태양광발전 신뢰성 및 성능 평가

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 14174(2023) 이 기사 인용

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태양열 지하수 펌핑 시스템의 작동 및 효율성은 다양한 환경적, 기술적 요인의 영향을 받습니다. 이러한 시스템을 개발할 때 고려하고 신뢰성을 보장하려면 이러한 요소의 영향을 조사해야 합니다. 본 연구에서는 일사량, 패널 온도, 부품 효율의 영향을 조사하여 실제 작동 조건에서 태양광 물 펌핑 시스템(PVWPS)의 신뢰성과 성능을 평가했습니다. 2020년 12월부터 2021년 6월까지 이집트 Al-Qanater-Giza Governorate의 Bani Salamah에 위치한 10hp PVWPS에서 위도 30.3° N, 경도 30.8° E, 해발 19m에서 실험이 수행되었습니다. 12월, 3월, 6월 오후 12시에 조도값은 각각 755.7, 792.7, 805.7W/m2에 도달했다. 또한, 하루 동안 양수된 물의 양은 각각 129, 164.1, 181.8m3/일에 달해 조도는 펌프 유량에 큰 영향을 미칩니다. 패널의 온도는 각각 35.7°C, 39.9°C, 44°C로 상승했습니다. 온도가 1도 상승하면 효율은 0.48% 감소하는 것으로 나타났다. 태양광 패널의 평균 효율은 3월에 최고치(13.8%)를 기록했고, 12월에 최저치(13%)를 기록했다.

세계 인구와 기술의 급격한 증가로 인해 전력 수요가 증가했습니다. 상당한 양의 CO2가 대기로 방출되는 화석 연료의 사용은 기후 변화에 큰 영향을 미치는 요인 중 하나입니다. 이러한 요인으로 인해 많은 국가에서는 지속 가능하고 깨끗하고 접근 가능하며 재생 가능한 에너지(주로 태양열 발전)를 사용하기 시작했습니다1,2. 관개에는 디젤 구동 펌프가 일반적으로 사용됩니다. 그러나 국제 시장의 석유 가격 상승, 연소로 인한 유해한 배출, 높은 유지 관리 비용 및 짧은 수명으로 인해 제조업체는 대안을 찾아야 했습니다. 재생에너지를 사용하면 화석연료의 필요성이 줄어들 수 있습니다. 태양 에너지는 멀리 떨어진 지역에서도 널리 이용 가능하므로 디젤 구동 워터 펌프3,4의 실행 가능한 대안입니다. 태양광에너지는 화석연료를 기반으로 한 에너지 생산 연료원에 비해 환경에 악영향을 주지 않는 친환경 신재생 에너지원으로, 전기 공급이 어려운 농촌 지역에서도 활용이 가능합니다. 이는 전기 에너지를 생성하는 데 활용될 수 있는 가장 중요한 재생 에너지원 중 하나이며, 이는 관개 목적으로 전기 워터 펌프를 구동하는 전력원으로 사용될 수 있습니다5,6. 태양 복사 에너지는 주로 열 및 전기 에너지를 생성하는 데 사용됩니다. 이는 건물 응용, 식품 저장 제품 및 농업용과 같은 다른 분야뿐만 아니라 광범위한 산업 용도로 전기를 생산하여 펌프, 엔진, 모터 및 팬, 냉장고와 같은 다양한 산업 기기에 전력을 공급하는 대체 방법입니다7, 8. 관개용 농업 부문에서 독립형 PV(명칭은 표 1에 설명되어 있음) 시스템을 사용하는 것은 이제 전 세계적으로 날이 갈수록 인기를 얻고 있습니다. 태양광 발전의 사용은 시스템에서 녹색 에너지의 사용을 보장합니다9,10. 이집트는 태양대 국가이기 때문에 직접적인 태양 복사열을 많이 받으며, 북쪽에서 남쪽으로 연간 방출량은 2000~3200kWh/m2에 이릅니다. 태양의 빛 지속 시간은 9~11시간이며, 일년 내내 흐린 날이 몇 군데 있습니다11,12. 태양열 펌프 시스템은 가정용을 포함하여 다양한 용도로 물을 제공하고 관개, 가축 급수 및 마을 물 공급 분야의 물 수요를 충족시킵니다10,13. PV 에너지 발전기, 전력 변환기, 전기 모터 및 펌프는 태양열 물 펌핑 시스템의 구성 요소입니다. 태양에너지는 태양열 집열기를 이용하여 가열, 건조함으로써 열적으로 이용하거나, 실리콘과 같은 반도체 소재로 만든 태양전지를 이용하여 햇빛을 전기로 변환하여 태양광 발전을 할 수도 있다. 태양광 패널이라고도 알려진 태양광 패널은 태양전지를 직렬로 연결하여 만들어집니다. 두 유형 모두 농업 환경에서 다양한 용도로 사용되어 삶을 더 쉽게 만들고 생산성을 높이는 데 기여합니다. 태양열로 생성된 전기는 물 펌프에 전력을 공급하는 데 사용되거나 낮에는 높은 탱크에 물을 펌핑하고 어두워지면 중력에 의해 분배되어 저장될 수 있습니다. 밤에 전기 애플리케이션을 위해 낮 동안 생성된 에너지를 저장하려면 배터리가 필요합니다16,17. 광전지 시스템으로 물을 펌핑하는 방법에는 두 가지가 있습니다. 첫 번째 기술에서는 태양 에너지가 "실시간"으로 소비되는데, 이를 "태양에서 펌핑"이라고 합니다. 이 솔루션은 탱크에 물을 저장해야 합니다(예를 들어 낮에 펌핑된 물은 나중에 저녁에 사용하기 위해 저장됩니다). 두 번째 기술은 배터리를 사용하여 에너지를 저장하는 것입니다. 낮 동안 저장된 에너지는 나중에 물을 펌핑하는 데 사용될 수 있습니다18. 태양광 발전 시스템의 출력 전력은 일사량, PV 표면 온도, 그림자, 경사각, 먼지 축적 등 다양한 요인의 영향을 받습니다. PV 시스템 설계에서는 경사각, 조사 및 온도를 포함하되 이에 국한되지 않는 다양한 요소와 환경 조건을 고려해야 합니다. 이러한 변수는 PV의 출력 전력19,20,21에 상당한 영향을 미칩니다. 여름과 겨울에 태양광 패널 표면 온도가 1°C 증가하면 효율은 각각 0.48%와 0.42% 감소합니다22,23. 태양광 발전 시스템의 출력 전력은 PV 표면 온도, 경사각, 시스템 구성 요소 효율성을 비롯한 여러 요인의 영향을 받습니다. PV 시스템을 설계하고 운영할 때 이러한 요소를 조사하고 고려해야 합니다. PV 모듈의 표면이 태양광선과 수직을 이룰 때 PV 셀의 최대 출력 에너지가 얻어집니다. 추적기 방향은 최대 조사를 지향하기 때문에 수평 방향보다 더 많은 PV 전력을 생산합니다24,25. 많은 PV 양수장들이 공학적 관점에서 잘 설계되었음에도 불구하고 이후 운영 과정에서 문제에 직면하고 있으며, 또한 양수장에서 양수되는 물의 양이 예상보다 적은 것으로 나타났습니다. 이는 스테이션과 그 성능에 부정적인 영향을 미치는 환경적, 기술적 요인에 대한 관심이 부족하기 때문입니다. 따라서 본 연구의 목적은 실제 작동 조건에서 PV 동력 지하수 펌핑 시스템의 신뢰성과 성능을 연구하고, PV 시스템에 대한 부정적인 영향 요인을 조사하고, 이 시스템을 안전하고 안정적으로 사용할 수 있는 가능성을 입증하는 것이었습니다. 비용이 많이 들고 환경을 오염시키는 기존 에너지 시스템에 대한 신뢰할 수 있는 대안입니다.