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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 박형동
- 발행연도
- 2023
- 저작권
- 서울대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수4
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VIPV(Vehicle Integrated Photovoltaic)는 자동차나 대중교통 등 이동수단에 태양광 패널을 접목, 통합하여 전력을 보충하는 것으로, 기존의 지정 장소에서 움직이지 않는 태양광 발전소 시스템과는 달리 시공간적 요소에 발전량이 크게 영향을 받기 때문에 이를 정량적으로 추산할 수 있는 계산 모델이 필요하다.
본 연구는 이런 VIPV 중 경로가 지정된 열차 모델에 집중하여, 시간 및 노선에 따른 열차가 생산할 수 있는 최적의 태양광 발전량을 계산하는 모델과 인터페이스를 제안한다. GIS를 기반으로 열차 경로 인근의 지형지물을 래스터 자료로 구현하고, 경로상의 2700여 개의 측정 지점에서 시간, 공간에 따른 태양광 일사량 입사 각도를 계산하여 지형지물에 가려지는지 여부와, 실제 패널 입사 시 실질적으로 얻는 일사량을 계산하였다. 지형지물을 구현하기 위하여 고도자료인 DEM(Digital Elevation Model)과 공개 자료로 제공되는 건물 벡터 파일 데이터베이스 정보와 건물 평균 층고를 추산하여 DSM(Digital Surface Model)을 만들었으며, 천체 이동을 고려한 함수를 포함하는 Python 패키지 pvlib을 이용하여 태양 상대 위치를 계산 후, 측정 지점에서 음영 여부를 판별 함수를 Python 코딩하여 판단할 수 있도록 했다. 등방성 일사량 모델을 적용, ArcGIS를 통해 뽑아낸 측정 구역 인근 3km짜리 직사각형 구역 내부 영역의 DSM 픽셀들이 측정 지점에 음영을 주는지에 대한 여부를 검사하고, 지점별로 음영 진 지역은 직달일사량을 배제, Solar Radiation Graphics 기능을 사용하여 그림자에 가려지지 않은 영역은 전부 산란일사량 입사 영역으로 판단, 해당 직달일사량, 산란일사량을 합산한 양을 시점별로 계산하여 전체 합산 일사량으로 계산했다. 더 정밀한 계산을 위해 운량 등 일사량에 직접 영향을 미치는 기상 요소를 적용하였다.
개발한 알고리즘에 이동체 물리 모델 등을 접목하여 실제 패널을 운용하는 것에 대한 열차 운행 일정 별 손익을 분석해보았다. 연간 대표 일자(월당 하루)를 선택하여 하루에 총 얼마의 일사량을 받을 수 있는지 계산하였다. 이후 가상의 인버터 및 패널을 설정하여 전력을 계산한 결과, 연간 편도 기준 98.88 MWh의 기차 전력을 생산할 수 있는 것으로 분석되었다. 패널 운용의 경제성 분석 결과, 동절기와 새벽, 늦은 오후 시간대에는 태양광 열차 운영의 경제성이 낮게 나타났다.
본 연구 결과는 대중교통 산업의 재생에너지 결합 형태로의 차량 전환 시 수익성을 계산하거나 전력 계획을 세우는데 이바지할 수 있으며, 경로가 자유로운 태양광 자동차 등의 알고리즘을 구축하는 프로토타입이 될 수 있다.
본 연구는 이런 VIPV 중 경로가 지정된 열차 모델에 집중하여, 시간 및 노선에 따른 열차가 생산할 수 있는 최적의 태양광 발전량을 계산하는 모델과 인터페이스를 제안한다. GIS를 기반으로 열차 경로 인근의 지형지물을 래스터 자료로 구현하고, 경로상의 2700여 개의 측정 지점에서 시간, 공간에 따른 태양광 일사량 입사 각도를 계산하여 지형지물에 가려지는지 여부와, 실제 패널 입사 시 실질적으로 얻는 일사량을 계산하였다. 지형지물을 구현하기 위하여 고도자료인 DEM(Digital Elevation Model)과 공개 자료로 제공되는 건물 벡터 파일 데이터베이스 정보와 건물 평균 층고를 추산하여 DSM(Digital Surface Model)을 만들었으며, 천체 이동을 고려한 함수를 포함하는 Python 패키지 pvlib을 이용하여 태양 상대 위치를 계산 후, 측정 지점에서 음영 여부를 판별 함수를 Python 코딩하여 판단할 수 있도록 했다. 등방성 일사량 모델을 적용, ArcGIS를 통해 뽑아낸 측정 구역 인근 3km짜리 직사각형 구역 내부 영역의 DSM 픽셀들이 측정 지점에 음영을 주는지에 대한 여부를 검사하고, 지점별로 음영 진 지역은 직달일사량을 배제, Solar Radiation Graphics 기능을 사용하여 그림자에 가려지지 않은 영역은 전부 산란일사량 입사 영역으로 판단, 해당 직달일사량, 산란일사량을 합산한 양을 시점별로 계산하여 전체 합산 일사량으로 계산했다. 더 정밀한 계산을 위해 운량 등 일사량에 직접 영향을 미치는 기상 요소를 적용하였다.
개발한 알고리즘에 이동체 물리 모델 등을 접목하여 실제 패널을 운용하는 것에 대한 열차 운행 일정 별 손익을 분석해보았다. 연간 대표 일자(월당 하루)를 선택하여 하루에 총 얼마의 일사량을 받을 수 있는지 계산하였다. 이후 가상의 인버터 및 패널을 설정하여 전력을 계산한 결과, 연간 편도 기준 98.88 MWh의 기차 전력을 생산할 수 있는 것으로 분석되었다. 패널 운용의 경제성 분석 결과, 동절기와 새벽, 늦은 오후 시간대에는 태양광 열차 운영의 경제성이 낮게 나타났다.
본 연구 결과는 대중교통 산업의 재생에너지 결합 형태로의 차량 전환 시 수익성을 계산하거나 전력 계획을 세우는데 이바지할 수 있으며, 경로가 자유로운 태양광 자동차 등의 알고리즘을 구축하는 프로토타입이 될 수 있다.
목차
1. 서론 12. 배경이론 52.1 천체 이론 및 일사량 모델 52.2 기상 모델 142.3. 이동체 물리 모델 172.4 GIS 기반 일사량 계산 모델 193. 연구 방법론 243.1 노선 선정 및 이동체 정보 243.2 GIS를 통한 노선 인근 지형지물 구축 293.3 일사량 모델 및 기상 모델 적용 313.4 이동체 물리 모델 적용 323.5 파이썬 GUI 프로그래밍 344. 시뮬레이션 설계 464.1 청명 일사량 적용 시 발전량 추산 464.2 일정별 패널 운용 손익 분석 475. 결과 분석 485.1 시뮬레이션 결과 485.1.1 연간 발전량 추산 결과 485.1.2 일정별 패널 운용 손익 분석 결과 546. 결론 597. 참고문헌 61Abstract 67
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