KR101055290B1 - 임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법 - Google Patents

임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법에 대한 것으로서, 특히 일사량보정계수에 의해 주어진 일적산수평면일사량을 보정하여 임의 경사면의 일적산경사면일사량을 즉시 알아낼 수 있는 임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법에 관한 것이다. 본 발명은 임의의 경사면에 대한 일사량보정계수인 일사수광비율을 한번만 계산해 두면 인근 기상대에서 관측한 임의 날짜의 일적산일사량에 이를 곱하여 보정함으로써, 복잡한 기하학적 계산을 하지 않아도 그 날의 정확한 적산일사량을 쉽게 알 수 있는 임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법을 제공할 수 있다.
수평면, 경사면, 일적산일사량, 청천일사, 수광비율, 태양상수, 보정

Description

임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법{ESTIMATION METHOD OF DAILY SOLAR IRRADIANCE ON ANY SLOPING SURFACE}
본 발명은 임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법에 대한 것으로서, 특히 일사량보정계수에 의해 주어진 일적산수평면일사량을 보정하여 임의 경사면의 일적산경사면일사량을 즉시 알아낼 수 있는 임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법에 관한 것이다.
일반적으로 기상대에서 측정하는 일사량은 소위 '수평면전천일사량'으로서 수평의 지면에 도달하는 0.3 내지 3.0 마이크로미터 파장범위의 복사에너지이다. 또한, 이의 측정단위는 단위시간(1초) - 단위면적(1제곱미터) 당 에너지량(주울)이다. 일반 사용자에게 제공하기 위해서는 이것을 일사측정장비에 의해 24시간 동안 연속측정하고 그 값을 적산하여 제곱미터 당 메가주울(100만 주울) 단위로 표현한다. 이렇게 만들어진 '일적산수평면일사량'은 농림업은 물론 건축, 토목, 태양에너지산업 등에 유용하게 사용된다.
하지만 실제지형은 수평면이 아니라 일정 기울기(경사도)와 기울어진 방향(경사방향)을 가진 경사면인 경우가 대부분이므로, 지표면에 실제로 도달하는 일사 에너지나 그 토지에서 재배되는 농작물군락이 이용가능한 일사량, 즉 '일적산경사면일사량'이 필요하다. 이를 알기 위해서는 기상청에서 발표하는 '일적산수평면일사량'을 해당토지의 경사도와 경사방향은 물론, 그 날의 태양고도와 방위각에 따라 적절하게 보정해야 한다. 하지만 토지의 경사도와 경사향은 고정되어있지만 태양의 고도와 방위각은 연중 날짜뿐 아니라 하루 중 시간대에 따라 변화하므로 정확한 '일적산경사면일사량'을 추정하기 위해서는 시간대별 '수평면전천일사량' 자료를 수집해야 한다. 또한, 그 시간대의 태양위치를 계산해야 하는 등 일반인에게는 수행하기 어려운 작업이 필요하다.
본 발명의 목적은 일적산경사면일사량을 쉽게 구할 수 있는 임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 일적산수평면일사량을 산출하는 단계와, 상기 일적산수평면일사량을 시간대별 수광비율의 합산값인 일사수광비율로 곱하여 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법을 제공한다.
상기 일사수광비율(
Figure 112009019044810-pat00001
)은
Figure 112009019044810-pat00002
이며, 상기
Figure 112009019044810-pat00003
은 합산될 시간대별 수광비율의 개수이고, 상기
Figure 112009019044810-pat00004
는 시간대별 수광비율이다. 이때, 상기 시간대별 수광비율은 수평면 청천일사(clear sky radiation)량에 대한 경사면 청천일사량의 비율 및 시간대별 상대일사강도에 비례한다. 즉, 상기 시간대별 수광비율(
Figure 112009019044810-pat00005
)은
Figure 112009019044810-pat00006
이며, 상기
Figure 112009019044810-pat00007
는 시간대별 상대일사강도이고, 상기
Figure 112009019044810-pat00008
는 일 시간대의 수평면 청천일사량에 대한 경사면 청천일사량의 비율이다.
상기 시간대별 상대일사강도(
Figure 112009019044810-pat00009
)는
Figure 112009019044810-pat00010
이며, 상기
Figure 112009019044810-pat00011
는 일 시간대의 수평면 청천일사량이다. 상기 주어진 시간대의 수평면 청천일사량에 대한 경사면 청천일사량의 비율(
Figure 112009019044810-pat00012
)은
Figure 112009019044810-pat00013
이며, 상기
Figure 112009019044810-pat00014
는 일 시간대의 수평면 청천일사량이고, 상기
Figure 112009019044810-pat00015
는 일 시간대의 경사면 청천일사량이다.
상기 일 시간대의 수평면 청천일사량(
Figure 112009019044810-pat00016
)은 직달성분(
Figure 112009019044810-pat00017
)과 산란성분(
Figure 112009019044810-pat00018
)을 합산한 값이며, 상기 일 시간대의 경사면 청천일사량(
Figure 112009019044810-pat00019
)은 직달일사량(
Figure 112009019044810-pat00020
)과 산란일사수광량(
Figure 112009019044810-pat00021
)을 합산한 값이다.
상기 직달성분(
Figure 112009019044810-pat00022
)은
Figure 112009019044810-pat00023
이며, 상기 산란성분(
Figure 112009019044810-pat00024
)은
Figure 112009019044810-pat00025
이고, 상기 직달일사량(
Figure 112009019044810-pat00026
)은
Figure 112009019044810-pat00027
이며, 상기 산란일사수광량(
Figure 112009019044810-pat00028
)은
Figure 112009019044810-pat00029
이고, 상기
Figure 112009019044810-pat00030
는 태양고도각이며, 상기
Figure 112009019044810-pat00031
는 경사도이고, 상기
Figure 112009019044810-pat00032
는 경사향이며, 상기
Figure 112009019044810-pat00033
는 태양고도각이고, 상기
Figure 112009019044810-pat00034
는 방위각이며, 상기
Figure 112009019044810-pat00035
는 수평의 지표면에 도달하는 태양상수의 한 시간 적산값이고, 상기
Figure 112009019044810-pat00036
는 태양복사의 대기 투과율 상한값이다. 이때, 상기 태양복사의 대기 투과율 상한값(
Figure 112009019044810-pat00037
)은 0.8로 둔다.
본 발명은 임의의 경사면에 대한 일사량보정계수인 일사수광비율을 한번만 계산해 두면 인근 기상대에서 관측한 임의 날짜의 일적산일사량에 이를 곱하여 보정함으로써, 복잡한 기하학적 계산을 하지 않아도 그 날의 정확한 적산일사량을 쉽게 알 수 있는 임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법을 제공할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명에 따른 임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법을 실제 지형(강원도 평창군 도암면)에 적용한 월별 일사수광량(SOLAR IRRADIANCE) 분포도이다.
본 발명에 따른 임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 일적산수평면일사량을 산출하는 단계(S1)와, 일적산수평면일사량을 일사량보정계수인 일사수광비율로 보정하는 단계(S2)를 포함한다.
일적산수평면일사량을 산출하는 단계(S1)는 일사측정장비에 의해 24시간 동안 연속측정하고 그 값을 적산하여 제곱미터 당 메가주울 단위로 표현한다.
일적산수평면일사량을 일사량보정계수인 일사수광비율로 보정하는 단계(S2)는 계산된 시간대별 수광비율을 모두 적산하여 일사수광비율을 계산한다. 이러한 일적산수평면일사량을 일사량보정계수인 일사수광비율로 보정하는 단계는 매시수광비율을 계산하는 단계(S2-1)와, 매시수광비율을 합산하는 단계(S2-2)를 포함한다.
매시수광비율을 계산하는 단계(S2-1)는 주어진 시간대의 수평면 일사량에 대한 경사면 일사량의 비율을 계산한다. 즉, 본 발명은 주어진 시간대의 일사량에 대한 경사면 일사량의 비율을 매시수광비율(
Figure 112009019044810-pat00038
)이라 정의하며, 이는 수식1과 같다.
[수식1]
Figure 112009019044810-pat00039
수식1에서
Figure 112009019044810-pat00040
는 시간대별 상대일사강도이고,
Figure 112009019044810-pat00041
는 수평면의 하루 적산일사량을 의미한다. 또한,
Figure 112009019044810-pat00042
는 해당 시간대의 일사량이고,
Figure 112009019044810-pat00043
는 주어진 시간대의 수평면 청천일사량(
Figure 112009019044810-pat00044
)에 대한 경사면 청천일사량(
Figure 112009019044810-pat00045
)의 비율을 의미한다. 이때, 시간대별 상대일사강도(
Figure 112009019044810-pat00046
)는 수평면의 하루 적산일사량(
Figure 112009019044810-pat00047
)에 대한 해당 시간대의 청천일사량(
Figure 112009019044810-pat00048
) 비율로 정의되며, 일사량 실측값이 아닌 청천일사량, 즉, 태양상수의 매시간 적산값을 이용하여 계산한다. 이러한 시간대별 상대일사강도(
Figure 112009019044810-pat00049
)는 수식2와 같이 나타낼 수 있다.
[수식2]
Figure 112009019044810-pat00050
또한, 주어진 시간대의 수평면 청천일사량(
Figure 112009019044810-pat00051
)에 대한 경사면 청천일사량(
Figure 112009019044810-pat00052
)의 비율(
Figure 112009019044810-pat00053
)은 수식3과 같이 나타낼 수 있다.
[수식3]
Figure 112009019044810-pat00054
수식3에서 연중 날짜별 해당 시간대의 수평면 청천일사량(
Figure 112009019044810-pat00055
)의 계산법은 기존에 알려진 방법으로 계산할 수 있다. 이는 수평의 지표면에 도달하는 태양상수의 한 시간 적산값(
Figure 112009019044810-pat00056
)은 관측시점의 태양고도(
Figure 112009019044810-pat00057
)에 따라 직달성분(
Figure 112009019044810-pat00058
) 및 산란성분(
Figure 112009019044810-pat00059
)으로 구분하여 계산할 수 있다. 이때, 직달성분(
Figure 112009019044810-pat00060
)은 수식4와 같이 표현할 수 있으며, 산란성분(
Figure 112009019044810-pat00061
)은 수식5와 같이 표현할 수 있다.
[수식4]
Figure 112009019044810-pat00062
[수식5]
Figure 112009019044810-pat00063
수식4와 수식5에서
Figure 112009019044810-pat00064
는 태양복사의 대기 투과율 상한값으로서, 대기권 최외각에 도달한 복사에너지 가운데 약 80%까지 산란되지 않고 직접 지구표면에 도달하므로 0.8로 둔다. 이때, 대기 투과율은 태양고도가 낮아짐에 따라 함께 낮아져 직달일사 성분을 감소시킨다. 또한, 두 가지 성분, 즉, 직달성분(
Figure 112009019044810-pat00065
)과 산란성분(
Figure 112009019044810-pat00066
)을 합하면 수평면에 도달하는 시간대별 청천일사량을 구할 수 있다.
연중 날짜별 경사면 청천일사량(
Figure 112009019044810-pat00067
)의 계산 역시 연중 날짜별 해당 시간대의 수평면 청천일사량(
Figure 112009019044810-pat00068
)의 계산법과 같이 기존에 알려져 있는 방법으로 계산할 수 있다. 이는 예를 들어, 관측시점의 태양고도각과 방위각을 각각
Figure 112009019044810-pat00069
와
Figure 112009019044810-pat00070
라 할 때, 경사향이
Figure 112009019044810-pat00071
이고 경사도가
Figure 112009019044810-pat00072
인 지면이 받는 직달일사량(
Figure 112009019044810-pat00073
)은 수식 6과 같이 나타낼 수 있다.
[수식6]
Figure 112009019044810-pat00074
또한, 산란일사수광량(
Figure 112009019044810-pat00075
)은 수광면의 각도에 무관하며 천공개방도(sky view factor)에 따라 수식7에 의해 추정될 수 있다.
[수식7]
Figure 112009019044810-pat00076
수식7에서
Figure 112009019044810-pat00077
는 1을 최대값으로 하는 천공개방도이다. 또한, 두 가지 성분, 즉, 수식6의 직달일사량(
Figure 112009019044810-pat00078
)과 수식7의 산란일사수광량(
Figure 112009019044810-pat00079
)을 합한 것이 경사면이 받는 시간대별 청천일사량(
Figure 112009019044810-pat00080
)이다.
매시수광비율을 합산하는 단계(S2-2)는 매시수광비율을 계산하는 단계(S2-1)에서 계산된 매시수광비율(
Figure 112009019044810-pat00081
), 즉, 시간대별 수광비율을 모두 적산하면 해당 날짜의 일사수광비율(
Figure 112009019044810-pat00082
)이 된다. 또한, 그 값은 수평면에서의 값 1.0에 대한 경사면의 상대적인 지수로서 일사량보정계수에 해당되며, 수식8과 같이 나타낼 수 있다.
[수식8]
Figure 112009019044810-pat00083
수식8에서
Figure 112009019044810-pat00084
은 시간대별 수광비율의 개수이다.
이와 같이, 본 발명은 산출된 일적산수평면일사량을 상기와 같이 계산된 일사수광비율(
Figure 112009019044810-pat00085
), 즉, 일사량보정계수로 곱함으로써 보정하여, 임의 경사면(경사도 X 경사방향)의 일적산경사면일사량을 즉시 알아낼 수 있다.
다음은 본 발명에 따른 임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법의 적용에 대해 도 2를 참조하여 설명하고자 한다. 이때, 도 2는 지형이 복잡한 강원도 평창군 도암면에 본 발명에 따른 임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법을 적용하여 대관령기상대에서 관측된 월별 평균 일적산일사량을 해상도 30m의 경사면 일사량으로 변환하였다. 또한, 도 2의 상단 왼쪽에서 오른쪽으로 1월, 3월, 5월, 하단 왼쪽에서 오른쪽으로 7월, 9월, 11월 평균 일별 적산일사수광량(단위: MJ m-2 day-1)이 지형음영을 배경으로 동일 범례로 표현되었으며 위치식별을 위해 저수지(도암댐)와 하천을 중첩시켰다. 이와 같이 본 발명에 따른 임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법이 적용된 도 2를 참조하면, 경사면에 따라 평균 일별 적산일사수광량이 상이한 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 태양상수를 이용하여 매 시간대별 수평면 일사강도와 수평면에 대한 경사면의 일사수광비율 등을 동시에 고려하여 하루 동안의 잠재적인 일사량을 계산하고, 이를 수평면의 기준값에 대한 비율로 표현하였다. 이에 따라, 본 발명은 어떤 경사면이든 365일의 일사량보정계수인 일사수광비율(
Figure 112009019044810-pat00086
)을 한번만 계산해 두면 인근 기상대에서 관측한 임의 날짜의 일적산일사량(수평면전천일사량)에 이 계수를 곱함으로써 그 날의 정확한 적산일사량을 알아낼 수 있어 복잡한 기하학적 계산을 하지 않는다는 장점이 있다.
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법의 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법을 실제 지형(강원도 평창군 도암면)에 적용한 월별 일사수광량(SOLAR IRRADIANCE) 분포도.

Claims (9)

  1. 일 시간대의 수평면 일사량에 대한 경사면 일사량의 비율인 매시수광비율을 계산하는 단계와,
    상기 매시수광비율을 합산하는 단계, 및
    상기 매시수광비율의 합산값인 일사수광비율을 일적산수평면일사량에 곱하여 상기 일적산수평면일사량을 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 일사수광비율(
    Figure 112009019044810-pat00087
    )은
    Figure 112009019044810-pat00088
    이며,
    상기
    Figure 112009019044810-pat00089
    은 합산될 시간대별 수광비율의 개수이고,
    상기
    Figure 112009019044810-pat00090
    는 시간대별 수광비율인 것을 특징으로 하는 임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 시간대별 수광비율은 수평면 청천일사량에 대한 경사면 청천일사량의 비율 및 시간대별 상대일사강도에 비례하는 것을 특징으로 하는 임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 시간대별 수광비율(
    Figure 112009019044810-pat00091
    )은
    Figure 112009019044810-pat00092
    이며,
    상기
    Figure 112009019044810-pat00093
    는 시간대별 상대일사강도이고,
    상기
    Figure 112009019044810-pat00094
    는 일 시간대의 수평면 청천일사량에 대한 경사면 청천일사량의 비율인 것을 특징으로 하는 임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 시간대별 상대일사강도(
    Figure 112009019044810-pat00095
    )는
    Figure 112009019044810-pat00096
    이며,
    상기
    Figure 112009019044810-pat00097
    는 일 시간대의 수평면 청천일사량인 것을 특징으로 하는 임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 일 시간대의 수평면 청천일사량에 대한 경사면 청천일사량의 비율(
    Figure 112011006141424-pat00098
    )은
    Figure 112011006141424-pat00099
    이며,
    상기
    Figure 112011006141424-pat00100
    는 일 시간대의 수평면 청천일사량이고,
    상기
    Figure 112011006141424-pat00101
    는 일 시간대의 경사면 청천일사량인 것을 특징으로 하는 임의 경사면 상 일적산일사량 추정방법.
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