[논문]염전 병행 태양광 발전 시스템 타당성 검토를 위한 기초연구

강성현; 김봉석; 김근호; 박종성; 김덕성; 임철현

doi:10.21218/cpr.2021.9.1.017

염전 병행 태양광 발전 시스템 타당성 검토를 위한 기초연구
Feasibility Study of Salt Farm and Solar Power Paraell System 원문보기

Current photovoltaic research = 한국태양광발전학회논문지, v.9 no.1, 2021년, pp.17 - 21

강성현 (에너지밸리연구센터, 한국전력연구원) , 김봉석 (에너지밸리연구센터, 한국전력연구원) , 김근호 (태양에너지연구실, 녹색에너지연구원) , 박종성 (태양에너지연구실, 녹색에너지연구원) , 김덕성 (태양에너지연구실, 녹색에너지연구원) , 임철현 (태양에너지연구실, 녹색에너지연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the effect of water level and temperature on the power generation was investigated in a water tank with an aquavoltaic PV module to perform feasibility research for the development of salt farm aquavoltaic system. The silicon solar cell attached to the bottom of each water tank is a 1-cell mini module, and the underwater effects of the crystal phase (19.0~19.9% of single- & 17.9~19.9% of poly-crystalline) of the PV module were investigated, and power generation characteristics for water level (0~10 cm) and temperature (10~40℃) were analyzed. The deterioration coefficients according to the water level and temperature of each single- and poly-crystalline module were investigated at very similar levels such as, -2.01 %/cm and -2.02 %/cm, -0.50 %/℃ and -0.48 %/℃, respectively. Therefore, in salt farm aquavoltaic system, water levels need to maintain as low as possible, and heat-induced degradation is similar to those shown in general land, and no factors have been found to be affected by the underwater environment depending on the determination.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Conceptual diagram of power generation by single- & poly-crystalline module according to water temperature and level
그림 Fig. 2. Single- and poly-crystalline one-cell mini module laminated with black sheet
표 Table 1. Power generation characteristics of single- and poly-crystalline silicon solar cells used in simulated water tank
그림 Fig. 3. Investigation of power generation characteristics according to water level by water temperature of single- (S1) and poly-crystalline (P1) modules
그림 Fig. 4. Investigation of power generation characteristics according to the water level of single- (S1) and poly- crystalline (P2) modules
그림 Fig. 5. Investigation of power generation characteristics according to water temperature and water level of 6 types of singleand poly-crystalline module; a. 10℃ and b. 40℃
그림 Fig. 6. I-V curve analysis of poly-crystalline module (P2) according to water temperature (10~40℃)
그림 Fig. 7. I-V curve analysis of poly-crystalline module (P2) according to water level (0~10 cm)
표 Table 2. Investigation of water temperature and level deterioration coefficient of single- & poly-crystalline module

AI 본문요약
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문제 정의

이는 결정질 태양전지 소재의 고유 물성에 따라 달라지며, 온도가 올라갈수록 가전자대 (valance band)에 있는 전자들이 전도대(conduction band)로 전이됨으로써 전도에 기여하는 전자수가 많아지고 전류가 상승하여 상대적으로 밴드 갭이 좁아지는 효과를 갖게 되어 전압 값은 낮아지는 경향을 보인다. 따라서 본 연구에서는 각 수위에 따른 단결정 및 다결정 모듈 별 발전량 특성을 조사하였다.
따라서 본 연구에서는 염전 병행 태양광발전 시스템 개발을 위해 lab-scale 수준에서 해수의 수위 및 수온과 바람에 의한 외란 크기가 염전용 수중 단결정 및 다결정 실리콘 모듈의 발전량에 미치는 영향을 각각 조사하였다.
이에 본 연구에서는 염전의 증발지에 태양광 발전 시스템을 도입하여 동일 부지에서 천일염 생산과 태양광 발전의 상생이 가능한 염전 병행 태양광 발전 시스템 개념을 세계 최초로 제안하여 침체된 염전 어가에 새로운 수익을 창출함과 동시에 국내재생에너지 보급 활성화를 도모하고자 한다. 현재 국내 염전의 전체 면적은 약 4600만 m²로 이 중 증발지의 면적은 약 3900만 m²에 달한다.

제안 방법

1과 같이 구성하였다. Fig. 2와 같이 불필요한 광 산란을 제거하기 위해 black sheet로 원셀 미니 모듈을 각각 제작하였으며 폴리카보네이트 재질의 수조안에 단결정 및 다결정 실리콘 모듈을 수조 바닥면에 배치하였다. 각 모듈이 설치된 수조 내부의 수온 및 수위는 항온수조를 통해 제어된 물이 모의수조를 순환할 수 있도록 하였고, 항온수조에서 모의수조로 유입되는 유량은 유량계를 이용하여 제어하였다.
또한 외란크기 조정은 모의 수조 내 수위를 3 cm로 하고 일반 선풍기를 활용하여 바람세기에 따라 외란 없음, 외란크기 대 및 소로 각각 조정하였다. 각 모듈의 수위 및 수온에 따른 발전량은 solar simulator (K201 LAB50)를 통해 측정하였다.
2와 같이 불필요한 광 산란을 제거하기 위해 black sheet로 원셀 미니 모듈을 각각 제작하였으며 폴리카보네이트 재질의 수조안에 단결정 및 다결정 실리콘 모듈을 수조 바닥면에 배치하였다. 각 모듈이 설치된 수조 내부의 수온 및 수위는 항온수조를 통해 제어된 물이 모의수조를 순환할 수 있도록 하였고, 항온수조에서 모의수조로 유입되는 유량은 유량계를 이용하여 제어하였다. 그리고 온도는 수조와 모듈 표면에 설치된 온도계를 통해 실시간으로 모니터링 하였다.
각 모듈이 설치된 수조 내부의 수온 및 수위는 항온수조를 통해 제어된 물이 모의수조를 순환할 수 있도록 하였고, 항온수조에서 모의수조로 유입되는 유량은 유량계를 이용하여 제어하였다. 그리고 온도는 수조와 모듈 표면에 설치된 온도계를 통해 실시간으로 모니터링 하였다.
5 및 10 cm로 각각 조절하였다. 또한 외란크기 조정은 모의 수조 내 수위를 3 cm로 하고 일반 선풍기를 활용하여 바람세기에 따라 외란 없음, 외란크기 대 및 소로 각각 조정하였다. 각 모듈의 수위 및 수온에 따른 발전량은 solar simulator (K201 LAB50)를 통해 측정하였다.
4에 나타내었다. 본 실험에서 실내온도는 16.9℃로, 각 수위(0, 2.5, 5.0, 7.5 및 10 cm)에 따라 실리콘의 결정 입계 (Grain boundary)나 순도의 차이 등이 발전량에 미치는 영향을 조사하였다.
본 연구에 사용된 단결정 모듈 3종(S1~3)과 다결정 모듈 3종 (P1~3)을 대상으로 수온 및 수위에 따른 발전량을 비교하였다. 수온 및 수위에 따른 각 모듈의 발전량 비교를 위해 모의 수조에 물을 채우지 않은 조건으로도 각 모듈의 발전량을 또한 조사하였다.
비교하였다. 수온 및 수위에 따른 각 모듈의 발전량 비교를 위해 모의 수조에 물을 채우지 않은 조건으로도 각 모듈의 발전량을 또한 조사하였다. 6종의 측정결과 Figs.
염전용 수중 모듈 발전량에 수온과 수위가 미치는 영향을 조사하기 위해 각 수조의 온도를 10, 20, 30 그리고 40℃, 수위는 0, 2.5, 5.0, 7.5 및 10 cm로 각각 조절하였다. 또한 외란크기 조정은 모의 수조 내 수위를 3 cm로 하고 일반 선풍기를 활용하여 바람세기에 따라 외란 없음, 외란크기 대 및 소로 각각 조정하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 염수는 바다에서 채취한 바닷물이 아닌 염도를 약 3.5%로 맞춘 증류수를 사용하였으며, 본 연구 이전에 염수농도 별(3~23%) 발전량 변화를 조사한바 큰 차이를 보이지 않았다.
본 연구에서는 4.5W급 단결정/다결정 실리콘 셀을 각 1매씩라미네이팅하여 제작한 모듈 총 6종을 사용하였으며, 모듈화 전 4.5 W급 단결정/다결정 실리콘 셀의 세부특성을 Table 1에 나타내었으며, 제작 모듈 및 수조 별 수온/수위에 대한 발전량 조사를 위해 Fig. 1과 같이 구성하였다. Fig.

성능/효과

5와 같다. 각 설정 온도에서 6 종단 결정 및 다결정 모듈의 수위에 따른 발전량 변화 모두 비슷한 양상을 보였으며, 평균 수위에 대한 발전량 감소는 단결정 모듈은 2.01 %/cm 그리고 다결정 모듈은 2.02 %/cm로 조사되었다. 따라서 결정상에 따라 수중환경에 영향을 받는 요소는 발견되지 않았다.
55 %/℃로 각각 보고된 바 있으며⁹⁾, 본 연구에서 조사된 평균화된 수위에서 각 모듈의 수온에 대한 발전량 저하율 역시 비슷한 결과를 나타내었다. 그리고, 단/다결정 모듈 총 6종에 대하여 수위 2.5와 10 cm에서 수온 변화에 따른 발전량 변화를 조사한 결과, 단결정 및 다결정 모듈의 효율감소 패턴이 서로 매우 유사한 양상을 보였으며(Fig. 3), 기존 발전량 변화와도 유사한 결과를 보인 것으로 조사되었다.
단결정 모듈 S1과 다결정 모듈 P2를 대상으로 각 수온에 따른 발전량의 변화를 조사한 결과, Fig. 3와 같이 수온이 증가할수록 P2와 S1 모듈 발전량 모두 선형적으로 감소하는 추세를 보였다. 또한, 각 수위(2.
현재 국내 염전의 전체 면적은 약 4600만 m²로 이 중 증발지의 면적은 약 3900만 m²에 달한다. 따라서 국내 염전의 증발지에 염전용 수중 태양광발전 모듈을 설치하면 약 4 GW의 전력 생산이 가능할 것으로 예상된다.
또한, 본 실험에서 얻은 평균 수온에 대한 단결정 및 다결정 모듈 별 발전량 저하는 0.50 %/℃ 및 0.48 %/℃로 모듈 별 매우 유사한 수준으로 조사되었으며, 열에 의한 효율저하는 일반적인 육상에서 보여지는 수치와 유사함을 알 수 있다.
차이는 보이지 않았다. 물론 단결정 및 다결정 모듈 모두 바람의 세기가 강해짐에 따른 외란의 크기가 증가함에 따라 발전효율의 차이는 최대 약 2% 가량 차이를 보였다.
본 연구를 통해 해당 수중 모듈 중 수온에 의한 발전량 저하는다결정 0.48 %/℃, 단결정 0.50 %/℃로 각각 조사되었으며, 모듈 별 큰 차이를 보이지 않았다. 또한, 수위에 의한 발전량 감소계수 또한 단결정과 다결정 상에 유의미한 수치의 차는 나타나지 않았다(Table 2).
6과 7에 각각 나타내었다. 수위가 0에서 5 cm 까지 증가함에 따라 전류가 상대적으로 급격히 감소하였으나, 일정 수위(>5.0 cm)부터 감소의 폭이 일정해지는 양상을 볼 수 있었다. 이는 상대적으로 얕은 수위에서의 발전량 감소율과 깊은 수위에서의 감소율이 다르다는 것을 의미한다.
수위에 따른 각 모듈의 발전량은 수온과 마찬가지로 수위가 증가함에 따라 대상 모듈(S1 및 P2)의 발전량은 선형적으로 감소하는 양상을 나타내었다. 또한, 6종의 모든 모듈을 대상으로 수온을 10℃와 40℃로 각각 설정하여 각 모듈 별 수위에 따른 발전량 변화를 조사한 결과는 Fig.
또한, 수위에 의한 발전량 감소계수 또한 단결정과 다결정 상에 유의미한 수치의 차는 나타나지 않았다(Table 2). 즉, 염전 태양광 발전 시스템에서 수위는 가능한 저수위를 유지할 필요가 있으며 열에 의한 효율저하는 일반적인 육상에서 보여지는 수치와 유사함을 알 수 있으며 결정상에 따라 수중환경에 영향을 받는 요소는 발견되지 않았다.

후속연구

이는 상대적으로 얕은 수위에서의 발전량 감소율과 깊은 수위에서의 감소율이 다르다는 것을 의미한다. 따라서 추후 파장대별로 수위가 발전량에 미치는 영향에 대하여 전산모사 등을 통한 추가 분석이 필요한 것으로 판단된다. 또한 10~40℃ 까지 수온 변화에 따른 I-V curve를 분석한바, V_oc가 0.
본 연구를 통해 일정세기의 바람에는 큰 발전량 차이를 보이지 않았으나, 추후 실제 염전에 수중 태양광 발전 시스템을 적용하여 실제 기후에 따른 발전효율 분석이 필요할 것으로 판단된다.
모듈의 발전효율 역시 큰 차이를 보이지 않았다. 하지만, 추후 prototype을 대상으로 실제 염전 환경에서의 다양한 염해 환경에 대한 발전효율 특성 분석이 필요할 것으로 판단된다.

참고문헌 (9)

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International Energy Agency, World Energy Outlook 2020: Executive Summary, 2020.
BP Global, BP Statistical Review of World Energy, 2017.
Korea Energy Economics Institute, 2016 Energy Info Korea, 2016.
Korea Energy Economics Institute, Korea Energy Review Monthly, Ministry of Trade, Industry and Energy, 2018.
Ministry of Trade, Industry and Energy, Implementation plan for "Renewable Energy 3020", 2017.
Mokpo National University, A Study on the Production Quantity Management of Solar Salt, Ministry of Oceans and Fisheries, 2018.
Wang, M. H., Chen, M. J., "Two-Stage Fault Diagnosis Method Based on the ExtensionTheory for PV Power Systems," Int. J. Photoenergy, Vol. 2012, pp. 1-10, 2012.
Dash, P. K., Gupta, N. C., "Effect of temperature on power output from different commercially available photovoltaic modules," Int. J. Eng. Res. Appl., Vol. 5, No. 1, pp. 148-151, 2015.

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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