2조-floalight
MIE capstone
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 수상 수랭식 태양광 발전 체계
영문 : Floating Watercooled Photovoltaic Pannel System
과제 팀명
Floalight
지도교수
황면중 교수님
개발기간
2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 기계정보공학과 20XXXXX0** 우**(팀장)
서울시립대학교 기계정보공학과 20XXXXX0** 정**
서울시립대학교 기계정보공학과 20XXXXX0** 정**
서울시립대학교 기계정보공학과 20XXXXX0** 이**
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
본 과제는 기존 태양광 발전의 낮은 발전 밀도와 부지 확보의 한계, 그리고 집속형 태양전지(CPV)에서 발생하는 열 관리 문제를 동시에 해결하기 위해 수상 수랭식 CPV 발전 시스템을 개발하는 데 목적이 있습니다. 저수지 수면 및 심층수를 활용한 수냉식 냉각 방식을 적용하여 모듈의 온도 상승을 억제하고 발전 효율을 향상시키며, 모듈형 설계와 태양 추적·진동 제어 기술을 접목해 안정적이고 확장 가능한 수상 발전 시스템을 구현하고자 합니다. 이를 통해 토지 부족과 산림 훼손 문제를 완화하고, 재생에너지의 효율적 활용과 지속가능한 발전 가능성을 높이는 기술적 대안을 제시합니다.
개발 과제의 배경
- 기후변화로 인한 환경 문제가 심각해짐에 따라 탄소배출을 최소화하는 신재생에너지의 중요성이 더욱 주목받고 있습니다. 신재생에너지원에는 태양광, 태양열, 풍력, 지열 등이 있으며, 이 중 태양광 발전은 모듈 생산 단가의 지속적인 하락과 무한한 태양에너지 자원이라는 장점을 바탕으로 가장 널리 상용화되고 있습니다. 실제로 태양광 발전용 PV 모듈의 단가는 지난 10년간 약 90% 하락하였으며[1], 전 세계 태양광 누적 설치 용량은 2023년 말 약 1.6 TW, 2024년 말에는 2.2 TW 이상으로 증가하였습니다. 특히 전 세계적으로 2024년 한 해 동안만 신규 설치된 PV 시스템 용량이 약 600 GW에 달했습니다[2].
- 그러나 태양광 발전에는 다음과 같은 제약이 존재합니다. 첫째, 단위 면적당 발전 밀도의 한계입니다. 화력·원자력 발전소가 수백 MW~수 GW를 비교적 작은 부지에서 생산하는 데 비해, 태양광 발전은 효율과 일사량 조건에도 불구하고 같은 규모의 전력을 생산하기 위해 훨씬 넓은 면적을 필요로 합니다. 예를 들어, 일반 태양광 발전은 약 5 MW의 출력을 내기 위해 약 10 헥타르의 부지가 필요한 것으로 보고되었습니다[3]. 둘째, 이러한 대규모 부지 확보 과정에서 농지나 주거지를 제외하면 설치 가능한 지면이 제한적이며, 그 결과 산림 훼손이 발생하는 사례가 보고되고 있습니다[4].
- 이러한 한계를 극복하기 위해 집속 태양전지(Concentrated Photovoltaics, CPV)가 주목받고 있습니다. 일반 상업용 실리콘 PV 모듈의 효율이 약 17~22% 수준인 데 비해, CPV는 시험 조건 하에서 약 33~46%의 셀 효율을 기록한 바 있습니다[5]. 그러나 CPV는 집속에 따른 열 발생으로 인해 모듈 온도가 상승하면 효율이 저하되므로 냉각 장치가 필수적입니다. 특히 일반 실리콘 PV 모듈의 경우 셀 온도가 1 °C 상승할 때 발전 효율이 약 0.52 % 감소하는 것으로 알려져 있으며[6], 따라서 CPV에서는 열 관리가 더욱 중요합니다.
- 이와 같은 문제를 동시에 해결할 수 있는 방법으로 수상 CPV 시스템이 제안됩니다. 한국의 경우 저수지·호수·관개 수로 등 수상 수역을 활용한 부유식 태양광(Floating PV)의 기술적 가능성이 크며, 전국 수상 PV 잠재 용량은 약 9.7 GW로 추정됩니다. 만약 저수지 면적의 10%를 수상 PV로 활용할 경우 연간 발전량은 약 2,932 GWh, CO₂ 감축량은 약 1,294,450 톤/년에 이를 것으로 분석되었습니다[7]. 수상에 발전 설비를 설치하면 토지 부족 문제를 해소할 수 있고, 수면을 활용한 수냉식 냉각을 통해 CPV 모듈의 효율 저하를 방지하여 발전 성능을 극대화할 수 있습니다. 또한 수면 차폐 효과로 증발을 줄여 수자원 관리 측면에서도 긍정적인 효과를 기대할 수 있습니다.
개발 과제의 목표 및 내용
목표
- 수상 수랭식 CPV 발전기를 사용한 발전용 가용면적 확보 및 발전 효율 향상
- 한국 저수지 표층 수온(여름철 20~30 °C)을 활용하여 수냉식 CPV 모듈의 온도 유지.
- 심층수 활용 시 더욱 극적인 냉각 효과 기대.
- 예상 발전 효율: 기존 대비 약 x % 상승 (실험을 통해 산출 예정).
모듈형 설계
- 각 FPV-CPV 모듈: 약 1 m². 모듈형 설계를 통한 대용량 발전 가능성 확보
시스템 안정성 및 추적 성능 확보
- 수상 CPV 시스템의 효율 향상을 위한 수냉식 냉각 장치 최적화
- 부유체 구조 해석을 통해 수면 진동 및 구조 안정성 확보
- 수면 진동 상쇄 및 태양 추적 제어장치 개발
도구 및 장비
- CAE 프로그램
- StarCCM+: 열유체 시뮬레이션
- ANSYS: 하중 및 모달 해석
- 실험 및 제작 장비
- 8CPV 모듈 (소형 상용 모듈 구매 또는 PV 모듈로 에뮬레이션)
- 전력 측정 장치, 온도 측정 장치
- 열관리 시스템용 파이프, 펌프 등 부품
- 제어용 모터, 수면 위 방향 제어 장치
수행 절차 및 일정
- 9월: 목표선정 및 자료조사
- 10월 상반기: 수면부유식 태양광 패널 구조 설계, 열관리 시스템 설계
- 10월 하반기: 모듈 제작
- 11월 상반기: 발전량 및 발열량 측정, 태양 추적 및 진동 제어 시스템 구상
- 11월 하반기: 시스템 통합, 효율 개선 측정, 태양 추적 기능 완성
- 12월: 최종 시스템 완성 및 성과보고
역할 분담
- 지도교수: 자세 제어 관련 동역학적 제어 자문
- 기업: 열관리 시스템 및 수냉 시스템 관련 자문
- 학생: 시스템 설계, 시뮬레이션, 제작 및 통합 수행
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
내용
- 특허조사 및 특허 전략 분석
내용
- 기술 로드맵
내용
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
- 마케팅 전략 제시
내용
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
발전 효율 향상: 수냉식 열관리로 기준 대비 효율 +5% 이상 달성(실증 목표)
열관리 성능 확보: 부하 운전 시 셀 온도 상승 ≤10 °C로 억제하여 CPV 효율 저하 최소화
수상 운전 안정성: 정상 풍·파랑 조건에서 구조 파손 없음을 해석·수조 실험으로 검증
모듈식 확장성: ≈1 m² 단위 모듈 기반으로 수면 면적에 따라 용량 선형 확장 가능
현장 적응형 냉각 옵션: 여름 표층수(20–30 °C) 기본, 필요 시 심층수 활용로 추가 냉각 이득 기대
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
토지 제약 해소 및 산림훼손 완화
- 수면을 활용해 지상 부지 수요를 낮춰 대규모 부지확보 문제를 해결하고 태양광 발전소 설치 때문에 발생하는 산림훼손을 줄일 수 있습니다.
국내 수상 에너지 잠재력 활용
- 국내 저수지·호수·관개수로 기반 수상 PV 잠재 용량 ≈9.7 GW로 추정되며, 저수지 면적의 10% 활용 시 연 2,932 GWh 발전·연 1,294,450 tCO₂ 감축 효과가 예상됩니다. 본 과제의 수냉식 CPV를 결합하면 고효율 운전으로 해당 잠재 전력·감축량의 질적 향상에 기여할 수 있습니다.
산업·정책 연계 효과
- 재생에너지 확대 정책과 연계한 저수지 기반 분산형 발전 모델을 제시하여 공공수역의 활용가치를 높이고, 수면 차폐에 따른 증발 감소에 의한 수자원 관리 보조 효과도 기대할 수 있습니다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
내용
구성원 및 추진체계
내용
설계
설계사양
제품의 요구사항
내용
설계 사양
내용
개념설계안
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
내용
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
내용
섬네일을 만드는 중 오류 발생: 12.5 MP 이상의 파일 용량
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
내용
향후계획
내용
특허 출원 내용
내용
