[논문]기상조건, 방위각 및 경사각에 따른 태양광발전시스템 출력 분석

이상혁; 권오현; 이경수

doi:10.21218/cpr.2017.5.1.038

[국내논문] 기상조건, 방위각 및 경사각에 따른 태양광발전시스템 출력 분석
PV System Output Analysis Based on Weather Conditions, Azimuth, and Tilt Angle 원문보기

Current photovoltaic research = 한국태양광발전학회논문지, v.5 no.1, 2017년, pp.38 - 42

이상혁 (한국산업기술대학교 에너지전기공학과) , 권오현 (한국산업기술대학교 에너지전기공학과) , 이경수 (한국산업기술대학교 에너지전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

PV system output is determined according to the weather conditions, the azimuth and tilt angle. Weather conditions are changing every moment and it seems to vary according to the daily, monthly, and annual basis. The azimuth and tilt angle is decided along the site conditions for the PV system installation. This paper analyzed the PV system output through the changing the weather conditions, the azimuth, and tilt angle. We compared the TMY data and analysis of the two major weather institutes which are KMA and METEONORM. PV system output trend were analyzed by changing the azimuth and tilt angle. We used simulation tool, which is named PVsyst for the entire PV system analysis.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

태양광발전시스템을 설치시에 사전에 발전량을 확인할 수 있는 방법은 컴퓨터 프로그램을 이용하는 것이다. 본 논문에서는 스위스 제네바 대학에서 개발한 PVsyst 프로그램을 이용하여 기상정보, 방위각 및 경사각에 따른 태양광발전시스템 출력을 분석하였다
본 논문에서는 PVsyst 프로그램 내 기상정보인METEONORM TMY 데이터의 적정성을 확인하기 위하여 국내 기상청(KMA) TMY 데이터와비교한다. 이를 통해 PVsyst 내 적정한 기상정보를 이용하여국내 4개 지역(서울, 강릉, 부산, 목포) 에대해 방위각을 -90°(정동) ~ +90°(정서)범위에서 10° 간격으로 변경하고, 경사각을 0°(수평) ~ 90°(수직)범위에서 5°간격으로 변경하면서최적방위각과 경사각에 따른 태양광발전시스템의 최적 연간 발전량을 살펴본다
본 연구에서는 기상조건, 방위각 및 경사각에 따른 태양광발전시스템 출력을 분석하였다.

제안 방법

이를 통해 PVsyst 내 적정한 기상정보를 이용하여국내 4개 지역(서울, 강릉, 부산, 목포) 에대해 방위각을 -90°(정동) ~ +90°(정서)범위에서 10° 간격으로 변경하고, 경사각을 0°(수평) ~ 90°(수직)범위에서 5°간격으로 변경하면서최적방위각과 경사각에 따른 태양광발전시스템의 최적 연간 발전량을 살펴본다
서울, 강릉, 부산, 목포 등 4개 지역을 대상으로 경사각은 0°~90° 범위에서 5°씩 변경하였고, 방위각은 -90°~90° 범위에서 10°씩 변경하여시뮬레이션을 진행하였다.
METEONORM에서 제공하는 20년 평균 TMY 데이터가 적정한지 확인하기 위하여 국내 기상청인 KMA에서 제공하는 20년 평균 TMY 데이터와의 비교 및 분석을 진행하였다
우리나라 4곳(서울, 강릉, 부산, 목포)에 대한 KMA TMY 값을 PVsyst 프로그램내 기상정보에 입력하여 가상의 1MW 태양광발전시스템을 대상으로 방위각과 경사각에 따른 연간발전량, 손실, 성능계수 등을 확인하였다.
기상조건의 경우에는 대표기후(TMY) 자료를 이용하였고,PVsyst 프로그램에서 사용하는 METEONORM TMY의 데이터 적정성을 확인하기 위하여 국내 기상청(KMA) TMY와의 비교를 진행하였다. 그 결과, TMY간 오차가 1[%]이하 임을 확인하였다.

대상 데이터

PVsyst 프로그램 내 기상정보는 독일의 기상업체인 METEONORM 자료의 20년 대표기후(TMY)를 활용한다. 특히,METEONORM사는 전 세계에 있는 8,325개의 기상 관측소의 데이터를 DB 자료로 제공하고 있으며우리나라는 서울, 강릉,부산, 목포 등 총 4곳의 기상자료를 관측 및 DB 자료로 제공하고 있다.
Table 2는 PVsyst 프로그램에서 사용하는 태양광발전시스템의 파라미터를 나타내며, 태양전지 모듈 200[Wp] 5000장과 인버터 200[kW] 4대를 사용하였다

성능/효과

4는 METEONORM TMY와 KMA TMY 20년 평균 파라미터 값을 비교한 결과를 나타낸다. 국내 4개 지역의 전 수평면 일평균 일조량, 기온 및 풍속 데이터의 METEONORM TMY와 KMA TMY의 오차는 1% 이내인 것을 확인하였다
최적방위각과 경사각을 확인하기 위하여 PVsyst 프로그램을 이용하여 국내 4곳(서울, 강릉, 부산, 목포 지역)을 대상으로 방위각은 정동(-90°)에서정남(0°)을 거처 정서방향(+90°)까지 10도 간격으로 시뮬레이션 및 연간발전량을 확인하였고, 방위각 0°(정남) 방향에서 네 곳 모두 최대 연간발전량이 산출됨을 확인하였다.
경사각은 방위각 0°를 기준으로 90°까지 5°간격으로 시뮬레이션을 수행하였고, 서울과 강릉은 위도와 비례하여 35°에서 연간발전량이 산출됨을 확인하였다.
경사각은 방위각 0°를 기준으로 90°까지 5°간격으로 시뮬레이션을 수행하였고, 서울과 강릉은 위도와 비례하여 35°에서 연간발전량이 산출됨을 확인하였다. 부산과 목포지역은최적 경사각이 30°와 35°에서 미소한 값의 차이를 보이거나 동일한연간발전량을 확인하였다
시뮬레이션 결과 값은 PV array losses, PV system losses, Inverter output, Produced energy 그리고 Performance ratio 이며, 이 중에 연간 발전전력량(Produced energy)를 지역별로 확인하였다.
최적 경사각은 이론적인 배경과 같이 지역별 위도와 비례하며 서울과 강릉에서 경사각이 35°에서 연간발전량이 각각 1,141[MWh/year], 1,279[MWh/year]로 가장 크다는 시뮬레이션 결과값이 산출되었다.
6은 4개 지역에 대한 연간 발전 전력량을 나타내고 있으며, 연간 발전량이 가장 높은 곳은 목포지역이고, 가장 작은 곳은서울지역을 보여준다. 이 결과는 실제 일조량 TMY 모델에서 서울 지역의 전 수평면 일평균 일조량 값이 나머지 3곳에 비해 가장 작은 값에 기인함을 알 수 있다
최적 경사각과 방위각에 있어서 경사각은 30도~35도, 경사각은 0도에서 발전량 값이 가장 큼을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광발전시스템 설치 시 기상조건 외의 고려해야 하는 조건은 무엇인가?	태양광발전시스템을 한 지역에 설치할 경우, 우선적으로 고려해야 할 사항은 설치 지역의 기상조건을 고려하는 것이다. 연간 일조량과 기온, 풍속 등의 정보를 활용하여 사전에 예상 발전량을 확인하여야 한다. 또한, 설치하고자 하는 지역의 방위각 및 경사각을 고려하는 것도 중요한 요소이다.
	TMY란 무엇인가?	기후 관측 자료의 표본이 되는 TMY는 태양광발전시스템을 설치하고자 하는 지역에서 사전 발전량 확인을 위한 기초적인 방법이다. TMY 자료를 추출하기 위해서는 지역 기후에 관한 실제 자료를 수년 동안 시간 별로 측정하여야 하며3) 국내 기상청(KMA)은 30년 이상 축적된 기상 관측 자료를 제공하고 있다.
	태양광발전시스템은 방위각,경사각에 따라 단위 면적당 일사량간의 각각의 상관관계는 어떠한가?	태양광발전시스템은 정남을 기준으로 정하고 동서방향으로 방위각이 변화함에 따라 단위 면적당 일사량이 감소하고, 최적 경사각을 기준으로 그 각도가 변화함에 따라 단위 면적당 일사량이 감소하여 연간발전량에 영향을 미친다2)

참고문헌 (3)

Jo, D. K., "A Study on the Optimal Installation of Solar Photovoltaic System in Korea," J. of Korean Solar Energy Society, Vol. 24, No. 3, pp. 19-25, 2004.
Choi, Y. G., "A Study on the Influence to Solar Radiation by Changing the Azimuth and Tilt of a Photovoltaic Array," The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 62, No. 5, pp. 712-716, 2013.

원문보기 상세보기
Christiana Honsberg., Stuart Bowden., "PV CDROM," Arizona State University, Chapter. 2, pp. 59-61, 2012.

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