[논문]수조식 양식장의 태양광발전시스템 리모델링 교체 효과: 시뮬레이션을 통한 에너지절감효과 분석

최현석; 나종혁; 이현영; 노재엽

doi:10.21218/cpr.2021.9.1.011

수조식 양식장의 태양광발전시스템 리모델링 교체 효과: 시뮬레이션을 통한 에너지절감효과 분석
The Effect of Remodeling Replacement of Photovoltaic Power Generation System in Fish Farm : Analysis of Energy Saving Effect through Simulation 원문보기

Current photovoltaic research = 한국태양광발전학회논문지, v.9 no.1, 2021년, pp.11 - 16

최현석 (한국조명아이씨티연구원) , 나종혁 (한국조명아이씨티연구원) , 이현영 (한국조명아이씨티연구원) , 노재엽 (한국조명아이씨티연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In the past, marine pollution caused by radioactivity and wastewater discharge caused mass destruction. As an alternative, the land farming system became common and operational. In recent years, safety and environmental problems caused by declining population due to aging of fishermen and underdeveloped facilities have always been lurking, so improvement is urgently needed. As part of the new renewable energy 3020 plan announced by the government in 2017, a new model was proposed to improve the environment as well as save energy when the roof of a water tank farm was remodeled into a solar power system. Study, when the existing roof was remodeled and replaced with a water tank farm in Busan as an empirical model, the energy saving rate was analyzed by comparing the actual electricity consumption and power generation.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Map of fish-farm site
그림 Fig. 2. Deeteriorated fish-farm site
표 Table 1. Monthly electricity energy consumption
표 Table 2. Specification of Photovoltaic
표 Table 3. Specification of Inverter
그림 Fig. 3. Shading effect by surrounding terratin
표 Table 4. Anlaysis of power to inclination angle (Unit : kWh)
표 Table 5. Analysis of Energy saving rate
그림 Fig. 4. LCC economic analysis

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이러한 이점을 활용하여 수조식 양식장의 낙후된 지붕 시설을 태양광발전시스템으로 리모델링 교체하고, 발전되는 전력은 양식장의 운영전력으로 즉시 사용하여 운영비 절감 및 에너지 절약 등의 부가적인 수익창출도 가능한 새로운 모델을 제시해보고자 하며, 부산 기장군의한 수조식 양식장을 실증 모델로 하여 전력사용실태를 분석하고, 태양광발전시스템의 발전량을 시뮬레이션하여 에너지절감 효과를 예측 분석해보고자 한다.
본 연구를 통해 낙후된 수조식 양식장 시설물에 대하여 기존시설물의 교체에 따른 환경 개선 및 태양광발전시스템에서 발생하는 발전전력에 의한 에너지 절감 등 부가수익을 창출할 수 있는 새로운 모델을 제시할 수 있었다는 점에서 큰 의의를 찾고자 한다.
본 연구에 앞서, 실증사이트로 선정된 부산 기장군 일광면에 소재한 수조식 양식장의 운영 상황을 알아보고자 직접 방문하여 운영현황 및 규모에 대해 사전조사하였다.

제안 방법

400 m 가량의 작은 산이 존재하고 있다. 1년 중 태양의 고도가 가장 높고 일사 시간이 가장 긴 하지일을 기준으로 그림자의 영향 유무를 시뮬레이션하였고, 그 결과를 Fig. 3에 나타냈다. 산으로 인해 음영이 발생하는 시간은 오후 5시부터 일몰 시간까지이며, 음영 유무에 따른 발전량 감소율은 0.
LCC 기법에서 총비용은 현재가지 기준으로 적용하였으며, 그 비용은 제조업체 및 공급업체에 개략적으로 요청한 가견적을 토대로 추정하였다. 가견적에는 모듈과 인버터의 구매비용, 전기공사 및 전기실 구축비용, 기존시설의 철거비용이 포함되어 있다.
본 연구에서는 태양광발전시스템 설치 시 경초기 설치비, 정부지원금, 할인율, 연간유지 및 교체비용 등을 고려하여 투자회수기간을 계산하는 생애주기분석(LCC) 기법을 활용하여 경제성을 분석하였다.
인버터는 D 사의 50 kW급 모델이며, 최대효율 98% 이상의 성능을 갖고 있다. 실증사이트에 구축될 태양광발전 용량은 총 200 kW급이므로 인버터의 출력 용량에 맞춰 총 4대로 구성하였다.
이러한 조건을 충분히 고려하여 시뮬레이션에서는 어레이의 경사각을 10~30도까지 다양하게 변화시켜 발전량을 분석하였다. 어레이의 설치간격은 양식장의 실제환경을 고려하여 수조의 간격에 맞게 22 m로 고정하였으며, 어레이의 방향은 정남향으로 구성하였다.
또한 양식환경 특성상, 태양광 어레이가 햇빛으로부터 수조를 충분히 가려줄 수 있는 구조여야 한다⁷⁾. 이러한 조건을 충분히 고려하여 시뮬레이션에서는 어레이의 경사각을 10~30도까지 다양하게 변화시켜 발전량을 분석하였다. 어레이의 설치간격은 양식장의 실제환경을 고려하여 수조의 간격에 맞게 22 m로 고정하였으며, 어레이의 방향은 정남향으로 구성하였다.
수집하였다. 전력소비량은 각 전력설비에 CT센서를 설치하여 일별 적산 형식으로 데이터를 수집하였으며, DB 구축은 측정된 데이터를 일별/월별 전력량으로 각각 취합하여 소비패턴을 분석하였다.

대상 데이터

시뮬레이션 분석에 활용된 기상데이터는 한국에너지기술연구원(KIER)에서 제공되는 데이터와 기상청(KMA)에서 제공하는 데이터를 선택하여 사용할 수 있으며, 그 외에 제공되지 않는 지역의 기상데이터는 추가적으로 입력하여 적용이 가능하다. 입력해야 하는 추가 정보로는 위치정보를 나타내는 위도, 경도와 기상정보를 나타내는 일사량, 외기온도에 대한 정보들이다.
실증사이트에 실제 적용될 모듈은 S사의 385 W급 단결정 Perc 모듈로 19.3%의 발전효율 특성을 지니고 있다. 인버터는 D 사의 50 kW급 모델이며, 최대효율 98% 이상의 성능을 갖고 있다.
실증사이트의 총 대지면적은 4, 220 m² 규모로 9 m × 9 m 사이즈의 콘크리트 수조가 약 40여 개 구성되어 있다. 주 어종은 강도다리와 넙치였고, 연간 출하량은 정확하지는 않으나, 2019년도의 강도다리와 넙치의 kg당 단가가 8, 000원~11,000원 사이의 금액으로 형성되었던 통계 자료와 연 7억원 정도라는 매출 집계자료로 미루어 볼 때, 70톤~80톤 사이로 추정해 볼 수 있었다⁴⁾.
양식장에서 실제로 소비되고 있는 전력소비량을 파악하기 위해 19년 12월부터 20년 11월까지 약 1년간 모니터링하여 데이터를 수집하였다. 전력소비량은 각 전력설비에 CT센서를 설치하여 일별 적산 형식으로 데이터를 수집하였으며, DB 구축은 측정된 데이터를 일별/월별 전력량으로 각각 취합하여 소비패턴을 분석하였다.
어레이의 직병렬 구성은 인버터의 전압 전류 특성을 고려하여 사양에 가장 적합한 16직렬 8병렬이며, 총 4개의 어레이로 구성하였다.

이론/모형

발전전력의 에너지 절감비용 단가는 실증사이트에서 생산되는 전기를 즉시 사용하는 형태인 점을 고려하여, 한국전력공사의 농업용 전력요금표를 참조해 kWh당 50원으로 산정하였다¹¹⁾. 마지막으로 시스템의 경제성 평가기간은 20년으로 설정하였다.
본 논문에서 태양광시스템의 발전량 예측은 Solarpro Ver 4.5 시뮬레이션 프로그램을 활용하였으며, 태양광발전시스템에 관련된 모든 요소의 설정을 손쉽게 변경이 가능하며, 3D 이미지로 실제 환경을 유사하게 표현이 가능하다⁶⁾.

성능/효과

(1) 실증사이트로 선정된 양식장에서는 양식 어종의 생육환경 유지를 위해 각종 펌프들이 상시 가동되고 있으며, 이 중 바다의 해수를 공급하기 양수펌프가 전력소비량의 대부분 (90%)을 차지한다. 데이터 수집 결과, 연 1, 300 MWh 급의 전력 사용하는 것으로 분석되었다.
(2) 태양광발전시스템에서 어레이의 경사각에 따른 발전량을비교분석한 결과, 경사각 15도에서 최대 발전량을 나타내고 있으며, 시뮬레이션 결과, 연 257, 511 kWh의 발전량을 나타내었다. 경사각 변화에 따른 발전량의 차이는 크지 않은 것으로 분석되었다.
(3) 수조식 양식장의 낙후된 기존 시설물을 태양광발전시스템으로 교체할 경우, 안전·환경적인 개선이 가능할 것이며, 발전전력을 즉시 소비할 경우 연 19.9%의 에너지 절감효과를 기대할 수 있다.
(4) LCC 기법을 활용하여 초기투자비용 대비 회수기간에 대한경제성을 평가해보면, 현가치로 환산한 투자회수 기간은 15 년이며, 연간 1280만원 정도의 전기요금 절감 효과를 창출할 수 있는 것으로 추정되었다.
경사각 15도를 기준으로 하여 여러 각도에서의 연발 전량의 상대적 비율을 분석해 보면, 경사각 10도는 99.9%, 경사각 20도는 99.6%, 경사각 25도는 98.9%, 경사각 30도는 97.8%로 경사각의 변화에 비해 연 발전량은 큰 변화가 없는 것으로 볼 수 있다. 따라서, 실제 환경에서의 최종 어레이 경사각은 연발 전량보다는 양식장의 적절한 생육환경 조성을 고려해 햇빛을 차단할 수 있는 경사각을 선택하는 것이 바람직할 것으로 보인다.
차지한다. 데이터 수집 결과, 연 1, 300 MWh 급의 전력 사용하는 것으로 분석되었다.
8%로 경사각의 변화에 비해 연 발전량은 큰 변화가 없는 것으로 볼 수 있다. 따라서, 실제 환경에서의 최종 어레이 경사각은 연발 전량보다는 양식장의 적절한 생육환경 조성을 고려해 햇빛을 차단할 수 있는 경사각을 선택하는 것이 바람직할 것으로 보인다.
분석 결과, 초기투자 비용은 15년만에 회수되고, 연간 12, 875, 000 원의 전기요금을 절감할 수 있는 것으로 추정할 수 있으나, 물가 상승률 및 실질할인율은 적용하지 않아 회수기간 및 연간 절감 비용은 약간의 오차가 발생할 수 있다.
분석결과, 봄-여름철에는 수온조절을 위한 펌프의 가동이 잠시 중단되면서 전력소비량은 줄어들고, 태양의 고도는 높아짐에 따라 발전량이 상승하게 되면서 최고 29.0%의 에너지 절감율을 예측할 수 있다. 수온을 높이기 위해 히트펌프를 많이 가동하게 되는 가을-겨울철 및 치어의 입식시기(2~3월)에는 에너지절감율이 감소하게 된다.
3에 나타냈다. 산으로 인해 음영이 발생하는 시간은 오후 5시부터 일몰 시간까지이며, 음영 유무에 따른 발전량 감소율은 0.05%로 그 차이가 매우 미미한 것으로 나타났다.
수온을 높이기 위해 히트펌프를 많이 가동하게 되는 가을-겨울철 및 치어의 입식시기(2~3월)에는 에너지절감율이 감소하게 된다. 종합적으로 살펴보면 연평균 19.9%의에너지절감율을 기대할 수 있다.

후속연구

양식장 전체 공간에 대한 교체 및 경제성 분석에 대해 충분한 검토 후, 실증으로 이뤄진다면 더욱 의미있는 연구 사례가 될 수 있을 것으로 사료된다.

참고문헌 (11)

Korea Maritime Institute, https://www.kmi.re.kr/web/trebook/view.do?rbsIdx273&page7&idx162
Statistics Korea, http://kostat.go.kr/portal/korea/kor_nw/1/1/index.board?bmoderead&aSeq381312
MOTIE, http://www.motie.go.kr/motiee/presse/press2/bbs/bbsView.do?bbs_seq_n159996&bbs_cd_n81
Noryangjin Fishries Wholesale Market, https://www.susansijang.co.kr
Kim, D. H., "A Study on on Energy Consumption by the Fish Farm Building Types," Journal IAK, Vol. 37, No. 1, pp. 279-282, 2017.
Park, J. B., "A Study on the Generating Power Analysis of Vertical Array in Photovoltaic system," Journal KIIEE, Vol. 33, No. 10, pp. 52-61, 2019.
Eh, Y. Y., "An Environmental Effect on Productivity of Flounder Culture Farms," Journal FBA, Vol. 42, No. 3, pp. 79-93, 2011.
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Choi, D. J., "Comparison Researches for Installation of the Module Angles and Array Spacing on Photovoltaic System," Journal KIIEE, Vol. 23, No. 1, pp. 162-168, 2009.
MOTIE, https://www.motie.go.kr/motie/ne/presse/press2/bbs/bbsView.do?bbs_cd_n81&bbs_seq_n160642
KEPCO, https://cyber.kepco.co.kr/ckepco/front/jsp/CY/H/C/CYHCHP00201.jsp

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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