1과목 기획 1장 태양광발전 설비용량 조사_1 음영분석

1 음영분석

1.1 음영분석

(1) 태양궤적도

- 태양궤적도 : 연중 태양의 궤적을 방위각과 고도각을 이용, 차트로 표현한 것

- 방위각: 겉보기 태양의 위치와 관측점을 잇는 직선과 균분원의 면에 연직이고, 관측점을 지나는 수평선이 이루는 각도가 지면에 투영된 각도

- 수평사영 태양궤적도: 수평면상에 투영된 태양궤적을 나타낸 그림

- 수직사영 태양궤적도: 수직면상에 투영된 태양궤적을 나타낸 그림

- 신 월드램 태양궤적도

  * 세로축은 고도각, 가로축은 방위각을 나타낸다.

  * 태양고도(계절별): 태양전지 모듈 설치 각도(가변), 어레이의 앞열과 뒷열간의 이격거리 결정

  * 태양의 방위각: 태양전지 모듈 설치방향과 발전시간 결정

 

(2) 음영분석

태양전지 어레이는 태양전지 모듈이 직병렬 접속되어 구성되므로 설계 시 음영(그림자)에 의한 발전량 감소가 없도록 사전 검토가 필요

- 음영의 발생원인

  ① 인접 건물, 식재 등 장애물

  ② 태양전지 어레이 배치 시 남쪽에 위치한 앞 열에 의해

  ③ 기타 나뭇잎, 새의 배설물, 흙탕물 등

  ※ 원별시공기준에 의거 전기줄, 피뢰침, 안테나 등 경미한 음영(그림자)은 장애물로 보지 않는다.

- 음영의 영향: 태양전지 모듈의 전류가 급감하여 발전량이 줄어든다.

- 음영의 대책

  ① 결정한 발전시간(동지기준 10시~15시)에 어레이 앞 열에 의한 뒷 열의 그림자가 없도록 이격거리를 확보

  ② 대지에 설치 시 흙탕물에 의한 음영을 고려하여 어레이 하단부를 지면으로부터 0.6[m]이상으로

  ③ 식재 등의 성장에 의한 음영(그림자)대책을 수립

  ④ 모듈에 대한 청소주기를 검토

 

(3) 그림자(음영)의 길이와 배율

- 그림자의 길이

  ① 태양의 고도각($h$), 지평면(수평면)에 수직으로 세워진 높이 $L$[m]인 막대기가 만든 그림자의 남북방향의 길이($L_s$)

$$L_s=\frac{L}{\tan(h)} [m]$$

- 그림자의 배율

  ① 그림자의 배율은 막대의 높이($L$)에 대한 그림자의 길이($L_s$)의 비

  ② 태양의 고독각이 $h$이고 방위각이 $ \alpha $일 때, 수평면에 수직으로 세워진 높이 $L$[m]인 막대기가 만든 그림자의 남북방향의 길이가 $L_s$[m]일 때, 그림자 배율 $R$의 다음 식과 같다.

$$그림자의 배율(R) = \frac {L_s}{L} = \frac {X \times \cos \alpha }{X \times \tan h}=\frac {\cos \alpha }{\tan h}=\cos \alpha \times \cot h$$

 

1.2 어레이 이격거리

(1) 방위각과 경사각

- 방위각과 결사각 설계 시 고려사항

구 분	개 념	설계 시 고려사항
방위각	어레이가 정남향과 이루는 각	발전시간 내 음영이 생기지 않도록 배치 최소의 설치 면적
경사각	어레이가 지평면과 이루는 각	발전전력량이 연간 최대가 되도록 배치 적설을 고려하여 결정 경사각에 따른 이격거리 확보

- 방위각

지표면에 설치된 태양전지 모듈의 정북에 대한 위치, 모듈 표면이 향하는 방향을 나타내는 것으로 일반적으로 정북(true north)이 방위각의 기준(0)이 되며, 시계방향(동쪽)으로 수평각으로 표시하며, 고정식 태양광 어레이에서는 모듈을 정남향으로 설치하여야 최대 발전량을 얻는다.

① 정남기준 방위각별 출력감소: 고정식 태양전지 어레이에서 정남이 최대발전량이라면 정동과 정서는 이론적으로 각각 20[%]의 손실이 발생

② 나침반 사용 시 지구자계 오차보정: 나침반을 사용할 때, 우리나라 중부지방에서의 정북은 적색 자침으로 왼쪽으로 -7˚일 때, N의 방향이 정북이 된다.

 

- 경사각

  ① 태양광 어레이가 지평면과 이루는 각

  ② 발전전력량이 연간 최대가 되는 최적 경사각 설정(※ 고정식은 그 지방의 위도)

  ③ 발전시간 내 음영이 생기지 않도록 어레이 배치

  ④ 건축물의 경사진 지붕을 이용할 경우 지분의 경사각으로 함

  ⑤ 적설을 고려하여 결정(※ 적설 고려 경사각 45˚)

  ⑥ 경사각을 낮출수록 대지이용률이 증가함

 

(2) 경사각에 따른 이격거리 계산

- 이격거리 산정 시 고려사항

  ① 설치될 장소의 지표면 경사도

  ② 가대의 경사도와 높이

  ③ 태양전지 모듈의 가로길이, 세로길이

  ④ 그 지역의 위도

  ⑤ 동지 시 발전 가능 한계 시각에서의 태양의 고도

 

- 어레이 이격거리 계산

  ① $d=L\{\cos(\alpha)+\sin(\alpha)\times\tan(90 - \beta)\}$ [m]

  ② $d=L\times\frac{\sin(180 ^\circ-\alpha-\beta)}{\sin\beta}$ [m]

  ③ $d=L\times\frac{\sin(\alpha+\beta)}{\sin\beta}$ [m]

    $\bullet$ $d$: 어레이의 최소 이격거리 [m]

    $\bullet$ $L$: 어레이 길이[m]

    $\bullet$ $\alpha$: 어레이의 경사각[$^\circ$]

    $\bullet$ $\beta$: 발전한계시각에서 태양의 고도[$^\circ$]

    ※ 상기 ①, ②, ③의 계산결과는 같다.

  ④ $대지이용률(f)=\frac{모듈의 길이(L)}{어레이 이격거리(d)}$

 

- 위도가 주어질 때 어레이 이격거리 계산식

  ① $d=L\{\cos(\alpha)+\sin(\alpha)\times\tan(90-(위도+23.5))\}$ [m]

 

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