[논문]수치표면모형 기반의 방음벽일체형 태양광 시스템 설치 적지분석

윤준희

doi:10.5762/kais.2020.21.3.556

[국내논문] 수치표면모형 기반의 방음벽일체형 태양광 시스템 설치 적지분석
Digital Surface Model based Proper Installation Site Analysis for Soundproof Wall Integrated Phtovoltaic System 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.3, 2020년, pp.556 - 563

초록
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대부분의 건물일체형 태양광 발전 시스템(BIPVS; Building Integrated Photovoltaic System)은 건물의 옥상이나 벽면에 설치된다. 따라서 BIVPS의 설치 위치 선정 시 고려해야할 가장 중요한 요소는 주변 건물에 의한 그림자 영향이다. 그러나 지면 위에 있는 방음벽에 태양광 시스템을 설치할 경우, 그림자는 주변 건물은 물론 가로수에 의해서도 생성된다. 따라서 방음벽 일체형 태양광 발전 시스템(SIPVS; Soundproof wall Integrated Photovoltaic System)의 설치 적합지를 선정하기 위해서는 BIPVS의 경우와 다른 데이터 모델 및 알고리즘이 필요하다. 본 논문에서는 수치표면모형 기반의 방음벽 일체형 태양광 시스템의 설치 적지 분석을 다룬다. 첫째, 설치 후보지(태양광 패널)의 연간 태양 입사각과 고도각을 계산한다. 둘째, 설치 후보지의 시간대 별 그림자 생성 여부를 수치표면모형을 이용하여 결정한다. 셋째, 그림자가 생성되지 않은 시간대의 태양 입사각을 이용하여 일사량을 계산한다. 일사량의 연간 누적 비교를 통하여 일사량이 충분한 곳을 SIPVS의 설치 적합지로 결정할 수 있다. 제안된 알고리즘은 시작품 형태로 구현(Java Program)되었다. 실험 결과, 총 아홉 곳의 후보지에 대한 설치 적합도의 순서를 결정할 수 있었다. 제안된 알고리즘은 건물의 낮은 위치에 설치할 BIPVS의 적정 설치위치 및 기대 전력 생산량의 계산에도 활용될 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Most of a BIPVS (Building Integrated Photovoltaic System) is installed on the rooftop or wall of a building. Therefore, the main factor to consider for selecting the installation site is the shadow effects produced by the surrounding buildings. On the other hand, when the photovoltaic was installed on soundproof walls, shadow effects were produced by not only surrounding buildings but also the surrounding trees. Therefore, a different data model and algorithm with the BIPVS case are essential for proper installation sites selection of a SIPVS (Soundproof wall Integrated Photovoltaic System). This paper deals with the DSM (Digital Surface Model)-based proper installation site analysis for SIPVS. First, the solar incident and altitude angles of the installation candidate sites (solar panel) during the year were calculated. Second, the shadow effects (shadowed or unshadowed) were determined for the candidate sites at each time with the DSM. Third, the amount of solar radiation was calculated with the incident angle for the candidate sites at an unshadowed period. The proper installation site of the SIPVS could then be selected by comparing the accumulated annual solar radiation for each candidate. The proposed algorithm was implemented as a prototype (Java program). From the experiment, the order of the installation suitability was determined among the nine candidates. The proposed algorithm could be used for proper BIPVS installation site analysis aimed at the lower part of a building and calculation of the expected power production.

Keyword

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Flowchart for calculating daily total amount of irradiation
그림 Fig. 2. Flowchart for calculating solar altitude, azimuth, and incident angle
그림 Fig. 3. Cosine value inaccuracy applying ±0.01° accuracy and ±0.0003° accuracy
그림 Fig. 4. Flowchart for determining shadow effect of point of interest
그림 Fig. 5. 2D view of potential block group
그림 Fig. 6. 3D view of shadow effect calculation concept
표 Table 1. Meteorological data - Solar radiation (Source: [11])
표 Table 2. Average solar radiation for each sector
그림 Fig. 7. Nine SIPVS installation candidate sites
그림 Fig. 8. Annual solar irradiation visualization for each panel in candidate site number 1
그림 Fig. 9. Annual solar irradiation visualization for each panel in candidate site number 2
그림 Fig. 10. Annual solar irradiation visualization for each panel in nine candidate sites

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 일사량 분석이라는 부분에 국한하여 논하고자 할 때 기존의 이러한 방법들은 그 연산의 복잡성과 건물의 3D CAD 모델 정보를 입력해야 한다는 한계를 가지고 있다. 이에 본 연구에서는 이러한 한계점을 극복하기 위하여 건물의 3D CAD 모델 정보를 직접적으로 이용하지 않으면서, 손쉬운 연산과정을 적용하려 한다. 즉, 라이다 등을 이용하여 획득된 DSM(Digital Surface Model) 데이터를 이용하여 태양광 모듈을 방음벽에 설치 시 주변 DSM 셀에 의한 폐색효과와 이로 인한 일사량의 영향, 그리고 그 예상 발전량에 대한 논의를 하고자 한다.
이에 본 연구에서는 이러한 한계점을 극복하기 위하여 건물의 3D CAD 모델 정보를 직접적으로 이용하지 않으면서, 손쉬운 연산과정을 적용하려 한다. 즉, 라이다 등을 이용하여 획득된 DSM(Digital Surface Model) 데이터를 이용하여 태양광 모듈을 방음벽에 설치 시 주변 DSM 셀에 의한 폐색효과와 이로 인한 일사량의 영향, 그리고 그 예상 발전량에 대한 논의를 하고자 한다.
본 절에서는 폐색연산과 일사량 추정에 필수적인 태양 위치 연산에 대하여 다룬다. 다양한 태양위치(즉, 방위각, 고도, 입사각)에 대한 계산식들이 있어왔지만, 이들은 대부분 ±0.
상당히 넓은 지역에 걸쳐 분포하고 있는 방음벽에 태양광 패널을 설치하여 연간 발전량을 추정 시에는 이러한 수치들이 상당한 오차를 불러올 수 있음을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서 사용한 보다 정밀한 태양 각 계산 알고리즘의 우수성을 알 수 있다.
본 논문에서는 태양으로부터 특정 SIPVS 패널의 폐색 여부를 결정하기 위해 다음의 과정을 제안한다. 첫째, “차단가능그룹”을 정하기 위한 직선의 식을 구한다.
본 논문에서는 방음벽일체형 태양광발전시스템의 최적 설치위치를 결정하기 위한 알고리즘을 개발하고 개발된 알고리즘을 SW로 구현하였다. 지상의 삼차원 좌표와 패널의 평면 벡터를 입력하여 태양의 고도각, 방위각, 패널 입사각을 계산하는 알고리즘을 제안하였다.

가설 설정

본 연구를 통해 제시된 SIPVS의 연간 발전량 추정 알고리즘은 아래와 같다. 우선 특정한 위치에 SIPVS를 설치하였다고 가정한다. 우선, 이 방음벽에 장착된 패널이 주변의 건물이나 산과 같은 지형지물에 의한 영향에 의해 태양빛을 못 받게 되는 폐색여부를 판단한다.
8 포인트 이고 리샘플 ground sample distance 는 50cm 형태로 제작되었다. 사용된 데이터는 미국 인디애나 지역에 위치한 퍼듀 캠퍼스를 대상으로 취득된 데이터이며, 이 지역의 DSM이 서울시에 위치하였다는 가정 하에 실험을 수행하였다. 서울 시내 DSM 취득이 용이치 않아 부득이 미국 지역의 DSM을 사용하였으며, 향후 서울 DSM을 적용 시, 충분히 동일하게 적용될 것이다.
일사량은 2015년 1월 1일부터 2015년 12월 31일까지 총 일 년 동안의 일사량이 계산 되었다. 방음벽의 높이는 5m, 각 패널은 1m의 폭을 가졌다고 가정하였다. Fig.
제안된 알고리즘을 바탕으로 SW 형태의 시작품을 제작하여 실험을 수행하였다. 실험 대상지로는 서울지역을 선정하였으며, 미국 인디애나 지역의 DSM이 서울에 있다고 가정하였다. 제안된 대상지에 대한 아홉 개의 후보 지역을 선정하고, 후보 지역 별 1m x 5m의 패널을 설치한다고 가정하였다.
실험 대상지로는 서울지역을 선정하였으며, 미국 인디애나 지역의 DSM이 서울에 있다고 가정하였다. 제안된 대상지에 대한 아홉 개의 후보 지역을 선정하고, 후보 지역 별 1m x 5m의 패널을 설치한다고 가정하였다. 1년간의 태양 위치 별 태양광 패널 일사량을 계산한 결과 총 아홉 개 지역의 평균 패널 당 일사량을 계산할 수 있었으며 그 결과에 따라 방음벽 설치 후보지의 우선순위를 결정할 수 있었다.

제안 방법

월드램 상에 표현된 주변 장애물의 형태는 매우 복잡하게 인식되므로, 일조시간의 평가를 위해서는 장애물의 외곽선으로만 이루어진 윤곽을 알아야 한다. 이를 위하여 월드램 상에 표현된 모든 선을 검토하여 선의 교점이 있으면 교점을 구하고 이들 선들을 이등분시키는 작업을 수행한다. 이들 선들을 이용하여 은선제거(hidden line removal) 기법을 이용하여 장애물의 외곽선을 결정하게 된다.
0003°의 정확도를 가지고 있다[8]. 이들 각도의 차이는 미소해 보이지만 sin, cos등이 많이 계산되어지는 태양 일사량과 발전량의 계산에서는 심각한 영향을 줄 수 있기에 매우 정밀하게 계산되어진 태양고도, 방위각, 입사각을 본 연구에 이용하게 되었다. 사용되는 시간 표시법은 국제적으로 널리 통용되는 UTC (The Coordinated Universal Time)을 사용하였으며 우리나라의 경우에는 UTC offset이 9에 해당한다[9].
열 번째 프로세스는 태양의 편차를 의미하는 것으로 천체적도(celestial equator)로부터 떨어진 각도를 계산한 다. 열한 번째 프로세스는 항성시간, 관측자의 지리좌표 계상의 경도, 시경(時經, sun right ascension)을 이용 하여 관측자의 지방시간각(local hour angle)을 구한다. 열두 번째 프로세스에서는 시경(時經, sun right ascension)을 지표상에서 관측자 중심 좌표계 (topocentric coordinate system)상에서 구한다.
만일 폐색이 아니라고 판단이 되면, 입사각을 고려하여 발전량을 계산하는 과정으로 넘어가게 된다. 폐색을 판단하는 알고리즘은 Youn and Kim (2008)의 엄밀 정사영상 제작을 위해 사용되는 폐색영역 탐지 기법[10]을 변형시켜 제작 하였다.
이를 정하기 위한 직선의 식은 대상 셀의 평면좌표와 태양의 고도 각을 이용하여 구한다. 둘째, 계산된 직선의 식을 이용 하여 대상 셀로부터 가까운 첫 번째 차단가능그룹의 셀부터 가시각과 고도 각을 비교한다. 비교결과, 셀의 가시 각이 고도각보다 낮을 경우, 대상 셀은 폐색되지 않은 것으로 인식되고 대상 셀과 그 다음으로 가까운 차단가능 그룹 셀의 가시각과 태양 고도 각을 비교한다.
둘째, 계산된 직선의 식을 이용 하여 대상 셀로부터 가까운 첫 번째 차단가능그룹의 셀부터 가시각과 고도 각을 비교한다. 비교결과, 셀의 가시 각이 고도각보다 낮을 경우, 대상 셀은 폐색되지 않은 것으로 인식되고 대상 셀과 그 다음으로 가까운 차단가능 그룹 셀의 가시각과 태양 고도 각을 비교한다. 가시각과 태양 고도 각을 비교하여 가시각이 고도 각 보다 높을 경우, 대상 셀은 폐색으로 인지되고 비교 프로세스를 중단 한다.
본 연구에서는 서울에 위치한 가상의 도시구역 (1,040m X 1,040m)을 가정하고, 이 구역에서 총 아홉 개의 SIPVS 설치 후보지를 선정하여 연간 일사량을 계산, 비교함으로써 최적의 설치 위치를 선정하는 과정을 실험하였다. 실험에 쓰인 DSM은 항공 라이다 데이터로 부터 취득되었다.
본 논문에서는 방음벽일체형 태양광발전시스템의 최적 설치위치를 결정하기 위한 알고리즘을 개발하고 개발된 알고리즘을 SW로 구현하였다. 지상의 삼차원 좌표와 패널의 평면 벡터를 입력하여 태양의 고도각, 방위각, 패널 입사각을 계산하는 알고리즘을 제안하였다. 그리고 각 지점 별 주변 대상물을 고려한 그림자 생성여부 판단 알고리즘을 제안하였다.
지상의 삼차원 좌표와 패널의 평면 벡터를 입력하여 태양의 고도각, 방위각, 패널 입사각을 계산하는 알고리즘을 제안하였다. 그리고 각 지점 별 주변 대상물을 고려한 그림자 생성여부 판단 알고리즘을 제안하였다. 제안된 알고리즘을 바탕으로 SW 형태의 시작품을 제작하여 실험을 수행하였다.
그리고 각 지점 별 주변 대상물을 고려한 그림자 생성여부 판단 알고리즘을 제안하였다. 제안된 알고리즘을 바탕으로 SW 형태의 시작품을 제작하여 실험을 수행하였다. 실험 대상지로는 서울지역을 선정하였으며, 미국 인디애나 지역의 DSM이 서울에 있다고 가정하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 서울에 위치한 가상의 도시구역 (1,040m X 1,040m)을 가정하고, 이 구역에서 총 아홉 개의 SIPVS 설치 후보지를 선정하여 연간 일사량을 계산, 비교함으로써 최적의 설치 위치를 선정하는 과정을 실험하였다. 실험에 쓰인 DSM은 항공 라이다 데이터로 부터 취득되었다. 센서의 타입은 Optech1210이며 평균 촬영고도는 597미터이다.
실험에 쓰인 DSM은 항공 라이다 데이터로 부터 취득되었다. 센서의 타입은 Optech1210이며 평균 촬영고도는 597미터이다. 데이터 타입은 포인트 클라우드 형태이며 계산 편의를 위하여 그리드 형태로 리샘플 되었다.
설치 후보지는 아래의 Fig. 7과 같이 블록 별로 총 아홉 개가 선정되었다. 일사량은 2015년 1월 1일부터 2015년 12월 31일까지 총 일 년 동안의 일사량이 계산 되었다.

이론/모형

이를 위하여 월드램 상에 표현된 모든 선을 검토하여 선의 교점이 있으면 교점을 구하고 이들 선들을 이등분시키는 작업을 수행한다. 이들 선들을 이용하여 은선제거(hidden line removal) 기법을 이용하여 장애물의 외곽선을 결정하게 된다. 이에 태양 궤적선과 장애물 외곽선간의 교점을 이용하여 이후 보다 복잡한 과정을 거쳐 일조시간을 계산하게 된다[1].
본 연구에 사용된 알고리즘은 B.C. 2000년부터 A.C. 6000까지 정밀하게 계산되는 알고리즘으로 ±0.0003°의 정확도를 가지고 있다[8].
이들 각도의 차이는 미소해 보이지만 sin, cos등이 많이 계산되어지는 태양 일사량과 발전량의 계산에서는 심각한 영향을 줄 수 있기에 매우 정밀하게 계산되어진 태양고도, 방위각, 입사각을 본 연구에 이용하게 되었다. 사용되는 시간 표시법은 국제적으로 널리 통용되는 UTC (The Coordinated Universal Time)을 사용하였으며 우리나라의 경우에는 UTC offset이 9에 해당한다[9]. 태양의 고도, 방위각, 입사각을 계산하는 흐름도는 Fig.
이 표를 이용하여 날짜별, 시간별 일사량 계산이 가능하다. 제시된 표의 사이에 있는 값(예: 춘분과 하지 사이)은 보간법을 사용하여 계산한다.

성능/효과

본 연구에서 사용한 알고리즘은 기존의 태양 각 계산법의 정확도 차이는 천정 각이 90도에 가까울수록, 태양 고도 각이 0도에 가까울수록 더 커지고 있다. 아래의 Fig.
즉, 기존 태양 각 계산법의 정확도인 ±0.01°를 적용했을 때와 본 연구에서 사용된 알고리즘의 ±0.0003°의 정확도를 적용했을 때의 부정확성 정도를 보이고 있다.
10은 9개 후보지에 대한 일사량 총량을 패널 별로 시각화 한 그림이 다. 각 후보지의 1개 패널 당 평균 일사량을 비교한 결과 많은 일사량을 받을 수 있는 후보지의 순서는 구역 5, 9, 7, 3, 4, 2, 1, 6, 8로 나타났다. 구역 별 평균 일사량은 Table 2.
제안된 대상지에 대한 아홉 개의 후보 지역을 선정하고, 후보 지역 별 1m x 5m의 패널을 설치한다고 가정하였다. 1년간의 태양 위치 별 태양광 패널 일사량을 계산한 결과 총 아홉 개 지역의 평균 패널 당 일사량을 계산할 수 있었으며 그 결과에 따라 방음벽 설치 후보지의 우선순위를 결정할 수 있었다. 제안된 알고리즘은 방음벽 일체형 태양광 발전 시스템뿐만 아니라 건물의 낮은 곳에 설치할 BIPV의 적합지 분석 및 기대발전량 계산 등에도 활용될 수 있을 것이다.

후속연구

사용된 데이터는 미국 인디애나 지역에 위치한 퍼듀 캠퍼스를 대상으로 취득된 데이터이며, 이 지역의 DSM이 서울시에 위치하였다는 가정 하에 실험을 수행하였다. 서울 시내 DSM 취득이 용이치 않아 부득이 미국 지역의 DSM을 사용하였으며, 향후 서울 DSM을 적용 시, 충분히 동일하게 적용될 것이다.
1년간의 태양 위치 별 태양광 패널 일사량을 계산한 결과 총 아홉 개 지역의 평균 패널 당 일사량을 계산할 수 있었으며 그 결과에 따라 방음벽 설치 후보지의 우선순위를 결정할 수 있었다. 제안된 알고리즘은 방음벽 일체형 태양광 발전 시스템뿐만 아니라 건물의 낮은 곳에 설치할 BIPV의 적합지 분석 및 기대발전량 계산 등에도 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일사량 분석의 두 가지 방법은 무엇인가?	태양광 모듈을 방음벽에 설치하고 이의 예상발전량을 추정하기 위해서는 우선 일사량 분석이 선행되어야 한다. 일사량 분석은 주로 건축분야를 중심으로 연구가 진행되어야 왔으며 그 두 축을 이루는 것이 월드램 (Waldram) 기법과 3차원 그림자 (3D Shadow) 기법이다. 월드램을 이용한 일조환경 분석은 천구상의 태양경로를 수직 평면 상에 직교좌표로 나타내고, 주변건물들과 환경의 양상을 같이 사영형식으로 겹침으로써 임의의 날짜에 있어서 일조시간을 파악할 수 있는 기법이다.
	월드램 (Waldram) 기법은 무엇인가?	일사량 분석은 주로 건축분야를 중심으로 연구가 진행되어야 왔으며 그 두 축을 이루는 것이 월드램 (Waldram) 기법과 3차원 그림자 (3D Shadow) 기법이다. 월드램을 이용한 일조환경 분석은 천구상의 태양경로를 수직 평면 상에 직교좌표로 나타내고, 주변건물들과 환경의 양상을 같이 사영형식으로 겹침으로써 임의의 날짜에 있어서 일조시간을 파악할 수 있는 기법이다. 따라서 일출, 일몰 사이의 가조시간 중에서 주변건물에 의해 그림자가 생기는 일영시간과 가조시간에서 이를 뺀 일조시간을 분석할 수 있다.
	BIVPS의 설치 위치 선정 시 고려해야할 가장 중요한 요소가 주변 건물에 의한 그림자 영향인 이유는 무엇인가?	대부분의 건물일체형 태양광 발전 시스템(BIPVS; Building Integrated Photovoltaic System)은 건물의 옥상이나 벽면에 설치된다. 따라서 BIVPS의 설치 위치 선정 시 고려해야할 가장 중요한 요소는 주변 건물에 의한 그림자 영향이다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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