2.1 태양광발전시스템의 구성

가. 시스템의 개요

태양광발전시스템은 PV(Photo Voltaic) 어레이, 인버터, 부하 또는 상용전력계통으로 구성된다. 태양광발전시스템은 계통연계 유무에 따라 독립형, 계통연계형, 하이브리드 시스템으로 구분하고, 어레이의 설비 종류에 따라 고정형, 반고정형, 추적형 및 BIPV (Building Integrated Photovoltaic,이하 BIPV)로 구분한다.

나. 태양광 모듈

태양광 모듈은 태양전지로 구성되는데 태양전지는 반도체 재료에 따라 규소를 사용한 실리콘계, 두 가지 이상의 원소로 결합한 화합물계, 흡수 대역이 서로 다른 여러 개의 태양전지를 적층한 적층형 태양전지 등으로 분류된다. 사용목적에 따라 지상용과 위성용으로 분류되며 반도체 재료에 의한 태양전지를 분류하면 표 1과 같다.

다. 어레이 설치방식에 따른 분류

태양광발전시스템에서 어레이 설치방식에는 고정형 (fixed array), 반고정형(semi-fixed array), 추적형(Double axis tracking) 및 BIPV형이 있다. 고정형은 지지형태가 가장 값싸고 안정된 구조이며, 반고정형은 어레이 경사각 또는 방위각 중 하나을 조정할 수 있는 구조를 말한다. 또한 추적형은 어레이를 항상 태양의 직달 일사량이 최대가 되는 즉 태양과 어레이 표면이 직각을 이루도록 상․하 및 좌․우를 동시에 추적하는 방식이다. BIPV는 건축마감재의 역할과 전력을 생산하는 기능을 동시에 만족하는 시스템을 말한다.

라. 어레이 배열방식에 따른 분류

어레이 배열 방식에 따라 수직배열 어레이와 수평 배열 어레이가 있으며, 수직배열 어레이는 수평배열 어레이와 동일하게 분류되나 어레이 배열은 Figs. 2와 같이 수직으로 배열되는 것이 다르다. 수직배열 어레이방식은 대지 이용률이 높아 넓은 부지가 필요하지 않고 부지가 좁은 장방형 부지에 PV 어레이를 설치할 수 있는 장점이 있다. 여기서 대지 이용률이란 모듈열의 거리에 대한 모듈 폭의 비를 의미하며 식(1)은 대지 이용률을 나타내고 있다. Figs. 1은 대지 이용율을 나타내는 개념도이다.

․대지 이용률⁽²⁾

여기서 $f$: 대지 이용률(%)

$b$ : 모듈 폭(m)

$d$ : 모듈열의 거리(m)

식 (1)에 의해 수평배열 어레이의 경우 대지 이용률 이 30～40%⁽²⁾로 낮으나, 수직배열 어레이는 좁은 면적에 수직으로 어레이를 다수의 여러 층으로 설치함으로써 대지 이용율을 높일 수 있다. 다음 표 2는 수평배열 어레이와 수직배열 어레이의 장․단점을 비교 설명한다.

그림 2는 수직배열 어레이의 실시 예로서 (a)는 건축물에 수직배열한 것이며, (b)는 구조물에 수직배열한 정면도 및 측면도를 나타내며, (c)는 어레이 설치 평면도로서 기초의 돌출폭과 어레이 돌출폭을 나타낸다.

마. PV 어레이 경사각 산정

수직배열 어레이 경사각은 어레이 상부에 겨울철 적설에 대비하여 적설하중이 0kN/㎡인 경사각 이상으로 산정하여야만 한다. 적설하중이 0kN/㎡이 되지 않으면 적설로 인하여 발전량 손실 및 빙설이 발생하여 낙하되면 하부 어레이의 파손과 어레이 아래를 지나는 사람들에게 위해(危害)가 될 수 있다⁽⁴⁾. 따라서 이러한 영향이 없는 경사각을 산정하여야 한다. 경사각 산정방법은 적설하중이 0kN/㎡이 되도록 다음과 같이 산정할 수 있다.

․적설하중⁽⁶⁾

여기서 $S_{s}$ : 적설하중(kN/㎡)

$C_{s}$ : 경사도계수(경사도 70° 이상=0)

$S_{f}$ :평지붕 적설하중(kN/㎡)

수직배열 어레이의 적설하중은 식(2)에 의해 계산하여 경사도 70° 이상으로 결정하였다.

바. 어레이 이격거리 산정

태양광발전시스템의 수직배열 어레이 상호이격거리는 통상의 강우상태에서 비를 맞아 이물질이 자연히 씻겨 내려갈 수 있도록 상부 어레이 선단에서 연직선에 대하여 45°로 그은 선의 옥외 부분에 하부 어레이를 배치하였다. 어레이의 경사각은 86°로 결정한 후 각 위도에 따라 하지 시 식(3)을 이용하여 남중고도를 계산하여 표 3, 표 4에 기재하고, 식(4)를 이용하여 어레이의 돌출폭을 산정하였다. 또한 산정한 돌출폭은 상부 어레이로 인한 하부 어레이에 음영을 생기지 않도록 식(5)를 이용하여 음영길이를 계산하고 식(6)을 이용하여 어레이의 이격거리를 산정하여 표 3, 표 4에 나타낸다.

․남중고도⁽⁷⁾

어레이 설치 시 경사각에 의한 돌출폭(식(4)), 음영길이(식(5)) 및 어레이 이격거리(식(6))를 산정하기 위해 Figs. 3 (a)는 수평배열 어레이의 이격거리 산정을 위한 개념도이며, Figs. 3 (b)는 수직배열 어레이 이격거리 산정을 위한 개념도를 나타낸다.

․돌출폭⁽⁸⁾

여기서 $P_{H}$: 돌출폭(mm)

L : 모듈의 경사 길이(mm)

$\alpha$ :모듈의 경사각(°)

․음영길이⁽⁸⁾

여기서 h : 태양의 남중고도

S : 모듈 최하단 끝선에서 그림자 끝선까지의 길이

․어레이 이격거리⁽²⁾

여기서 $\alpha$ : 어레이 설치면에서의 경사각(°)

$\beta$ : 그림자 경사각(남중 고도 시)(°)

다음 Figs. 4는 수직배열 어레이 설치 경사각은 70～86°(범위 16°)의 범위를 나타내고 있다.

어레이 경사각 70°일 때 돌출폭 277mm가 되며, 표 3은 하짓날 남중고도 시 산정한 어레이의 음영길이와 이격거리를 지역별로 나타내고 있다.

경사각 86°일 때 돌출폭 57mm가 되며 표 4는 하짓날 남중고도 시 산정한 어레이의 음영길이와 이격거리를 지역별로 나타내고 있다.

2.2 태양광발전시스템의 시뮬레이션

본 연구는 한국에너지기술연구원의 기상데이터를 기본적으로 제공하는 Solar Pro Ver 4.5를 이용하여 시뮬레이션을 하였다. 수직배열 어레이를 8직렬 8병렬로 회로를 10kW급으로 구성하여 태양광 발전시스템을 각 지역별(서울, 강릉, 청주, 광주, 부산, 제주)로 동일한 돌출폭(57mm)로 결정한 다음 수직 배열한 상부 어레이로 인한 하부 어레이에 음영이 발생하지 않도록 하지 시 남중고도를 계산하여 각 지역의 음영길이를 계산하고, 이격거리를 산정한 다음 각각의 경사각을 변경하면서 시뮬레이션을 실시하였다. 또한 돌출폭(277mm)을 결정한 다음 동일한 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션 변수는 환경조건(지역의 일사량) 및 시스템 파라미터(모듈 효율, 경사각, 방위각, 모듈 온도특성) 및 음영발생을 고려하여 발전량을 분석하였다. 또한 경사각을 변경하여 경사각별 발전량을 분석하고 분석한 발전량은 발전효율을 높이고 안전한 경사각 범위를 산정하는데 이용한다.

가. 시뮬레이션 프로그램의 개요

Solar Pro Ver 4.5는 태양광 발전 시스템에 관련된 모든 요소(설치장소, 위도, 경도, 경사각, 방위각 및 성능), 햇빛의 영향(그림자, I-V계산, 전력계산, 경제성 등) 등 분석기능이 있는 시뮬레이션 프로그램으로서, 태양광발전시스템의 시뮬레이션이 가능하며 3D 이미지로 실제 현장과 유사하게 표현 가능하다. 기상데이터는 한국에너지기술연구원(KIER)에서 (주)다한테크에 제공한 1990년～2004년 월 평균 측정 데이터와 한국 기상청에서 제공하는 2009～2018년간의 월평균 데이터를 선택하여 사용할 수 있으며, 실제 기상데이터에 맞도록 수정할 수 있다.

나. 태양광 모듈 및 어레이의 I-V 특성

본 연구에서 태양광발전시스템의 어레이를 구성하는 태양광 모듈은 발전효율이 높고 경제적이며, 수직배열에 따른 돌출폭이 작고, 고소작업에 따른 이동과 설치가 용이한 크기인 Solar World AG의 160W 단결정 실리콘 모듈을 8직렬 8병렬인 10kW 규모로 구성하였다.

선정한 태양광 모듈 제품 사양을 표 5에 나타낸다.

그림 5는 Solar Pro Ver 4.5인 컴퓨터 시뮬레이션프로그램을 사용하여 선정한 모듈을 8직렬 8병렬 회로를 구성한 수직배열 어레이의 I-V특성곡선을 나타낸 것으로 최대 전압은 271.95V, 최대 전류는 37.61A 및 최대전력은 10,227.20W로 이론출력인 10,240W의 99.88%로서 이론출력과 유사하게 나타났다.

다. 분석대상 지역

우리나라 전역의 발전량 분석을 위하여 위도별 1지역 이상 총 6개 지역을 선정하였으며 표 6은 분석대상 지역의 위도와 경도를 나타낸다.

2.3 시뮬레이션 결과

가. 경사각에 따른 발전량 분석

수직배열 어레이는 돌출폭 57mm로 산정하고 우리나라 6개 지역의 남중고도 시 음영이 발생하지 않도록 위도별로 서울과 강릉은 1,044mm, 청주는 1,063mm, 부산과 광주 1,086mm, 제주 1,146mm를 이격하여 시뮬레이션을 한 발전량 결과를 Figs. 6에 나타낸다. 서울은 20°에서, 7,801kWh, 서울을 제외한 강릉, 청주, 부산, 광주, 제주는 경사각 30°에서 각각 8,825, 8,567, 8,997, 8,703, 7,375kWh로 발전량이 가장 높게 나타났으며, 경사각이 증가하면서 발전량이 감소하다가 80°에서 다시 상승하는 것으로 분석되었는데 이는 어레이 간격을 고정한 상태에서 경사각만을 변경하여 음영이 증가된 것으로 분석되었다. 서울을 제외한 지역은 30°에서 발전량이 가장 높게 나타났으나 20～80°까지 발전량의 차이는 제주를 제외한 지역에서 평균 약 1.5～2.4%로 큰 차이가 발생하지 않은 것으로 분석되었다. 또 제주에서도 20°에서 발전량이 가장 높게 분석되었고, 경사각이 증가하면서 감소하였는데 이는 경사각이 증가할수록 태양의 일사량이 감소되어 발전량이 감소하는 것으로 분석되었다.

상기 시뮬레이션으로 분석한 데이터는 표 7에 나타낸다.

또한 표 8에서 제주와 청주를 비교하면 경사각 70°에는 청주는 10,449kWh를 발전하고, 제주는 8,505kWh를 발전하여 약 81.4%에 그치고 경사각 86°에서는 청주는 8,851kWh를 발전하고, 제주는 6,844kWh를 발전하여 약 77.3%에 그치고 있어 제주는 경제성을 검토해야 할 것으로 분석되었다.

그림 6은 경사각을 0～90°까지 10° 간격으로 시뮬레이션하였으나 70° 미만은 적설지역의 빙설의 위험이 있어 수직배열 어레이에 적용할 수 없으므로 적설하중이 없는 70～90° 범위로 한정하여 70～80°까지는 5° 간격으로 80～90°까지는 1° 간격으로 시뮬레이션을 통하여 발전량을 분석하였다. 수직배열 어레이는 선정한 모듈을 이용하여 표 3과 표 4에 나타낸 지역별 어레이 이격거리를 적용하였다.

그림 7은 청주의 경사각별 년간 발전량을 보여 주고 있다. Figs. 7은 어레이의 이격거리를 1,063mm고 유지하고 경사각을 변경하면, 85°에서 최대발전량 8,897kWh를 나타내고, 86°에서 8,851kWh, 87°에서는 8,764kWh를 발전하여 85°와 비교하면 86°는 46kWh가 낮은 약 0.51%, 87°에서는 발전량이 133kWh 낮아서 1.5% 적게 발전하는 것으로 분석되었다. 85° 이하 70°까지는 어레이 이격거리를 증가시키면 발전량이 증가하는 것으로 분석되었으며, 86°를 넘는 경우에는 어레이 자체음영의 영향이 없어도 입사하는 일사량이 감소되어 발전량이 감소하는 것으로 분석되었다. 또한 시물레이션한 5개 지역에서도 87° 이상에서 발전량이 감소하는 경향이 동일하게 분석되었다.

나. 방위각에 따른 발전량 분석

청주에서 수직배열 어레이를 경사각 86°로 고정하고 정남쪽을 기준으로 동쪽 및 서쪽으로 각각 15°와 30°로 방위각을 변경할 때 태양광발전시스템의 발전량 변화를 분석한 것으로 Figs. 8에 나타낸다.

86°의 동쪽과 서쪽의 30°에서는 정남향 기준으로 발전량의 차이는 경사각 86°에서 각각 3.4%와 약 4.2%가 감소되는 것으로 분석되었으며, 이는 수평배열 어레이와 마찬가지로 수직배열 어레이 설치 시 방위각을 서쪽보다는 동쪽으로 향하는 것이 발전량을 증가시키는데 효과적인 것으로 분석되었다.

다. 년간 발전량 분석

청주의 경사각 86°, 어레이 이격거리 1,063mm로 배열한 1년간 발전시뮬레이션 결과로서 PV 전압, PV 온도, 대기 온도, 총 일사량, PV(DC)측 월 발전량 및 AC측 월 발전량을 Figs. 9에 나타내며 다른 지역도 이와 같은 패턴을 보였다. 총 발전 전력량은 8851.34kWh 중에 동절기에는 음영이 발생하지 않아 1월에 955.13kWh 최대 발전량을 나타내고, 하절기에는 음영의 영향으로 동절기와 반대로 7월에 481.86kWh 최소 발전량을 나타나는 것으로 분석되었다.

하절기 수직배열 어레이는 발전량 외에 음영길이가 긴 주간에 어레이의 음영으로 인하여 건물의 냉방부하가 절감되는 효과가 있으며 에너지의 경제면에서는 효과가 있을 것으로 판단되는데 Solar Pro Ver 4.5에는 냉방부하로 인한 에너지 절감효과를 적용하는 기능이 없으며, 실측은 모형제작과 1년 이상 측정해야 하는 한계 등으로 인하여 차후 연구가 이루어져야 할 것이다.

수직배열 어레이는 경사각을 70° 미만으로 할 경우 돌출폭이 커지고 음영길이가 길어져 어레이 설치간격이 증가하고 발전설비 설치용량이 작아진다. 또한 적설 및 이물질의 자연적으로 제거되지 않으며, 빙설 부착 시에는 어레이 아래를 지나는 사람에게 위해를 줄 수 있다. 따라서 발전설비 용량을 증가할 수 있고, 모듈 표면에 이물질이 부착하면 비나 바람에 의해 자연적으로 제거되고 빙설이 발생하지 않는 수직배열 어레이 설치 경사각은 70°～86°가 적합한 것으로 분석되었다.