태양광 발전은 날씨와 설치 방향에 따라 발전량이 얼마나 달라지나요?

Question

일사량, 패널 방향과 경사각, 온도 및 음영이 발전 효율에 미치는 영향을 설명하고, 실제 발전량을 추정할 때 필요한 자료와 계산 방법을 알려주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

태양광 발전량은 태양 광선의 일사량과 패널 표면에 도달하는 입사 각도에 직접적으로 비례하기 때문에, 날씨에 따라 최대 90% 이상 감축되며 설치 방향과 각도에 따라 약 10~40% 이상의 발전량 차이가 발생합니다. 태양광 패널은 직사광선과 대기 중에 산란되어 도달하는 빛을 모두 전기에너지로 변환합니다. 구름의 두께와 대기 중 수분 입자에 의해 직사광선이 차단되면 발전량이 급격히 하락합니다. 태양광 반도체 셀은 온도가 올라갈수록 효율이 떨어지는 특성이 있으며, 기준 온도25°C 대비 셀 온도가 1°C 상승할 때마다 발전 효율이 약 0.3~0.5% 감소하기 때문에 기온이 극도로 높은 한여름 한낮보다, 일사량이 충분하면서 바람으로 패널이 적절히 냉각되는 봄·가을철에 순간 최고 효율이 나타납니다.

태양광은 설치 방향에 따라 정방향은 태양이 동쪽에서 떠서 서쪽으로 질 때까지 누적 일사량을 가장 많이 받는 최적의 방향이며, 남동향이나 남서향은 정남향 대비 약 5~10% 발전량이 감소합니다. 남동향은 오전 일사량 확보에 유리하고, 남서향은 오후 일사량 확보에 유리합니다. 정북향은 직사광선이 거의 닿지 않고 간접 산란광에만 의존하므로 발전 효율이 대폭 떨어집니다.

설치 각도에 따른 발전량은 해당 지역의 위도와 유사한 각도로 경사를 줄 때 연간 누적 발전량이 가장 극대화됩니다. 수평 설치는 최적 각도 대비 연간 발전량이 약 85~90% 수준으로 감소하며, 빗물에 의한 자가 세정이 되지 않아 먼지 오염에 의한 출력 저하가 가중되며, 수직 설치는 태양 고도가 높은 여름철 일사량 흡수율이 급감하여 최적 각도 대비 발전량이 약 50~60% 수준으로 떨어집니다.

Answer 2

안녕하세요. 태양광 발전량은 날씨에 따른 일사량, 태양광 패널의 설치 방향과 경사각, 패널 온도, 주변 건물이나 나무에 의한 음영에 따라 크게 달라집니다. 특히 발전량을 결정하는 가장 중요한 요인은 패널 표면에 도달하는 일사량이며, 같은 용량의 설비라도 맑은 날과 흐린 날, 여름과 겨울, 남향과 북향 설치 조건에 따라 실제 생산하는 전력량에 상당한 차이가 발생합니다. 따라서 발전량을 정확히 추정하려면 패널의 정격 용량뿐 아니라 설치 지역의 기상 조건과 설비 특성을 함께 고려할 필요가 있습니다. 우선 날씨는 발전량에 직접적인 영향을 미칩니다. 맑은 날에는 직사광선이 패널에 충분히 도달하지만, 흐린 날에는 구름이 햇빛을 흡수하고 산란시켜 발전량이 감소합니다. 다만 흐린 날에도 산란광이 패널에 도달하므로 발전이 완전히 중단되지는 않습니다. 구름의 두께와 종류에 따라 차이가 크며, 짙은 구름이 낀 날에는 맑은 날보다 발전량이 크게 줄어들 수 있는데요, 비가 내릴 때도 일사량 감소로 발전량이 낮아지지만, 비가 패널 표면의 먼지를 씻어 내어 이후 발전 성능에 간접적으로 도움이 될 수 있습니다. 계절에 따른 차이도 중요합니다. 여름에는 낮이 길어 발전 시간이 늘어나지만, 패널 온도가 높아지면 전압이 낮아져 효율이 감소할 수 있고, 반대로 겨울에는 낮이 짧고 태양의 고도가 낮지만, 패널 온도가 낮아 순간적인 발전 성능에는 유리할 수 있습니다.

패널의 방향과 경사각도 발전량을 좌우합니다. 북반구에서는 일반적으로 남향 설치가 연간 발전량 확보에 유리합니다. 동향 패널은 오전에, 서향 패널은 오후에 발전량이 상대적으로 많아지는 경향이 있습니다. 경사각은 태양광이 패널 표면에 가능한 한 수직으로 입사하도록 조정하는 것이 기본 원리인데요, 한국에서는 연간 발전량을 고려할 때 지역과 설치 조건에 따라 대략 25~35도 정도의 경사각이 자주 검토되지만, 최적값은 위도와 계절별 발전 목표, 지붕 구조에 따라 달라집니다. 또한 주변 건물이나 나무, 전봇대가 만드는 그림자는 패널 일부만 가리더라도 직렬로 연결된 태양전지의 출력을 크게 떨어뜨릴 수 있습니다. 바이패스 다이오드와 전력 최적화 장치 등을 활용하면 일부 손실을 줄일 수 있지만, 음영 자체를 완전히 없애지는 못합니다.

따라서 실제 발전량을 계산할 때는 먼저 패널의 정격 용량을 확인해야 합니다. 예를 들어 정격 용량이 5킬로와트인 설비가 하루 동안 등가 최대출력 시간 4시간을 확보하고, 온도·배선·인버터·음영 등에 따른 종합 손실을 반영한 성능비가 0.8이라면 하루 발전량은 ‘5킬로와트 × 4시간 × 0.8’로 계산하여 약 16킬로와트시가 됩니다. 여기서 등가 최대출력 시간은 실제 일조시간과 다른데요, 하루 동안 받은 일사량을 표준 일사강도인 제곱미터당 1,000와트 기준으로 환산한 시간입니다. 따라서 해가 떠 있는 시간이 10시간이라고 해서 최대출력 시간도 10시간인 것은 아닙니다. 즉 보다 정확한 추정에는 설치 지역의 월별·시간별 일사량, 패널 방향과 경사각, 정격 용량, 온도에 따른 출력 감소율, 인버터 효율, 배선 손실, 음영 및 눈에 의한 손실 자료가 필요합니다. 감사합니다.