태양광 발전을 위한 드론 기반 최적 부지 선정 기법 개발

국내 태양광 발전 시장 규모가 점진적으로 증가하는 상황에서 산림이나 농지 등에 태양광 발전 부지를 선정함으로써 환경을 훼손시키는 사회적 문제가 대두되고 있다. 이에 환경 훼손 우려가 적은 도심 지역에 태양광 발전 설비를 설치하는 것이 대안이 될 수 있으며, 이미 여러 도시의 건축물 지붕 또는 벽면에 태양광 패널을 설치하여 사용하고 있다. 하지만, 음영(그림자)에 대한 고려없이 태양광 패널을 설치하여 낮은 효율로 사용되는 사례가 다수 발생하고 있는 상황이다. 이를 개선하기 위해 ㈜시에라베이스는 드론 촬영을 통해 태양광 발전에 적합한 부지를 선정하기 위한 방법론을 개발하였다. 본 방법론은 드론 비행 전략 구축, 촬영 부지의 3차원 모델링, 3차원 모델에 대한 음영 이미지 생성, 음영을 고려한 최적 부지 평가로 구성되어 있다..

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1. 드론 비행 전략 구축

드론 촬영을 통해 수집한 이미지 데이터를 기반하여 3차원 모델링을 수행하기 위해 ODM(open drone map)[1]이라는 프로그램을 사용하였으며, 적합한 이미지 데이터를 얻기 위해 다수의 테스트 비행을 수행하였다. 본 연구에서는 DJI사의 mavic 2 zoom 드론에 내장된 기능인 경로 비행을 이용하였으며, waypoints 및 POI(point of interest) 기능을 활용하여 비행 전략을 구축하였다.

<Waypoints 및 POI를 사용한 드론 비행 전략>

위의 드론 비행 전략에 따라 비행을 수행하면 드론이 waypoints(청색 1~5)를 따라 비행하고, 비행하는 동안 드론에 탑재된 카메라가 POI(적색 1)를 바라보면서 영상을 녹화한다. 다수의 테스트 비행을 통해 구축된 비행 전략을 검증하였고, 촬영된 영상으로부터 이미지 데이터를 추출하여 ODM에 사용함으로써 3차원 모델을 생성하였다.

<드론으로 촬영한 영상에서 추출된 이미지 데이터>

2. 촬영 부지의 3차원 모델링

드론을 통해 얻은 이미지 데이터를 앞서 설명한 3차원 모델링 프로그램인 ODM을 사용하여 3차원 모델링을 수행하였다. 3차원 모델링 완료 후, 모든 각도로 회전이 가능하여 생성된 3차원 모델에 결함이 있는지 확인할 수 있다.

<ODM을 사용한 3차원 모델링 수행 결과>

3. 3차원 모델에 대한 음영 이미지 생성

3차원 모델에 대한 음영을 재구성하기 위해 Gazebo[2]라는 물리 엔진을 사용하였으며, 실제 태양 각도를 고려하여 시간에 따른 음영 이미지를 생성하였다.

<Gazebo 물리 엔진에 3차원 모델 연동 및 시간에 따른 음영 이미지 생성>

4. 음영을 고려한 최적 부지 평가

생성된 음영 이미지와 연간 일사량 데이터를 결합하여 연평균 태양광 세기를 계산하는 알고리즘을 개발하였다.

<음영 이미지와 일사량의 결합을 통한 연평균 태양광 세기 계산>

계산된 연평균 태양광 세기를 기반으로 태양광 효율에 따른 최적 부지 추천 알고리즘을 개발하였다.

<태양광 효율에 따른 최적 부지 추천>

또한, 위성지도와 결합하여 직관적인 효율 평가도 가능하다.

<위성지도에 태양광 효율 평가 결과 연동>

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출처

[1] OpenDroneMap, https://github.com/OpenDroneMap/WebODM, accessed September 2020.

[2] Open Source Robotics Foundation, http://gazebosim.org/tutorials?tut=install_ubuntu, accessed September 2020.