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미 에너지부(Department of Energy, DOE) 산하의 국립재생에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory, NREL)는 구름이 태양광발전 설비 위를 지나갈 때 매초마다 어떤 일이 벌어지고 있는지를 알 수 있는 방대한 데이터를 수집하였으며 이를 활용할 수 있게 하였다. 관련 데이터 수집은 하와이 오하후 섬의 호놀룰루 국제 공항 근처에 위치한 17개의 측정소를 통해 1초 간격으로 1년에 걸쳐 이루어졌다. 이러한 데이터들은 유틸리티 회사, 대규모 태양광발전(Photovoltaic, PV) 시스템 개발자, 기상요원, 시스템 운영자, 실험실 및 대학에게 있어 아주 흥미로운 자료가 될 것으로 보인다.
구름이 대형 PV 설비 위를 지나갈 때 발생하는 음영의 특성을 이해함으로써 유틸리티 회사들은 전력공급의 변동성을 대처할 수 있는 전략을 고안할 수 있으며, 이를 통해 그리드에 미치는 부정적 영향을 제거할 수 있게 된다. 구름이 흘러가면서 산이나 건물, 동식물 위에 그늘을 제공하는 것처럼 태양은 매일 안정적으로 지구에 태양광을 내려 보낸다. 그렇다면 구름이 태양과 대형 태양에너지 설비 사이를 지나갈 때 어떤 일이 벌어지는가? 그리고 태양광자를 전기생산을 위한 전자로 변환하기 위한 과정 중에는 얼마만큼의 손실이 발생하는가? 이러한 질문은 최근까지도 대부분 대답할 수 없었던 것들이었다.
DOE가 자금을 지원하고 있는 이번 연구는 하와이의 재생가능에너지 사용을 증대하기 위한 프로그램인 하와이 청정에너지 이니셔티브(Hawaii Clean Energy Initiative, HCEI)를 보조하고 있다. 이번 연구에는 GE사, HECO(Hawaiian Electric Company), HNEI(Hawaiian National Energy Institute) 등이 참여하고 있다. 얻어진 정보는 1초 간격으로 중형 및 대형 PV 시스템에 대해 출력이 어떻게 변화할 것인지 예상하는데 활용될 것이다. NREL의 David Renne는 “수집된 데이터를 통해 구름이 대규모 태양광발전 시스템에 어떤 영향을 주는가를 모사하는 태양 모니터링 네트워크를 형성할 수 있을 것이다. 시간에 동기화(Sync)되는 데이터를 수집하는 것은 매우 독특한 방법이다. 17개의 모든 관측소가 1초 단위로 정확히 같은 시간에 측정을 한다. 이를 통해 구름의 움직임과 PV 시스템이 어떻게 행동할 것인지를 모사할 수 있게 된다.” 라고 설명하였다. 각각의 측정소는 지표면에 수평으로 도달하는 가시광 스펙트럼의 태양 에너지를 측정한다. NREL의 SRRL(Solar Radiation Research Laboratory)은 GPS(Global Positioning Satellite) 시스템이 17개의 측정소에 1초 단위로 동시에 측정할 수 있도록 설비를 설계하였다.
Renne는 “PV 시스템은 구름 음영에 대해 빠르게 반응하기 때문에 매초 단위로 데이터를 수집할 필요가 있다. 우리는 PV 시스템의 출력과 관련하여 세분화된 램프(Ramp) 특성 데이터를 확보해야만 한다. 이러한 데이터를 통해 30 MW까지 유틸리티 시스템 규모를 확장할 수 있다.”라고 밝혔다. 그는 “구름은 매우 짧은 시간에 출력을 갑작스럽게 변화시키는 원인이 된다.”라고 말한다. 또한 “태양발전이 에너지 믹스(Energy Mix)에 있어 더 큰 부분을 차지하게 된다면 갑작스런 증가가 그리드의 변동성을 유발하게 된다. 이러한 변동성을 대체할 수 없게 되면 전력공급이 불안정해지고 유틸리티 가동 담당자에게도 골치거리가 되는 것이다.”라고 덧붙였다.
태양을 이용하여 발전한 전기를 저장하는 것은 이러한 변동성에 대처할 수 있는 한 가지 방법이다. 또 다른 방안은 인프라와 소프트웨어 패키지를 통해 그리드를 안정화하는 것이다. Renne는 “만약 구름 패턴에 대한 유용한 통계적 정보를 갖고 있다면 이들 인프라와 소프트웨어를 이용하여 시스템을 설계하고 일정한 방향으로 나아갈 수 있도록 서로 결합할 수 있다. 이를 통해 구름의 영향을 최소화하고 변동성을 줄일 수 있는 것이다.”라고 설명하였다. 이번 연구를 통해 얻어진 새로운 결과 중 한가지는 구름이 단일 전지판이나 소규모 지붕형 어레이들 지나칠 때 발생할 수 있는 출력 급등이나 급락과 비교할 때 초대형 태양전지판 어레이는 변동성을 평활화(Smoothing) 한다는 점이다.
태양발전은 특히 에어컨의 수요가 최대를 기록하는 무더운 여름철에 유용하다. 이 때는 태양전지판에서 생산되는 전기가 최고치를 도달하는 시기이기도 하다. 오하후 태양 에너지 연구를 위해 수집된 데이터는 HCEI의 연구 파트너들이 소유하게 되나, NREL은 이들 데이터에 대한 지식을 공유하고 있다. 1년 간의 관련 데이터는 NREL의 MIDC(Measurement and Instrumentation Data Center, MIDC) 웹사이트인 http://www.nrel.gov/midc 에서 확인할 수 있다.
출처 : http://www.physorg.com/news/2011-09-clouds-effects-solar-power.html |