Research Article

Journal of the Korean Solar Energy Society. 30 June 2020. 43-52
https://doi.org/10.7836/kses.2020.40.3.043

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 자료 및 방법

  •   2.1 최적 PV 산정 알고리즘

  •   2.2 경사면 일사량

  •   2.3 건물높이 및 일사량

  • 3. 결 과

  •   3.1 PV 최적각도

  •   3.2 도심지역 PV 최적각도 산정

  • 4. 결 론

1. 서 론

최근 태양광 발전 기술은 정부의 재생에너지 보급 장려에 힘입어 빠르게 발달하고 있다. 더 높은 효율을 위한 투자와 개발이 진행 중이며, 가까운 미래의 태양광패널(이하 PV)은 현재보다 낮은 가격과 높은 발전 효율을 가질 것으로 기대된다1). 높은 효율의 PV는 도심과 같이 설치면적의 확보가 어려운 지역일수록 효용성이 크다. 보편적으로 건물옥상이나 벽면의 제한된 설치면적을 극복하기 위해 높은 발전 효율을 지향하기 때문이다2). 하지만, 높은 발전 효율을 가진 PV 이라도 도심지역 고층 건물 그림자에 의한 일사차폐가 발생한다면 발전효율성이 저하될 수 있다. 즉, PV 발전은 건물에 의한 일사차폐와 같은 외부적 요인에 의해 발전 효율성이 떨어질 수 있다. 이는 태양광에너지 보급을 장려하고 발전 효율성을 높이려는 정부 정책에 부정적인 영향을 미칠 수 있으며, 개인의 경제적 피해를 초래할 수 있는 요소이다. 부정적 요인들에 의한 영향을 최소화하기 위해서는 건물에 입사되는 태양에너지의 활용성을 최대한으로 높일 수 있는 방안이 모색되어야 할 필요가 있으며, 최적 PV 패널의 각도 산정을 통해 최대 발전량을 기대하는 방안이 하나의 대안이 될 수 있다.

본 연구는 도심지역의 태양에너지 활용성을 높일 수 있는 방안으로 일사차폐 요인(건물음영)을 고려한 PV 패널의 최적각도 산정 알고리즘을 제안하였다. PV 패널은 설치 각도에 따라 입사되는 일사량과 발전량이 민감하게 변하기 때문에 이에 대한 연구가 필수적이다3). PV 패널의 최적각도를 계산하는 연구는 과거 많은 연구자들에 의해 수행되어 왔다4,5,6). Rawlands et al. 은 3년간 지상에서 관측된 일사량 자료를 기반으로 캐나다 온타리오(Ontario)주의 최적 방향각을 계산하였다[4]. 전력판매를 통한 수익이 최대가 될 수 있는 각도를 최적 각도로 산정하였지만, 짧은 관측자료를 사용한 한계점이 있다. Khoo et al.은 패널에 입사되는 일사량이 최대가 되는 각도를 최적각도로 산정하였지만, 싱가폴 지역에 특정되었다5). 국내 연구로는 대구 및 국내 주요 도시들을 대상으로 하거나 지상관측지점(80 지점)을 대상으로 수행된 최적 고도각, 방위각 도출 연구들이있다7,8,9). 이처럼 PV 최적각도는 지역의 기후적 특성을 반영하기 때문에 많은 도시들을 대상으로 수행되어 왔으며, 시대적 요구에 따라 국내 도심지역에도 필요한 연구가 되었다10). 하지만, 위에서 언급된 연구들은 주변 건물을 고해상도로 상세히 모사하지 못하기 때문에 건물 음영을 고려하기 힘들다. 때문에 도심 속 PV 패널의 최적각도를 오판할 수 있다.

따라서, 본 연구는 대전의 건물음영을 고려한 PV 패널 최적각도 산정 알고리즘을 제안하였다. 주변 건물에 의한 직달광 차폐 유무를 계산하고 경사면 일사량이 최대가 되는 PV 설치각도를 최적각도로 산정하였다. 대전 TMY (Typical Meteorological Year) 일사량을 사용하여 그림자가 드리지 않는 지역에 대한 최적 PV 설치각도를 제시하였으며, 제안된 알고리즘을 대전 도심 87,132 동의 건물에 대해 확대 적용하고 그 효용성을 고찰하였다.

2. 자료 및 방법

2.1 최적 PV 산정 알고리즘

본 연구에서의 PV 최적각도는 경사면 일사량이 최댓값을 가지는 방향각과 고도각을 의미한다. 도심지역의 건물은 서로 다른 음영조건을 가지고 있기 때문에 일사량의 최댓값을 가지는 각도를 알기 위해선 모든 각도에 대한 경사면일사량 계산이 필요하다. 도심의 음영은 주변 건물에 의한 일사 차폐에 의해 주로 발생하며, 차폐유무를 알기 위해서는 일정 반경 내의 건물 높이정보를 기반으로 기하학적 분석이 필요하다.

Fig. 1은 일사차폐 유무에 따른 경사면 일사량 산정 알고리즘을 나타낸다. 알고리즘은 각 건물의 중심위치에서 반경 250 m 내(Fig. 1의 explore range)의 일사차폐 유무를 1m 해상도 간격으로 판별하게 된다. 즉, 주변의 높은 건물 존재유무를 탐색한다. 분석대상인 대전 도심의 건물높이는 대부분 150 m 이하이기 때문에, 반경 250 m 범위 내 건물에 의한 일사차폐 분석은 대전도심에서 충분한 분석범위이다. 건물그림자에 의한 일사의 차폐가 없는 경우는 직달, 산란, 반사성분을 합하여 경사면에 입사되는 일사량을 계산하며(식(1)), 차폐가 발생한 경우는 일사의 산란과 반사성분만 고려한다(식(2)). 일사차폐는 패널위치와 건물 모서리의 끼인각 이 태양고도각 보다 큰 경우에 발생하는 것으로 설정하였다.

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Fig. 1.

Flowchart for estimating optimal PV angles (orientation and elevation)

경사면 일사량과 차폐유무는 시간(365일)중 태양고도각이 15° 이상인 시각에 대해 계산을 수행하며, 계산된 일사량을 누적하여 연 경사면 일사량(kWh/year)을 산정한다. 해당 과정은 모든 경사면 각도에 대해 반복적으로 수행되며, 방향각(0-360°)과 기울기각(0-90°)을 모두 1° 씩 달리하여 계산하였다. TMY 일사량 기반 PV 최적각도 결과는 위·경도에 따른 PV 최적각도(직달성분만 고려)와 비교분석하였으며, 이를 통해 비 음영 지역에서의 최적각도를 제시하였다.

2.2 경사면 일사량

PV 패널의 경사면에 입사되는 일사량(lt)은 직달광(lb)과 산란광(ld), 반사광(lg)의 합으로 정의된다(식 (1)). 경사면 일사량을 계산을 다양한 방법이 있지만, 본 연구에서는 방위별 오차의 변동이 낮은 Liu and Jordan 모델을 사용하였다11,12). 식(1)의 θ는 PV 시스템과 태양각의 사이각을 의미하며, θpv는 PV 시스템의 기울기각, θz는 태양 천정각(zenith angle)이다. Fig. 2는 식(1)과 (2)에 사용된 끼인각을 시각적으로 잘 나타내 준다. θs는 태양고도각, ϕ는 태양방향각을 의미한다.

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Fig. 2.

Illustration of algorithm for optimal PV panel on (a) bird’s-eye view and (b) side view

$$l_t=l_b\cos\theta+l_d\left(\frac{1+\cos\theta_{pv}}2\right)+l_g\left(\frac{1-\cos\theta_{pv}}2\right)$$ (1)

$$l_t=l_d\left(\frac{1+\cos\theta_{pv}}2\right)+l_g\left(\frac{1-\cos\theta_{pv}}2\right)$$ (2)

2.3 건물높이 및 일사량

최적 PV 각도 산정은 대전의 도심지역(Fig. 3a의 흰 박스)을 중심으로 수행하였다. 분석지역은 대전의 중심 상업지구가 위치한 지역으로 단층 및 고층건물이 적절히 섞인 지역이다. 이 지역에 하는 건물은 총 89,132 동이며, QGIS V3.4의 Centroid 기능을 이용하여 계산한 건물 중심점을 기준으로 최적각도를 계산하였다13). 각 지점들의 일사의 차단유무는 1 m 해상도의 DEM (Digital Elevation Model)에 건물높이를 더한 DSM (Digital Surface Model) 자료를 사용하여 판단하였다(Fig. 3b). 연구에서 사용된 DSM은 대전지역 건물의 높이를 1 m 단위로 표현하기 때문에 반경 내 건물의 차폐유무를 고해상도로 판별 가능케한다. 8760시간의 누적 경사면 전일사량은 대전의 기후특성을 대표할 수 있도록 한국에너지기술연구원에서 생산한 대전지역 표준기상년 일사량 값을 사용하였다. 사용된 일사량 자료는 참조표준으로 등록된 자료이며, 제공되는 측정 불확도를 통해 높은 신뢰도를 보장하는 자료이다14). 태양의 방위각과 고도각은 미국 NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration)의 자료를 사용하였다.

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Fig. 3.

The border of Daejeon (a), and distribution of surface height in urban area (b)

3. 결 과

3.1 PV 최적각도

최적각도 계산결과의 가시성을 높이기 위해 건물음영의 영향을 받는 지역(A)과 받지 않는 지역(B)에 대해 계산된 태양방위각 범위를 그림으로 나타내었다(Fig. 4b). Fig. 4b는 지점과 태양위치 사이의 시선라인 공간을 파란색으로 나타낸 그림이다. 시선라인에 건물이 위치하면 더 먼 거리의 시선라인 공간은 파란색으로 표시되지 않는다. 그림에 따르면 A 지역은 70-130°시선방향에 대해 20 m 이후 파란색 공간이 나타나지 않는데, 이는 인접한 동편의 높은 건물(Fig. 4a)에 의해 직달광의 차폐가 발생하기 때문이다. 반면, B 지역에 설치된 PV는 주변 건물에 의한 직달광의 차폐가 발생한지 않는 지역으로 모든 방향의 직달광이 PV 패널 표면에 도달할 수 있다(Fig. 4b).

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Fig. 4.

The front view of installed PV panels (a), and shielded azimuth ranges of direct beam (b)

본 연구에서는 8760 시간의 경사면 일사량을 각 방위각과 고도각에 대해 누적하였고, 일사량 성분의 민감도를 알기위해 A와 B 지점을 대상으로 DNI만을 고려한 실험을 수행하였다. Fig. 5는 A 와 B 지점에서 직달성분만 고려한 경사면 일사량 분포를 나타낸다. 그림자의 영향을 받지 않는 B 지역은 방위각 180°, 고도각 50°에서 연간 누적일사량이 970.6 kWh/year 로 가장 높게 나타났다. 그림자의 영향을 받는 A는 방위각 196°, 고도각 48°에서 누적일사량(792.4 kWh/year)이 가장 높다. A 지점은 동쪽의 B 보다 서쪽으로 16° 틀어진 방향에서 최적 방향각이 나타났다. 이러한 결과는 동편의 일사차폐 영향을 최소화하기 위한 결과로 해석된다. 결과에 따르면, 주변 건물의 그림자 영향을 받지 않는다면, 일반적인 정남향(180°)이 태양광발전에 가장 유리한 것으로 해석된다.

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Fig. 5.

The distribution of incident total irradiance on the tilted surface for type A and B

위의 결과는 직달성분만 고려한 결과이기 때문에 대전지역의 지리적 특성을 반영하지만, 기후적 특성을 반영하지는 못한다. 경사면 일사량에 산란광과 반사광 추가하여 현실에 가까운 빛을 계산할 경우, 최적각도는 다르게 변할 수 있다.

Fig. 6은 Fig. 5와 동일하지만 경사면 일사량에 산란 및 반사성분이 포함되었다. 그림자의 영향을 받는 A(Fig. 6a)는 직달성분만 고려한 결과와 비교하여 유사한 방위각(196°)과 낮은 경사각(37°)을 보였다. A 지점은 직달광 차폐로 인해 B 지점 대비 약 12% 의 일사량이 감소가 발생하지만, 최적각도를 따라 PV 패널을 설치하면 감소폭을 절반(6%)으로 줄일 수 있다.

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Fig. 6.

The distribution of incident total irradiance on the tilted surface for type A and B

분석결과의 특이점은 그림자의 영향을 받지 않는 B 사례에서 발생한다. B의 경우 방위각과 고도각은 172°, 39°에서 가장 높은 일사량 값(1586.8 kWh/year)이 나타나며, 직달성분만을 고려한 경우(Fig. 5b)와 비교하여 동쪽으로 8° 만큼 틀린 최적방향각이 제시된다. 즉, 주변 건물의 그림자 영향을 받지 않는다면, 대전지역에서의 실제최적 방위각은 172°가 될 수 있고, 이는 대전의 일사량 특성이 반영된 결과라 할 수 있다.

Fig. 6에 나타난 최적방위각을 설명하기 위해 대전 TMY 자료에 나타나는 일사량을 Fig. 7에 나타내었다. Fig. 7은 연구에 사용된 직달과 산란성분의 태양 방위각별 평균값을 나타낸다. 검은 파선으로 표기된 DNI 분포는 180°에서 가장 높은 값이 나타난다. 반면, DHI(검은 실선)는 172°에서 가장 높은 일사량 분포를 보인다. TMY 자료에 나타난 대전지역의 일사는 태양 방위각 172°에서 산란광이 가장 크게 나타나는 특징이 있으며, PV 패널 최적방향각은 이에 반응한 결과로 해석된다.

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Fig. 7.

The average irradiance of TMY for DNI and DHI

3.2 도심지역 PV 최적각도 산정

본 연구에서는 3.1절에서 보인 PV 패널 최적각도 계산을 도심지역 건물로 확장하였다. 총 89,132 동의 건물 옥상을 대상으로 패널의 최적각도를 계산하였고, 그 결과를 Fig. 8에 요약하였다. Fig. 8은 일사의 차폐시간(shaded hour)에 따라 변하는 경사면 일사량 증가치(정남향 대비;%)와 최적 경사각을 구간 평균하여 나타낸 그래프이다. 평균구간은 100 h 간격으로 구분되었다.

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Fig. 8.

Average increased percentage and optimal PV elevation angle for the distinguished shaded hour (interval: 100 h)

결과에 따르면, 패널의 최적각도는 일반적으로 설치되는 패널의 각도(정남향, 경사 30°)보다 평균적으로 약 2% 정도 증가한 일사량(Fig. 8 왼쪽 Y 축)이 계산되었다. 차폐시간이 길어질수록 높은 증가율을 보이는 경향이 나타나며, 최대 15% 의 높은 증가율이 계산되었다. 즉, 패널의 최적각도 설치 효과는 일사차폐가 발생할수록 더 명확하게 나타날 수 있음을 의미한다.

일사의 차폐시간은 최적고도각과 뚜렷한 상관성을 보인다. Fig. 8의 검정색 원은 차폐시간에 따른 최적고도각 변화 경향을 나타낸다. 최적고도각은 일사의 차폐가 전혀 발생하지 않는 지역에서 40°로 계산되며, 차폐시간이 길어질수록 각도가 낮아지는 경향을 보인다. 2900 ~ 3000 시간의 일사차폐가 발생하는 경우 최적고도각은 평균 16.8°로 낮아진다. 차폐시간이 길수록 최적고도각이 낮아지는 결과는 경사면 일사량의 산란광 의존도가 높아지는 것으로 해석된다.

최적방향각은 주변 건물의 위치에 영향을 받기 때문에 일사 차폐시간과의 상관성이 거의 없지만, 최적고도각은 차폐시간과 높은 상관성(R2=0.95)을 가지고 있으며, 그 관계성은 Fig. 8 에 나타낸 선형 1차 함수 (y=-0.008x + 41.016)로 표현할 수 있다. 즉, 일사의 차폐시간(독립변수 x)을 사용하여 365일에 대한 계산 없이 최적고도각(종속변수 y)을 추정할 수 있다.

4. 결 론

건물 옥상에 설치되는 PV 패널은 도심지역의 신재생에너지보급에 중요한 역할을 하고 있다. 좁은 입지를 가진 도심지역에서 태양에너지 자원을 보다 효율적으로 사용하기 위해선, 자원의 활용성을 극대화하는 방안이 효과적이다. 본 연구에서는 태양자원의 활용성을 높이기 위해 건물음영을 고려한 PV 패널 최적각도 계산 알고리즘을 제안하였고, 다수의 대전 도심건물을 대상으로 계산한 PV 최적각도의 효과를 분석하였다. 분석결과는 아래와 같이 요약할 수 있다.

(1) 연구에서 제안된 알고리즘은 건물의 직달광 차폐를 고려하여 가장 높은 일사량을 얻을 수 있는 PV 패널 각도 계산법을 제시하고 있으며, 이를 통해 일사의 차폐가 발생하는 지역에서도 태양광 발전량을 일정부분 보상할 수 있을 것으로 사료된다.
(2) 대전 도심지역의 PV 패널 최적 방향각과 고도각은 일사의 차폐가 없는 지역에서 각각 172°, 39°로 나타난다. 이는 대전 TMY 일사량이 가진 특징에 기인한 것으로 해당 각도에서 산란광의 값이 가장 크기 때문이다. 차폐발생 지역은 차폐시간과 고도각의 상관성이 크게 나타나며(R2=0.95), 차폐지역일수록 낮은 고도각이 최적으로 계산된다.
(3) 본 연구의 알고리즘을 적용한 89,132 동의 건물들 중 80% 이상의 지점들이 일사의 차폐에도 불구하고 연간 총 1400 kWh/year 이상의 누적 경사면 일사량을 얻을 수 있는 것으로 분석된다. 또한, 89,132 동의 최적각도에서 계산된 평균 경사면 일사량은 1,528 kWh/year으로 TMY의 연간일사량(1,408 kWh/ year)보다 약 9% 높다. 이는 제안된 알고리즘을 통해 도심지역 PV 패널의 효율성이 증가될 수 있음을 의미한다.

Acknowledgements

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(No. 20194210200010).

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