오염(태양 에너지)

Soiling (solar energy)

오염된 것은 태양열 발전 시스템에서 빛을 모으는 표면에 물질이 축적되는 것이다. 누적된 재료는 입사광선을 차단하거나 분산시켜 출력 손실을 초래한다. 대표적인 오염물질로는 광물먼지, 새똥, 곰팡이, 이끼, 꽃가루, 엔진배출, 농업배출 등이 있다. 이염은 기존의 태양광 발전 시스템, 농축된 태양광 발전, 그리고 농축된 태양열(열) 전력에 영향을 미친다. 그러나 오염의 결과는 비집중 시스템보다 집중 시스템에 더 높다.[1] 이물질은 축적 과정과 축적된 물질 그 자체 모두를 가리킨다는 점에 유의한다.

토양오염의 영향을 줄이는 방법에는 몇 가지가 있다. 이산화 방지[2] 코팅은 태양열 프로젝트에 가장 중요한 솔루션이다. 그러나 물청소는 과거에 항산화 코팅이 없었기 때문에 지금까지 가장 널리 사용되는 기술이다. 토양오염 손실은 지역마다, 그리고 지역마다 크게 다르다. 비가 자주 내리는 지역에서는 평균적으로 오염된 전력 손실이 1% 미만이 될 수 있다.[3] 2018년 기준, 오염으로 인한 전 세계 연평균 전력 손실 추정치는 5%~10%이다. 침체로 인한 예상 매출 손실은 30억에서 50억 유로에 달한다.[1]

오염물리학

오염은 일반적으로 미네랄 먼지(실리카, 금속 산화물, 소금), 꽃가루 및 그을음을 포함하되 이에 국한되지 않는 공기 중 입자의 침적으로 발생한다. 그러나, 더러움에는 눈, 얼음, 서리, 다양한 종류의 산업 오염, 황산 미립자, 새 배설물, 낙엽, 농업용 사료 먼지, 조류, 이끼, 곰팡이, 이끼, 이끼, 이끼 또는 박테리아의 생장 등이 포함된다.[1][4] 이 더러운 기계들 중 어떤 것이 가장 두드러지는지는지는 그 위치에 달려 있다.

오염은 빛을 완전히 차단하거나(하드 쉐이딩), 약간의 햇빛을 통과하게 한다(부드러운 쉐이딩). 부드러운 음영으로, 전송된 빛의 일부가 흩어진다. 산란하면 빛이 분산된다. 즉, 광선이 여러 방향으로 흐른다. 기존의 태양광 발전은 분산된 빛과 함께 잘 작동하지만, 농축된 태양광 발전 및 농축된 태양광 발전은 태양에서 직접 나오는 (시준된) 빛에만 의존한다. 이 때문에 집중형 태양광은 기존 태양광보다 더 오염에 민감하다. 대표적인 흙먼지로 인한 전력손실은 태양광 발전보다 집중 태양광 발전량이 8~14배 높다.[5]

지리와 기상학의 영향

토양오염 손실은 지역마다, 그리고 지역마다 크게 다르다.[3][6][7][8]

오염된 퇴적물이 사막, 농업, 산업, 도로 등과 같은 지리적 요인에 의존하는 비율은 공기 중의 입자원이 될 가능성이 높다. 어떤 위치가 공기 중 입자 발생원에 가까우면, 오염된 손실의 위험이 높다.[9]

오염률(아래 정의 참조)은 계절과 장소에 따라 다르지만 일반적으로 0%/일 - 1%/일 사이에 있다.[1] 그러나 중국 내 기존 태양광 발전소의 경우 하루 평균 2.5%의 높은 증착률이 관측됐다.[1] 집중 태양열 발전의 경우, 높은 5%/일의 오염률이 관찰되었다.[1] 오염률이 높은 지역에서는 오염이 전력 손실의 중요한 원인이 될 수 있다. 극단적인 예로 헬완시(이집트)에서 발생한 광전계통 오염으로 인한 총 손실률은 한 시점에 66%에 이르는 것으로 관측됐다.[10] 헬완의 이 같은 악화는 인근 사막에서 발생한 먼지와 지역 산업 오염 탓이었다. 세계 여러 지역의 병든 위험을 계획하기 위한 몇 가지 이니셔티브는 존재한다.[3][11][12]

오염된 손실은 또한 비, 온도, 바람, 습도, 구름 덮개와 같은 기상학적 변수에 따라 달라진다.[13] 가장 중요한 기상학적 요인은 비가 태양 전지판/미러리의 더러움을 씻어낼 수 있기 때문에 비의 평균 빈도다.[9] 주어진 현장에서 1년 내내 비가 계속 온다면, 그 더러운 손실은 작을 것 같다. 그러나 가벼운 비와 이슬은 또한 입자 접착력을 증가시켜 더러운 손실을 증가시킬 수 있다.[13][14][15] 일부 기후는 생물학적 오염의 성장에 유리하지만 결정적인 요인이 무엇인지 알 수 없다.[4] 더러워지는 것은 기후와 날씨에 의존하는 것은 복잡한 문제다. 2019년 현재 기상캐스터를 기준으로 오염률을 정확하게 예측할 수 없다.[1]

오염된 손실 수량화

태양광 발전 시스템의 오염 수준은 기술 표준 IEC 67124-1에[16] 정의된 다음과 같이 오염 비율(SR)으로 표현할 수 있다.

따라서 = 일 경우 이물질이 , R = {\일 경우 이물질이 너무 많아 태양광발전시스템에 생산이 없다. 대체 지표는 SL로, SL은 = 1- S 1-SR로 정의된다 이 오염 손실은 오염으로 인해 손실된 에너지의 분율을 나타낸다.

오염 증착률(또는 오염률)은 일반적으로 %/일 단위로 제시되는 오염 손실의 변화율이다. 대부분의 공급원은 오염된 손실을 증가시킬 경우 양수라고 정의하지만 일부 공급원은 반대 기호[NREL][3]를 사용한다.[1][17][18]

광전지 시스템의 오염비 측정 절차는 IEC 67124-1에 제시되어 있다.[16] 이 표준은 두 개의 태양광 장치를 사용할 것을 제안하는데, 하나는 토양을 쌓기 위해 남겨두고 다른 하나는 깨끗이 보관한다. 오염 비율은 오염되지 않은 장치가 청결한 경우 예상되는 전력 출력에 대한 비에 의해 추정된다. 예상 출력은 교정 값과 클린 장치의 측정된 단락 전류를 사용하여 계산한다. 이 설정을 "쓰레기 측정소" 또는 "쓰레기 측정소"[9][19]라고도 한다.

전용 오염 관측소를 사용하지 않고 태양광 발전 시스템의 오염 비율과 오염 퇴적률을 추정하는 방법이 제안되었다.[17][20][21] 이러한 절차들은 태양광 발전 시스템의 성능에 근거한 오염 비율을 유추한다. 미국 전역의 아픈 손실을 파악하기 위한 프로젝트가 2017년에 시작되었다.[3] 이 프로젝트는 오염원과 태양광 발전 시스템 모두의 데이터를 기반으로 하며, 에서 제안된 방법을 사용하여 오염 비율과 오염 비율을 추출한다.

완화 기법

현장 선택부터 청소, 전자동 분진 제거까지 오염 손실을 완화하기 위한 많은 다양한 옵션이 있다. 최적 완화 기법은 오염 유형, 침적률, 용수 가용성, 현장의 접근성 및 시스템 유형에 따라 달라진다.[1] 예를 들어 기존 태양광 발전은 집중 태양광 발전과는 다른 우려를, 대규모 시스템은 소규모 옥상 시스템과는 다른 우려를, 고정 기울기를 가진 시스템은 태양광 트랙터를 사용하는 시스템과 다른 우려를 수반한다. 가장 일반적인 완화 기법은 다음과 같다.

  • 부지 선택 및 시스템 설계: 현장 선택 및 시스템 설계 시 세심한 계획 수립을 통해 오염의 영향을 완화할 수 있다. 지역 내에서는 오염된 증착률에 큰 차이가 있을 수 있다.[8] 토양 침적률의 국지적 변동성은 주로 도로, 농업, 산업과의 근접성, 그리고 두드러진 풍향에 의해 결정된다.[9] 또 다른 중요한 요소는 태양 전지판의 경사각이다.[13] 기울기 각도가 클수록 흙이 덜 쌓이고 빗물이 청소 효과를 가져올 가능성이 높아진다. 이것은 설계 단계에서 고려되어야 한다. 시스템에 태양열 추적기가 장착된 경우, 태양 전지판(또는 집중 태양열 발전인 경우 거울)은 야간 동안 최대 경사각(또는 가능한 경우 거꾸로)으로 보관해야 한다.[1] 요약하자면, 오염은 시스템 운영자들뿐만 아니라 시스템 설계자들에게도 걱정거리다.[1]
  • 태양열 패널 설계: 태양 전지판은 오염의 영향을 최소화하도록 설계될 수 있다. 여기에는 더 작은 태양 전지(예: 반전지), 프레임이 없는 패널(가장자리의 먼지 수집 방지) 또는 대체 전기 구성(예: 전류가 패널의 오염된 부분을 통과할 수 있는 더 많은 바이패스 다이오드)의 사용이 포함된다.[1] 앞으로 반전지, 프레임 없는 태양광 패널 비중이 늘어날 것으로 보인다.[22]

이는 앞으로 태양 전지판이 더 오염된 손실에 내성을 가질 것으로 기대할 수 있다는 것을 의미한다.

  • 청소: 오염된 손실을 완화하기 위해 가장 많이 사용되는 접근법은 태양 전지판/미러 청소를 하는 것이다. 청소는 수동, 반자동 또는 완전 자동이 될 수 있다. 수동 세척은 브러시나 솝을 사용하는 사람들을 포함한다. 이를 위해서는 낮은 자본 투자가 필요하지만 인건비가 비싸다. 반자동 청소는 사람들이 청소를 돕기 위해 기계를 사용하는 것을 포함하는데, 일반적으로 회전하는 브러시가 장착된 트랙터가 그것이다.[23]

이 접근법은 더 높은 자본 투자가 필요하지만, 수동 청소보다 더 낮은 인건비를 포함한다. 완전 자동 청소는 밤에 태양 전지판을 청소하는 로봇의 사용을 포함한다.[24] 이 접근방식은 최고 자본 비용이 필요하지만 로봇의 유지보수를 제외하고는 수작업에 종사하지 않는다. 세 가지 방법 모두 물을 사용할 수도 있고 사용하지 않을 수도 있다. 일반적으로 물은 청소를 더 효율적으로 만든다. 단, 주어진 현장에서 물이 부족하거나 비싼 자원이면 드라이클리닝이 선호될 수 있다.[4] 일반적인 세척 비용에 대한 경제적 결과를 참조하십시오.

  • 오염 방지 코팅: 오염방지 코팅은 먼지와 먼지의 접착을 줄이기 위해 태양전지판이나 거울 표면에 바르는 커버다. 일부 오염 방지 코팅은 자가 세척 특성, 즉 비에 의해 표면이 청소될 확률을 높이기 위한 것이다.[25]

코팅은 생산 중 패널/미러에 도포하거나 설치 후 다시 장착할 수 있다. 2019년 현재 주로 내구성 부족으로 인해 특정 방염 기술이 널리 채택되지 않았다.[1]

  • 전자동 화면: 전기동적 화면은 태양 전지판이나 거울의 표면에 통합된 전도선의 그리드다. 시간변동 전자기장은 그리드에 교류전압을 가하여 설정한다. 그 장은 퇴적된 입자와 상호작용하여 표면에서 그것들을 이동시킨다. 이 기술은 흙먼지를 제거하는 데 필요한 에너지가 흙먼지를 낮춰 얻는 에너지보다 작으면 가능하다. 이 기술은 2019년을 기점으로 연구실에서 시연됐지만 현장에서 입증해야 할 기술은 아직 남아 있다.[1]

경제적 결과

청소 비용은 어떤 청소기법을 사용하느냐와 주어진 위치에서의 인건비에 따라 달라진다. 더욱이 대규모 발전소와 옥상 시스템에는 차이가 있다. 대형 시스템의 청소 비용은 가장 저렴한 국가의 0.015유로/m에서2 네덜란드의 0.9유로/m까지2 다양하다.[1] 옥상 시스템 청소 비용은 중국에서 0.06유로/m까지2, 네덜란드에서는 8유로/m까지2 낮은 것으로 보고되었다.[1]

오염은 영향을 받는 태양열 발전 장비의 전력 생산 감소로 이어진다. 악화된 손실을 완화하기 위해 돈을 쓰는지 안 쓰는지 여부는 시스템 소유주들의 수익 감소로 이어진다. 수익 손실의 규모는 주로 오염 완화 비용, 오염 증착율 및 해당 위치에서의 강우 빈도에 따라 결정된다. 일스 외는 2018년 전 세계 연평균 토양오염 손실을 3~4%로 추정했다.[1] 이 추정치는 모든 태양열 발전 시스템이 최적의 고정 주파수로 청소된다는 가정 하에 이루어졌다. 이 추정을 바탕으로 2018년 총 오염 비용(전력 손실 및 경감 비용 포함)은 30억~50억 유로로 추산됐다.[1] 이것은 2023년까지 40억에서 70억 유로로 성장할 수 있다.[1]

참고 항목

참조

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외부 링크