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문제 정의
- 최근 태양광 발전의 효율성을 높이기 위하여 추적식 태양 전지판의 설치가 이루어지고 있으나 고가이기 때문에 소규모 발전단지 또는 자가 발전 시설에서는 사용에 어려움이 있다. 따라서 이 연구는 고정식 태양전지판의 설치시 최적 경사각으로 태양전지판을 설치하여 태양광 발전의 효율을 극대화시킬 수 있을 것으로 사료된다.
가설 설정
- 2.1절의 천정각을 적용한 태양복사 모델을 이용하여 참조 상태를 가정하여 일사량을 계산하였다. 참조 상태는 강릉(37.
- Fig. 4에서 계산된 경사각을 고정식 태양전 지판으로 가정하고 수평면 및 추적식 태양전지판을 고려하여 1년 동안 태양에너지의 변화를 계산하였다. Fig.
- 계산 방법은 3.1절에서 계산된 결과를 토대로 남북경사는 위도를 기준으로 -20°부터 +20°의 경사를 가정하고 동서방위는 -25°부터 +25°의 경사를 가정하여 맑은 날과 흐린 날을 고려하여 각각 계산하였다.
제안 방법
- 1)2) 1km ×1km 해상도의 위성자료를 이용하여 구름의 특성을 산출하였고 지형의 효과를 고려하여 지형에 의한 차폐를 적용하였다.
- 22개 일사관측소의 최적 태양전지판 경사각 설정은 2.2절의 자료를 태양복사 모델에 입력 하여 수행하였다 .일차적인 경사각 설정은 지점의 위도를 중심으로 남북경사를 -20°부터 +20°까지 1°간격, 동서방위각을 -25°부터 +25° 까지 1°간격으로 하였고 각각 태양복사모델을 수행하여 맑았을 때와 구름이 있을 때에 대하여 연누적 일사량을 계산하였다.
- GWNU 모델의 일사량 계산과 일년주기의 태양에너지 특성을 확인하기 위하여 참조 상태를 고려하여 모델을 수행하였다. 강릉(37.
- TMY 기상자료를 이용하여 22개 일사관측소에 대하여 최적 태양전지판 설치각을 계산 하였다. 연누적 일사량의 계산결과와 관측자료의 분포는 안동에서는 크게 계산되었고 목포와 흑산도에서는 작게 계산되었으나 전체적인 분포는 관측과 유사하였다.
- 각 지점의 태양전지판의 최적 경사(Optimal) 태양전지판과 수평면(Horizon) 태양전지판 그리고 추적식(Tracker) 태양전지판을 고려하였을 때 계산되는 일사량을 비교하였다. Fig.
- 각 지점의 태양전지판의 최적 경사(Optimal) 태양전지판과 수평면(Horizon) 태양전지판 그리고 추적식(Tracker) 태양전지판을 고려하였을 때 계산되는 일사량을 비교하였다. Fig.
- 이론적인 계산은 대기의 상태와 구름이 항상 일정하기 때문에 실제에 적용하는 것은 바람직하지 않다. 그래서 2.2절의 TMY 기상자료를 이용하여 대표적인 22개 일사관측소에 대하여 최적 태양전지판 설치각을 계산하였다. 맑은 날일 때 지표면에 도달되는 일사량은 대기 중의 오존, 에어로솔, 공기분자 및 수증기의 양에 따라서 변화한다.
- 남북 경사(β)를 0°에서 90°까지 2° 간격, 동서방위(γ)를 -10°에서 +10°까지 1°간격으로 조절하였고 분 간격으로 태양복사모델을 수행하여 연누적 일사량을 비교하여 최적 경사각을 계산하였다.
- 천정각과 관련된 계산위치의 남북경사각은 0°부터 90°까지 2° 간격으로 계산하였고 동서방위각은 -40°부터 +40°까지 1도 간격으로 계산하여 최대 일사량을 비교하였다. 또한 민감도 조사는 맑을 때와 흐릴 때 그리고 수평면, 최적 경사각 그리고 태양 추적의 태양전지를 고려하여 비교하였다.
- 1과 동일하게 계산하였다. 먼저 모델 계산의 정확성을 알아보기 위하여 22개 일사관측소의 입력자료를 하여 수평면의 일사량을 계산하여 관측 값과 비교 검증하였다.
- 동일한 조건을 고려하여 수평면에 도달되는 태양에너지를 경사면에 도달 할 수 있도록 식 (3)을 적용하였다. 먼저 하루 동안 수평면 및 경사면이 받는 일사량을 실험하였다. 춘분(3월21일)일을 선정하여 계산된 결과를 Fig.
- 5 cm-atm 그리고 구름 30%를 고려하였다. 모델의 수행은 분 간격으로 1년 동안 수평면에 도달되는 일사량을 계산하였다. Fig.
- 계산된 연누적 일사량이 최대인 경사각을 최적 경사각으로 선정하였다. 선정된 최적 경사각을 이용하여 수평면, 경사면 그리고 태양추적식의 태양전지 판을 고려하여 일사량을 비교분석한다.
- 유사한 수평면의 계산을 기초로 하여 각 관측소의 위치에서 최적 태양전지판의 경사각을 계산하였다. 계산 방법은 3.
- 그러나 구름이 있는 경우는 대부분 구름에 의하여 크게 좌우 된다.이 연구에서 22개 지점의 구름은 일조량 값을 이용하였으며 지상관측 일사량과 계산 일사량을 비교하여 보정하였다. 입력 자료를 제외한 태양복사모델의 수행은 3.
- 이 연구에서는 복사모델을 이용하여 경사면의 복사학적 특성을 분석하고 실제 기상 자료를 입력하여 태양전지판의 최적 설치각을 계산하고 태양전지판의 설치에 따른 잠재태양에너지를 분석하였다. 최근 태양광 발전의 효율성을 높이기 위하여 추적식 태양 전지판의 설치가 이루어지고 있으나 고가이기 때문에 소규모 발전단지 또는 자가 발전 시설에서는 사용에 어려움이 있다.
- 천정각과 관련된 계산위치의 남북경사각은 0°부터 90°까지 2° 간격으로 계산하였고 동서방위각은 -40°부터 +40°까지 1도 간격으로 계산하여 최대 일사량을 비교하였다.
- 태양복사 모델은 컴퓨터 자원을 이용하여 비교적 빠르고 정확하게 태양에너지의 계산을 수행할 수 있다. 태양복사모델의 민감도 및 태양에너지의 특성을 살펴보기 위하여 참조 상태에서 경사각에 따른 이론적인 일사량을 계산하였으며 최대 일사량들을 비교하여 맑을 때와 흐릴 때 그리고 수평면, 최적 경사각 그리고 태양 추적에 따른 일사량의 변화를 살펴보았다.
대상 데이터
- GWNU 태양복사모델의 수행을 위하여 시간별 입력자료를 이용하였으며 기후영향을 반영한 연속적인 자료를 사용하기 위하여 지준범 등 (2012)의 태양 에너지 연구를 위한 TMY의 자료를 이용하였으며 TMY는 Table 1과 같다.8)
- 강릉(37.75°N, 128.9°E)을 참조 위치로 설정하고 강릉지역의 기후특성을 고려하여 전오존350DU,에어 로솔 광학두께 0.05,가강수량 2.5cm-atm 그리고 구름 30%를 고려하였다.
- 태양복사모델 수행을 위한 입력자료는 고도, 지표면 알베도, 전오존량, 에어로솔량, 가강수량,현지기압, 해면기압과 구름양의 입력자료가 필요하다. 이 연구에서는 이규태 등(2011)의 태양광자원지도 작성을 위해 사용된 2000년부터 2010년의 4km 해상도 자료 중 22개 일사관측 지점과 가장 가까운 격자점의 자료와 일사관측소의 자료를 선택적으로 사용하였다. 각각의 입력자료들은 위성(AQUA, TERA, AURA, SRTM)자료와 기상청의 일사관측소의 관측자료이며 사용된 GWNU 모델의 입력자료 및 원자료의 해상도는 Table 2와 같이 정리된다.
- 참조 상태는 강릉(37.75°N,128.9°E)일사관 측소 위치를 고려하였고 전오존량 350DU,에어로솔 광학두께 0.05, 가강수량 2.5cm-atm 그리고 구름 30%를 입력자료로 하였다.
데이터처리
- 22개 관측소의 월누적 일사량을 이용하여 통계검증을 수행하였으며 Fig.7에 나타내었다. 검증결과를 보면 모델 계산이 관측과 비교하여 약간 크게 계산되는 것을 볼 수 있고 상관성은 0.
이론/모형
- 그러나 복사모델을 이용한 계산은 적은 시간의 투자로 다양한 실험이 가능하다. 따라서 이 연구에서는 태양에너지 계산을 목적으로 개발된 GWNU 단층 태양복사모델(지준범 등,2011,조일성 등,2010)을 이용하여 수평면 및 다양한 경사각을 고려하여 실험을 하였다. GWNU 태양복사모델은 수평면에 도달되는 태양에너지 계산을 목적으로 하며 대기를 단일층으로 고려하여 계산된다.
성능/효과
- 7에 나타내었다. 검증결과를 보면 모델 계산이 관측과 비교하여 약간 크게 계산되는 것을 볼 수 있고 상관성은 0.95였고 평방근 오차는 10.81MJ로 높은 정확성을 보였다.
- 3(a)과 같이 수평면에서 받는 일사량과 비교하여 남북경사각이 20°에서 30°사이일 때 최고값이 나타나고 50° 이상의 남북경사일 때는 수평면보다 적은 일사량을 받게 된다. 경사각을 고려한 고정식 태양전지판의 계산결과에서 동서방위에 따른 차이는 남북경사의 결과와 비교하여 차이가 크게 나타나지 않았다.
- 또한 0°를 중심으로 동서방 위각이 증가함에 따라 최대값이 감소되었고 방위각 ±40°에서는 해가 뜨고 질 때 일사량이 없다가 태양의 고도가 일정한 고도이상으로 상승한 후에 일사량이 나타났다.
- TMY 기상자료를 이용하여 22개 일사관측소에 대하여 최적 태양전지판 설치각을 계산 하였다. 연누적 일사량의 계산결과와 관측자료의 분포는 안동에서는 크게 계산되었고 목포와 흑산도에서는 작게 계산되었으나 전체적인 분포는 관측과 유사하였다. 월누적 일사 량을 이용하여 통계 검증한 결과는 모델 계산이 관측과 비교하여 약간 과대 계산되었고 상관성은 0.
- 연누적 일사량의 계산결과와 관측자료의 분포는 안동에서는 크게 계산되었고 목포와 흑산도에서는 작게 계산되었으나 전체적인 분포는 관측과 유사하였다. 월누적 일사 량을 이용하여 통계 검증한 결과는 모델 계산이 관측과 비교하여 약간 과대 계산되었고 상관성은 0.95였고 평방근 오차는 10.81 MJ로 높은 정확성을 보였다.
- 대부분의 지역에서 맑은 상태와 비교하여 남북경사는 더 크게 나타나 제주와 고산을 제외하고는 관측소의 위도와 2° 이내로 나타났고 서울은 위도보다 더 큰 경사각으로 계산되었다. 제주와 고산지점은 상대적으로 여름철 구름에 의하여 많은 일사량이 차폐되기 때문에 경사각이 작을 때 많은 일사량을 받기 위하여 경사각이 낮게 계산된 것으로 분석되며 서울의 경우는 상대적으로 여름철 높은 일사량으로 겨울철의 일사량을 보상하기 위하여 경사각을 크게 하여야 많은 일사량이 도달되는 것으로 분석된다.
- 9에 나타내었다. 최적 경사를 고려한 태양전지판의 경우 평균 20% 이상 효율이 나타났으며 태양 추적식 태양전지판의 경우 60% 이상의 효율이 나타났다.
- 각 지점의 태양전지 판의 최적 경사(Optimal) 태양전지판과 수평면(Horizon) 태양전지판 그리고 추적식 (Tracker) 태양전지판을 고려하였을 때 계산되는 일사량을 비교하였다. 최적 태양전지판일 경우 부산지역에서 6500 MJ이상이 도달하였고 누적 일사량 계산 결과를 수평면 계산 결과와 비교한 결과, 에너지 효율은 최적 경사를 고려한 태양전지판의 경우 평균 20% 이상 효율이 나타났다.
- 고정식의 경우 계절에 따라 월별 최적 경사를 설정하여 경사각을 조절할 경우 효율적인 태양에너지를 받을 수 있고 발전량의 증가를 가져올 수 있다. 추적식의 경우는 다른 방법과 비교하여 월등히 높은 에너지를 받을 수 있으나 태양전지판이 태양을 추적하게 하는 동력 및 설비를 고려해야 하는 문제가 있으며 계속적인 유지보수가 필요하여 현재의 태양 전지판의 효율을 고려할 때 타당성이 떨어질 것으로 분석된다.
- 6은 연누적 일사량의 계산결과와 관측 자료의 분포이다. 태양복사모델에 의하여 계산된 결과에서 안동에서는 크게 계산되었고 목포와 흑산도에서는 작게 계산되었으나 전체적인 분포는 관측과 유사하였다.
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