[논문 리뷰] Calculation of the Optimal Installation Angle for Seasonal Adjusting of PV Panels Based on Solar Radiation Prediction

Yashar Naeimi, Farzan Kooben외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 25.

Solar Radiation and Photovoltaics참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 태양 복사량 예측을 활용하여 태양광(PV) 패널의 최적 계절별 기울기 각도를 계산하는 방법을 제안한다. 에너지 수확을 극대화하기 위해 태양의 가상 운동을 모델링하고 계절별 각도를 계산함으로써, 에너지 수확 증대와 실용적 설치 노력 간의 균형을 이루었으며, 고정 기울기 시스템 대비 연간 에너지 수확을 최대 15% 향상시켰다.

ABSTRACT

An important parameter that affects PV panel performance of a solar power system is the incident solar radiation with the panel or panel's area of exposure to the sun. The direction and tilt angle of a PV panel are two important factors in PV system design. This paper itself presents the calculation of the optimum installation angles for the seasonal adjusting of solar cell panels considering apparent motion of the sun. Daily adjusting for optimal tilt angle can increase the received energy from the sun. However, making trade-off is required because changing the panel angle daily costs lots of endeavour, so we designed seasonal angles for installation of panels.

연구 동기 및 목표

• PV 패널의 계절별 최적 기울기 각도를 태양 복사량 노출을 극대화하기 위해 결정하기 위해.
• 매일 패널을 조정하는 운영 부담을 줄이면서 에너지 수확을 향상시키기 위해.
• 태양 위치 모델링을 활용한 실용적인 계절 기반 각도 조정 전략을 개발하기 위해.
• 계절별 각도 조정과 고정 기울기 구성 간의 에너지 수확 증대를 평가하기 위해.
• 시스템 설계자가 PV 패널의 방향을 최적화하기 위해 계산 효율적인 방법을 제공하기 위해.

제안 방법

• 태양 기하학 방정식을 사용하여 태양의 일일 및 계절적 가상 운동을 모델링하기 위해.
• 위도, 연중 일수, 일일 시간을 기반으로 태양의 천정 각도와 방위각을 계산하기 위해.
• 직접 법선 일조량을 극대화하기 위해 각 계절(예: 겨울, 봄, 여름, 가을)에 대한 최적 기울기 각도를 결정하기 위해.
• 조정 빈도를 최소화하기 위해 여름·겨울 수확절과 균일절을 기준으로 계절 간격을 정의하기 위해.
• 역사적 또는 예측된 태양 복사량 데이터를 사용하여 최적 각도를 검증하고 보정하기 위해.
• 패널 재배치의 에너지 수확 증대와 기계적 복잡성 간의 트레이드오프 분석을 적용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 각 계절에 있어 PV 패널의 최적 기울기 각도는 태양 복사량에 노출되도록 극대화하기 위해 무엇인가요?
• RQ2 고정 기울기 시스템 대비 계절별 각도 조정을 통해 추가로 수확할 수 있는 에너지는 얼마나 되나요?
• RQ3 패널 각도 조정의 에너지 수확 증대와 기계적 노력 간의 트레이드오프는 무엇인가요?
• RQ4 태양 위치의 계절적 변화가 최적 패널 방향에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ5 예측 가능하고 계절 기반의 조정 전략은 최소 유지보수로 근사 최적 성능을 달성할 수 있나요?

주요 결과

• 최적 계절 기울기 각도는 고정 기울기 시스템 대비 연간 태양 복사량 수확을 크게 증가시킨다.
• 매일 조정이 필요한 것을 줄였음에도 불구하고 높은 에너지 수확을 유지하여 실용성이 향상된다.
• 위도 및 기후 조건에 따라 계절별 각도 조정을 통해 최대 15%의 에너지 수확 증대가 가능하다.
• 계절 기반 접근 방식은 성능과 운영 노력 간에 뛰어난 균형을 제공한다.
• 위도 및 태양 위치 데이터를 기반으로 다양한 지리적 위치에 적응 가능한 강력한 모델이다.
• 결과적으로 계절 조정은 매일 추적 시스템에 비해 실현 가능하고 효과적인 대안임을 입증한다.