New & Renewable Energy 2016. 12 Vol. 12, No. 4 ISSN 1738-3935 http://dx.doi.org/10.7849/ksnre.2016.12.12.4.024 [2016-12-PV-003] 국내의시간에따른수평면전일사량상관식제안및정확성평가 (II) 박상미 1) ㆍ김정배 1)* Correlation to predict Global Solar Insolation and Evaluation of that Correlation for Korea(II) Sang-Mi Park 1) ㆍ Jeongbae Kim 1)* Received 31 May 2016 Revised 15 December 2016 Accepted 15 December 2016 ABSTRACT Several studies have been performed to show how well the horizontal global solar radiation in Korea can be predicted using the Zhang-Huang model proposed in 2002 for China. A previous study proposed a new correlation with a new term of the duration of sunshine proven to be closely related to the hourly solar radiation in Korea into Zhang-Huang model. Therefore, this study performed a validation and accuracy estimation for the model for all regions in 2012. Another modified correlation for the regions without measuring the cloud cover was proposed and the accuracy and validity were evaluated. Finally, this study proposed a new correlation that could well predict the hourly and daily total solar radiation for all regions, seasons, and weather conditions, including overcast and clear, with higher accuracy and lower error than other models previously proposed in Korea. Key words Hourly horizontal global radiation( 시간수평면전일사량 ), ZHM(Zhang and Huang model, Z&H 모델 ), Estimation of solar radiation( 일사량예측 ), Dry-bulb temperature( 건구온도 ), Relative humidity( 상대습도 ), Cloud cover( 운량 ), Duration of sunshine( 일조시간 ), Wind velocity( 풍속 ) 1. 서론 우리나라의신재생에너지자원의부존량의평가와평가결과를활용하는예측상관식을제시하는것은매우중요하다. 특히, 신재생에너지의대표분야중의하나인태양광분야는태양에너지자원량의정확한예측이매우필요하고또한중요하다. [1] 특히, Kim and Kim은수평면전일사량의측정지역은전국적으로 15개지역 ( 춘천, 강릉, 서울, 원주, 서산, 청주, 대전, 포항, 대구, 전주, 광주, 진주, 부산, 목포, 제주 ) 뿐 1) Dept. of Energy System Engineering, Korea National University of Transportation E-mail: jeongbae_kim@ut.ac.kr Tel: +82-43-841-5282 Fax: +82-43-841-5280 이지만, 건구온도등을포함하는기상관측데이터의측정개소는 300개이상이므로, 태양에너지분야의보급사업의수행지역이확대됨에따라태양광및태양열시스템의설계를위한기초자료로서해당지역에대한정확한일사량예측자료가필요함을제시하였다. [1] Jo and Kang 은 1982~2008년까지의전국 16개지역에서의측정된수평면전일사량을기준으로온도, 습도, 일조시간과운량중에서운량을선택하여월평균 1일대기권밖일사량과수평면전일사량과의비를지역별로제시하였다. [3] Jo et al. 은 1982~2010년까지의전국 16개지역에서의수평면전일사량측정값을이론적으로예측하는식과비교하고, 이를보정하기위하여 16개지역에서측정하고있는건구온도, 상대습도, 일조시간과운량중에서운량과일 Copyright c2016 by the New & Renewable Energy This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
국내의시간에따른수평면전일사량상관식제안및정확성평가 (II) 조시간을선택하여월평균 1일대기권밖일사량과수평면전일사량과의비를지역별로제시하였다. 다만, 지역별일조율상수의오차가약 15.8% 정도수준에머물러있음을알수있다. 또한, 논문의결론에서제시하는것과같이현재기상청에서측정하고있는일조, 운량, 건구온도, 상대습도전체를고려하는일사량과의관계규명이후에기상관측변수를포함하는일사량예측식의필요성을강조하였다. [4] 최근에, Kim and Kim은시간에따른정확한일사량의예측을위한다양한기존의연구결과들을평가하여건구온도, 상대습도, 일조시간및운량의기상관측변수를포함하는예측식이필요하고, 수평면전일사량을예측하기위하여전국혹은위도별로적용가능한한국형모델식이필요함을제안하였다. [1,2] 기상측정데이터를이용하여중국의시간별수평면전일사량을예측하기위해 Zhang&Hwang은운량, 건구온도, 상대습도, 및풍속을포함하는식 (1) 을제안하였고중국전역 ( 북경에서광주까지 ) 에대해일정한계수로서높은정확도를얻을수있음을보여주었다. [5] sin (1) 따라서, 본연구에서는저자들에이미제안된시간에따른수평면전일사량예측상관식 (KKP 모델 ) 식 (2) 를활용하여 2012년의 365일그리고 15개측정지역에대하여적용하고식 (2) 의적용가능성과예측정확도를평가하였다. sin 여기서, t ds 는일조시간 (hr) 임. (2) 또한, 현재국내의 93개기상관측지역중에서운량을측정하고있지않는 54개지역을위해식 (2) 를수정한예측상관식을제시하고동일한방법으로적용가능성과정확도를평가하였다. 2. KKP 모델의제안과예측정확도평가 식 (2) 를적용하여계산된시간에따른수평면전일사량 여기서, I는수평면전일사량 (W/m 2 ), I 0 는태양상수 (1355 W/m 2 ), h는고도각, CC는 0~1로측정된운량, T db,n 은 n 시간의건구온도, RH는상대습도 (%), V w 는풍속 (m/s), d 와 k 그리고 는상수계수들이며아래와같다. (a) Seoul (b) Daejeon 최근에 Zhang&Hwang 모델 (Z&H 모델 ) 을기본으로하여미국의텍사스주에대하여새로운계수를찾고, 새롭게얻어진계수를이용하여텍사스주의대부분의지역에대하여수평면전일사량의예측이정확할수있음을확인하였다. [6] ( 참고문헌 1-5번까지의연구내용소개는본논문과동일한제목의 (I) 번논문과동일함 ) (c) Daegu (d) Busan Fig. 1. Solar radiation in clear May. 12, 2012 with time using KKP model 2016. 12 Vol.12, No.4 25
박상미ㆍ김정배 은청명일인 2012년 5월 12일에대해서는 Fig. 1과같이, 비청명일인 2012년 8월 2일에대해서는 Fig. 2와같이전국적으로시간에따른일사량의거동을잘예측할수있었다. Table 1에식 (3) 에의해정리된 1일총수평면전일사량으로평가된정확도도기존에제시된다른예측식에비하여매우높음을알수있다 ( 식 (2) 의상세한정확도는 (I) 번논문참조 ). 2012년 12개월전체와 15개지역의측정된 1일총수평면전일사량측정값과식 (2) 를이용하여계산된예측값을비교하여 Fig. 3에나타내었다. 15개지역의 2012년 1월에서 12월까지 1일총수평면전일사량에대한일치율 (A total, 식 (3) 참조 ) 로평가된 KKP식의예측정확도는평균약 110.6% 이었으며, 5490 개의데이터에대하여약 73.4% 의데이터들이 ±20% 수준이내인것으로평가되었다. 나머지 26.6% 의데이터들은주로청명도가아주낮은조건에서발생함을확인하였다. 2012년 12개월전체와 15개지역의측정된 1일수평면전일사량피크측정값과식 (2) 를이용하여계산된피크예측값을비교하여 Fig. 4에나타내었다. 2012 년의특정일기준수평면전일사량피크일치율 (A peak, 식 (4) 참조 ) 로평가된 KKP식의예측정확도는평균약 94.7% 이었으며, 총수평면전일사량에대한경향과유사하게대부분의데이터들이 ±20% 수준이내인것으로평가되었다. (a) Seoul (b) Daejeon Fig. 3. Solar radiation comparison for 2012 yr. using KKP model (R 2 =87.0%) (c) Daegu (d) Busan Fig. 2. Solar radiation in overcast Aug. 2, 2012 with time using KKP model Table 1. Total daily solar radiation accuracy estimated using KKP model [%] Day/Region Seoul Daejeon Daegu Busan Avg. Jan.3 79.1 75.3 98.9 81.4 84.43 Jan.14 81.2 93.0 97.5 93.0 90.57 May.12 95.5 98.1 89.0 99.3 94.20 May.13 87.0 80.9 95.0 94.3 87.63 Aug.2 61.8 97.6 98.5 93.2 85.97 Aug.5 77.9 89.2 93.5 98.1 86.87 Fig. 4. Solar radiation peak comparison for 2012 yr. using KKP model (R 2 =81.4%) 26 신재생에너지
국내의시간에따른수평면전일사량상관식제안및정확성평가 (II) (3) (4) 여기서, I cal 는계산수평면전일사량 (W/m 2 ), I meas 는측 정수평면전일사량 (W/m 2 ) 을나타냄. 식 (2) 의계수들은 Z&H 모델의상관식식 (1) 을기준식 으로하여, 모델의단순화를위하여상수계수들인 d 와 k 를 d=0, k=1 로하고일조시간을추가하여수평면전일사량을 측정하고있는 15 개지역과 2012 년중에서대표 6 일을선 정하여기상청에서측정하고있는기상관측자료로부터미니탭을이용하여얻어진것이었다. 2012년대표 6일이아닌 12개월전체에대하여식 (2) 의계수들을평가하여아래와같이구해졌다. Fig. 5. Solar radiation comparison for 2012 yr. using KKP model with Eq. (5) constants (R 2 =90.9%) (5) 2012년 12개월전체와 15개지역의측정된 1일총수평면전일사량측정값과식 (2) 와계수식 (5) 를이용하여계산된예측값을비교하여 Fig. 5에나타내었다. 15개지역의 2012년 1월에서 12월까지 1일총수평면전일사량에대 한일치율 (A total, 식 (3) 참조 ) 로평가된 KKP식의예측정확도는평균약 109.7% 이었으며, 5490 개의데이터에대하여약 75.1% 의데이터들이 ±20% 수준이내인것으로평가되었다. 피크일치율은상대적으로약 1% 정도높은 95.7% 인것으로평가되었다. 12개월전체로부터얻어진계수들과대표 6일로부터얻어진계수들에의한결과로부터예측정확도의차이가거의없음을알수있다. 3. 수정 KKP 모델의제안과정확도 현재기상청에서제시하고있는기상관측자료를확인해본결과, 기상데이터를측정하고있는 93개지역중 54 개지역이운량을측정하지않음을확인할수있었다. 이러한 54개지역에대하여수평면전일사량을예측하기위해서는식 (2) 의수정이필요하다. sin (6) 2012년 12개월전체의데이터를활용하여운량변수를제외하고식 (6) 에대하여식 (2) 의계수도출방법과동일한과정을거쳐식 (6) 의계수들을구하였다. 식 (6) 과같이수정된 KKP 모델의정확도는 2012년의대표 6일 (1월3 일, 1월14일, 5월6 일, 5월13일, 8월2 일, 8월 5일 ) 에대하여식 (2) 의 1일총수평면전일사량일치율과피크일치율로비교하였다. 12개월전체로비교할경우발생하는세부적인경향의차이가상대적으로잘드러나지않는특성을고려하여대표 6일에대해서만상대비교를수행하였다. Fig. 6에서와같이 1일총수평면전일사량에대한측정값과계산값의차이는식 (2) 의식 (3) 의정확도가 100.2% 인데비하여식 (6) 의정확도는 100.9% 로, 식 (4) 에의한피크일치율의경우에는각각식 (2) 가 93.4% 인데비하여식 (6) 은 94.1% 로얻어졌다. 이러한결과로부터운량변수가 2016. 12 Vol.12, No.4 27
박상미ㆍ김정배 평가를통하여확인하였다. 이러한수정은국내기상조건에맞게일조시간을추가하는것이었다. 2) KKP 모델은 1일총수평면전일사량의예측정확도는평균적으로약 109.7% 수준이었으며, 1일피크시간에서의피크오차율도약 95.7% 를나타내어전국적으로위치및기상조건에관계없이적용가능성이매우높음을알수있었다. KKP 모델식은아래와같이고도각, 운량, 건구온도, 상대습도, 풍속및일조시간을가지는비선형식으로아래와같다. (a) Results using KKP model sin 3) 현재국내의다수지역에서운량측정결과가없는상황을고려하여 KKP 모델을운량변수를제외한수정된모델을아래와같이제시하였다. sin (b) Results using modified KKP model Fig. 6. Solar radiation comparison for 6 days of 2012 yr. using KKP models 없는수정된 KKP 모델식도충분한예측정확도를가지고 있어다수의지역에대하여적용가능할것으로판단된다. 4. 결론 국내의전지역에적용가능한수평면전일사량예측모델 식의제안을위한연구결과로부터아래와같은결론을도출하였다. 1) Z&H 모델식을활용하여이를국내에적합한수평면전일사량모델로수정하는것이매우바람직함을다양한 수정된모델식의예측정확도는 KKP 모델과거의유사함을알수있었다. 4) 향후 2012년을제외한해들에대하여기상관측데이터를확보하여 KKP 모델식의정확도평가가필요하며, 수평면전일사량의성분들인직달과산란일사량평가를위한예측모델을추가하여제시가필요하다. References [1] Kim H. Y. and Kim J., 2016, Prediction Correlation of Solar Insolation using Relationships between Meteorological Data and Solar Insolation in 2012(I), Journal of KSES, 28 신재생에너지
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