지속가능한 농업에너지 시스템, 영농형 태양광의 표준모델안 제시

[연구필요성]

영농형 태양광은 태양에너지를 농업과 전기생산에 공유하는(solar-sharing) 차세대 농업에너지 시스템이다. 동일 토지 내에서 작물 재배와 태양광 발전을 융합함으로써 토지 이용효율을 제고하고, 상호 공조적 태양광 모듈 설치를 통해 작물에 불필요한 광포화점 이상의 일사량도 조절할 수 있다. 뿐만 아니라 폭우와 폭설을 막아주고 찬바람을 막아 냉해 피해를 일부 경감시킬 수도 있으며, 무엇보다 전기생산을 통해 농가의 수익성을 크게 향상시킬 수 있다. 하지만 이에 관한 범국가적인 제도적 지원책이 미흡하기에, 실제 농가에서 적용한 사례는 현재까지 매우 드문 실정이다. 따라서 이를 극복하고자 체계적인 설계기준과 표준모델을 제시하고자 한다.

[연구성과/기대효과]

영농형 태양광 시스템의 농가 보급을 위해, 실제 농업 현장과 다양한 작물 생육조건을 고려한 표준모델안을 제시하고, 변화하는 설계조건에 따른 구조 안전성 검토를 진행하였다. 또한 차광률-발전용량-부재 물량과 같은 사용성에 관한 trade-off를 분석함으로써 최적화 설계 및 운영관리 방안 마련도 지원하였다. 농업과 신재생에너지의 융·복합을 통해 토지 이용효율을 향상하고 새로운 농가 소득원을 창출함으로써, 지역사회에 신활력을 부여하는 농촌 자립형 에너지 산업 모델의 프로토타입을 제시하는 데에 크게 기여할 것으로 기대한다.

▷ 본 연구는 농림축산식품부 농업에너지자립형 산업모델기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며 Applied Energy에 게재되었다.

[본문]

□ 영농형 태양광 시스템 기본설계안 작성과 가이드라인 마련

영농형 태양광 시스템의 설계 고려사항으로 차광률, 토지 등가비율 (LER, Land Equivalent Ratio), 작물 재식 간격, 시스템 하부 농기계 영농작업, 그리고 기초 및 구조물 형태를 제시하고, 종합 검토를 바탕으로 태양광 모듈 배치 형태에 따른 다양한 시스템 설계안을 구성하였다.

이를 바탕으로 표준설계안을 작성하고 농업시설물 특화 설계법을 정립하여 3차원 FEM 구조해석을 통한 안전성 검토를 수행하였다. 구조해석 결과, 풍하중에 의해서는 하부 기둥에서, 적설하중에 의해서는 상부 보에서 각각 큰 응력이 발생하였으며, 내진분석을 통해 지진하중에 대한 시스템의 충분한 안전성도 확인하였다.

□ 표준모델 보급을 위한 안전설계기준 정립

시스템 기둥의 다양한 규격과 간격에 따른 안전적설심 및 안전풍속을 분석함으로써 시스템 보급을 위한 체계적 안전설계기준을 정립하였다. 해당 설계기준은 지역별 다양한 적설하중 및 풍하중을 고려함으로써 시스템의 표준모델 개발 및 농가로의 보급을 용이하게 하였으며, 제도적 지원책 마련에 객관적 근거를 제공하였다.

태양광 모듈이 길이 방향으로 이어져 배치되는 형태에서는 적설하중에 대해 크게 저항할 수 있었으며, 모듈이 길이 방향으로 일정 간격을 두고 종방향으로 길게 배치되는 형태의 경우에는 풍하중에 대해 비교적 더 크게 저항할 수 있음을 공학적으로 분석하였다. 최종적으로 대상 지역의 기상 특성을 고려한 표준모델 개발에 적용되었다.

□ 시스템 제원 및 사용성에 관한 trade-off 분석과 설계안 다각화

시스템 설계 제원에 따라 변화하는 하부 도달 일사량, 태양광 발전용량, 그리고 구조 부재 물량과 같이 실제 사용성과 관련된 변수들에 대해 trade-off를 분석함으로써 실제 궁극적 사용자인 농가에서 선호에 따라 다양한 설계안을 고려할 수 있도록 지원하였다.

영농형 태양광 시스템의 주요한 사용성 및 설계 요소인 차광률, 발전량, 부재 물량 간의 관계를 분석하여 설치 대상 지역과 작물 특성에 따른 설계방안 표준안을 구축할 수 있도록 지원하였다. 뿐만 아니라, LER을 바탕으로 토지 이용 효율을 객관적으로 평가 및 제고하고, 시스템의 경제성 확보를 위한 최적화 설계방안을 마련하여 차세대 농업에너지 시스템의 보급을 위한 발판을 마련하였다.

[연구결과]

Agrivoltaic system designing for sustainability and smart farming: Agronomic aspects and design criteria with safety assessment


Sangik Lee, Jong-hyuk Lee, Youngjoon Jeong, Dongsu Kim, Byung-hun Seo, Ye-jin Seo, Taejin Kim, and Won Choi

(Applied Energy, 341, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2023.121130)

[그림설명]

Fig. 1. Agrivoltaic systems installed in (a) rice paddy and (b) cabbage fields in South Korea

Fig. 1 : 국내 논과 밭의 영농형 태양광 시스템 설치 전경과 다양한 태양광 모듈 배치 형태.

Fig. 2. Conceptual design of an agrivoltaic system and the general framework for designing the standard model reflecting agronomic aspects and design criteria with safety assessment

Fig. 2 : 영농형 태양광 시스템의 종합 설계 프레임워크 및 설계 변수; (1) 토지 등가비율, (2) 기초 형태, (3) 농기계 작업, (4) 작물 재식 간격, (5) 태양광 모듈 배치 형태, (6) 기둥 간격 및 제원, (7) 구조 부재 물량, (8) 전기발전량, (9) 차광률.