최정욱
(Jung Uk Choi)
1
조성우
(Sung Woo Cho)
2†
-
창원대학교 대학원
(Department of Architecture, master course, Changwon National University, Gyeongnam,
51140, Republic of Korea)
-
창원대학교 건축공학과
(Department of Architecture, Changwon National University, Gyeongnam, 51140, Republic
of Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
태양광발전 시스템(Photovoltaic System), 그림자비율(Shadow ratio), 방위각(Azimuth), 태양입사각(Sun incidence angle)
기호설명
θ"：태양의 고도각 [-90°~+90°]
δ：태양의 적위 [-23.5°~+23.5°]
Φ：위도 [-90°~+90°]
H：시각 [-180°~+180°]
θ：방위각 [°]
θ'：PV 모듈 각 [°]
s：사이거리 [m, 맞은편 건축물 외벽에서 PV 모듈에 이르는 수평거리]
Pw：PV 모듈의 너비 [m]
Ph：PV 모듈의 높이 [m]
Bw：건축물의 너비 [m]
Bh：건물높이(가해건축물 높이피해건축물 높이) [m]
Sh, Sh'：그림자의 높이 [m]
Sb：그림자의 밑변 [m]
Sd：그림자의 대각 [m]
Sa：그림자의 넓이 [m]
Sr：그림자의 비율 [%]
k：모듈에 발생하는 우측 끝 그림자에서 지면에 수직으로 이르는 길이 [m]
a：가해건축물 최상부에서 태양의 입사각에 따라 지면까지 발생하는 그림자 길이 [m],
b：가해건축물 최하부에서(태양의 방위각-90°) 에 따라 a의 하부 끝 지점까지 발생하는 그림자 길이,
k'：모듈에 발생한 그림자의 최상부에서 지면에 수직으로 이르는 길이 [m]
a'：가해건축물 최상부에서 a의 하부 끝 지점 까지 발생하는 그림자 길이 [m],
b'：가해건축물 최하부에서 a변의 하부 끝지점에 수직으로 발생하는 그림자 길이 [m],
1. 연구배경 및 목적
세계 태양광발전 시스템 설치시장은
Fig. 1에서와 같이 2004년 1 GW를 초과한 이후 43% 이상의 폭발적인 복합 연평균 성장률로 급성장하여 왔으며
Fig. 2에서 보듯이 누적 설치 용량은 약 3.4 GW로 짧은 기간에 크게 성장했다. 이는 세계 여러 국가가 신ㆍ재생에너지원의 확대를 정부 정책의 중요한 기조로
삼고 있기 때문이며, 신ㆍ재생에너지원 중 태양광이 친환경적이면서도 산업유발 효과가 큰 에너지원이라는 점이 작용하고 있기 때문이다.
(1)
Fig. 1. Global PV Installation Market Status.
Fig. 2. Solar module installation capacity by year.
우리나라는 태양광 신규설치 규모가 세계 7위 수준에 달했으며 2015년도에는 약 1.22 GW가 신규 설치된 것을 시작으로 2020년까지 누적 용량이
10 GW로 추정 될 만큼 태양광 발전 산업이 활발하게 진행되고 있다.
(2) 태양광 발전은 일사량 의해 발전량이 크게 좌우되는 특징을 가지고 있다. 이와 같은 이유로 우리나라에서는 지상 2층 주택 옥상(피해건물)에 소규모
태양광발전소를 설치하여 전력이 생산되고 있었으나, 인접대지에 신축된 지상 5층 규모의 다세대 건축물(가해건물)로 인하여 태양광 모듈(이하 PV 모듈이라
칭함)에 유입되는 일조량의 감소는 발전량 감소에 큰 영향을 미치게 되었다. 이에 중앙 환경 분쟁 조정위원회는 태양광발전소의 발전량 피해에 대해 원인
제공자가 배상을 해야 한다는 첫 판결이 2016년도에 나왔다.
(3)
본 논문에서는 PV 모듈이 설치된 건물을 피해건물, PV 모듈에 영향을 미치는 건물을 가해건물이라고 칭한다. PV 모듈의 경우 남향을 향해서 설치되는
경우가 대부분이므로 본 연구에서는 비전문가도 현장에서 PV 모듈에 영향을 미치는 건축적 요소들에 대한 실측 데이터를 활용하여 그림자 비율을 예측 할
수 있는 간이식 개발을 목적으로 두고 있다.
2. 연구방법
PV 모듈의 발전량은 일사량에 영향을 많이 받기 때문에 남측을 향하여 설치되는 경우가 대부분이므로 피해 건물이 정남에 위치한 경우, 태양고도가 높은
하지를 기준으로 대상지역의 위도, 설치된 PV 모듈의 높이와 너비, 가해 건축물 높이와 너비, 설치된 PV 모듈과 가해 건축물의 수평거리, 태양의
입사각을 고려하여 가해 건축물이 PV 모듈에 미치는 그림자 비율을 수치화 하였으며, 이에 대한 결과를 상용화 되어 현장에서 활용되고 있는 Ecotect
프로그램의 시뮬레이션 결과값과 비교 검토를 통하여 타당성을 검토하고자 한다.
3. 계산식 도출 및 시뮬레이션 비교 검토
PV 모듈의 그림자 예측을 위한 간이식 계산의 필요 항목은
Fig. 3과 같으며, Ecotect을 활용하여 PV 모듈에 형성되는 그림자는 삼각형, 사다리꼴, 사각형, 오각형 형태로 예측되었다.
Fig. 3. Triangle type of component.
3.1 계산식 도출과정
3.1.1 삼각형 형태의 넓이
가해건물에 의하여 피해건물의 옥상층에 설치된 PV 모듈에 생성되는 삼각형 형태의 그림자 면적은
식(1)~
식(3)을 이용하여 계산할 수 있으며, 필요한 요소는
Fig. 4와 같다. 삼각형 형태의 밑변은 PV 모듈과 건축물의 너비, 사이거리, 방위각을 활용하여 구할 수 있으며
식(1)과 같다. 삼각형 면적을 구하기 위한 요소 중 하나인 높이는
식(2)로부터 구할 수 있다.
식(1),
식(2)를 이용하여 피해 건물 PV 모듈에 생성되는 그림자의 넓이는
식(3)으로부터 구할 수 있다.
Fig. 4. Items for simplified equation calculation.
3.1.2 사다리꼴 형태의 넓이
사다리꼴 그림자의 면적은 밑변, 윗변과 높이의 곱으로 구할 수 있다. 밑변과 윗변은 태양고도와 방위각에 따라 형태가 달라지므로 밑변과 윗변이 평행한
부분을 기준으로 하면, 사다리꼴 그림자의 형태는
Fig. 5와 같이 좌측과 우측이 평행을 이루는 형태와 상부와 하부가 평행을 이루는 형태인
Fig. 6과 같이 두 종류가 나올 수 있다. 먼저 밑변과 윗변이 좌측과 평행인 경우, 밑변(P
w)은
식(1)과 같이 구할 수 있으며, PV 모듈의 좌측변 (S
h)과 우측변(S
h'')의 길이는
Fig. 5와
Fig. 8을 이용하여
식(4),
식(5)로부터 구할 수 있다. 밑변과 윗변이 좌측과 평행인 사다리꼴의 넓이는
식(1),
식(4),
식(5)를 이용하여
식(6)과 같이 구할 수 있다.
Fig. 5. Components of Trapezoid type(1).
Fig. 6. Components of Trapezoid type(2).
Fig. 7. Components of Square type.
Fig. 8. Components of Pentagon type.
상부와 하부가 평행을 이루는 사다리꼴의 밑변(P
w)은
식(1)과 같이 구할 수 있으며, 높이는
Fig. 6을 이용하여
식(7)로부터 계산될 수 있다. 그러나 윗변은 구할 수 없는 관계로 그림
Fig. 6을 대각길이(S
d)는
식(8)로부터 구할 수 있다. 최종적으로 사다리꼴 그림자 형태의 면적은 식
식(1),
식(7),
식(8)을 이용하여
식(9)와 같이 계산할 수 있다.
3.1.3 사각형 형태의 넓이
PV 모듈에 생성되는 사각형 형태의 그림자 넓이는 밑변과 높이로 곱으로 계산할 수 있으며, 밑변은
식(1), 높이는
식(7)로부터 구할 수 있으므로 최종적인 넓이는
식(10)과 같이 표현할 수 있다.
3.1.4 오각형 형태의 넓이
오각형 형태의 그림자 넓이의 계산을 위하여 밑변은
식(1), 높이는
식(7)과 같으며, 그림
Fig. 8을 이용하여
식(11)과 같이 구할 수 있다.
3.1.5 그림자 비율
PV 모듈에 생성되는 그림자 넓이를 PV 모듈 넓이로 나눈 후 100을 곱하여 구할 수 있으며,
식(12)와 같다.
3.2 비교 검토
본 연구에서 대상으로 하는 PV 모듈과 가해건물에 대한 입력 조건인
Table 3의 데이터를
식(3),
식(6),
식(10),
식(11)에 대입하여 간이식에 대한 타당성을 검토하였다. 동일한 입력조건으로 상용화된 Ecotect 프로그램을 이용하였으며, PV 모듈을 720개로 분할하였다.
시간 경과에 따라 그림자에 생성된 분할 개수의 비율을 조사한 결과는
Table 4와 같다. Ecotect과 간이식 계산에 따라 PV 모듈에 생성되는 그림자 비율에 대한 두 계산의 결과값은 2% 이내의 차이를 보이는 것으로 나타났다.
Table 3. Input condition
|
Division
|
Input
|
|
Location
|
35.14°N, 128.41°E
|
|
Time
|
10:45, 11:00, 11:45, 12:00
|
|
s
|
1 m
|
|
Solar modules
|
Angle 35°, Height 2.4 m, width 3 m
|
|
Building
|
Height 11.2 m, width 6 m
|
Table 4. Comparison between Ecotect simulation results and simplified equation results
|
Division
|
Ecotect
|
Simplified Equation
|
Ecotect
|
Simplified Equation
|
Ecotect
|
Simplified Equation
|
Ecotect
|
Simplified Equation
|
|
Time
|
10:30
|
11:00
|
11:30
|
12:00
|
|
Solar
Altitude
|
61.9°
|
61.9°
|
67.6°
|
67.4°
|
72.8°
|
72.8°
|
76.8°
|
76.8°
|
|
Azimuth
|
106.6°
|
106.4°
|
115.5°
|
116.0°
|
129.0°
|
128.7°
|
150.7°
|
149.9°
|
|
Ratio
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|
|
|
|
|
2.69%
|
3.08%
|
20.66%
|
21.68%
|
44.10%
|
45.00%
|
57.38%
|
57.35%
|
4. 계산식을 활용한 사이거리별 시간 및 높이에 따른 그림자 비율 산출
대상지역은 창원(위도 35.14°44’, 경도 128.41°30’)이며, 시간대는 그림자가 가장 짧은 하지를 기준으로 하였고, PV 모듈은 일반 가정주택에서
주로 채택하고 있는 3 kW를 기준(높이 2.4 m, 너비 6 m, 각도 35°)으로 하였다. 가해건물의 층고는 2.8 m, 가해건물과 피해건물의
옥상층에 설치된 PV 모듈과의 수평거리(s)가 1 m, 2 m, 3 m 일 때, 가해건물의 높이가 피해건물 PV 모듈에 그림자가 발생하는 층부터 그림자
비율의 변화가 나타나지 않는 층까지 15분 단위로 예측하였으며, 피해건물 PV 모듈에 생성된 그림자 비율은
Table 5와 같다.
Table 5. Shadow ratio by time and height with horizontal distance between PV module and opposite building
|
S
|
1 m
|
2 m
|
3 m
|
|
Shadow ratio
|
|
|
|
5. 결 론
본 연구에서는 피해건물의 남측 옥상층에 설치된 PV 모듈과 피해건물의 맞은편에 위치한 가해건물에 의하여 PV 모듈에 발생하는 그림자 비율의 예측을
위한 간이식을 개발을 하였으며, 결과는 아래와 같다.
(1) 간이식과 Ecotect 프로그램 결과값과의 차이는 2% 이내로 간이식 적용은 타당한 것으로 판단된다.
(2) 가해건물의 층수 증가에 따라 그림자 비율은 증가하나, 층수 증가에 따른 그림자 비율은 사이거리가 1 m인 경우 6층, 사이거리가 2 m인 경우
8층, 사이거리가 3 m인 경우 10층 이상부터는 동일하게 나타났다.
(3) 향후 피해건물의 옥상층에 설치된 PV 모듈과 가해건물과의 사이거리와 태양고도 및 방위각의 입력으로 현장에서 손쉽게 그림자 비율에 대한 예측이
가능할 것으로 판단된다.
후 기
본 연구는 2016년도 한국연구재단 기본연구지원사업(후속연구지원)의 재원으로 지원을 받아 수행한 연구 과제의 일부 연구 내용입니다(과제번호 : NRF-2016R1D1A1A09917898).
References
Korea New and Renewable Energy Center , 2016, 2016 New and Renewable Energy White
Paper, pp. 334-335
Ministry of Environment(Center Environmental Dispute Resolution Commission) , 2016,
First compensation for damage caused by sunlight interference
Korea Energy Agency , Domestic and Foreign Solar Energy Trends and Implications, pp.
2
Ecotect Analysis 2011