서 론
연구 방법
수직형 태양광발전시스템의 구성
태양전지 모듈의 선정
수직형 태양광발전시스템의 모듈 설치 각도
태양광 타워 구조물의 설계
수직형 태양광발전시스템의 설치면적 산출
태양광 설치면적 절감효과 분석
1.22 kW 시스템 대상 절감효과 분석
7.32 kW 시스템 대상 절감효과 분석
결 론
서 론
최근 전 세계적으로 탄소배출량 감축을 위하여 재생에너지 보급에 많은 노력을 하고 있다. 대한민국 정부는 2030년까지 재생에너지 발전량 비중을 20%로 늘리는 것을 목표로 하고 있으며, 산업통상자원부는 2017년 12월 ‘재생에너지 3020 이행계획’을 발표하였다. 이행계획에 따르면 다양한 재생에너지 중 태양광발전시스템과 풍력발전시스템을 통해 신규설비의 약 97%를 보급하는 것을 목표로 하고 있다(MOTIE, 2017).
하지만 국토의 대부분이 산지로 구성되어 있으며 부지 비용이 상대적으로 비싼 국내의 경우 태양광발전시스템 보급 확대에 따라 산지 및 임야의 훼손 문제 등 건설부지 확보에 어려움이 있다. 이러한 국내 현실상 유휴 부지를 최대한 이용하며, 동일 용량 발전시스템의 설치면적을 줄이는 것이 가장 합리적인 방안일 것이다. 그러나 현재의 태양광발전시스템은 상대적으로 넓은 면적을 필요로 하고 있으며, 기존의 태양광 보급정책은 시스템 발전효율을 중시하여 시스템의 설치면적에 대한 효율은 고려하지 못하고 있다.
고밀도로 집적된 도시에서의 태양광발전시스템은 설치면적의 한계로 건축물의 지붕에 지지구조물과 함께 PV시스템으로 설치되거나, 건물외피에 BIPV 형태로 적용되고 있다. 주차장 태양광 지붕, 도로의 방음벽 등에 적용된 사례(Zimmerman et al., 2020)들도 찾아볼 수 있다. 최근에는 설치면적의 한계를 극복하기 위한 또다른 방안으로, multi level을 가진 수직형 태양광발전시스템이 시범적으로 제안되고 있다(Zenan et al., 2013). 이와 함께, 수직형 태양광발전시스템에 대한 경제성/타당성분석으로 그 적용가능성을 다각적으로 검토하고 있다(Ghazali et al., 2017).
본 논문은 태양광발전시스템의 설치면적을 절감하기 위하여 타워 구조를 가진 수직형 태양광발전시스템을 제안하였고, PVsyst 7.2 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 대안별 태양광 발전량을 예측하였다. 이를 토대로 수직형 태양광발전시스템의 타당성 제시를 위해서, 동일 발전량의 수평형 태양광발전시스템과 비교하여 수직형 태양광발전시스템의 수광효율 및 설치면적에 따른 시스템 발전량을 분석하였다.
연구 방법
태양광발전시스템의 발전량을 예측하기 위한 방법으로 PVsyst 7.2 프로그램을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. PVsyst는 태양광발전시스템의 연간 발전량 산출 및 음영 등 손실 분석에 사용하는 전문 소프트웨어이다. Figure 1과 같이, 시스템의 사전설정 단계에서 시스템의 간단한 입력 변수만으로 시스템 설치 각도 및 방위별 유효면적과 손실률을 예측할 수 있도록 하였으며, 시뮬레이션 단계에서 시스템 구성과 음영 분석을 통해 손실률과 발전량을 산출할 수 있다(Figure 2).
먼저 PVsyst 사전설정 단계에서의 예측값을 활용하여, 수직형 태양광발전시스템의 구성 및 시스템 구성요소별 대안(Type A ~ Type G) 선정을 진행하였다. 선정된 대안들에 대한 시뮬레이션을 수행하고, 동일 발전량의 수평형 태양광발전시스템과 비교하여 태양광 설치면적에 대한 절감효과를 분석하였다.
수직형 태양광발전시스템의 구성
태양전지 모듈의 선정
수직형 태양광발전시스템은 태양전지 모듈간의 음영간섭을 피하기 어렵기에 모듈간의 음영간섭을 최소화할 방안이 필요하며, 현재 일반적으로 활용되고 있는 태양전지 모듈로는 수직형 태양광발전시스템 적용에 있어서 분명한 한계점을 가진다.
현재 양산되고 있는 태양전지 모듈들 가운데, 영농형 태양전지 모듈은 농작물의 수확량 확보를 위한 모듈 하부 일조량 증대를 고려하여(Kwon and Lee, 2021), 일반 태양전지 모듈 보다 폭이 좁은 모듈이 적용되고 있다(Riaz et al., 2021). Figure 3과 같이 일반적인 태양광발전시스템에 사용되는 72셀 타입 보다는 하프 사이즈인 36셀 타입이 영농형 태양전지 모듈로 더 많이 사용되고 있다(KSES, 2018).
수직형 태양전지 모듈간 음영간섭을 최소화하여 수직 타워형 구조에 적용하기 위해, 본 논문에서는 1,980×520 ㎜ (153 Wp 36 cells) 영농형 태양전지 모듈을 선정하였다(Figure 4). 최근 수직형 태양광발전시스템에 양면 수광형 모듈(Bifacial photovoltaic panels)을 적용하는 연구(Appelbaum, 2016)도 나타나고 있으나, 현재 일반적으로 활용되어지는 단면 태양전지 모듈로 한정하였다.
수직형 태양광발전시스템의 모듈 설치 각도
수직 타워형 구조의 태양광발전시스템은 태양전지 모듈간의 음영간섭으로 인하여 일반적인 태양광발전시스템과 태양전지 모듈의 최적 설치각도에 차이가 있을 수 있다. 본 연구에서는 PVsyst 사전설정(orientation) 단계에서 정남향을 기준으로 하여 태양전지 모듈 설치각도 15°, 30°, 45°별로 수광효율 예측값을 비교․분석하였다(Figure 5).
Figure 6의 수광효율 분석 결과에 따르면 15°설치의 경우 음영에 의한 손실은 적으나 그 이상으로 입사면적의 효율로 인한 손실이 가장 크다. 발전량 측면만을 고려할 때에는 45°의 모듈 설치가 다소 유리하나 모듈의 돌출부로 인한 설치면적 증가와 미관적 측면 및 구조적 측면에서 다소 불리하다. 30°모듈 설치의 경우 발전량 측면에서 45°설치에 비해 약 6%의 차이가 예상되나 돌출부로 인한 설치면적은 20% 절감이 예상된다(Table 1). 본 논문에서는 음영, 발전량, 미관, 구조적 안전성 등을 고려하여 수직 타워형 구조에 적합한 태양전지 모듈의 적정 설치 각도로 30°를 도출하였다.
Table 1.
Prediction of module installation angle and power generation
| Installation angle | 15° | 30° | 45° |
| Global power generation on collector plane | 1193 kWh/㎡ | 1346 kWh/㎡ | 1436 kWh/㎡ |
| Loss with respect to optimum | -18.2% | -7.7% | -1.5% |
| Protrusion of module | 227 ㎜ | 349 ㎜ | 441 ㎜ |
태양광 타워 구조물의 설계
수직 타워형 구조는 야외환경을 고려하여 풍하중 등 구조하중에 대한 안전성을 기본적으로 확보할 필요가 있다. 본 연구에서는 수직형 태양광발전시스템의 타워형 구조를 고려하여 기성 steel 자재를 대상으로 기술사의 구조 안전 검토를 통해 안전성이 확보된 설계안을 도출하였다. 이때 풍하중은 KDS 41 10 15 : 2019 (Korea Construction Standards Center, 2019)에 따라 산정했다. 태양광 시설물이 주로 산지 또는 해안가에 설치되는 것을 감안하여 기본설계풍속 30 m/sec, 지표면 조도 구분 D 그리고 지형계수 1.1을 적용하여 설계속도압을 산정하였으며, 풍방향풍압은 2.2 kN/㎡을 적용했다.
본 논문에서는 수직 타워형 구조에 대한 구조안전성 확보와 태양전지 모듈간 음영간섭을 고려하여, 타워 1 set당 태양전지 모듈 8개를 30° 로 설치하는 수직형 태양광발전시스템(1.2 kW)을 구성하였다(Figure 7).
수직형 태양광발전시스템의 설치면적 산출
본 논문에서는 수직형 태양광발전시스템의 적용에 따른 설치면적 절감효과를 분석하기 위하여 기존 일반적인 수평형 태양광발전시스템의 설치면적과 발전량을 비교 분석하였다. 이때 수직형 태양광발전시스템의 설치면적은 구조안전성 확보를 위환 기초면적 및 모듈의 돌출을 고려하여 너비(W=2.3 m)와 깊이(D=0.7 m) 및 설치면적(1.61 ㎡)을 산출하였다. 그리고, 기존 일반적인 시스템의 어레이 너비(W=15.84 m)와 어레이 깊이(d1=0.26 m) 및 설치면적(4.12 ㎡)을 산출하였으며, 어레이간 간격(d2)은 1.5 H 혹은 2.0 H를 적용하여 산출하였다.
태양광 설치면적 절감효과 분석
선정한 수직형 태양광발전시스템의 설치면적 절감효과 및 단위면적당 에너지 고밀도화 효과를 PVsyst 시뮬레이션 분석을 통하여 비교 및 검토하였다. 이와 함께, 수직 타워형 구조물의 특성과 구조안전성을 고려하여 태양광 점유면적을 산출하여 검토하였다. 1차적으로 153 Wp 모듈 8장으로 구성된 1.22 kW의 시스템인 태양광 타워 1 set를 대상으로 절감효과를 분석하였고, 2차적으로 이 태양광 타워를 좁고 긴 유휴부지에 설치한다는 가정 하에 7.32 kW 태양광 타워 6 set를 대상으로 절감효과를 분석하였다.
1.22 kW 시스템 대상 절감효과 분석
본 논문에서 제안한 수직형 태양광발전시스템은 기본적으로 태양광 타워 1 set당 153 Wp 모듈 8장으로 구성된 1.22 kW 시스템이다. Figure 8과 같이 이와 동일 발전량의 기존 일반적인 수평형 태양광발전시스템과 대지설치면적을 비교하였으며, 시뮬레이션을 통해 산출한 연간 시스템 발전량과 연간 면적대비 발전량을 비교하여 절감효과를 분석하였다.
1.22 kW 시스템인 타워 1 set를 대상으로 하여 비교 분석한 결과 수직형 태양광발전시스템은 수직 구조물 형태에 따른 음영손실로 인하여 기존 일반적인 수평형 태양광발전시스템에 비하여 연간 발전량은 약 85% 수준이나, 점유면적은 약 40% 정도로서, ㎡당 환산한 면적대비 연간 발전량은 약 200% 수준으로 우위에 있어 절감효과를 확인할 수 있다(Table 2).
Table 2.
Simulation results (1.22 kW)
7.32 kW 시스템 대상 절감효과 분석
기존 일반적인 수평형 태양광발전시스템은 설치용량이 증가되어 어레이 배열이 증가할수록 음영간섭을 피하기 위한 어레이 간격으로 인하여 점유면적의 증대 영향이 크다. 따라서 설치용량을 증가시킨 태양광 타워 6 set의 7.32 kW 시스템을 대상으로 하여, 시뮬레이션을 통해 산출한 연간 시스템 발전량과 연간 면적대비 발전량을 비교하고, 그 절감효과를 분석하였다. 이때 타워형 구조물간 간격은 기초 크기를 고려하여 0.4 m의 이격거리를 두었으며 일반적인 시스템의 어레이간 간격은 1.5 H (D, F형) 및 2.0 H (E, G형)로 산정하여 비교분석하였다(Figure 9).
7.32 kW 태양광 타워 6 set의 시스템을 대상으로 하여 비교 분석한 결과, 수직형 태양광발전시스템은 수직 구조물 형태에 따른 음영손실로 인하여 기존 일반적인 시스템에 비하여 연간 발전량은 약 78% 수준이나, 점유면적은 약 16% 정도로서, ㎡당 환산한 면적대비 연간 발전량은 약 600% 수준으로 우위에 있어 절감효과를 확인할 수 있다. 또한 수직형 태양광발전시스템의 용량을 확장할수록 절감효과가 증대될 것을 예상할 수 있다(Table 3).
Table 3.
Simulation results (7.32 kW)
결 론
본 논문에서는 보다 다양한 태양에너지 보급방안과 에너지고밀도화를 위한 태양광발전시스템의 설치면적 절감방안으로 타워형 구조를 가진 수직형 태양광발전시스템을 제안하였다. 그리고, 제안된 수직형 태양광발전시스템의 대지설치면적과 면적당 발전량을 산출하고, 기존 일반적인 수평형 태양광발전시스템과 비교․검토를 통하여 수직형 태양광발전시스템의 절감효과와 타당성을 검증하였다.
(1)수직형 태양광발전시스템은 음영 손실로 인하여 발전량은 감소하나 대지설치면적의 절감으로 ㎡으로 환산한 면적당 발전량은 음영에 의한 손실을 초과하여 크게 증대됨을 확인하였다. 1.22 kW 시스템인 타워 1 set 기준으로 수직형 태양광발전시스템은 수평형 태양광발전시스템에 비하여 연간 발전량은 약 85% 수준이나, 점유면적은 약 40% 정도로서, ㎡당 환산한 면적대비 연간 발전량은 약 200% 수준으로 증대되었다.
(2)7.32 kW 태양광 타워 6 set의 시스템 기준으로 수직형 태양광발전시스템은 수평형 태양광발전시스템에 비하여 연간 발전량은 약 78% 수준이나, 점유면적은 약 16% 정도로서, ㎡당 환산한 면적대비 연간 발전량은 약 600% 수준으로 높은 절감효과를 확인하였다. 아울러, 수직형 태양광발전시스템의 용량을 확장할수록 절감효과가 더욱 증대될 것으로 판단된다.
(3)태양광발전시설의 대지설치면적을 크게 줄일 수 있으며 면적당 발전량을 증대시킬 수 있어 좁은 면적의 유휴지나 도로 및 보행로 등의 선형 부지 설치에 유리하여 다양한 공간을 활용할 수 있으며, 또한 부동산 비용 부담이 큰 도시지역 등에서 활용가치가 극대화될 수 있을 것으로 사료된다.
본 논문에서 제안한 수직형 태양광발전시스템 prototype은 주변환경이나 프로젝트 성격에 따라 다양한 구성과 디자인으로 나타날 수 있다. 향후 이러한 다양한 수직형 태양광발전시스템에 대한 연구 및 개발을 진행할 예정이다. 구조안정성 확보를 위한 타워 구조의 초기투자비에 따른 수직형 태양광발전시스템의 경제성 분석도 추가적으로 수행할 계획이다.
