태양광발전소 두 곳을 샘플링하여 출력저하의 요인 중 우리나라 실정에 맞지 않는 입사각에 따른 태양전지 어레이 간의 음영에 의한 출력저하를 비교 분석하여 설비용량, 설비사양, 부지면적의 변화 없이 태양전지 어레이의 재배치를 통해 최대 출력을 낼 수 있는 태양전지 어레이의 최적 간격을 산정한다. 태양전지 어레이 1열 재배치 시에는 약 1.2[%], 2열 재배치 시에는 약 2.8[%], 3열 재배치 시에는 약 5.0[%]의 출력이 향상되었다. 또한 1열 재배치 시에는 태양전지 어레이 당 0.39[m], 2열 재배치 시에는 태양전지 어레이 당 0.82[m], 3열 재배치 시에는 태양전지 어레이 당 1.29[m]의 간격 이득을 얻었다. 태양전지 어레이 간격에 이득이 생기면서 음영의 영향을 받게 되는 시간이 점점 늦춰지게 되고 결국 출력의 향상이 나타나는 결과를 보였다.
태양광발전소 두 곳을 샘플링하여 출력저하의 요인 중 우리나라 실정에 맞지 않는 입사각에 따른 태양전지 어레이 간의 음영에 의한 출력저하를 비교 분석하여 설비용량, 설비사양, 부지면적의 변화 없이 태양전지 어레이의 재배치를 통해 최대 출력을 낼 수 있는 태양전지 어레이의 최적 간격을 산정한다. 태양전지 어레이 1열 재배치 시에는 약 1.2[%], 2열 재배치 시에는 약 2.8[%], 3열 재배치 시에는 약 5.0[%]의 출력이 향상되었다. 또한 1열 재배치 시에는 태양전지 어레이 당 0.39[m], 2열 재배치 시에는 태양전지 어레이 당 0.82[m], 3열 재배치 시에는 태양전지 어레이 당 1.29[m]의 간격 이득을 얻었다. 태양전지 어레이 간격에 이득이 생기면서 음영의 영향을 받게 되는 시간이 점점 늦춰지게 되고 결국 출력의 향상이 나타나는 결과를 보였다.
Photovoltaic array distance will be calculated that can have maximum output through the rearrangement of photovoltaic array by comparing and analyzing the power output decrease from the shadows of photovoltaic arrays according to the consideration of incidence angle that is not suitable to the situa...
Photovoltaic array distance will be calculated that can have maximum output through the rearrangement of photovoltaic array by comparing and analyzing the power output decrease from the shadows of photovoltaic arrays according to the consideration of incidence angle that is not suitable to the situation of our country among the causes of power output decrease by sampling photovoltaic power generation plants. When relocate simulation result photovoltaic array 1 line, when relocate about 2.8[%], photovoltaic array 3 lines when relocate about 1.2[%], photovoltaic array 2 lines, output of about 5.0[%] improved. Also, gained space gains of photovoltaic array party 1.29[m] when relocate photovoltaic array party 0.82[m], 3 lines when relocate photovoltaic array party 0.39[m], 2 lines when relocate 1 line. As gains occur on photovoltaic array clearance, time that receive effect of shade was slowed down gradually and showed result that elevation of output shows finally.
Photovoltaic array distance will be calculated that can have maximum output through the rearrangement of photovoltaic array by comparing and analyzing the power output decrease from the shadows of photovoltaic arrays according to the consideration of incidence angle that is not suitable to the situation of our country among the causes of power output decrease by sampling photovoltaic power generation plants. When relocate simulation result photovoltaic array 1 line, when relocate about 2.8[%], photovoltaic array 3 lines when relocate about 1.2[%], photovoltaic array 2 lines, output of about 5.0[%] improved. Also, gained space gains of photovoltaic array party 1.29[m] when relocate photovoltaic array party 0.82[m], 3 lines when relocate photovoltaic array party 0.39[m], 2 lines when relocate 1 line. As gains occur on photovoltaic array clearance, time that receive effect of shade was slowed down gradually and showed result that elevation of output shows finally.
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문제 정의
본 논문에서는 태양광 발전소에서 나타나는 출력 저하 문제를 지리적으로 비슷한 태양광발전소 두 곳을 실측･분석하여 출력저하의 원인을 분석하였다. 태양의 입사각이 작아지면 자연히 이로 인한 음영의 길이도 길어진다.
본 논문에서는 태양광발전소 두 곳을 샘플링하여 출력저하의 요인 중 우리나라 실정에 맞지 않는 입사각에 따른 태양전지 어레이 간의 음영에 의한 출력저하를 비교･분석하여 설비용량, 설비사양, 부지 면적의 변화 없이 태양전지 어레이의 재배치를 통해 최대 출력을 낼 수 있는 태양전지 어레이의 최적 간격을 산정한다.
에너지에서, 특히 발전사업자에게 출력은 가장 민감한 항목 중 하나이다. 본 논문에서는 특정 발전소의 경우를 실측･분석하여 출력저하를 줄이고 출력을 높이는 연구를 하였다.
가설 설정
아래의 그림 6과 같이 (B)발전소는 (A)발전소 대비 7월~9월 사이 발전전력량은 4배 이상, 1일 평균 발전시간은 125[%] 이상을 유지하다 10월 들어서 그 격차가 현저히 줄어들고 있다. (A)발전소의 발전량은 큰 차이 없이 유지되나 (B)발전소의 발전량이 상대적으로 줄고 있는 것이다.
그러나 (B)발전소의 면적은 48,000[㎡]로 약 11,400[㎡]이나 작다. (B)발전소의 경우 이론적으로 1,450[kW]급 발전소의 부지면적인 셈이다. 이 때문에 모듈 간의 음영에 의한 출력저하가 나타났고 태양의 고도가 낮아질수록 음영의 길이가 길어져 동절기에는 이른 시간부터 음영의 영향을 받게 되어 출력이 저하되는 현상이 나타난다.
제안 방법
(A)발전소와 (B)발전소를 비교했을 때 운량은 거의 차이가 없었으며, 강수량과 일조시간이 약간의 차이를 보였으나 이정도 수치의 환경적 요인으로는 태양광발전시스템에서 10[%]에 이르는 출력저하의 요인이 되지 않는다고 판단, 태양광발전 시스템 출력저하의 가장 큰 요인인 입사각에 의한 음영문제로 원인을 국한시켜 분석하였다. 이를 비교하기 위해 (B)발전소를 기준으로 (A)발전소의 발전량을 환산하여 조건을 일치시켰다.
(B)발전소 기존 발전량을 바탕으로 태양전지 어레이 재배치만을 통하여 출력이 최대로 되는 어레이의 최적 배치를 찾아내고자 한 것이므로 현재 사용되고 있는 설비용량과 설비사양, 부지의 면적 및 형태, 기후조건 등에는 변화를 주지 않았고 태양전지 어레이의 간격을 변화시켜가며 현재 태양광발전 설계회사에서 사용하고 있는 Excel과 AUTO CAD를 기반으로 한 프로그램으로 시뮬레이션하였다. 이 경우 1~3열의 태양전지 어레이를 재배치할 수 있었다.
(B)발전소의 태양전지 어레이 간격을 변경해 가며 출력을 시뮬레이션하였다. (B)발전소 뒤쪽에 배치된 1~3열의 태양전지 어레이를 발전소 측면의 자투리 공간으로 재배치하여 태양전지 어레이 열의 수를 줄여줌으로써 태양전지 어레이의 간격을 조금씩 넓혀보았다. 태양전지 어레이를 재배치하여 얻을 수 있는 이득은 아래의 표 10과 같다.
(B)발전소의 태양전지 어레이 간격을 변경해 가며 출력을 시뮬레이션하였다. (B)발전소 뒤쪽에 배치된 1~3열의 태양전지 어레이를 발전소 측면의 자투리 공간으로 재배치하여 태양전지 어레이 열의 수를 줄여줌으로써 태양전지 어레이의 간격을 조금씩 넓혀보았다.
본 논문에서는 10월에 급격하게 나타나는 출력의 저하를 분석하기 위하여 (A)발전소와 (B)발전소의 출력을 용량만 같은 조건으로 환산하였고, 모듈의 설치형태에서 나타나는 차이는 같은 조건으로 환산 하지 않고 그대로 두었다. 결국 용량 환산 후 (A)발전소와 (B)발전소에서 나타나는 평균 발전시간의 차는 표 5에 나타낸 것과 같이 설치방식에서 나타나는 차이임을 알 수 있다.
그렇기 때문에 출력저하를 최소화하면서 설치용량을 최대화할 수 있는 태양전지 어레이의 최적 간격산정이 필요하다. 이 장에서는 출력의 비교 및 분석에 사용되었던 (B)발전소의 샘플링을 통해 설비용량, 설비사양, 부지면적의 변화 없이 기존 태양전지 어레이의 재배치를 통하여 음영에 의한 출력저하를 최소화하고 출력을 최대화할 수 있는 태양전지 어레이의 최적 간격을 산정하고, 이를 적용 시 (B)발전소의 출력 값을산정하여 기존의 발전량과 비교하였다.
대상 데이터
출력 비교에 사용될 출력 데이터는 전라남도 소재의 (A)태양광 발전소와 (B)태양광 발전소 2곳이다. 2곳 발전소는 용량과 모듈방식에는 차이가 있으나 소재지의 위도나 날씨가 거의 유사한 장소이기 때문에 비교의 대상으로 선정하였다.
출력 비교에 사용될 출력 데이터는 전라남도 소재의 (A)태양광 발전소와 (B)태양광 발전소 2곳이다. 2곳 발전소는 용량과 모듈방식에는 차이가 있으나 소재지의 위도나 날씨가 거의 유사한 장소이기 때문에 비교의 대상으로 선정하였다.
성능/효과
(B)발전소가 (A)발전소에 비하여 평균 발전시간에서 높은 출력이 나오는 것은 모듈의 설치형태에 따른 요인으로 볼 수 있다. (A)발전소 경우 경사 가변형 방식으로 어레이 구조물을 수동으로 변화하여 계절의 변화에 따른 태양광 입사각을 추적할 수 있는 방식이며 아침, 저녁으로 변하는 태양광은 추적하지 못하는 방식이고, (B)발전소의 경우 1축 추적형 방식으로 태양광을 추적하는 장치 중 아침, 저녁으로 변하는 태양광을 추적하는 장치이며 여름, 겨울과 같이 태양광의 입사각이 변하는 경우 이를 추적하지는 못하는 방식이다[3,6,9,10].
(B)발전소의 경우 1축 추적형 방식을 적용함으로써 여름철에는 태양의 고도가 수직에 가까워 발전량이 상대적으로 많이 나오지만 10월 이후에는 태양광의 입사각이 변하여 발전량이 상대적으로 떨어지는 것으로 판단된다. 더욱이 1축 추적형 방식의 경우 경사 가변형 방식보다 모듈 간 이격거리가 상대적으로 많이 필요한데 반해 계산 값에도 미치지 못하는 이격거리를 둠으로써 이로 인해 태양전지 어레이 상호 간의 음영을 초래하여 출력이 저하되는 현상이 나타났다.
(B)발전소의 경우 설비용량에 비해 대지 면적이 현저히 부족하다. 앞의 표 5에 나타낸 것과 같이 1축 추적형 방식의 태양광 발전소의 경우 대지의 면적은 100[kW]당 3,300[㎡]가 필요하다.
결과적으로 태양전지 어레이 1열 재배치 시에는약 1.2[%], 2열 재배치 시에는 약 2.8[%], 3열 재배치 시에는 약 5.0[%]의 출력이 향상되었다. 또한 1열 재배치 시에는 태양전지 어레이 당 0.
시간대별 발전량 비교표에서도 비슷한 비율로 출력이 향상되었으며, 기타 시간대에 비해 태양의 입사각이 작아 음영의 길이가 길어지는 오전 10시 이전 및 오후 16시 이후의 시간대의 증가량이 큰 차이는 없으나 기타 시간대에 비하여 상대적으로 크게 나타났다. 결국 (B)발전소의 경우 설비용량, 설비사양, 부지의 면적 및 형태의 변화 없이 1,800[kW] 용량의 태양전지 어레이 설치 시에는 태양전지 어레이 22배열에 앞과 뒤의 태양전지 어레이의 간격이 10.29[m]가 될 때 최대 출력이 나타남을 알 수 있었다.
(B)발전소의 경우 1축 추적형 방식을 적용함으로써 여름철에는 태양의 고도가 수직에 가까워 발전량이 상대적으로 많이 나오지만 10월 이후에는 태양광의 입사각이 변하여 발전량이 상대적으로 떨어지는 것으로 판단된다. 더욱이 1축 추적형 방식의 경우 경사 가변형 방식보다 모듈 간 이격거리가 상대적으로 많이 필요한데 반해 계산 값에도 미치지 못하는 이격거리를 둠으로써 이로 인해 태양전지 어레이 상호 간의 음영을 초래하여 출력이 저하되는 현상이 나타났다.
본 논문에서 샘플링한 태양광발전소의 경우 설치용량의 확대를 위해 음영에 대한 고려 부족으로 인한 출력저하 현상을 보임을 알 수 있었다. 또한 이를 바탕으로 태양전지 어레이의 재배치를 통하여 태양전지 어레이 간의 간격을 조정해 가며 시뮬레이션하여 그 결과를 바탕으로 발전소의 출력을 향상시킬 수 있는 태양전지 어레이의 최적 배치 및 간격을 산정할 수 있었다.
태양의 입사각이 작아지면 자연히 이로 인한 음영의 길이도 길어진다. 본 논문에서 샘플링한 태양광발전소의 경우 설치용량의 확대를 위해 음영에 대한 고려 부족으로 인한 출력저하 현상을 보임을 알 수 있었다. 또한 이를 바탕으로 태양전지 어레이의 재배치를 통하여 태양전지 어레이 간의 간격을 조정해 가며 시뮬레이션하여 그 결과를 바탕으로 발전소의 출력을 향상시킬 수 있는 태양전지 어레이의 최적 배치 및 간격을 산정할 수 있었다.
태양전지 어레이 간격에 변화를 줌으로써 1일 평균 발전시간에서 이득을 얻게 되고 발전시간의 이득은 출력의 향상으로 나타났다. 시간대별 발전량 비교표에서도 비슷한 비율로 출력이 향상되었으며, 기타 시간대에 비해 태양의 입사각이 작아 음영의 길이가 길어지는 오전 10시 이전 및 오후 16시 이후의 시간대의 증가량이 큰 차이는 없으나 기타 시간대에 비하여 상대적으로 크게 나타났다. 결국 (B)발전소의 경우 설비용량, 설비사양, 부지의 면적 및 형태의 변화 없이 1,800[kW] 용량의 태양전지 어레이 설치 시에는 태양전지 어레이 22배열에 앞과 뒤의 태양전지 어레이의 간격이 10.
시뮬레이션 결과 태양전지 어레이 1열 재배치 시에는 약 1.2[%], 태양전지 어레이 2열 재배치 시에는약 2.8[%], 태양전지 어레이 3열 재배치 시에는 약 5.0[%]의 출력이 향상되었다. 또한 1열 재배치 시에는 태양전지 어레이 당 0.
태양전지 어레이 간격에 이득이 생기면서 음영의 영향을 받게 되는 시간이 점점 늦춰지게 되고 결국 출력의 향상이 나타나는 결과를 보였다. 태양전지 어레이 간격에 변화를 줌으로써 1일 평균 발전시간에서 이득을 얻게 되고 발전시간의 이득은 출력의 향상으로 나타났다. 시간대별 발전량 비교표에서도 비슷한 비율로 출력이 향상되었으며, 기타 시간대에 비해 태양의 입사각이 작아 음영의 길이가 길어지는 오전 10시 이전 및 오후 16시 이후의 시간대의 증가량이 큰 차이는 없으나 기타 시간대에 비하여 상대적으로 크게 나타났다.
표 2를 보면 7월, 8월, 9월은 (B)발전소가 (A)발전소에 비해 월 발전량이 평균 4.2배, 1일 평균 발전시간은 1.24배 높은 것으로 나타났다. 그러나 10월의 발전량을 살펴보면 발전량이 3.
후속연구
앞으로도 특정 발전소가 아닌 모든 태양광 발전소에 공통적으로 적용할 수 있는 연구가 계속되어 불필요한 출력저하를 최소화하고, 좀 더 효율적 시스템으로 성장한다면 녹색성장이 사회적 이슈로 떠오르고 있는 요즈음 태양광발전 시스템은 보다 높은관심을 받으며 성장해 나갈 수 있을 것이라 생각한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
태양에너지를 이용한 태양광발전 시스템의 장점은?
태양에너지를 이용한 태양광발전 시스템은 바이오매스, 지열, 풍력, 파력, 조력, 해류 등 다른 신재생 에너지에 비해 에너지원이 무궁무진한 에너지원이다. 또한 우리나라의 실정에 가장 적합한 신재생에너지로 정부주도하에 2011년까지 태양광주택 10만호 보급사업 등 고유가시대의 화석에너지 대체, 온실가스 절감효과, 관련 산업의 성장에 따른 이윤창출 측면에서 에너지 수급안정, 환경보존, 경제성장의 순환 고리를 이어주는 핵심 역할을 하고 있다. 이러한 장점을 바탕으로 태양광발전은 지난 몇 년간 비약적인 발전을 이루었다[1-3, 6-8].
태양광발전 시스템 설계에서 적절한 태양전지 어레이 간격의 산정은 무엇을 위해 필요한가?
태양광발전 시스템 설계에서의 적절한 태양전지 어레이 간격의 산정은 출력저하를 방지하기 위해 꼭필요한 부분이다. 태양전지 어레이의 간격을 크게하면 크게 할수록 음영에 의한 출력저하는 줄어든다.
1축 추적형 방식이란?
(B)발전소는 1축 추적형 방식을 적용하고 있다. 이는 하절기에 적합하도록 각도가 고정되어 있고 아침, 저녁으로 변하는 태양광을 추적하는 방식이다. (B)발전소는 정오에 모듈이 수평으로 되기 때문에 출력이 (A)발전소에 비해 상대적으로 좋다.
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