[논문]태양에너지의 효율적 이용에 관한 연구 - 방위각 및 경사각별 일사량 분포도 분석 -

최영수; 이승환; 김진현; 최중섭; 김태욱

doi:10.7836/kses.2015.35.4.025

[국내논문] 태양에너지의 효율적 이용에 관한 연구 - 방위각 및 경사각별 일사량 분포도 분석 -
A study on the efficient use of solar energy -Analysis of the solar radiation distribution by tilts and azimuths - 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.35 no.4, 2015년, pp.25 - 34

최영수 (경북대학교 과학기술대학원) , 이승환 (경북대학교 대학원 정밀기계공학과) , 김진현 (경북대학교 정밀기계공학과) , 최중섭 (경북대학교 정밀기계공학과) , 김태욱 (경북대학교 정밀기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This research is carried out to provide fundamental data for the design of solar photovoltaic systems. Methodologically, the solar radiation installations from 10 different pyreheliometers are measured, which are set up at 6 and 4 different levels of tilts and azimuth, respectively. Maximum of a yearly accumulated solar radiation is $1,569.8kWh/m^2{\cdot}year$ with a tilt angle of $30^{\circ}$ and an azimuth angle of $0^{\circ}$(south), $1,558.5kWh/m^2{\cdot}year$ with an azimuth angle of $0^{\circ}$(south) in combination of a tilt angle of $35^{\circ}$. This paper estimates that in designing fixed solar photovoltaic systems with a tilt angle of $12.5^{\circ}{\sim}50^{\circ}$(south) and a tilt angle of $35^{\circ}$ in combination of an azimuth angle of $S45^{\circ}W{\sim}S45^{\circ}E$, a tilt angle and an azimuth angle will cause a maximum 6.8% and 9.9% of efficiency variation respectively, depending on a installed solar module's angle and direction.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 방위각 및 경사각에 대한 일사량 자료가 부재하여 태양광발전시스템의 발전량을 예측하기 어려울 뿐만 아니라 태양광발전시스템의 효율적 설계가 어려운 실정이다. 따라서 본 연구는 각각 다른 방위각 및 경사각에 일사량계를 설치하여 연중 일사량을 측정함으로써 방위각 및 경사각 방향에 설치된 태양광발전시스템의 발전량을 예측하고, 태양광발전시스템의 효율적 설계의 기초자료를 제공하고자 한다.

제안 방법

설치한 일사량계 CMP3(2nd class) 10개의 설치 각도는 경사각 50°, 42.5°, 35°, 27.5°, 20°, 12.5° 6개소와 정남 방향을 기준으로 하여 서쪽방향을 -, 동쪽방향을 + 하여 방위각 -22.5°(S22.5°W), -45°(S45°W), +22.5°(S22.5°E), +45°(S45°E) 4개소에 설치하였다.
데이터로그(CR800, 4ch)에 채널 확장기(AM16/32B)를 적용하였으며 운용소프트웨어는 Loggernet을 사용하였다. 일사량계에서 측정된 데이터는 데이터 로그(CR800)에 저장되고 저장된 데이터는 PC를 이용하여 CDMA방식으로 무선송수신하여 데이터를 운용소프트웨어 Loggernet을 통해 경사각 및 방위각별로 10개의 데이터를 5초단위로 샘플링하여 계측 하였다.
추분 부근은 2013년9월18일, 21일, 27일, 동지 부근은 2013년12월21일∼23일, 춘분 부근은 2014년3월17일, 22일, 23일, 하지 부근은 2014년5월29일∼31일에서의 평균일사량을 분석하였다.
일사량 계측시스템에 설치된 10개의 일사량계로부터 1년간의 데이터를 1일 간격으로 누적데이터를 분석하였다. 1년 전체 데이터양이 방대하여 1일 일사량 데이터는 계절의 대표인 춘분, 하지, 추분, 동지 부근에서 청명한 날 3일을 선택하여 데이터를 분석하였다.

대상 데이터

일사량 측정을 위해 10개의 일사량계 CMP3(2nd class)를 경북 군위(위도 36.24°, 경도 128. 57°)에 설치하였다.
일사량 계측시스템에 설치된 10개의 일사량계로부터 1년간의 데이터를 1일 간격으로 누적데이터를 분석하였다. 1년 전체 데이터양이 방대하여 1일 일사량 데이터는 계절의 대표인 춘분, 하지, 추분, 동지 부근에서 청명한 날 3일을 선택하여 데이터를 분석하였다. 추분 부근은 2013년9월18일, 21일, 27일, 동지 부근은 2013년12월21일∼23일, 춘분 부근은 2014년3월17일, 22일, 23일, 하지 부근은 2014년5월29일∼31일에서의 평균일사량을 분석하였다.

데이터처리

이 수식을 이용하여 MATLAB으로 코드를 작성하여 수치해석 하였다.

이론/모형

월별 1년간 누적 일사량을 경사각 12.5°에서 50.0°까지 구간 2.5°로 하여 뉴턴 보간법으로 수치해석 하였으며 경사각별 수치해석 결과는 Table 3과 같다.
보간법이란 불연속적으로 주어진 데이터점들을 이용하여 그 점들 사이의 값을 추정하는 방법으로서, 주어진 데이터 값이 매우 정밀한 경우에 적용하는 방법이다. 이 과제에서는 보간법중 하나인 newton 보간법을 사용하였다. Newton 보간법은 미정 계수법의 단점인 긴 계산 과정과 오차를 줄이기 위하여 고안된 다항식에 의한 보간법으로 보간 식은 식(1)과 같다.

성능/효과

1일 최대 누적일사량은 계절별로 방위각은 정남방향에서 가장 높게 나타났고, 경사각은 춘분의 경우 경사각 35°, 하지의 경우 12.5°, 추분의 경우 35°, 동지의 경우 50°에서 나타났으며 그 합은 25.4kWh/㎡·day이다, 이것은 정남(0°) 방향 경사각 35°의 계절별 1일 일사량 누적 합(4일) 24.3kWh/㎡·day보다 4.5% 높게 나타났다.
5kWh/㎡·day로 나타났다. 계절별로 경사각 또는 방위각에서의 최대 및 최소 일사량 1일 누적량의 상대적 차이는 춘분은 경사각에서 8.6%의 차이를 보였고 방위각에서는 10.0%의 차이를 보였다. 하지는 경사각에서 34.
누적 일사량이 최대인 월의 12개월 누적일사량이 1,561.5kWh/㎡·year(Table 5)로 나타났다.
수치해석을 통한 1년 누적 일사량은 경사각의 경우 정남방향 30°에서 1,569.8kWh/㎡·year로 최대이며, 경사각 35°에서 방위각의 경우 90°(정남)에서 1,558.5kWh/㎡·year로 최대로 나타났다.
정남방향 경사각 12.5°∼50°와 경사각 35°에 방위각 S45°W∼S45°E에 설치된 일사량 시스템에서 경사각에 대한 계절별 1일 누적 일사량 차이가 가장 큰 시기는 동지 이며 최대는 4.89kWh/㎡·day이고, 최소는 3.45kWh/㎡·day로 41.7% 차이를 보였고, 방위각에 대한 계절별 1일 누적일사량 차이가 가장 큰 시기는 동지로 최대는 4.53kWh/㎡·day이고, 최소는 3.83kWh/㎡·day로 18.2% 차이를 보였다.
보간법으로 수치해석 한 결과 방위각에서는 0°(정남)에서 1,558.5kWh/㎡·year로 가장 높고, 각 월 최대 누적일사량들의 합들과 상대적 차이는 0.19%로 가장 낮고, 방위각 S45°E에서 1,417.3kWh/㎡·year으로 최소이며 상대적 차이는10.17%로 가장 높다.
일사량 누적량에서 방위각 방향을 제외한 정남방향에 대한 경사각에 대한 1년 동안의 일사량 누적량 최댓값은 경사각 27.5°에서 1,567.7kWh/㎡·year이고, 최솟값은 경사각 50°에서 1,469.6kWh/㎡·year로 나타나 경사각방향(정남)에 대한 1년 동안의 일사량 누적량의 최대 및 최솟값의 상대적 차이는 6.6%로 나타났다.

후속연구

태양광발전에서 가장 중요한 요소는 일사량이며, 일사량의 변화에 따라 태양광발전량은 변화한다. 따라서 일사량의 측정을 통해 태양광발전시스템의 발전량을 예측할 수 있을 것이다.
이 자료들을 바탕으로 태양광발전시스템 설계 시 설치 규모나 장소에 따라 태양광모듈의 설치각도 및 방향을 적절하게 선택하는 것이 중요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 발전의 장점은?	11개의 신재생에너지 중에서 태양광 발전은 우리나라에서 가장 활용하기 좋은 신재생에너지라고 할 수 있다. 태양광 발전은 태양에너지만 있으면 전국 어디서나 설치하고 발전할 수 있는 장점을 가졌을 뿐만 아니라 평소에 사용하지 않는 장소에 설치하여 공간 활용도를 극대화 할 수 있는 재생에너지이다. 예를 들어 건물 옥상 또는 주차장 및 농업시설에서 평소에 쓰지 않는 곳을 활용하여 무리하게 땅을 개간할 필요 없이 손쉽게 설치가 가능하다.
	한국에서는 어떠한 분야를 신재생에너지로 지정하였는가?	신재생에너지는 유가의 불안정과 기후변화협약의 규제 대응 등으로 그 중요성이 커지게 되었다. 한국에서는 8개 분야의 재생에너지(태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지)와 3개 분야의 신에너지(연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지), 총 11개 분야를 신재생에너지로 지정하고 있다.
	태양광 발전에서 가장 중요한 요소는?	태양광발전에서 가장 중요한 요소는 일사량이며, 일사량의 변화에 따라 태양광발전량은 변화한다. 따라서 일사량의 측정을 통해 태양광발전시스템의 발전량을 예측할 수 있을 것이다.

참고문헌 (11)

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Tae-Ho Kim et al, Study on Prediction of Solar Insolation and Heating Load, Vol. 37, No. 12, pp,1105-1112, 2013
Jung-Min Kim et al, Study of the effect of vertical and azimuth angles of solar collector on the solar radiation for various locations in Korea, pp.307-312, 2006.

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