Subscript
Nomenclature
1. 서 론
2. 실험대상 및 구성
2.1 양면형 PV 모듈
2.2 PV 시스템 구성
3. 실험결과 및 분석
3.1 PV 모듈의 발전패턴 분석
3.2 PV 시스템의 발전패턴 분석
4. 결 론
Nomenclature
Pmax : Maximum Power
Voc : Voltage at Open Circuit State
Isc : Current at Short Circuit State
Vmp : Voltage at Maximum Power Point Tracking State
Imp : Current at Maximum Power Point Tracking State
1. 서 론
탄소중립을 위한 노력의 일환으로 신재생에너지 보급확대 및 의무화가 이루어지면서 태양광발전(Photovoltaic; PV) 시스템의 시장 규모가 지속적으로 증가하고 있다. PV 시스템은 발전량 측면에서 가장 유리하도록 주로 남향으로 설치되나, 최근 남향 PV 시스템의 보급이 증가함에 따라 정오 시간대에 발전량이 편중되는 현상이 심화되어 전력계통 운용에 불안정을 초래하는 문제가 발생하고 있다1). 이에 대한 대안으로 동·서향 PV 시스템이 주목받고 있는데, 이는 동향 및 서향으로 PV 모듈을 설치하는 경우 피크 발전 시간대가 오전과 오후로 이동되면서, 남향 대비 피크 발전 시간대가 분산되는 효과가 있기 때문이다. 또한 동·서향 PV 시스템은 남향 PV 시스템보다 총 발전량이 작아지는 문제점이 있어, 이를 보완하기 위해 양면형 모듈이 주로 사용되고 있다. 그러나 국내에서는 경사형으로 설치된 양면형 PV 모듈이 사용된 동·서향 PV 시스템의 발전특성을 규명하는 연구가 부족한 실정이다.
동·서향 PV 시스템과 관련된 기존의 연구를 살펴보면 국내의 경우 PV 시스템 신규 설치에 따라 전력계통에 미치는 영향을 지표화하고, 시뮬레이션을 통해 해당 지표를 평가하는 방법론을 개발하였다. 또한 해당 방법론을 통해 동·서향 PV 시스템 보급 시나리오를 평가한 결과 남향 PV 보급 시나리오 대비 일간 약 2천 만원의 편익이 발생한다고 주장하였다1).
국외의 경우 시뮬레이션을 통해 PV 시스템의 방위각 및 경사각 변화에 따른 발전량, 발전효율, 인버터 효율, 비용 등의 다양한 요소 성능에 대해 연간, 계절별, 월별로 분석하였으며 방위각이 10°인 경우 남향보다 비용 측면에서 유리하다고 주장하였다2). 또한, 동·서향 PV 시스템과 남향 PV 시스템의 설치면적 대비 용량과 구조물, LCC, 변전소 소요용량, 전력피크 등의 요인에 따른 동·서향 PV 시스템의 이점을 분석하였으며, 동·서향 PV 시스템은 설치면적 대비 용량과, 구조물, 변전소 비용 측면에서 남향보다 유리하게 나타났다고 주장하였다3). 이 외에도, PV 시스템의 방위각 및 경사각에 따른 민감도에 대한 분석이 다수 진행되었으며4, 5), 양면형 모듈의 방위각과 경사각, 알베도, 고도가 발전량에 미치는 영향을 분석한 연구도 진행되고 있다6). 또한, 동·서향 PV 시스템의 발전량과 주택의 에너지 부하매칭을 분석하는 연구가 진행되었다. 한 연구에서는 지붕 설치형 PV 시스템의 방위각 및 경사각 변화에 따라 부하매칭과 피크전력 변화를 분석하였으며, 분석결과 동·서향 PV 시스템은 남향 PV 시스템에 비해 발전량이 적으나, 생산량에 대한 자체 소비율이 증가하고 계통으로 송전되는 피크 전력의 저감이 이루어진다고 주장하였다7). 또한 동·서향 PV 모듈의 기울기에 따른 부하 매칭률을 분석하는 연구가 진행되었으며, 해당 연구에서는 동·서향 PV 시스템은 아침과 저녁 수요 피크시에 전력 생산이 가능하므로, 남향에 비해 주거용 건물의 에너지 소비자에게 유리할 수 있다고 서술하였다8).
이와 같이, 동·서향 PV 시스템과 동·서향 양면형 PV 시스템에 대한 민감도 분석, 피크 전력 시간대 분석, 부하 매칭률 분석, 계통에 미치는 영향 등에 대해 연구가 이루어지고 있으나, 대부분 시뮬레이션을 통해 분석되었으며 실험을 통한 분석연구는 미비한 실정이다. 특히, 국내에서 경사형으로 설치된 동·서향 양면형 PV 시스템의 발전특성에 대한 연구는 찾아보기 어렵다.
본 연구에서는 실험을 통해 경사형으로 설치된 동·서향 양면 PV 시스템의 일일 및 시간대별 발전량을 분석하였다. 이를 위해, 남향 PV 시스템과 피크 발전 분산효과에 대해 비교 분석하였다.
2. 실험대상 및 구성
2.1 양면형 PV 모듈
실험에 사용된 양면형 모듈은 단결정 실리콘 셀을 사용한 G/G 모듈이며(Fig. 1), 양면형 모듈의 상세규격은 Table 1과 같다. 양면형 모듈의 면적은 약 2.7 m2이며, 전면 정격용량 및 전면 효율이 각각 약 470 Wp, 17%인 모듈을 사용하였다.
Table 1.
Specification of the bifacial module
2.2 PV 시스템 구성
동·서향 PV 시스템의 발전특성을 분석하고, 이를 남향 PV 시스템과 비교하기 위해 각 PV 시스템에 대해 실험을 진행하였다. 이때 PV 시스템 구성은 양면형 모듈을 Fig. 2와 같이 정동향 및 정서향으로 각각 한 장씩 설치하여 동·서향 PV 시스템을 구성하였으며, 동일용량으로 비교하기 위해 양면형 모듈 두 장을 정남향으로 설치하여 남향 PV 시스템을 구성하였다. 동·서향 PV 시스템은 높이 약 2.05 m의 가대 위에 설치되었으며, 남향 PV 시스템은 지면에 설치되었다. 또한, 모든 모듈의 경사각은 20°로 설정하여 실험하였다. 각 PV 시스템이 평지붕에 설치되는 것을 모사하여 샌드위치 판넬 위에 PV 모듈을 설치하였으며, 모듈 후면의 발전량 확보를 위해 아이보리색 샌드위치 패널을 지붕재로 사용하였다. 또한, 동·서향 PV 시스템의 모듈 간 간격은 약 40 cm로 설치되었다. 실제 지붕에 동서향 PV 시스템을 시공하는 경우 설치면적 최소화를 위해 모듈 간 간격을 최소화하여 약 20 cm의 간격으로 시공되나, 본 실험에서는 작업자가 지붕이 아닌 가대 위에 모듈을 설치하므로, 작업 공간 확보를 위해 실제 시공 간격보다 넓은 40 cm로 설치되었다.
이때, 각 시스템을 구성하는 PV 모듈은 모듈 간 연결 없이 각각 I-V 트레이서에 연결되어 MPPT 제어 상태에서 발전량이 계측되었다. 이에, 총 4장의 PV 모듈과 4개의 I-V 트레이서 채널이 사용되었다. 또한, 수평면 전일사량을 측정하였으며, 전일사량과 발전량 데이터는 10초 간격으로 측정되었다.
본 실험은 천안 소재(위도 36°81', 경도 127°,11')의 공주대학교 내에서 진행되었다. 실험체가 설치된 부지는 Fig. 3과 같이 실험체의 동남쪽에 약 3층 규모의 건물이 배치되어 있으며, 이로 인해 실험체에 음영이 발생하는 것으로 확인되었다. 음영은 하절기 기준 오전 9시 30분경까지 실험체에 드리워지는 것으로 확인되었다. 이로 인해 실험 데이터 중 오전 10시 이전 측정값은 유효성이 부족한 것으로 판단하였으며, 이에 실험결과 분석은 건물 음영에 영향을 받지 않는 10시 이후 시간대 측정값을 기준으로 하였다.
3. 실험결과 및 분석
실험결과는 하절기인 8월 13일 하루 데이터를 대상으로 분석하였으며, 이는 측정 데이터 중 가장 구름이 적고 일사 조건이 양호한 날에 계측된 것이다.
3.1 PV 모듈의 발전패턴 분석
본 절에서는 동향과 서향, 남향 각 PV 모듈 단위에서 하루 동안의 발전패턴을 분석하였다. 순간 발전량 및 전일사량 측정 데이터는 Fig. 4과 같으며, 남향과 동향, 서향 PV 모듈의 피크 발전 시간대가 각각 다르게 나타났다.
각 모듈의 발전량 패턴을 비교해보면, 남향 PV 모듈은 하루 중 12시 30분경에 발전량이 가장 높게 나타나는 모습을 보인다. 오후 2시 이후 발전량이 높게 나타나는 것은 구름으로 인한 일시적 현상이며, 전체적인 양상은 정오 부근에서 발전량이 가장 높음을 알 수 있다. 반면, 동향 및 서향 모듈은 각각 오전 10시, 오후 2시에 발전량이 가장 높은 것으로 나타났으며, 이를 통해 동향 및 서향 모듈의 피크 발전 시간대가 남향 모듈과 달리 오전과 오후에 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한, 서향 PV 모듈의 발전량은 오후 3시 이후부터 남향 PV 모듈의 발전량보다 크게 나타났다. 동향 PV 모듈은 오전 10시경부터 오후 2시까지 발전량의 변화가 적고 균일하게 나타나는 특징을 보였다.
또한, 남향 및 동향, 서향 PV 모듈의 후면온도를 분석하였으며, 이는 Fig. 5와 같다. 분석결과 모든 모듈의 온도가 하루 중 13시 30분 경에 가장 높게 나타났으며, 이때 각 모듈의 최대 온도는 남향 약 66°C, 서향 62°C, 동향 62°C로 유사한 수준으로 확인되었다. 이를 통해 일사량이 증가함에 따라 모든 PV 모듈의 후면온도가 증가하는 것을 확인하였다.
각 PV 모듈의 시간별 누적 발전량은 Fig. 6과 같다. 남향 모듈은 오전 11시의 누적 발전량이 약 350 Wh로 하루 중 가장 크게 나타났으며, 이때 동향 및 서향 PV 모듈의 발전량보다 각각 51.9 Wh, 78.5 Wh 큰 것으로 분석되었다. 그러나 남향 PV 모듈의 발전량은 오전 11시 이후 점차 감소하여 오후 2시까지 서향 모듈의 발전량과 차이가 줄어드는 것을 확인할 수 있으며, 오후 3시에 서향 모듈의 발전량보다 작아지는 것을 확인하였다.
동향 모듈은 오전 11시의 누적 발전량이 약 300 Wh로 하루 중 가장 크게 나타났으나, 이는 오전의 음영으로 인해 남향과 동일한 시간에 최대 발전량이 나타난 것으로 판단되며, 주변 건물에 의한 음영이 없을 경우 오전 11시보다 앞선 시간에 최대 발전량을 보였을 것으로 판단된다.
서향 모듈의 경우 오후 3시의 누적 발전량이 약 280 Wh로 하루 중 가장 크게 나타났다. 또한, 오후 3시부터 남향 PV 모듈보다 발전량이 커지는 것을 확인하였으며, 오후 5시에 남향 모듈 발전량보다 약 56.5 Wh 크게 나타나며 남향 모듈과 최대 발전량 차이를 나타냈다.
하루 총 발전량의 경우 남향 PV 모듈이 약 2.5 kWh로 나타났으며, 동향 PV 모듈은 약 2.1 kWh 로 남향 대비 약 18% 작은 것으로 분석되었다. 또한 서향 PV 모듈은 약 2.4 kWh로 남향 대비 약 6% 작은 것으로 분석되었다. 서향-남향 PV 모듈 간의 발전량 차이보다 동향-남향 PV 모듈간의 발전량 차이가 큰 것은 음영으로 인해 동향과 남향의 발전량 차이가 낮기 때문인 것으로 판단된다.
3.2 PV 시스템의 발전패턴 분석
본 절에서는 동향과 서향 PV 모듈의 발전량을 합친 동·서향 PV 시스템에 대한 발전패턴과 남향 PV 시스템의 발전패턴을 비교 분석하고자 한다. 앞서 서술한 것과 같이, 동·서향 PV 시스템은 동향 및 서향 PV 모듈 각각 한 장씩 총 두 장의 PV 모듈로 구성되므로, 남향 PV 시스템 또한 두 장의 PV 모듈로 구성하여 동·서향 PV 시스템과 동일용량 조건에서 발전패턴을 분석할 수 있도록 하였다.
전체적인 발전패턴은 PV 모듈 단위로 분석한 것과 달리 동향과 서향 PV 모듈의 발전량이 합산되면서 정오 경의 발전량이 하루 중 가장 높게 나타나고, 결과적으로 피크 발전 시간대의 변화 없이 남향과 유사한 발전패턴을 보이는 것으로 분석되었다.
각 PV 시스템의 시간별 누적 발전량 및 평균 일사량을 분석해보면(Fig. 7), 오전 5~8시까지는 동·서향 PV 시스템과 남향 PV 시스템의 발전량이 유사하게 나타나며, 오전 9시~오후 4시까지 남향 PV 시스템의 발전량이 높은 것으로 분석되었다. 그러나 오후 5시 이후에는 남향 PV 시스템보다 동·서향 PV 시스템의 발전량이 크게 나타났다. 이때, 각 시스템 간의 누적 발전량 차이는 11시에 가장 크게 나타났으며, 남향 PV 시스템이 동·서향 PV 시스템보다 160 Wh, 약 22% 큰 것으로 분석되었다. 또한, 발전량이 역전되는 오후 5시 이후 시간대 중에서는 오후 5시에 각 시스템 간 누적 발전량 차이가 가장 크게 나타났으며, 이때 동·서향 PV 시스템이 남향 PV 시스템보다 24 Wh, 약 12.5% 큰 것으로 분석되었다.
또한, 동·서향과 남향 시스템 모두 오전 11시부터 발전량이 감소하는 것으로 나타나며, 이때 남향 PV 시스템보다 동·서향 시스템의 감소 기울기가 작은 것을 확인하였다. 이를 통해 동·서향 PV 시스템의 발전량이 시간에 따라 비교적 균일하게 분포함을 알 수 있으며, 이는 서향 PV 모듈의 발전 피크 시간대가 오후임에 따라 남향 시스템 대비 오후에 발전량 감소가 작게 나타난 것으로 분석된다.
각 시스템의 하루 총 발전량은 Fig. 8에 나타낸 것과 같이 남향 PV 시스템이 약 5.2 kWh이며, 동·서향 PV 시스템이 약 4.4 kWh로 동·서향 PV 시스템의 하루 총 발전량이 남향 PV 시스템 대비 14.3% 낮은 것으로 분석되었다. 이는 앞서 PV 모듈 별 발전량을 분석한 것과 같이, 동향과 서향으로 모듈을 설치할 경우 남향보다 하루 총 발전량이 적어지는 특징이 있기 때문으로 분석된다.
4. 결 론
본 연구에서는 경사형으로 설치된 양면형 동·서향 PV 시스템의 발전특성을 분석하고 이를 남향 PV 시스템과 비교하였으며, 모듈 단위와 시스템 단위로 나누어 결과를 분석하였다.
∙ 분석결과, 동향과 서향 PV 모듈의 피크 발전 시간대가 남향과 달리 오전 및 오후로 나타나는 것을 확인하였다. 또한, 서향 모듈은 오후 3시 이후 남향 모듈보다 발전량이 큰 것으로 분석되었다.
∙ 그러나, PV 시스템 단위의 발전 패턴을 분석한 결과, 피크 발전 시간대가 오전 11시경으로 분석되었다. 이는 동향 모듈과 서향 모듈 각각의 정오 발전량이 합쳐져, 정오에 발전량이 크게 나타나게 된 것으로 분석된다.
∙ 이때 동·서향 PV 시스템은 남향 PV 시스템 대비 발전량 감소 기울기가 작은 것으로 분석되었으며, 이로 인해 전력계통에 미치는 부담이 비교적 작을 것으로 분석된다.
∙ 종합적으로, 동·서향 PV 시스템은 남향 PV 시스템 대비 시간에 따른 발전량 변화량이 작아 전력계통에 미치는 부담이 작을 수 있으나, 하루 총 발전량이 낮다는 단점이 있으므로 이에 대한 고려가 함께 이루어져야 할 것으로 판단된다.
본 연구의 옥외 실험은 오전에 인접 건물의 음영이 진 상태에서 수행되었다는 한계와, 각 시스템 간의 설치 높이가 다른 상태에서 실험이 수행되었다는 한계가 있다.
또한, 동·서향 PV 시스템은 연간 혹은 계절에 따라 발전특성이 변화하므로 이에 대한 분석이 필요하나, 본 연구는 하루의 데이터를 기준으로 발전특성 분석을 진행했다는 한계점이 있다. 향후, 추가적인 실험을 통해 계절별 특성에 대한 분석과 그에 따른 동·서향 PV 모듈의 적정 설치 각도를 도출하기 위한 연구가 필요하다.
