KR101146235B1 - 태양전지 모듈의 발전량 예측 방법 - Google Patents

태양전지 모듈의 발전량 예측 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 건물 일체형 태양전지 모듈의 발전량을 예측하는 방법에 있어서, 상기 태양전지 모듈이 설치되는 지역의 위도, 경도, 경사각, 방위각과, 발전량 측정시간을 이용하여 상기 태양전지 모듈로 입사되는 모듈좌표 기준의 태양광 벡터를 산출하는 단계, 상기 태양광 벡터와 태양전지 모듈의 사양을 이용하여 상기 태양전지 모듈 프레임에 의해 형성된 그림자의 태양전지 셀 침범길이를 계산하는 단계, 및 상기 그림자에 따른 발전량 감소율을 계산하여 태양전지 모듈의 발전량을 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 태양전지 모듈의 발전량 예측방법은 태양전지 모듈의 설치 위치뿐만 아니라 태양전지 모듈 프레임에 의해 발생되는 그림자가 태양전지 셀을 침범하는 경우 발전량 감소율을 예측할 수 있는 효과가 있다.
태양전지 모듈, 태양전지 셀, 지표좌표, 모듈좌표, 태양전지 모듈 프레임, 건물 일체형 태양전지 모듈

Description

태양전지 모듈의 발전량 예측 방법{Method for Estimating Generated Energy of the Solar Cell Modules}
본 발명은 태양전지 모듈이 설치되는 지역의 위도, 경도를 포함하는 지역적 조건과, 건물 일체형으로 제작되는 태양전지 모듈이 설치되는 경사각, 방위각을 포함하는 설치 조건, 및 태양전지 모듈에 배치되는 태양전지 셀의 개수, 셀 배치위치, 태양전지 모듈 프레임 높이를 포함하는 태양전지 모듈의 사양을 이용하여 태양전지 모듈 프레임 그림자의 태양전지 셀 침범길이를 계산하고, 상기 그림자의 태양전지 셀 침범길이에 따른 발전량 감소율을 계산하여 전체 발전량을 예측하는 방법에 관한 것이다.
최근 기후협약변화, 이상기온현상 등 세계적으로 환경에 대한 문제가 심각하게 대두되면서, 대체에너지 이용에 관한 기술개발과 상용화가 다양하게 이루어지고 있다. 대체에너지 중에서 태양에너지는 무공해, 환경 친화적, 에너지로 각광받고 있으며, 선진국을 중심으로 설치 용량이 급속하게 증가되고 있는 추세에 있다. 최근에는 대용량 발전사업의 경우 설치 면적이 넓어 환경과 토지 이용에 있어 새로운 문제가 대두되어 건물일체형 설비의 도입이 늘고 있다.
태양광 발전의 방식은 크게 고정식과 추적식으로 분류가 가능하며, 고정식은 태양광 발전설비를 연중 태양에너지를 가장 많이 흡수할 수 있는 고도각과 방위각에 맞추어 고정하는 것을 의미하며, 추적식은 태양의 고도각과 방위각을 지속적으로 추적하여 태양광 발전설비가 최고의 효율을 내도록 하는 것을 의미한다. 효율적인 측면에서는 추적식이 고정식보다 20~40% 이상의 발전 효율이 높으나, 설치비가 고정식 대비 상대적으로 많고 유지보수의 어려움 때문에 고정식이 주로 설치되고 있다. 또한 최근 늘어나고 있는 건물일체형 태양광 설비들은 지붕, 벽체 및 창을 대체하여 설치하기 때문에 추적식의 적용은 거의 불가능하다.
이와 같은 고정식 태양광 설비들은 1년 내내 고정되어 있기 때문에 최초 설치시 고도각과 방위각을 연중 최고의 효율을 낼 수 있는 각도로 설치하는 것이 무엇보다 중요하다. 또한, 태양광 설비 자체의 특성을 반영하여 발전량을 산출하는 것이 필요하다.
일반적으로 태양광 발전 프로그램은 태양의 일주변화를 예측하고, 일정한 방위와 경사로 설치된 태양광 모듈을 중심으로 고도를 측정해 냄으로써 일사량과 발전량을 예측 할 수 있으며, 년간 일사량 및 발전량을 예측하고 각 결과값을 데이터로 출력함으로써 설치된 태양광 발전의 타당성을 검증할 수 있다.
그러나, 상기와 같은 프로그램은 기능이 복잡하고, 건물 일체형으로 제작되는 태양광 모듈 자체의 사양(즉, 태양전지 셀을 고정하는 프레임이 생성하는 그림자에 의한 발전량 감소)을 고려하지 못하여 정확한 발전량을 예측할 수 없으며, 태양광 모듈의 설치 단계에서의 변수를 고려하여 발전량을 계산할 수 없으며, 태양광 모듈의 설치 후 국부적인 그림자 생성에 의한 발전량 저하 등의 원인을 고려할 수 없으므로 정확한 발전량을 계산할 수 없는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 것으로, 태양전지 모듈로 입사되는 태양광 벡터의 기울기와 태양전지 모듈 프레임의 높이를 이용하여 태양전지 모듈 프레임의 그림자에 대한 태양전지 셀 침범길이를 계산함으로써 태양전지 모듈의 발전량 감소율을 산출할 수 있는 태양전지 모듈의 발전량 예측 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 태양전지 모듈의 발전량 예측 방법은 건물 일체형 태양전지 모듈의 발전량을 예측하는 방법에 있어서, 상기 태양전지 모듈이 설치되는 지역의 위도, 경도, 경사각, 방위각과, 발전량 측정시간을 이용하여 상기 태양전지 모듈로 입사되는 모듈좌표 기준의 태양광 벡터를 산출하는 단계, 상기 태양광 벡터와 태양전지 모듈의 사양을 이용하여 상기 태양전지 모듈 프레임에 의해 형성된 그림자의 태양전지 셀 침범길이를 계산하는 단계, 및 상기 그림자에 따른 발전량 감소율을 계산하여 태양전지 모듈의 발전량을 산출하는 단계를 포함한다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 태양전지 모듈의 발전량 예측방법은 태양전지 모듈의 설치 위치뿐만 아니라, 태양전지 모듈 프레임에 의해 발생되는 그림자가 태양전지 셀을 침범하는 경우 발전량 감소율을 산출할 수 있고, 발전량 감소율을 최소화할 수 있는 최적 설계를 구현할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 따른 태양전지 모듈의 발전량 예측방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 발전량 예측방법의 흐름도를 도시한 것으로, 태양전지 모듈의 발전량 예측방법은 태양전지 모듈로 입사되는 태양광 벡터를 산출하는 단계(S110), 상기 태양광 벡터를 이용하여 태양전지 모듈 프레임에 대한 그림자의 셀 침범길이를 계산하는 단계(S130), 상기 셀 침범길이에 따른 발전량 감소율을 이용하여 그림자가 태양전지 셀을 침범한 경우 태양전지 모듈의 발전량을 산출하는 단계(S150)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 발전량 예측방법은 건물 일체형 태양전지 모듈의 발전량을 예측하는 방법에 있어서, 상기 태양전지 모듈이 설치되는 지역의 위도, 경도, 경사각, 방위각과, 발전량 측정시간을 이용하여 상기 태양전지 모듈로 입사되는 모듈좌표 기준의 태양광 벡터를 산출하는 단계(S110), 상기 태양광 벡터와 태양전지 모듈의 사양을 이용하여 상기 태양전지 모듈 프레임에 의해 형성된 그림자의 태양전지 셀 침범길이를 계산하는 단계(S130), 및 상기 그림자에 따른 발전량 감소율을 계산하여 태양전지 모듈의 발전량을 산출하는 단계(S150)를 포함한다.
먼저, 태양전지 모듈로 입사되는 태양광 벡터를 산출하는 단계(S110)는 태양전지 모듈이 설치되는 지역의 위도, 경도, 발전량 측정시간을 이용하여 지표좌표 기준의 태양광 벡터를 산출하고, 태양전지 모듈이 설치되는 건물의 경사각, 방위각을 이용하여 상기 지표좌표 기준의 태양광 벡터를 태양전지 모듈좌표 기준의 태양광 벡터로 변환함으로써 태양전지 모듈로 입사되는 태양광 벡터를 산출할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지표좌표에 대한 태양광선 벡터화 과정을 도시한 도면이다.
먼저, 태양전지 모듈이 설치되는 지역의 태양의 고도(h)는 관측자의 지표면과 태양이 이루는 각을 의미하고, 태양의 적위(δ)와 태양의 시간각(t) 및 위도(Φ)를 이용하여 계산되며(⑤), 태양의 적위(δ)는 정오에 지구의 적도면과 태양이 이루는 각으로서 지구의 축이 23.45°기울어졌기 때문에 나타나는 현상으로 춘분 또는 추분에서는 0°, 동지에는 -23.45°, 하지에는 +23.45°를 나타내고, 년(Y), 월(M), 및 일(D)을 이용하여 통산일(n)로부터 산출된다. 또한, 태양의 시간각(t)은 태양이 남중했을 때의 각을 0°로 하였을 때, 관측 시간의 태양의 위치를 각으로 나타낸 것으로서, 시(h1), 분(m) 및 남중시간(ts)으로부터 계산된다(④). 통산일(n)은 1월 1일을 기준으로 측정시간까지 지난 일 수이며(①), 태양의 적위(δ)를 구하는데 활용된다. 태양의 방위각(θ)은 관측자의 정남 방향에서 태양이 동(-), 서(+)로 기울어진 각도를 의미하며, 태양의 적위(δ)와 태양의 시간각(t) 및 태양의 고도(h)를 이용하여 계산된다(⑥).
도 2에서와 같이 태양의 고도(h)와 태양의 방위각(θ)이 산출되며, 아래 [수학식 1]에 의하여 지표좌표 기준의 태양광 벡터(P0)가 계산된다.
Figure 112009004384473-pat00001
(여기서, h: 태양의 고도, θ: 태양의 방위각, [xs, ys, zs]: 지표좌표 기준으로 계산된 태양광 벡터)
지표좌표 기준의 태양광선 벡터(P0)를 모듈좌표 기준의 태양광 벡터(P2)로 변환하는 방법은 먼저, 지표좌표와 모듈좌표를 각각 설정하고, 지표좌표와 모듈좌표의 관계를 구하여, 상기 관계를 이용하여 지표좌표 기준의 태양광 벡터(P0)를 모듈좌표 기준의 태양광 벡터(P2)로 변환하는 것이다.
모듈좌표는 아래 [수학식2]에 의하여 산출되며, 경사각(α)은 지면에 위치한 태양전지 모듈의 밑면과 건물에 설치된 태양전지 모듈의 밑면 사이의 각으로 지면에 위치한 태양전지 모듈의 밑면을 기준으로 마이너스 회전한 각을 의미하고, 남향각(β)은 지면에 위치한 태양전지 모듈의 수직축과 건물에 설치된 태양전지 모듈의 수직축 사이의 각으로 지면에 위치한 태양전지 모듈의 수직축을 기준으로 마이너스 회전한 각을 의미한다.
Figure 112009004384473-pat00002
또한, 모듈좌표 기준의 태양광 벡터는 아래 [수학식3]에 의하여 산출된다.
Figure 112009004384473-pat00003
(여기서, α: 경사각, β: 남향각, h: 태양의 고도, θ: 태양의 방위각)
상기 태양전지 모듈 프레임에 대한 그림자의 셀 침범길이를 계산하는 단계(S130)는 태양전지 모듈 프레임의 높이와 상기 태양광 벡터의 기울기를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지 모듈의 사양 및 태양전지 모듈로 입사되는 모듈좌표 기준의 태양광 벡터를 설명하기 위한 도면이고, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 벡터와 태양전지 셀 침범길이 를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a는 태양전지 모듈(200)의 정면도이며, 도 3b는 태양전지 모듈(200)의 상면도, 도 3c는 태양전지 모듈(200)의 우측면도를 도시한 것으로, 태양전지 모듈 프레임(220)의 네 측면의 높이(h1~h4)는 태양전지 셀(210)이 배치된 평면과 프레임(220)의 상단 끝부분 사이의 거리를 의미하고, 프레임(220) 벽면으로부터 태양전지 셀(210)의 이격거리(g1~g4)는 태양전지 셀(210)의 배치 방법에 따라 다르게 제작될 수 있다. 따라서, 각각의 프레임(220)의 높이(h1~h4) 및 프레임(220) 벽면으로부터 태양전지 셀(210)의 이격거리(g1~g4)가 다르게 제작된 경우, 태양전지 모듈 프레임(220)에 의해 형성된 그림자의 태양전지 셀(210) 침범길이가 달라질 수 있다.
예를 들어, 태양전지 모듈 프레임(220)에 의해 형성된 그림자의 태양전지 셀(210) 침범길이는 도 4a 및 도 4b에 도시된 모듈좌표 기준의 태양광 벡터의 기울기와, 태양전지 모듈 프레임(220) 높이, 및 프레임(220) 내부 벽면으로부터 태양전지 셀(210)의 이격거리를 이용하여 계산할 수 있다. 즉, 도 4a를 참조하면, 기울기가 ys'/xs'인 태양광 벡터가 프레임(220)의 높이 h1, 프레임(220) 내부 벽면으로부터 태양전지 셀(210)까지의 이격거리 g1'인 태양전지 모듈(200)로 입사되는 경우, 태양전지 모듈 프레임(220)에 의해 형성된 그림자의 길이(L1)는 h1*(xs'/ys')이고, 태양전지 셀(210) 침범길이는 (L1-g1')으로 계산된다. 도 4b의 경우에도, 마찬가지 방법으로 태양전지 셀 침범길이를 구하면, (L2-g2')이 된다.
태양전지 셀 침범길이가 음수가 되는 경우, 태양전지 모듈 프레임에 의해 형성된 그림자가 태양전지 셀을 침범하지 않는 경우에 해당되므로 발전량 감소는 발생되지 않는다. 그러나, 태양전지 셀 침범길이가 양수가 되는 경우, 태양전지 모듈 프레임에 의해 형성된 그림자가 태양전지 셀을 침범하는 경우에 해당되며, 그림자의 태양전지 셀 침범에 의한 발전량 감소율을 계산할 수 있다.
그림자의 태양전지 셀 침범에 의한 발전량 감소율은 태양전지 모듈의 가장자리에 배치된 태양전지 셀 중 전극과 연결된 태양전지 셀의 길이와 그림자의 셀 침범길이비를 이용하여 계산할 수 있다. 예를 들어, 태양전지 모듈에서 전극과 연결된 가장자리에 배치된 태양전지 셀에 모두 그림자 침범이 발생한 경우 발전량 감소율을 100%가 되며, 전체 태양전지 모듈의 발정량은 "0"이 되고, 전극과 연결된 가장자리에 배치된 태양전지 셀 중 A%만이 프레임에 의해 형성된 그림자가 침범된 경우, 전체 태양전지 모듈의 발전량은 (100-A)%가 된다.
따라서, 발전량을 태양전지 모듈 프레임에 의해 형성된 그림자의 태양전지 셀 침범길이가 "0"보다 작은 경우에는 태양전지 모듈의 발전량을 100%로 유지할 수 있다. 즉, h1*(xs'/ys')<g1' 그리고, h2*(zs'/ys')<g2'인 조건을 만족해야 한다.
태양전지 모듈 프레임에 의해 형성된 그림자의 태양전지 셀 침범길이를 이용하여 태양전지 모듈의 발전량을 산출하는 단계(S150)는 태양전지 셀의 면적, 단위면적당 발전량과 태양광 벡터의 기울기를 이용하여 상기 태양전지 셀에 그림자가 침범하지 않은 경우의 태양전지 모듈이 생산한 전체 발전량을 계산하고, 태양전지 모듈 프레임에 대한 그림자의 셀 침범길이를 이용하여 상기 태양전지 셀을 침범한 그림자에 대한 발전량 감소율을 계산한 후, 상기 태양전지 셀에 그림자가 침범하지 않은 경우의 태양전지 모듈의 발전량과, 상기 태양전지 셀을 그림자가 침범한 경우의 발전량 감소율을 이용하여 그림자가 셀을 침범한 경우 태양전지 모듈의 발전량을 산출한다.
태양전지 모듈의 발전량 계산은 [수학식4]를 이용하여 계산할 수 있다.
Figure 112009004384473-pat00004
(여기서, In: 태양광 벡터와 직각인 면이 받는 단위면적당 일사량, Io: 연평균 단위면적당 일사량(약 1353W/㎡), Ih: 지면과 경사각이 i인 태양전지 모듈의 단위 면적당 일사량, P: 대기투과율)
따라서, 지면과 경사각이 i인 태양전지 모듈의 단위 면적당 일사량 Ih를 구한 후, 태양전지 모듈에 포함되는 태양전지 셀의 전체 단면적과 각 셀의 발전효율을 곱하여 태양전지 모듈의 전체 발전량을 계산할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 셀 침범길이를 이용하여 발전량 감소율을 계산할 수 있으므로, 태양전지 셀에 그림자 침범이 발생한 경우 발전량을 산출할 수 있다.
또한, 본 발명의 태양전지 모듈의 발전량 예측 방법을 수행하는 프로그램이 기록되고 전자 장치에서 판독이 가능한 정보저장매체(computer reader media)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 태양전지 모듈의 발전량 예측 방법을 구현할 수 있다. 상기 정보저장매체는 자기 기록매체, 광기록매체 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 발전량 예측방법의 흐름도를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지표좌표에 대한 태양광선 벡터화 과정을 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지 모듈의 사양 및 태양전지 모듈로 입사되는 모듈좌표 기준의 태양광 벡터를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 벡터와 태양전지 셀 침범길이를 설명하기 위한 도면이다.

Claims (7)

  1. 건물 일체형 태양전지 모듈의 발전량을 예측하는 방법에 있어서,
    상기 태양전지 모듈이 설치되는 지역의 위도, 경도, 경사각, 방위각과, 발전량 측정시간을 이용하여 상기 태양전지 모듈로 입사되는 모듈좌표 기준의 태양광 벡터를 산출하는 단계;
    상기 태양광 벡터와 태양전지 모듈의 사양을 이용하여 상기 태양전지 모듈 프레임에 의해 형성된 그림자의 태양전지 셀 침범길이를 계산하는 단계; 및
    상기 그림자에 의한 발전량 감소율을 계산하여 태양전지 모듈의 발전량을 산출하는 단계;를 포함하는 태양전지 모듈의 발전량 예측방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지 모듈로 입사되는 모듈좌표 기준의 태양광 벡터를 산출하는 단계는,
    상기 태양전지 모듈이 설치되는 지역의 위도, 경도, 발전량 측정시간을 이용하여 지표좌표 기준의 태양광 벡터를 산출하는 단계; 및
    상기 태양전지 모듈이 설치되는 건물의 경사각, 방위각을 이용하여 상기 지표좌표 기준의 태양광 벡터를 모듈좌표 기준의 태양광 벡터로 변환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 발전량 예측방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지 모듈 프레임에 대한 그림자의 셀 침범길이를 계산하는 단계는,
    상기 태양전지 모듈 프레임의 높이와 상기 태양광 벡터의 기울기를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 발전량 예측방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지 모듈의 발전량을 산출하는 단계는,
    상기 태양전지 셀의 면적, 단위면적당 발전량과 태양광 벡터의 기울기를 이용하여 상기 태양전지 셀에 그림자가 침범하지 않은 경우의 태양전지 모듈의 발전량을 계산하고, 상기 태양전지 모듈 프레임에 대한 그림자의 셀 침범길이를 이용하여 상기 태양전지 셀을 침범한 그림자에 대한 발전량 감소율을 계산하는 단계; 및
    상기 태양전지 셀에 그림자가 침범하지 않은 경우의 태양전지 모듈의 발전량과, 상기 태양전지 셀을 그림자가 침범한 경우의 발전량 감소율을 이용하여 그림자가 셀을 침범한 경우 태양전지 모듈의 발전량을 산출하는 단계;를 포함하는 태양전지 모듈의 발전량 예측방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 태양전지 셀의 그림자에 의한 발전량 감소율을 계산하는 단계는,
    상기 태양전지 모듈의 가장자리에 배치된 태양전지 셀 중 전극과 연결된 태양전지 셀의 길이와 그림자의 셀 침범길이비를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 발전량 예측방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 태양광 벡터는 아래 수학식에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 발전량 예측방법.
    Figure 112009004384473-pat00005
    (여기서, α: 경사각, β: 남향각, h: 태양의 고도, θ: 태양의 방위각)
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 태양전지 모듈의 발전량 예측방법 을 수행하는 프로그램이 기록되고 전자 장치에서 판독이 가능한 기록매체.
KR1020090005588A 2009-01-22 2009-01-22 태양전지 모듈의 발전량 예측 방법 KR101146235B1 (ko)

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