PVsyst를 활용한 태양광 발전 설계

[같이가치2]

그간 설계, 감리, 국내 논문, 강의 및 현장 방문 등을 토대로 태양광 발전 설계에 대해 어려운 및 취약 부분을 부분적으로 해석하고 이해하고 인터넷에서 찾아 보완하고 하여 나름대로 방향을 설정하여 적용하여 왔으나

이 번에는 이러한 내용들이 모두 녹아 있는 스위스의 www.pvsyst.com사의 PVsyst 프로그램에 대해 그간 스위스 본사에 여러가지 질의 사항을 보내어 개선 및 보완된 부분 등도 거의 정점에 와 있는 version 6.78(2018. 12. 18)을 적용하여

응용 및 활용법을 한 Project를 예로 들어 설명하여 많은 사용자들이 각 기능을 이해하고 실제 설계에 적용하는 데 도움이 되었으면 합니다.

PVsyst의 기능에 계통 연계형, 독립형, 직류(DC)형 등이 있으나 여기에서는 계통 연계형에 대해서 설명합니다.

태양광 발전 설계(계통 연계형)에서 과거 30Wp에서 지금은 300Wp이상의 태양광 모듈이 대부분으로 또 태양광 시설용량은 3~30kW 위주에서 1MW~100MW로 확대 설치하는 경우가 보편적이고 해외에서는 2015년 파리 기후협약에서 각국이 INDC 서명과 그에 따라 의지적으로 국가별로 신재생에너지중 태양광 발전 부분에 많은 관심과 추진 동력이 붙어 있습니다.

따라서 태양광 발전 설계에서 가장 중요한 사항은

① 앞 뒤 어레이(Array)간의 이격거리 산정(Inter row interval : Pitch)과

② 직렬수(Number of series)를 선정하는 것이라 할 수 있습니다.

또한 직렬수는

③모듈은 경년에 의한 출력이 감소(Degradation)되므로 사업기간(20년 이상)내내 인버터의 동작 전압 범위(MPPT Window)에서 벗어나지 않도록 설계하는 것이라 할 수 있습니다.

또한 ④ 태양광 발전에서 손실량 최소화를 위한

케이블의 굵기 선정(Voltage drop)과 자체 운전 전력(Auxiliary power) 계산 및 감시 장비(CCTV 및 Monitoring system) 등도 설계자로서는 충분히 고려하여야 할 사항입니다. 특히 케이블 굵기 선정은 설계자로서의 핵심사항입니다.

⑤ 태양광 발전 사업 부지 주변에 산이 있거나 분지 지형(Horizon),

⑥ 설치하려는 부지가 경사면 여부, 정남향 설치 가능성 등(Near Shading 3D Design)도 반영하여 설계가 이루어지고 배치되어야 합니다.

위 ①~⑥에 대해 PVsyst에서의 적용 방법을 설명하고 아울러 모듈의 결선(String)과 Optimization Tool을 이용한 최적 경사각 선정과 Ageing Tool을 이용한 사업 기간 동안의 발전량 산출 등 즉 PVsyst를 이용하여 설계하는 요령을 설명할 것입니다.

국내에서 태양광 발전 설계할 때는 그 위치가 정해지면 인근 지역의 기상자료를 기상청 홈페이지에서 월간 데이터를 얻거나 유수한 다른 Site에서 Data를 얻어 사용할 수 있고 또 과거에 많은 설치 사례에 의한 Data의 평균적 발전량에 대해 보통의 경우 3.6kWh/㎡/일로 적용하여 경제성 분석하더라도 그리 큰 문제가 없을 정도이나 해외의 경우는 Data가 많지 않아 객관적으로 제시하기가 쉽지가 않습니다. 또 국내의 경우라도 지역에 따라 전라도 지방, 경상도지방, 서울 지방 각각에 차이가 있지만 그간의 Data로 보편적으로 이해가 된다고도 할 수 있으나 실제적으로 그 곳의 연간 최고 온도, 최저 온도, 과거 몇 년간의 평균 일사량/월, 평균 풍속/월 등을 얻어 적용하기에는 여러 가지 어려움이 발생할 것입니다.

여기서는 국내, 국외 할 것 없이 PVSyst를 활용하여 [이격거리 설정을 위한] 경사각](tilted angle)(*수식어 [이격거리 설정을 위한]은 최대발전량으로 결정할 수 있는 "설치 경사각"과 구분하기 위함), 이격거리(pitch), 직렬수(number of series) 산정, 인버터 용량에 따른 병렬수(number of string or channel) 결정, 배치(Arrangement)에 의한 최대 발전량이 나오는 설치 경사각 결정 등 일련의 설계 과정을 설명하겠습니다.

그간 국내 태양광 설계의 경우는 서울(위도 37.5º)에서 제주(위도 33º)까지 어레이(Array)경사각이 30 ~ 25º 정도로 설계자가 정하여 태양광 입사각(태양 고도각이라고도 부름)을 20º 안팎이 되도록 이격거리를 산정하여 배치하는 경우가 대부분입니다.

그러면서 설계자가 정한 경사각 30 ~ 25º를 기준으로 이격거리는 "동짓날 5시간 이상 뒷 어레이에 음영이 지지 않도록 정한다"라고 말하기도 합니다. 왜 경사각을 30º 또는 25º로 했고, 동짓날 5시간이라는 개념과 태양광입사각 20º와는 연관성을 설명한 내용은 찾아 보기가 어렵습니다.

그렇다고 국내에서 적용하는 경사각과 태양광 입사각이 문제가 되거나 틀린 것은 아니고 생각이 다를 뿐이라 생각되며, 논리적으로 또 객관적으로 설명이 안되고 설치 위치에서 이론적인 발전량보다 많게 나오는 지? 또 많이 나오면 얼마나 많이 나오는 지 객관적으로 표현된 문서는 나온 게 없는 것으로 알고 있습니다.

그냥 포괄적으로 그 정도가 적당하다고 생각하고 설계에 임하고 있습니다.

이는 같은 위치라도 주변 환경, 시설 용량, 설치 방향, 지면 경사도, 적용 일사량(Meteonorm, NASA-SSE, PVGIS, TMY3...) 등 다양한 요인에 의해 최적의 발전량 도출이 가능하게 하기란 어려운 과제이기 때문이라 생각됩니다. 다만 위도로 판단하여 대략 어느 범위가 좋겠다고 하는 것입니다. 그렇지만 PVsyst 활용을 잘하면 그래도 좀 더 객관성이 유지될 수 있는 자료를 도출할 수는 있다고 봅니다.

그래서 PVsyst 사용법을 익혀서 객관성 있는 자료를 도출할 수 있도록 또 설계자로서 주관적인 자료 - 케이블 전압 강하, 소내 전력, 경년에 의한 모듈 출력 감소시 최적의 발전 - 를 설정하여 설계하는 것이 최선이라 생각합니다.

여기서 설계 과정의 예를 우선 해외의 경우로서

설치 위치는 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx로 위도(Latitude) 34º 6' 59.30"N, 경도(Longitude) 9º 59' 06.80"E에 10MW를 설치하는 것으로 하겠습니다.

국내의 경우는 사업 위치는 대부분 지명과 지번으로 주어지므로 이에 대한 위도, 경도를 확인하기 위해서는 Google Earth에서 지명과 지번을 넣어 대표적인 위치를 설정하여 위도, 경도 및 해발높이(Altitude ( )m above sea level)를 얻을 수 있지만 외국의 경우는 대부분 위도와 경도값이 주어집니다.

<그림 1 지명과 지번 또는 위도, 경도를 넣어 위치 확인>

<그림 2 위도, 경도, 해발고도 확인>

해당 지역의 기상 데이터(Meteorological Data)의 연중 최고/최저온도 및 일사량 등을 Meteonorm (http://meteonorm.com/ )에서 얻기 위하여 “도분초”로 주어진 좌표를 “도”로 환산합니다.

위도

경도

기상 관련 Data는 Meteonorm, NASA-SSE, TMY3 등에서 얻을 수 있습니다.

위 3개사의 Data 특징으로는

① Meteonorm의 경우는 인근 지역 몇 곳의 측정 기상센터 data와 기상위성자료를 내삽법(interpolation)으로 합성(Synthesized)하여 나타내며

② NASA-SSE (https://eosweb.larc.nasa.gov/)는 기상위성에서 측정한 Data로 보통의 경우 위도, 경도 각각 1o 범위내로 되어 있습니다.

대략 위도 1o는 110km, 경도 1o는 90km정도의 범위로 되어 있으며 이는 PVsyst에서 월일사량에서 시간당 일사량으로 환산시 그 내용이 나옵니다.

③ TMY3 (https://www.nrel.gov/, https://rredc.nrel.gov/solar/old_data/nsrdb/1991-2005/tmy3/)의 경우는 인근 지역의 측정 기상센터 data를 가져다 적용합니다. 마치 우리나라에서 사업지의 인근 도시의 기상청 기상Data를 가져다 적용하는 것과 같습니다.

여기서 사업지의 연중 최고/최저온도 및 일사량 등을 Meteonorm에서 얻는 방법을 소개합니다.

Meteonorm에서 PVSyst에서 필요한 최고온도, 최저온도 및 일사량 1000W/㎡을 대표할 수 있는 [봄·가을] 온도값을 찾아 냅니다.

위에서 연중 최고온도(Highest)는 43ºC, 최저온도(Lowest)는 0ºC임을 알 수 있습니다. 또 1000W/㎡을 대표할 수 있는 온도는 20ºC 정도임도 알 수 있습니다.

또한 Meteonorm의 기상자료는 앞에서 Check한 바와 같이 일사량은 1991~2010년, 온도의 경우는 2000~2009년으로 자료를 적용한 것이며 Highest, Lowest보다는 최고온도의 평균값 34ºC와 최저온도의 평균값 7ºC도 참고적으로 괄호 속에 넣어 설계에 참고가 될 수 있도록 합니다.

※ 참고로 지형이 분지이거나 산악 지방일 경우에는 Edit Horizon.. > save하여 PVSyst의 Horizon에서 활용할 수 있습니다.

위에서 얻은 온도값을 적용하여 사업지에 적용하려는 모듈의 온도계수(Temp Coefficient)와 NOCT(Nominal Operation Cell Temperature)를 적용하여 모듈 온도값을 계산합니다.

PVsyst를 적용하기 위한 기본 Data - 일사량, 모듈 온도 - 는 작성되었습니다.

그럼 이제부터는 PVsyst로 설계해 보겠습니다.

을 Click하면 초기화면이 뜹니다.

위와 같은 기능으로 구성된 항목에서 Project Design > Grid-connected로 프로그램을 시작합니다.

File name(*.PJT)은 사업지 이름을 따서 “Gabes” 또는 “Akarit”, “Akarit_Gabes” 등 설계자가 정합니다.

여기서는 “Gabes”로 정하겠습니다.

또 Project’s name은 본 사업의 예정 용량 또는 설치 위치(지붕, 경사면), 또는 특기 사항 등을 입력하면 좋을 것입니다. 여기서는 설치 용량을 기준으로 “10MW Class”로 정하겠습니다.

Site file(*.SIT)은 사업지에 대한 기상Data가 PVsyst Database에 있다면 DB에서 찾으면 되는 데 대부분의 경우 DB에 없으므로

를 Click하여

설계자는 어느 Web Site - Meteonorm, NASA-SSE, PVGIS TMY, NREL / NSRDB TMY - 의 기상 Data를 적용할 것인가를 선택하여야 합니다.

어느 기상 Data를 선택하든 설계자가 선택하면 되는 데, 1년간의 "월별 Data"를 가져오게 됩니다(*.SIT) 그런 데 PVSyst 프로그램은 "월별 Data"를 "1일 시간대별 Data"로 변환(Synthesized hourly data)(*.MET)하여 모든 계산이 이루어집니다.

또 꼭 알아두어야 할 사항은 PVSyst는 기본적으로 Meteonorm의 "월별 Data"를 적용하므로 이를 선택할 경우 "1일 시간대별 Data"(synthesized hourly data)까지 생성되도록 진행하지만 NASA-SSE선택하면 별도로 "1일 시간대별 Data"를 별도로 생성(Execute Generation)해 주어야 합니다. 그러나 PVGIS TMY의 경우는 Hourly data를 Monthly data와 함께 가져옵니다. NASA-SSE의 경우처럼 Execute Generation key를 눌러 Synthesized hourly data를 생성하면 Error가 납니다.

또한 File name을 별도로 설계자가 쉽게 알 수 있도록 Gabes_n(asa), Gabes_t(my) 등으로 정하여 따로따로 작성하거나 Save as new key로 저장하여 혼동하지 않도록 해 주어야 합니다.

참고로 Meteonorm을 선택하여 작성한 Meteofile (*.SIT)를 이용하여 작성한 Synthesized hourly data(*.MET)를 역으로 이용하여 NASA-SSE 또는 PVGIS TMY를 선택하여 작성은 불가합니다.

먼저 Meteonorm Monthly data(*.SIT file)를 적용하여 Synthesized hourly data(*.MET file) 작성하는 방법을 설명하고 NASA-SSE, PVGIS-TMY에 대한 Synthesized hourly data(*.MET)를 작성에 대해 계속적으로 설명하겠습니다

그럼 기상자료 NASA-SSE를 적용할 경우에 대해 설명합니다.

같은 설치 위치인 Gabes에 적용할 경우에 앞에서 Meteonorm으로 작성한 *.SIT file과 *.MET file 작성할 때 시작한 것과 동일하게 진행하여야 합니다. Meteonorm에 적용된 file을 불러서 적용할 수가 없습니다.

따라서 같은 File Name “Gabes”를 사용하면 Meteonorm으로 작성된 file에 덮어쓰기(overwrite)가 되어 새로운 File이 되므로 File Name을 Gabes_n으로 하여 새로이 시작합니다.

그럼 이번에는 기상자료 PVGIS-TMY를 적용할 경우에 대해 설명합니다.

같은 설치 위치인 Gabes에 적용할 경우에 앞에서 Meteonorm으로 작성한 *.SIT file과 *.MET file 작성할 때 시작한 것과 동일하게 진행하여야 합니다. Meteonorm에 적용된 file을 불러서 적용할 수가 없습니다.

따라서 같은 File Name “Gabes”를 사용하면 Meteonorm으로 작성된 file에 덮어쓰기(overwrite)가 되어 새로운 File이 되므로 File Name을 Gabes_t로 하여 새로이 시작합니다.

기상 Data 관련하여 위 3개사에서 얻어진 Data를 비교해 보면 아래와 같습니다.

여기서 PVsyst에서 권장 하듯이 Meteonorm을 적용할 것을 권장합니다.

이상과 같은 방법으로 태양광 발전 설치 위치에 대한 기상 Data를 해당 기상 Data 제공Site에서 받은 연간/월간 Data (*.SIT)를 일자/시간대(*.MET)별 Data로 변환하여 분석(여기선 Simulation)할 준비가 완성된 것입니다.

여기서 알아두어야 할 것은 월간 Data를 시간대별 Data로 생성은 PVSyst는 일사량에 대해서는 Collares-Pereira, 그리고 온도에 대해서는 Scartezzini가 제안한 모델을 기초로 하고 있으며 이는 1990년도 기준으로 되어 있습니다.

시간대별이 아니라 분단위까지 분석할 수 있도록 할 수 있다면

생성하는 데 시간이 현재의 60배 이상이 걸리고 그 만큼 정확도는 올라 가겠으나 현재로서는 그렇게까지 할 수 있는 방법은 없습니다.

이 상태에서 저장하면 곧바로 "System Variant"에 있는 Orientation / System 작업을 진행하라고 나옵니다.

저장하기 전에 "Project Settings" 작업을 먼저하고 저장하는 게 편리합니다.

그럼 여기서는 "Project Settings" - Albedo, Design Conditions(Temperature), Limit overload loss for design -에 대해 설명하겠습니다.

우선 Albedo는 설치 위치의 지면 상태에 의한 반사광 관련 사항으로 아래의 표에 의거 설계자가 연간 동일하게 또는 월별 유형을 정하여 설정할 수 있으나 특별한 경우가 아니면 Default(기본값) 0.2를 대부분 적용할 수 있습니다.

Limit overload loss for design은 적용하는 인버터가 수용할 수 있는 과부하 용량 제한 사항으로 인버터의 캐터록에서 확인하여 적용하거나 아니면 Default값(3%)을 적용합니다.

예를 들어 1MW용량(보통의 경우 인버터 용량은 출력 AC용량으로 DC용량은 10~20% 상향 설치 가능)일 경우 1030kW까지 출력되나 그 이상 출력 제한되어 발전량 손실이 됩니다. 다만 우리나라의 경우는 인버터 용량 1MW라면 5% 즉 DC용량을 1050kWp까지만 허용되어 있어 이의 Default값에 그리 큰 의미는 없습니다.

Design Conditions(Temperature) 부분은 향후 직렬수 결정의 핵심 요소로서 매우 중요합니다.

모듈은 동작 중 외기 온도의 영향을 크게 받습니다. 따라서 설치 위치에 대한 온도자료 입수가 필수이며 모듈의 온도는 적용 모듈의 온도계수를 이용하여 적용 모듈의 NOCT값을 이용하여 계산할 수 있습니다.

적용하려는 외기온도는 Meteonorm에 위치 좌표를 넣으면 월별 "평균값의 최대온도와 최저온도", 또 월별 "최대온도와 최저온도"값 등을 알 수 있으며 Meteonorm의 경우는 하단에 온도의 출처(interpolation) 및 일사량의 출처(interpolation)가 표시되어 있으며, 월별 평균값의 최대온도, 최저온도를 적용할 것인 지 아니면 월별 최대온도, 최저온도를 적용할 것인 지 설계자가 판단하여 적용합니다.

필자는 월별 최대온도, 최저온도를 적용하는 것이 보편적입니다. 모듈과 인버터의 조합에 따라 직렬수가 하나도 나타나지 않는 경우도 있습니다만, 이럴 경우 처리 방법은 문의하여 주기 바랍니다.

이렇게 하여 Project의 위치(Latitude, Longitude, Altitude), 기상 자료(Monthly data, Hourly data), 직렬수 선정을 위한 온도 data(Project setting)가 준비되었습니다.

즉 File name은 위 3가지 사항을 기본으로 많은 형태의 System Variant(Calculation version VC0 ~ VCz)를 가질 수 있습니다. 새로이 작성하는 것을 기본으로, 기존의 VC를 삭제, 다른 Project에서 불러오거나(import) VC를 정렬할 수 있습니다.

여기서 유의할 것은 지금 보이는 VC No로 저장하는 것이 보통이나 ‘Save as new’로 하면 현재보이는 VC No 다음 번으로 자동 저장된다는 점입니다.

그럼 이번에는 이격거리 산정을 위한 어레이 경사각 선정과 이격거리 산정하는 방법에 대해 설명하겠습니다.

을

Click하여 Field Type을 Fixed Tilted Plane으로선택하여 Plane Tilt의각도를조정하면서

Global on collector plane의 값이 최대가 되는 값을 찾습니다.

소수점이하는 보이지 않으므로 어느 각부터는 같은 값으로 되나 계속 각도를 증가해 보면 어느 각에서는 감소하기 시작합니다.

고정된 값으로 여러 각도가 나올 텐데 그 중 가운데 있는 값이 최대의 일사량을 얻을 수 있는 각도입니다.

이 때 설치방향(Azimuth)도 태양광부지의 설치방향과 맞게 조정하여 할 수도 있겠습니다.

또한

을 Click하여 그림을 보면서 각도 변화에 대해 어느 점(Point)이 최대가 되는 지 보면서 적용하는 것도 하나의 방법일 것입니다.

이 값(여기선 33º)을 저장(

)하여도 좋습니다. Near shading에서 3D scene 작업할 경우와 연동되어 있기 때문입니다.

이격거리를 구하기 위하여 field type을 Unlimited sheds로 변경합니다.

이는 독립적으로 직사각형 부지의 경우나 일정하게 배열(Array)할 경우에 적용할 수 있는 field type이지만 우리는 이 field type을 통해서 이격거리를 산정할 수 있습니다.

우선 Fixed Tilted Plane에서 정한 경사각도(33º)를 설정하고 Number of sheds는 아직 설치 전이므로 설계자가 개념적으로 설정해 줍니다. 그런 다음 Inactive band를 설정해 줍니다. 보통의 경우는 Top/Bottom inactive band가 필요치 않으나 구조물의 설계에서 아래와 같이 inactive band를 설정한 경우는 정해 주는 게 좋겠죠!

Coll. band width는 설계자가 구상하는 배열 및 단수, 모듈간 간격을 고려하여 정확하게 넣어도 되나 우리는 여기서 Coll. band width와 Pitch(앞뒤 어레이간 이격거리)의 비율만 구하면 되므로 계산하기 쉽게 주어진 대로 Coll. band width는 3m로 하겠습니다.

이후

를 Click하여 shading limit angle과 계절별 일사시간과의 관계를 확인합니다. 이 때 legal time보다는 solar time을 이용하여 확인하면 보기가 쉽습니다.

우리나라는 신ㆍ재생에너지센터 공고 제2017-4호 별표1 신ㆍ재생에너지 원별 시공기준 중 태양광 설비 시공기준의 “가. 3) 일조시간”에 “1일 5시간이상”으로 되어 있습니다. Pitch는 길면 길수록 음영의 영향이 적으므로 좋겠으나 설치 부지 넓이의 효율성도 고려되어야 하므로 보통의 경우 동짓날에 6시간 이상이 되도록 띄우는 것을 권장하고 있으므로 6시간 이상이 되도록 Pitch를 조정합니다. 여기서 6시간이 되는 pitch는 약 6.3m임을 알 수 있습니다.

그럼 Coll. band width와 pitch의 비례관계를 구하면 6.3÷3.0 = 2.1배임을 알 수 있습니다.

열대 지방(Lat. ±25º이하)에서는 동짓날 6시간이라는 개념으로 접근하는 것은 문제가 있다고 봅니다. 실제로 적용하여 보시면 바로 알 수 있을 겁니다.

Lat. ±15º 이하에서는 “경사각을 새똥이나 먼지가 쌓일 경우 빗물에 흘러 내릴 수 있도록 15º 정도로 두는 게 좋다”고 권장하는 내용도 참고 바랍니다.

위와 같이 배수를 알아낸 후 위 ‘Unlimited sheds’ 설정한 내용을 저장(

)해서는 안됩니다. 배수를 구하기 위한 작업이므로

을 Click하여 빠져 나가야 합니다.