[논문]영농형 태양광 하부의 일사량 변화 분석을 위한 모의 차광 관측 실험

윤창용; 최선웅; 안규남; 류재현; 정회정; 조재일

doi:10.5532/kjafm.2019.21.4.358

영농형 태양광 하부의 일사량 변화 분석을 위한 모의 차광 관측 실험
Preliminary Experiment of the Change of Insolation under Solar Panel Mimic Shading Net 원문보기

한국농림기상학회지 = Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology, v.21 no.4, 2019년, pp.358 - 365

윤창용 (전남농업기술원 식량작물연구소) , 최선웅 (전남대학교 농업생명과학대학 응용식물학과) , 안규남 (전남농업기술원 식량작물연구소) , 류재현 (전남대학교 농업생명과학대학 응용식물학과) , 정회정 (전남대학교 농업생명과학대학 응용식물학과) , 조재일 (전남대학교 농업생명과학대학 응용식물학과)

초록
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영농형 태양광 발전은 기존 농지에 태양광 패널을 설치하여 농지 보존과 일정 수확량 유지를 전제로 전기 생산도 병행하는 시스템이다. 최근 태양광 부지 수요 충족 및 농촌 경쟁력 제고를 위한 방안으로 주목 받고 있다. 따라서, 본격적인 개발에 앞서 영농형 태양광 패널 하부에서의 경작지 차광 정도를 분석하는 것이 작물 생육·수확량 변동 예측에 반드시 필요할 것이다. 본 실험은 연구용 영농형 태양광 건설에 앞서, 영농형 태양광 시설 규격과 유사한 모의 차광 시설을 설치하고 하부의 광합성유효복사량 특성을 분석하였다. 차광막 하부와 외부의 광합성유효복사량 차이는 일사광에서 산란광 비율이 낮아질수록 증가하였는데, 최대 17.08 mol/㎡/day (맑은 날), 최소 3.03 mol/㎡/day (흐린 날)이었다. 이러한 광 조건 변화는 벼의 초기 생육에 있어 초장의 증가와 주당경수의 감소를 가져왔다.

Abstract ▼ AI-Helper

An agrivoltaic systems (AVS) is mixed systems associating photovoltaic panels (PVPs) and crop cultivation at the same time on the given land area. It is receiving attention to improve rural economy. However, it is likely that, the crop yield should be decreased due to the reduced absorption of solar radiation by leaves. Thus, before popularizing the AVS, it is necessary to comprehend the degree of shading by PVPs in AVS. In this study, the change of radiation condition under AVS mimic shading net was investigated. The minimum and maximum of difference of photosynthetically active radiation (PAR) between under and outside shading net were 3.03 mol/㎡/day on a cloudy day and 17.08 mol/㎡/day on a sunny day. This difference decreased when the ratio of diffuse irradiance to global irradiance increased. Such a shading effect resulted in the increase of rice height and decrease of rice tillering.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. a) Photograph of experimental shading net and b) position diagram of PAR sensors under shading net (blue color).
그림 Fig. 2. Installation diagram of five PAR (Photosynthetically Active Radiation) sensors under experimental shading net.
그림 Fig. 3. Weather conditions in experimental place from July 11^th to August 23^rd (Day of Year: 192~234) in 2019.
그림 Fig. 4. Change of shadow state by shading net at 8, 12, and 17 o'clock (local time) in June.
그림 Fig. 5. Diurnal change of five PAR sensors under shading net (a, b, c, d, and e) at sunny day in August 18^th, and (f) at cloudy day in July 19^th in 2019.
그림 Fig. 6. Daily change of five PAR sensors under shading net during study period.
그림 Fig. 7. Daily change of reduced PAR rate under shading net during study period.
그림 Fig. 8. Effect of shading net according to the ratio of diffuse irradiance to solar irradiance.

AI 본문요약
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가설 설정

또한 정오에는 대부분의 경작지가 전체 그늘 형상 아래에 놓이게 된다. 따라서 차광막 하부 경작지의 가장자리 부분과 중앙에서의 일사수광량은 차이가 있을 것이다. 이는 차광막의 높이가 높고, 하부 경작지 면적이 좁을수록 차이가 크게 나타날 것으로 예상된다.

제안 방법

우리나라의 AVS 사업은 3∼4년 전부터 산업체와 민간 주도로 수행되고 있어, PVP 하부의 태양광 유입량 변화에 따른 경작지 미기상 변화를 체계적으로 이해하고 있지 못한 실정이다. 따라서, 본 실험에서는 연구용 AVS 건설에 앞서 PVP와 유사한 형태의 모의 차광 시설을 전남농업기술원 전작 포장에 설치하고 그 하부의 일사광 조건 변화를 분석하였다.
따라서, 본격적인 개발에 앞서 영농형 태양광 패널 하부에서의 경작지 차광 정도를 분석하는 것이 작물 생육⋅수확량 변동 예측에 반드시 필요할 것이다. 본 실험은 연구용 영농형 태양광 건설에 앞서, 영농형 태양광 시설 규격과 유사한 모의 차광 시설을 설치하고 하부의 광합성유효복사량 특성을 분석하였다. 차광막 하부와 외부의 광합성유효복사량 차이는 일사광에서 산란광 비율이 낮아질수록 증가하였는데, 최대 17.
본 연구는 영농형 태양광 발전 시설과 유사한 형태의 차광 모의 시설을 설치하여 하부 농지에 미치는 차광 정도를 분석하였다. 차광의 관점에서 영농형 태양광 패널은 2가지 특징이 있을 수 있다.
차광에 의한 PAR 변화를 상세히 분석하기 위해 광합성유효복사계를 경작지의 동, 서, 남, 북, 중앙의 각지점 당 5개를 50 cm 간격으로 북서-남동에 걸쳐 연속적으로 설치하였다(Fig. 2).

대상 데이터

모의 차광막 하부의 동, 서, 남, 북, 중앙 지점과 그 외부에는 광합성유효복사계(SQ-110, Apogee Instruments Inc., USA), 일사계(SP-100, Apogee Instruments Inc., USA), 온⋅습도계(ATMOS-14, METER Inc., USA), 우량계(ECRN-100, METER Inc., USA)를 설치하였다. 또한 본 연구결과에는 제시하지 않았지만, 향후 연구용 AVS 건설을 위한 실험 설계를 위해 토양수분계(TEROS-12, METER Inc.
산란복사계(Razon+, Kipp & Zonen Inc., NL)는 모의 차광 시설로부터 직선거리로 약 230 m 떨어진 1층높이 건물 옥상에 설치하여 관측하였다. 산란복사계 자료는 1분 간격으로 집록 되었으며, 그 외의 차광막 하부의 모든 미기상 관측자료는 5분으로 설정하였다.
산란복사계 자료는 1분 간격으로 집록 되었으며, 그 외의 차광막 하부의 모든 미기상 관측자료는 5분으로 설정하였다. 자료 분석 기간은 2019년 7월 11일부터 8월 23일까지로 대부분 하절기 작물의 영양생장 시기에 해당되며 광조건에 민감하고 기후적으로는 장마기간에 해당된다.
전남 나주시 산포면 소재 전남농업기술원 전작 포장에 영농형 태양광 패널을 설치하기 전에 동일 위치에 본 시설 규격과 유사한 모의 차광막을 설치하였다 (Fig. 1).
전작 포장 40 m × 60 m 면적에 폭 100 cm의차 광막을 4 m 높이에 18줄 배열하였고 차광막 사이의 폭은 150 cm로 하였다. 차광막 재질은 4중지 차광막을 사용하였고 차광율은 약 99 %이었다.

성능/효과

이는 산란광이 직달광과는 달리 여러 광 투사 방향성을 가지고 부분 차광막 시설을 통과했기 때문으로 보인다. 따라서 구름이나 부유 먼지가 많은 대기 상태이거나, 낮은 태양 고도각 에서 발생하는 산란광의 량이 증가한다면 AVS 차광 효과는 줄어들 것으로 예상된다.
포트에 이앙한지 30일 이후에 차광막 하부 포트에서 생육된 벼와 차광막 외부 포트의 벼를 조사하였다. 일미와 조명 1호 초장은 차광막 외부의 정상 생육환경 에서 각각 평균 44.1 cm와 43.4 cm로 나타났으나 차광막 아래 중앙 위치에서는 각각 평균 49.2 cm와 47.9 cm 이었다. 그리고 주당경수(개/m²)는 차광막 외부에서 일미와 조명1호가 각각 평균 48.
5f). 즉, 각 5개 복사계에 입력되는 광량은 태양 천정각에 따른 하루 중그림자의 위치 변화와 운량 증가에 따른 일사량 감소및 산란광 증가의 영향에 따라 차광 효과가 달라졌다.
차광막 아래 복사계들의 PAR 평균값과 외부 복사계 PAR 값 간의 차이 또한 산란광이 증가할수록 그 차이가 줄어들었다(Fig. 8b).
본 실험은 연구용 영농형 태양광 건설에 앞서, 영농형 태양광 시설 규격과 유사한 모의 차광 시설을 설치하고 하부의 광합성유효복사량 특성을 분석하였다. 차광막 하부와 외부의 광합성유효복사량 차이는 일사광에서 산란광 비율이 낮아질수록 증가하였는데, 최대 17.08 mol/m²/day (맑은 날), 최소 3.03 mol/m²/day (흐린 날)이었다. 이러한 광 조건 변화는 벼의 초기 생육에 있어 초장의 증가와 주당경수의 감소를 가져왔다.
6는 차광막 하부 중앙과 차광막 외부에 설치된 복사계들의 5분 단위 일 누적 PAR량을 나타낸 것이다. 차광막 하부의 5개 복사계들 간 일 누적량 차이가 최소인 날은 0.20 mol/m²/day (흐린 날)이었으며, 최대인 날은 5.15 mol/m²/day (맑은 날)로 나타났다. 이는 일반적인 완전 차광 조건의 생육 실험과 달리 부분 차광의 효과가 드러난 것으로, Fig.
패널에 의한 차광 효과는 직달광 비율이 높은 맑은 날에 컸다. 이러한 차광에 따른 작물 생육 차이는 산란 광의 비율이 높아져 차광효과가 적어지는 기상조건에서 감소할 수도 있겠으나, 산란광의 비율이 높은 대기 상태는 보통 일사량이 낮은 조건이기 때문에 차후 다양한 기후 및 기상조건에서 다년간 AVS 하부 재배 실험이 이루어져야 할 것으로 보인다.
2m이다. 패널의 설치 높이가 매우 낮으므로, 패널 하부는 주간 시간 대부분 그림자가 드리워져 있어 산란광의 비율이 90 % 이상으로 매우 높았으며, 기온도 외부보다 낮았다. 하지만, 밤에는 패널의 보온 효과로 기온이 다소 높아졌다.

후속연구

경제적 관점에서 영농형 태양광의 핵심은 태양광 발전량 가치보다 작물 수확량 손해가 크지 않아야 한다는 것이다(Dinesh and Pearce, 2016). 따라서 PVP 하부경지에서의 태양광 에너지 유입 감소로 대표되는 미기상 변화를 올바로 이해하고, 그에 따른 생산량 감소 정도를 작물과 기후에 따라 구분 지어 정확히 파악할 필요가 있다. 하지만, 그 첫 단계라고 할 수 있는 PVP 하부의 태양광 입사 조건 변화에 대한 연구는 국내외적으로도 많지 않은 실정이다.
최근 태양광 부지 수요 충족 및 농촌 경쟁력 제고를 위한 방안으로 주목 받고 있다. 따라서, 본격적인 개발에 앞서 영농형 태양광 패널 하부에서의 경작지 차광 정도를 분석하는 것이 작물 생육⋅수확량 변동 예측에 반드시 필요할 것이다. 본 실험은 연구용 영농형 태양광 건설에 앞서, 영농형 태양광 시설 규격과 유사한 모의 차광 시설을 설치하고 하부의 광합성유효복사량 특성을 분석하였다.
이러한 차광에 따른 작물 생육 차이는 산란 광의 비율이 높아져 차광효과가 적어지는 기상조건에서 감소할 수도 있겠으나, 산란광의 비율이 높은 대기 상태는 보통 일사량이 낮은 조건이기 때문에 차후 다양한 기후 및 기상조건에서 다년간 AVS 하부 재배 실험이 이루어져야 할 것으로 보인다. 또한 영농형 태양광 패널의 위치가 높아짐에 따라 시설 하부의 동과 서쪽에서 재배된 작물은 중앙 위치의 작물보다 상대적으로 더 많은 광을 포획하여 생장에 기여할 것으로 예상된다. 이렇게 영농형 태양광 시설로 인해 발생하는 복사 차광의 이해를 넓히기 위해, 다양한 기상 요소들과 복사량과의 관계에 대한 연구가 병행되어야 할 것이다(e.
영농형 태양광 시설이 작물의 재배 및 생산량에 미치는 영향이 구명된다면, 향후 발생할 수 있는 여러 가지 문제를 예측하고 선제적으로 대응할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 벼의 생육 초기 연구결과만 제시하였으나, 수확 품질의 균질성은 작물에 따라 차이가 나타날 수 있어, 향후 추가 연구를 통해 상세히 분석되어야 할 것으로 판단된다.
영농형 태양광 시설이 작물의 재배 및 생산량에 미치는 영향이 구명된다면, 향후 발생할 수 있는 여러 가지 문제를 예측하고 선제적으로 대응할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 벼의 생육 초기 연구결과만 제시하였으나, 수확 품질의 균질성은 작물에 따라 차이가 나타날 수 있어, 향후 추가 연구를 통해 상세히 분석되어야 할 것으로 판단된다.
패널에 의한 차광 효과는 직달광 비율이 높은 맑은 날에 컸다. 이러한 차광에 따른 작물 생육 차이는 산란 광의 비율이 높아져 차광효과가 적어지는 기상조건에서 감소할 수도 있겠으나, 산란광의 비율이 높은 대기 상태는 보통 일사량이 낮은 조건이기 때문에 차후 다양한 기후 및 기상조건에서 다년간 AVS 하부 재배 실험이 이루어져야 할 것으로 보인다. 또한 영농형 태양광 패널의 위치가 높아짐에 따라 시설 하부의 동과 서쪽에서 재배된 작물은 중앙 위치의 작물보다 상대적으로 더 많은 광을 포획하여 생장에 기여할 것으로 예상된다.
또한 영농형 태양광 패널의 위치가 높아짐에 따라 시설 하부의 동과 서쪽에서 재배된 작물은 중앙 위치의 작물보다 상대적으로 더 많은 광을 포획하여 생장에 기여할 것으로 예상된다. 이렇게 영농형 태양광 시설로 인해 발생하는 복사 차광의 이해를 넓히기 위해, 다양한 기상 요소들과 복사량과의 관계에 대한 연구가 병행되어야 할 것이다(e.g., Kang et al., 2019).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	영농형 태양광 발전이란?	영농형 태양광 발전은 기존 농지에 태양광 패널을 설치하여 농지 보존과 일정 수확량 유지를 전제로 전기 생산도 병행하는 시스템이다. 최근 태양광 부지 수요 충족 및 농촌 경쟁력 제고를 위한 방안으로 주목 받고 있다.
	AVS의 기본개념은?	, 2019). AVS의 기본 개념은 작물이 흡수하지 못하는 광을 ‘잉여 태양광’ 이라고 정의하고 그것을 전기 생산에 사용한다는 개념을 가지고 있다(Dinesh and Pearce, 2016). 이러한 설명은 일반적으로 하절기에는 주간 일사량이 단일 잎에서의 광합성 광포화점을 훨씬 초과한다는 점에 주목하고 있다.
	최근 태양광 부지 수요 충족 및 농촌 경쟁력 제고를 위한 방안으로 주목 받고 있는 것은?	영농형 태양광 발전은 기존 농지에 태양광 패널을 설치하여 농지 보존과 일정 수확량 유지를 전제로 전기 생산도 병행하는 시스템이다. 최근 태양광 부지 수요 충족 및 농촌 경쟁력 제고를 위한 방안으로 주목 받고 있다.

참고문헌 (10)

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Dinesh, H., and J. M. Pearce, 2016: The potential of agrivoltaic systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews 54, 299-308.

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Goetzberger, A., and A. Zastrow, 1982: On the coexistence of solar-energy conversion and plant cultivation. International Journal of Solar Energy 1(1), 55-69.

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Lee, M. H., S. G. Kang, W. G. Sang, B. I. Ku, Y. D. Kim, H. K. Park, and J. H. Lee, 2014: Change of photosynthetic characteristics of high-quality rice cultivars by shading on grain filling stage. Journal of Agriculture & Life Sciences 45(2), 60-65. (in Korean with English abstract)
Marrou, H., L. Guilioni, L. Dufour, C. Dupraz, and J. Wery, 2016: Microclimate under agrivoltaic systems: Is crop growth rate affected in the partial shade of solar panels? Agricultural and Forest Meteorology 177, 117-132.
Yoshida, S., 1981: Fundamentals of rice crop science. The international rice research institute, 269pp.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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