1. 서 론
2. 연구 방법 및 시뮬레이션 모델 설계
2.1 시뮬레이션 프로그램
2.2 시뮬레이션 모델 설계
3. 분석결과
3.1 모듈 전면 방위각별 발전량 분석
3.2 알베도에 따른 발전량 분석
4. 결 론
1. 서 론
제로 에너지 건축물 의무화 대상 확대에 따라 태양광발전(Photovoltaic, PV) 시스템의 설치 사례가 지속적으로 증가하고 있으며, 일반적으로 PV 시스템은 발전 효율을 극대화하기 위해 설치 지역의 위도에 맞춰 경사각을 설정하고 주로 정남향으로 설치된다1). 그러나 정남향으로 설치된 PV 시스템의 비율이 증가함에 따라 발전량이 정오 시간대에 편중되어, 전력이 과잉 공급되고 전력 계통에 부담을 주는 문제점이 발생하고 있다. 이에 대한 해결 방안으로 동·서향 PV 시스템에 대한 관심이 증가하고 있으며, 이는 PV 시스템을 동·서향으로 배치하는 경우 남향 배치 대비 피크 발전 시간대가 오전과 오후로 분산되는 효과가 있기 때문이다. 그러나 동·서향 PV 시스템은 정남향 PV 시스템 대비 동일 용량 기준 연간 총 발전량이 낮다는 한계가 있으며, 이를 보완하기 위해 양면형(Bifacial) 태양광 모듈을 적용한 시스템이 주목받고 있다. 양면형 모듈은 기존의 단면형 모듈과 달리 전면뿐만 아니라 후면에서도 전력을 생산하므로 동일 면적 대비 높은 발전량을 기대할 수 있다. 또한 모듈을 수직형으로 설치하는 경우 더욱 효과적인 피크 전력 분산 효과를 기대할 수 있다. 수직 양면형 모듈의 발전 성능은 설치 환경, 방위각, 지면 반사율(Albedo) 등 환경적 요인에 의해 크게 영향을 받으므로, 제한된 설치 공간에서 발전량을 극대화하기 위해서는 환경적 요인을 종합적으로 고려한 설계가 필수적이다2).
양면형 PV 시스템과 관련된 기존 연구에서는 단면형 PV 시스템과 비교하여 양면형 PV 시스템의 손실, 환경영향평가, 경제성 평가, 투자 회수 기간 등을 분석하였으며3), 발전량이 지면 반사율, 설치 높이, 방위각 등의 환경적 요인에 영향을 받는 것으로 보고되었다4).
또한 동·서향으로 배치된 양면형 PV 모듈은 남향 배치 대비 총 발전량이 낮지만, 발전 시간 분산에 효과적이라는 점이 강조되었다. Kim et al. (2019)5)은 방위각이 경사 양면형 PV 시스템의 발전 성능에 미치는 영향을 분석하였으며, 방위각 변화에 따른 전·후면 일사량 변화를 고려하여 방위각이 발전 효율에 미치는 영향을 도출하였다. Minuto et al. (2024)6)은 지붕에 설치된 동·서향 PV 시스템은 남향 PV 시스템에 비해 총 발전량이 적으나, 발전량에 대한 자체 소비율이 증가하고 피크전력의 분산이 이루어진다고 서술하였으며, 방위각과 경사각이 동·서향 PV 시스템에 미치는 영향을 분석하였다. Kim et al. (2023)7)은 PV 시스템이 전력계통에 미치는 영향을 정량적으로 평가할 수 있는 방법론을 개발하여 동·서향 PV 시스템 보급이 전력계통의 운용에 미치는 영향을 평가하였다.
이와 같이 동·서향 양면형 PV 시스템의 방위각에 따른 발전량, 경제성, 전력계통 운용에 미치는 영향 등의 연구가 이루어지고 있으나, 수직으로 설치된 동·서향 양면형 PV 시스템의 방위각, 알베도 등의 설치 조건이 PV 시스템의 발전량에 미치는 영향에 대한 연구가 부족한 실정이다.
본 연구에서는 PVsyst 시뮬레이션을 통해 동·서향 수직 양면형 PV 시스템을 대상으로 방위각 및 알베도 변화에 따른 발전량 변화를 모델링하여 분석하였다. 이를 통해 설치조건에 따른 동·서향 수직 양면형 PV 시스템의 발전량을 비교·분석하여, 피크 발전 시간대가 분산됨과 동시에 발전량을 최대화할 수 있는 설치 조건을 제시하고자 하였다.
2. 연구 방법 및 시뮬레이션 모델 설계
2.1 시뮬레이션 프로그램
태양광발전 시스템의 발전량을 예측하기 위한 방법으로 스위스 제네바대학에서 개발된 PVsyst 8.0.68) 프로그램을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. PVsyst는 태양광발전 시스템의 연간 발전량 산출 및 음영 등으로 인한 손실 분석에 사용하는 전문 소프트웨어이다9). 시스템의 사전 설정 단계에서 시스템의 기상 정보 등 간단한 입력 변수만으로 시스템 설치 각도 및 방위각별 발전량을 예측할 수 있으며, 시뮬레이션 구성 단계에서 시스템과 양면 시스템 정의 설정을 통해 발전량을 산출할 수 있다.
2.2 시뮬레이션 모델 설계
PV 모듈은 상용 제품 중 국내 건축 환경에 적합한 일반적인 양면형 PV 모듈을 기준으로 선정하였으며, 효율은 21.17%, 전면 대비 후면 발전 성능을 나타내는 양면 계수는 70%인 모듈을 입력하였다(Table 1). 인버터는 MPP (Maximum Power Point) 추적 기능을 포함한 계통 연계형 인버터로 설정하였으며, 일반적인 인버터 효율을 고려하여 최대 효율 97%를 가정해 변환 손실을 고려하였다.
Table 1.
Specification of bifacial PV modules (STC)
| Parameters | Values |
| Module Size | 2,163 mm × 1,030 mm |
| Electrical efficiency | 21.17% |
| Maximum Power (Pmax) | 455.0 W |
| Maximum Voltage (Vmpp) | 44.70 V |
| Maximum Current (Impp) | 10.19 A |
| Bifaciality factor | 0.7 |
또한 기상 정보는 천안 지역의 평균 기상 년(Typical Meteorological Year, TMY) 데이터를 활용하여 시뮬레이션을 진행하였다. PV 시스템은 모듈 10개를 직렬연결로 구성하였으며, 지면과의 이격거리는 지면 반사 효과를 고려하면서 구조적 안정성을 확보하기 위해 0.5 m로 고정하여 설정하였다(Table 2).
Table 2.
Specification input data
| Parameters | Values |
| Location (Weather Data) | Cheonan (TMY) |
| Number of Modules | 10 EA |
| Height above ground | 0.5 m |
| Tilt | 90° |
본 연구에서는 Fig. 1과 같이 건물 평지붕에 펜스형으로 설치되는 경우를 가정하였다. 이때 모델링 프로그램 특성상 음영이 발생하지 않는 조건 구현이 불가하므로, 모듈 간 음영이 최소화될 수 있도록 모듈 간 이격거리를 최대로 설정하였다. 또한 수직 양면형 PV 시스템은 모듈이 수직으로 설치되기 때문에 동일한 동·서향 배치에서도 모듈 전면의 방위각이 동향 또는 서향일 수 있으며, 이로 인해 발전량 차이가 발생하므로 모듈 전면의 방위각을 고려한 발전량 분석이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 모듈 전면의 방위각에 따른 발전량 비교를 위해 모듈 전면의 방위각을 동(-90°), 서(90°), 남(0°), 북(180°)일 때로 구분하여 분석하였으며, 분석 대상 표기 시에는 수직 양면형 PV 시스템의 전면이 향하는 방위를 먼저 표기하였다(Fig. 2).
또한 알베도에 따른 발전량을 비교·분석하였으며, 이때 알베도를 0.2, 0.4, 0.6, 0.8로 세분화하여 선정하였다. 해당 값에 대한 분석을 통해 다양한 건물 환경에 따른 발전 성능을 예측할 수 있도록 하였다.
3. 분석결과
3.1 모듈 전면 방위각별 발전량 분석
PVsyst 시뮬레이션을 통해 수직 양면형 PV 시스템의 모듈 전면 방위각별 발전량을 분석하였으며, 이때 알베도는 기본값인 0.2로 설정하였다. 동·서향과 남·북향 수직 양면형 PV 시스템의 연간 시간별 누적 발전량 평균값을 분석하였으며, 이는 Fig. 3과 같다. 분석결과, 남·북향 PV 시스템의 발전량은 하루 중 12시경에 가장 높게 나타났으나, 동·서향과 서·동향 PV 시스템은 각각 10시와 14시경에 가장 높은 발전량을 나타냈다. 이를 통해 동·서향, 서·동향 양면형 PV 시스템이 남·북향 양면형 PV 시스템에 비해 피크 발전 시간대가 분산되는 것을 확인하였다. 또한 북·남향 PV 시스템은 12시경에 가장 높은 발전량을 보였지만, 다른 방위각에 비해 총 발전량은 상대적으로 낮게 나타났다.
연간 총 발전량 분석 결과(Fig. 4), 남·북향 시스템은 5,242 kWh로 가장 높은 발전량을 보였으며, 서·동향 시스템은 5,157 kWh, 동·서향 시스템은 5,123 kWh로 유사한 수준을 나타냈다. 반면, 북·남향은 4,496 kWh로 가장 낮은 발전량을 보였다. 북·남향 시스템을 기준으로 비교하였을 때, 동·서향 시스템은 13.95%, 서·동향 시스템은 14.70%, 남·북향 시스템은 16.60% 높은 발전량을 보였다. 이를 통해 수직 양면형 PV 시스템을 설치할 경우 북·남향을 제외한 모든 방위각에서는 발전량 차이가 크지 않음을 확인하였다.
3.2 알베도에 따른 발전량 분석
수직 양면형 PV 시스템의 알베도 변화에 따른 방위각별 연간 총 발전량 분석결과는 Fig. 5와 같다. 연간 총 발전량은 알베도 값 증가에 따라 0.2 < 0.4 < 0.6 < 0.8 순으로 모든 방위에서 동일하게 나타났으며, 알베도 값이 가장 높은 0.8일 때 발전량 측면에서 가장 유리한 것으로 확인되었다. 이는 높은 알베도 값으로 인해 지면 반사에 의한 후면 입사 일사량이 증가하여 총 발전량이 향상된 것으로 분석된다.
알베도에 따른 방위각별 평균 총 발전량을 분석한 결과, 알베도 0.2에서는 5,004 kWh로 가장 낮게 나타났으며, 0.4에서는 6,500 kWh, 0.6에서는 7,406 kWh, 0.8에서는 8,902 kWh로 알베도 값이 증가할수록 총 발전량도 증가하는 경향을 보였다. 또한 FIg. 5를 보면 모든 알베도에서 북·남향 시스템을 제외한 방위각별 양면형 PV 시스템의 발전량이 유사한 것을 확인할 수 있으며, 전술한 바와 같이 수직 양면형 PV 시스템은 북·남향 시스템을 제외한 방위각에 따른 영향이 없는 것으로 분석되었다.
알베도가 0.2에서 0.4로 증가할 경우 발전량 차이는 평균 29.90% 증가하였으며, 0.4에서 0.6으로 증가할 경우 13.94%, 0.6에서 0.8로 증가할 경우 20.20% 증가하는 것으로 분석되었다. 이를 통해, 알베도 증가에 따른 발전량 증가 폭이 0.2에서 0.4로 증가할 때 가장 큰 것으로 분석되었으며, 0.4에서 0.6, 0.6에서 0.8로 증가 시 발전량 변화 폭이 상대적으로 크지 않은 것으로 분석되었다. 또한 알베도 0.2에서 0.8로 증가할 경우, 방위각별 평균 발전량은 최대 약 78% 증가한 것으로 나타나, 알베도가 수직 양면형 PV 시스템의 발전 성능에 미치는 영향이 큰 것으로 분석되었다.
알베도 값이 0.2, 0.4, 0.6일 경우 연간 총 발전량은 남·북향 시스템이 가장 높게 나타났으며, 서·동향, 동·서향, 북·남향 시스템 순으로 나타났다. 반면 알베도 값이 가장 높은 0.8일 경우 서·동향 시스템이 가장 높은 발전량을 보였으며, 동·서향, 남·북향, 북·남향 시스템 순으로 나타났다.
알베도 0.2일 경우 남·북향 시스템 대비 동·서향 시스템은 2.27%, 서·동향 시스템은 1.62% 낮은 발전량을 보였으며, 0.4일 경우 동·서향은 1.66%, 서·동향은 1.14% 낮은 발전량 차이를 보였다. 0.6일 경우 동·서향은 0.57%, 서·동향은 0.32% 낮은 발전량을 나타냈으나, 0.8일 경우 동·서향이 0.25%, 서·동향이 0.30% 높은 발전량을 보였다. 이에 북·남향 이외의 시스템 간 방위각별 발전량 차이는 미미하지만, 알베도가 증가함에 따라 시스템 간 발전량 차이가 점차 감소하는 것으로 분석되었다. 특히 알베도가 0.8일 경우 남·북향 시스템의 발전량은 동·서향, 서·동향 시스템의 발전량보다 미미하게 감소하는 것으로 분석되었다. 이는 알베도 증가에 따른 산란 일사량 차이에 의한 영향으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 수직 양면형 PV 시스템을 대상으로 PVsyst 시뮬레이션 모델링을 수행하여 동·서향, 서·동향 PV 시스템과 남·북향 PV 시스템의 발전량을 비교·분석하였다. 또한, 모듈 전면의 방위각과 알베도의 변화에 따른 발전량 차이를 분석하였으며, 주요 결과는 다음과 같다.
•수직 양면형 PV 시스템의 연간 총 발전량은 북·남향 시스템을 제외한 모든 방위각에서 유사하며, 방위각의 영향이 거의 없는 것으로 확인되었다.
•알베도가 증가할수록 모든 방위각에서 수직 양면형 PV 시스템의 연간 총 발전량은 증가하였으며, 총 발전량은 최대 78% 증가하는 것으로 확인되었다.
•또한, 알베도가 0.2에서 0.4로 증가함에 따라 발전량 차이는 약 30% 수준으로 크게 증가하는 것으로 확인되었으며, 0.4를 초과하는 경우에는 약 20% 이하로 발전량이 증가하는 것으로 확인되었다.
•가장 높은 알베도인 0.8에서는 동·서향 및 서·동향 시스템의 발전량은 미미하지만 남·북향 시스템에 비해 더 높은 것으로 확인되었다.
따라서 수직 양면형 PV 시스템은 북·남향을 제외하고 설치 방위의 영향이 거의 없으며, 설치면의 알베도를 증가시켜 발전량을 극대화할 수 있는 것으로 확인되었다.
