태양광의 기초 - 일조시간, 일조량, 일사강도, 일사량의 용어 차이

태양광발전소는 기본적으로 태양광의 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전기를 생산하는 원리로 운영됩니다. 태양전지 모듈 표면에 도달한 태양의 빛 에너지가 광전효과에 의해 전기 에너지가 만들어지는 것이 기본 원리입니다. 따라서 태양광발전소의 모든 원료는 태양으로부터 무한정, 무제한, 무료, 무해한 태양광입니다. 원자재 및 원료 값이 오를 리도 없고 고갈될 우려도 없습니다.

 

태양광발전소를 기획, 계획, 설계, 시공, 유지관리 등에는 당연히 태양의 빛 에너지를 측정하고, 통계 자료를 근거로 앞으로의 발전량을 추정하는 시뮬레이션하는 것이 보통입니다. 여기에서 가장 중요한 태양의 빛 에너지를 일컫는 대표적인 용어들이 몇 가지가 있습니다. 바로 일조시간, 일조량, 일사강도, 일사량입니다. 용어들이 비슷비슷하고 정확히 정리한 곳도 많지 않아 혼란스러운 것이 사실이므로, 제가 정리해드리겠습니다.

 

토목 엔지니어가 처음 태양광을 접하면서 참 많은 공부를 했었습니다. 그러면서 깨달은 점은, 태양광 공부는 진입 장벽이 낮은 대신 정확히 알고 얘기하는 사람이 의외로 많지 않다는 점이었습니다. 이번에 다룰 용어 문제도 마찬가지입니다. 태양광의 핵심인 모듈은 판넬 (또는 패널)이나 태양전지라고도 합니다. 이러한 용어의 차이에 대해 설명해보라고 하면 대부분 못합니다. 그것이 태양광 사업이 처한 현실이고 문제의 시작이라고 생각합니다. 영어가 좀 되시는 분들은 아래 링크를 참고하시기 바랍니다.

 

일사량과 일사강도의 차이

 

Available solar energy – irradiance and insolation
Irradiance and insolation are perhaps two of the most important terms to know for describing the available solar energy at a project site. The two terms are often used interchangeably in practice within the solar industry, as both quantify the amount of solar radiation a surface receives. However, they measure that value in different ways.
 
1. Solar irradiance
Irradiance is a measure of solar power whereas insolation is a measure of solar energy. Because power refers to the rate of energy transfer over time (not the total amount of energy delivered), another way of thinking of irradiance is that it quantifies the amount of solar energy that arrives in a particular area in a given moment [Watt/m2].
 
2. Solar insolation
As previously shared, solar insolation is the measure of solar energy. When that [Watt/m2] value is converted to express the total amount of energy that area receives over a certain interval of time, say one hour, it is communicated in Watt hours (Wh) or, depending on quantity, kilowatt hours (kWh) per unit of area [(k)Wh/m2]. This is a measure of insolation.

 

 

반응형

 

자 이제 시작하겠습니다.

 

먼저 일조시간은 해가 떠 있는 시간을 말합니다. 그래서 영어로 Sunshine duration 이라고 합니다. 해가 떠서 해가 지기까지의 시간을 말합니다. 구름이 해를 가려 흐리건, 비가 오건, 눈이 오건 상관없이 해가 떠서 지기 전까지의 시간을 가리킵니다. 따라서 태양광발전소에서는 무의미한 개념일 수밖에 없습니다. 구름없이 해가 떠 있어도 미세먼지나 황사에 의해 발전량이 저하되기도 하기 때문에 해가 뜨고 지는 것에는 관심이 없습니다. 해가 안 뜨거나 안 지면 모를까, 그럴 일이 없으니 더욱 그렇습니다.

 

아래의 맵은 지구상의 일조시간을 색깔로 나타낸 지도입니다. 대부분 사막이 위치한 곳의 일조시간이 가장 크다는 것을 알 수 있습니다. 보시다시피 일조시간은 그 값을 시간으로밖에 나타낼 수가 없습니다. 

 

 

두번째, 일조량은 설명하기에 좀 더 복잡합니다. 일조량 때문에 많은 분들이 혼란을 겪으실 것입니다. 사실 저도 제가 뭐라고 정확히 결론 내릴 수는 없는 문제이긴 합니다. 나름 정리해 드리면 일조량을 일컬으시는 분들의 용어 사용에 대한 맥락을 가만히 따져 보면, 거의 대부분 일조시간과 일사량을 일조량이라고 혼동하여 말한다는 것을 알게 되었습니다. 엔지니어링 측면에서, 기술적으로는 일사강도나 일사량이라고 하는 것이 정확합니다. 일조량이라는 용어는 아마 농업, 원예, 조경 등에서 “식물 생장에 필요한 햇빛의 양”을 말하는 것 같은데 역시 수치로 나타낼 때는 일사강도나 일사량이라고 하는 것이 맞는 표현입니다. 즉, “단순히 이번 농사는 일조량이 부족해서 흉작이야.”라고 말하는 것이 보통이고, 이때는 일조시간이나 일사량이라고 바꿔 말해도 문맥이 자연스럽습니다. 영어로 굳이 말하고자 한다면 Amound of Sunshine 정도가 될 것 같습니다. 어쨌든 기술적인 용어는 분명 아닙니다.

 

세번째, 일사강도는 영어로 Irradiance라고 하며, 단위 면적당 태양의 빛 에너지의 양을 측정하여 나타냅니다. 단위는 W/㎡입니다. 일사량과 일사강도의 가장 핵심적인 차이는 시간의 개념입니다. 일사강도에는 시간의 개념이 없습니다. 반면에 네번째 일사량은 단위 면적 및 단위 시간 당 태양의 빛 에너지의 양을 측정하여 나타내며, 영어로는 Insolation이라고 하며, 시간의 개념이 추가됩니다.

 

정리하여 말씀 드리면, 태양의 빛 에너지는 빛의 파동 성질로 인해 복사 에너지로 지표면에 도달하니 기본적으로는 W/㎡로 빛의 세기로 표현할 수 있습니다. 그러나 빛의 속도로 도달하는 빛 에너지를 양으로 환산하여 측정하는 방법이 마땅치 않습니다. 파동으로 도달하니 도달했다가, 안 했다가 하기 때문입니다. 즉, 같은 세기로, 같은 간격으로 항상 똑같이 도달하는 것이 아니라는 의미입니다. 아주 잠깐 동안의 세기, 즉 일사강도를 측정할 수는 있지만, 그 일사강도가 지속적으로 유지되지 않기 때문에 양으로 환산하기 어렵습니다. 게다가 일사량은 보통 전천일사량이라고 부르며 직접 도달하는 직달일사량과 빛의 산란에 의한 산란일사량을 합친 개념이기 때문에 대기 상태, 구름의 간섭 등에 크게 영향을 받게 되므로 일정한 일사강도를 유지할 수 없습니다.

 

따라서, 빛의 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양광발전소에서는 일사량을 기본적인 input 데이터로 사용합니다. 단위 시간인 1시간 동안 일사강도를 누적하여 합친 값을 Wh/㎡으로 표현하는 것입니다. 그러니 지난 몇 년간 특정 지역에서 태양의 빛 에너지가 평균적으로 ㎡ 당, 1시간 동안 얼만큼의 W로 측정되었는지를 토대로, 전기 에너지로 변환할 경우 얼만큼의 Wh/㎡의 output으로 전력을 생산하게 될지를 가늠하는 것이 태양광발전소의 발전량 시뮬레이션의 기본 원리입니다.

 

아래 그래프를 보시면 쉽게 이해가 되실 것입니다. 파란색 그래프는 점들을 선으로 이은 것인데, 그 점들이 바로 W/㎡로 나타내는 일사강도 (Irradiance)를 의미합니다. 말씀 드렸다시피 일사강도는 일정하지 못하고 항상 불규칙적입니다. 그래서 1시간 동안의 일사강도를 더해서 일사량 (Insolation)으로 정의하고 단위도 Wh/㎡를 사용하는 것입니다.

일사량과 일사강도의 차이

 

위 그래프는 그나마 단순화시킨 것인데 아래 그래프를 보시면 왜 일사강도 대신에 일사량이 필요한지 확실하게 이해하시게 될 것입니다. 일사강도라고 부르는 태양광의 복사 에너지의 불규칙함을 양으로 환산하여 측정하고 계산하기 위한 불가피한 선택이 바로 일사량이라는 개념입니다.

 

이해가 되지 않으시면 여러 번 반복해서 읽어 보시기 바랍니다.