PVsyst를 활용한 발전량 계산(1)

[같이가치2]

차 례

1. 준비 작업

2. PVsyst 기본 구성(파일 이름, 사이트 파일, 기상 파일)

3. PVsyst ‘변형’(계산) 작성

4. Sketchup 작업

5. Sketchup에서 내보내기

6. PVsyst ‘시스템’ 구성

7. PVsyst에 가져오기

8. PVsyst 배치 작업

9. 음영 계수 계산

10. 상세 손실

11. 수평선

12. 모듈 배치

13. 모듈 체인 구획

14. 에너지 관리

15. 고급 시뮬레이션

16. 시뮬레이션 실행

17. 보고서

1. 준비 작업

PVsyst에서 태양광 발전량을 계산하기 위해서는 태양광을 설치하고자 하는 사이트에 대한 지리 정보(좌표)와 최고/최저 온도 정보를 알아야 합니다.

지리 정보는 해외 프로젝트의 경우는 대부분 좌표가 주어지며, 국내 프로젝트의 경우는 지번이나 지명 또는 건물 이름이 주어지므로 Google Earth나 Meteonorm (https://meteonorm.com/en/coordinates-tool)에 이들을 넣어 좌표(위도, 경도)를 ‘도’단위로 환산하여 구합니다.

또는

최고/최저 온도는 직렬수 계산에 필수적인 사항으로 일반적으로 구하기가 어렵습니다.

필자는 객관성을 확보하기 위해서 Meteonorm (http://createsend.com/t/d-9E7DD77271A1985D) 사의 기상 프로그램에서 위에서 구한 좌표를 입력하여 구하고 있습니다.

최고/최저 온도 및 PVsyst에서 요구하는 1000W/m2에서의 통상적인 동작온도를 구합니다 (필자는 1000W/m2에서의 통상적인 동작 온도를 봄·가을에 가장 많은 달이 걸리도록 하는 수평선(아래 그림의 청색선)을 그어 산출하고 있음 - 여기선 11º에 해당)

적용 모듈과 인버터 사양을 넣어 직렬수를 참고적으로 확인합니다.

다음은 적용 모듈의 사양(온도계수)을 적용하여 NOCT (=현 NMOT)에 의한 모듈 온도 계산을 합니다.

2. PVsyst 기본 구성(파일 이름, 사이트 파일, 기상 파일)

(*.PRJ, *.SIT, *.MET) 파일 작성

이렇게 하면 PVsyst로 작업할 수 있는 지리 정보와 온도 정보가 설정되었으므로 PVsyst 메인 화면을 불러냅니다.

‘프로젝트 설명’을 설계자가 알기 쉬운 내용으로 설정해 줍니다

참고적으로 개인 의견으로서는 ‘파일이름’은 주로 지명 또는 고객 이름 위주로 정해 주고, ‘프로젝트 설명’은 용량 및 특징적으로 적용한 내용으로 또 ‘변형’은 여러 각도에서 분석하기 위한 내용이 있다면 그러한 내용으로 정해 주는 게 좋을 것입니다.

아래 그림과 같이 각각의 표현과 프로젝트 및 보고서 등에 표시되는 내용을 참고 바랍니다.

‘프로젝트 설정’에서 온도와 앨비도 값을 설정해 줍니다. (앨비도 값은 보통의 경우 기본값으로) - 이는 ‘저장’ 전후에 해도 무방함

여기서 설정하는 모듈 온도는 위에서 계산한 온도를 넣어줍니다.

‘사이트 파일’을 설정합니다.

‘월별 기상’탭에서 직접 붙여넣기(Paste)를 할 경우는 사이트에서 너무 멀리 떨어져 있는 곳의 기상 데이터는 별로 효과가 없겠지요! PVsyst에서는 다음과 같이 기본값이 설정되어 있습니다.

Meteonorm 7.3을 선택하여 ‘가져오기’하면

위의 ‘확인’을 눌러 주면 다음과 같은 사이트 파일이 생성됩니다

‘저장’을 누르면

‘확인’을 누르면

‘예’를 누르면

위의 ‘저장’을 누르면 다음과 같은 프로젝트 메인 화면으로 돌아와 프로젝트 저장 가능 상태로 됩니다.

‘저장’을 누르면 프로젝트의 구성 요소는 모두 갖춰져서 ‘변형’(배치, 조건-방위와 방향, 시스템구성, 발전량 손실, 음영 등을 반영하거나 설정하여 발전량을 산출) 작업을 할 수 있게 됩니다.

같은 프로젝트에 ‘사이트 파일’에 따른 ‘기상 파일’이 설정될 때마다 프로젝트 이름을 다르게 해 주어야 됨을 잊지 마세요.

3. PVsyst ‘변형’(계산) 작성

이제부터는 ‘변형’ 또는 계산에 필요한 사항들을 정리해 나가겠습니다.

‘방향’은 ‘주변 음영(3D 배치)’ 작업을 하지 않는 프로젝트에 한해서 작업을 하는 곳입니다만 ‘주변 음영(3D 배치)’ 작업을 하게 되면 작업된 방향에 대한 경사각/방위각이 나타남도 참고하기 바랍니다.

또 1면 지붕이나 직사각 형태의 부지 등 단순 배치 작업이 필요한 경우에 쉽게 발전량을 계산할 수 있으며, 3D로 배치하지 않아도 되는 경우라 보면 되겠습니다.

PVsyst에서는 빨간색 글씨나 마크가 생기는 경우는 그 작업을 하지 않았거나 만족하지 못하는 경우로 그 다음 작업을 진행할 수 없음도 잊지 마세요.

배치를 하기 위해서는 적용 모듈, 적용 인버터의 정보와 직렬수 계산이 필요한 데 이는 ‘시스템’에서 선택 또는 지정해 주는 것으로 시작하겠습니다.

최근 지붕 태양광에 대한 CAD 배치 도면(평면도)을 기준으로 PVsyst를 활용하여 발전량을 계산하는 과정을 설명하겠습니다.

소개하는 프로젝트에는 Flow Chart에서 언급된 여러가지 주요 사항들이 들어가 있는 사항으로 지붕 태양광이지만 ‘방향’에서 방위각과 경사각을 설정하야 발전량 계산을 마무리할 수 없습니다.

아래 설명 내용을 순서대로 진행해 보면서 이해해 간다면 다른 프로젝트에도 그리 막힘이 없으리라 생각됩니다.

지붕의 형태에 따라 모듈을 세로 및 가로로 1단, 2단…배치로 되어 있으며, 직렬수는 17로 되어 있습니다. 고유 발전량(kWh/kWp/년) 향상보다는 주어진 넓이에 배치 수량을 최대한으로 한 것입니다.

특히 직렬수 선정시 17과 같이 솟수는 선택하지는 않습니다만, 본 예제의 경우는 특수하게 17을 선정한 것입니다.

13, 17과 같이 솟수를 선택하게 되면 1단 배치의 경우에 결선 방법을 Leap frog 방식을 채택하여 (-)측 전선의 길이을 (+)측과 거의 동일하게 가져 갈 수가 있어 지선에 대한 배선길이가 거의 같으므로 전압강하 계산에 유리합니다. 본 예제에서는 적용할 수 있는 부분과 일반 배선 방식의 혼용으로 처리가 가능한 프로젝트입니다.

건축 도면을 입수하여 아래 평면도의 배치 상황을 파악해 본 결과 똑 같은 높이의 슬라브 건물이 아니고 2중 박공형으로 되어 있는 부분(B: 남향, C: 북향), 슬라브로 되어 있는 부분(A)으로 되어 있고 A부분과는 단차도 있습니다.

<CAD 배치도>

이는 현재 2D 평면 배치도에 좌표를 설정하여 좌표(-x, -y, z) 방식으로 PVsyst에 입력하여 적용할 수도 있으나

이는 시간이 많이 걸리고 수정 사항이라도 발생하면 처리하기도 쉽지 않습니다.

위에서 좌표를 (-x, -y, z)라고 한 이유는 2D 평면으로 작성하여 어레이별 또는 프레임별로 CAD에서 좌표를 만들어 PVsyst에 입력해 보면 바로 알 수 있는 사항입니다. (좌표 체계가 다름)

필자의 통상적인 배치 설계 방식인 Sketchup프로그램을 사용, 3D로 구현하여 PVsyst v7.0.10에서 발전량을 계산합니다.

4. Sketchup 작업

Flow Chart에 따라 작업한 순서대로 설명합니다

제일 먼저 Sketchup에 위의 CAD 모듈 배치도를 불러들입니다.

이 때 배율(Scale) 맞추는 것 잊지 마세요.

건물의 형상을 파악하기 위하여 위 배치도에 부합하는 건축 평면도, 정면도, 우측면도를 참고하여 Sketchup에 불러들인 평면도와 확인해 본 결과 건물의 형상이 다음과 같습니다.

또한 지붕의 배기팬의 모양과 위치도 확인하여 표시했습니다.

배기팬에 의한 그림자 영향도 고려해야 되니까요! (손실에 관계되는 사항은 되도록 모든 사항을 고려해 주어야 됨)

건물의 형상과 배치 관련해서는 준비가 되었으니 이번에는 배치하겠습니다!!

배치하기 위해서는 위 평면 배치도에 주어진 배치 경사각(지붕별)에 따른 모듈의 경사각 및 가로/세로 방향별로 적용한 모듈 규격(2171x1030x35t)으로 작성해 줍니다.

Sketchup에서 모듈 및 어레이를 각각 ‘구성요소’(Component)로 작성합니다.

배치 작업이 끝난 후 PVsyst에 적용하기 위해 *.3ds/*.dae로 변환하면 ‘구성요소’로 되어 있던 어레이가 낱 장의 모듈 상태로 분해되어 버립니다.

이 때 주의할 것은 PVsyst에서는 어레이 간격이나 낱 장 모듈의 간격(X, Y)이 20mm이상인 경우에만 시뮬레이션이 가능합니다.

현재는 어레이의 모듈 간격이 10mm로 설계되어 있으므로 *.3ds/*.dae로 변환하면 낱장으로 되어 PVsyst에서 불러들여 작업을 진행하면 에러가 발생하여 헛수고에 이릅니다.

이를 Flow Chart에서는 이렇게 표현되어 있습니다.

어레이의 모듈간 간격이 10mm인 데 PVsyst에서는 20mm이상이 요구(기본적으로 모듈이든 어레이든 ‘프레임’의 기본값)하고 있어 위 Flow Chart의 빨간색 Flow로 진행하기 위해 모듈 크기 2171 x 1030mm의 세로 직사각형을 만들고, 모듈이 Half Cell이므로 Half cell형상으로 재질을 색칠합니다.

그 다음은 경사각별, 크기별로 어레이를 만들어 저장하여 둡니다.

여기서는 어레이를 슬라브 옥상용 경사각 20º 세로 9x2 ①, 세로 14x2 ③, 남향 지붕용 경사각 7º 가로 10x4 ②, 17x4 ②, 12x6 ① + 1x2 ①, 14x5 ①, 17x6 ①, 17x5 ①, 북향 지붕용 경사각 18º 가로 9x1 ④, 10x1 ⑧, 17x1 ⑧을 만들어 저장해 둔다는 의미입니다. (여기서 원 속의 숫자는 각 어레이 수량임)

또 12x6 ① + 1x2 ①의 의미는 다음과 같습니다

Sketchup에 배치할 준비 작업은 완료되었습니다.

그럼 Sketchup에 불러들인 2D CAD도면의 좌표를 평면도상의 배치 방향으로 좌표축을 옮깁니다.

여기에 저장해 둔 각 어레이를 불러들여 배치합니다.

경사각도별로 불러들여 배치한 내용은 다음과 같습니다

경사각 20º

경사각 18º

경사각 7º

이렇게 하면 배치가 완료되었습니다.

건물 방향으로 좌표 변환했던 좌표 원점을 원 좌표로 변환합니다.

(현재의 좌표 축에 커서를 가져다 놓고 오른쪽 마우스를 눌러 ‘재설정’(Reset)을 해 주면 됨)

주어진 건물 평면도에 입수된 건물 도면을 중심으로 건물 입체도를 작성하면 다음과 같습니다.

여기에 지붕 무풍 팬을 설치합니다.

여기에 배치한 평면도상의 어레이들을 각각 지붕의 높이만큼 z축으로 이동하여 주면 배치가 완성됩니다.

이를 2D *.dwg으로 내보내면 원래 2D 평면도와 같은 2D 평면도를 얻을 수 있습니다.

이를 가지고 배치도를 그려 나가면 되는 데, 본 사업은 2D 배치도 작업을 한 것으로 PVsyst에서 발전량만 계산하기 위한 것이므로 본 프로젝트에서는 2D로 내보낼 필요는 없습니다.

여기서 유의할 것은, 2D로 내보내면 어레이로 배치한 내용이 분해되어 낱장의 모듈로 되므로 아래와 같이 조정하여 3D로 내보내면 2D CAD에서 어레이 상태로 유지되어 결선 도면 등 후속 도면 작업에 원안대로 적용할 수 있으니 많은 이용 바랍니다.

우선 Sketchup에서 작성한 3D 배치도를 *.3ds/*.dae로 변환한 것을 PVsyst의 주변 음영(3D 배치) > 배치/투시도 > 파일 > 가져오기 > 3D 배치 가져오기(3DS, DAE, PVC)(3)에서 불러들일 수 있도록 준비 작업을 순서적으로 설명합니다.

1) 건물에 대해서는 면(face)으로 표시된 것은 PVsyst에서 불러올 때 모듈과 같은 면(face)으로 인식될 수 있으므로 모두 와이어 프레임으로 바꿔 줍니다(건물의 면(face)을 한 면 한 면 모두를 제거하여 프레임만 남김).

2) 지붕 위 무풍 팬은 위치만 표시하여 둡니다(PVsyst에서 대강의 형채를 생성하여 삽입해야 됨)

3) 어레이는 면(face)상태로 남겨 둡니다.

4) 각 어레이 군의 왼쪽 아래 모듈만 남겨 두고 나머지를 삭제합니다

여기서 4)항의 Single module화는 아주 중요한 사항으로 좌표 방식으로 2D 평면 배치도를 이용하여 배치할 경우 자주 이용하는 어레이 구성에 대한 사항과 같은 효과입니다.

또한 전체를 분해된 상태로 불러들이면 어레이는 낱장의 모듈로 변환되어 PVsyst에서 불러들이는 시간도 길어지고 ‘음영 계수 표’ 작성에도 많은 시간이 소요됩니다. 예를 들어 18직렬인 경우 이것을 낱장으로 하면 18매의 모듈로 되어 처리 시간이 18배로 늘어납니다. 1개의 사이트에 50MW를 배치하여 CPU 2.3GHz속도를 가진 노트북으로 표를 작성하라고 하면 4~5시간 정도 소요되는 데 이의 1/18정도의 시간으로 줄어들어 15~20분 정도에 처리가 됩니다.

소용량 프로젝트의 경우는 느낌이 덜하지만 대용량의 경우는 차이가 엄청납니다. 필자가 이 기능을 찾아내어 활용하기 시작한 것도 그리 오래되지 않은 유용한 사항입니다.

Sketchup에서의 모든 작업은 끝났습니다.

5. Sketchup에서 내보내기

그럼 이번에는 PVsyst에서 받아들일 수 있는 *.3ds 또는 *.dae 파일로 변환하는 과정입니다.

Sketchup에서 아래와 같이 배치도를 화면의 최대 크기로, 또 평면도로 해 줍니다.

파일 > 내보내기 > 3D 모델(3)...로 실행합니다

(이 때 *.3ds 또는 *.dae로 선택했을 경우 유의 사항은 Flow Chart를 참고하세요!!)

Sketchup에서 처리해 주어야 할 것은 모두 완료되었습니다.

6. PVsyst ‘시스템’ 구성

그럼 PVsyst ‘시스템’에서 작업을 시작하도록 하겠습니다.

본 사업에서 적용하려는 모듈과 인버터 그리고 배치 용량이 도면에 나타나 있으며 17직렬로 설계되어 있습니다.

‘확인’을 누르면

‘예’를 누르면

7. PVsyst에 가져오기

시스템이 구성되었으니 이제는 PVsyst의 하이라이트인 ‘주변 음영(3D 배치)’에서 다음과 같은 순서로 앞에서 작성된 *.3ds/*.dae 파일을 불러들여 작업을 진행합니다.

‘확인’을 눌러주면 다음과 같은 화면이 나옵니다.

8. PVsyst 배치 작업

직각 좌표계의 경우 x축의 오른쪽(동쪽), y축의 위쪽(북쪽), 그리고 반시계 방향(방위)이 (+)이나 PVsyst의 경우는 x축의 오른쪽(동쪽), y축의 위쪽(북쪽), 그리고 반시계 방향(방위)이 (-)로 좌표계가 되어 있습니다. 따라서 방위 각도를 원상으로 회복해 주어야 합니다.

건물과 모듈 배치 방향이 정상적인 방향으로 전환되었습니다.

이제부터는 어레이를 단일 모듈화했던 사항을 선택하여 정상적인 어레이로 변환하는 과정입니다. 보는 방향을 평면도로 하는 것이 작업하는 데 수월하겠죠!

여기서 20º 9 x 2 ①은 어레이가 하나뿐이므로 직접 선택하여 어레이 작업을 진행합니다.

아래와 같은 순서로 내용을 수정하여 ‘닫기’로 마무리합니다.

9 x 2 어레이로 변환되었습니다

이번에는 그 아래에 있는 20o 14 x 2 ③에 대해서 진행하겠습니다

Shift 키를 누른 상태에서 3개를 선택한 후 순서대로 진행합니다.

작업이 완료되었습니다.

위와 같은 요령으로 나머지 부분에 대해서도 순서적으로 작업을 진행하면 다음과 같은 최종 배치 내용이 얻어집니다.

‘닫기’를 누르면 배치/투시도 메인 화면으로 돌아옵니다.

원래 ‘시스템을 구성할 때 전체 배치 용량과 적용 모듈 모델, 적용 인버터 사양 및 대수 등을 1개의 ‘시스템’으로 정의했습니다. 그것이 방향/시스템에 나타나 있고, 지금까지 배치 작업을 한 사항이 배치/투시도(20o, 18o, 7o)에 나타나 있습니다.

‘시스템 개요’에서 그 내용을 확인하여 ‘시스템’을 거기에 맞게 수정해 주어야 합니다.

‘닫기’를 누르고 ‘확인’을 누르면 메인 화면으로 돌아가서 ‘시스템’화면으로 이동하여 ‘시스템 개요’에서 확인한 3방향에 대한 용량 및 인버터 대수 등을 확정하여 수정 작업을 진행합니다.

모든 배치 상황이 완료되었습니다.

9. 음영 계수 계산

이제는 시뮬레이션하기 전 마지막 작업으로 음영 계수 ‘표’를 작성해 줍니다.