Development of GIS based PV Power Calculation Algorithm Considering Building Roofs and Facades using High-resolution Urban Spatial Data

학위논문(박사)--서울대학교 대학원 :공과대학 에너지시스템공학부,2020. 2. 박형동.신재생에너지 중 태양광 발전의 경우 기술의 발달로 인해 급격히 그 보급률이 증가하고 있으며 경제성 높은 친환경 에너지로 많은 관심을 받고 있다. 보급률이 늘어남에 따라 이러한 태양광 발전의 예상되는 발전량을 계산하고 잠재량을 파악하는 연구는 더 중요해지고 있다. 특히 주변의 영향이 많은 도심지와 같은 곳에서는 정확한 잠재량 산정이 에너지 계획에 중요한 역할을 하게 된다. 본 연구에서는 이러한 관점에서 높은 호환성과 분석 자유도를 지닌 발전량 계산 알고리즘을 개발하고 이를 활용하였다. 새로운 알고리즘은 일사량과 공간 자료를 통해 그림자 분석, 발전량 계산 등을 수행할 수 있으며 결과로 태양광 지도를 제작할 수 있게 구상되었다. 실측 기상 자료나 고해상도 자료를 처리할 수 있으며 3차원 분석을 통한 건물 측면 분석도 가능하게 구상되었다. 결과로서 일사량이나 에너지 밀도는 기존에 연구된 일사량 계산 물리식과 경험식들을 바탕으로 컴퓨터를 사용한 수치 계산을 통해 산정된다. 최종 태양광 발전량은 발전 시스템 관련 변수들을 고려하여 계산되며 지도 형태로 제작되어 다양한 공간 분석을 수행할 수 있다. 해당 알고리즘은 손쉽게 사용될 수 있는 도구 형태로 제작되어 다른 분야의 전문가들이 쉽게 활용할 수 있게 하였다. 개발된 알고리즘은 실제 연구 대상지에 활용되어 잠재량 산정에 사용되었다. 연구 대상지로 선정된 서울대학교 관악캠퍼스를 대상으로 종합 태양광 잠재량을 계산하였으며 이 과정에서 논리적인 가정과 기준을 사용하여 다양한 변수를 고려하였다. 장기 관측값을 통해 제작된 기상 자료와 무인항공기를 통해 제작된 고해상도 자료 등을 사용하여 연구를 수행했으며 연구 대상지의 실제 전력 수요도 분석에 사용되었다. 토지 이용도와 같은 자료는 원자료를 가공하여 제작했고 이러한 공간 자료들은 지리정보시스템 분석을 통해 활용되었다. 결과적으로 연구 대상지의 태양광 잠재량은 연간 약 22 GWh인 것으로 산정되었으며 태양광 발전소 설치 최적지도 선정되었다. 산정된 잠재량은 하나의 정답이 아니라 여러 변수에 따라 바뀔 수 있기 때문에 민감성 분석을 수행하였고 시간에 따른 변동성도 분석하였다. 본 연구에서는 발전량 계산 알고리즘을 통해 대상지의 태양광 잠재량을 파악할 수 있었으며 다양한 변수들을 고려할 수 있었다. 하지만 연구 목적에 맞지 않거나 자료 구조의 한계로 인해 고려하지 못한 요소들이 있었으며 더 구체적인 분석을 위해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 예상된다. 본 연구는 이러한 연구들을 진행할 수 있는 기초로서 사용될 수 있으며 이를 기반으로 다양한 연구들이 수행될 수 있을 것으로 기대된다.Supply of photovoltaic (PV) power, one of the major renewable energy, is rapidly increasing because of the development of technology. It is also receiving much attention as economical eco-friendly energy. Studies for calculating the PV power and identifying their potential are becoming more important as penetration rates of PV increase. In this study, a calculation algorithm with high compatibility and analytical utilization were developed and utilized. A new algorithm is designed to perform shadow analysis, electricity generation calculation through solar irradiance data and spatial data. The photovoltaic power and solar map can be calculated considering various variables and can be used to perform various spatial analysis. The algorithm is designed in an easy-to-use tool that can be easily used by experts in other fields. The developed algorithm was applied to estimate the potential at the actual site. Comprehensive photovoltaic potential was calculated for the Gwanak Campus of Seoul National University. As a result, the photovoltaic potential of the study area was estimated to be approximately 22 GWh per year, and the suitable sites for the photovoltaic power plant were extracted. As the potential cannot be one correct answer, sensitivity analysis according to several variables was performed and temporal volatility was also analyzed. As a result, the developed algorithm can estimate the solar potential of the study area and consider various variables. However, some limitations exist and further study is required for some objectives. This study can be used as a basis for conducting these studies, and it is expected that various studies can be conducted based on this research.1. 서론 1 1.1. 연구의 배경 1 1.2. 태양광 잠재량 산정 연구 동향 3 1.3. 연구의 필요성 6 1.4. 연구 목표 8 2. 태양광 잠재량 산정을 위한 배경이론 9 2.1. 일사량 측정 지표와 대표기상연도 자료 9 2.2. 일사량 계산과 그림자 분석 14 2.3. 일사량을 통한 발전량 계산 22 3. 태양광 잠재량 계산 알고리즘 개발 25 3.1. 하늘 공간에서의 계산을 위한 좌표계 27 3.2. 일사량 측정 자료를 통한 일사량 계산 33 3.3. 주변 공간 자료를 통한 그림자 분석 40 3.4. 일사량 및 발전량 계산 도구 개발 54 4. 연구 대상지 선정 및 공간 자료 전처리 61 4.1. 연구 대상지 특징 분석 61 4.2. 자료 취득 및 전처리 67 4.3. 객체 기반 분류를 통한 토지 이용 분석 76 5. 대학 캠퍼스 태양광 잠재량 산정 82 5.1. 연구 대상지의 태양광 지도 제작 및 분석 82 5.2. 공간 분석 및 잠재량 산정 94 5.3. 민감성 분석 107 5.4. 시간에 따른 변동성 분석 115 5.5. 측정 발전량을 통한 검증 125 5.6. 잠재량 정확도 분석 129 6. 결론 131 참고문헌 133 Abstract 138Docto