태양광 패널은 왜 비스듬히 눕혀 놓나 · 정사영
패널 기울기는 대략 그 지역의 위도, cos θ 하나가 정한다
- S cos θ 패널이 실제로 받는 빛
- 37.5° 서울의 위도이자 최적 경사각
- 21% 수평으로 깔면 버리는 빛
건물 옥상의 태양광 패널은 바닥에 평평하게 깔려 있지 않고 남쪽을 향해 비스듬히 서 있다. 각도를 대충 정한 것이 아니다. 그 기울기는 정사영 넓이 공식 하나로 결정된다.
패널이 받는 빛은 패널이 얼마나 넓은가가 아니라, 햇빛 쪽에서 봤을 때 얼마나 넓어 보이는가로 정해진다.
패널이 받는 빛의 양은 패널의 실제 넓이가 아니라, 패널을 태양 광선에 수직인 면에 정사영했을 때의 넓이에 비례한다. 넓이 S인 패널이 광선 방향과 θ만큼 어긋나 있으면 받는 빛은 S cos θ다. θ = 0°, 즉 광선이 패널에 정면으로 꽂힐 때 최대이고, 60°로 기울면 cos 60° = 0.5니까 절반으로 떨어진다. 90°가 되면 cos 90° = 0, 빛을 전혀 받지 못한다. 해가 뜨고 질 때 그림자가 길어지는 것과 같은 이유다.
서울(위도 약 37.5°)로 계산해 보자. 춘분·추분 정오의 태양 고도는 90° − 37.5° = 52.5°다. 패널을 수평으로 깔면 광선과의 어긋남이 37.5°여서 cos 37.5° ≈ 0.79, 21%를 버린다. 패널을 37.5°만큼 기울이면 광선이 정면으로 들어와 cos 0° = 1이 된다. 고정식 패널의 최적 경사각이 대략 그 지역의 위도와 같아지는 것이 이 계산의 결론이다.
계절에 따라 최적각은 움직인다. 지구 자전축이 23.5° 기울어 있어 하지 정오 고도는 76°, 동지에는 29°다. 여름에는 14°, 겨울에는 61°로 눕혀야 정면이 된다. 그래서 각도를 계절마다 바꾸는 가변식 설치나 해를 따라 도는 추적식 설비가 발전량을 10~20% 더 얻는다. 다만 고정식에서 겨울에 맞춰 크게 세우면 앞줄이 뒷줄에 그늘을 드리워 간격을 넓혀야 하고, 그러면 같은 땅에 패널을 덜 놓게 된다. 실제 설치각이 위도보다 조금 작은 30° 안팎으로 정해지는 것은 cos θ와 땅값을 함께 계산한 결과다.