◆ 특집 ◆ 녹색생산 및 응용기술
지속가능성을 고려한 산악지역 독립망 전력시스템의 신재생 에너지원 구성 전략
Formation Strategy of Renewable Energy Sources for High Mountain Off-grid System Considering Sustainability
안성훈1,2,, 이경태1, 반다리 비나약1, 이길용1, 이선영3, 송철기4 Sung-Hoon Ahn1,2,, Kyung-Tae Lee1, Binayak Bhandari1, Gil-Yong Lee1,
Caroline Sunyong Lee3, and Chul-Ki Song4
1 서울대학교 공과대학 기계항공공학부 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, College of Engineering, Seoul Nat’l Univ.) 2 서울대학교 정밀기계설계공동연구소 (Institute of Advanced Machinery and Design, Seoul Nat’l Univ.) 3 한양대학교 공과대학 재료공학전공 (Major in Material Engineering, College of Engineering, Hanyang Univ.) 4 경상대학교 기계공학부 공학연구원 (School of Mechanical Engineering, Engineering Research Institute, Gyeongsang Nat’l Univ.)
Corresponding author: ahnsh@snu.ac.kr, Tel: 02-880-7110 Manuscript received: 2012.7.1 / Accepted: 2012.8.6
Characteristics of off-grid hybrid renewable energy sources for high mountain villages are discussed. Considering reliability of electric power generation, Photovoltaic (PV)-wind hybrid and PV-hydro hybrid system are suggested. Connecting two or more villages with these hybrid systems, an extended hybrid off-grid can be formed. Sustainability of entire system is important in design of off-grid system, and income generation of the village people using the electricity should be considered.
Key Words: Sustainable Energy ( 신재생 에너지), Sustainability (지속 가능성), Photovoltaic Generation (태양광 발전), Wind Power Generation ( 풍력 발전), Micro Hydro Power Generation (소수력 발전), Mini Grid System (소형 전력망), Off-grid System (독립망 시스템), High Mountain (고산지역), Smart Grid (스마트 그리드)
1. 서론
지구 상에는 오늘날에도 약 20 억 명 이상의 사람들이 전기의 혜택을 받지 못하고 살고 있다.
Fig. 1 은 인공위성에서 밤에 지구를 바라본 사진인 데, 이 중 어둡게 보이는 부분은 여러 가지 이유 로 전기가 공급되지 못하여 빛이 없는 지역이다.
네팔과 인도북부 등 고산지역뿐만 아니라, 동남아, 아프리카, 북한 등의 산악지역 마을들이 발전량과 전력망의 부족으로 전기를 공급받지 못하는 대표
적인 지역이다. 고도 1000 미터 이상 되는 산악지
역은 송전을 위한 송전탑을 건설하는데 비용이 많
이 들고, 또 마을의 집들이 도시만큼 밀집해 있지
않기 때문에 전 국토를 연결하는 주 전력망을 끌
어서 각 가구마다 연결하는 방식은 국민 소득이
낮은 나라에서는 어려움이 따른다. 이러한 외진
환경에 사는 사람들이 전기를 사용하기에는 독립
된 발전과 송전을 하는 독립망(off-grid) 시스템을
설치하는 것이 유리하다. 반면에 독립망 시스템은
유지와 보수에 요구되는 비용을 경우에 따라 정부
의 지원을 받지 못하고 전기를 사용하는 사용자 그룹이 마련해야 하는데, 이를 마련하지 못하는 경우 지속 가능한 전력의 공급이 어려울 수 있다.
Fig. 1 Night view of the world seen by satellite
1본 논문에서는 산악지역 독립망 시스템에서 태 양광, 풍력, 소수력 발전 등의 전력원을 복합적으 로 사용하며 지속가능성(sustainability)을 제공하는 시스템을 선정할 때 고려할 요소를 태양광 발전을 중심으로 설명하고자 한다.
2. 하이브리드 발전 시스템을 설치할 산악 지역의 환경
고산 지역에 위치하여 외부로부터 전력 공급이 용이하지 않은 지역에서 신재생 에너지를 사용하 여 전기를 만드는 방법은 태양광, 풍력, 소수력 발 전이 대표적이다.
4,5Fig. 2 에서 보이는 바와 같이 지형과 기후 환경에 따라 각 발전 시설을 설치하 는 데는 장단점이 있다.
태양광 발전은 대부분의 지형과 기후에서 사용
Table 1 Comparison of renewable off-grid systems (each system produces as large as 5~10 kW)
Type ofpower generation Advantages Disadvantages
Photovoltaic (PV)
Reliable because of solid state power generation
Quick to install
Expensive (4 USD/W)2
Requires large ground area
Requires battery Micro
Hydro
Cheap in long term use
Predicting electricity generation is easy based on seasons
Electricity can be generated during night
Long time to install
Requires height difference for water drop
Custom designed system is needed
Less or no electricity is generated when the flow of river is reduced during winter
Wind Cheap (1.9 USD/W)3 Availability of wind is difficult to find in many places
Reliability is issue at very high wind speed
Requires battery PV-Wind
Hybrid
Both systems can be installed in very close sites
Expensive
Requires large ground area and battery
Availability of wind is difficult to find in many places
Reliability is issue at very high wind speed PV-Hydro
Hybrid
Reliable electricity generation Long time to install
Requires height difference for water drop and battery
custom designed system is needed
Less or no electricity is generated when the flow of river is reduced during winter
Availability of wind is difficult to find in many places
Reliability is issue at very high wind speed PV-Wind-Hydro
Hybrid
Reliable electricity generation Expensive
Not easy to find the place suitable for all three systems
Fig. 2 Schematic diagram of solar/wind/hydro hybrid off- grid system
할 수 있으며 태양의 남중 고도가 높은 저위도와 공기중의 오염물질이 적은 고산지역에서는 효율이 더 높아진다.
반면에 풍력 발전은 3 m/s 이상의 풍속이 필요 하고, 소수력 발전은 수원과 발전기 사이에 고도 차가 필요하고, 수량이 풍부해야 유리하다(Table 1).
두 가지 이상의 발전 시스템을 조합한 하이브리드 형태는 주변 환경과 시설비 및 유지 비용을 고려 해서 결정할 필요가 있다. Fig. 3 은 한 저개발국 고산지역 농촌 마을의 생활 패턴에 따른 하루 중 의 전력 수요를 개략적으로 유추한 것인데, 공장 과 농업 용수 공급을 위한 전기는 전력이 마을에 들
Fig. 3 Simplified diagram of power generation and power consumption of a typical high altitude village during one day
어온 후에 사용이 가능해진 수요이다.
일반적으로 전력 수요 그래프의 최대값보다 각 시각의 발전량이 항상 크면 전력 공급에 문제가 없이 항상 전기를 사용할 수 있다. 그러나 발전량 을 증가하는 데는 설비 비용이 많이 소요되므로 독립형 전력망 지역에서는 발전량과 전력 수요의 차이를 배터리를 사용하여 보정한다 (Fig. 4). 그러 나 2 kW ~ 10 kW 급의 독립형 태양광 시스템에서 는 배터리가 시설비에서 차지하는 비율이 많게는 약 50%까지 되고, 또 일반적인 배터리의 수명은 최대 약 5 년으로 태양광패널 등 다른 장치의 수 명에 비해 짧아서 배터리 용량의 설계가 전체 발 전 시스템의 지속가능성에 있어서 매우 중요하다.
Fig. 4 Simplified diagram of difference between total power generation and total power consumption of a typical high altitude village during one day
3. 태양광 발전 기반의 하이브리드 발전 시스템 구성 전략
산악지역에 위치한, 즉 외부로부터의 전력 공
급이 용이하지 않은 지역에서 안정적으로 전기를
제공하기 위해서는 태양광을 기반으로 하는 하이
브리드 발전을 생각해 볼 수 있다. Table 2 는 2011
년부터 2012 년까지 네팔솔라봉사단(Nepal-Solar
Volunteer Corps) 이 네팔의 고산지역에 설치한 세 개
의 다른 태양광 시스템을 비교한다.
6-8240 W, 2 kW,
그리고 5 kW 의 서로 다른 태양광발전기를 사용
하여 LED 조명, 휴대폰 충전, 라디오용 전원 등
으로 전기를 사용하는데, 마을 주민 1 인당 평균
약 10 W 의 전기를 소비한다. 2011 년 기준으로 우
Table 2 Off-grid PV systems installed at mountains in Nepal
Name of
Village Rimche Lama Hotel Thingan
Coordinate
28°09’31.05”N 85°25’21.66”E
28°09’41.43”N 85°25’48.27”E
27°26’36.36”N 85°14’42.43”E Altitude 2504 m 2478 m 1354 m Climate Harsh, cold Harsh, cold Moderate Industry Tourism Tourism Agriculture Electricity
Generation 240 W 2 kW 5 kW
No. of
Buildings 3 10 57
No. of People
2~10 (including
tourists)
20~100 (including
tourists)
450
Usage of Electricity
Domestic and sell to tourists
Domestic and sell to tourists
Domestic only
User fee High High Minimum
Sustainability High High Low
리나라 가정에서 일인당 평균 약 3.4 kW
9,10를 사 용하는 것과 비교한다면 저개발국에서는 적은 전 력만 사용하더라도 기존의 전기가 없던 생활에 비 해 생활개선에 매우 큰 영향력을 줄 수 있다.
태양광발전만으로도 충분한 용량의 전력을 발 전하고 충분한 배터리를 사용 한다면 마을에 필요 한 전기를 모두 제공할 수 있다. 그러나 태양광 패널과 배터리는 전체 시스템에서 가장 큰 비용을 차지하므로 그 용량을 줄이는 편이 시설비나 유지 비 측면에서 유리하다. 태양광에 하이브리드로 소 수력이나 풍력을 사용한다면 밤에도 전기를 생산 할 수 있어 배터리 용량을 줄일 수 있다. 그리고 풍력과 소수력은 교류를 바로 생산할 수 있어 태 양광에서 발전하는 직류와 사용처를 다르게 구성 한다면 인버터와 감압기에서 소모되는 전기를 줄 여 스마트 그리드(smart grid)에서 제안하는 것과 같이 효율도 높일 수 있다.
Fig. 5 는 네팔 솔라 봉사단에서 5 kW 태양광 시설을 설치한 네팔의 팅간(Thingan) 지역을 예로 들어 하이브리드 발전의 가능성을 보인다. 오른쪽 에 보이는 해발 1354 m 의 산꼭대기는 태양광 발 전뿐만 아니라 바람이 자주 불어 풍력 발전에도 유리하다. 57 개의 가구는 대략 60 만평(200 만 m
2)
에 산재해 있으며 전신주와 주 전력망을 통해 태 양광 발전소와 연결되어 전기를 공급받는다.
왼쪽 아래는 1000 m 정도의 해발 고도를 가진 비슷한 크기의 옆 마을인데 계곡에 위치해 경사가 급한 냇물이 흐르고 수력 발전과 태양광 발전도 가능하다.
Fig. 5 A google map of two villages connected by extended hybrid off-gird system
근처 마을에 각각 태양광-풍력 하이브리드 발 전과 태양광-소수력 하이브리드 발전을 구축하면 필요시 두 마을의 전력을 연결하여 태양광-풍력-소 수력의 하이브리드 전력망을 구성할 수 있다.
이렇게 마을과 마을의 독립망을 연결해서 구성 하는 ‘확장된 하이브리드 독립 전력망’(extended hybrid off-grid) 은 일부의 발전 시설이 고장이 나더 라도 고장나지 않은 발전 시설을 사용하여 고산지 역 주민들에게 안정적으로 전기를 제공할 수 있다.
반면에 확장된 하이브리드 시스템은 분산된 이종 복수의 발전 장치를 설치해야 하므로 시스템 전체 를 고려하면 설치 및 유지 비용이 크다. 또한 독 립된 시스템 사이의 거리가 멀어지면 전신주 설치 등의 연결 비용이 추가로 요구된다. 각각 분산된 전원과 소비처를 통합해서 관리하는 시스템은 전 력 사용과 발전 장치에 발전량과 전력 소비를 측 정하는 센서와 운전 알고리듬을 사용하면 최적화 된 각 모듈의 설계 및 운전이 가능하다.
114. 지속가능성을 위한 경제적 순환시스템
상당수의 저개발국 고산지역 주민들은 신재생
에너지로 전기를 발전하는 시스템을 자체적으로
유지하기에 경제적으로 어려움이 있다. 정부나 비
정부 단체에서 지속적인 지원을 받지 못하는 많은
경우, 전력 시설 중 일부가 고장 나거나 수명이 비교적 짧은 배터리를 교환해야 하면 중요한 결정 을 해야 한다. 전기를 계속 사용하기 위해 보수 및 교체 비용을 마련하느냐, 아니면 다시 전기가 없던 시대로 되돌아 갈 것인가? 지속 가능한 전력 공급을 유지하기 위해서는 약 5 년 이내에 배터리 등 소모품 교체 비용, 약 20 년 이내에는 전체 시 스템의 중요 부품 비용을 부담해야 한다. 이를 마 련하기 위한 한 가지 방안은 Fig. 6 과 같이 조명과 전기로 경제적인 소득을 증대시켜야 한다. 예를 들면 조명은 닭 등 사용하는 동물의 동사를 방지 하고 버섯 등 고부가가치 식물의 성장을 촉진한 다.
12전기 펌프를 사용하면 물을 좀 더 높은 지대 로 퍼 올려서 더 넓은 지역이나 농사를 지을 수 있게 되고 간단한 가내 수공업 공장을 만들고 제 품을 제작하여 도시에 내다 팔 수 있다. 결과적으 로 전기가 소득의 증대를 가져오고 이 소득으로 발전 시스템의 유지 및 보수 비용을 만들어야 지 속 가능한 독립망을 계속 유지할 수 있다.
간접적으로 케로신 등에서 전기 조명으로 바뀜 에 따라 주민의 건강과 교육 환경이 개선되는 것 또한 장기적인 관점에서 경제적인 발전에도 도움 을 줄 것으로 예상된다.
Fig. 6 A closed loop diagram to ensure sustainability of hybrid off-grid system
5. 결론
독립망을 사용하는 신재생 에너지는 저개발국 의 산악지역에서 중요한 전력 시스템이 될 수 있 다. 본 논문은 두 가지 이상의 하이브리드 발전
장치로 독립망을 구성할 때 아래와 같은 항목을 고려해 보기를 제안한다.
• 하이브리드 시스템으로 두 가지 이상 시스 템을 설치할 때의 시설 비용 증가와 장기간에 걸 치 배터리 교환 등 유지 보수 비용 절감 사이의 최적화
• 독립망을 사용하는 이웃 마을의 전력망을 서 로 연결하면 ‘확장된 하이브리드 독립망’이 되는데 이 때 망을 연결하는데 드는 전체 시스템의 비용 증가와 이웃 망에서 전기를 나누어 쓸 때 절감되 는 유지 보수 비용을 비교하여 시스템 선택
• 선택한 (또는 확장된) 하이브리드 시스템이 가져올 완전 정전 또는 전체 시스템이 장기간 고 장날 확률의 감소
• 하이브리드 발전 시스템이 제공할 수 있는 직류와 교류를 조명, 농업용 물펌프, 소형 제조 장 치 등 용도에 맞게 별도로 제공할 때 발생하는 추 가 비용과 전체 시스템의 효율 향상
• 독립망 발전 시스템을 장기간 유지 보수하기 위한 비용을 마련하려면 전기를 사용한 직접적 소 득 증대 모델을 가져야 하며 간접적인 건강 증진 및 교육 환경 개선 효과도 가능
후 기
이 논문은 정부의 재원으로 한국연구재단 - 2011 년도 개도국 과학 기술 지원사업(No. 2011- 0020853), 2011 년도 남북과학기술 및 학술협력사업 (No. 2011000K1A5A200002), 한국연구 재단 – 2012 년도 개도국 과학기술 지원사업(No. 2012-미정), 서 울대학교 정밀기계설계공동연구소, 차세대융합기 술연구원, 서울대학교 공학연구소 클러스터 사업, 경상대학교 공학교육혁신센터, 한양대학교 공학 교육혁신센터의 지원을 받아 수행된 연구임.
참고문헌
