KR102464141B1 - 태양광 모듈의 배치 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 태양광 모듈의 배치 방법은, 먼저 태양광 모듈의 크기 정보, 및 지붕면의 크기, 형상 및 방위각 정보를 획득한다. 그리고, 지붕면의 방위각과 동일한 제1 방위각, 제1 방위각에 수직한 제2 방위각, 및 정남 방향인 제3 방위각을 태양광 모듈을 설치할 가상의 방위각으로 설정한다. 이후, 설정된 제1 내지 제3 방위각들 각각에 대하여 일사효율이 가장 높은 태양광 모듈의 경사각을 산출하고, 기 설정된 태양의 남중 고도와 산출된 경사각 조건에서 지붕면 상에 투영되는 태양광 모듈의 투영면적을 계산하고, 계산된 태양광 모듈의 투영면적을 하나의 단위체로 하여 지붕면 상에 배치 가능한 단위체의 수를 계산하고, 일사효율이 100%인 방위각과 경사각으로 설치된 태양광 모듈 하나의 연간 일사량을 1로 가정하였을 때 이에 대한 상대적인 연간 일사량을 계산하고, 계산된 일사량 값들을 서로 비교하여 일사량이 가장 높은 방위각과 경사각을 도출한다.

Description

태양광 모듈의 배치 방법{METHOD FOR ARRANGING SOLAR POWER GENERATOR MODULE}
본 발명은 태양광 모듈의 배치 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 지붕의 형태와 방향에 따라 가장 효율적인 태양광 모듈의 배치 방법을 도출할 수 있는 태양광 모듈의 배치 방법에 관한 것이다.
건물 일체형 태양광 발전(Building Integrated Photovoltaic System, BIPV)은 지붕 자체를 태양광 발전 시스템의 공간으로 활용하는 기술로서, 건축 자재화된 태양광 모듈을 건물의 외벽이나 지붕에 설치하여 전력을 생산한다. 이때, 태양광 모듈은 건물 시공 단계에서 설치될 수도 있고, 건물 완공 이후에 추가로 설치될 수도 있다.
한편, 건물의 지붕에 태양광 모듈을 설치하는 경우, 종래에는 태양광 모듈의 효율적인 배치를 위해 건축 전문가나 태양광 모듈 설치 전문가의 도움이 필수적이었다. 즉, 태양광 모듈 설치에 다수의 고급 인력이 필요하였고, 이는 시공비 상승의 원인이 되었다.
또한, 건축 전문가나 태양광 모듈 설치 전문가의 판단착오로 인해 태양광 모듈이 최적의 방향과 경사로 설치되지 못하더라도, 비전문가가 이를 확인할 수 있는 방법이 없다는 문제점이 있었다.
본 발명의 과제는, 전문가가 아니더라도 최적의 태양광 모듈 배치 방향과 경사를 용이하게 설계하고 검토할 수 있는 태양광 모듈의 배치 방법을 제공하는 데 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위하여, 예시적인 실시예들에 따른 태양광 모듈의 배치 방법은, 상기 태양광 모듈의 크기 정보, 및 상기 지붕면의 크기, 형상 및 방위각 정보를 획득하는 단계; 상기 지붕면의 방위각과 동일한 제1 방위각, 상기 제1 방위각에 수직한 제2 방위각, 및 정남 방향인 제3 방위각을 상기 태양광 모듈을 설치할 가상의 방위각으로 설정하는 단계; 상기 설정된 제1 내지 제3 방위각들 각각에 대하여 일사효율이 가장 높은 상기 태양광 모듈의 경사각을 산출하는 단계; 상기 제1 내지 제3 방위각들 각각에 대하여, 기 설정된 태양의 남중 고도와 상기 산출된 경사각 조건에서 상기 지붕면 상에 투영되는 상기 태양광 모듈의 투영면적을 계산하는 단계; 상기 제1 내지 제3 방위각들 각각에 대하여, 상기 계산된 태양광 모듈의 투영면적을 하나의 단위체로 하여 상기 지붕면 상에 배치 가능한 상기 단위체의 수를 계산하는 단계; 상기 제1 내지 제3 방위각들 각각에 대하여, 일사효율이 100%인 방위각과 경사각으로 설치된 태양광 모듈 하나의 연간 일사량을 1로 가정하였을 때, 이에 대한 상대적인 연간 일사량을 계산하는 단계; 및 상기 제1 내지 제3 방위각들 각각에 대하여 계산된 일사량 값들을 서로 비교하여 일사량이 가장 높은 방위각과 경사각을 도출하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 경사각을 산출하는 단계는, 기 측정된 방위각과 경사각 변화에 따른 일사효율 데이터를 획득하는 단계, 및 상기 데이터를 이용하여 특정 방위각에서 일사효율이 가장 높은 경사각을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 기 설정된 태양의 남중 고도는 동지날 태양의 남중 고도일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 상대적인 연간 일사량을 계산하는 단계는 수학식
Figure 112020064084233-pat00001
에 의해 수행될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 방위각은, 상기 가상의 선이 정남 방향에서 서쪽으로 회전한 경우 양(+)의 값을 가지고, 상기 가상의 선이 정남 방향에서 동쪽으로 회전한 경우 음(-)의 값을 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 지붕면은 경사각이 기 설정된 각도 이하일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 태양광 모듈의 투영면적을 계산하는 단계는, 태양광에 의해 상기 지붕면 상에 형성되는 상기 태양광 모듈의 그림자 면적을 계산하는 것일 수 있다.
본 발명의 과제를 달성하기 위하여, 또 다른 실시예에 따른 태양광 모듈의 배치 방법은, 상기 태양광 모듈의 크기 정보, 및 상기 지붕면의 크기, 형상, 방위각 및 경사각 정보를 획득하는 단계를 포함한다.
상기 지붕면의 경사각이 기 설정된 각도 이하인 경우에는, 상기 지붕면의 방위각과 동일한 제1 방위각, 상기 제1 방위각에 수직한 제2 방위각, 및 정남 방향인 제3 방위각을 상기 태양광 모듈을 설치할 가상의 방위각으로 설정하는 단계; 상기 설정된 제1 내지 제3 방위각들 각각에 대하여 일사효율이 가장 높은 상기 태양광 모듈의 경사각을 산출하는 단계; 상기 제1 내지 제3 방위각들 각각에 대하여, 기 설정된 태양의 남중 고도와 상기 산출된 경사각 조건에서 상기 지붕면 상에 투영되는 상기 태양광 모듈의 투영면적을 계산하는 단계; 상기 제1 내지 제3 방위각들 각각에 대하여, 상기 계산된 태양광 모듈의 투영면적을 하나의 단위체로 하여 상기 지붕면 상에 배치 가능한 상기 단위체의 수를 계산하는 단계; 상기 제1 내지 제3 방위각들 각각에 대하여, 일사효율이 100%인 방위각과 경사각으로 설치된 태양광 모듈 하나의 연간 일사량을 1로 가정하였을 때, 이에 대한 상대적인 연간 일사량을 계산하는 단계; 및 상기 제1 내지 제3 방위각들 각각에 대하여 계산된 일사량 값들을 서로 비교하여 일사량이 가장 높은 방위각과 경사각을 도출하는 단계를 순차적으로 수행할 수 있다.
이와 다르게, 상기 지붕면의 경사각이 상기 기 설정된 각도보다 큰 경우에는, 상기 지붕면의 방위각 및 경사각과 동일한 방위각과 경사각 하에서 상기 태양광 모듈의 일사효율을 산출하는 단계; 상기 지붕면 상에 배치 가능한 상기 태양광 모듈의 수를 계산하는 단계; 및 일사효율이 100%인 방위각과 경사각으로 설치된 태양광 모듈 하나의 연간 일사량을 1로 가정하였을 때, 이에 대한 상대적인 연간 일사량을 계산하는 단계를 순차적으로 수행할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 지붕면의 경사각이 상기 기 설정된 각도보다 큰 경우, 상기 지붕면 상에 배치 가능한 상기 태양광 모듈의 수를 계산하는 단계는, 상기 태양광 모듈과 동일한 크기의 면적을 하나의 단위체로 하여 상기 지붕면 상에 배치 가능한 상기 단위체의 수를 계산하는 것일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 기 설정된 각도는 10°일 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 태양광 모듈의 배치 방법은, 평지붕에 태양광 모듈을 설치함에 있어 최적의 태양광 모듈 배치 방법(방위각, 경사각, 모듈 숫자)을 도출할 수 있다. 특히, 단순히 태양광 모듈을 정남향으로 배치하는 경우뿐만 아니라, 지붕면의 형상을 고려하여 태양광 모듈을 동쪽이나 서쪽으로 틀어지게 설치하는 경우까지 함께 고려함으로써 보다 정확한 최적의 배치 형태를 도출할 수 있다.
또한, 경사지붕에 태양광 모듈을 설치하는 경우에는, 동일한 방위각에서 달성 가능한 최대 일사량 대비 상대적인 일사량 비율을 파악할 수 있다.
따라서, 개인이 태양광 모듈 설치 여부에 대한 의사 결정을 하거나, 또는 정부나 지방자치단체가 태양광 모듈 설치와 관련한 정책 결정을 할 때 본 발명에 의해 도출된 배치 방법이 유용한 자료로서 활용될 수 있다. 또한, 비전문가라고 하더라도, 이미 설치된 태양광 모듈이 최적의 배치 방법으로 배치된 것인지 여부를 용이하게 확인할 수 있다
도 1은 태양광 모듈을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 태양광 모듈의 배치 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 지붕의 형상을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 지붕의 방위각을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 평지붕에 태양광 모듈을 배치하는 3가지 방위를 나타내는 도면들이다.
도 6은 도 5(a)에서 태양광 모듈이 설치된 지붕을 Ⅰ-Ⅰ' 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 7은 도 5(a)에서 지붕에 가상의 태양광 모듈 배치 그리드를 생성한 것을 나타내는 평면도이다.
도 8은 경사지붕에 태양광 모듈이 설치된 모습을 나타내는 단면도이다.
도 9는 도 8에서 지붕에 가상의 태양광 모듈 배치 그리드를 생성한 것을 나타내는 평면도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 태양광 모듈(10)을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 태양광 모듈(10)은 외형을 이루는 프레임(11), 및 프레임(11)에 결합된 복수 개의 태양 전지판(12)을 포함할 수 있다.
태양 전지판(12)은 태양광을 흡수하여 전력을 생산하기 위한 구성이며, 프레임(11)은 태양 전지판들(12)을 건물의 외벽이나 지붕에 고정시키기 위한 구성이다.
태양광 모듈(10)은 지붕 상면에 부착되는 형태로 설치되거나, 또는 지지대(도시되지 않음)를 이용하여 지붕 상면에 경사를 이루는 형태로 설치될 수 있다. 상기 지지대는 태양광 모듈(10)에 경사각을 부여함으로써 태양광 집진 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 태양광 모듈(10)은 다양한 형상과 크기를 가질 수 있는데, 태양광 모듈(10)의 형상과 크기는 관련 법규에서 정해지거나, 또는 유통이나 시공의 편의를 위하여 설정된 것일 수 있다. 설명의 편의를 위하여, 이하에서는 태양광 모듈(10)이 직사각형 형상을 가지며, 양 측변의 길이가 각각 a, b인 것으로 가정하기로 한다. 다만, 이로 인하여 본 발명이 직사각형 형상의 태양광 모듈(10)에만 적용되는 것으로 제한되는 것은 아니며, 다른 형상의 태양광 모듈(10)에도 동일 또는 유사하게 적용될 수 있다.
이하에서는 건물의 지붕에 도 1의 태양광 모듈을 최적의 효율로 배치하기 위한 태양광 모듈의 배치 방법에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 태양광 모듈의 배치 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 3은 지붕의 형상을 설명하기 위한 도면들이다. 도 4는 지붕의 방위각을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 평지붕에 태양광 모듈을 배치하는 3가지 방위를 나타내는 도면들이다. 도 6은 도 5(a)에서 태양광 모듈이 설치된 지붕을 Ⅰ-Ⅰ' 라인을 따라 절단한 단면도이다. 도 7은 도 5(a)에서 지붕에 가상의 태양광 모듈 배치 그리드를 생성한 것을 나타내는 평면도이다. 그리고, 도 8은 경사지붕에 태양광 모듈이 설치된 모습을 나타내는 단면도이다. 도 9는 도 8에서 지붕에 가상의 태양광 모듈 배치 그리드를 생성한 것을 나타내는 평면도이다.
도 2를 참조하면, 먼저 태양광 모듈(10)의 크기 정보를 획득한다(S100).
예를 들면, 상기 태양광 모듈(10)이 직사각형 형상인 경우, 상기 크기 정보는 태양광 모듈(10)의 가로(b) 방향 및 세로(a) 방향의 길이일 수 있다.
이어서, 태양광 모듈(10)을 설치하고자 하는 건물 지붕에 관한 정보들을 획득한다(S110).
예를 들면, 상기 건물 지붕에 관한 정보는, 지붕의 크기, 형상, 방위각(α), 경사각(θ) 정보 등을 포함할 수 있다.
이 경우에 있어서, 지붕의 방위각(α)은 지붕의 방향에 관한 정보로서, 지붕면(A)의 중심(O)에서 지붕면(A)의 남쪽 방향 변(A1)의 중심을 지나는 가상의 선을 긋고, 정남 방향에서 상기 가상의 선까지 시계(서쪽) 방향으로 측정한 각도로 정의할 수 있다. 만약 상기 가상의 선이 상기 정남 방향에서 반시계(동쪽) 방향에 위치한 경우에는, 측정된 각도를 음수(-)로 표현할 수 있다.
방위각(α)이 음수(-)인 경우 지붕면(A)의 남쪽 방향 변(A1)은 남쪽에서 동쪽을 향해 틀어져 있음을 의미하며, 이것이 도 4에 도시되어 있다. 반대로, 방위각(α)이 양수(+)인 경우 지붕면(A)의 남쪽 방향 변(A1)이 남쪽에서 서쪽을 향해 틀어져 있음을 의미한다.
지붕의 경사각(θ)은 지평면과 지붕면(A)이 이루는 각도로 정의할 수 있다. 경사각(θ)이 0°라는 것은 지평면과 지붕면(A)이 평행한 것을 의미하고, 이것이 도 3(a)에 도시되어 있다. 설명의 편의를 위하여, 이하에서는 경사각(θ)이 0°인 지붕을 '평지붕'이라 지칭하기로 한다.
이와 다르게, 지붕의 경사각(θ)이 0°가 아닌 경우는 도 3(b)에 도시되어 있으며, 설명의 편의를 위하여 경사각(θ)이 0°가 아닌 지붕을 '경사지붕'이라 지칭하기로 한다.
한편, 평지붕은 지붕의 경사각(θ)이 0°인 경우뿐만 아니라, 기 설정된 각도 이하인 경우에도 평지붕으로 가정할 수 있다. 예를 들면, 지붕의 경사각(θ)이 10°이하인 경우에도 평지붕으로 가정할 수 있고, 이하의 배치 방법들이 동일 유사하게 적용될 수 있다.
본 발명에서는, 지붕이 평지붕(도 3(a) 참조)인 경우와 경사지붕(도 3(b) 참조)인 경우를 나누어 최적의 태양광 모듈(10) 배치 방법을 제안할 수 있다(S120).
평지붕인 경우에 대하여 설명하기로 한다(S130 내지 S170).
먼저, 태양광 모듈(10)이 설치되는 방향, 즉, 태양광 모듈(10)의 배치 방위각(α)을 산출한다(S130). 이 때, 태양광 모듈(10)의 방위각(α)은 지붕면(A)의 방위각과 동일하게 정의될 수 있다. 즉, 태양광 모듈(10)의 중심에서 태양광 모듈(10)의 남쪽 방향 변의 중심을 지나도록 가상의 선을 긋고, 정남 방향에서 상기 가상의 선까지 시계 방향(서쪽)으로 측정한 각도라고 정의할 수 있다. 마찬가지로, 상기 가상의 선이 상기 정남 방향에서 반시계 방향(동쪽)에 위치하는 경우에는 측정된 각도를 음수(-)로 표현할 수 있다.
즉, 태양광 모듈(10)의 방위각(α)이 음수(-)이면 태양광 모듈(10)의 정면이 정남 방향에서 동쪽 방향으로 틀어져 있음을 의미하고, 태양광 모듈(10)의 방위각(α)이 양수(+)이면 태양광 모듈(10)의 정면이 정남 방향에서 서쪽 방향으로 틀어져 있음을 의미할 수 있다.
태양광 모듈(10)은 지붕과 분리된 별개의 건축자재이기 때문에, 지붕면(A)의 방향(방위각)과 관계 없이 태양광 모듈(10)은 다양한 방향(방위각)으로 설치될 수 있다.
예를 들어, 지붕면(A)의 방위각(α)이 음수(-)인 경우, 태양광 모듈(10)도 동일한 음수(-) 방위각(α1)을 가지도록 설치될 수 있다(도 5(a) 참조). 즉, 태양광 모듈(10)의 정면이 지붕면(A)의 남쪽 방향 변(A1)에 수직한 방향이 되도록 배치하는 경우이다. 이 경우, 태양광 모듈(10)의 방위각(α1)은 지붕면(A)의 방위각(α)과 동일한 값을 가질 수 있다.
이와 다르게, 지붕면(A)의 방위각(α)은 음수(-)이지만, 태양광 모듈(10)은 양수(+) 방위각(α2)을 가지도록 설치될 수 있다(도 5(b) 참조). 즉, 태양광 모듈(10)의 정면이 지붕면(A)의 남쪽 방향 변(A1) 이외의 다른 변(A2)에 수직한 방향이 되도록 배치하는 경우이다. 이 경우, 태양광 모듈(10)의 방위각(α2)은 '90°+지붕면(A)의 방위각(α)'의 값을 가질 수 있다.
즉, 상기 2가지 배치 방향은 태양광 모듈(10)이 지붕면(A)의 이웃한 두 변과 각각 평행한 방향으로 설치되는 경우를 의미한다. 이 경우, 태양광 모듈(10)의 방위각(α1, α2)은 상기 지붕면의 이웃한 두 변에 각각 수직한 직선의 방위각이 된다.
마지막으로, 태양광 모듈(10)은 정면이 정남 방향을 향하도록 설치될 수 있다(도 5(c) 참조). 이 경우, 태양광 모듈(10)의 방위각(α3)은 0°일 수 있다.
이와 같이, 지붕면(A)의 방향과 무관하게 태양광 모듈(10)은 음의 방위각(α1), 양의 방위각(α2), 및 정남향(방위각 0°), 총 3가지 방향으로 설치될 수 있다. 본 발명에서는 상기 3가지 가상의 설치 방향 각각에 대하여 일사량을 계산하고, 계산된 값들을 서로 비교함으로써 최적의 설치 방향과 배치를 결정할 수 있다.
설명의 편의를 위하여, 이하에서는 지붕면(A)의 방위각(α)이 -24°인 것으로 가정하자. 이 경우, 본 발명에서 검토 대상으로 설정되는 태양광 모듈(10)의 3가지 설치 방위각은 -24°, 66°, 및 0°가 된다.
일 실시예에 있어서, 태양광 모듈(10)의 실제 방위각(γ)이 기 설정된 일정 범위 이내에 속하는 경우, 실제 방위각(γ)이 상기 범위 내에 속하는 태양광 모듈(10)들의 방위각(α)은 동일한 값이라고 가정할 수 있다. 이때, 실제 방위각(γ)은 태양광 모듈(10)의 실제 방위각을 나타내고, 방위각(α)은 계산의 편의를 위하여 구간별로 선정된 방위각 값을 의미한다.
예를 들어, 태양광 모듈(10)의 실제 방위각(γ)이 25°에서 35° 범위 내에 있는 태양광 모듈(10)의 경우, 방위각(α)은 30°라고 가정할 수 있다. 즉, 실제 방위각(γ) 값의 범위에 따라 대표 방위각을 설정하는 것이다. 이는, 상기 범위 내에서는 방위각 변화에 따른 일사량의 차이가 크지 않기 때문에, 계산 상의 편의를 도모하기 위한 목적이다. 이것이 표 1에 표시되어 있다.
대표 방위각(α) 실제 방위각(γ) 대표 방위각(α) 실제 방위각(γ)
-90° -90°≤γ<-85° 10° 5°<γ≤15°
-80° -85°≤γ<-75° 20° 15°<γ≤25°
-70° -75°≤γ<-65° 30° 25°<γ≤35°
-60° -65°≤γ<-55° 40° 35°<γ≤45°
-50° -55°≤γ<-45° 50° 45°<γ≤55°
-40° -45°≤γ<-35° 60° 55°<γ≤65°
-30° -35°≤γ<-25° 70° 65°<γ≤75°
-20° -25°≤γ<-15° 80° 75°<γ≤85°
-10° -15°≤γ<-5° 90° 85°<γ≤90°
0° -5°≤γ<5°
상기에서 가정한 바와 같이, 본 발명에서 검토 대상으로 설정되는 태양광 모듈(10)의 실제 방위각(γ)이 -24°, 66°, 및 0°라고 하면, 최적 배치 설계를 위한 태양광 모듈(10)의 방위각(α)은 -20°, 70°, 및 0°로 설정될 수 있다.
다음으로, 설정된 3가지 방위각(α) 각각에 대하여, 최적의 태양광 모듈(10) 경사각(θ)을 설정한다(S140).
일 실시예에 있어서, 최적의 경사각(θ)을 설정하는 것은, 방위각(α)과 경사각(θ)에 따른 일사효율(%) 변화를 표시한 데이터를 이용하여 수행될 수 있다. 상기 데이터는 실험이나 측정을 통하여 기 작성된 것일 수 있으며, 상기 일사효율(%)은 태양광 모듈(10)을 통해 획득 가능한 최대 전력에 대한 상대적인 비율일 수 있다. 아래 표 2 및 표 3에 상기 일사효율 데이터의 일례가 기재되어 있다.
방위각(α)
90° 80° 70° 60° 50° 40° 30° 20° 10° 0°
경사각(Θ) 0° 75 75 75 75 75 75 75 75 75 75
10° 77 79 80 82 83 84 85 86 86 85
20° 76 79 83 86 89 91 92 93 93 93
30° 73 78 83 88 91 94 97 98 98 97
40° 69 75 81 87 91 95 98 100 100 99
50° 63 70 77 84 89 93 96 98 99 98
60° 57 64 72 78 84 89 92 94 95 93
70° 50 57 65 71 77 82 85 87 88 86
80° 42 50 56 62 68 72 76 78 78 77
90° 35 41 47 53 57 61 64 66 66 65
방위각(α)
-10° -20° -30° -40° -50° -60° -70° -80° -90°
경사각(Θ) 0° 75 75 75 75 75 75 75 75 75
10° 85 84 83 81 80 78 76 74 72
20° 92 90 88 85 82 78 75 71 67
30° 96 93 90 86 82 77 72 67 61
40° 97 94 90 85 80 74 67 61 55
50° 95 92 87 81 75 69 62 55 48
60° 91 87 81 75 69 62 55 48 41
70° 83 79 74 68 61 54 48 41 34
80° 74 69 64 59 52 46 40 34 28
90° 62 58 53 48 43 37 32 27 22
상기 표 3에 나타난 바와 같이, 태양광 모듈(10)의 방위각(α1)이 -20°인 경우에는 태양광 모듈(10)의 경사각(θ)이 40°일 때 일사효율이 최대가 된다(이 경우 94%). 또한, 상기 표 2에 나타난 바와 같이, 태양광 모듈(10)의 방위각(α2)이 70°인 경우에는 경사각(θ)이 20° 또는 30°일 때 일사효율이 최대가 된다(이 경우 83%). 또한, 태양광 모듈(10)의 방위각(α3)이 0°인 경우에는 경사각(θ)이 40°일 때 일사효율이 최대가 된다(이 경우 99%).
이와 같이, 상기 S130 단계와 S140 단계를 수행함으로써 평지붕에 가장 높은 일사효율을 갖도록 태양광 모듈(10)을 배치하는 3가지 배치안을 획득할 수 있다. 첫 번째 배치안은 방위각(α1)은 -20°이고 경사각(θ)은 40°가 되도록 태양광 모듈(10)을 배치하는 것이고, 두 번째 배치안은 방위각(α2)은 70°이고 경사각(θ)은 30°가 되도록 태양광 모듈(10)을 배치하는 것이고, 세 번째 배치안은 방위각(α3)은 0°이고 경사각(θ)은 40°가 되도록 태양광 모듈(10)을 배치하는 것이다.
한편, 상기에서는 방위각이 일정한 범위 이내에 있는 태양광 모듈(10)들은 모두 동일한 방위각(α)을 가지는 것으로 가정하였다. 이는 상기 표 2 및 표 3에 나타난 바와 같이, 방위각(α)과 경사각(θ) 변화에 따른 일사효율(%) 테이블이 특정한 방위각과 경사각에 대해서만 작성되어 있기 때문이다. 그러나, 모든 각도에 대한 경사효율 데이터를 이용한다면 상기와 같이 대표 방위각을 사용할 필요가 없으며, 태양광 모듈의 실제 방위각을 그대로 사용할 수 있다. 이 경우 보다 정확한 배치 방법을 도출할 수 있다.
태양광 모듈(10)의 방위각(α)과 경사각(θ)이 확정되면, 상기 조건 하에서 지붕면(A)에 태양광 모듈(10)들을 최대로 배치한 가상의 그리드(grid)를 생성한다(S150). 이때, 상기 그리드는, 하나의 태양광 모듈(10)을 단위체(U, 도 7 참조)로 하여 격자 형태로 배치된 태양광 모듈(10)들의 집합을 의미할 수 있다.
한편, 태양광 모듈(10)은 지붕면(A)에 대하여 일정한 경사각(θ)을 형성하면서 설치된다. 따라서, 태양광(30)이 입사되면 어느 태양광 모듈(10)의 그림자가 이웃한 다른 태양광 모듈(10)을 가릴 수 있다. 이렇게 그림자에 가려진 태양광 모듈(10)은 전력을 생산할 수 없으므로, 이웃한 태양광 모듈(10)들 간에 그림자의 간섭이 발생하지 않도록 적당한 간격으로 서로 이격시킬 필요가 있다. 즉, 태양광(30)에 의한 태양광 모듈(10)의 투영면적을 계산하고, 상기 계산된 투영면적을 이용하여 태양광 모듈(10)의 배치를 결정하여야 한다. 이것이 도 6에 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 어느 태양광 모듈(10)의 그림자가 이웃한 다른 태양광 모듈(10)에 영향을 주지 않기 위해서, 이웃한 태양광 모듈(10)들 간에 최소 거리(L)가 확보되어야 한다. 이 때, 상기 최소 거리(L)는 태양광 모듈(10) 자체의 길이에 의한 거리(L1)와 그림자에 의한 거리(L2)를 합한 값으로서, 아래 [수학식 1] 내지 [수학식 3]에 의해 계산될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020064084233-pat00002
[수학식 2]
Figure 112020064084233-pat00003
[수학식 3]
Figure 112020064084233-pat00004
여기서, a는 태양광 모듈(10)의 일 측변의 길이이다(도 1 참조). 또한,
Figure 112020064084233-pat00005
는 동지날 태양의 남중 고도로서, 태양광 모듈(10)이 설치될 지역의 위도와 경도에 따라 설정될 수 있다.
한편, 본 발명에서는 동지날 태양의 남중 고도를 기준으로 설정하였으나, 춘분날 태양의 남중 고도를 기준으로 설정하는 등 필요에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
상기 과정을 통하여 태양광 모듈(10) 설치를 위한 최소 거리(L)가 산출되면, 태양광 모듈(10)의 투영면적은 가로변의 길이가 b이고 세로변의 길이가 L인 직사각형 형상으로 표현될 수 있다. 이를 태양광 모듈의 단위체(U)라고 정의하기로 한다. 이후, 지붕면(A) 상에 상기 단위체(U)를 최대로 배치한 격자 형태의 그리드를 생성한다. 이것이 도 7에 도시되어 있다. 즉, 상기 그리드는 지붕면(A)에 최대한 많은 수의 태양광 모듈(10)을 설치할 수 있는 배치 형태일 수 있다.
본 발명에서 예로 든 3가지 방위각(α) 각각에 대하여, 하나의 태양광 모듈(10)을 단위체(U)로 하는 격자 형태의 그리드를 생성한다. 이것이 도 5에 도시되어 있다.
다음으로, 생성된 3가지 그리드 각각에 대하여, 연간 예상되는 상대적 일사량을 계산한다(S160).
본 발명은 구체적인 전력 생산량을 계산하는 것이 목적이 아니라, 여러 가지 태양광 모듈(10) 배치 안들 중에서 어느 배치가 가장 효율이 좋은가를 비교하는데 목적이 있다. 따라서, 최대의 일사효율을 가지는 배치 조건(방위각, 경사각)을 기준으로 하였을 때, 상기 S130 단계 내지 S150 단계에서 도출한 3가지 배치 안들의 상대적인 일사량을 확인하는 것으로 충분하다. 상대적인 일사량들을 서로 비교함으로써 최적의 배치 안을 도출할 수 있기 때문이다.
예를 들면, 상기 표 2에서 방위각(α)이 20°이고 경사각(θ)이 40°인 경우 최대의 일사효율(100%)을 달성할 수 있는데, 이와 같은 배치(방위각 20°, 경사각 40°) 하에서 1년간 획득 가능한 최대 일사량을 1로 가정한다. 이 경우 특정 조건(방위각, 경사각) 하에서 1년간 예상되는 상대적인 일사량은 아래 [수학식 4]로 표현될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112020064084233-pat00006
3가지 배치 방위(α1, α2, α3) 각각에 대하여 상대적인 일사량을 계산하고(S160), 계산된 일사량을 서로 비교하여 최적의 배치안을 도출한다(S170).
예를 들어, 본 발명에서 예로 든 3가지 배치 안에 대하여 상대적인 일사량을 각각 계산해 보자.
먼저, 첫 번째 배치안은 방위각(α1)이 -20°이고 경사각(θ)은 40°인 조건이다. 이 경우, 일사 효율은 94%이고(표 3 참조), 그리드 내에 15개의 태양광 모듈(10)을 배치할 수 있다(도 5(a) 참조). 따라서, 첫 번째 배치안의 상대적인 일사량은 14.10이 된다.
두 번째 배치안은 방위각(α2)이 70°이고 경사각(θ)은 30°인 조건이다. 이 경우, 일사 효율은 83%이고(표 2 참조), 그리드 내에 15개의 태양광 모듈(10)을 배치할 수 있다(도 5(b) 참조). 따라서, 두 번째 배치안의 상대적인 일사량은 12.45가 된다.
세 번째 배치안은 방위각(α3)이 0°이고 경사각(θ)은 40°인 조건이다. 이 경우, 일사 효율은 99%이고(표 2 참조), 그리드 내에 13개의 태양광 모듈(10)을 배치할 수 있다(도 5(c) 참조). 따라서, 두 번째 배치안의 상대적인 일사량은 12.87이 된다.
따라서, 상대적인 일사량이 가장 큰 배치안은 첫 번째 배치안으로서, 15개의 태양광 모듈(10)을 방위각(α1) -20° 경사각(θ) 40° 조건으로 배치하는 것임을 확인할 수 있다.
다음으로, 경사지붕인 경우에 대하여 설명하기로 한다(S200 내지 S220).
경사지붕의 경우, 태양광 모듈(10)의 경사각(θ)은 지붕면(A)의 경사각(θ)과 동일할 수 있다. 또한, 지붕면(A)의 방위각(α)과 동일한 방향으로 태양광 모듈(10)을 설치하는 경우에 가장 많은 수의 태양광 모듈(10)을 설치할 수 있기 때문에, 태양광 모듈(10)의 방위각(α) 또한 지붕면(A)의 방위각과 동일하게 설정하는 것이 가장 유리하다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 태양광 모듈(10)이 지붕면(A)에 밀착하여 설치되기 때문에, 그림자에 의한 가리움 효과를 고려할 필요가 없다. 따라서, 이웃한 태양광 모듈(10)들 사이의 최소 거리(L)는 태양광 모듈(10)의 일 측변의 길이(a)와 동일하다고 가정할 수 있다. 이것이 도 9에 도시되어 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 지붕면(A) 상에 태양광 모듈(10)들을 최대로 배치한 가상의 그리드를 생성하고(S200), 생성된 그리드에 대한 일사량을 계산한다(S210).
이 경우 상기 일사량 계산은, 정해진 방위각(α)과 경사각(θ)으로 태양광 모듈(10)들을 설치할 경우, 해당 방위각에서 달성 가능한 최대 일사량 대비 상대적인 일사량을 계산하는 것일 수 있다.
예를 들어, 지붕면(A)의 방위각(α)이 -20°이고 경사각(θ)이 50°인 경우, 태양광 모듈(10)의 설치 방위각(α)과 경사각(θ)은 각각 -20°와 50°일 수 있다. 이 경우, 태양광 모듈(10)의 기대되는 일사효율은 92%일 수 있다(표 3 참조). 반면, 방위각(α)이 -20°인 경우 최대 일사효율은 경사각(θ)이 40°인 경우이며, 그 일사효율은 94%이다(표 3 참조). 따라서, 경사지붕에 밀착형으로 태양광 모듈(10)을 설치하면, 최대 일사량 대비 98%(92/94)의 효율을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광 모듈 배치 방법은, 평지붕에 태양광 모듈(10)을 설치함에 있어 최적의 태양광 모듈(10) 배치 방법(방위각, 경사각, 모듈 숫자)을 도출할 수 있다. 특히, 단순히 태양광 모듈(10)을 정남향으로 배치하는 경우뿐만 아니라, 지붕면(A)의 형상을 고려하여 태양광 모듈(10)을 동쪽이나 서쪽으로 틀어지게 설치하는 경우까지 함께 고려함으로써 보다 정확한 최적의 배치 형태를 파악할 수 있다. 또한, 경사지붕에 태양광 모듈(10)을 설치하는 경우에는, 동일한 방위각에서 달성 가능한 최대 일사량 대비 상대적인 일사량 비율을 파악할 수 있다.
따라서, 개인이 태양광 모듈 설치 여부에 대한 의사 결정을 하거나, 또는 정부나 지방자치단체가 태양광 모듈 설치와 관련한 정책 결정을 할 때 본 발명에 의해 도출된 배치 방법이 유용한 자료로서 활용될 수 있다.
또한, 비전문가라고 하더라도, 이미 설치된 태양광 모듈이 최적의 배치 방법으로 배치된 것인지 여부를 용이하게 확인할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 태양광 모듈 11: 프레임
12: 태양 전지판 A; 지붕면
α, α1, α2, α3: 태양광 모듈의 방위각
θ: 태양광 모듈의 경사각

Claims (10)

  1. 건물의 지붕면 상부에 태양광 모듈을 배치하는 방법으로서,
    상기 태양광 모듈의 크기 정보, 및 상기 지붕면의 크기, 형상 및 방위각 정보를 획득하는 단계;
    상기 지붕면의 방위각과 동일한 제1 방위각, 상기 제1 방위각에 수직한 제2 방위각, 및 정남 방향인 제3 방위각을 상기 태양광 모듈을 설치할 가상의 방위각으로 설정하는 단계;
    상기 설정된 제1 내지 제3 방위각들 각각에 대하여 일사효율이 가장 높은 상기 태양광 모듈의 경사각을 산출하는 단계;
    상기 제1 내지 제3 방위각들 각각에 대하여, 기 설정된 태양의 남중 고도와 상기 산출된 경사각 조건에서 상기 지붕면 상에 투영되는 상기 태양광 모듈의 투영면적을 계산하는 단계;
    상기 제1 내지 제3 방위각들 각각에 대하여, 상기 계산된 태양광 모듈의 투영면적을 하나의 단위체로 하여 상기 지붕면 상에 배치 가능한 상기 단위체의 수를 계산하는 단계;
    상기 제1 내지 제3 방위각들 각각에 대하여, 일사효율이 100%인 방위각과 경사각으로 설치된 태양광 모듈 하나의 연간 일사량을 1로 가정하였을 때, 이에 대한 상대적인 연간 일사량을 계산하는 단계; 및
    상기 제1 내지 제3 방위각들 각각에 대하여 계산된 일사량 값들을 서로 비교하여 일사량이 가장 높은 방위각과 경사각을 도출하는 단계를 포함하고,
    상기 방위각은, 상기 지붕면의 중심에서 상기 지붕면의 남쪽 방향 변의 중심을 지나는 가상의 선을 긋고, 정남 방향에서 상기 가상의 선까지 시계 방향으로 측정한 각도이고,
    상기 태양광 모듈의 투영면적을 계산하는 단계는, 상기 산출된 경사각 조건으로 설치된 상기 태양광 모듈이 태양광에 의해 상기 지붕면 상에 형성되는 다른 태양광 모듈의 그림자 면적에 의해 간섭되지 않도록 인접한 태양광 모듈의 열을 폭 방향으로 이격시킬 수 있는 최소 거리(L)을 계산하는 것을 포함하되, 상기 최소 거리 L은
    [수학식 1]
    Figure 112022086477156-pat00017

    [수학식 2]
    Figure 112022086477156-pat00018

    [수학식 3]
    Figure 112022086477156-pat00019

    로 계산되고, 상기 θ는 태양광 모듈의 경사각이고, θ'는 상기 태양광 모듈이 설치될 지역의 위도와 경도에 따라 설정된 태양의 남중 고도인 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 배치 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 경사각을 산출하는 단계는,
    기 측정된, 방위각과 경사각 변화에 따른 일사효율 데이터를 획득하는 단계; 및
    상기 데이터를 이용하여 특정 방위각에서 일사효율이 가장 높은 경사각을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 배치 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기 설정된 태양의 남중 고도는 동지날 태양의 남중 고도인 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 배치 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 상대적인 연간 일사량을 계산하는 단계는 아래 [수학식 5]에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 배치 방법.
    [수학식 5]
    Figure 112020064084233-pat00007
  5. 제1항에 있어서, 상기 방위각은,
    상기 가상의 선이 정남 방향에서 서쪽으로 회전한 경우 양(+)의 값을 가지고,
    상기 가상의 선이 정남 방향에서 동쪽으로 회전한 경우 음(-)의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 배치 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 지붕면은 경사각이 기 설정된 각도 이하인 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 배치 방법.
  7. 삭제
  8. 건물의 지붕면 상부에 태양광 모듈을 배치하는 방법으로서,
    상기 태양광 모듈의 크기 정보, 및 상기 지붕면의 크기, 형상, 방위각 및 경사각 정보를 획득하는 단계;
    상기 지붕면의 경사각이 기 설정된 각도 이하인 경우,
    상기 지붕면의 방위각과 동일한 제1 방위각, 상기 제1 방위각에 수직한 제2 방위각, 및 정남 방향인 제3 방위각을 상기 태양광 모듈을 설치할 가상의 방위각으로 설정하는 단계;
    상기 설정된 제1 내지 제3 방위각들 각각에 대하여 일사효율이 가장 높은 상기 태양광 모듈의 경사각을 산출하는 단계;
    상기 제1 내지 제3 방위각들 각각에 대하여, 기 설정된 태양의 남중 고도와 상기 산출된 경사각 조건에서 상기 지붕면 상에 투영되는 상기 태양광 모듈의 투영면적을 계산하는 단계;
    상기 제1 내지 제3 방위각들 각각에 대하여, 상기 계산된 태양광 모듈의 투영면적을 하나의 단위체로 하여 상기 지붕면 상에 배치 가능한 상기 단위체의 수를 계산하는 단계;
    상기 제1 내지 제3 방위각들 각각에 대하여, 일사효율이 100%인 방위각과 경사각으로 설치된 태양광 모듈 하나의 연간 일사량을 1로 가정하였을 때, 이에 대한 상대적인 연간 일사량을 계산하는 단계; 및
    상기 제1 내지 제3 방위각들 각각에 대하여 계산된 일사량 값들을 서로 비교하여 일사량이 가장 높은 방위각과 경사각을 도출하는 단계를 포함하고,
    상기 지붕면의 경사각이 상기 기 설정된 각도보다 큰 경우,
    상기 지붕면의 방위각 및 경사각과 동일한 방위각과 경사각 하에서 상기 태양광 모듈의 일사효율을 산출하는 단계;
    상기 지붕면 상에 배치 가능한 상기 태양광 모듈의 수를 계산하는 단계; 및
    일사효율이 100%인 방위각과 경사각으로 설치된 태양광 모듈 하나의 연간 일사량을 1로 가정하였을 때, 이에 대한 상대적인 연간 일사량을 계산하는 단계를 포함하고,
    상기 방위각은, 상기 지붕면의 중심에서 상기 지붕면의 남쪽 방향 변의 중심을 지나는 가상의 선을 긋고, 정남 방향에서 상기 가상의 선까지 시계 방향으로 측정한 각도이고,
    상기 태양광 모듈의 투영면적을 계산하는 단계는, 상기 산출된 경사각 조건으로 설치된 상기 태양광 모듈이 태양광에 의해 상기 지붕면 상에 형성되는 다른 태양광 모듈의 그림자 면적그림자에 의해 간섭되지 않도록 인접한 태양광 모듈을 이격시킬 수 있는 최소 거리(L)을 계산하는 것을 포함하되, 상기 최소 거리 L은
    [수학식 1]
    Figure 112022086477156-pat00020

    [수학식 2]
    Figure 112022086477156-pat00021

    [수학식 3]
    Figure 112022086477156-pat00022

    로 계산되고, 상기 θ는 태양광 모듈의 경사각이고, θ'는 상기 태양광 모듈이 설치될 지역의 위도와 경도에 따라 설정된 태양의 남중 고도인 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 배치 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 지붕면의 경사각이 상기 기 설정된 각도보다 큰 경우,
    상기 지붕면 상에 배치 가능한 상기 태양광 모듈의 수를 계산하는 단계는, 상기 태양광 모듈과 동일한 크기의 면적을 하나의 단위체로 하여 상기 지붕면 상에 배치 가능한 상기 단위체의 수를 계산하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 배치 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 기 설정된 각도는 10°인 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 배치 방법.
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