J Appropr Technol > Volume 8(1); 2022 > Article
미얀마 양곤 가정용 태양광 발전을 위한 환경인자 및 저압계통 전력품질 분석

Abstract

최적의 태양광 발전 시스템은 환경 인자의 분석과 지역 전력 상태를 기반으로 설계될 수 있다. 환경 인지에 대한 빅데이터를 이용하여 출력에 영향을 미칠 수 있는 문제를 예측할 수 있다. 본 연구에서, 미얀마 가정용 태양광 발전시스템을 효과적으로 설계하기 위해 미얀마 양곤의 환경 인자와 저압계통 전력품질을 측정하였다. 환경 인자는 1년 동안 분마다 데이터를 수집하도록 설계된 모니터링 시스템에 의해 측정되었다. 수평/경사일사량, 대기온도 및 풍속을 포함한 환경 인자가 측정되었다. 양곤 지역의 기온은 3월부터 5월 사이에 가장 높았다. 이 기간 동안 평균 기온은 34oC였고 정오의 온도는 40oC 이상이었다. 경사일사량은 3월 >6.0 kW·m-2/day로 최고치를 기록했고 우기가 시작되는 6월과 10월 사이에 <4.0 kW·m-2/day로 감소했다. 저압계통 전력품질은 불안정하였고 전압은 최소값에서 105Vac, 최대값에서 214Vac로 측정되었다.

The optimization of photovoltaic power system should be designed based on measuring the environmental factors and analyze the condition of electric power distribution in the region where it is to be installed. Using big data analysis on the environmental factors can solve the problems that could potentially affect power output. In this study, the environmental factors and LV grid quality in Yangon, Myanmar are measured and examined to establish whether a photovoltaic power system can be used. The environmental factors were collected specifically with the specially designed monitoring system which are gathering the environmental data every minute for one year. The monitoring system simultaneously measured environmental factors including horizontal/inclined solar irradiation, ambient temperature, and wind speed. The temperature was the highest from March to May in the Yangon region. During this period, the average temperature was 34°C and temperature at noon was 40°C or higher. Inclined solar irradiation reached its highest at > 6 kW·m-2/day in March and decreased to < 4 kW·m-2/day from July to October, when the rainy season began. In terms of LV grid quality, the voltage was determined to be unstable as it was 105 Vac at its minimum and 214 Vac at its maximum.

서론

미얀마(Myanmar)는 한반도의 3.5배의 국토를 가지고 있다. 동남아시아 국가 중 요구 전력 대비 보급이 100% 도달하지 못한 국가 중 하나이다. 현재 국가 전력원은 수력, 가스, 화력 발전에 의존하고 있다. 전력 공급은 미얀마의 주요 경제 도시인 양곤(Yangon)과 만달레이(Mandalay)와 같은 대도시에 집중되고 그 외 지역은 전력 공급이 미흡한 상황이다(The World Bank, 2017). 열대 몬순 기후로 7월부터 10월까지 우기 기간이고 건기는 12월부터 5월이다. 6월과 11월은 과도 기간이다. 건기 기간의 경우 강우량 감소가 수력 발전량 감소로 이어져 전력 부족이 심화된다. 산업 사회의 기반인 발전 송배전 등 전력 인프라와 전력 공급의 부족은 산업 성장의 저해요소로 작용하고 있다. 따라서 미얀마의 경제성장을 원활이 움직이고 국민 삶의 질을 향상시킬 수 있는 안정되고 충분한 전력이 공급되어야 한다. 이를 위해 미래지향적이고 효과적인 전력발전원에 대한 로드맵을 구성하고 예측 및 타당성 실증을 통해 구체화시킬 필요가 있다.
미얀마는 일사량 자원이 풍부하여 태양광 및 태양열 발전에 적합한 지역이라고 알려져 있다. 미얀마의 태양광 발전 잠재력은 Figure 1, 2와 같이 국토의 대부분이 연간 1400 kWh/kWp~1600 kWh/kWp 범위의 발전량을 가지고 있다(일평균 총계는 3.8~4.2 kWh/kWp) (The World Bank, 2017; Janjai et al., 2013).
따라서 신재생에너지 중 태양광발전이 효과적인 국가로써 평가되고 있다. 그러나 미얀마는 태양광 발전의 투자와 보급이 미흡한 실정이다. 미얀마에 적합한 태양광발전 시스템을 구축하기 위해 환경인자(일사량, 대기온도, 상대습도, 풍속, 공해, 먼지, 강수량)에 대한 빅데이터를 구축할 필요가 있다. 모니터링에 의해 수집된 환경 인자 빅데이터를 활용하여 미얀마에 적합한 태양광발전 시스템이 설계되어야 한다. 또한 계통의 전력 품질 분석을 통해 태양광 발전 시스템이 연계된 계통에서 상호 안정된 운영이 가능한지 분석되어야 한다.
본 논문에서는 미얀마 양곤의 환경인자 중 대기온도와 일사량을 분석하고자 한다. 저압계통(low voltage distribution, LV) 전력 품질(power quality)을 모니터링하여 빅데이터를 구축하고자 한다. 이를 통해 미얀마에 적합한 저압계통 연계형 가정용 태양광 발전 구축 시 필요한 시스템 설계 요소를 도출하는 자료로 활용하고자 한다.

미얀마 양곤 대기온도 분석

대기 온도는 태양광 발전 시스템 전체에 영향을 미치는 중요한 환경 환경 인자이다. 태양광 모듈의 출력 변화를 비롯하여 시스템 효율을 변화시킬 수 있다. 또한 시스템 수명 저하에 영향을 줄 수 있다. 미얀마 양곤에서 2016년 3월부터 2017년 3월까지 1년 동안 대기 온도에 대해 분석하였다. 측정은 태양광 모듈의 설치 높이인 약 2m에서 측정되었다. 오전 5시부터 저녁 21시까지 1분단위로 측정되었다. 1분 단위 측정 온도를 Figure 3과 같이 시간 평균하여 분석하였다. 3월~5월은 가장 온도가 높은 월이었다. 이 기간에 평균 온도는 34°C이고 한낮 기온이 40°C 이상이다. 가장 온도가 높은 5월 온도는 분당 온도 측정결과 Figure 4와 같이 45°C로 측정되었다.
미얀마 양곤 지역의 대기 온도는 Table 1과 같이 정리될 수 있다. 결정질 실리콘 태양광 모듈의 경우 Table 2와 같이 모듈 기술 별 온도계수(온도별 출력변동) 분포가 (-)0.30%/°C~(-)0.36%/°C라고 할 때 25°C 기준에서 모듈 온도 상승에 따른 출력 저하율은 최대 약 10% 이상 발생 가능함을 예상할 수 있다(Le et al., 2021; Paudyal and Imenes, 2021).

미얀마 양곤 일사량 분석

태양광발전에서 중요한 환경 인자인 일사량에 대해 측정 분석하였다. 태양광 발전량에 가장 직접적인 영향을 미치는 인자로써 최대 평균 유효 일사량을 얻고자 다양한 연구가 진행되고 있다(Housmans et al., 2017; Olmo et al., 1999). 수평일사량과 경사일사량 두 가지 일사량을 측정하였다. 경사일사량은 15°로 설치되었다. Figure 5와 같이 2016년 4월~8월 기간 측정된 수평일사량과 경사일사량은 등가비로 측정되었고 2016년 9월~ 2017년 3월 기간 측정된 수평일사량과 경사일사량의 비는 1:1.3까지 변화되는 경향을 측정되었다.
일평균 경사일사량은 Figure 6과 같이 3월에 가장 높은 >6.0 kW·m-2/day 일사량을 보였다. 우기가 시작되는 6월~10월 기간에는 경사일사량이 감소하여 <4.0 kW·m-2/day 일사량을 보였다. 우기가 끝나고 건기가 시작되는 11월부터는 3월까지 경사일사량이 지속적으로 증가하는 경향을 볼 수 있다.

미얀마 양곤 저압계통 전력품질 분석

가정용 태양광 발전시스템을 저압계통에 연결시킬 경우 전압, 주파수, 역률, 정전 시 단독운전 방지, 태양광 연결 용량 등 계통과 부하 그리고 태양광 시스템 간 상호간 전력 품질이 만족되어야 한다. 저압계통 연계형 가정용 태양광 발전 시스템(LV grid connected home solar power)의 정상적인 동작을 위해 계통 전력 품질의 안정성이 만족되어야 한다. 미얀마의 송전 전압은 230 kV, 132 kV, 66 kV, 33 kV, 11 kV로 구성되어 있다. 송배전 손실률은 Table 3과 같이 10% 이상으로 지속적인 개선이 필요한 상황하다(Nam et al., 2015). 하지만 아시아개발은행에서 제공되는 자료만으로 미얀마 내 태양광발전 시스템이 계통에서 안정적으로 동작 가능한지 판단하기 어렵다. 실제 가정용 태양광 발전 연계를 위해 저압계통 전력품질 데이터가 필요하다.
가정용 저압계통 전력품질을 분석하기 위해 양곤 중심가와 양곤 외곽지역 두 장소를 Figure 8과 같이 선정하여 전력측정기(fluk, 1730 energy logger)를 이용하여 48시간 동안 측정하였다. 미얀마 정격 공급 전압과 주파수는 단상의 경우 230Vac, 50Hz이다.
측정된 8월은 미얀마 우기 기간이다. Figure 7의 ⑴번 지역과 같이 양곤 중심가에서 48시간 동안 측정한 결과 정전은 1회 발생되었다.
Table 4Figure 8, 9와 같이 최저 전압은 211Vac이고 최대 250Vac가 발생되고 있고, AC 전압 변동은 약 Δ40V이며, ±20V이다. Switching mode power supply(SMPS)가 240Vac 내압으로 설계된 제품의 경우 전력공급보드가 손상을 받을 수 있었다.
Figure 7의 ⑵번 지역으로 양곤 외곽 지역인 흘라잉따야(Hlaing Tharyar)에서 동일한 전력측정기를 이용하여 24시간 동안 측정하였다. Table 5Figure 10, 11과 같이 최저 전압은 105Vac이고 최대 214Vac가 발생되고 있다. AC 전압 변동은 약 Δ110Vac이며, 정격 전압인 230Vac에도 미치지 못하고 있다. 저전압이 공급되고 있어 전기가 공급되어도 역할 못하고 있다. 이렇듯 불안정안 전력 품질로 인해 양곤의 가정집에는 두 가지 방법을 적용하고 있다. 230Vac 이상의 전압이 발생될 경우 가전기기(냉장고, 에어컨, TV 등)를 보호하기 위해 Figure 12와 같은 surge 보호기가 가전 기기마다 달려있는 것을 확인 할 수 있다. 양곤외곽지역에는 한낮 동안 저전압으로 가전기기를 사용하지 못하므로 Figure 13과 같이 각 가정에서는 승압기를 연결하여 사용하고 있다.
피크 부하를 담당하기 위해 태양광 발전이 이루어져야 하는 한낮 시간 동안 계통의 저전압이 유지되고, 전압 변동률이 심하게 발생되는 이러한 계통 전력 품질 상황에서는 가정용 계통형 태양광발전 시스템이 정상적으로 동작하지 못할 수도 있다. 따라서 미얀마에서 가정용 태양광발전을 운용하기위해 이에 대한 대책이 계통과 태양광 시스템에서 모두 수행되어져야 한다.

결론

미얀마 환경에 적합한 가정용 태양광발전 시스템을 설계하기 위해 양곤의 환경 인자(대기온도, 일사량)와 저압계통 전력품질에 대해 분석하였다.
대기온도는 최대 40°C까지 상승하였고 우기 기간은 6월부터 10월까지 5개월 정도 되었다. 따라서 온도계수가 낮은 태양광 모듈을 적용하여 모듈 온도 상승으로 인한 출력 저하 효과를 최소화하여야 한다. 또한 우기 기간 흡습(moisture ingress) 영향으로 발생될 수 있는 모듈 내부 부식 방지를 위해 저흡습 봉지재(encapsulant)가 사용된 모듈을 적용하여야 20년 이상 장기간 사용하는 태양광 모듈의 내구성을 보증할 수 있을 것이다.
미얀마 양곤 지역의 경우 지역에 따라 다르지만 저압계통 전력품질은 100Vac~250Vac 범위의 심한 변동값이 측정되었으며 이는 가정용 태양광 발전 시스템과 저압 계통의 정합 안정도를 저해하는 요소로 분석되었다. 양곤 중심가 지역은 가정용 계통형 태양광발전 시스템 적용이 가능하나 과전압 발생에 대한 대응이 필요하며 양곤 외곽지역은 가정용 계통형 태양광 발전 시스템 적용 시 계통의 심각한 전력변동에 대한 철저한 분석이 필요하고, 이에 대한 계통과 태양광 시스템 모두의 대응 설계가 요구된다.

Acknowledgments

본 연구는 2018년도 산업통상부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(No. 20183010014260).

Figure 1.
Annual sum of Photovoltaic (PV) power potential map in the global (The World Bank, 2017)
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Figure 2.
Comparing yearly Global Horizontal Irradiance (GHI) and temperature with potential PV power output in Myanmar (The World Bank, 2017)
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Figure 3.
Hourly averaged ambient temperature in Yangon for one year from March 2016 to March 2017
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Figure 4.
Ambient temperature per minute measured for May 2016 in Yangon
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Figure 5.
Hourly averaged horizontal vs. inclined solar irradiance for one year from March 2016 to March 2017
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Figure 6.
Daily averaged solar irradiance for one year in Yangon from March 2016 to March 2017
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Figure 7.
Two sites which power quality was measured in Yangon from google map
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Figure 8.
AC voltage quality measured in downtown of Yangon
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Figure 9.
Frequency quality measured in downtown of Yangon
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Figure 10.
AC power quality Measured in outskirts of Yangon
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Figure 11.
Frequency quality measured in outskirts of Yangon
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Figure 12.
Surge protector for home appliance in Myanmar
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Figure 13.
Voltage regulator for home in outskirts of Yangon
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Table 1.
Maximum and minimum ambient temperature in Yangon for one year
Temperature (℃) Month
Maximum temperature 46 January
Minimum temperature 15 January
Hourly mean maximum temperature 44 January
Hourly mean minimum temperature 17 January
Maximum temperature changes of day/night ∆16 March
Table 2.
Temperature coefficients of commercial photovoltaic modules
Manufacturer Temperature Coefficient Pmax(%/℃)1) Technology
Hanwha Q CELLS (Model Q.peak duoxl-g9.3 460, 2020) -0.35%/℃ p-PERC2)
Hyundai Energy Solutions (Model YI series, 2016) -0.35%/℃ p-PERC
LG Electronics (Model LG420N2W-V5, 2019) -0.36%/℃ N-mono3)
SunPower (Model SPR-X21-470-COM, 2020) -0.29%/℃ IBC4)
Panasonic (Model EVPV370, 2020) -0.26%/℃ SHJ5)
Jinco solar (Model Tiger Pro 72HC-TV, 2020) -0.35%/℃ p-PERC

1) Pmax : maximum power of PV module

2) p-PERC : p-type passivated emitter rear cell

3) n-mono : n-type monocrystalline

4) IBC : Interdigitated back contact

5) SHJ : Silicon heterojunction

Table 3.
Distribution Losses (%) of Myanmar (Nam et al., 2015)
Year Losses (%)
2013 12.5
2012 16.7
2011 19.2
2010 19.6
2009 19.4
2008 22.3
2007 21.6

Ministry of Electric Power: ADB 2012

Table 4.
LV power quality in downtown of Yangon
Ac voltage (Vac) Frequency (Hz)
Vac_max. 251.01 50.76
Vac_min. 210.97 48.67
Δ 40.04 2.09
Table 5.
Power quality measured at outskirts of Yangon
Vrms_phase AB Frequency (Hz)
Vac_max. 214.50 50.81
Vac_min. 105.25 49.36
Δ 109.26 1.45

References

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