[논문]영농형 태양광 발전 시설 하부의 일사량 분포 모의

정영준; 이상익; 이종혁; 서병훈; 김동수; 이지민; 최원

doi:10.5389/ksae.2022.64.2.001

[국내논문] 영농형 태양광 발전 시설 하부의 일사량 분포 모의
Simulation of Solar Irradiance Distribution Under Agrivoltaic Facilities 원문보기

한국농공학회논문집 = Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, v.64 no.2, 2022년, pp.1 - 13

정영준 (Department of Rural Systems Engineering, Global Smart Farm Convergence Major, Seoul National University) , 이상익 (Department of Rural Systems Engineering, Seoul National University) , 이종혁 (Department of Rural Systems Engineering, Global Smart Farm Convergence Major, Seoul National University) , 서병훈 (Department of Rural Systems Engineering, Global Smart Farm Convergence Major, Seoul National University) , 김동수 (Department of Rural Systems Engineering, Global Smart Farm Convergence Major, Seoul National University) , 이지민 (Research Institute of Agriculture and Life Sciences, Seoul National University) , 최원 (Department of Landscape Architecture and Rural Systems Engineering, Research Institute of Agriculture and Life Sciences, Global Smart Farm Convergence Major, College of Agriculture and Life Sciences, Seoul National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Agrivoltaic facility is the composite system that the solar panel is installed above the farmland, and it enables crop and electricity production simultaneously. Solar panels of the agrivoltaic facilities can block and reduce the amount of solar irradiance arriving at the farmland, but it can help the crop growth by preventing excessive solar irradiance. Therefore, to clarify how the agrivoltaic facilities affect the crop growth, precise solar irradiance distribution under the solar panel should be modeled. In this study, PAR (photosynthetically active radiation), radiation from 400 to 700 nm, which crops usually use to grow, was extracted from the total irradiance and its distribution model under various conditions was developed. Monthly irradiance distributions varied because the elevation of the sun was changed over time, which made the position changed that the local maximum and minimum irradiance appear. The higher panel height did not cause any significant difference in the amount of irradiance reaching below the solar panel, but its distribution became more uniform. Furthermore, the panel angles with the most irradiance arriving below the solar panel were different by month, but its difference was up to 2%p between the irradiance with 30° angle which is usually recommended in Korea. Finally, the interval between panels was adjusted; when the ratio of the length of the panel to the empty space was 1:2, the irradiance of 0.719 times was reached compared to when there was no panel, 0.579 times for 1:1 and 0.442 times for 2:1.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Agrivoltaic facilities in Solar Farm (a): installed in paddy (b): installed in field
그림 Fig. 2 Relative direct irradiance distribution on 8^th June 2017, 12:00 pm (a) top view (b) section AA' (c) section BB'
그림 Fig. 3 Relative diffuse PPFD distribution on 8^th June 2017, 12:00 pm (a) top view (b) section CC' (c) section DD'
그림 Fig. 4 Relative total PPFD distribution on 8^th June 2017, 12:00 pm (a) top view (b) section EE' (c) section FF'
그림 Fig. 5 Relative total PPFD distribution on 5^th September 2017, 13:30 pm (a) top view (b) section CC' (c) section DD'
그림 Fig. 6 Relative PPFD distribution on March 2017: (a) top view (b) section GG' (c) section HH'
그림 Fig. 7 Monthly relative PPFD distribution from March to October 2017 (a): March, (b): April, (c): May, (d): June, (e): July, (f): August, (g): September, (h): October
그림 Fig. 8 Relative PPFD distribution shape by solar panel height (March 2017)
그림 Fig. 9 Monthly cumulative relative PPFD by solar panel angle
표 Table 1 Monthly cumulative relative PPFD by solar panel angle and monthly optimal angle
그림 Fig. 10 Top view and stereoscopic view of the three solar panel installation types by solar panel interval (a) 1:2 (b) 1:1 (c) 2:1 (panel : empty space)
표 Table 2 Monthly relative and cumulative PPFD by solar panel interval

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 농지에 설치되는 영농형 태양광 발전 시설 하부에서 작물 생장 양상을 예측하기 위하여 작물 생장에 가장 지대한 영향을 미치는 일사량 분포를 모의하였다. 전체 일사량 중 작물의 생장에 이용되는 파장대의 일사량인 PAR만을 고려하였으며, 작물이 이용하는 방식이 다른 직달 PAR과 산란 PAR로 분리하였다.
본 연구에서는 영농형 태양광 발전 시설 하부의 일사량 분포를 전산 프로그램을 이용해 모의하고자 하였다. 또 개발된 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 패널 설치 높이, 각도, 간격 등 다양한 설치 조건에서의 일사량 분포의 차이를 분석하고자 하였다.
본 연구에서는 영농형 태양광 발전 시설에서의 설치 조건이나 시기에 따라서 시설 하부 농지의 PAR 분포가 어떻게 달라지는지 규명하여 작물 생장에 피해가 가지 않는 조건에서 태양광 발전을 수행할 수 있도록 기초 자료를 제공하였다.

가설 설정

다음으로 태양광 패널과 태양광선이 교차하는지에 대한 여부를 확인하였다. 본 연구에서는 태양광 패널이 일사에 대해 완전히 불투명하다고 가정하여 패널과 만나는 태양광선은 완전히 차단되어 지표면에 도달하지 못한다고 판단하여 계산하였다. 패널에 의해 차단되지 않는 태양광선을 모두 더하면 각 위치에서 최종적으로 지표면에 도달하는 PAR을 계산할 수 있다.

제안 방법

그러나 이 방법을 국내 대상 지역에 적용한 결과 태양고도가 낮고 대기가 매우 청명할 때, 전일사량 중 산란일사량의 비율을 과소평가하는 문제가 발생하였다. 따라서 본 연구에서는 태양 주변부의 일사량 분포를 별도의 일사 모델을 이용하여 고려하였고 최종적으로 다음과 같은 형태의 식을 사용하였다 (식 8).
본 연구에서는 영농형 태양광 발전 시설 하부의 일사량 분포를 전산 프로그램을 이용해 모의하고자 하였다. 또 개발된 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 패널 설치 높이, 각도, 간격 등 다양한 설치 조건에서의 일사량 분포의 차이를 분석하고자 하였다.
전체 일사량 중 작물의 생장에 이용되는 파장대의 일사량인 PAR만을 고려하였으며, 작물이 이용하는 방식이 다른 직달 PAR과 산란 PAR로 분리하였다. 또한, 대기 상태 등에 의해 불균일하게 분포하는 일사량의 분포를 계산하였으며, 일사량을 추정하고자 하는 지점에서 천공반구를 그리고 미소분면으로 분할하여 각 미소분면에서 지점으로 입사하는 광선 중 태양광 패널에 가로막히지 않는 것들을 더하여 최종적으로 도달하는 PAR을 계산하였다.
한편 낮은 일사량에서도 생장에 무리가 없는 작물을 재배할 경우 이보다 간격을 좁혀 더욱 농지의 생산성을 높일 수 있다. 이를 알아보기 위해 기존의 조건을 포함하여 패널의 설치 간격을 1:2, 1:1, 2:1의3가지로 설정하고 이에 따른 하부 지면의 일사량을 계산하였다. 패널의 각도는 전력 생산을 최대화하는 조건을 가정하기 위해 앞에서 계산한 월별 최적 각도로 설정하였고, 패널 어레이 가장자리에서의 불균일한 분포의 영향을 제거하기 위해 아래 Fig.
본 연구에서는 농지에 설치되는 영농형 태양광 발전 시설 하부에서 작물 생장 양상을 예측하기 위하여 작물 생장에 가장 지대한 영향을 미치는 일사량 분포를 모의하였다. 전체 일사량 중 작물의 생장에 이용되는 파장대의 일사량인 PAR만을 고려하였으며, 작물이 이용하는 방식이 다른 직달 PAR과 산란 PAR로 분리하였다. 또한, 대기 상태 등에 의해 불균일하게 분포하는 일사량의 분포를 계산하였으며, 일사량을 추정하고자 하는 지점에서 천공반구를 그리고 미소분면으로 분할하여 각 미소분면에서 지점으로 입사하는 광선 중 태양광 패널에 가로막히지 않는 것들을 더하여 최종적으로 도달하는 PAR을 계산하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 대한민국 충청북도 청주시 오창읍에 위치한 솔라팜 (Solar farm)의 영농형 태양광 발전 시범단지의 설계를 토대로 시설물의 규격 및 패널 설치 조건을 설정하였으며, 해당 시설의 실제 설치 사진은 Fig. 1과 같다.
이때 각 요소의 면적이 같도록 천공반구를 등적 분할하면 일사량을 간단한 형태로 구할 수 있다. 본 연구에서는 천공을 20,482개의 요소로 등적 분할하였다.
본 연구에서는 충청북도 청주시 오창읍을 대상 지역으로 선정하였고 이 지역에서의 일사량 계산을 위하여 청주 기상대의 2017년도 기상 자료와 위치 정보를 적용하였다. 청주 기상대의 위도는 36° 38' 22.
본 연구의 대상시설은 남-북 방향으로 패널의 폭과 패널사의 공간의 길이 비가 1:2로 되어 있다. 한편 낮은 일사량에서도 생장에 무리가 없는 작물을 재배할 경우 이보다 간격을 좁혀 더욱 농지의 생산성을 높일 수 있다.

성능/효과

Fig. 2를 보면 직달일사량은 패널에 의해 그림자가 드리우는 위치에는 전혀 도달하지 못하고, 그 외의 위치에서는 온전히 도달한다.
Fig. 3을 보면 산란일사량은 패널 어레이 중심부에서보다 가장자리에 상대적으로 많이 도달하는 것을 알 수 있다. 이는 가장자리 근처는 상대적으로 패널이 하늘을 가리는 비율이 중심부에 비해 작기 때문이다.
계산 결과, 산란일사량은 태양광 패널 어레이 가장자리에 중심부에서보다 더 많이 도달하는 것을 알 수 있었으며 패널 중심부에 가까워질수록 산란일사량의 분포가 일정해지는 것을 확인하였다. 또한, 월별 누적 PPFD 분포를 살펴본 결과 시기별로 태양 평균 고도가 변화하여 일사량 분포의 형상이 이동하고 이에 따라 누적 PPFD의 극대값과 극소값이 나타나는 위치가 변화하였다.
극대값과 극소값이 반복되는 패턴은 6월 8일의 경우와 유사하나 직달일사량의 비율이 매우 낮아서 PPFD 분포에 거의 영향을 주지 못하였다. 그 결과 패널 어레이의 가장자리를 제외하고는 균일한 일사 분포가 형성되었다.
계산 결과, 산란일사량은 태양광 패널 어레이 가장자리에 중심부에서보다 더 많이 도달하는 것을 알 수 있었으며 패널 중심부에 가까워질수록 산란일사량의 분포가 일정해지는 것을 확인하였다. 또한, 월별 누적 PPFD 분포를 살펴본 결과 시기별로 태양 평균 고도가 변화하여 일사량 분포의 형상이 이동하고 이에 따라 누적 PPFD의 극대값과 극소값이 나타나는 위치가 변화하였다. 패널 설치 높이가 높아진다고 하여 하부에 도달하는 일사량에 유의미한 차이가 발생하지는 않았으나 분포의 균일성이 증가하는 것을 확인하였다.
월별로 시설 하부에 가장 많은 PPFD가 발생하는 패널 각도가 달랐으나 최적 각도에서의 하부 일사량과 국내에서 일반적으로 권장되는 각도인 30°에서 최대 2%p 미만의 차이가 발생하였다. 마지막으로 패널의 설치간격을 조정하면서 하부 PPFD 분포를 모의한 결과 패널과 빈 공간의 길이 비가 1:2인 경우 패널이 없을 때 대비 0.719배의 일사량이 도달하였으며 1:1인 경우 0.579배, 2:1인 경우 0.442배가 나타났다.
월별로 시설 하부에 가장 많은 PPFD가 발생하는 패널 각도가 달랐으나 최적 각도에서의 하부 일사량과 국내에서 일반적으로 권장되는 각도인 30°에서 최대 2%p 미만의 차이가 발생하였다
또한, 월별 누적 PPFD 분포를 살펴본 결과 시기별로 태양 평균 고도가 변화하여 일사량 분포의 형상이 이동하고 이에 따라 누적 PPFD의 극대값과 극소값이 나타나는 위치가 변화하였다. 패널 설치 높이가 높아진다고 하여 하부에 도달하는 일사량에 유의미한 차이가 발생하지는 않았으나 분포의 균일성이 증가하는 것을 확인하였다. 월별로 시설 하부에 가장 많은 PPFD가 발생하는 패널 각도가 달랐으나 최적 각도에서의 하부 일사량과 국내에서 일반적으로 권장되는 각도인 30°에서 최대 2%p 미만의 차이가 발생하였다.
한편, PPFD 분포의 불균일한 정도는 기상상태에 따라 달라지는 것을 발견할 수 있었다. 6월 8일 낮 12시의 경우 직달일사량의 비율이 높은 맑은 날씨로, 직달일사량이 PPFD 분포에 미치는 영향이 커서 일사량 분포가 매우 불균일하다.

후속연구

태양광 패널이 받는 일사량의 증가는 곧 하부 작물에 도달하는 일사량의 감소를 의미한다. 따라서 패널의 각도를 조절하였을 때 하부에 도달하는 일사량이 과도하게 감소하지 않도록 태양광 발전과 식물 생장 사이에 적절한 타협점을 찾아야 할 것이다.

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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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