KR102321673B1 - 태양광 발전 시뮬레이션 장치 및 방법 - Google Patents

태양광 발전 시뮬레이션 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 발전 시뮬레이션 장치 및 방법에 관한 것으로서, 대상 지역에 대한 종관기상관측정보와, PV(PhotoVoltaic) 패널의 성능정보 및 설치정보를 이용하여 대상 지역에 설치되는 PV 패널의 기본 발전량을 산출하는 기본 발전량 산출부, 대상 지역에 대한 3차원 지리데이터를 기반으로, 대상 지역의 태양의 위치 및 태양광을 모델링하여 PV 패널의 설치 지점에 형성되는 그림자를 생성하고, 생성된 그림자에 따른 일조량을 산출하는 일조량 산출부, 및 기본 발전량 산출부 및 일조량 산출부에 의해 각각 산출된 기본 발전량 및 일조량에 기초하여 대상 지역에 설치된 PV 패널의 총 발전량을 산출하는 총 발전량 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

태양광 발전 시뮬레이션 장치 및 방법{APPARATUS FOR SIMULATING PHOTOVOLTAIC AND METHOD THEREOF}
본 발명은 태양광 발전 시뮬레이션 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 도심지에 설치되는 PV(PHOTOVOLTAIC) 패널의 발전량을 시뮬레이션하는 태양광 발전 시뮬레이션 장치 및 방법에 관한 것이다.
에너지 전환은 원자력, 석탄, 석유 등 화석연료에 의존해 온 기존의 에너지 시스템을 태양력, 풍력, 바이오매스와 같은 재생 에너지로 대체하는 것으로서, 최근 정부는 재생에너지 확대 보급을 위한 정책들을 발표하고 있다.
이러한 정부 정책과 최근 태양광 패널의 가격 하락 및 발전 효율 기술이 빠르게 향상되면서 태양광 발전소가 급격히 증가하고 있으나, 산지에 무분별하게 태양광 발전소가 설치됨에 따라 산림 훼손 및 환경 문제가 제기되어 산지 태양광 설치에 대한 REC가 하향 조정되기도 하였다.
따라서, 스마트시티 활성화 및 재생에너지 확대보급 정책에 따라 도심지 내에서도 태양광 패널 설치가 확대될 것으로 전망되고 있으며, 아파트 베란다에 설치하는 미니 태양광, 건물 옥상이나 단독주택 지붕, 주차장이나 공원부지와 같은 대지, 도로 및 갓길, 울타리 등에도 태양광 패널 설치가 점차 확산되고 있다.
태양광 패널 설치를 고려하는 업체로서는 태양광 패널에 의한 발전량, 전기 요금 절감 정도, 투자 금액에 대한 회수 시점 등에 대한 사전 파악을 선결적으로 수행하여야 하지만, 현재 도심지 내에 설치된 태양광 패널에 대하여 사전에 시뮬레이션을 수행하는 시스템이 부재한 실정이다. 구체적으로는, 태양광 발전의 특성상 도심지에서는 그림자가 일조량(일사량)에 가장 큰 영향을 주는 요소이기 때문에 건물 그림자의 영향을 반영하지 않으면 발전량 시뮬레이션의 정확도는 현저하게 차이가 날 수 있다. 특히, 아파트가 많은 지역의 경우 아파트에 사는 시민을 위한 시뮬레이션 시 그림자의 영향 고려가 필수적이고, 건물 옥상이나 단독주택 지붕, 주차장 등도 인근 건물의 그림자 영향을 고려하여야 하며, 매일 태양의 각도가 달라지기 때문에 도심지에서는 특정 지점의 그림자와 일조량이 다르게 나타나는 특성이 있으므로 최소 계절별로는 시뮬레이션을 수행할 필요가 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0121434호(2017.11.02. 공개)에 개시되어 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 3차원 지리데이터를 기반으로 매일 태양의 위치계산을 통해 건물의 그림자를 분 단위로 생성하고 정확도 높은 일조량을 산출하여 아파트 베란다, 건물의 옥상 및 지붕, 주차장이나 공원부지와 같은 대지 등 도시에 적합한 스마트시티 태양광 발전 시뮬레이션을 수행할 수 있는 태양광 발전 시뮬레이션 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 태양광 발전 시뮬레이션 장치는 대상 지역에 대한 종관기상관측정보와, PV(PhotoVoltaic) 패널의 성능정보 및 설치정보를 이용하여 상기 대상 지역에 설치되는 PV 패널의 기본 발전량을 산출하는 기본 발전량 산출부, 상기 대상 지역에 대한 3차원 지리데이터를 기반으로, 상기 대상 지역의 태양의 위치 및 태양광을 모델링하여 PV 패널의 설치 지점에 형성되는 그림자를 생성하고, 상기 생성된 그림자에 따른 일조량을 산출하는 일조량 산출부, 및 상기 기본 발전량 산출부 및 상기 일조량 산출부에 의해 각각 산출된 기본 발전량 및 일조량에 기초하여 상기 대상 지역에 설치된 PV 패널의 총 발전량을 산출하는 총 발전량 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 기본 발전량 산출부는, 상기 종관기상관측정보로부터 계산되는 PV 패널의 온도 및 성능계수와 상기 성능정보를 5-Parameter 알고리즘에 적용하여 상기 기본 발전량을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 일조량 산출부는, 상기 대상 지역에서의 시간에 따른 태양의 위치와, 상기 3차원 지리데이터에 적용할 수 있도록 3차원 좌표를 갖는 태양광을 모델링한 후, Shadow Map 알고리즘을 적용하여 상기 그림자를 생성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 일조량 산출부는, 상기 대상 지역에서 그림자 생성의 연산 속도 및 일조량 산출의 정밀도를 고려하여 미리 정의된 조건에 따라 상기 Shadow Map 알고리즘을 Hard Shadow 방식 및 Soft Shadow 방식으로 구분 적용하여 상기 그림자를 생성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 총 발전량 산출부는, 상기 기본 발전량, 상기 일조량 및 PV 패널의 설치 수량을 곱하여 상기 총 발전량을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 사용자로부터 상기 PV 패널의 제품정보, 설치정보 및 설치지점을 입력받기 위한 인터페이스를 제공하고, 사용자가 입력한 제품정보, 설치정보 및 설치지점을 기반으로 시뮬레이션되어 산출된 상기 일조량 및 상기 총 발전량을 상기 3차원 지리데이터상에서 Digital Twin 방식에 따라 시각화하여 출력하는 인터페이스부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 인터페이스부는, 사용자가 입력한 상기 설치지점이 아파트 베란다인 경우 상기 3차원 지리데이터를 통해 인식된 베란다 영역에 PV 패널을 자동 설치하고, 사용자가 입력한 상기 설치지점이 아파트 벽면인 경우 창문 이외의 영역으로서 창문과 중첩되지 않는 영역에 PV 패널을 자동 설치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 인터페이스부는, 사용자가 입력한 상기 설치지점이 건물 옥상인 경우, 미리 설정된 각도 조건에 따라 건물의 지붕 형태를 파악하여 인식된 건물 옥상을 PV 패널 설치 영역으로 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 인터페이스부는, 사용자가 입력한 상기 설치지점이 대지인 경우, 사용자가 임의 지정한 대지 영역을 PV 패널 설치 영역으로 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 인터페이스부는, 상기 결정된 PV 패널 설치 영역의 면적과, 가로 방향으로 설치되는 PV 패널 수, PV 패널의 설치 단수, PV 패널 간 간격 및 PV 패널의 설치 각도에 근거하여 계산되는 PV 패널의 최대 설치 수에 따라 상기 PV 패널 설치 영역에 PV 패널을 설치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 일조량 산출부는, 상기 설치지점에 복수의 PV 패널이 설치된 경우, 각 PV 패널에 의한 그림자를 고려하여 상기 일조량을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 총 발전량을 산출하기 위해 요구되는 비용과 상기 총 발전량에 따른 수익을 분석하여 상기 인터페이스부를 통해 분석 결과를 제공하는 경제성 분석부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 태양광 발전 시뮬레이션 방법은 기본 발전량 산출부가, 대상 지역에 대한 종관기상관측정보와, PV(PhotoVoltaics) 패널의 성능정보 및 설치정보를 이용하여 상기 대상 지역에 설치되는 PV 패널의 기본 발전량을 산출하는 단계, 일조량 산출부가, 상기 대상 지역에 대한 3차원 지리데이터를 기반으로, 상기 대상 지역의 태양의 위치 및 태양광을 모델링하여 PV 패널의 설치 지점에 형성되는 그림자를 생성하고, 상기 생성된 그림자에 따른 일조량을 산출하는 단계, 및 총 발전량 산출부가, 상기 기본 발전량 산출부 및 상기 일조량 산출부에 의해 각각 산출된 기본 발전량 및 일조량에 기초하여 상기 대상 지역에 설치된 PV 패널의 총 발전량을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 인터페이스부가, 사용자로부터 상기 PV 패널의 제품정보, 설치정보 및 설치지점을 입력받는 단계, 및 상기 인터페이스부가, 사용자가 입력한 제품정보, 설치정보 및 설치지점을 기반으로 시뮬레이션되어 산출된 상기 일조량 및 상기 총 발전량을 상기 3차원 지리데이터상에서 Digital Twin 방식에 따라 시각화하여 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 경제성 분석부가, 상기 총 발전량을 산출하기 위해 요구되는 비용과 상기 총 발전량에 따른 수익을 분석하여 사용자에게 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 PV 패널의 기본 발전량을 산출하고, 3차원 지리데이터를 기반으로 그림자를 생성하여 일조량을 산출한 후, 대상 지역에 설치된 PV 패널의 총 발전량을 산출하는 방식을 통해 도시에 적합한 스마트시티 태양광 발전 시뮬레이션 방법을 제공할 수 있고, Digital Twin 기법을 토대로 시간대별로 움직이는 3차원 건물의 그림자와 함께 태양광 발전량 및 일조량을 시각화하여 제공함으로써 사용자에게 보다 실감적으로 시뮬레이션 결과를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시뮬레이션 장치를 설명하기 위한 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시뮬레이션 장치에서 기본 발전량을 산출하기 위해 사용되는 5-Parameter 알고리즘을 보인 예시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시뮬레이션 장치에서 Hard Shadow 방식 및 Soft Shadow 방식에 따른 그림자 생성 프로세스를 도시한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시뮬레이션 장치에서 세 가지 설치 유형에 따른 시뮬레이션 프로세스를 도시한 예시도이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시뮬레이션 장치에서 PV 패널의 설치 지점이 아파트 베란다인 경우 인터페이스부를 통해 사용자에게 제공되는 시뮬레이션 화면을 보인 예시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시뮬레이션 장치에서 PV 패널의 설치 지점이 건물 옥상인 경우 인터페이스부를 통해 사용자에게 제공되는 시뮬레이션 화면을 보인 예시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시뮬레이션 장치에서 PV 패널의 설치 지점이 대지인 경우 인터페이스부를 통해 사용자에게 제공되는 시뮬레이션 화면을 보인 예시도이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시뮬레이션 장치에서 경제성 분석부의 분석 결과를 보인 예시도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시뮬레이션 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 태양광 발전 시뮬레이션 장치 및 방법의 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시뮬레이션 장치를 설명하기 위한 블록구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시뮬레이션 장치에서 기본 발전량을 산출하기 위해 사용되는 5-Parameter 알고리즘을 보인 예시도이며, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시뮬레이션 장치에서 Hard Shadow 방식 및 Soft Shadow 방식에 따른 그림자 생성 프로세스를 도시한 예시도이고, 도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시뮬레이션 장치에서 PV 패널의 설치 지점이 아파트 베란다인 경우 인터페이스부를 통해 사용자에게 제공되는 시뮬레이션 화면을 보인 예시도이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시뮬레이션 장치에서 PV 패널의 설치 지점이 건물 옥상인 경우 인터페이스부를 통해 사용자에게 제공되는 시뮬레이션 화면을 보인 예시도이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시뮬레이션 장치에서 PV 패널의 설치 지점이 대지인 경우 인터페이스부를 통해 사용자에게 제공되는 시뮬레이션 화면을 보인 예시도이며, 도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시뮬레이션 장치에서 경제성 분석부의 분석 결과를 보인 예시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시뮬레이션 장치는 기본 발전량 산출부(100), 일조량 산출부(200), 총 발전량 산출부(300), 인터페이스부(400) 및 경제성 분석부(500)를 포함할 수 있으며, 도 1에 도시된 것과 같이 기본 발전량 산출부(100), 일조량 산출부(200), 총 발전량 산출부(300) 및 경제성 분석부(500)가 시뮬레이션부를 구성하고 인터페이스부(400)로부터 시뮬레이션에 필요한 정보를 입력받고 시뮬레이션 결과를 인터페이스부(400)로 제공하는 구성으로 구현될 수 있다.
기본 발전량 산출부(100)는 대상 지역에 대한 종관기상관측정보와, PV(PhotoVoltaics) 패널의 성능정보 및 설치정보를 이용하여 대상 지역에 설치되는 PV 패널의 기본 발전량을 산출할 수 있다.
기본 발전량 산출부(100)가 입력받는 종관기상관측정보는 대상 지역에 대한 전천 일사량 데이터, 기온 데이터 및 풍속 데이터를 포함할 수 있으며, 5년 이상의 시간 단위로 수집된 정보일 수 있다. 종관기상관측정보는 공공기관(예: 기상청 국가기후데이터센터)으로부터 제공받을 수 있으며, 대상 지역에 관측 장치가 없는 경우에는 인근 지역의 종관기상관측정보가 대체적으로 활용될 수도 있다.
PV 패널의 성능정보는 제조사에서 제공되는 PV 제품정보를 의미하며, PV 패널의 출력(W), 정상작동전지온도(℃), 면적(m2), 셀 수량, Short-Circuit Current(A), Open-Circuit Voltage(V), Current at Pmax(A), Voltage at Pmax(V), 정상 작동조건 출력(W) 및 SAM CEC 모듈 정보를 포함할 수 있다.
PV 패널의 설치정보는 PV 패널이 설치되는 설치 지점의 경위도 좌표, 설치 방향 및 설치 각도를 포함할 수 있으며, 그 디폴트값이 미리 설정되어 있을 수 있고, 후술하는 인터페이스부(400)를 통해 사용자가 선택하는 방식으로 조정될 수도 있다.
기본 발전량 산출부(100)는 종관기상관측정보로서 1월부터 12월까지의 8,760 시간의 평균 일사량 데이터, 기온 데이터 및 풍속데이터와 PV 패널의 성능정보를 입력받고, PV 패널의 설치정보가 설정된 후(인터페이스부(400)를 통해 사용자가 입력한 설치정보 또는 디폴트값을 의미한다. 디폴트값을 이용하여 후술하는 총 발전량이 계산된 후 사용자가 입력한 설치정보를 이용하여 총 발전량이 재계산될 수도 있다), 기본 발전량을 산출할 수 있다. 이때, 기본 발전량 산출부(100)는 종관기상관측정보로부터 계산되는 PV 패널의 온도 및 성능계수와 성능정보를 5-Parameter 알고리즘에 적용하여 기본 발전량을 산출할 수 있다.
보다 구체적으로, 기본 발전량 산출부(100)는 종관기상관측정보에 공지의 오픈소스 라이브러리(예: Sandia Photovoltaic Array Performance Model(오픈소스 pvsystem.sapm_celltemp 라이브러리)를 적용하여 PV 패널의 온도 및 성능계수를 계산할 수 있다. 그리고, 기본 발전량 산출부(100)는 PV 패널의 온도 및 성능계수와, 성능정보를 도 2에 도시된 5-Parameter 알고리즘에 적용하여 기본 발전량을 산출할 수 있다. 이때, 5-Parameter 알고리즘을 적용하기 위해 오픈소스인 PV_LIB Singlediaode 라이브러리가 활용될 수 있으며, PV_LIB Singlediaode 라이브러리를 활용하기 위한 입력 파라미터로서 종관기상관측정보, PV 패널의 온도 및 성능계수, PV 제품정보, PV 패널의 재질에 따른 상수값이 활용될 수 있다.
일조량 산출부(200)는 대상 지역에 대한 3차원 지리데이터를 기반으로, 대상 지역의 태양의 위치 및 태양광을 모델링하여 PV 패널의 설치 지점에 형성되는 그림자를 생성하고, 생성된 그림자에 따른 일조량을 산출할 수 있다. 3차원 지리데이터는 대상 지역의 건물이 3차원으로 모델링된 지리정보시스템(GIS: Geographic Information System)에 따른 지도데이터를 의미한다. 이러한 3차원 지리데이터를 기반으로, 일조량 산출부(200)는 대상 지역에서의 시간에 따른 태양의 위치와, 3차원 지리데이터에 적용할 수 있도록 3차원 좌표를 갖는 태양광을 모델링한 후, Shadow Map 알고리즘을 적용하여 그림자를 생성할 수 있다.
보다 구체적으로, 일조량 산출부(200)는 그림자를 생성하기 위해 먼저 시간별 태양의 위치를 계산할 수 있다. 태양의 고도(또는 태양 고도(Solar Altitude))는 지평선을 기준으로 하여 태양의 높이를 각도로 나타낸 것으로서, 태양의 고도각 또는 태양 고도각(Solar Altitude Angle)이라고도 한다. 태양의 고도는 해가 뜬 후 점점 높아져 낮 12시에 가장 높고, 낮 12시가 지나면 다시 낮아지며, 태양이 지평선에 있을 때 태양의 고도는 0°이며 머리 위에 있을 때는 90°이고, 일반적으로 하루 중 같은 시각의 태양의 고도는 계절에 따라 달라진다.
태양의 고도각과 방위각을 구하기 위한 태양의 적위(δ)계산은 지구의 중심과 태양의 중심을 잇는 선이지구의 적도와 이루는 각도이며 적위 계산식을 이용하여 계산될 수 있다. 태양의 위치 추적(Position Solar Algorithm) 알고리즘의 입력은 시간 위치이고, 고려할 항목 중 짧은 시간은 날짜(년, 달, 날짜)와 일반적인 시간(시간, 분, 초)으로 주어질 수 있다. 태양의 위치는 관측하는 위도와 경도의 각도 값으로 주어질 수 있고, 상기와 같은 입력값을 이용하여 하기 수학식 1에 따라 태양의 고도각 및 방위각이 산출될 수 있으며, 산출된 고도각 및 방위각은 그림자 생성 및 일조량 산출에 따른 시뮬레이터 과정에 적용될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112021118082759-pat00001
한편, 본 실시예에서 태양광은 3차원 지리데이터에 적용될 수 있도록 3차원 좌표변환 수식을 통해 3차원 좌표를 갖도록 모델링될 수 있다. 예를 들어, 점 P(x,y,z)를 (dx,dy,dz)만큼 평행이동시킨 점 P'(x',y',z')를 구하는 평행이동과, 점 P(x,y,z)를 각각 x, y, z 축을 중심으로 각 θ만큼 회전시킨 P'(x',y',z')를 구하는 회전이동이 활용될 수 있으며, 이러한 평행이동 및 회전이동을 기반으로 하기 수학식 2와 같은 4차원 행렬로 표현되는 3차원 좌표 변환 수식이 유도될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112021118082759-pat00002
대상 지역에서의 시간에 따른 태양의 위치와 태양광이 모델링되면, 일조량 산출부(200)는 Shadow Map 알고리즘을 적용하여 그림자를 생성할 수 있다. Shadow Map은 빛의 관점에서 장면을 텍스처에 렌더링하는 방식을 통해 광원에 의해 차폐되는 지역과 아닌 지역을 구분하여 바닥(지형)에 텍스처(색상 등)를 적용하는 알고리즘을 말한다. Shadow Map 알고리즘은 Hard Shadow와 Soft Shadow로 구분된다. Hard Shadow는 point light source를 사용하며 현실감이 다소 떨어지지만 표출하기 용이한 장점이 있으며, Soft Shadow는 area light source를 사용하며 Hard shadow 방식보다 현실감이 있으나 계산량이 많아 렌더링을 위해 많은 연산을 수행해야 단점을 갖는다. Soft Shadow는 광원이 완전히 차단되는 Umbra 지역과 광원이 부분적으로 보이는 Penumbra 지역으로 구분하여 표출하므로, 렌더링 연산량이 많은 만큼 정밀하고 현실적인 표출이 가능한 특성을 갖는다.
이에 따라, 일조량 산출부(200)는 대상 지역에서 그림자 생성의 연산 속도 및 일조량 산출의 정밀도를 고려하여 미리 정의된 조건에 따라 Shadow Map 알고리즘을 Hard Shadow 방식 및 Soft Shadow 방식으로 구분 적용하여 그림자를 생성할 수 있다. 미리 정의된 조건은, 예를 들어 대량의 건물들의 그림자를 생성하는 영역은 Hard Shadow 방식을 적용하고, 일조량 계산과 같은 측정 결과를 획득하는 영역은 Soft Shadow 방식을 적용하는 조건일 수 있다.
Hard Shadow 방식은 한 지점(point source)에서 빛이 발생하여 객체를 투영하는 방식이 사용될 수 있으며, 그 그림자 생성 프로세스는 도 3에 도시된 것과 같다. 즉, Hard Shadow 기반의 그림자 생성 프로세스는 광원에서 그림자를 표출할 객체와 실제 그려질 지표영역으로 직선을 생성하여 해당 직선에 인접하는 객체의 좌표와 지표면의 좌표를 획득하고, 지표면과 수직 지점을 계산하여 광원과 객체의 가장 양끝 모서리와 삼각형을 생성하고 해당 면의 길이를 계산하여 그림자가 그려질 좌표를 획득하고, 각 면에 인접한 지점에 대하여 위와 같은 방식으로 그림자가 그려질 영역을 계산하여 지표면에 그림자를 색상 등을 사용하여 표출하는 과정으로 이루어질 수 있다.
Soft Shadow 방식은 한 영역(area source)에서 빛이 발생하여 객체를 투영하는 방식이 사용될 수 있고, 빛의 산란(완전 차폐지역인 umbra와 부분차폐지역인 penumbra)까지 고려하여 계산될 수 있으며, 그 그림자 생성 프로세스는 도 4에 도시된 것과 같다. Soft Shadow의 Volume algorithm은 광원을 기준으로 그림자가 표출되는 지역의 볼륨을 생성하여 해당 볼륨을 기준으로 전체 차폐지역와 부분차폐지역을 계산하여 표출한다. 차폐도를 계산하는 방법은 광원에서 지표면으로 직선으로 바라봤을 때, 몇 개의 오브젝트를 통과해서 도달하는지를 계산(통과하는 객체가 많을수록 수치가 증가)하는 방식이 사용될 수 있다. Soft Shadow는 먼저 Hard Shadow로 렌더링하고, 이후 부분 차폐영역을 계산하여 그림자를 보완하는 과정으로 이루어진다. 또한, Soft shadow Volume Algorithm은 그림자가 드리워지는 지점에서 각 간섭되는 면의 양을 계산하여 최종 표출하게 되며, 최종 표출되는 양에 따라 그림자 영향에 따른 일조량(일조시간)이 산출될 수 있다.
총 발전량 산출부(300)는 기본 발전량 산출부(100) 및 일조량 산출부(200)에 의해 각각 산출된 기본 발전량 및 일조량에 기초하여 대상 지역에 설치된 PV 패널의 총 발전량을 산출할 수 있다. 총 발전량은 하기 수학식 3에 따라 산출될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112021118082759-pat00003
수학식 3에서 TotalPV는 총 발전량, PowerKwh는 기본 발전량, PVcnt는 PV 패널의 설치 수량, SunShine은 시간당 일조량을 의미하며, 수학식 3과 같이 (SunShine/60)에 따라 분 단위 일조량이 사용될 수도 있다.
인터페이스부(400)는 사용자로부터 PV 패널의 성능정보, 설치정보 및 설치지점을 입력받기 위한 인터페이스를 제공하고, 사용자가 입력한 성능정보, 설치정보 및 설치지점을 기반으로 시뮬레이션되어 산출된 일조량 및 총 발전량을 3차원 지리데이터상에서 Digital Twin 방식에 따라 시각화하여 출력할 수 있다. 본 실시예에서 PV 패널의 설치지점은 아파트(베란다 및 벽면), 건물 옥상, 대지(주차장, 공원 등)의 세 가지 유형으로 구분될 수 있으며, 도 5는 세 가지 설치 유형에 따른 시뮬레이션 프로세스를 도시하고 있다.
먼저, 도 6 내지 9를 참조하여 PV 패널의 설치지점이 아파트 베란다인 경우의 시뮬레이션 과정을 설명한다.
도 6은 아파트 베란다에 PV 패널을 설치하기 위한 인터페이스 화면을 도시하고 있다. PV 패널을 설치하고자 하는 아파트의 주소로 이동하기 위해서 주소를 검색하거나, 3차원 지리정보시스템(GIS)를 기반으로 직접 지리데이터 상에서 이동하는 방식이 활용될 수 있다(아파트, 건물 옥상,대지의 경우 공통적으로 적용). 또한, 설치지점이 아파트 베란다인 경우에는 사용자는 인터페이스 화면을 통해 해당 아파트 건물로 이동하고 [층수정보] 기능을 이용하여 해당 아파트 건물의 층수를 확인할 수도 있다. 사용자가 도 6의 ②패널 선택에서 [제품선택]를 누르면 제조사, 모델명, 패널효율(%), 용량(kW), 면적(m2), 가격 정보를 포함하는 PV 제품 패널 리스트가 출력되어 사용자가 선택할 수 있다. ③전력변환장치(PCS), ④전력저장장치(ESS) 항목도 동일하게 각 항목의 [제품선택]를 누르면 제품 리스트가 출력되어 사용자가 선택할 수 있다.
사용자가 ⑤설치 지점 선택 및 편집에서 패널설치 버튼을 누르면 마우스 커서 모양이 패널 모양으로 표시되며, 인터페이스부(400)는 사용자가 아파트 베란다를 클릭하면 베란다에 패널을 설치할 수 있다. 이때, 인터페이스부(400)는 아파트 베란다에 PV 패널을 설치하는 경우, 3차원 지리데이터를 통해 인식된 베란다 영역에 PV 패널을 자동 설치할 수 있다. 즉, 사각형의 창문틀 내에 베란다 난간 사각틀이 존재하는 아파트 특성을 이용하여, 인터페이스부(400)는 3차원 지리데이터 상에서 베란다 난간틀을 인식하고 적정 위치에 PV 패널을 자동으로 설치할 수 있다. 기본 설치 위치는 난간틀의 가로 및 세로의 중앙이며, 복수 개의 PV 패널 설치로 인해 난간틀의 범위를 벗어나는 경우 사용자에게 안내할 수도 있다. 만약, 아파트 벽면에 PV 패널을 설치하는 경우, 인터페이스부(400)는 창문 이외의 영역으로서 창문과 중첩되지 않는 영역에 PV 패널을 자동 설치할 수 있다.
사용자가 패널수정 버튼을 클릭하여 PV 패널을 선택하면 도 7에 도시된 것과 같이 리모컨이 표시될 수 있으며, 리모컨을 통해 사용자는 PV 패널의 위치 이동(상하좌우) 및 경사각 조정(0°~90°)이 가능하고 패널 종류의 변경 및 패널의 삭제도 가능하다.
사용자가 ⑥시뮬레이션 계절 선택에서 시뮬레이션하고자 하는 계절을 선택하고 ⑦분석실행을 선택하면 전술한 기본 발전량 산출부(100), 일조량 산출부(200) 및 총 발전량 산출부(300)를 통해 시뮬레이션이 수행될 수 있다. 즉, 선택한 계절의 태양의 높이가 계산되고 건물들의 그림자가 생성된 후, PV 패널이 설치된 건물과 주변 건물의 그림자 중첩 여부를 통해 일조량(분 단위 일조시간)이 계산되고 선택한 PV 패널제품의 속성정보를 대입하여 발전량이 계산될 수 있다.
도 8 및 도 9는 PV 패널이 아파트 베란다에 설치된 경우 인터페이스부(400)를 통해 제공되는 시뮬레이션 결과의 예시를 도시하고 있으며, 도 8에 도시된 것과 같이 시간대별 그림자를 Digital Twin 기법을 이용하여 실제 인근 아파트 건물의 그림자가 지는 것과 같이 시간대별 건물 그림자의 변화를 사용자에게 제공할 수 있다. 또한, 시뮬레이션 분석 결과로서 시간대별 태양광 발전량과 일조량(분 단위 일조시간)을 차트와 테이블로 제공할 수도 있다. 또한, 사용자는 각 시간대를 이동시켜 시간대별 그림자 영향분석을 할 수도 있으며, 즉 도 9에 도시된 것과 같이 PV 패널은 11~15시에는 그림자의 영향을 받지 않지만, 16~17시부터 그림자 영향을 받기 시작하여 일조량 및 발전량이 감소하고 17~18시에는 완전히 그림자가 지어 일조량과 및 발전량이 없음을 확인할 수 있다.
다음으로, 인터페이스부(400)는 사용자가 입력한 설치지점이 건물 옥상인 경우, 미리 설정된 각도 조건에 따라 건물의 지붕 형태를 파악하여 인식된 건물 옥상을 PV 패널 설치 영역으로 결정할 수 있다.
도 10을 참조하여 설명하면, 설치지점이 건물 옥상인 경우 사용자가 지붕선택 버튼을 클릭하고 옥상 면을 클릭하면 인터페이스부(400)는 옥상 면적을 자동 인식하여 특정 색상(연두색)으로 표시할 수 있다. 미리 설정된 각도 조건은 지붕의 경사각에 따른 조건일 수 있으며, 예를 들어 지붕이 하늘을 보는 방향을 기준으로, 평면 지붕(예: 아파트 옥상)은 수평 0.5°이하인 경우 해당 평면을 polygon으로 인식하고, 경사 지붕(예: 단독 주택)은 수평 50°이하인 경우 해당 평면을 polygon으로 인식하여, 인식된 폴리곤을 PV 패널 설치 영역으로 결정할 수 있다.
사용자가 패널설치 버튼을 클릭하면, 인터페이스부(400)는 상기와 같이 결정된 PV 패널 설치 영역의 면적과, 가로 방향으로 설치되는 PV 패널 수, PV 패널의 설치 단수, PV 패널 간 간격 및 PV 패널의 설치 각도에 근거하여 계산되는 PV 패널의 최대 설치 수에 따라 PV 패널 설치 영역에 PV 패널을 설치하여 그 결과를 제공할 수 있다. PV 패널의 최대 설치 수의 계산 방법으로서, 건물의 정면(PV 패널 배치 시작축)을 남향 기준으로 좌상단을 찾고 가로선(동서)이 동서방위 수평으로부터 40도 이상 기울어져 있는지를 측정하고 PV 패널 크기를 전체 면적(가로, 세로 길이)으로 나누어 최대 설치 가능 패널수를 계산하고 배치하는 방식이 적용될 수 있다. 이때, 평면지붕은 PV 설치시 패널의 기둥을 표현하지만, 경사면에 붙이는 경사지붕의 PV 패널은 기둥을 표현하지 않을 수도 있다. 상기와 같이 설치지점에 복수의 PV 패널이 설치된 경우, 일조량 산출부(200)는 각 PV 패널에 의한 그림자를 고려하여 일조량을 산출할 수 있으며, 즉 각 패널의 중심점을 기준으로 패널마다 그림자가 오버랩되는 시점을 계산하여 보다 정확도 높은 일조량을 산출할 수 있다.
또한, 사용자는 인터페이스부(400)를 통해 가로 방향으로 설치되는 PV 패널 수, PV 패널의 설치 단수, PV 패널 간 간격 및 PV 패널의 설치 각도를 편집할 수도 있으며, 패널을 추가하거나 삭제할 수도 있다. 상기한 방식으로 설정된 PV 패널의 수, 방향, 각도에 따라 발전량이 계산되며, 그림자의 영향은 각 패널별 분 단위로 계산 및 일조량으로 합산되고 전술한 수학식 3에 따라 최종 발전량이 계산될 수 있다.
다음으로, 인터페이스부(400)는, 사용자가 입력한 설치지점이 대지인 경우, 사용자가 임의 지정한 대지 영역을 PV 패널 설치 영역으로 결정할 수 있다.
도 11을 참조하여 설명하면, 사용자는 주차장이나 공원부지와 같은 대지에 PV 패널을 설치하는 경우에는 3차원 지리데이터 상에서 임의의 대지 영역을 선택하여 PV 패널 설치 영역을 결정할 수 있다. 즉, 사용자가 영역선택 버튼을 클릭하여 대상영역을 마우스로 클릭해 나가면 영역설정용 점이 연결되고, 영역선택을 완료하면 도 11과 같이 특정 색상(연두색)으로 PV 패널 설치 영역이 표시될 수 있다. 또한, 인터페이스부(400)는 상기와 같이 결정된 PV 패널 설치 영역의 면적과, 가로 방향으로 설치되는 PV 패널 수, PV 패널의 설치 단수, PV 패널 간 간격 및 PV 패널의 설치 각도에 근거하여 계산되는 PV 패널의 최대 설치 수에 따라 PV 패널 설치 영역에 PV 패널을 설치하여 그 결과를 제공할 수 있다.
경제성 분석부(500)는 PV 패널의 총 발전량을 산출하기 위해 요구되는 비용과 총 발전량에 따른 수익을 분석하여 인터페이스부(400)를 통해 분석 결과를 제공할 수 있다. 경제성 분석부(500)는 전술한 PV 패널의 경제성을 분석하기 위한 경제 지표로서 투자수익(ROI: Return Of Investment), 투자회수기간(PP: Payback Period), 순현재가치(NPV: Net Present Value) 및 내부수익률(IRR: Internal Rate of Return)을 활용할 수 있다. 도 12 및 도 13은 인터페이스부(400)를 통해 제공되는 경제성 분석부(500)의 분석 결과를 보고서 및 차트로 표현한 예시를 도시하고 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시뮬레이션 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 14를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시뮬레이션 방법을 설명하면, 먼저 인터페이스부(400)는 사용자로부터 상기 PV 패널의 성능정보, 설치정보 및 설치지점을 입력받는다(S100).
이어서, 기본 발전량 산출부(100)는 대상 지역에 대한 종관기상관측정보와, PV(PhotoVoltaics) 패널의 성능정보 및 설치정보를 이용하여 대상 지역에 설치되는 PV 패널의 기본 발전량을 산출한다(S200). S200 단계에서 기본 발전량 산출부(100)는 종관기상관측정보로부터 계산되는 PV 패널의 온도 및 성능계수와 성능정보를 5-Parameter 알고리즘에 적용하여 기본 발전량을 산출할 수 있다.
이어서, 일조량 산출부(200)는 대상 지역에 대한 3차원 지리데이터를 기반으로, 대상 지역의 태양의 위치 및 태양광을 모델링하여 PV 패널의 설치 지점에 형성되는 그림자를 생성하고, 생성된 그림자에 따른 일조량을 산출한다(S300). S300 단계에서, 일조량 산출부(200)는 대상 지역에서의 시간에 따른 태양의 위치와, 3차원 지리데이터에 적용할 수 있도록 3차원 좌표를 갖는 태양광을 모델링한 후, Shadow Map 알고리즘을 적용하여 그림자를 생성할 수 있으며, 대상 지역에서 그림자 생성의 연산 속도 및 일조량 산출의 정밀도를 고려하여 미리 정의된 조건에 따라 Shadow Map 알고리즘을 Hard Shadow 방식 및 Soft Shadow 방식으로 구분 적용하여 그림자를 생성할 수 있다.
이어서, 총 발전량 산출부(300)는 기본 발전량 산출부(100) 및 일조량 산출부(200)에 의해 각각 산출된 기본 발전량 및 일조량에 기초하여 대상 지역에 설치된 PV 패널의 총 발전량을 산출한다(S400). S400 단계에서, 총 발전량 산출부(300)는 기본 발전량, 일조량 및 PV 패널의 설치 수량을 곱하여 총 발전량을 산출할 수 있다.
*이어서, 인터페이스부(400)는 사용자가 입력한 성능정보, 설치정보 및 설치지점을 기반으로 시뮬레이션되어 산출된 일조량 및 총 발전량을 3차원 지리데이터상에서 Digital Twin 방식에 따라 시각화하여 출력한다(S500).
이어서, 경제성 분석부(500)는 총 발전량을 산출하기 위해 요구되는 비용과 총 발전량에 따른 수익을 분석한 결과를 인터페이스부(400)를 통해 사용자에게 제공한다(S600).
이와 같이 본 실시예는 PV 패널의 기본 발전량을 산출하고, 3차원 지리데이터를 기반으로 그림자를 생성하여 일조량을 산출한 후, 대상 지역에 설치된 PV 패널의 총 발전량을 산출하는 방식을 통해 도시에 적합한 스마트시티 태양광 발전 시뮬레이션 방법을 제공할 수 있고, Digital Twin 기법을 토대로 시간대별로 움직이는 3차원 건물의 그림자와 함께 태양광 발전량 및 일조량을 시각화하여 제공함으로써 사용자에게 보다 실감적으로 시뮬레이션 결과를 제공할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100: 기본 발전량 산출부
200: 일조량 산출부
300: 총 발전량 산출부
400: 인터페이스부
500: 경제성 분석부

Claims (2)

  1. 대상 지역에 대한 종관기상관측정보와, PV(PhotoVoltaic) 패널의 성능정보 및 설치정보를 이용하여 상기 대상 지역에 설치되는 PV 패널의 기본 발전량을 산출하는 기본 발전량 산출부;
    상기 대상 지역에 대한 3차원 지리데이터를 기반으로, 상기 대상 지역의 태양의 위치 및 태양광을 모델링하여 PV 패널의 설치 지점에 형성되는 그림자를 생성하고, 상기 생성된 그림자에 따른 일조량을 산출하는 일조량 산출부; 및
    상기 기본 발전량 산출부 및 상기 일조량 산출부에 의해 각각 산출된 기본 발전량 및 일조량에 기초하여 상기 대상 지역에 설치된 PV 패널의 총 발전량을 산출하는 총 발전량 산출부;
    를 포함하고,
    상기 기본 발전량 산출부는, 상기 종관기상관측정보로부터 계산되는 PV 패널의 온도 및 성능계수와 상기 성능정보를 5-Parameter 알고리즘에 적용하여 상기 기본 발전량을 산출하고,
    상기 일조량 산출부는, 상기 대상 지역에서의 시간에 따른 태양의 위치와, 상기 3차원 지리데이터에 적용할 수 있도록 3차원 좌표를 갖는 태양광을 모델링한 후, Shadow Map 알고리즘을 적용하여 상기 그림자를 생성하고,
    상기 일조량 산출부는, 상기 대상 지역에서 그림자 생성의 연산 속도 및 일조량 산출의 정밀도를 고려하여 미리 정의된 조건에 따라 상기 Shadow Map 알고리즘을 Hard Shadow 방식 및 Soft Shadow 방식으로 구분 적용하여 상기 그림자를 생성하되, 상기 미리 정의된 조건은, 일정치 이상의 수의 건물들의 그림자를 생성하는 영역은 Hard Shadow 방식을 적용하고, 일조량 계산 측정 결과를 획득하는 영역은 Soft Shadow 방식을 적용하는 조건이고,
    상기 총 발전량 산출부는, 상기 기본 발전량, 상기 일조량 및 PV 패널의 설치 수량을 곱하여 상기 총 발전량을 산출하고,
    사용자로부터 상기 PV 패널의 제품정보, 설치정보 및 설치지점을 입력받기 위한 인터페이스를 제공하고, 사용자가 입력한 제품정보, 설치정보 및 설치지점을 기반으로 시뮬레이션되어 산출된 상기 일조량 및 상기 총 발전량을 상기 3차원 지리데이터상에서 Digital Twin 방식에 따라 시각화하여 출력하는 인터페이스부;를 더 포함하고,
    상기 인터페이스부는, 사용자가 입력한 상기 설치지점이 아파트 베란다인 경우 상기 3차원 지리데이터를 통해 인식된 베란다 영역에 PV 패널을 자동 설치하고, 사용자가 입력한 상기 설치지점이 아파트 벽면인 경우 창문 이외의 영역으로서 창문과 중첩되지 않는 영역에 PV 패널을 자동 설치하고,
    상기 인터페이스부는, 사용자가 입력한 상기 설치지점이 건물 옥상인 경우, 미리 설정된 각도 조건에 따라 건물의 지붕 형태를 파악하여 인식된 건물 옥상을 PV 패널 설치 영역으로 결정하고,
    상기 인터페이스부는, 사용자가 입력한 상기 설치지점이 대지인 경우, 사용자가 임의 지정한 대지 영역을 PV 패널 설치 영역으로 결정하고,
    상기 인터페이스부는, 상기 결정된 PV 패널 설치 영역의 면적과, 가로 방향으로 설치되는 PV 패널 수, PV 패널의 설치 단수, PV 패널 간 간격 및 PV 패널의 설치 각도에 근거하여 계산되는 PV 패널의 최대 설치 수에 따라 상기 PV 패널 설치 영역에 PV 패널을 설치하고,
    상기 일조량 산출부는, 상기 설치지점에 복수의 PV 패널이 설치된 경우, 각 PV 패널에 의한 그림자를 고려하여 상기 일조량을 산출하되, 각 PV 패널의 중심점을 기준으로 PV 패널마다 그림자가 오버랩되는 시점을 계산하여 상기 일조량을 산출하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시뮬레이션 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 총 발전량을 산출하기 위해 요구되는 비용과 상기 총 발전량에 따른 수익을 분석하여 상기 인터페이스부를 통해 분석 결과를 제공하는 경제성 분석부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시뮬레이션 장치.
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