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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 실측발전량 데이터를 기반으로 타당성이 검증된 시뮬레이션을 활용하여, 각 지역별 설치각도에 대한 발전성능을 규명하기 위한 기초자료를 국내 주요도시를 대상으로 각 경사각, 방위각에 따라 도출하는데 목적이 있다.
가설 설정
- 이 같은 온도 변화는 4∼7%의 연간 발전효율 변화를 나타낼 수 있으며[7], 본 논문에서는 PV모듈 후면조건을 동일하게 가정하고 분석하였다. 더불어 본 시뮬레이션은 각 지역의 기상조건에 따른 일사량, PV모듈의 종류, 법선면을 기준으로 유입되는 태양의 입사각조건에 따른 입사 수정계수, PV해석방법(One-Diode)[8], 그리고 최대출력 추종 제어(MPPT: macimum power point tracking device)를 갖는 계통 연계형 인버터가 장치되어 있다고 가정한다. 따라서 PV 어레이는 항상 전류·전압 특성(IV curve)이 최대 출력점에서 작동하는 상황을 가정하고[6], 실측데이터와 비교분석을 통해 인버터에 따른 변화 효율은 90%로 설정하였다.
- 따라서 PV 어레이는 항상 전류·전압 특성(IV curve)이 최대 출력점에서 작동하는 상황을 가정하고[6], 실측데이터와 비교분석을 통해 인버터에 따른 변화 효율은 90%로 설정하였다.
- 이 같은 온도 변화는 4∼7%의 연간 발전효율 변화를 나타낼 수 있으며[7], 본 논문에서는 PV모듈 후면조건을 동일하게 가정하고 분석하였다.
- 6%이다. 인버터에 대한 성능은 실측수집 자료를 기반으로 인버터 효율 90%로 가정하고 전체적인 분석을 진행하였다. 위와 같이 설정된 모듈성능을 시뮬레이션에 입력하여 단위 용량(kWp)당 발전성능과 설치조건에 따른 발전량 감소비율에 대한 영향을 도출하였다.
제안 방법
- 시뮬레이션에 적용된 기상데이터는 Table. 3과 같이 기상청에서 제공하는 최근 20년 평균 일사량데이터를 TRNSYS Generation 모델을 활용하여 각 지역에 대한 월별 및 연간 일사량을 예측하고, 각 지역별 발전성능 예측에 반영하였다. 시뮬레이션에 적용된 일사량은 각 지역에 따라 다소 차이는 있지만, 5월과 6월이 가장 높은 일사수열량을 보였고, 7월, 8월은 우기에 따른 영향으로 비교적 낮은 일사량을 나타냈다.
- 검증된 시뮬레이션을 활용하여 각 지역별 설치각도에 따라 PV모듈 발전량 예측과 설치조건에 따른 발전량 감소 비율을 도출하였다. 선정된 지역은 국내 주요도시 6곳(서울, 대전, 대구, 부산, 광주, 제주)이며, 경사각은 수평면 0°를 기준으로 15°씩 총 7개 조건, 그리고 방위각에 대한 조건은 남측 0°를 기준으로 동측으로 -30°씩, 서측으로 +30°씩 총 12개 조건을 선정하였다.
- 경사각은 0°수평면을 기준으로 15°간격으로 수직면 90°조건까지 총 7개 조건을 설정하고 분석을 수행하였다.
- 8%의 발전량 증가를 보였다. 대표적인 사례 연구를 통해 BIPV 보급에 효과적인 적용 방안을 검토하였다. 그러나 현재까지 각 지역별 방위각과 경사각에 대한 발전량 추이와 감소비율에 대한 효과적인 기준데이터는 미흡한 실정이며, 실측 대상 지역 및 광범위한 건물 유형에 따른 실측데이터 수집에 대한 한계가 있다.
- 설치조건에 따라 “단위 용량당(kWp) 월별 발전량”1) 을 비교분석 하였다.
- 앞서 언급한 바와 같은 PV발전량 예측 시뮬레이션을 활용하여 각 경사각별 방위각을 변경하여 방위각은 30°간격으로 총 12개 조건을 기준으로 분석을 진행하였으며, Fig. 7과 같다.
- 선정된 지역은 국내 주요도시 6곳(서울, 대전, 대구, 부산, 광주, 제주)이며, 경사각은 수평면 0°를 기준으로 15°씩 총 7개 조건, 그리고 방위각에 대한 조건은 남측 0°를 기준으로 동측으로 -30°씩, 서측으로 +30°씩 총 12개 조건을 선정하였다. 위와 같은 분석을 바탕으로 경사각과 방위각에 따른 지역별 발전량을 예측하고, 각 지역별 설치 조건에 따라 감소비율에 대한 발전량 모노그래프를 제시하였다.
- 인버터에 대한 성능은 실측수집 자료를 기반으로 인버터 효율 90%로 가정하고 전체적인 분석을 진행하였다. 위와 같이 설정된 모듈성능을 시뮬레이션에 입력하여 단위 용량(kWp)당 발전성능과 설치조건에 따른 발전량 감소비율에 대한 영향을 도출하였다.
- PV모듈 발전량 수집을 위한 인버터 성능은 최대 출력 추종제어(MPPT제어)이고, 제어 범위는 DC 220∼570V이다. 인버터의 출력 효율은 90% 이상의 성능을 갖으며, 일사량과 온도 데이터는 기상청에서 제공하는 2012년도 광주지역에 대한 조건[9] 반영하고, 위와 같은 사항을 바탕으로 시뮬레이션 입력 값을 설정하였다.
- 현재 국내에 광범위하게 설치된 BIPV건물을 보다 효과적으로 검토하고, 사후에도 정량적인 발전성능을 규명하기 위한 발전량 예측 기초자료를 국내 6대 광역시(서울, 대전, 대구, 부산, 광주, 제주)를 대상으로 각 경사각, 방위각별 연간 발전량을 도출하였으며, 주요결과는 다음과 같다.
- 현재 국내의 설치된 BIPV에 대한 현황 및 발전량에 대한 문제점을 검토하고, 다양한 변수에 따라 효과적으로 발전량을 예측하기 위해 TRNSYS 기반인 PVpro 태양광발전량 해석 툴을 선정하였다. 해석에 앞서 시뮬레이션의 타당성을 검증하기 위해 광주지역 공동주택 옥상에 설치된 태양광 모듈 실측 발전량을 활용하였으며, 발전량 수집기간은 2012년, 1년 동안 수집되었다.
대상 데이터
- PV 발전량을 해석하기 위한 프로그램은 미국 위스콘신 대학교(University of Wisconsin) SEL에서 개발한 TRNSYS를 기반으로 해석되는 PVpro를 선정하였다. TRNSYS는 태양광 시스템 발전량 해석과 더불어 일사량, 온도에 대한 영향을 반영하여 데이터를 산출할 수 있다.
- 공동주택에 설치된 PV모듈은 넓이 985mm, 높이 1638mm로 최대 전압 31.7V, 최대 전류 8.2A로 전격용량 260Wp에 성능을 갖는 결정계 모듈이다. PV모듈의 효율은 16.
- 2와 같다. 모듈의 크기는 넓이 999mm, 높이 1,505mm로서 모듈 한 장에 대한 전격 용량은 220W이고, 발전효율 성능은 15.6%이다. 인버터에 대한 성능은 실측수집 자료를 기반으로 인버터 효율 90%로 가정하고 전체적인 분석을 진행하였다.
- 선정된 지역은 국내 주요도시 6곳(서울, 대전, 대구, 부산, 광주, 제주)이며, 경사각은 수평면 0°를 기준으로 15°씩 총 7개 조건, 그리고 방위각에 대한 조건은 남측 0°를 기준으로 동측으로 -30°씩, 서측으로 +30°씩 총 12개 조건을 선정하였다.
- 시뮬레이션 타당성 검증을 위한 실측 발전량 수집 위치는 광주지역 위도: 35°, 경도: 126°이며, 총 22개 동의 공동주택 단지이다.
- 해석에 앞서 시뮬레이션의 타당성을 검증하기 위해 광주지역 공동주택 옥상에 설치된 태양광 모듈 실측 발전량을 활용하였으며, 발전량 수집기간은 2012년, 1년 동안 수집되었다. 시뮬레이션에 적용된 기상데이터는 기상청에서 제공하는 2012년 광주지역 기상데이터를 반영하였으며, 위와 같은 자료를 기반으로 실측데이터와 시뮬레이션의 비교검토를 수행하였다.
- 이중 PV모듈이 설치된 조건은 21개 동이며, 대표적인 설치각도는 경사각 22도를 기준으로, 남측 0°, 동측 30°도, 서측 45°에 대한 PV모듈 발전량 데이터를 수집하였다.
- 경사각은 0°수평면을 기준으로 15°간격으로 수직면 90°조건까지 총 7개 조건을 설정하고 분석을 수행하였다. 지역에 대한 조건선정은 국내 주요도시(서울, 대전, 대구, 부산, 광주, 제주) 총 6개 지역을 기준으로 분석을 진행하였다.
- 현재 국내의 설치된 BIPV에 대한 현황 및 발전량에 대한 문제점을 검토하고, 다양한 변수에 따라 효과적으로 발전량을 예측하기 위해 TRNSYS 기반인 PVpro 태양광발전량 해석 툴을 선정하였다. 해석에 앞서 시뮬레이션의 타당성을 검증하기 위해 광주지역 공동주택 옥상에 설치된 태양광 모듈 실측 발전량을 활용하였으며, 발전량 수집기간은 2012년, 1년 동안 수집되었다. 시뮬레이션에 적용된 기상데이터는 기상청에서 제공하는 2012년 광주지역 기상데이터를 반영하였으며, 위와 같은 자료를 기반으로 실측데이터와 시뮬레이션의 비교검토를 수행하였다.
성능/효과
- (1) 수평면을 기준으로 각 지역별 연간 발전성능은 서울 지역에서 1,000.0kWh/kWp.year로 가장 낮은 수준을 유지하는 것으로 나타내었고, 제주지역은 서울지역 대비 5%상승한 1,100.0kWh/kWp.year의 성능을 보였다. 광주지역과 대전지역은 유사한 발전성능을 보였고, 서울지역 대비 12% 상승한 1,180.
- (2) 각 지역별 최적의 경사각과 방위각에 따른 발전량 분포는 방위각 0°(남측)을 기준으로 경사각 30°조건이며, 제주지역은 동일한 방위에 경사각 15°로 나타내었다.
- (3) 각 지역별 설치 조건에 따라 발전성능 비율에 대한 모노그래프를 분석한 결과, 지역에 따라 일정 수준의 차이는 보이지만 동측과 서측이 대칭되는 형태를 나타내었다. 방위각 0°, 경사각 30°가 가장 우수한 범위를 보였으며, 최적조건 대비 수평면은 89%의 발전성능 수준을 유지하고, 남측 수직면은 60∼63%의 발전성능 비율을 나타내었다.
- 1,200.0kWh/kWp.year 연간 발전량 범위는 방위각 –90°에서 +90°, 경사각 60°이고, 방위각 –90°, +90°를 벗어날 경우 연간 발전량 1,000.0kWh/kWp.year 미만의 수준을 보였다.
- 5와 같다. 12월이 가장 높은 오차율 13.2%를 보였으며, 12월을 제외한 모든 기간의 월별 평균오차는 10% 이내로 보였고, 연간 발전량에 대한 오차율은 2.4%로 나타났다. 비교(조건_3)은 Fig.
- 6과 같이 나타내었다. 8월과 12월을 제외한 모든 기간이 평균오차 10% 이내의 범위를 보였으며, 연간 발전량에 대한 평균오차는 1.4% 범위로 나타났다. 위와 같은 예측오차는 천공조건에 대한 기상이변이나, 인버터를 통한 변환 과정에서 나타낼 수 있는 손실로 다양한 미지변수에 대한 영향으로 사료되며, 연간 발전량에 대한 오차는 모든 조건이 3.
- 경사각 30°에서 15°씩 증가할 경우, 발전성능 비율은 수평면을 기준으로 98%, 91%, 79% 순으로 감소를 보였고, 수직면 설치 조건은 63%의 성능을 나타냈다.
- 부산지역은 대구 지역과 달리 방위각 변화에 따른 발전성능 비율이 서측은 57%, 51% 수준이고, 동측은 65%, 61% 수준의 성능을 보였다. 광주지역 모노그래프를 기준으로 수평면에 발전성능 비율은 최적설치조건 대비 90%이며, 남측 수직면은 61%, 서측 수직면은 48%, 동측 수직면은 47%의 수준을 보였다. 제주지역에 대한 모노그래프는 최적설치조건(남측면, 경사각 30°)을 기준으로 수평조건에 설치할 경우 95%의 비교적 높은 발전성능 비율을 보였다.
- year의 성능을 보였다. 광주지역과 대전지역은 유사한 발전성능을 보였고, 서울지역 대비 12% 상승한 1,180.0kWh/kWp.year 수준을 나타내었다. 부산지역은 1,190.
- 남측 수직면조건은 54%, 서측 수직면은 50%, 동측수직면은 48%의 성능을 나타냈으며, 방위각 변화에 따라 약 3∼5%의 발전량 손실을 보였다.
- 남측과 서측의 성능 분포는 유사한 범위에서 대칭을 형성하였고, 남측을 기준으로 방위각 30°씩 변경할 경우 62%, 57%, 48%의 발전성능 감소를 나타냈다.
- 대구지역에 모노그래프를 기준으로 가장 높은 발전량을 나타낸 설치 조건은 서울지역과 동일한 조건이며, 남측 수직면 발전비율은 62%, 남측을 기준으로 경사각 15° 씩 증가할 경우, 78%, 90%, 98%의 수준으로 발전성능 비율이 증가하는 것을 보였고, 서측과 남측의 조건은 대칭을 형성하였다.
- 대구지역을 분석한 결과, 가장 높은 발전량을 나타낸 설치조건은 방위각 0°, 경사각 30°로 연간 발전량 1,296.2 kWh/kWp.year의 발전수준을 보였다.
- 대전지역에 대한 모노그래프를 분석한 결과, 100%를 나타낸 조건은 서울지역과 동일하게 남측을 기준으로 경사각 30°로 나타냈고, 남측 수직면에 대한 발전 성능 비율은 62%이며, 경사각 15°씩 감소할 경우 98%, 90%, 78% 수준의 감소를 보였다.
- 설치조건에 따라 “단위 용량당(kWp) 월별 발전량”1) 을 비교분석 하였다. 발전량 오차 범위는 월별에 따라 다소 차이는 보이지만 3월과 7월 조건이 3.0% 이내로 가장 낮은 오차율을 나타내었고, 2월이 11.5%의 가장 높은 오차율을 보였다. (조건_1)에 대한 연간 발전량 평균 오차는 1.
- 6과 같다. 발전량이 가장 많은 설치조건을 100으로 기준하고, 100 조건기준 대비 방위각과 경사각에 대한 발전 능력비율로 나타냈다.
- 방위각 +90°와 –90°를 초과할 경우 수평면을 제외한 모든 조건이 1,000kWh/kWp.year이하의 발전성능을 보이는 것으로 나타냈고, 경사각 기준은 75°를 넘어설 경우 1,000kWh/kWp.year 이하의 발전 수준을 보였다.
- 방위각 0°, 경사각 30°가 가장 우수한 범위를 보였으며, 최적조건 대비 수평면은 89%의 발전성능 수준을 유지하고, 남측 수직면은 60∼63%의 발전성능 비율을 나타내었다.
- 대구지역에 모노그래프를 기준으로 가장 높은 발전량을 나타낸 설치 조건은 서울지역과 동일한 조건이며, 남측 수직면 발전비율은 62%, 남측을 기준으로 경사각 15° 씩 증가할 경우, 78%, 90%, 98%의 수준으로 발전성능 비율이 증가하는 것을 보였고, 서측과 남측의 조건은 대칭을 형성하였다. 부산지역에 대한 모노 그래프는 100%를 기준으로 남측 수직면은 62%, 서측 수직면은 42%, 동측 수직면은 53%에 발전성능 비율변화를 보였다. 부산지역은 대구 지역과 달리 방위각 변화에 따른 발전성능 비율이 서측은 57%, 51% 수준이고, 동측은 65%, 61% 수준의 성능을 보였다.
- year 수준을 나타내었다. 부산지역은 1,190.0kWh/kWp.year 이상의 발전성능으로 가장 높게 나타냈으며, 서울지역 대비 13%이상의 증가 수준을 보였다. 이는 수평면을 기준으로 각 지역별 일사수열량이 서울지역 대비 크게는 13%에서 작게는 5%의 변화를 보이는 것으로 사료되며, 이에 따라 연간 발전량은 150∼200kWh/kWp.
- 부산지역에 대한 모노 그래프는 100%를 기준으로 남측 수직면은 62%, 서측 수직면은 42%, 동측 수직면은 53%에 발전성능 비율변화를 보였다. 부산지역은 대구 지역과 달리 방위각 변화에 따른 발전성능 비율이 서측은 57%, 51% 수준이고, 동측은 65%, 61% 수준의 성능을 보였다. 광주지역 모노그래프를 기준으로 수평면에 발전성능 비율은 최적설치조건 대비 90%이며, 남측 수직면은 61%, 서측 수직면은 48%, 동측 수직면은 47%의 수준을 보였다.
- 분석 결과 고정식 태양광을 적용할 경우 남측면을 기준으로 경사각 30°가 일평균 발전량 3.33kWh/kWp로 나타내었고, 추적 방식을 적용할 경우 고정식에 비하여 11.8%의 발전량 증가를 보였다.
- 서울지역에 모노그래프를 분석한 결과, 기준 설치조건 100%는 남측을 기준으로 경사각 30° 조건이며, 수평면 설치 조건은 기준 대비 89%의 발전성능 비율을 보였다.
- 서울지역은 방위각 –60°에서 +60°, 경사각 50°범위에서 1,100.0kWh/kWp.year의 발전수준을 보였고, 동일한 분포범위에서 대전지역, 대구, 부산, 광주지역은 1,200.0kWh/kWp.year의 수준을 나타냈다.
- 서울지역의 분포 특성은 가장 우수한 발전량을 나타낸 설치조건은 방위각 0° 남측을 기준으로 경사각 30° 이며, 방위각 –30°에서 +30°까지, 경사각 15°에서 45°까지의 범위에 상대적으로 높은 발전량 1,150kWh/kWp.year의 범위를 나타냈고, 이후 경사각과 방위각에 영역이 멀어질수록 낮은 발전량을 보였다.
- 설치 조건 중 가장 높은 발전량을 나타낸 조건은 방위각 0°, 경사각 30°이며, 방위각–60°에서 +60°, 경사각 60°에 범위에서 높은 발전 범위 약 1,200kWh/kWp.year 이상의 발전량을 나타냈고, 방위각 – 120°이하, +120°이상 범위에서 연간 발전량 1,000kWh /kWp.year 이하의 수준을 보였다.
- 3과 같이 기상청에서 제공하는 최근 20년 평균 일사량데이터를 TRNSYS Generation 모델을 활용하여 각 지역에 대한 월별 및 연간 일사량을 예측하고, 각 지역별 발전성능 예측에 반영하였다. 시뮬레이션에 적용된 일사량은 각 지역에 따라 다소 차이는 있지만, 5월과 6월이 가장 높은 일사수열량을 보였고, 7월, 8월은 우기에 따른 영향으로 비교적 낮은 일사량을 나타냈다. 1월, 11월, 12월은 가장 낮은 일사 수열량 수준을 보였고, 연간 누적일사량 관점에서 대전지역이 4,924.
- 위와 같은 분석을 통하여 각 지역별 최대 발전성능에 대한 분포범위를 나타냈으며, 지역별 분포 특성에 따라 BIPV 적용함에 있어서 최대의 발전성능을 도출하기 위한 방위각 및 설치각의 적정 범위를 사전에 효과적으로 검토 할 수 있고, 보다 정량적으로 BIPV 설치사례에 대한 발전량 운영현황을 판단할 수 있다.
- 4와 같다. 전체적으로 가장 높은 발전량을 나타낸 기간은 5월로 지역평균 135.6kWh/kWp.month 수준에 발전량을 보였다. 5월중 가장 높은 발전량을 나타낸 조건은 광주지역으로 138.
- 제주지역에 대한 모노그래프는 최적설치조건(남측면, 경사각 30°)을 기준으로 수평조건에 설치할 경우 95%의 비교적 높은 발전성능 비율을 보였다.
후속연구
- 본 논문을 통하여 각 지역별 PV모듈에 발전성능 분포범위를 나타내었으며, BIPV 적용 측면에서 방위각과 설치각의 적정 범위를 사전에 효과적으로 검토하고, 정량적인 사후관리에 기초자료로 활용될 것으로 사료된다.
- 이와 같은 발전성능 예측 모노 그래프를 통해 각 지역별 방위각과 경사각도에 따른 발전량 추이를 효과적으로 손쉽게 검토할 수 있고, 점차 증가하고 있는 BIPV 설치 사례에 대한 사후 평가에도 효율적으로 활용될 것이라 사료된다.
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