주택에서 단독 주택의 경우처럼 세대 잉여 태양광 발전전력에 대한 상계거래가 된다면, 1.2 kW의 발코니 태양광 발전 설비를 설치함으로써 한 달 동안 102 kWh를 발전(20%의 발전 손실 적용, 등가가동시간 3.4시간 적용) 할 수 있고, 이를 주택용 요금제 누진 2구간 전력량 요금인 187.9원/kWh를 적용하면, 한 달 동안 19,166원을 절감할 수 있다.
8은 각 세대의 대표 하루 동안의 순시전력그래프고 J 아파트, D 아파트, R 아파트 순서이다. 기상조건 및 설치 위치에 따라 차이는 있지만 PV발전이 시작되는 오전 6시부터 배터리 충전전력이 상승하기 시작하여 오전 9시부터 10시경에 급격히줄어드는 것을 확인할 수 있으며 이는 배터리가 100% 충전이 되어 잉여전력이 계통으로 공급되고, BESS에 연결된 부하는 배터리 방전 전력의 사용시간을 보면 PV발전이 없는 시간에 사용됨을 볼 수 있다.
2 kW와 2 kWh급 BESS를 설치한 결과, 전기에너지 절감율은 평균 40%를 기록하였다. 실증결과에서의 BESS 이용율은 43% 수준으로 연결부하를 세대 분전반으로 확대할 경우, 즉 BESS의 이용율을 최대로 활용하여 세대 잉여 전력을 제로로 만들 경우의 전기소비량 절감율은 53% 정도로 향상되었다. 따라서 공동주택 세대 전기에너지 자립율을 높이기 위해서는 발코니 태양광 발전 용량을 늘리고, 가정용 BESS를 적용하는 것이 효과적인 방법이다.

후속연구

한편, 서울시에서는 공동주택 발코니 태양광 발전설비를 주도적으로 보급하고 있으나 공동주택의 경우에는 세대부하를 초과하는 태양광 생산 잉여전력의 상계처리가 불가능하다. 따라서 공동주택 세대 전기요금을 절감하고, 세대당 에너지 자립율을 높이기위해서는 세대당 태양광 발전량을 높일 필요가 있으며 아파트에서는 상계처리가 안 되기 때문에 초과 발전량을 BESS에 저장하여 야간에 이용하는 방안이 필요하다.
따라서 공동주택 세대 전기에너지 자립율을 높이기 위해서는 발코니 태양광 발전 용량을 늘리고, 가정용 BESS를 적용하는 것이 효과적인 방법이다. 향후 발코니 태양광과 가정용 BESS는 제로에너지주택 의무화 달성을 위한 핵심적인 역할을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유럽 및 미국의 많은 단독주택에서는 어떤 태양광 발전시스템이 많이 보급되고 있는가?	정부에서는 제로에너지건축을 점진적으로 의무화하고 있으며 건물에 설치되는 태양광발전시스템은 건물에너지 자립율을 높이기 위한 가장 현실적인 대안으로 부상하고 있다. 유럽 및 미국의 많은 단독주택에서는 주간에 태양광 발전시스템에서 자가 발전한 전력을 가정용 배터리 에너지저장시스템(BESS)에 저장했다가 야간에 사용하는 기술이 보급되고 있다. 국내의 단독주택에서는 옥상에 설치되는 태양광 발전설비가 많이 보급되고 있으나, BESS는 거의 보급되지 않고 있다.
	본 연구에서는 공동주택 세대별 전기에너지 자립율을 높이기 위하여 기존 서울시 미니 태양광 발전 사업용 300 W급 태양광 모듈 대비 용량을 증대시켜 1.2 kW급 태양광 모듈을 발코니 난간에 설치하고, 주간의 태양광 발전에 따른 잉여전력을 배터리 에너지저장시스템(BESS)에 저장하여 일몰 후 사용하는 방식을 적용하여 세대의 전력소비량을 감소시키는 방안에 대해 연구하였다, 이에 대한 연구결과는?	(1) 세대별 발코니 태양광 발전 설비의 순간 발전전력은 세대 방향 및 모듈 설치 각도의 영향으로 정격 용량 대비 13~30%의 손실이 발생하였다. 공동주택에서 단독주택의 경우처럼 세대 잉여 태양광 발전전력에 대한 상계거래가 된다면, 1.2 kW의 발코니 태양광 발전 설비를 설치함으로써 한 달 동안 약 100 kWh를 발전할 수 있고, 이를 주택용 요금제 누진 2구간 전력량 요금을 적용하면, 한 달 동안 2만 원 정도를 절감 할 수 있다. 그러나 상계거래가 안 될 경우에는 태양광 잉여 전력을 배터리에 저장하여 야간에 사용함으로써 전기요금을 더욱 절감할 수 있고, 세대 전기에너지 자립율도 높일 수 있다. (2) 서울과 경기도에 위치한 아파트 3세대에 대하여 발코니 태양광 모듈 1.2 kW와 2 kWh급 BESS를 설치한 결과, 전기에너지 절감율은 평균 40%를 기록하였다. 실증결과에서의 BESS 이용율은 43% 수준으로 연결부하를 세대 분전반으로 확대할 경우, 즉 BESS의 이용율을 최대로 활용하여 세대 잉여 전력을 제로로 만들 경우의 전기소비량 절감율은 53% 정도로 향상되었다. 따라서 공동주택 세대 전기에너지 자립율을 높이기 위해서는 발코니 태양광 발전 용량을 늘리고, 가정용 BESS를 적용하는 것이 효과적인 방법이다. 향후 발코니 태양광과 가정용 BESS는 제로에너지주택 의무화 달성을 위한 핵심적인 역할을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
	배터리 자체 BMS는 어떤 기능을 가지고 있는가?	BESS에 사용된 배터리는 리튬이온(Li-ion)배터리 보다 안전성이 높다고 알려진 리튬인산철(LiFePO4) 배터리를 사용하였다. 배터리 자체 BMS (Battery Mangement System)에서 과전압, 저전압, 과전류, 과방전, 과충전 발생 시 배터리에 공급되는 전력을 차단하는 기능을 가지고 있다. 실제 사람이 거주하는 아파트 세대에 설치하기 때문에 안전성에 중점을 두어 발코니 내부에 비가 들이치거나 물청소를 할 경우 감전 및 기기 손상을 보호하기 하이브리드 인버터와 배터리팩을 1300 × 400 × 410 mm 철제 케이스에 넣어 바닥에서 약 70 mm 여유 공간을 두어 설치하였다.

참고문헌 (4)

Woo, S. M., Moon, J. C., Ahn, J. W., and Kim, Y. H., The Study of Optimal Operation Development of PV+ESS Active System for Zero Energy Building, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 39, No. 5, pp. 53-63, 2019.
Kim, H. S., Kang, S. K., Bae, J. W., Lee, J. W., and Nho, E. C., 3 kW Residential PV Hybrid Inverter with ESS, Power Electronics Conference, pp. 42-43, 2016.
Eum, J. Y. and Kim, Y. K., Economical Analysis of the PV-linked Residential ESS using HOMER in Korea, Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 20, No. 2, pp. 36-42, 2019.
Kim, B. J., Lim, H. W., Kim, D. S., and Shin, U. C., A Study of Load Matching on the Net-zero Energy House, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 38, No. 4, pp. 55-66, 2018.

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