Korean Institute of Information Technology

Current Issue

The Journal of Korean Institute of Information Technology - Vol. 19, No. 9

[ Article ]
The Journal of Korean Institute of Information Technology - Vol. 19, No. 8, pp.51-57
Abbreviation: Journal of KIIT
ISSN: 1598-8619 (Print) 2093-7571 (Online)
Print publication date 31 Aug 2021
Received 10 Aug 2021 Revised 18 Aug 2021 Accepted 21 Aug 2021
DOI: https://doi.org/10.14801/jkiit.2021.19.8.51

해상태양광을 위한 외부 뇌보호 시스템 적용방안 연구
최동희*
*청주대학교 융합전자공학부 조교수

A Study on External Lightning Protection System for Marine Floating Photovoltaic System
DongHee CHOI*
Correspondence to : DongHee CHOI Devision of Converged Electronic Engineering, Cheongju University, Cheongwon-gu, Chungcheongbuk-do, Korea, Republic of Tel.: +82-043-8458, Email: heechoi@cju.ac.kr

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초록

본 논문에서는 해상태양광을 위한 뇌보호 시스템 적용방안에 대한 연구를 진행하였다. 해상태양광은 현재 새롭게 도입되는 개념으로써, 아직 해상태양광에 대한 뇌보호 개념이 정립되지 않은 실정이다. 따라서, 해상태양광을 위한 외부 뇌보호 시스템연구를 위하여, 기존 육지에서 사용되는 외부 뇌보호 시스템의 적용방안에 대한 방법을 검토하였다. 이미 정립된 육지 시설물에 대한 외부 뇌보호 시스템 기반으로 하여, 해상태양광의 특성을 고려한 외부 뇌보호 시스템 적용방안을 제시하였다. 외부 뇌보호 시스템 적용 시, 해상태양광 시스템의 비용을 줄일 수 있는 뇌보호 시스템 적용방안을 제안하여 그리드 패리티(Grid Parity)를 개선하는 방안을 제안하였다. 이를 바탕으로, 100kW급 해상태양광 시스템을 위한 시스템의 외부 뇌보호 시스템을 적용방안을 제안하였다.

Abstract

This paper analyzed the application of external lightning protection system for marine floating photovoltaic(PV) system. Despite of the introduction of floating PV system in marine area, the standard for external lightning protection system for marine floating PV system has not been established. At first, the external lightning protection method for structures in earth is analyzed in advance to propose external lightning proection system for marine floating PV system. Secondly, the external lightning protection methods were analyzed by considering the characteristics of marine floating PV system. The the economic cost of marine flating PV system was also examined by improving grid parity to increase the penetration of PV system. Finally, the proposed external lightning protection method is applied to 100kW marine floating PV system.


Keywords: marine floating photovoltaic system, external lightning protection, angle method, rolling sphere method, lightning protection level

Ⅰ. 서 론

기후변화 및 탄소 중립 등의 환경문제로 인하여 전력계통에 변동성 에너지(태양광 및 풍력 등) 기반의 발전원 도입이 증가하고 있다. 풍력발전의 경우, 오랜 활용 및 경제성에 힘입어, 육상 풍력발전뿐만 아니라 해상 풍력발전 또한 대규모 단지 형태 혹은 단일 발전기 형태로 구축이 되어 왔다. 그에 반하여 태양광 발전의 경우는 태양광 발전 모듈의 효율의 한계로 인하여, 경제성 측면에서 오랫동안 활용이 제한적이었으며 설치의 위치 또한 육상에 국한되어 온 것이 사실이다. 태양광 모듈의 효율 향상에 따른 경제성이 개선되어 태양광 발전이 다양하게 전력계통에 들어오고 있다. 태양광 모듈의 특성상 모듈의 온도가 낮을 때 효율이 높으므로, 저수지 등의 수상태양광에 대한 연구는 진행 및 실증이 이루어지고 있다[1]-[6].

최근, 수상태양광 및 해상태양광에 관한 연구가 지속적으로 진행되고 있으나, 수상태양광에 비하여 해상태양광에 관한 연구는 아직 초기 단계이다. 육지에 설치되는 태양광 발전 시스템과는 달리, 수상/해상에 설치되는 태양광 발전 시스템은 부유물, 계류장치 등 시스템의 구성이 달라져야 한다. 저수지나, 담수에 설치되는 수상 태양광은 육지와 가까이 설치될 수 있으므로, 육상 태양광과 그 시스템 구성이 크게 다르지 않았을 뿐만 아니라, 기존의 육상 태양광의 시스템의 개념을 적용하는 것이 가능하다. 하지만, 해상에 설치되는 태양광 발전의 경우, 육상/수상 태양광과는 다른 새로운 형태의 시스템 및 해상 환경의 특수성에 따른 더욱 가혹한 조건을 고려하여야 한다. 하지만 해상태양광에 대한 여러 가지 고려사항은 해당 발전에 대한 균등화 발전원가를 상승시키는 요인으로 작용하였고, 이에 해상태양광에 대한 장애물로 작용하고 있는 실정이다. 해상에 태양광 시스템이 구축될 경우, 낙뢰 등의 다양한 기상변화에 따른 위험 요소를 검토할 필요가 있으며, 발전시스템에 대한 외부 뇌보호 시스템에 대한 검토 또한 필요하다.

따라서 본 논문에서는 해상태양광 발전시스템을 위한 외부 뇌보호 시스템 적용방안에 관한 연구를 진행하였다. 뇌보호의 기본적인 원리 및 개념은 육상과 동일 할지라도, 해상 환경에 적합한 뇌보호 방식을 검토할 필요가 있다. 이를 위해서, 육상에서 뇌보호 시스템에 대하여 간단하게 되짚어 보고, 해상의 특수성 및 외부 뇌보호 시스템의 경제성을 고려한 해상태양광 외부 뇌보호 시스템 적용방안을 제시 및 검토를 진행하였다[7]-[9].


Ⅱ. 육상 외부 뇌보호 시스템 검토
2.1 일반적인 육상 외부 뇌보호 시스템 구성

일반적인 육상의 외부 뇌보호 시스템은 수뢰부, 인하도선, 접지 시스템의 3가지 요소로 구성된다[9].

육상의 외부 뇌보호 시스템 중 수뢰부는 실질적으로 외부의 피뢰를 수뢰하는 부분으로써 다음과 같은 요소들의 조합으로 구성된다. 돌침은 보호 대상의 상부 또는 측면부에 설치되는 것으로, 피뢰를 할 수 있는 재료 및 최소두께 이상의 침상, 보상 또는 어떤 형태를 가진 시설물로 정의되며, 수평도체는 보호 대상의 상부 또는 측면부에 수평 형태로 설치되는 것으로, 피뢰를 할 수 있는 재료 및 최소두께 이상의 전선, 봉, 버스 등이 사용된다. 마지막으로 메시(Mesh)도체는 보호 대상의 상부 또는 측면부에 그물 또는 케이지 형태로 설치되는 것으로, 피뢰를 할 수 있는 재료 및 최소두께 이상의 전선, 봉, 버스 등이 사용된다[9].

인하도선은 피뢰를 수뢰한 뒤 접지시스템으로 뇌를 전달해 주는 부분으로써 위험한 불꽃 방전의 발생 확률을 감소시키기 위하여 뇌격점과 대지 사이의 인하도선은 전류통로의 길이를 최소로 하여 다수의 병렬 전류 통로를 형성하는 것을 목표로 구성한다[9].

접지시스템은 위험한 과전압을 발생시키지 않고 뇌 전류를 대지로 방류하는 부분으로써 접지시스템의 형상과 크기가 접지 저항을 결정한다. 일반적으로는 낮은 접지저항이 권장되며, 뇌보호의 관점에서 구조체를 사용한 통합 단일의 접지시스템이 권장된다[9]. 본 논문에서는 외부 뇌보호 시스템 중 수뢰부에 대한 적용방안에 대하여 제안한다.

2.2 일반적인 육상 수뢰 시스템 배치 방법

일반적인 육상의 수뢰 시스템 배치 방법은 돌침방식의 보호각법 및 회전 구체법이 일반적이다. 외부 뇌보호 시스템의 목적 및 개념은 해상태양광 시스템이라고 할지라도 동일하기 때문에 육상에서 사용되는 외부 뇌보호의 수뢰 시스템 배치 방식에 대하여 검토를 하여 해상태양광 시스템에 적용이 가능한 부분을 검토하였다. 수뢰 시스템은 낙뢰에 대하여 외부 피뢰를 통하여 시스템을 보호하는 것으로써 적절한 수뢰 시스템들을 배치를 통하여 시스템을 보호할 수 있다.

첫 번째로, 육상 수뢰 시스템 배치에 가장 일반적으로 사용되는 방법은 돌침방식(보호각법)이다. 보호각법을 사용한 돌침방식은 수뢰 도체상의 점을 기준 평면에 모든 방향의 수직에 대해 각도 α로 투사함으로써 발생하는 에워싸인 표면 내에 보호하고자 하는 구조물의 모든 부분이 들어가도록 수뢰도체, 돌침, 마스트, 수평도체를 배치하는 방법이다. 보호각 α는 보호하고자 하는 표면에서 수뢰부의 높이에 의해 그림 1과 같이 정의된다. 1개의 점은 원뿔을 만들며, 피뢰시스템에서 여러 가지 수뢰도체에 의해서 보호 범위가 정해진다[7][9].


Fig. 1. 
Protection angle method

두 번째 방법은 회전구체법으로써, 회전구체법은 건축물에 설치하는 수뢰부 시스템의 하부 또는 수뢰부 시스템 사이의 낙뢰에 대한 보호범위가 구체(공과 같은 물체)를 굴렸을 때 수뢰부 시스템 사이의 구체가 닿지 않는 부분으로 배치하는 방법이며, 복합된 모양의 건축물과 특수건축물에 적합하며, 그림 2와 같은 방식으로 수뢰 시스템을 배치한다 [7][9].


Fig. 2. 
Rolling sphere method


Ⅲ. 해상태양광을 위한 외부 뇌보호 시스템 설계
3.1 해상환경을 고려한 보호레벨 선정

해상 환경을 고려한 독립된 뇌보호 관련된 규정이 현재 전무한 상황이다. 하지만 해상환경에서의 낙뢰에 대한 피뢰방식은 일반적인 외부 뇌보호 시스템의 기본적인 목적과 다르지 않다. 외부 뇌보호 시스템의 기본적인 목적은 낙뢰로부터 보호하고자 하는 대상물에 접근하는 뇌격을 수뢰하여 피뢰설비를 통하여 뇌격전류를 방류하는 동시에 인하도선이나 구조체를 통하여 대상 시스템에 피해가 가지 않게 하는 것으로 정의할 수 있다.

해상 태양광을 위한 외부 뇌보호 시스템의 설계 시, 해상 환경의 특성만 적절히 고려한다면 기존에 확립된 뇌보호 시스템 선정절차를 활용할 수 있다. 일반적으로 육상에서 외부 피뢰를 위한 외부 뇌보호 시스템의 경우 돌침, 메시, 수평도체를 단일로 이용하거나 혼합하여 대상 시스템을 보호한다. 이와 마찬가지로, 해상태양광의 경우에도 해상 환경을 고려하였을 경우, 피뢰를 위한 외부 뇌보호 시스템은 아래 그림과 같이 구성할 수 있을 것으로 판단된다. 그림 3 ~ 그림 5는 각각 해상태양광 시스템에 대한 피뢰를 위한 외부 뇌보호 시스템의 돌침, 메시, 수평도체 방식으로 보호하는 형태를 나타낸다.


Fig. 3. 
Marine floating PV system with electric rods


Fig. 4. 
Marine floating PV system with mesh conductors


Fig. 5. 
Marine floating PV system with catenary wires

그림 3 ~ 5에서 확인할 수 있듯이, 목적 및 보호하고자 하는 대상물의 특성에 따라 다양한 형태의 외부 뇌보호 시스템을 구현할 수 있다. 본 논문에서는 해상태양광 시스템의 외부 뇌보호 시스템을 태양광 시스템의 설치 비용을 줄이는 관점에 따라서 검토를 하였다. 이를 위하여, 기존에 확립된 외부 뇌보호 시스템의 구성 절차에 따라 해상 환경의 특성을 고려한 외부 피뢰 시스템을 검토하였다.

일반적으로 뇌보호 관점에서 보호 시스템의 보호 등급은 시스템에 대한 낙뢰 허용빈도와 낙뢰 발생 빈도를 추정하여 뇌보호 시스템의 효율을 결정하고, 결정된 효율을 바탕으로 뇌보호 시스템의 보호등급을 산정한다[7][9].

표 1은 뇌보호 시스템의 등급별 시스템의 효율을 나타내며, 이는 식 (1)과 같이 표현된다[7].

E=1-NcNd(1) 
Table 1. 
Class of lightning protection level
Protection level Lightning protection system efficiency
0.99
0.97
0.91
0.84

위 식에서 Nc 보호하고자 하는 시스템에 대한 연평균 허용 낙뢰 빈도이며, Nd는 보호 대상에 대한 직격뢰 예상 빈도로써 식 (2)와 같이 정의된다[7].

Nd=NgAe10-6/(2) 

Ng는 보호 대상이 위치한 지역의 연평균 대지낙뢰밀도를 나타내며, Ae 보호 대상에 대한 낙뢰예상 등가면적으로써 그림 6식 (3)과 같이 정의된다[7]-[10].

Ae=LW+6HL+W+9πH2(3) 

Fig. 6. 
Equivalent collection area for lightning

따라서, 외부 피뢰에 대한 뇌보호 시스템 효율을 정의하기 위해서는 해당 시스템의 면적에 대한 정의가 선행되어야 하며, 본 논문에서는 태양광(100kW) 면적을 46.5 [m]×23 [m]×1 [m]으로 가정하여 낙뢰 예상 등가면적을 산정하였고, 해당 등가 면적은 식 (4)와 같이 표현된다.

Ae1.584×10-3km2, with L=43m W=26.5m H=1m(4) 

100kW 해상태양광이 해당 등가 면적에 설치된다고 가정하였을 때, 보호 시스템이 위치한 지역의 연평균 낙뢰밀도를 곱해주면 보호대상에 대한 직격뢰 예상빈도를 아래 식과 같이 정의할 수 있다. 이 때, 해당 지역의 연평균 낙뢰 밀도(Ng)를 2019년 낙뢰 연보의 낙뢰 밀도의 최대값보다 큰 값인 2.5로 가정하였을 경우, 보호 대상에 대한 직격뢰 예상 빈도(Nd)는 식 (5)와 같이 산정된다[10].

Nd=2.51.584×10-3×10610-6       3.9619×10-3/(5) 

해상 환경을 가정하여, 낙뢰연보 상에서 육상에서의 연평균 낙뢰밀도보다 큰 값을 가정하여 직격뢰 예상 빈도(Nd)를 위의 식과 같이 구할 수 있으며, 보호하고자 하는 시스템의 허용빈도(Nc) 값을 적절히 설정하여 주면 해당 시스템의 뇌보호 등급을 선정할 수 있다.

현재, 육상에 있는 구조물에 대한 낙뢰허용빈도(Nc)도 현재 일반적으로 정의된 기준값이 없으며, 적절한 요인을 고려하여 손상 시 위험 정도를 반영하여 정해지며, 이는 해당 시설의 중요도 및 사용자의 안전 등이 될 수 있다.

해상태양광의 외부 뇌보호 시스템에 대하여 효율을 97%로 가정하여 시스템 보호레벨을 Ⅱ로 가정하였을 때, 보호 대상에 허용되는 연평균 낙뢰 빈도는 Nc = 1 × 10-10로 가정된다. 이는 10-10년 동안 1번의 낙뢰를 허용하는 뇌보호 시스템의 효율로써, 발전 균등화 원가 관점에서 낙뢰에 의한 시스템의 피해를 최소화 할 수 있는 값이라고 판단된다.

3.2 해상 환경을 고려한 외부 피뢰방식 선정

이렇게 정해진 보호레벨에 고려하여 해상환경을 고려하여 외부 뇌보호 시스템을 돌침/수평도체/메시도체를 이용하여 적절한 배치를 통하여 구현할 수 있다. 이에 대한 적절한 배치는 보호각법, 회전구체법, 메시법을 통하여 정할 수 있다.

해상태양광이 설치되는 환경은 주변 높은 건축물이 존재하지 않고, 넓은 면적이 요구되는 것이 일반적이므로, 돌침방식 또는 메시법을 단일하게 적용하는 것은 시스템의 비용을 줄이는 관점에서 부적합하다. 따라서 돌침방식과 수평도체를 적절히 혼합하면, 해상 태양광에 대한 적절한 외부 피뢰시스템을 설계할 수 있는 것으로 판단된다. 해상태양광의 경우, 바다 위에 부력체 위에 설치되어 있는 형태일 뿐만 아니라, 구조 자체가 수평에 가깝고, 주변에 활용할 수 있는 높이가 높은 구조체가 없기 때문에, 수직 피뢰침을 높이 세워 넓은 면적을 커버하는 것은 한계가 있고, 피뢰침이 높아지더라도, 보호할 수 있는 영역에는 한계가 있다. 또한 수평도체만을 활용한다면, 해당 보호 시스템을 구축하기 위한 비용이 증가할 수 있다.

3.3 100kW 태양광 외부 수뢰 시스템 설계

따라서 외부 피뢰침 및 수평 도체를 적절히 활용하면, 해상 태양광과 같은 넓은 면적을 보호하기 위한 적절한 시스템이 구축할 수 있다. 그림 7은 외부 피뢰침 및 수평도체를 혼합한 피뢰 시스템을 나타낸다[9].


Fig. 7. 
Lightning protection by electric rods with air-termination conductor

보호각법을 적용하여, 높이 h = 2[m]의 피뢰침을 가정하였을 때, 최대 보호 거리는 6.97[m]로 계산될 수 있다. 하지만 해상태양광 구조물의 높이를 h2 = 1[m]로 고려하였을 때, 보호 가능한 거리는 d/2 = 3.49[m]로 감소한다. 따라서 이웃하는 수평 피뢰도선 간의 간격은 d = 6.97[m] 이내가 되어야 하는 것을 알 수 있다.

이웃하는 수평 피뢰도선에 의한 피뢰 보호를 가정하였을 때, 회전구체법을 활용한 두 돌침에 대한 침투 깊이를 고려해야하며, 이 때 침투 깊이는 그림 8식 (6)으로 정의할 수 있다[7][9].

p=r-r2-d22(6) 

Fig. 8. 
Penetration depth by rolling sphere method

r은 보호 레벨에 따른 회전 구체의 반지름이며, d는 두 돌침에 대한 간격으로 정의할 수 있음. 보호레벨 Ⅱ와, 피뢰침 높이 h1 = 2[m]를 가정하였을 때, 회전구체법에 의한 침투 깊이는 p = 0.82[m]와 같음. 따라서 회전구체법으로 검토하였을 때, 구조물의 높이를 h2 = 1[m]로 고려하면, 외부 낙뢰에 대한 보호가 적절하게 이루어질 수 있는 것을 확인할 수 있다.

이렇게 수평피뢰도선간의 간격을 d = 6.97[m]로 할 경우 100kW의 태양광 실증단지에 대한 외부 피뢰 보호시스템은 아래 그림과 같이 설계할 수 있으며, 돌침각법 및 회전구체법을 고려하였을 때 해상 태양광 시스템이 낙뢰로부터 보호레벨 Ⅱ의 97%의 효율로 적절하게 보호될 수 있다.


Fig. 9. 
Extrenal lightning proctection system for 100kW floating marine PV system


Ⅳ. 결론 및 향후 과제

본 논문에서는 해상태양광 보호를 위한 외부 뇌보호 시스템 적용 방안을 제시하였다. 제안한 방법은 육상에서 이루어지는 낙뢰에 대한 외부 뇌보호 시스템에 대한 검토를 바탕으로, 뇌보호의 기본적인 원리에 입각하여, 해상태양광의 환경적 특성을 고려한 외부 뇌보호 시스템 방안을 제안하였다. 제안한 방법을 활용하여 시스템 측면에서의 비용을 절감할 수 있는 관점으로 해상태양광 외부 뇌보호 시스템을 배치하였고, 이를 100kW 해상태양광 시스템에 적용하여, 뇌호보가 효과적으로 이루어질 수 있음을확인하였다. 본 논문에서는 외부 뇌보호 시스템에서 수뢰부의 보호등급 및 효율 적절한 수뢰부의 배치에 대하여 제안하였으며, 인하도선 및 접지에 대한 부분이 완결되어야 외부 피뢰 시스템이 구축 되었다고 할 수 있으며, 이는 본 논문의 향후 과제가 될 수 있을 것이다. 또한, 경제적인 관점에서, 해상태양광의 외부 뇌보호 시스템 적용에 대해서는 보호 시스템의 설치비의 최소화 및 뇌보호의 효율을 고려할 필요가 있고, 또한 운영적인 측면에서는 그림자 발생에 따른 발전량 저하와 고장에 따른 시스템 운영 중단에 따른 발전량 저하를 고려할 필요가 있으며 이 또한 연구를 본 논문의 향후 과제로 한다.


Acknowledgments

이 논문은 2019학년도에 청주대학교 산업과학연구소가 지원한 학술연구조성비(특별연구과제)에 의해 연구되었음

"2021년도 한국정보기술학회 종합학술대회에서 발표한 논문(해상태양광 발전시스템을 위한 뇌보호 시스템 등급 선정 연구)을 확장한 것임"


References
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2. B. G. Bhang and Gyugwang Kim, et al., "Design Methods of underwater Grounding Electrode Array by Considering Inter-Electrode Interference for Floating PVs", in Energies, Vol. 11, No. 4, 892, Apr. 2018.
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8. LIGHTNING PROTECTION GUIDE, DHEN, pp. 63-72, 2014.
9. Vernon Cooray, "Lightning Protection", The Institute of Enginnering and Technology, pp. 307-330, 2010.
10. 낙뢰연보(2019), 기상청, 2019, pp. 5-34

저자소개
최 동 희 (DongHee CHOI)

2012년 2월 : 연세대학교 전기전자공학부(공학사)

2017년 2월 : 연세대학교 전기전자공학과(공학박사)

2019년 3월 ~ 현재 : 청주대학교 융합전자공학부(조교수)

관심분야 : 전력시스템, 스마트그리드