[논문]영농형 태양광 발전 솔라쉐어링에 따른 하부 일사량 변화의 해석 및 분석

이상익; 최진용; 성승준; 이승재; 이지민; 최원

doi:10.5389/ksae.2020.62.5.063

영농형 태양광 발전 솔라쉐어링에 따른 하부 일사량 변화의 해석 및 분석
Simulation and Analysis of Solar Radiation Change Resulted from Solar-sharing for Agricultural Solar Photovoltaic System 원문보기

한국농공학회논문집 = Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, v.62 no.5, 2020년, pp.63 - 72

이상익 (Department of Rural Systems Engineering, Seoul National University) , 최진용 (Department of Rural Systems Engineering, Research Institute of Agriculture and Life Sciences, Global Smart Farm Convergence Major, Seoul National University) , 성승준 (Solar Development Part, SK D&D) , 이승재 (National Center for Agro-Meteorology) , 이지민 (Research Institute of Agriculture and Life Sciences, Seoul National University) , 최원 (Department of Rural Systems Engineering, Research Institute of Agriculture and Life Sciences, Global Smart Farm Convergence Major, Seoul National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Solar-sharing, which is an agricultural photovoltaic system installing solar panels on the upper part of crop growing field, has especially drawn attention. Because paddy fields for cultivating crops are large flat areas, there have been various attempts to utilize solar energy for solar photovoltaic as well as growth of crops in agriculture. Solar-sharing was first proposed in Japan, and has been actively studied for optimization and practical uses. The domestic climate differs from the climate conditions in which the solar-sharing has been widely studied, therefore, it is required to develop the solar-sharing technology suitable for the domestic climate. In this study, a simulation model was developed to analyze the change of solar radiation resulted from the solar-sharing installation. Monthly solar illumination intensity and the change of illumination intensity according to the various conditions of solar panel installation were simulated. The results of monthly illumination analysis differed by altitude of the sun, which was related to season. In addition, it was analyzed that the monthly illumination decreased by up to 42% due to solar-sharing. Accordingly, it is recommended that solar-sharing should be installed as a way to maximize the efficiency of solar photovoltaic system while minimizing the decrease in solar radiation reaching the crops.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 Panorama of solar-sharing installed on paddy field in Solar Farm
그림 Fig. 2 Standard relative global illuminance in Japan (Igawa et al., 1997)
그림 Fig. 3 Station configuration for the illuminance measurement
그림 Fig. 4 Location coordinates of solar panels and surface shadows
그림 Fig. 5 Relation between solar radiation and solar elevation angle in Cheongju in 2016, cloud amount : 0
그림 Fig. 6 Relation between solar radiation and solar elevation angle in Cheongju in 2016, cloud amount : 10
그림 Fig. 8 Calibration of ratio of illuminance on 21^st July 2017
그림 Fig. 7 Measured illuminance in various stations on 13^th March 2017
그림 Fig. 9 Distribution of monthly illumination intensity in May 2016
그림 Fig. 10 Distribution of monthly illumination intensity in August 2016
표 Table 1 Statistical indices for calibration of ratio of illuminance
표 Table 2 Descriptive statistics of monthly illumination intensity analysis results
그림 Fig. 11 Distribution of monthly illumination intensity in October 2016
그림 Fig. 12 Ratio of monthly illumination and annual average illumination according to the angle of solar panel
표 Table 3 Annual average illumination according to solar panel spacing and angle

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이때 회귀분석 결과의 세로축은 조도의 상댓값으로, 태양에서 지구까지의 거리만큼 떨어진 지점에서의 일사량을 1로 보았을 때의 상대적 값을 나타낸다. 따라서 본 연구에서는 운량과 대기의 혼탁한 정도를 나타내는 시정 등의 기상조건이 동일하다면, 같은 태양 고도에서 일정한 조도가 지표면에 도달하는 것으로 해석하였으며 이를 통해 일사량 변화를 분석하였다. 임의 시각에 대해 태양의 고도는 식 (1)과 같이 계산될 수 있다.
본 연구에서는 솔라쉐어링에 따른 하부 농작물에 도달하는 일사량을 분석하기 위해 지표면에서의 조도를 측정하고, 이를 분석하여 일사량의 변화를 해석하였다. 일사량과 조도는 임의의 기상조건에서 발광효율과 같은 관계를 통해 서로 표현될 수 있기 때문에, 본 연구에서는 같은 기상조건에서 솔라쉐어링에 의해 변화된 일사량의 비율과 조도의 비율이 동일하다고 가정하였다 (Vartiainen, 2000; Yang et al.
본 연구에서는 솔라쉐어링을 통해 신재생 에너지를 생산하면서 작물생육에 필요한 일사량을 확보하는 최적의 조건을 분석하고자 태양광 패널 구조물 하부에 도달하는 일사량의 변화를 해석하였다. 이를 위해 현장 실험을 통하여 솔라쉐어링에 따라 감소하는 조도를 분석하고, 이를 바탕으로 수치 시뮬레이션 모델을 개발하였다.

가설 설정

본 연구에서는 솔라쉐어링에 따른 하부 농작물에 도달하는 일사량을 분석하기 위해 지표면에서의 조도를 측정하고, 이를 분석하여 일사량의 변화를 해석하였다. 일사량과 조도는 임의의 기상조건에서 발광효율과 같은 관계를 통해 서로 표현될 수 있기 때문에, 본 연구에서는 같은 기상조건에서 솔라쉐어링에 의해 변화된 일사량의 비율과 조도의 비율이 동일하다고 가정하였다 (Vartiainen, 2000; Yang et al., 1991; Yoon et al., 2011). 이때 농지와 같이 넓은 면적의 평야에서 태양광에 따른 조도를 결정하는 주요한 요소는 태양의 고도와 대기의 운량이다.

제안 방법

이를 위해 현장 실험을 통하여 솔라쉐어링에 따라 감소하는 조도를 분석하고, 이를 바탕으로 수치 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 개발된 시뮬레이션 모델을 통해서는 태양의 고도 및 운량과 태양광 패널의 설치 조건에 따른 특정 지점 및 시각에서의 조도를 분석하였으며, 이를 바탕으로 일사량 변화에 대한 구역별, 계절별, 시간별 분석을 진행하였다.
대상 시설이 설치된 실제 조건을 고려하여, 태양 고도, 방위각, 운량, 지점별 조도 분포 및 직산 분리 모델을 이용해 지표면에서의 시간별 조도 분포를 해석하였다. 해석 기간은 농작물의 일반적인 재배 기간인 3월부터 10월로 설정하였으며, 2016년을 대상으로 시계열 조도 결과를 도출하였다.
해당 자료의 관계에서 자료의 개수가 적지 않고 뚜렷한 S 곡선 형태의 추세 모양을 보였기 때문에 다른 선형, 지수, 로그 등의 추세선보다 다항식을 이용한 추세선이 가장 적합하다고 판단되었다. 또한 그 차수를 결정하기 위해서는 차수를 올리면서 결정계수가 가장 높고 자료의 구조에 가장 적합한 차수를 선택하였다. 이때 5차에서 6차로 차수를 증가시킬 때에는 결정계수의 값이 거의 증가하지 않았고, 자료의 전반적 형태가 짝수 차항의 추세선보다는 홀수 차항의 추세선이 적합하다고 판단되어 5차의 다항식을 이용하였다.
본 연구에서는 구조물에 의한 지표면에 도달하는 조도의 변화를 분석하기 위해 솔라쉐어링 하부 조도를 지점별로 측정하였다. 측정지점은 솔라쉐어링에 의해 영향을 받지 않고, 일반 노지와 같이 직달일사와 산란일사가 모두 도달하는 지점 (S1), 태양광 패널 간격을 통해 태양광이 전달되면서 일사가 감소하는 지점 (S2), 태양광 패널에 의해 직달일사는 차단되고 산란일사가 도달하는 지점 (S3)으로 구분하였다 (Fig.
솔라쉐어링에 따른 일사량 변화를 분석하기 위해 대상 시설에서의 시간별 조도에 대한 시뮬레이션 모델을 설계하였다. 특정 시각의 조도는 해당 시각에서의 태양 고도와 방위각, 그리고 운량을 통해 산정하였다.
솔라쉐어링에 따른 지표면에 도달하는 일사량의 변화를 분석하기 위해 시뮬레이션 모델을 설계하여 월별 조도 해석 및 태양광 패널 설치 조건에 따른 조도의 해석을 진행하였다. 이를 위해 태양 고도와 일사량과의 관계 및 일사량과 조도와의 관계를 이용하였으며, 운량과 지점별 조도 분석, 그리고 직산 분리 모델을 이용하여 조도 분포를 해석하였다.
앞서 분석된 태양 고도 및 운량에 따른 일사량과 지점별 조도 해석 결과를 바탕으로 솔라쉐어링 일사량 모델을 설계하였으며, 이를 통해 일 적산 조도의 해석과 월별 조도 분석을 수행하였다. 월별 조도 분포에 대한 해석지점별 기술통계 분석 결과는 Table 2와 같다.
기상청에서 제공하는 청주 기상대의 2016년 3월부터 10월까지의 시계열 일사량 자료 중, 운량이 0인 자료들에 대해 해당 시각의 태양 고도와 일사량 자료를 통해 그 관계식을 도출하였다. 운량에 따른 조도를 분석하기 위해서는 운량이 0일 때의 조도를 기준으로 운량에 따른 조도 감소 비율을 선정하고, 운량이 0일 때와 10일 때의 일사량 자료에 대한 통계분석을 통해 운량에 의한 소광계수를 선정하였다. 또한 운량에 따른 일사량은 소광계수와 운량 0에서의 일사량을 이용하여 아래와 같이 산정하였다.
또한 그 차수를 결정하기 위해서는 차수를 올리면서 결정계수가 가장 높고 자료의 구조에 가장 적합한 차수를 선택하였다. 이때 5차에서 6차로 차수를 증가시킬 때에는 결정계수의 값이 거의 증가하지 않았고, 자료의 전반적 형태가 짝수 차항의 추세선보다는 홀수 차항의 추세선이 적합하다고 판단되어 5차의 다항식을 이용하였다. 그 결과, 결정계수는 0.
이때 패널의 각도는 20°와 40°의 조건을 설정하였으며, 해석 결과에 대한 일 적산 조도의 연 평균값을 산출하여 솔라쉐어링에 의해 변화된 조도의 비율을 산정하였다.
3). 이를 바탕으로 측정지점에 따른 조도 특성을 분석하여 솔라쉐어링에 의한 일사량의 변화를 해석하였다.
솔라쉐어링에 따른 지표면에 도달하는 일사량의 변화를 분석하기 위해 시뮬레이션 모델을 설계하여 월별 조도 해석 및 태양광 패널 설치 조건에 따른 조도의 해석을 진행하였다. 이를 위해 태양 고도와 일사량과의 관계 및 일사량과 조도와의 관계를 이용하였으며, 운량과 지점별 조도 분석, 그리고 직산 분리 모델을 이용하여 조도 분포를 해석하였다. 그 결과, 솔라쉐어링 태양광 패널에 의해 직달일사가 도달하지 못하고 그림자가 생기는 지점은 솔라쉐어링이 설치되지 않은 지점과 비교하여 일사량이 42%까지 감소할 수 있는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 솔라쉐어링을 통해 신재생 에너지를 생산하면서 작물생육에 필요한 일사량을 확보하는 최적의 조건을 분석하고자 태양광 패널 구조물 하부에 도달하는 일사량의 변화를 해석하였다. 이를 위해 현장 실험을 통하여 솔라쉐어링에 따라 감소하는 조도를 분석하고, 이를 바탕으로 수치 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 개발된 시뮬레이션 모델을 통해서는 태양의 고도 및 운량과 태양광 패널의 설치 조건에 따른 특정 지점 및 시각에서의 조도를 분석하였으며, 이를 바탕으로 일사량 변화에 대한 구역별, 계절별, 시간별 분석을 진행하였다.
380으로 산정되었다. 이를 통해 S1에서 산출된 조도를 이용하여 S2 및 S3에서의 조도를 해석하였다.
패널의 각도에 따른 하부 일사량의 변화를 분석하기 위해 패널이 지표면과 수평을 이루는 0°부터 5°, 10°, 20°, 30°, 40°의 값에 대해 해석을 수행하였다. 이에 대한 일 적산 조도의 월별 평균값과 연 평균값인 연평균 조도를 산출하여 솔라쉐어링에 의한 조도 변화를 해석하였다. 태양광 패널의 간격에 따른 지표면 조도의 영향을 분석하기 위해서는 패널의 간격을 기존의 1:2 (패널의 폭 : 패널의 간격)와, 간격을 좁힌 1:1의 조건에 대해 해석을 수행하였다.
일사량은 운량에 따라 식 (2)에 의해 감소하게 되며, 이때 운량에 의한 소광계수를 산정하기 위해 태양 고도에 따른 운량이 10일 때의 일사량 자료를 분석하였다 (Fig. 6). 해당 자료의 평균 제곱근 편차 (RMSE)를 최소화하는 함수를 산정하여, I₁₀과 I₀의 관계를 분석하였다.
7과 같다. 조도는 2017년 3월 13일, 맑은 기상조건에서 12시부터 17시까지 1분 간격으로 측정되었다. 이에 대한 기술통계 분석 결과, 일반 노지에 해당하는 S1 지점의 경우 최대 96,910 lux의 조도를 나타냈으며, S2과 S3 지점에서는 각각 최대 83,970 lux, 31,020 lux의 조도를 나타냈다.
솔라쉐어링에 따른 지점별 조도는 앞서 제시된 지점별 조도 분석과 직산 분리 모델을 이용하여 산정하였다. 지점 S1, S2, S3의 분포를 설정하기 위해 태양의 고도와 방위각에 따라 지표면에 생성되는 그림자 분포를 산출하여 지점별 시각에 따른 조도를 산출하였다. 그림자 분포 산출을 위한 태양광의 방향벡터는 아래와 같이 계산하였다.
청주 기상대의 위도와 일시에 따른 태양 고도를 산출하여, 기상청에서 제공하는 일사량 자료와의 관계를 도출하였다(Fig. 5). 해당 자료의 관계에서 자료의 개수가 적지 않고 뚜렷한 S 곡선 형태의 추세 모양을 보였기 때문에 다른 선형, 지수, 로그 등의 추세선보다 다항식을 이용한 추세선이 가장 적합하다고 판단되었다.
본 연구에서는 구조물에 의한 지표면에 도달하는 조도의 변화를 분석하기 위해 솔라쉐어링 하부 조도를 지점별로 측정하였다. 측정지점은 솔라쉐어링에 의해 영향을 받지 않고, 일반 노지와 같이 직달일사와 산란일사가 모두 도달하는 지점 (S1), 태양광 패널 간격을 통해 태양광이 전달되면서 일사가 감소하는 지점 (S2), 태양광 패널에 의해 직달일사는 차단되고 산란일사가 도달하는 지점 (S3)으로 구분하였다 (Fig. 3). 이를 바탕으로 측정지점에 따른 조도 특성을 분석하여 솔라쉐어링에 의한 일사량의 변화를 해석하였다.
본 연구에서는 기상청에서 제공하는, 나안으로 관찰했을 때 구름의 두께나 종류와 관계없이 하늘을 덮고 있는 비율을 0에서 10까지의 값으로 나타낸 운량 자료를 이용하였다. 태양 고도에 따른 조도를 해석하기 위해서는 구름이 존재하지 않는 대기 기상조건에서 태양 고도에 따른 일사량 자료를 수집하여 이를 분석하고, 앞서 제시한 일사량과 조도의 관계를 이용하였다. 기상청에서 제공하는 청주 기상대의 2016년 3월부터 10월까지의 시계열 일사량 자료 중, 운량이 0인 자료들에 대해 해당 시각의 태양 고도와 일사량 자료를 통해 그 관계식을 도출하였다.
이에 대한 일 적산 조도의 월별 평균값과 연 평균값인 연평균 조도를 산출하여 솔라쉐어링에 의한 조도 변화를 해석하였다. 태양광 패널의 간격에 따른 지표면 조도의 영향을 분석하기 위해서는 패널의 간격을 기존의 1:2 (패널의 폭 : 패널의 간격)와, 간격을 좁힌 1:1의 조건에 대해 해석을 수행하였다. 이때 패널의 각도는 20°와 40°의 조건을 설정하였으며, 해석 결과에 대한 일 적산 조도의 연 평균값을 산출하여 솔라쉐어링에 의해 변화된 조도의 비율을 산정하였다.
태양광 패널의 설치 조건에 따른 일사량 변화를 분석하기 위해서는 태양광 패널의 각도와 간격을 조절하여 해석을 수행하였다. 패널의 각도에 따른 하부 일사량의 변화를 분석하기 위해 패널이 지표면과 수평을 이루는 0°부터 5°, 10°, 20°, 30°, 40°의 값에 대해 해석을 수행하였다.
솔라쉐어링에 따른 일사량 변화를 분석하기 위해 대상 시설에서의 시간별 조도에 대한 시뮬레이션 모델을 설계하였다. 특정 시각의 조도는 해당 시각에서의 태양 고도와 방위각, 그리고 운량을 통해 산정하였다. 솔라쉐어링에 따른 지점별 조도는 앞서 제시된 지점별 조도 분석과 직산 분리 모델을 이용하여 산정하였다.
패널의 각도에 따른 하부 일사량의 변화를 분석하기 위해 패널이 지표면과 수평을 이루는 0°부터 5°, 10°, 20°, 30°, 40°의 값에 대해 해석을 수행하였다.
6). 해당 자료의 평균 제곱근 편차 (RMSE)를 최소화하는 함수를 산정하여, I₁₀과 I₀의 관계를 분석하였다. 그 결과, β₁₀는 0.

대상 데이터

S2 및 S3 지점에서 각각 분석된 S1에 대한 조도의 비율을 검정하기 위해 2017년 7월 21일 1분 간격으로 측정한 조도 자료를 이용하였으며, Fig. 8과 Table 1은 그 검정 결과를 나타낸다. S2 지점의 검정 결과, 0.
태양 고도에 따른 조도를 해석하기 위해서는 구름이 존재하지 않는 대기 기상조건에서 태양 고도에 따른 일사량 자료를 수집하여 이를 분석하고, 앞서 제시한 일사량과 조도의 관계를 이용하였다. 기상청에서 제공하는 청주 기상대의 2016년 3월부터 10월까지의 시계열 일사량 자료 중, 운량이 0인 자료들에 대해 해당 시각의 태양 고도와 일사량 자료를 통해 그 관계식을 도출하였다. 운량에 따른 조도를 분석하기 위해서는 운량이 0일 때의 조도를 기준으로 운량에 따른 조도 감소 비율을 선정하고, 운량이 0일 때와 10일 때의 일사량 자료에 대한 통계분석을 통해 운량에 의한 소광계수를 선정하였다.
운량은 하늘을 덮고 있는 구름의 비율을 의미한다. 본 연구에서는 기상청에서 제공하는, 나안으로 관찰했을 때 구름의 두께나 종류와 관계없이 하늘을 덮고 있는 비율을 0에서 10까지의 값으로 나타낸 운량 자료를 이용하였다. 태양 고도에 따른 조도를 해석하기 위해서는 구름이 존재하지 않는 대기 기상조건에서 태양 고도에 따른 일사량 자료를 수집하여 이를 분석하고, 앞서 제시한 일사량과 조도의 관계를 이용하였다.
본 연구의 대상 시설은 충청북도 청주시 청원구 오창읍에 위치한 솔라팜 (Solar Farm)이며, 벼가 재배되고 있는 논에 솔라쉐어링을 위한 태양광 패널이 설치되어 있다 (Fig. 1). 태양광 패널은 지면으로부터 높이 3.
665 m이다. 설치된 패널의 총 개수는 50개 (가로 5개, 세로 10개), 패널 간의 간격은 1.3 m로 패널의 크기와 간격의 비율이 1:2가 되도록 설치하였다. 솔라쉐어링 구조물의 기둥은 농작업의 편의성을 고려하여 독립 콘크리트 기초를 이용해 제작되었으며, 패널이 설치되는 철골 구조물은 동바리 형태로 제작되었다.
1). 태양광 패널은 지면으로부터 높이 3.3 m에 설치하였으며, 하나의 크기는 가로 2.986 m, 세로 0.665 m이다. 설치된 패널의 총 개수는 50개 (가로 5개, 세로 10개), 패널 간의 간격은 1.
태양광 패널의 각도와 솔라팜의 방위각은 실제 설치 조건을 고려하여 각각 20°로 설정하였으며 운량은 2016년의 기상청 관측 자료를 활용하였다.
대상 시설이 설치된 실제 조건을 고려하여, 태양 고도, 방위각, 운량, 지점별 조도 분포 및 직산 분리 모델을 이용해 지표면에서의 시간별 조도 분포를 해석하였다. 해석 기간은 농작물의 일반적인 재배 기간인 3월부터 10월로 설정하였으며, 2016년을 대상으로 시계열 조도 결과를 도출하였다. 태양광 패널의 각도와 솔라팜의 방위각은 실제 설치 조건을 고려하여 각각 20°로 설정하였으며 운량은 2016년의 기상청 관측 자료를 활용하였다.

데이터처리

태양광 패널의 각도와 솔라팜의 방위각은 실제 설치 조건을 고려하여 각각 20°로 설정하였으며 운량은 2016년의 기상청 관측 자료를 활용하였다. 각 해석지점에 대한 일 적산 조도를 산정하여 전체 해석지점에 대한 일 적산 조도의 분포를 산정하고, 이에 대한 월별 평균값을 산출하여 비교하였다.
12와 같다. 솔라쉐어링이 없을 때의 일 적산 조도 해석 결과와 각 조건에서의 결과를 비교한 비율을 산정하였으며, 연평균 조도 해석은 3월부터 10까지의 결과의 평균으로 산출하였다. 그 결과, 솔라쉐어링 설치에 따른 조도는 노지와 비교하여 최대 80.

이론/모형

즉, 태양광 패널 사이의 간격을 통해 감소된 일사가 도달하는 S2 지점의 경우에는 직달일사가 큰 비중을 차지하며 S1 지점과 매우 비슷한 양상을 보였으나, S3 지점의 경우 태양광 패널에 의해 직달일사가 차단되고 산란일사만 도달하는 지점이기 때문에 S1에 대한 비율만으로 일사를 해석하기에는 어려움이 있었다. 따라서 해당 지점에서의 조도 해석을 위해서는 전체 일사로부터 산란일사를 도출할 수 있는 Watanabe 직산 분리 모델을 이용하였다.
Watanabe (1983)가 제안한 Watanabe 직산 분리 모델은 일본 후쿠오카에서 측정된 전일사량과 산란일사량을 바탕으로 개발되었으며, 비교적 국내기후와 유사한 지역에서 개발되어 국내에 적합한 모델로 보고된 바 있다 (Shim and Song, 2016, 2017). 본 연구에서는 Watanabe 직산 분리 모델을 이용하여 지점 S3에서의 산란일사를 해석하였으며, 이를 이용한 전일사량에 대한 산란일사량의 비율은 아래의 식을 이용해 산정할 수 있다.
특정 시각의 조도는 해당 시각에서의 태양 고도와 방위각, 그리고 운량을 통해 산정하였다. 솔라쉐어링에 따른 지점별 조도는 앞서 제시된 지점별 조도 분석과 직산 분리 모델을 이용하여 산정하였다. 지점 S1, S2, S3의 분포를 설정하기 위해 태양의 고도와 방위각에 따라 지표면에 생성되는 그림자 분포를 산출하여 지점별 시각에 따른 조도를 산출하였다.
지점 S3에서 직달일사는 차단되고 산란일사만 도달하므로 해당 지점에 대한 분석을 위해서는 직산 분리 모델을 이용하였다. 직산 분리 모델은 태양광에 의한 일사를 직달일사와 산란일사로 분리하는 모델로서, 직달일사와 산란일사가 각각 구성하는 비율을 산정한다.

성능/효과

이때 5차에서 6차로 차수를 증가시킬 때에는 결정계수의 값이 거의 증가하지 않았고, 자료의 전반적 형태가 짝수 차항의 추세선보다는 홀수 차항의 추세선이 적합하다고 판단되어 5차의 다항식을 이용하였다. 그 결과, 결정계수는 0.9864로 나타나 해당 회귀분석이 두 자료간의 관계를 충분히 설명하는 것으로 분석되었다. 해당 관계식은 식 (8)과 같이 나타났다.
솔라쉐어링이 없을 때의 일 적산 조도 해석 결과와 각 조건에서의 결과를 비교한 비율을 산정하였으며, 연평균 조도 해석은 3월부터 10까지의 결과의 평균으로 산출하였다. 그 결과, 솔라쉐어링 설치에 따른 조도는 노지와 비교하여 최대 80.1%, 최소 73.8%로 감소한 것으로 나타났다. 각 월별로 하루 동안 같은 시각에 대해서 태양의 고도가 다르기 때문에 일사량의 변화는 월별로 차이를 나타냈다.
이를 위해 태양 고도와 일사량과의 관계 및 일사량과 조도와의 관계를 이용하였으며, 운량과 지점별 조도 분석, 그리고 직산 분리 모델을 이용하여 조도 분포를 해석하였다. 그 결과, 솔라쉐어링 태양광 패널에 의해 직달일사가 도달하지 못하고 그림자가 생기는 지점은 솔라쉐어링이 설치되지 않은 지점과 비교하여 일사량이 42%까지 감소할 수 있는 것으로 나타났다. 연평균 조도를 고려할 때에는 솔라쉐어링에 따른 일사량의 감소가 약 23%에서 28% 수준으로 분석되었다.
72%로 나타나 1:1의 간격으로 설치되었을 때에도 각도 조절에 따른 조도 변화의 차이는 크지 않은 것으로 분석되었다. 따라서 기존에 설치되었던 연구대상 시설보다 좁은 간격으로 설치되어도 일사량이 매우 큰 폭으로 감소하지는 않을 것으로 분석되었으나, 1:1의 간격보다 지나치게 좁혀질 경우에는 일사량에 큰 변화가 있을 것으로 판단된다. 반면 간격이 증가할 경우에는 같은 솔라쉐어링 재배 면적에 대해 패널의 설치 대수와 그 면적이 현저하게 감소하기 때문에 태양광 발전량이 크게 감소할 수 있어 이를 고려한 솔라쉐어링 설치가 필요하다.
솔라쉐어링에 따른 일사량 변화를 해석한 결과, 태양광 패널 설치에 따라 일사량의 감소가 연평균을 기준으로 약 23%에서 28% 수준으로 나타났다. 따라서 많은 일사량이 요구되는 작물보다는 적은 일사량에도 재배가 수월한 농작물이 솔라쉐어링에 적합할 것으로 사료된다. 또한 광포화점이 낮거나 강한 비와 우박에 취약한 농작물을 재배할 경우, 태양광 패널이 불필요한 일사량을 차단하고 비가림막의 역할을 수행할 수 있어 작물생산량을 개선할 수 있을 것으로 기대한다.
이는 S3 지점은 태양광 패널에 의해 직달일사가 차단되고 산란일사만 도달하는데 직달일사는 구름 등에 의해 순간적인 변화가 일어나는 반면, 산란일사는 비교적 일정하게 유지되기 때문이다. 따라서 직달일사가 S3 지점보다 비교적 많이 도달하는 S2 지점은 S1과 유사한 경향을 나타낸 것으로 분석되었다. 지점 구분에 따른 조도 해석을 위해, S1에서 측정된 자료로부터 최소제곱근 보간법을 통해 S1의 조도에 대한 S2 조도의 비율을 0.
또한 태양의 고도가 높은 기간일수록 솔라쉐어링에 따른 일사량의 변화가 지점별로 큰 변동 폭을 나타내는 것으로 분석되었다. 패널 각도에 따른 조도 해석에서는 태양 고도가 낮은 계절일수록 발생하는 그림자 면적이 넓기 때문에 일사량의 변화가 패널의 각도에 더 민감하게 반응한 것으로 분석되었다.
또한 패널 각도를 20°에서 40°로 증가시켰을 시, 1:1의 간격에서는 72.46%, 1:2의 간격에서는 76.72%로 나타나 1:1의 간격으로 설치되었을 때에도 각도 조절에 따른 조도 변화의 차이는 크지 않은 것으로 분석되었다.
시간이 지남에 따라 조도는 감소하여 각 지점별로 19,858 lux (S1), 13,491 lux (S2), 11,997 lux (S3)의 최솟값을 나타냈다. 또한 해당 측정 기간 동안 평균 조도는 S1 지점부터 각각 65,500 lux, 53,522 lux, 24,678 lux로 분석되었다. S1과 S2 지점에서 측정된 조도는 시간에 따라 비슷한 경향을 가지며 감소하거나 증가한 것으로 나타났다.
특히 4월부터 8월까지의 기간에는 패널의 설치 각도가 증가할수록 지표면에 도달하는 조도가 증가하는 것으로 나타났고, 3월, 9월, 10월에는 각도가 증가할수록 조도가 감소하였으며, 이는 계절에 따라 태양의 고도 특성이 다르기 때문으로 분석된다. 봄과 가을에 해당하는 3월과 10월에는 태양의 고도가 낮아 태양광 패널에 의해 생성되는 그림자의 면적이 비교적 넓게 나타나며, 패널의 각도에 더 민감하게 반응한 것으로 분석되었다. 특히 10월에는 0°의 패널 각도가 40°로 변화함에 따라 조도의 비율이 80.
솔라쉐어링에 따른 일사량 변화를 해석한 결과, 태양광 패널 설치에 따라 일사량의 감소가 연평균을 기준으로 약 23%에서 28% 수준으로 나타났다. 따라서 많은 일사량이 요구되는 작물보다는 적은 일사량에도 재배가 수월한 농작물이 솔라쉐어링에 적합할 것으로 사료된다.
이때 지표면의 x축이 남쪽과 이루는 각은 대상 시설의 방위각인 20°이다. 솔라쉐어링에 의해 영향을 받지 않는 지점 S1과 태양광 패널 하부의 S3 지점의 일 적산 조도는 최대 42%까지 차이를 보였다. 10월의 월평균 조도는 다른 월에 비해 낮게 산출되었지만, 지점별로 그 변동 폭은 크지 않은 것으로 나타났다.
그 결과, 솔라쉐어링 태양광 패널에 의해 직달일사가 도달하지 못하고 그림자가 생기는 지점은 솔라쉐어링이 설치되지 않은 지점과 비교하여 일사량이 42%까지 감소할 수 있는 것으로 나타났다. 연평균 조도를 고려할 때에는 솔라쉐어링에 따른 일사량의 감소가 약 23%에서 28% 수준으로 분석되었다.
태양광 패널의 설치 간격에 따른 솔라쉐어링 일사량 모델의 해석 결과는 Table 3과 같다. 태양광 패널의 폭과 패널 간의 간격이 기존보다 좁혀진 1:1의 조건에서 연평균 조도는 솔라쉐어링이 설치되지 않은 노지와 비교하여 71.76%로 감소하였으며, 패널 간의 간격이 기존의 1:2인 설치 조건에서는 76.28%로 감소한 것으로 분석되었다. 또한 패널 각도를 20°에서 40°로 증가시켰을 시, 1:1의 간격에서는 72.
각 월별로 하루 동안 같은 시각에 대해서 태양의 고도가 다르기 때문에 일사량의 변화는 월별로 차이를 나타냈다. 특히 4월부터 8월까지의 기간에는 패널의 설치 각도가 증가할수록 지표면에 도달하는 조도가 증가하는 것으로 나타났고, 3월, 9월, 10월에는 각도가 증가할수록 조도가 감소하였으며, 이는 계절에 따라 태양의 고도 특성이 다르기 때문으로 분석된다. 봄과 가을에 해당하는 3월과 10월에는 태양의 고도가 낮아 태양광 패널에 의해 생성되는 그림자의 면적이 비교적 넓게 나타나며, 패널의 각도에 더 민감하게 반응한 것으로 분석되었다.
5). 해당 자료의 관계에서 자료의 개수가 적지 않고 뚜렷한 S 곡선 형태의 추세 모양을 보였기 때문에 다른 선형, 지수, 로그 등의 추세선보다 다항식을 이용한 추세선이 가장 적합하다고 판단되었다. 또한 그 차수를 결정하기 위해서는 차수를 올리면서 결정계수가 가장 높고 자료의 구조에 가장 적합한 차수를 선택하였다.

후속연구

대규모 재배단지에 적용될 경우에는 농작업의 편의성과 농기계의 활용성, 그리고 시설에 대한 구조안전성 또한 충분히 확보되어야 한다. 따라서 국내 기상환경에 적합한 솔라쉐어링에 대한 추가적인 연구개발과 체계적 시설설계 보급이 필요하며, 이를 통해 농촌의 새로운 수입원 창출과 한국형 친환경 에너지 기술 확보를 가져올 수 있을 것으로 기대한다.
따라서 많은 일사량이 요구되는 작물보다는 적은 일사량에도 재배가 수월한 농작물이 솔라쉐어링에 적합할 것으로 사료된다. 또한 광포화점이 낮거나 강한 비와 우박에 취약한 농작물을 재배할 경우, 태양광 패널이 불필요한 일사량을 차단하고 비가림막의 역할을 수행할 수 있어 작물생산량을 개선할 수 있을 것으로 기대한다.
본 연구에서 해석한 일사량 외에도 작물생육에 영향을 주는 환경 요인은 다양하며, 한정된 솔라쉐어링 규격시설에 대해 해석한 한계를 가진다. 뿐만 아니라 본 연구에서 고려한 태양 고도와 운량 외에도 미세먼지 및 황사 등의 에어로졸에 따라서도 일사량이 변화할 수 있다.
따라서 패널 각도의 조절이 어려운 조건에서는 태양광 발전의 효율을 최대화시킬 수 있도록 설치해야 한다. 패널 설치 간격에 따른 조도 해석 결과에서는 간격이 절반으로 좁혀지더라도 도달하는 조도가 작은 폭으로 감소하는 것으로 그쳤으나, 지나치게 감소하거나 증가된 간격으로 설치할 경우 일사량과 태양광 발전량이 크게 변화할 수 있어 이를 고려한 솔라쉐어링 설치가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	솔라쉐어링는 무엇인가?	솔라쉐어링은 농업과 전기 생산을 융합하여 토지의 이용 효율을 높이는 차세대 기술로써, 2003년 Nagashima에 의해 처음 고안되어 일본에서부터 활발한 연구가 진행되었다. 현재 일본과 유럽에서는 실용화를 위한 연구와 함께 실증과정을 거친 실제 운영과 관련 제도 제정이 이루어지고 있으며, 솔라쉐어링의 설치가 작물생육에 미치는 영향에 대해 다양한 연구가 진행되었다.
	태양광 에너지를 활용한 태양광 발전은 무엇이 중요한가?	, 2003; Choi, 2009). 이러한 태양광 발전은 효율 측면에서 넓은 면적에 많은 수의 태양광 패널을 설치하는 것이 중요하다. 농작물을 재배하는 논과 밭은 넓은 면적의 평지이기 때문에 농업 분야에서도 태양에너지를 작물의 생육뿐만 아니라 태양광 발전에 이용하고자 하는 다양한 시도가 있었다.
	태양광 에너지의 특징은?	태양광 에너지는 발전기의 초기 설치 이후, 적은 추가 비용으로 전기를 생산할 수 있는 친환경 에너지이다 (Lee et al., 2003; Choi, 2009).

참고문헌 (22)

Amir, J., and T. R. Sinclair, 1991. A model of the temperature and solar-radiation effects on spring wheat growth and yield. Field Crops Research 28(1-2): 47-58. doi: 10.1016/0378-4290(91)90073-5.

상세보기
Batorova, S., 2015. Solar sharing in Japan: Opportunities and experiences. http://st.sustainability.k.u-tokyo.ac.jp. Accessed 15Mar. 2019.
Choi, D. J., 2009. Comparison researches for installation of the module angles and array spacing on photovoltaic power system. Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers 23(1): 162-168 (in Korean).
Dupraz, C., H. Marrou, G. Talbot, L. Dufour, A. Nogier, and Y. Ferard, 2011. Combining solar photovoltaic panels and food crops for optimising land use: Towards new agrivoltaic schemes. Renewable Energy 36(10): 2725-2732. doi:10.1016/j.renene.2011.03.005.

상세보기
Falster, D. S., and M. Westoby, 2003. Leaf size and angle vary widely across species: What consequences for light interception?. New Phytologist 158(3): 509-525. doi:10.1046/j.1469-8137.2003.00765.x.

상세보기
Hunt, L. A., L. Kuchar, and C. J. Swanton, 1998. Estimation of solar radiation for use in crop modelling. Agricultural and Forest Meteorology 91(3-4): 293-300. doi:10.1016/S0168-1923(98)00055-0.

상세보기
Igawa, N., H. Nakamura, and K. Matsuura, 1999. Sky luminance distribution model for simulation of daylit environment. In Proceedings of Building Simulation 1999, 969-975, Kyoto, Japan.
Igawa, N., H. Nakamura, T. Matzusawa, Y. Koga, K. Goto, and S. Kojo, 1997. Sky luminance distribution between two CIE standard skies1. 2. In Proc. Lux Pacifica, E7-E18.
Janiak, T., 2017. Crops and solar farms - Solar sharing. https://tomaszjaniak.wordpress.com. Accessed 29Mar. 2019.
Je, S. M., S. G. Son, S. Y. Woo, K. O. Byun, and C. S. Kim, 2006. Photosynthesis and chlorophyll contents of Chloranthus glaber under different shading treatments. Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology 8(2): 54-60 (in Korean).
Lee, S. I., J. J. Lee, J. Y. Choi, W. Choi, and S. J. Seong, 2019. Agricultural solar photovoltaic power generation to share solar energy, solar-sharing. Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers 61(4): 2-11 (in Korean).
Lee, Y. G., S. Y. Kang, and K. H. Kim, 2003. A development of the solar position tracker on the program method for the small typed stand-alone PV system commercialization. The Transactions of Korean Institute of Power Electronics 8(3): 260-265 (in Korean).
Mo, X., S. Liu, Z. Lin, Y. Xu, Y. Xiang, and T. R. McVicar, 2005. Prediction of crop yield, water consumption and water use efficiency with a SVAT-crop growth model using remotely sensed data on the North China Plain. Ecological Modelling 183(2-3): 301-322. doi: 10.1016/j.ecolmodel.2004.07.032.

상세보기
Nagashima, A., 2015. Change Japan, Change the World! Advise of "Solar Sharing". Tokyo, Mass.: Rick.
Shim, J. S., and D. S. Song, 2016. Validity of the solar radiation decomposition model in domestic regions. Proceedings of Architectural Institute of Korea 36(2):567-568 (in Korean).
Shim, J. S., and D. S. Song, 2017. Applicability of the direct-diffuse insolation decomposition models considering the domestic sky conditions. In Proceedings of the SAREK 2017 Summer Annual, 763-766 (in Korean).
Trnka, M., J. Eitzinger, P. Kapler, M. Dubrovsky, D. Semeradova, Z. Zalud, and H. Formayer, 2007. Effect of estimated daily global solar radiation data on the results of crop growth models. Sensors 7(10): 2330-2362. doi: 10.3390/s7102330.

상세보기
Vartiainen, E., 2000. A comparison of luminous efficacy models with illuminance and irradiance measurements. Renewable Energy 20(3): 265-277. doi:10.1016/S0960-1481(99)00115-9.

상세보기
Watanabe, T., Y. Urano, and T. Hayashi, 1983. Procedures for separating direct and diffuse insolation on a horizontal surface and prediction of insolation on tilted surfaces. Transactions of the Architectural Institute of Japan 330:96-108. doi:10.3130/aijsaxx.330.0_96.
Yang, I. H., K. W. Kim, and M. H. Kim, 1991. A study on the luminous efficacy of solar radiation in Seoul area. Architectural Research 7(3): 261-268 (in Korean).
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 (in Korean). doi:10.5532/KJAFM.2019.21.4.358.
Yoon, K. C., G. Yoon, and K. S. Kim, 2011. Comparison of measurement and calculation model of solar luminous efficacy for all sky conditions in Seoul. Journal of the Korean Solar Energy Society 31(6): 86-94 (in Korean). doi:10.7836/kses.2011.31.6.086.

원문보기 상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증