[논문]한국형 영농형 태양광 스마트팜 시스템의 종합설계 및 구조해석을 통한 안전성 검토

이상익; 김동수; 김태진; 정영준; 이종혁; 손영환; 최원

doi:10.5389/ksae.2022.64.4.021

한국형 영농형 태양광 스마트팜 시스템의 종합설계 및 구조해석을 통한 안전성 검토
Integral Design and Structural Analysis for Safety Assessment of Domestic Specialized Agrivoltaic Smart Farm System 원문보기

한국농공학회논문집 = Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, v.64 no.4, 2022년, pp.21 - 30

이상익 (Department of Rural Systems Engineering, Research Institute of Agriculture and Life Sciences, Seoul National University) , 김동수 (Department of Rural Systems Engineering, Seoul National University) , 김태진 (Department of Rural Systems Engineering, Seoul National University) , 정영준 (Department of Rural Systems Engineering, Seoul National University) , 이종혁 (Department of Rural Systems Engineering, Seoul National University) , 손영환 (Department of Rural Systems Engineering, 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

Renewable energy systems aim to achieve carbon neutrality and replace fossil fuels. Photovoltaic technologies are the most widely used renewable energy. However, they require a large operating area, thereby decreasing available farmland. Accordingly, agrivoltaic systems (AVSs)-innovative smart farm technologies that utilize solar energy for crop growth and electricity production-are attracting attention. Although several empirical studies on these systems have been conducted, comprehensive research on their design is lacking, and no standard model suitable for South Korea has been developed. Therefore, this study created an integral design of AVS reflecting domestic crop cultivation conditions and conducted a structural analysis for safety assessment. The shading ratio, planting distance, and agricultural machinery work of the system were determined. In addition, national construction standards were applied to evaluate their structural safety using a finite element analysis. Through this, the safety of this system was ensured, and structural considerations were put forward. It is expected that the AVS model will allow for a stable utilization of renewable energy and smart farm technologies in rural areas.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1 Study site for installation of agrivoltaic system in Suwon, South Korea
그림 Fig. 2 3D structural analysis modeling of agrivoltaic system
표 Table 1 Load combination (LCB) according to various scenarios for structural analysis
그림 Fig. 3 Design of agrivoltaic system; the black and blue lines represent the structural member and PV module, respectively
표 Table 2 Physical properties of standard structural steel
표 Table 3 Specification and cross sectional characteristic of structural member
표 Table 4 Structural analysis results of column and beam according to the load combination cases
그림 Fig. 4 Structural analysis results of agrivoltaic system under LCB 7
표 Table 5 Structural analysis results of each member under LCB 7
표 Table 6 Calculation and comparison of stress in column and beam with various load combination cases

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

따라서 본 연구에서는 한국형 영농형 태양광 스마트팜 기술의 확보와 시스템 구축을 위해 국내 작물 재배 및 영농조건을 반영한 종합설계를 수행하고, 이에 관한 시설물 안전을 확보하기 위한 구조해석 및 안전성 검토를 수행하며 구조설계에 관한 고려사항을 분석하였다.
본 연구에서는 국내에 적합한 영농형 태양광 스마트팜 시스템의 구축을 위해 다양한 작물 재배조건과 영농형태를 반영한 시스템 설계를 수행하였다. 이를 위해 하부에 도달하는 일사량 및 발전용량에 영향을 주는 차광률과, 시설물의 규격을 결정하기 위한 작물의 재식거리 및 시스템 하부에서의 농작업을 고려하였다.

제안 방법

000보다 작아 본 영농형 태양광 설계의 구조안전성을 확인하였다. 또한, 모든 부재에서의 응력비 검토를 통해 시스템 전체의 구조 안전성을 평가하였다. 그 결과, 적설하중과 풍하중이 각각 작용하는 LCB 2 및 LCB 3과 가장 불리한 하중조합인 LCB 7뿐만 아니라, 다른 하중조합 및 다른 모든 부재에서 역시 구조안전성을 확인하였다.
영농형 태양광 시스템의 시설 안전성을 확보하기 위해 구조해석을 통한 안전성 검토를 수행하였다. 본 구조설계에서는 설계하중으로 고정하중, 적설하중, 그리고 풍하중을 고려하였다. 고정하중은 SS275 (KS D 3503) 표준규격 강재의 단위중량과 태양광 모듈 및 기타 전기설비의 단위면적당 연직하중을 적용하여 산정하였다.
이를 통해 구조적 안전성을 확인하였으며, 특히 주요 부재인 기둥과 보에서의 휨 설계에 관한 특성을 분석하였다. 뿐만 아니라 설계하중의 종류에 따라 구조물에 발생하는 응력을 분석해 하중조건별 구조적 특성 및 취약성을 분석하였다.
또한, 트랙터를 이용한 영농작업 시 이랑의 형성이 용이하도록 이랑간격의 배수로써 기둥 간격을 설계해야하며, 농기계와 기둥의 충돌사고가 발생하지 않도록 충분한 작업공간 여유를 확보해야한다. 뿐만 아니라 트랙터, 콤바인, 이앙기의 최대 높이는 각각 약 2.8, 3.1, 2.5 m로, 이에 여유폭을 충분히 고려한 영농형 태양광 높이를 확보하도록 설계하였다.
영농형 태양광 시스템의 시설 안전성을 확보하기 위해 구조해석을 통한 안전성 검토를 수행하였다. 본 구조설계에서는 설계하중으로 고정하중, 적설하중, 그리고 풍하중을 고려하였다.
또한, 기둥 경계의 경우 고정 경계조건으로 설정하였다. 유한요소법 기반의 구조해석을 통해 각 부재에서 발생하는 축력, 전단력, 휨모멘트와 반력을 계산하고 이에 따른 응력을 산정하였다.
이에 따라 작성된 설계안의 안전성을 확보하기 위해 유한요소법 기반의 구조해석을 수행하고, 허용 응력설계법을 바탕으로 단면 응력 및 구조안전성 검토를 진행하였다. 이를 통해 구조적 안전성을 확인하였으며, 특히 주요 부재인 기둥과 보에서의 휨 설계에 관한 특성을 분석하였다. 뿐만 아니라 설계하중의 종류에 따라 구조물에 발생하는 응력을 분석해 하중조건별 구조적 특성 및 취약성을 분석하였다.
이를 위해 하부에 도달하는 일사량 및 발전용량에 영향을 주는 차광률과, 시설물의 규격을 결정하기 위한 작물의 재식거리 및 시스템 하부에서의 농작업을 고려하였다. 이에 따라 작성된 설계안의 안전성을 확보하기 위해 유한요소법 기반의 구조해석을 수행하고, 허용 응력설계법을 바탕으로 단면 응력 및 구조안전성 검토를 진행하였다. 이를 통해 구조적 안전성을 확인하였으며, 특히 주요 부재인 기둥과 보에서의 휨 설계에 관한 특성을 분석하였다.
축방향 인장 혹은 압축응력, 휨응력, 전단응력에 대해 허용 응력 검토를 수행하였으며, 이들에 관한 구조해석을 통해 도출한 응력과 허용응력을 비교하여 안전성을 평가하였다. 큰 단면력이 발생한 주요 부재 기둥 및 보의 주요 하중조합에 대한 검토 결과는 Table 6과 같으며, 모든 응력비가 1.

대상 데이터

본 연구에서는 한 해 동안 두 번 수확할 수 있는 배추를 대상작물로 선정하였으며, 이에 제안되는 재식 및 이랑간격 0.9∼1.2 m를 시스템 규격 설계에 반영하였다.
1). 생산되는 전기를 자체 이용하거나 판매할 수 있도록 수배전반과 전신주가 설치된 지역 인근으로 선정하였으며, 태양광 발전에 유리한 남향에 가까운 방향으로 모듈이 설치될 수 있는 부지를 대상지로 선정하였다.
영농형 태양광 시스템 구축 대상지는 경기도 수원시 권선구에 위치한 밭으로 (37° 15’ 56.1"N, 126° 59’ 8.8"E), 시스템에 설치되는 태양광 모듈에 의한 차광 효과를 독립적으로 고려하도록 주변 구조물 및 시설로부터 그림자가 생기지 않는 노지이다 (Fig

이론/모형

본 구조설계에서는 설계하중으로 고정하중, 적설하중, 그리고 풍하중을 고려하였다. 고정하중은 SS275 (KS D 3503) 표준규격 강재의 단위중량과 태양광 모듈 및 기타 전기설비의 단위면적당 연직하중을 적용하여 산정하였다.
구조해석을 위해 midas Gen (©MIDAS IT, 경기도 성남시, 대한민국)을 이용하여 설계하중을 적용한 3차원 모델링을 수행하였다 (Fig

성능/효과

또한, 모든 부재에서의 응력비 검토를 통해 시스템 전체의 구조 안전성을 평가하였다. 그 결과, 적설하중과 풍하중이 각각 작용하는 LCB 2 및 LCB 3과 가장 불리한 하중조합인 LCB 7뿐만 아니라, 다른 하중조합 및 다른 모든 부재에서 역시 구조안전성을 확인하였다.
따라서 풍하중에 대해서는 기둥의 설계에 관해, 그리고 적설하중에 대해서는 보의 설계에 관한 주요 검토가 필요할 것으로 분석되었다. 또한, 적설하중보다는 풍하중을 고려한 하중조합에서 응력비가 크게 나타나 구조안전성이 풍속에 의해 주요하게 결정됨이 분석되었다. 따라서 강풍의 조건에서 영농형 태양광의 운영 및 유지관리에 유의해야할 것으로 판단되며, 본 연구 대상지뿐 아니라 다른 지역으로의 시스템 보급 시, 풍속에 관한 설계에 충분히 대응해야할 것으로 분석된다.

후속연구

또한, 적설하중보다는 풍하중을 고려한 하중조합에서 응력비가 크게 나타나 구조안전성이 풍속에 의해 주요하게 결정됨이 분석되었다. 따라서 강풍의 조건에서 영농형 태양광의 운영 및 유지관리에 유의해야할 것으로 판단되며, 본 연구 대상지뿐 아니라 다른 지역으로의 시스템 보급 시, 풍속에 관한 설계에 충분히 대응해야할 것으로 분석된다.
특히 체계적인 시스템 보급을 위해 반드시 필요한 설계기준과 시방서가 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서 수행된 구조해석 및 안전성 검토를 바탕으로 시설의 안전을 확보한 설계안의 지속적인 연구개발이 수행되어야 하며, 이를 통해 농촌지역의 한국형 신재생에너지 기술 확보를 가져올 것으로 사료된다. 특히 보다 다양한 환경조건을 고려한 시스템 설계를 통해 표준 모델의 개발과 농가 보급이 가능할 것으로 기대한다.
특히 기둥은 하중조합별 구조해석 결과에서 분석된 바와 같이, 풍하중이 작용할 때 응력이 크게 발생하였으며, 적설하중에 의한 응력 발생은 기둥보다는 보에서 크게 나타났다. 따라서 풍하중에 대해서는 기둥의 설계에 관해, 그리고 적설하중에 대해서는 보의 설계에 관한 주요 검토가 필요할 것으로 분석되었다. 또한, 적설하중보다는 풍하중을 고려한 하중조합에서 응력비가 크게 나타나 구조안전성이 풍속에 의해 주요하게 결정됨이 분석되었다.
따라서 본 연구에서 수행된 구조해석 및 안전성 검토를 바탕으로 시설의 안전을 확보한 설계안의 지속적인 연구개발이 수행되어야 하며, 이를 통해 농촌지역의 한국형 신재생에너지 기술 확보를 가져올 것으로 사료된다. 특히 보다 다양한 환경조건을 고려한 시스템 설계를 통해 표준 모델의 개발과 농가 보급이 가능할 것으로 기대한다.

참고문헌 (32)

Al Mamun, M. A., P. Dargusch, D. Wadley, N. A. Zulkarnain, and A. A. Aziz, 2022. A review of research on agrivoltaic systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews 161: 112351. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112351.

상세보기
Amaducci, S., X. Yin, and M. Colauzzi, 2018. Agrivoltaic systems to optimise land use for electric energy production. Applied Energy 220: 545-561. doi:10.1016/j.apenergy.2018.03.081.

상세보기
Barron-Gafford, G. A., M. A. Pavao-Zuckerman, R. L. Minor, L. F. Sutter, I. Barnett-Moreno, D. T. Blackett, M. Thompson, K. Dimond, A. K. Gerlak, G. P. Nabhan, and J. E. Macknick, 2019. Agrivoltaics provide mutual benefits across the food-energy-water nexus in drylands. Nature Sustainability 2(9): 848-855. doi:10.1038/s41893-019-0364-5.

상세보기
Chen, J., Y. Liu, and L. Wang, 2019. Research on coupling coordination development for photovoltaic agriculture system in China. Sustainability 11(4): 1065. doi:10.3390/su11041065.

상세보기
Dias, L., J. P. Gouveia, P. Lourenco, and J. Seixas, 2019. Interplay between the potential of photovoltaic systems and agricultural land use. Land Use Policy 81: 725-735. doi:10.1016/j.landusepol.2018.11.036.

상세보기
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
Elamri, Y., B. Cheviron, J. M. Lopez, C. Dejean, and G. Belaud, 2018. Water budget and crop modelling for agrivoltaic systems: Application to irrigated lettuces. Agricultural Water Management 208: 440-453. doi:10.1016/j.agwat.2018.07.001.

상세보기
Gielen, D., F. Boshell, D. Saygin, M. D. Bazilian, N. Wagner, and R. Gorini, 2019. The role of renewable energy in the global energy transformation. Energy Strategy Reviews 24: 38-50. doi:10.1016/j.esr.2019.01.006.

상세보기
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. doi:10.1080/01425918208909875.

상세보기
Guerin, T. F., 2019. Impacts and opportunities from large-scale solar photovoltaic (PV) electricity generation on agricultural production. Environmental Quality Management 28(4): 7-14. doi:10.1002/tqem.21629.

상세보기
Hernandez, R. R., A. Armstrong, J. Burney, G. Ryan, K. Moore-O'Leary, I. Diedhiou, S. M. Grodsky, L. Saul-Gershenz, R. Davis, J. Macknick, D. Mulvaney, G. A. Heath, S. B. Easter, M. K. Hoffacker, M. F. Allen, and D. M. Kammen, 2019. Techno-ecological synergies of solar energy for global sustainability. Nature Sustainability 2(7): 560-568. doi:10.1038/s41893-019-0309-z.

상세보기
Janiak, T., 2017. Crops and solar farms - Solar sharing. https://tomaszjaniak.wordpress.com. Accessed 15 May. 2022.
Jeong, J. H., 2020. Current status and prospect of agrophotovoltaic system. Bulletin of the Korea Photovoltaic Society 6(2): 25-33. (in Korean).
Jurasz, J., F. A. Canales, A. Kies, M. Guezgouz, and A. Beluco, 2020. A review on the complementarity of renewable energy sources: Concept, metrics, application and future research directions. Solar Energy 195: 703-724. doi:10.1016/j.solener.2019.11.087.

상세보기
Kang, M., S. Sohn, J. Park, J. Kim, S. W. Choi, and S. Cho, 2021. Agro-Environmental Observation in a Rice Paddy under an Agrivoltaic System: Comparison with the Environment outside the System. Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology 23(3): 141-148. doi:10.5532/KJAFM.2021.23.3.141. (in Korean).

원문보기 상세보기
Kim, G. H., 2020. Development of domestic agrophotovoltaic system and analysis of crop growth characteristics. Bulletin of the Korea Photovoltaic Society 6(2): 15-24. (in Korean).
Lee, S. I., J. Y. Choi, S. J. Sung, S. J. Lee, J. Lee, and W. Choi, 2020. Simulation and analysis of solar radiation change resulted from solar-sharing for agricultural solar photovoltaic system. Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers 62(5): 63-72. doi:10.5389/KSAE.2020.62.5.063. (in Korean).
Lee, S. I., D. S. Kim, T. J. Kim, J. H. Jeon, J. H. Lee, Y. J. Jeong, B. H. Seo, Y. H. Son, and W. Choi, 2022. Basic design and safety assessment for domestic agrivoltaic system status and standard model development. Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers 64(1): 54-63 (in Korean).
Lee, S. I., J. J. Lee, J. Y. Choi, W. Choi, and S. J. Seong, 2019. Agricultural solar power generation for sharing solar energy, solar sharing. Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers 61(4): 2-11. (in Korean).
Lee, Y. J., S. K. Han, and S. Y. Kim, 2018. A study on the optimal angle setting considering the stability of photovoltaic systems. The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers 67(4): 498-504. doi:10.5370/KIEE.2018.67.4.498. (in Korean).

원문보기 상세보기
Malu, P. R., U. S. Sharma, and J. M. Pearce, 2017. Agrivoltaic potential on grape farms in India. Sustainable Energy Technologies and Assessments 23: 104-110. doi:10.1016/j.seta.2017.08.004.

상세보기
Marrou, H., L. Dufour, and J. Wery, 2013. How does a shelter of solar panels influence water flows in a soil-crop system?. European Journal of Agronomy 50: 38-51. doi:10.1016/j.eja.2013.05.004.

상세보기
MOLIT (Ministry of Land, Infrastructure and Transport), 2019a. Building Structure Standard Design Load KDS 41 10 15. Korea Construction Standards Center: Goyang, Gyeonggi, Korea. (in Korean).
MOLIT (Ministry of Land, Infrastructure and Transport), 2019b. Steel Structure Design Code (Allowable Stress Design Method) KDS 14 30. Korea Construction Standards Center: Goyang, Gyeonggi, Korea. (in Korean).
MOTIE (Ministry of Trade, Industry and Energy), 2017. The 8th Basic Plan for Long-Term Electricity Supply and Demand. Ministry of Trade, Industry and Energy: Sejong, Korea. (in Korean).
Nagashima, A., 2015. Change Japan, Change the World! Advise of "Solar Sharing". Tokyo, Mass.: Rick.
Olabi, A. G., and M. A. Abdelkareem, 2022. Renewable energy and climate change. Renewable and Sustainable Energy Reviews 158: 112111. doi:10.1016/j.rser.2022.112111.

상세보기
O'Shaughnessy, E., J. R. Cruce, and K. Xu, 2020. Too much of a good thing? Global trends in the curtailment of solar PV. Solar Energy 208: 1068-1077. doi:10.1016/j.solener.2020.08.075.

상세보기
Sekiyama, T. and A. Nagashima, 2019. Solar sharing for both food and clean energy production: Performance of agrivoltaic systems for corn, a typical shade-intolerant crop. Environments 6(6): 65. doi:10.3390/environments6060065.

상세보기
Trommsdorff, M., J. Kang, C. Reise, S. Schindele, G. Bopp, A. Ehmann, A. Weselek, P. Hogy, and T. Obergfell, 2021. Combining food and energy production: Design of an agrivoltaic system applied in arable and vegetable farming in Germany. Renewable and Sustainable Energy Reviews 140: 110694. doi:10.1016/j.rser.2020.110694.

상세보기
Weselek, A., A. Ehmann, S. Zikeli, I. Lewandowski, S. Schindele, and P. Hogy, 2019. Agrophotovoltaic systems: applications, challenges, and opportunities. A review. Agronomy for Sustainable Development 39(4): 1-20. doi:10.1007/s13593-019-0581-3.

상세보기
Zainol Abidin, M. A., M. N. Mahyuddin, and M. A. A. Mohd Zainuri, 2021. Solar photovoltaic architecture and agronomic management in agrivoltaic system: A review. Sustainability 13(14): 7846. doi:10.3390/su13147846.

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