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2020년 6월 15일 (월) 23:57 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 수상태양광 발전시스템 개발을 위한 최적지 조사

영문 : Optimal site investigation for development of water-state photovoltaic power generation system

과제 팀명

2조

지도교수

문영일 교수님

개발기간

2018년 3월 ~ 2018년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학과 20128600** 김*연(팀장)

서울시립대학교 토목공학과 20148600** 김*혜

서울시립대학교 토목공학과 20158600** 안*환

서울시립대학교 토목공학과 20138600** 이*인

서울시립대학교 토목공학과 20158600** 정*현

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 무한한 친환경 에너지, 수상태양광발전을 기존의 지상태양광발전의 대안으로써 국내의 유휴부지가 적은 단점을 극복할 수 있고, 에너지효율을 기존의 방법보다 10%이상 증가 시킬 수 있을 뿐아니라 농지나 산지의 훼손을 적게 할 수 있다. 나아가 2030에너지 정책에 큰 도움이 될 것이다. 따라서 본 과제는 수상태양광 설치에 영향을 주는 인자를 분석하여 이를 바탕으로 최적합한 곳을 탐구할 것이다.

개발 과제의 배경

◇ 미세먼지와 기후변화에 영향을 주는 화력발전 및 폐기물 등의 위험성을 가진 원자력발전의 대체 발전 시스템이 요구됨
◇ 무한한 에너지원을 갖지만 큰 부지가 필요한 것이 단점인 태양광발전 시스템이 세계적인 대안이 될 것으로 예상됨
◇ 국내는 해외에 비해 유휴부지가 적은 편으로, 지상에 태양광발전 시스템 설치 시 농지나 산지의 훼손이 불가피함

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 유휴수면을 활용하는 부유식 수상태양광발전 시스템의 효용성을 검증
◇ 국토 내에서 수상태양광발전 시스템을 가장 효율적으로 실시할 수 있는 부지 조건 파악
◇ 국내 수상태양광 발전 설치 최적지 선정

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 기술현황

-국외 사례

1. 미국 최초 수상 태양광 발전 시스템은 2007년 7월 미국 SPGSolar사가 포도 농장으로 유명한 미국 캘리포니아 나파밸리 Far Niente 농장 저수지에 477 kW 규모를 설치한 것이다. 이곳에 설치된 수상 태양광발전 시스템은 저수지 수분 증발 억제를 목적으로 설치되었고, 약 70%의 증발억제 효 과와 1%의 전력생산이 증가됐다.

2. 일본 2007년 8월 일본의 아이치현 아이치 저수지에 설치한 수상태양광의 특징은 태양광모듈의 경사 각도를 10도로 설치한 것인데, 이와 같이 설치해도 수면에서의 여러 효과로 인해 육상에 30도로 설치한 것과 동등한 효과가 있다.

3. 이탈리아 Scienza Industria Tecnologia사에서 Colignola의 호수에 FTCC(Floating Tracking Cooling Concentrator) 시스템(30 kW)을 설치하였다. 태양광 모듈은 수면 위에 놓여 낮은 온도를 유지하게 되며, 태양광을 최대로 받게 위해 양 옆에 60° 기울기로 반사판을 설치하였다.

-국내 사례 1. 경남 합천댐

2011년 8월 경남 합천댐에 상용화를 위한 100 kW급 수상 태양광발전 시스템을 준공하였다. 이 실증 플랜트는 240 W 모듈 414장을 3개의그룹으로 구성한 총 발전용량 100 ㎾급 규모로 바람과 파도 등을 감안해 구조체는 H빔 형태의 알루미늄, 스틸, FRP의 3종류로 만들어 졌으며, 플랜트 구조물이 정남향을 유지하면서 40 m의 수위 변동에 적응할 수 있도록 설계됐다. 2012년에 설치한 합천 500 kW 수상 태양광 시스템은 다수의 신기술을 개발 적용해 설치 기간을 획기적으로 단축하고 무게를 크게 줄여 비용을 기존 대비30% 가량 절감했다. 특히, 합천댐에 100 kW 실증 모델 및 500 kW 상용화 모델을 구축하면서 내습, 방수, 절연, 내 오염 기술이 포함된 수상 태양광 전용 모듈을 사용하였고, 통합 부력통(GRP, 100 kW)/개별 부력통(FRP, 500 kW)을 사용하였으며, 수중 케이블 설치로 장기간 발전을 위한 안정적 시스템 구축하였다. 또한 500 kW 상용화 모델의 경우, 구조체로 알루미늄 프로파일을 사용하였고, 약 10kW를 한 개의 unit으로 하여 조립하는 방식을 채택함으로써 발전 용량의 증감에 탄력적으로 적용 가능하도록 하였다.

2. 추적식 또는 회전식 수상 태양광 시스템

추적식 또는 회전식 수상 태양광 시스템은 2010년 11월 전북 김제시 죽산면 옥성리에 32.4 kW급 트래킹 시스템을 설치되었다. 이 수상 회전식 태양광발전 시스템은 수면에 회전이 가능하도록 특수 제작된 부유체를 설치하고 그 위에 고정 가변식 태양광 모듈을 설치하는 방식이다. 이로써 고정가변식의 장점인 튼튼함과 견고함을 유지한 채, 바지선 전체가 태양을 추적하는 방식으로 발전효율을 올리면서도 기존의 양축 추적식 발전설비 대비 시공 및 유지비용을 절감할 수 있었다

시장상황에 대한 분석

1). 기존/경쟁 기술/제품 조사 비교

◇ 지상 태양광 발전과 비교했을 때, 수상 태양광 발전 시스템의 장점
   1. 태양광발전소 설치에 따른 자연 훼손(산림 및 임야의 훼손)이 없음.
   2. 수면을 이용하므로 국토의 효율적 이용이 가능.
   3. 산간 오지에 설치에 따른 접근도로의 부설이 불필요
   4. 수면에 설치되므로 기초공사 불필요
   5. 수상의 낮은 기온으로 인하여 발전 효율 상승
   6. 수분 증발 억제에 따른 수자원 확보 가능
◇ 지상 태양광 발전과 비교했을 때, 수상 태양광 발전 시스템의 단점
   1. 상대적으로 높은 초기 투자비용
   2. 지상에 설치하는 구조물에 비하여 부식성 환경에 노출
◇ 위 그림에서 알 수 있듯이 수상태양광 발전이 지상 태양광 발전에 비해 더욱 발전량이 큼.
◇ 모듈 특성이 유사한 육상태양광 발전소 3기와 수상태양광 발전소 2기의 분석을 해본 결과, 전자는 모듈온도에 따라 발전 출력이 감소되는 경향을 나타냈으나 후자는 발전량에 변화가 없었음. 또한 전자에서는 풍속에 대한 영향이 존재하는 것으로 확인 됨.

2). 시장성 분석
◇ 각 국의 태양광 확대 정책 및 일부 국가의 그리드 페리티(Grid-Parity) 도달로 시장이 꾸준히 성장할 것으로 전망
◇ 특히, 인도, 동남 아시아 등의 신흥국 시장이 확대되면서 태양광 시장이 꾸준히 성장할 것으로 전망.
◇ K-water의 다목적댐 저수지와 농어촌공사 및 지자체 소유의 저수지를 대상으로 한 우리나라의 수상 태양광 개발 가능한 잠재량은 국내 저수면적의 5%인 69을 수상 태양광 발전에 활용 할 경우, 4.17 GW 발전규모를 확보 할 수 있음. 이는 100만 kW급 원자력 발전소 4기에 해당하는 것
◇ 위 그림에서 알 수 있듯이 개발 잠재량이 무궁무진함.

3). 사회성 분석

◇ 화석연료로 인한 온실가스 배출이나 원전과 같은 방사성 물질의 위험이 전혀 없는 청정에너지
◇ 수상태양광 설치로 인한 수생태계 부정적인 영향 없음
  : K-water에서 한국환경정책평가연구원과 함께 진행한 모니터링, 환경적 안전성 검증을 위한 연구에서 부정적 영향은 확인되지 않음. 가장 우려되는 부분인 수온상승은 대조지점과 큰 차이가 없었음. 대조지점과 어류 종에 차이가 없었고 수상태양광 부유체가 형성하는 그늘은 좋은 서식처를 제공함. 전체적으로 설치지점에 다양도, 풍부도, 균등도지수가 높게 나타남.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 태양열 발전량 최적화를 위한 고정식, 추적식, 회전식 발전이 가능함으로써 효율성 증대
◇ 모니터링 시스템을 이용해 수평/수직 일사량, 기온, 수온, 습도, 풍향, 퐁속 등의 데이터,      각어레이에서 발생한 전압/전류 등을 실시간 모니터링으로 알 수 있음.
◇ 박막 태양전지 패널을 이용하면(부유식 패널형, 매트형) 가벼우면서도 측면에 소형 부유체가 있어서 기술적으로 더 효율적임.
◇ 진정한 녹색에너지 기술
   : 지상 태양광 발전은 육상 구조물을 설치해서 지지하는 방식이나 수상 태양광 발전은 물의 부력을 이용해야 하는 방식으로 환경훼손이 거의 없음.
◇ 수면에 의한 냉각효과로 발전 출력이 상승
◇ 광 차단 효과로 인해 수질에 악영향을 미치는 녹조류 발생 억제와 함께 어류의 산란 번식에 유리한 환경을 만들어 어족 자원을 보호하는 공생발전을 도모할 수 있음(eco-systematic development 기술)

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ grid parity를 지나는 순간 막대한 경제성을 가짐
   : 태양열 발전이 갖고 있는 가장 큰 단점은 초기 비용이 많이 발생한다는 것인데, 이는 grid parity(화석연료 발전단가와 신재생에너지 발전단가가 같아지는 시기)를 지난다면 태양열 발전은 화석연료를 이용하는 발전처럼 재료비용이 들지 않기 때문에 그때부터는 매우 큰 경제성을 가질 것임.
◇ 에너지 발전에 의한 부산물이 발생가지 않음
   : 현재 흔히 이용하는 에너지 발전인 원자력 발전의 가장 큰 단점이 방사능에 대한 노출인데 태양광 발전은 이에 반해 방사능과 같은 부산물이 발생하지 않기 때문에 피해가 적음.

개념설계안

가. 우리나라 다목적댐과 용수댐의 위치 파악 나. 적지조사 시 고려사항

다. 적지조사 고려사항 데이터 조사

상세설계 내용

가. RETScreen이란 ○ Renewable Energy Technology (지속 가능한 에너지 기술) ○ 캐나다에서 개발된 프로그램 ○ 신재생 에너지를 에너지원으로 하는 요소기술 설비의 시행 타당성 분석에 이용 ○ 다양한 설비개발 및 보급 프로젝트를 통해 검증된 프로그램으로, 신재생에너지 관련 프로젝트의 표준 통합 분석용 도구 ○ 측정 발전량과 프로그램의 발전량의 상대오차가 2.8%으로 후보 프로그램 중에서 가장 정확한 예측값을 나타냄

나. RETScreen의 작용 원리

1) 에너지 모델 : 에너지 획득량 계산

 - 위도, 연간 월평균 일사량과 월평균 온도, 월평균 풍속 입력

2) 비용 모델 : 초기 설치비용 및 유지관리비용, 발전단가 등 경제성 부분 산출 3) 온실가스 저감량 도출 모델 : 태양광 발전과 관련 없음 4) 경제성 분석 : 상환년도 (투자 회수년) 산출

나. RETScreen의 에너지 모델

다. RETScreen의 경제성 분석 - 상환년도 도출 및 표현

1) 상환년도 도출 예시

2) 각 지역의 상환년도 산출

3) 지도 작성 방법

○ 1)의 경제성 분석 모델에서 격자의 중앙값마다 상환년도를 도출
○ 2)의 격자지도에 상환년도 값 표시

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

완료작품의 평가

 친환경 에너지에 대한 필요성 증대를 연구 배경으로 시작하여 설치가능 부지를 파악하고 영향 요인을 탐구한 뒤 RETscreen을 이용해 최적지를 선정하였다. 영향 요인 탐구에서는 관련 논문을 통해 인자들을 파악하였고 이 인자들을 모두 종합하여 경제성을 분석하는 프로그램(RETscreen)을 이용하였다. 결과값으로 상환년도를 얻고 이를 지도에 표현해 최종 목표, 지도 그리기에 도달했다. 이 지도는 국내 수상 태양광 발전에 크게 기여할 수 있다. 아직 외국보다 수상 태양광 발전의 활성도는 낮지만 향후 발전 가능성은 무궁무진하다. 그 과정에서 이 데이터 값은 유용하게 이용될 수 있다.

향후계획

가. 격자 지도를 통한 최적지

○ 지도 작성 규칙

  1) 기상요소 데이터는 NASA에서 제공하는 월일평균데이터값을 사용
  2) 우리나라 최대수상태양광 발전소인 합천댐이 40MW이므로 
     10MW를 기준으로 발전소를 설정하여 전국 각지의 발전량 계산하여    상환년도를 산출
  3)상환년도를 주제로 하여 색으로 지역을 구별한 지도 작성

○ 지도 작성 및 최적지 표현 나. 최적지 지역방향에 있는 댐 비교

다. 기대효과

상환년도에 따라서 지역별로 수상태양광의 적합 지역을 평가하였다. 그 후, 최적지역에 따른 현재 진행중인 댐을 비교하였다. 이에 유휴수면을 활용하는 부유식 수상태양광발전 시스템의 효용성을 검증하였고 국토 내에서 수상태양광발전 시스템을 가장 효율적으로 실시할 수 있는 부지 조건 파악하였다. 따라서 국내의 유휴부지가 적은 단점을 극복할 수 있고, 에너지효율을 기존의 방법보다 10%이상 증가 시킬 수상태양광 활용이 기대된다.