하이브리드 풍력-태양광 발전 시스템 최적화: 오프그리드 응용을 위한 포괄적인 설계 솔루션

1. 소개 및 배경

1.1 단일 소스 발전 시스템의 문제점

전통적인 독립형 광전지(PV) 또는 풍력 발전 시스템은 고유한 단점을 가지고 있습니다. PV 발전은 일주기와 기상 조건에 영향을 받으며, 풍력 발전은 불안정한 풍력 자원에 의존하여 출력이 크게 변동합니다. 지속적인 전력 공급을 보장하기 위해서는 대용량 배터리 뱅크가 에너지 저장과 균형을 위해 필요합니다. 그러나 혹독한 운전 조건 하에서 자주 충방전되는 배터리는 장기간 부족 충전 상태에 머무르기 쉽고, 이로 인해 실제 수명이 이론적 값보다 짧아집니다. 더욱 중요한 것은, 배터리의 높은 비용으로 인해 전체 수명 주기 비용이 PV 모듈이나 풍력 터빈 자체의 비용에 가깝거나 초과할 수 있습니다. 따라서 배터리 수명 연장과 시스템 비용 절감이 독립형 전력 시스템 최적화의 핵심 과제가 되었습니다.

1.2 하이브리드 풍력-태양광 발전의 주요 장점

하이브리드 풍력-태양광 발전 기술은 두 가지 재생 에너지원인 PV와 풍력을 유기적으로 결합함으로써 단일 에너지원의 불규칙성을 효과적으로 극복합니다. 풍력과 태양광 에너지는 시간(낮/밤, 계절)에서 자연적인 상보성을 나타냅니다: 낮에는 강한 햇빛이 자주 있으며, 밤에는 더 강한 바람이 있을 가능성이 높습니다; 여름에는 좋은 태양 복사가, 겨울에는 풍부한 풍력 자원이 있습니다. 이러한 상보성은 다음과 같은 효과를 가져옵니다:

• 배터리의 효과적인 충전 시간이 크게 연장되어, 부족 충전 상태에서 보내는 시간이 줄어들어 배터리 수명이 실질적으로 연장됩니다.
• 필요한 배터리 용량 감소. 풍력과 태양광 모두 동시에 사용 불능일 확률이 낮으므로, 시스템은 종종 직접 부하를 공급할 수 있어, 작은 용량의 배터리 뱅크를 사용할 수 있습니다.
• 국내외 연구에 따르면, 하이브리드 풍력-태양광 시스템은 단일 소스 발전 시스템보다 전력 공급 신뢰성과 수명 주기 비효율성이 뛰어납니다.

1.3 기존 설계 방법의 단점 및 제안된 해결책

현재 시스템 설계는 도전과제를 직면하고 있습니다. 해외의 전문 시뮬레이션 소프트웨어는 비싸며, 그 핵심 모델은 종종 비공개로, 널리 채택되는 것을 방해합니다. 한편, 대부분의 단순화된 설계 방법은 부족합니다 - 기상 평균에만 의존하거나 선형 단순화 모델을 사용하여 정확도와 적용성이 제한적입니다.

이 솔루션은 이러한 문제를 해결하기 위해 정확하고 실용적인 컴퓨터 지원 설계 방법론 세트를 제안합니다.

II. 시스템 구성 및 핵심 기술 모델

2.1 시스템 아키텍처

이 솔루션에서 설계된 하이브리드 풍력-태양광 발전 시스템은 디젤 발전기와 같은 백업 전력 소스 없이 완전히 독립적인 오프그리드 시스템입니다. 핵심 구성 요소는 다음과 같습니다:

• 발전 단위: 풍력 터빈 발전기, PV 배열.
• 에너지 저장 및 관리 단위: 배터리 뱅크, 충전 제어기(충전 및 방전 관리를 위해).
• 보호 및 변환 단위: 분산 부하(배터리 과충전 방지, 인버터 보호), 인버터(DC를 AC로 변환하여 대부분의 부하 요구 사항을 충족).
• 전력 소비 단위: 부하.

2.2 정확한 발전 계산 모델

최적화된 설계를 달성하기 위해, 우리는 정확한 시간별 발전 계산 모델을 구축했습니다.

• PV 배열 모델:
1. 태양 복사 이동: 고급 비등방성 하늘 산란 모델을 활용하여 기상 관측소에서 측정된 수평 태양 복사 데이터를 PV 모듈의 기울어진 표면에 입사하는 복사량으로 정확하게 이동하며, 직접 빔 복사, 하늘 산란 복사, 지면 반사 복사를 포괄적으로 고려합니다.
2. 모듈 특성 시뮬레이션: 정밀한 물리 모델을 사용하여 PV 모듈의 비선형 출력 특성을 특성화하고, 복사량과 주변 온도가 모듈 출력 전압 및 전류에 미치는 영향을 완전히 고려하여 발전 계산의 정확성을 보장합니다.
• 풍력 터빈 모델:
1. 풍속 수정: 기상 데이터에서 참조 높이 풍속을 지수 법칙에 따라 높이에 따른 풍속 변화를 기반으로 실제 허브 높이 풍속으로 수정합니다.
2. 출력 곡선 피팅: 구간별 함수(다른 풍속 구간에 대한 다른 이항 방정식)를 사용하여 터빈의 실제 출력 곡선을 고정밀로 피팅하여, 풍속 데이터를 기반으로 정확한 시간별 에너지 계산을 가능하게 합니다.

2.3 배터리 동적 특성 모델

배터리는 동적으로 상태가 변하는 핵심 에너지 저장 구성 요소입니다. 모델은 주로 다음과 같은 내용에 집중합니다:

• 충전 상태(SOC) 계산: 각 시간 단계에서 발전량과 부하 소비량 사이의 관계를 기반으로 배터리의 충전 및 방전 과정을 동적으로 시뮬레이션하고, 잔여 용량을 정확히 계산하며, 자기 방전률, 충전 효율, 인버터 효율과 같은 실제 요인을 고려합니다.
• 충방전 관리: 배터리 수명을 연장하기 위해 합리적인 SOC 작동 범위를 정의(예: 최대 방전 깊이를 50%로 제한)하고, 플로트 충전 전압과 SOC 및 주변 온도 간의 관련 모델을 설정하여 충전 조건을 정확히 결정합니다.

III. 시스템 최적화 및 크기 결정 방법론

3.1 전력 공급 신뢰성 지표

설계는 사용자가 지정한 전력 공급 신뢰성 요구 사항을 충족하는 것을 우선시합니다. 주요 지표는 다음과 같습니다:

• 전력 공급 손실 확률(LPSP): 시스템 중단 시간과 전체 평가 시간의 비율로, 공급 연속성을 직관적으로 반영합니다.
• 부하 손실 확률(LLP): 시스템이 충족하지 못한 부하 전력 요구량과 총 요구량의 비율. 시스템 최적화 설계의 가장 중요한 핵심 지표입니다.

3.2 단계별 최적화 설계 프로세스

이 솔루션은 체계적인 최적화 프로세스를 채택하여 장비의 초기 투자 비용을 최소화하여 최적의 구성 찾기를 목표로 합니다.

1. 단계 1: 고정된 풍력 터빈 용량에 대한 PV 및 배터리 구성 최적화
• 핵심 작업: 풍력 터빈 모델과 수량이 고정된 조건에서, 예정된 신뢰성 지표(LPSP)를 충족하면서 총 장비 비용이 가장 낮은 PV 모듈 및 배터리 용량의 조합을 찾습니다.
• 구현 방법: 시뮬레이션 계산을 통해 신뢰성 요구 사항을 충족하는 모든 PV 및 배터리 구성의 "균형 곡선"을 작성합니다. 그런 다음, 장비 단가를 기반으로 비용 접선 방법이나 컴퓨터 프로그램 스크리닝을 사용하여 가장 낮은 비용의 유일한 최적 조합을 결정합니다.
2. 단계 2: 풍력 터빈 용량 변경에 따른 전역 최적화
• 핵심 작업: 풍력 터빈 용량 또는 수량을 변경하고, 단계 1의 최적화 프로세스를 반복하여 다양한 풍력 터빈 용량에 대한 일련의 최적 구성 및 해당 비용을 얻습니다.
• 최종 결정: 모든 후보 솔루션의 총 비용을 비교하여, 전역적으로 가장 낮은 비용의 풍력-PV-배터리 조합을 최종 최적화된 시스템 구성으로 선택합니다.

3.3 시스템 성능 시뮬레이션 및 출력

최적의 구성이 결정된 후, 시스템의 연간 운영을 시간 단위로 시뮬레이션하여 다음과 같은 상세 보고서를 생성합니다:

• 시간 차원: 시간별 배터리 충전 상태, 시스템 에너지 균형.
• 통계 차원: 일별/월별/연간 충족되지 않은 부하 에너지, 신뢰성 지표(LPSP, LLP), 풍력/태양광 발전 비율, 에너지 잉여 및 부족 상황 등.

IV. 결론

이 솔루션에서 제안된 하이브리드 풍력-태양광 발전 시스템의 최적화 설계 방법은 포괄적인 수학적 모델과 정밀한 지역 기상 데이터를 기반으로, 특정 사용자의 전력 요구 사항과 전력 공급 신뢰성 요구 사항을 만족하면서 최소 초기 장비 투자 비용으로 시스템 구성을 유일하게 결정할 수 있습니다. 이 방법은 단일 소스 발전 시스템의 단점을 효과적으로 해결하고, 기존 설계 접근법의 한계를 극복하며, 하이브리드 풍력-태양광 발전 시스템의 과학적, 효율적, 경제적 설계를 위한 강력한 도구를 제공하여 엔지니어링 응용 분야에서 중요한 가치를 가지게 됩니다.