[논문]유형이 다른 영농형 태양광발전시설 하부 재배 환경 및 벼 생산성 평가

반호영; 정재혁; 황운하; 이현석; 양서영; 최명구; 이충근

doi:10.5532/kjafm.2020.22.4.258

유형이 다른 영농형 태양광발전시설 하부 재배 환경 및 벼 생산성 평가
Evaluating Cultivation Environment and Rice Productivity under Different Types of Agrivoltaics 원문보기

한국농림기상학회지 = Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology, v.22 no.4, 2020년, pp.258 - 267

반호영 (농촌진흥청 국립식량과학원 작물재배생리과) , 정재혁 (농촌진흥청 국립식량과학원 작물재배생리과) , 황운하 (농촌진흥청 국립식량과학원 작물재배생리과) , 이현석 (농촌진흥청 국립식량과학원 작물재배생리과) , 양서영 (농촌진흥청 국립식량과학원 작물재배생리과) , 최명구 (농촌진흥청 국립식량과학원 작물재배생리과) , 이충근 (농촌진흥청 국립식량과학원 작물재배생리과)

초록
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영농형 태양광발전시설은 농지에 설치하여 전기도 생산하면서 동시에 작물도 재배할 수 있다. 영농형 태양광발전시설의 구조와 태양의 위치에 따라 차광 지점이 변화하기 때문에 시설 하부 환경을 분석할 필요가 있으며, 작물생산성도 평가되어야 한다. 영농형 태양광발전시설은 "고정형"과 "추적형" 두가지 유형을 설치하였으며, 시설을 설치한 농지와 차광이 되지 않는 일반 농지(control)에 벼 재배 실험을 실시하였다. 현품벼를 2019년 6월 7일에 기계 이앙하였으며, 시비량은 N-P-K= 9.0-4.5-5.7 kg/10a 이었다. 각 태양광발전시설 하부 15개 지점에 일사와 온도 센서를 설치하여 기상을 측정하였고, 지점 별로 수량 및 수량관련요소들을 조사하였다. 벼 생육기간동안 누적 일사는 고정형의 경우 지점들 간 차이가 크지 않았으며, 추적형의 경우 지점들 간 차이가 크게 나타났지만, 두 유형의 평균 누적 일사량은 비슷하였다. 고정형의 등숙률과 천립중을 제외하고 평균 기온과 수량 및 수량 관련 요소들 모두 차광율에 대해 유의한 차이를 나타냈으며 차광율이 커질수록 감소하였다. 차광율과 수량과의 관계에서 고정형은 로지스틱식으로 추적형은 1차방정식으로 각기 다르게 나타났으며, 두 유형 모두 높은 상관을 보였다(추적형: R2 = 0.62, 고정형: R2 = 0.73). 두유형의 지점 별 차광율 변동은 두 유형 간 비슷한 수량 변동에도 불구하고 크게 나타났다. 따라서, 전체 생육 기간의 누적 일사에 대한 차광율보다는 특정 시기의 차광율과의 관계를 좀 더 세밀히 검토할 필요가 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The agrivoltaic can produce electricity and grow crops on fields at the same time. It is necessary to analyze the cultivation environment and evaluate the crop productivity under agrivoltaic because the shading point changes according to structure of agrivoltaic and sun's position. Two types of "fixing" and "tracing" agrivoltaic were installed, and a rice cultivation experiment was conducted in the fields under each agrivoltaic and without shading (control). "Hyunpoombyeo" was transplanted on June 7, 2019, and grown with fertilization of 9.0-4.5-5.7 kg/10a (N-P-K). Fifteen weather stations were installed under each agrivoltaic to measure solar radiation and temperature, and yield and yield-related elements were investigated by points. The accumulated solar radiation during the rice growing season in fixing was no much difference between points, and that in tracing was much difference between points. However, the average solar radiations of two agrivoltaics were similar. The mean temperature, yield, and yield-related elements showed a significant difference for the shading rate, and decreased with increasing the shading rate except ripening grain rate and 1000 grain weight of fixing agrivoltaic. In the relationship between shading rate and yield, fixing and tracing were fitted to a logistic equation and a simple linear equation, respectively, and showed a high correlation (tracing: R2 = 0.62, fixing: R2 = 0.73). The shading rate variation by point for two types was large despite similar yield variation. Thus, it needs to be more closely examined the relationship of the shading rate for a specific period rather than the shading rate during the whole growing season.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Tracing (a) and fixing (b) agrivoltaic.
그림 Fig. 2. Diagram for solar panels of tracing and fixing agrivoltaic.
그림 Fig. 3. Diagram for the weather measuring points and solar panels of tracing and fixing agrivoltaic.
그림 Fig. 4. Diagram for the shading rate of the weather measuring points under tracing and fixing agrivoltaic.
표 Table 1. Accumulated solar radiation during the growing season and the shading rate by region under tracing and fixing agrivoltaic
그림 Fig. 5. Diagram for the mean temperature of the weather measuring points under tracing and fixing agrivoltaic.
표 Table 2. Mean and accumulated temperature during the growing season by region under tracing and fixing agrivoltaic
그림 Fig. 6. Relationship between the shading rate and temperature under tracing (a) and fixing (b). The y-axis denotes difference between mean temperature during the growing season in control and by region.
그림 Fig. 7. Relationship between the shading rate and grain yield index under tracing (a) and fixing (b) agrivoltaic. The y-axis denotes the percentage for grain yield of control.
표 Table 3. Yield and yield-related elements of a rice by region under tracing and fixing agrivoltaic

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목적은 영농형 태양광발전시설의 유형에따른 재배 환경과 벼의 생산성을 평가하여 향후 영농형 태양광발전시설을 병행한 벼 재배에 있어 최적의벼 재배법 개발을 위한 기초자료로 활용하기 위해 수행되었다.
, 2007). 이러한 연구들은 특정 시기에 대한 일사감소나 생육기간동안 일률적으로 차광율을 일정하게 설정하여 태양광 차광 정도에 따른 생육 특성 및 생산성에 관한 연구들이다. 시시각각 변화하는 태양의 위치에 따라 태양광발전시설 하부 지점들의 차광 양상이 변화하게 되며, 지점 별로 환경의 변화를 분석할 필요가 있다.

제안 방법

일사와 기온 자료들을 저장하기 위해 AA건전지 3개로 구동 가능한 소형 자료수집장치(MSTL, STA corporation, Seoul, South Korea)를 이용하여 10분 간격으로 이들 기상자료들을 저장하였다. 10분 간격의 기상 자료들을 일별 자료로 변환하여 일별 일사량과 평균 기온을 계산하였고, 벼 생육기간 동안의 일별 일사량을 누적하여 대조구의 누적 일사량 대비 지점 별 누적 일사량으로 지점들의 차광율(%)을 계산하였다.
7 kg/10a 이었다. 각 태양광발전시설 하부 15개 지점에 일사와 온도 센서를 설치하여 기상을 측정하였고, 지점 별로 수량 및 수량 관련 요소들을 조사하였다. 벼 생육기간동안 누적 일사는 고정형의 경우 지점들 간 차이가 크지 않았으며, 추적형의 경우 지점들 간 차이가 크게 나타났지만, 두 유형의 평균 누적 일사량은 비슷하였다.
0(R Core Team, 2020)을 이용하여 ANOVA 분산 분석을 수행하였다. 고정형 태양광발전시설 하부 벼 생육기간 동안의 차광율과 평균 기온및 수량과의 관계는 1차선형방정식으로 나타내었으며, 추적형 태양광발전시설 하부 생육기간 동안의 차광율과 평균 기온 및 수량과의 관계는 다음과 같은로지스틱식으로 나타내었다(Eq. 2).
한 유형은 고정형으로 보편적으로 사용되는 태양광 패널이 고정된 형태이며, 다른 유형은 추적형으로 태양의 위치를 추적하여 태양광을 최대한으로 받을 수 있도록 태양광 패널이 태양복사 입사각과 수직이 되게 움직이는 형태이다. 두 유형의 발전 용량(43.2kW/h)이 동일하도록 설계하였다. 추적형 태양광 발전시설은 5m 높이의 기둥위에 태양광패널을 설치하였으며, 고정형 태양광발전시절은 태양광 패널을 4m 높이의 구조 위에 설치하였다.
벼의 생산성을 평가하기 위하여 기상관측 지점마다 기상관측대를 기준으로 대각선 4군데에 가로ᆞ세로 1m 의 정사각형 구역 내부에서 수량관련요소들을 조사하였고, 조사한 자료들을 지점 별로 평균하였다. 조사항목은 m²당립수(천개), 등숙률(%), 천립중(g)이며, 최종적으로 수량(kg/10a)을 계산하였다(Eq.
영농형 태양광발전시설 하부 일사와 기온을 관측하기 위해 추적형과 고정형 영농형 태양광발전시설 하부농지에 1.3m의 높이로 15개의 기상관측대를 농지의면적에 맞게 일정한 간격으로 설치하였다(Fig. 3).
영농형 태양광발전시설의 구조와 태양의 위치에 따라 차광 지점이 변화하기 때문에 시설 하부 환경을 분석할 필요가 있으며, 작물생산성도 평가되어야 한다. 영농형 태양광발전시설은 “고정형”과 “추적형” 두 가지 유형을 설치하였으며, 시설을 설치한 농지와 차광이 되지 않는 일반 농지(control)에 벼 재배 실험을 실시하였다. 현품 벼를 2019년 6월 7일에 기계 이앙하였으며, 시비량은 N-P-K= 9.
일사는 광합성 유효방사(PAR)를 측정하는 퀀텀센서(SQ-110, Apogee instruments Inc., UT, USA)로 측정하였고 기온은 디지털 온도센서(STL-STHS, STA corporation, Seoul, South Korea)로 측정하였다. 일사와 기온 자료들을 저장하기 위해 AA건전지 3개로 구동 가능한 소형 자료수집장치(MSTL, STA corporation, Seoul, South Korea)를 이용하여 10분 간격으로 이들 기상자료들을 저장하였다.
, UT, USA)로 측정하였고 기온은 디지털 온도센서(STL-STHS, STA corporation, Seoul, South Korea)로 측정하였다. 일사와 기온 자료들을 저장하기 위해 AA건전지 3개로 구동 가능한 소형 자료수집장치(MSTL, STA corporation, Seoul, South Korea)를 이용하여 10분 간격으로 이들 기상자료들을 저장하였다. 10분 간격의 기상 자료들을 일별 자료로 변환하여 일별 일사량과 평균 기온을 계산하였고, 벼 생육기간 동안의 일별 일사량을 누적하여 대조구의 누적 일사량 대비 지점 별 누적 일사량으로 지점들의 차광율(%)을 계산하였다.
조사항목은 m²당립수(천개), 등숙률(%), 천립중(g)이며, 최종적으로 수량(kg/10a)을 계산하였다(Eq. 1).
수행하였다. 태양광 차광이 없는 인접 농지에 대조구(control)를 설정하여 동일한 벼 재배 실험을 수행하였다. 품종은 중만생인 종인 현품이었다.
태양광발전시설이 설치된 농지에서 태양광 차광에따른 생산성 평가를 위한 벼 재배 실험을 수행하였다. 태양광 차광이 없는 인접 농지에 대조구(control)를 설정하여 동일한 벼 재배 실험을 수행하였다.

대상 데이터

전라북도 완주군 이서면에 위치한 국립식량과학원 (35°50’2.0’’N, 127°2’44.2’’E)에 두 가지 유형의 영농형태양광 발전시설을 설치하였다(Fig. 1). 한 유형은 고정형으로 보편적으로 사용되는 태양광 패널이 고정된 형태이며, 다른 유형은 추적형으로 태양의 위치를 추적하여 태양광을 최대한으로 받을 수 있도록 태양광 패널이 태양복사 입사각과 수직이 되게 움직이는 형태이다.

데이터처리

본 연구에서 관측한 결과값은 통계 계산을 위한 오픈 소스인 R v.4.0.0(R Core Team, 2020)을 이용하여 ANOVA 분산 분석을 수행하였다. 고정형 태양광발전시설 하부 벼 생육기간 동안의 차광율과 평균 기온및 수량과의 관계는 1차선형방정식으로 나타내었으며, 추적형 태양광발전시설 하부 생육기간 동안의 차광율과 평균 기온 및 수량과의 관계는 다음과 같은로지스틱식으로 나타내었다(Eq.

이론/모형

이앙 날짜는 2019년 6월 8일이며, 재식 간격을 30cm x 15cm으로 하여 기계 이앙하였다. 농촌진흥청 권장 표준시비량에 따른 N-P-K= 9.0-4.5-5.7 kg/10a 수준으로 기비-분얼-수비를 5:2:3, 10:0:0, 그리고 7:0:3으로 각각 나누어 시비하였으며, 기타 재배관리는 농촌진흥청 표준재배법에 의거 수행하였다.

성능/효과

벼 생육기간동안 누적 일사는 고정형의 경우 지점들 간 차이가 크지 않았으며, 추적형의 경우 지점들 간 차이가 크게 나타났지만, 두 유형의 평균 누적 일사량은 비슷하였다. 고정형의 등숙률과천립중을 제외하고 평균 기온과 수량 및 수량 관련 요소들 모두 차광율에 대해 유의한 차이를 나타냈으며차광율이 커질수록 감소하였다. 차광율과 수량과의 관계에서 고정형은 로지스틱식으로 추적형은 1차 방정식으로 각기 다르게 나타났으며, 두 유형 모두 높은 상관을 보였다(추적형: R² = 0.
관측 지점들의 차광율은 설치된 태양광 발전 설비유형에 따라 상이한 공간적 양상이 나타났다(Fig. 4)
그러나, 추적형과 고정형 영농형 태양광발전시설 하부 평균 및 누적 기온은 대조구에 비해 낮은 경향을 보였다. 평균 및 누적 기온은 차광율에 대해 유의한 차이를 나타냈다(Table 2).
것으로 판단되었다. 두 가지 유형의 영농형 태양광발전시설을 설치하여 시설 하부 농지에 벼 재배 실험을 실시한 결과, 차광율의 차이가 확인되었으며, 차광율에 따른 평균 및 누적 기온 역시 수량 및 수량관련 요소들에 영향을 주는 것으로 나타났다.
벼 생육 기간 동안에 대조구의 평균 기온과 지점별 평균 기온의 차이가 차광율이 증가함에 따라 커지는 경향을 보였다(Fig. 6). 다시 말해, 차광율이 증가함에 따라 지점의 평균 기온이 감소하는 것을 나타낸다.
벼 생육 기간 동안에 대조구의 평균 기온과 지점별 평균 기온의 차이가 차광율이 증가함에 따라 커지는 경향을 보였다(Fig. 6). 다시 말해, 차광율이 증가함에 따라 지점의 평균 기온이 감소하는 것을 나타낸다.
본 연구의 결과를 종합해 볼 때, 두 개의 다른 유형의영농형 태양광발전시설 하부 환경 특히 생육기간동안의 차광율에 따른 누적 일사의 지점 간 차이가 크지만전체 평균으로 보았을 때 큰 차이가 없으며, 최종적으로 지점들의 평균 수량 또한 비슷한 것으로 나타났다. 그럼에도 불구하고, 지점들 간 차광율과 수량과의 관계가 선형ᆞ비선형식으로 다르게 나타났으며, 전체 생육기간 동안에 차광율보다는 특정 시기에 차광율과의 관계를 좀 더 세밀히 검토할 필요가 있다.
고정형은 영화수와 수량만차광율에 대해 유의한 차이를 나타내었으며, 등숙률과천립중은 유의한 차이가 나타나지 않았다. 유의한 차이를 나타낸 모든 요소들이 차광율이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. 추적형의 영화수가 고정형의 영화수보다 근소하지만 많았으며, 등숙율은 고정형이 약간 높았다.
천립중은 동일하게 나타났으며, 최종수량은 거의 비슷하게 나타났다. 차광율과 대조 구의 수량을 100%로 표현한 수량지수와의 관계가 고정형은 로지스틱식으로 나타났으며, 추적형은 1차 선형방정식으로 서로 다른 형태로 나타났다(Fig. 7).
고정형의 등숙률과천립중을 제외하고 평균 기온과 수량 및 수량 관련 요소들 모두 차광율에 대해 유의한 차이를 나타냈으며차광율이 커질수록 감소하였다. 차광율과 수량과의 관계에서 고정형은 로지스틱식으로 추적형은 1차 방정식으로 각기 다르게 나타났으며, 두 유형 모두 높은 상관을 보였다(추적형: R² = 0.62, 고정형: R² = 0.73). 두유형의 지점 별 차광율 변동은 두 유형 간 비슷한 수량변동에도 불구하고 크게 나타났다.
, 2007). 추적형과 고정형을 비교해 보면, 추적형과 고정형의 지점들 평균 누적일사값은 각각 2801과 2815 Mmol m^-2로 비슷하지만 고정형이 약간 높았다. 반면, 근소한 차이더라도 영화수는오히려 추적형에서 많았다.
추적형은 영화수, 등숙률, 그리고 천립중 모두 차광율에 대해 유의한 차이를 나타내었으며, 최종 수량도 유의한 차이를 나타내었다. 고정형은 영화수와 수량만차광율에 대해 유의한 차이를 나타내었으며, 등숙률과천립중은 유의한 차이가 나타나지 않았다.
추적형은 태양광 발전시설 기등과 가까운 지점인 A6, A8, A10이 다른 지점들에 비해 차광율이 높게 나타났으며, 특히 기등과 가장 가까운 A8 지점이 가장 높은 차광율을 나타냈다. 고정형은 중간 지점인 B7이 가장 낮은 차광율을 나타냈으며, 추적형과 고정형 모두 북쪽 지점들의 차광율이 남쪽 지점들에 비해 다소 높게 나타냈다.
추적형은 태양광 발전시설 기등과 가까운 지점인 A6, A8, A10이 다른 지점들에 비해 평균 기온이 낮게나타났으며, 특히 기등과 가장 가까운 A8 지점이 가장낮은 평균 기온을 나타냈다. 고정형은 중간 지점인 B8 과 B9이 가장 낮은 평균 기온을 나타냈으며, 추적형과고정형 모두 북쪽 지점들의 평균 기온이 남쪽 지점들에 비해 다소 낮게 나타냈다.
유의한 차이를 나타낸 모든 요소들이 차광율이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. 추적형의 영화수가 고정형의 영화수보다 근소하지만 많았으며, 등숙율은 고정형이 약간 높았다. 천립중은 동일하게 나타났으며, 최종수량은 거의 비슷하게 나타났다.

후속연구

나타났다. 그럼에도 불구하고, 지점들 간 차광율과 수량과의 관계가 선형ᆞ비선형식으로 다르게 나타났으며, 전체 생육기간 동안에 차광율보다는 특정 시기에 차광율과의 관계를 좀 더 세밀히 검토할 필요가 있다. 또한, 태양광발전시설 하부 벼 재배에 있어 최종 수량을 증대시킬수 있는 방안을 모색하기 위해 일사의 공간적인 양상을 좀 더 분석하고 광 이용률을 높이기 위한 재식밀도및 질소시비량에 관한 추가 실험이 필요할 것이다.
, 2015). 따라서, 시간적으로 상세한 규모에서 보다 정밀한 생육 반응의 특성을 연구하기 위한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
두유형의 지점 별 차광율 변동은 두 유형 간 비슷한 수량변동에도 불구하고 크게 나타났다. 따라서, 전체 생육 기간의 누적 일사에 대한 차광율보다는 특정 시기의차광율과의 관계를 좀 더 세밀히 검토할 필요가 있다.
그럼에도 불구하고, 지점들 간 차광율과 수량과의 관계가 선형ᆞ비선형식으로 다르게 나타났으며, 전체 생육기간 동안에 차광율보다는 특정 시기에 차광율과의 관계를 좀 더 세밀히 검토할 필요가 있다. 또한, 태양광발전시설 하부 벼 재배에 있어 최종 수량을 증대시킬수 있는 방안을 모색하기 위해 일사의 공간적인 양상을 좀 더 분석하고 광 이용률을 높이기 위한 재식밀도및 질소시비량에 관한 추가 실험이 필요할 것이다.
본 연구에서 수행된 유형이 다른 영농형 태양광발전시설의 하부 재배 환경과 벼의 생산성 비교 결과는향후 영농형 태양광발전시설을 병행한 벼 재배에 있어최적의 벼 재배법 개발을 위한 기초자료로 활용될 수있을 것으로 판단되었다. 두 가지 유형의 영농형 태양광발전시설을 설치하여 시설 하부 농지에 벼 재배 실험을 실시한 결과, 차광율의 차이가 확인되었으며, 차광율에 따른 평균 및 누적 기온 역시 수량 및 수량관련 요소들에 영향을 주는 것으로 나타났다.
생육 기간 동안 차광율이 일정한 것이 아니라 광조건에 따라 차광율이 매일 변화하며, 생육 기간 전체의차광율이 아닌 특정시기의 시간 별 차광 양상을 세밀히 분석할 필요가 있을 것으로 판단된다. 영화수는 일사량에 정의 상관관계가 있다고 알려져 있다(Kim et al.
, 2019). 추가로 다른 유형의 영농형 태양광발전시설에 대한 하부 환경과 수량 및 수량 관련 요소도 평가할 필요가 있다.

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Yoon, C., S. Choi, K. N. An, J. H. Ryu, H. Jeong, and J. Cho, 2019: Preliminary experiment of the change of insolation under solar panel mimic shading net. Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology 21(4), 358-365. https://doi.org/10.5532/KJAFM2019.21.4.358

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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