태양광 요소기술, TMY 데이터의 이용

1. TMY 데이터의 이용 (Making Use of TMY Data)

 

어떤 시간 구간 동안에 모듈이 획득하는 일조량의 양은 태양광 시스템을 설계하는데 주요 전제 조건의 하나이다. 일조량은 ‘Calculation of Solar Insolation’ 에서와 같이 에어매스 값 뿐만 아니라 하늘에서의 태양의 위치를 계산하여 추정할 수 있다. 이런 유형의 계산이 특정위치와 모듈 방향에서 어느 정도의 일조량이 가용한지, 그리고 연중 어떻게 변하는지에 대한 감을 잡게 해 주지만, 복사 강도가 급변 하는 지역의 기후 변화를 포함하고 있지 않아서 그 출력은 실제 시스템의 설계용으로는 사용할 수가 없다. 또 다른 방법은 해당 지역에 있는 기상대에서 수집한 경험적인 복사 데이터를 이용하는 것이다.
특정 연도의 복사와 기상 정보를 포함한 확보된 데이터조합은 일반 대중에게 제공되고 엑셀 스프레드 시트의 형태로 구할 수 있다.

태양광 모듈이 받는 복사의 전체 양 G는 직달 성분 B와 산란 성분 D로 구성된다.

 

 

TMY 파일에서는 복사의 직달과 산란 성분 둘 다를 구할 수 있다. 직달 일조강도는 그것이 태양광선과의 수직면에 의해 받아드려진다는 의미이다. 실제로 직달 성분은 직접 측정이 되는 산란과 전체 (global) 수평면 일조강도로부터 계산된다. 2-축 추적장치를 가진 시스템의 경우 해바라기의 움직임과 같은 방식으로 추적장치가 태양을 향하도록 조정하면 직달 성분은 법선면 직달 일사(Direct Normal Irradiance : DNI)로 불리며 직접 측정이 가능하다. 불행하게도 대부분의 태양광 시스템은 고정식이고 회전하지 않는다. 그래서 직달 태양광의 일부분만 흡수하는데, 시스템의 위치, 모듈 경사각, 방향을 알면 계산할 수 있다[1].

 

 

 

 

 

산란 성분의 계산은 더 간단하다. 전체 sky dome으로부터의 복사가 모든 방향으로 균등(isotropic)하 다고 가정한 하나의 간단한 모델에서 보면, 각도 β로 기울어진 모듈은, TMY가 제공하는 수평면 분산 일조량(Diffuse Horizontal Irradiation : DHI)의 비례 부분만 받게 된다는 것이다.

 

 

 

 

 

 

사막 지역의 경우에는 단순 모델이 꽤 잘 맞으나 구름이 많은 지역에서는 에러가 발생한다.
지구에서는 보다 높은 정확도를 얻기 위해 특수한 천공(天空, sky) 모델을 사용하여야 한다.
TMY는 시간 단위로 측정된다. 데이터는 60분 간격동안 축적되고, 다음 그림에서와 같이 표준화된 형식으로 저장된다.

 

 

지면에 평행하게 놓여 있는 모듈은 산란되는 빛 전부를 받는다. / 경사지게 설치된 모듈은 산란되는 빛의 일부만을 받는다.

 

 

 

 

 

 

 

 

위에서 11:00 am이라고 시간이 찍힌 경우에, 데이터는 10 am에서 11 am 사이에 수집한 것이다.
이 기간 동안 태양의 근사한 평균 위치(approximate average position)는 10:30 am 혹은 타임스탬프 30분 전이다.
태양의 위치 방정식을 TMY 데이터 방정식과 결합하면 임의의 방향과 경사면 위에서의 시간 별 전체 일조량(irradiation)을 얻을 수 있는데, 이를 다시 필요로 하는 시간 구간에 걸쳐 평균하거나 혹은 적분할 수 있다. 아래와 같은 등고도(contour plot)는 경사각과 방위각 대비모듈 위에서의 일조량을 보여주고 그리고 모듈의 연간 출력을 계산하는데 사용할 수 있다.

예를 들어 동쪽을 보고 있는 수직 건물 벽에 일체화된 모듈은 남쪽을 보고 있고 위도와 동일한 각도로 기울어진 모듈이 생산하는 에너지의 1/2을 생산할 수 있다.

 

 

 

 

 

서로 다른 모듈 경사각과 방향에 대해 연중 평균한 전체 일일 일조량의 등고도(미국,Phoenix, AZ).
컬러바에 있는 수는 해당 지역에서의 피크 일조시간(peak sun hours)에 해당한다. 만약 모듈이 정남을 향하고 기울기가 40o면, 연중 하루 동안의 피크 일조시간은 6시간이다.

미국 전역의 입사되는 최대 일조량 점은 남쪽에서 동쪽 혹은 서쪽으로 이동한다. 이런 거동의 이유는 구름에 의한 차폐인데, 하나의 계절 중에 오후 혹은 오전에 주로 일어날 수 있고, 따라서 최적 방향을 동쪽 혹은 서쪽으로 이동시키게 만든다.

 

 

 

 

참고 문헌
1. 한국에너지기술연구원, 윤경훈, PV CDROM 태양광개론, 2016
2. 한국에너지기술평가원, 송재천, 신재생에너지 백서, 2016

 

 

 

 

 

 

태양광 요소기술, TMY 데이터의 이용

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