[논문]태양추적장치를 위한 태양위치계산에서의 제언

박영칠

doi:10.7836/kses.2016.36.6.047

태양추적장치를 위한 태양위치계산에서의 제언
Comments on the Computation of Sun Position for Sun Tracking System 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.36 no.6, 2016년, pp.47 - 59

Abstract ▼ AI-Helper

As the usage of sun tracking system in solar energy utilization facility increases, requirement of more accurate computation of sun position has also been increased. Accordingly, various algorithms to compute the sun position have been proposed in the literature and some of them insist that their algorithms guarantee less than 0.01 degree computational error. However, mostly, the true meaning of accuracy argued in their publication is not clearly explained. In addition to that, they do not clearly state under what condition the accuracy they proposed can be guaranteed. Such ambiguity may induce misunderstanding on the accuracy of the computed sun position and ultimately may make misguided notion on the actual sun tracking system's sun tracking accuracy. This work presents some comments related to the implementation of sun position computational algorithm for the sun tracking system. We first introduce the algorithms proposed in the literature. And then, from sun tracking system user's point of view, we explain the true meaning of accuracy of computed sun position. We also discuss how to select the proper algorithm for the actual implementation. We finally discuss how the input factors used in computation of sun position, like time, position etc, affect the computed sun position accuracy.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 이에 참고문헌에서 제시된 태양위치계산 알고리즘의 계산정확도를 태양열활용시스템의 현장 운영자 측면에서 설명함으로써, 태양위치계산의 정확도에 대한 이해를 높이고, 이를 통하여 보다 정확한 태양열활용시스템의 설계 및 운영이 이루어 질 수 있도록 하게 하기 위한 목적으로 수행된 것이다. 이를 위하여 본 연구에서는 우선 참고문헌에 제시된 태양위치계산 알고리즘 계산 정확도의 정확한 의미를 해석한다.
본 연구는 참고문헌에 발표되어 있는 태양열활용시스템에서 적용 가능한 태양위치계산 알고리즘들을 소개한 것이다. 동시에 이들 알고리즘들이 제시하는 계산오차의 의미를 명확히 함으로써, 현장 사용자가 태양열활용시스템을 보다 정확하게 설계 또는 운영할 수 있도록 하게 하기 위한 것들에 관해 제언한 것이다.
이를 위하여 본 연구에서는 우선 참고문헌에 제시된 태양위치계산 알고리즘 계산 정확도의 정확한 의미를 해석한다. 이를 근거로 본 연구는 태양열활용시스템의 설계 또는 운영자가 바른 태양위치계산 알고리즘을 선택하고 사용하도록 하기 위한 제언들을 제시하며, 마지막으로 태양위치 계산에서의 입력변수로 사용되는 시간, 위치, 온도, 대기압 및 해발고도와 같은 인자들이 태양위치계산의 정확도에 미치는 영향을 분석함으로서 계산된 태양위치가 태양열활용시스템에서 보다 정확하게 사용되기 위한 제언들을 제시한다.
본 연구는 이에 참고문헌에서 제시된 태양위치계산 알고리즘의 계산정확도를 태양열활용시스템의 현장 운영자 측면에서 설명함으로써, 태양위치계산의 정확도에 대한 이해를 높이고, 이를 통하여 보다 정확한 태양열활용시스템의 설계 및 운영이 이루어 질 수 있도록 하게 하기 위한 목적으로 수행된 것이다. 이를 위하여 본 연구에서는 우선 참고문헌에 제시된 태양위치계산 알고리즘 계산 정확도의 정확한 의미를 해석한다. 이를 근거로 본 연구는 태양열활용시스템의 설계 또는 운영자가 바른 태양위치계산 알고리즘을 선택하고 사용하도록 하기 위한 제언들을 제시하며, 마지막으로 태양위치 계산에서의 입력변수로 사용되는 시간, 위치, 온도, 대기압 및 해발고도와 같은 인자들이 태양위치계산의 정확도에 미치는 영향을 분석함으로서 계산된 태양위치가 태양열활용시스템에서 보다 정확하게 사용되기 위한 제언들을 제시한다.

제안 방법

본 연구는 또한 태양위치계산 알고리즘의 입력으로 사용되는 시간, 위치, 대기압, 온도 그리고 해발고도의 입력오류에 따른 계산오차를 분석하였다. 태양위치계산에서 사용되는 시간 및 위치는 비교적 작은 입력오류에도 불구하고 무시할수 없을 정도의 큰 계산오차를 만든다.
이에 본 연구는, 우선 해발고도 0 m, 0°, 1013.2 mb 상태에서 지구 대기 통과에 따른 태양광의 굴절량 R을 식(2)와 유사한 식(3)을 사용하여 계산하고, 온도 및 압력의 변화에 따른 굴절량의 변화량을 다시 식(4)에서와 같이 보정하는 방법으로 보다 정확한 굴절량이 계산될 수 있도록 하는 방안을 제안한다.

데이터처리

여기서는 Reda and Andrea 알고리즘과 식(3) 및 식(4)를 사용하여, 서울(경복궁 기준 경도 126.974852°, 위도 37.579617°)에서, 2016년부터 2050년까지의 기간 동안 입력인자 오류에 따른 태양위치계산 알고리즘의 계산오차를 분석한다.

이론/모형

특정 태양위치계산 알고리즘을 기준으로 해당 알고리즘의 계산오차를 산정하는 알고리즘들은, VSOP87 수식9)을 단순화한 Meeus 수식10)을 사용하여 구성되었으며, 동시에 Bretagon and Francou 알고리즘9)을 기준으로 최대 0.0003°의 계산오차를 갖는 Reda and Andrea 알고리즘4)을 평가기준으로 일반적으로 사용한다.

성능/효과

물론 태양추적시스템의 추적장치가 갖는 기계적 특성을 고려한다면 0.01° 전후의 계산 정확성을 갖는 알고리즘이면 충분할 수도 있다, 그럼에도 불구하고, 보다 높은 계산 정확성을 갖는 알고리즘의 사용이 결코 해가 되는 경우일 수는 없으며, 그와 같은 관점에서, 본 연구는 집광식 태양열집열시스템의 경우 Reda and Andrea 알고리즘의 사용이 바람직하다는 의견을 제시한다.

후속연구

만약 태양열활용시스템을 태양의 고도가 충분히 높은 영역에서만 사용한다면 굴절에 따른 태양위치계산 오차는 무시할 수 있을 것이다. 그럼에도 불구하고, 정확한 현상의 이해와 이에 기반한 시스템의 운전이 보다 정확한 태양열활용시스템의 개발 및 운영을 위해 필요할 것으로 사료되어 이상과 같이 제언하는 것이다.
그럼에도 불구하고, 첫 번째 경우와 동일하게 태양열활용시스템의 실제적 사용자 측면에서 보면, 0.0003028°의 계산 불확실성은 무시할 수 있을 정도로 작은 것이며, 따라서 Reda and Andrea 알고리즘을 기준으로 평가한 계산오차를 실제 태양위치에 대한 절대오차로 현장 사용자가 다만 받아들이고 또 사용하고 있을 다름이다.
본 연구는 참고문헌에 발표되어 있는 태양열활용시스템에서 적용 가능한 태양위치계산 알고리즘들을 소개한 것이다. 동시에 이들 알고리즘들이 제시하는 계산오차의 의미를 명확히 함으로써, 현장 사용자가 태양열활용시스템을 보다 정확하게 설계 또는 운영할 수 있도록 하게 하기 위한 것들에 관해 제언한 것이다.
두 번째로, 본 연구는 태양위치계산 알고리즘에 의하여 계산된 태양위치는, 실제 태양열활용시스템에서 사용되는 태양의 겉보기 위치와 비교하여 상대적으로 큰 차이가 있을 수도 있으며, 특히 태양의 고도가 낮은 영역에서 큰 차이가 있다는 사실을 인지하는 것이 필요하다고 제언한다. 만약 태양열활용시스템을 태양의 고도가 충분히 높은 영역에서만 사용한다면 굴절에 따른 태양위치계산 오차는 무시할 수 있을 것이다.
그러나 현재 시중에 유통되는 범용모션제어기 또는 개인용컴퓨터가 Reda and Andrea 알고리즘 또는 Grena 알고리즘이 발표되던 시기와 비교하여 비교할 수 없을 정도의 빠른 연산속도 및 대용량프로그램메모리를 가지고 있다. 따라서 비록 Reda and Andrea 알고리즘이 많은 계산량과 큰프로그램메모리를 요구하는 것이 사실이기는 하나, 지금의 시점에서 태양열활용시스템을 운영하는 현장에서 사용되기에 어려움이 있을 것으로 본 연구는 생각하지 않는다.
다만 이들 기준으로 사용된 알고리즘의 계산오차가 태양열활용시스템의 현장 사용자 측면에서 보면, 실제 태양위치에 대해 무시할 수 있을 정도로 작다. 따라서 참고문헌에 제시된 알고리즘의 계산오차가 그와 같은 관점에서 실제 태양의 위치를 기준으로 평가한 절대오차로 간주될 수 있고, 또 그리 사용되고 있을 따름이라고 인식하는 것이 필요하다고 제언하는 것이다.
본 연구는, 우선 참고문헌의 태양위치계산 알고리즘들의 계산오차는, 태양광의 지구 대기에 의한 굴절이 고려되지 않은 상태에서, 또 다른 태양위치계산 알고리즘을 기준으로 하여 상대적으로 평가한 것이며, 따라서 실제 태양위치에 대한 절대오차가 아니라는 것을 이해하는 것이 중요하다고 제언한다.
태양위치계산에서 사용되는 시간 및 위치는 비교적 작은 입력오류에도 불구하고 무시할수 없을 정도의 큰 계산오차를 만든다. 이에 본 연구는, 태양열활용시스템의 운영자는 태양위치계산에서 사용되는 시간의 정확성을 유지하는 것이 대단히 중요하며 동시에 정확한 위치 사용의 중요성을 인식하는 것이 필요함을 제언한다.
일부 자료에서와 같이 굴절이 포함된 이후의 태양 고도각이 -0.2667°가 되는 시점을 일출 또는 일몰시각으로 설정하는 방안은, 굴절량 계산의 불확실성을 고려한다면 보다 큰 계산 오차를 유발할 수 있는 여지가 있어 사용하지 않는 것이 바람직한 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양위치계산 알고리즘은 어떤 계산 방법을 사용하고 있는가?	태양위치계산 알고리즘은 굴절(refraction)을 고려하지 않은 상태에서 관측자중심좌표계(topocentric coordinate system)에서의 태양위치를 우선 계산하고, 그 후에 태양광이 지구 대기권을 통과하는 동안 발생되는 굴절에 의한 위치 왜곡을 추가함으로써 지표면의 관측자가 인식하는 태양위치를 계산하는 방법을 사용하고 있다1.
	태양열활용시스템에서 사용 가능한 태양위치계산 알고리즘은 어떤 것이 있는가?	태양열활용시스템에서 사용 가능한 태양위치계산 알고리즘은 Walrevan1)으로부터 Michalsky2), Reda and Andrea4) 그리고 Grena 알고리즘6)에 이르기까지 다양한 형태의 것들이 있다.
	태양위치계산 알고리즘들의 계산오차는 그 오차를 평가하는 기준 설정 방법에 따라 크게 두가지 형태로 구분되는데, 두가지 형태는 무엇인가?	참고문헌에 제시된 태양위치계산 알고리즘들의 계산오차는 그 오차를 평가하는 기준 설정 방법에 따라 크게 두가지 형태로 구분된다. 그 중 첫 번째가 해당 알고리즘에 의하여 계산된 태양위치의 정확성을 역서(Almanac)를 기준으로 평가한 경우이다. Walrevan1)이 미국 천문력 및 항해력(American Ephemeris and Nautical Almanac)에 수록된 태양위치를 기준으로 계산된 태양위치의 오차를 평가한 것이 그 예이다. 그런데 여기서 문제가 되는 것은, 해당 알고리즘의 평가 기준으로 삼은 역서의 태양위치가 실제 태양위치를 나타내는 것이 아니라는 것이다. 바꾸어 말해서, 역서의 태양위치가 또 다른 태양위치계산 알고리즘을 사용하여 계산된 것이며, 따라서 해당 태양위치계산 알고리즘은 비록 그 크기가 무시할 정도로 작더라도, 역서의 태양위치계산을 위해 사용된 알고리즘이 갖는 계산오차와 해당 알고리즘이 역서의 태양위치를 기준으로 평가한 오차의 합으로 표시되는 계산오차를 갖는다는 것이다. 태양위치계산 알고리즘의 오차 산정 방법의 두 번째는, 태양열활용시스템의 사용자 측면에서, 실제 태양위치를 충분하게 근사하고 있다고 간주되는 특정 태양위치계산 알고리즘을 기준으로 해당 알고리즘의 오차를 계산하는 방법이다. Grena 알고리즘6)이 대표적인 예로서, Grena 알고리즘은 Reda and Andrea 알고리즘4)에서 계산된 태양위치를 기준으로 오차를 평가하고 있다.

참고문헌 (18)

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상세보기
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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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