유형이 다른 영농형 태양광발전시설 하부 재배 환경 및 벼 생산성 평가

반호영 ( Ho-young Ban ),정재혁 ( Jae-hyeok Jeong ),황운하 ( Woon-ha Hwang ),이현석 ( Hyeon-seok Lee ),양서영 ( Seo-yeong Yang ),최명구 ( Myoung-goo Choi ),이충근 ( Chung-keun Lee ) 한국농림기상학회 2020 한국농림기상학회지 Vol.22 No.4

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). 두 유형의 지점 별 차광율 변동은 두 유형 간 비슷한 수량 변동에도 불구하고 크게 나타났다. 따라서, 전체 생육기간의 누적 일사에 대한 차광율보다는 특정 시기의 차광율과의 관계를 좀 더 세밀히 검토할 필요가 있다. 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.

영농형 태양광 시설 하부 논에서의 농업환경 관측 및 시설 외부 환경과의 비교

강민석 ( Minseok Kang ),손승원 ( Seungwon Sohn ),박주한 ( Juhan Park ),김종호 ( Jongho Kim ),최성원 ( Sung-won Choi ),조성식 ( Sungsik Cho ) 한국농림기상학회 2021 한국농림기상학회지 Vol.23 No.3

솔라 쉐어링이라고도 불리는 영농형 태양광은 작물의 광포화점 이상의 태양광을 솔라 패널을 이용한 발전에 활용하는 개념으로, 잉여 태양광 차단에 따른 지면에 입사하는 태양복사 에너지의 감소로 인한 증발산량 감소와 함께 지면 냉각 효과로 메탄 배출량도 줄이는 효과를 가져올 수 있어 기후 스마트 농업을 구현할 수 있는 기술로 기대되고 있다. 본 연구에서는 파주 영농형 태양광 시설 하부 및 외부 논에 상/하향 장/단파 복사, 기온, 습도, 지온, 수온, 풍향, 풍속 등을 관측하는 자동기상관측장비를 설치하여 시설 하부와 외부의 농업환경을 관측하고 비교함으로써, 영농형 태양광이 농가에 태양광 발전을 통한 부가적인 수입을 안기면서 재배 시 발생하는 물 소비와 메탄 배출을 줄이는 기후 스마트 농업 실현에 적합한지 그 가능성을 확인해 보았다. 관측 기간 동안 영농형 태양광 시설 하부의 평균 일사량은 노지 일사량의 약 70% 정도였으며, 영농형 태양광 시설 하부 논과 노지 논에서 기온의 차이는 거의 없었지만 지온과 수온은 명확한 차이가 확인되었다. 실제로 이러한 환경의 차이가 물 소비량 및 온실가스 배출량 감소로 이어지는지 플럭스 실측을 통한 확인이 요구된다. Agrivoltaic systems, also called solar sharing, stated from an idea that utilizes sunlight above the light saturation point of crops for power generation using solar panels. It is expected that agrivoltaic systems can realize climate smart agriculture by reducing evapotranspiration and methane emission due to the reduction of incident solar radiation and the consequent surface cooling effect and bring additional income to farms through solar power generation. In this study, to evaluate that agrivoltaic systems are suitable for realization of climate smart agriculture, we conducted agro-environmental observations (i.e., downward/upward shortwave/longwave radiations, air temperature, relative humidity, water temperature, soil temperature, and wind speed) in a rice paddy under an agrivoltaic system and compared with the environment outside the system using automated meteorological observing systems (AMOS). During the observation period, the spatially averaged incoming solar radiation under the agrivoltaic system was about 70% of that in the open paddy field, and clear differences in the soil and water temperatures between the paddy field under the agrivoltaic system and the open paddy field were confirmed, although the air temperatures were similar. It is required in the near future to confirm whether such environmental differences lead to a reduction in water consumption and greenhouse gas emissions by flux measurements.

영농형 태양광 시스템 하부를 활용한 조사료 생육 연구

남철환,박만호,윤안아,지희정,최보람,선상수 한국초지조사료학회 2021 한국초지조사료학회지 Vol.41 No.1

In the winter forage study, Italian ryegrass(IRG) and barley were selected. In 2018, the dry matter yield of IRG was 16,915kg per ha under the Agrivoltaic System; this was a little more than 16,750kg per ha of outdoors. On the contrary, the dry matter yield of barley was slightly less under the Agrivoltaic System than that of outdoors. In 2019, the dry matter yield under the Agrivoltaic System was 12,062kg per ha for IRG and 12,195kg per ha for the barley; this was 5.4% and 11.5% less than that of outdoors, respectively. In the summer forage study, corn and sorghum×sudangrass were selected. In 2019, the dry matter yield of corn under the Agrivoltaic System was 13,133kg per ha which was 17% less than that of outdoors. The dry matter yield of sorghum×sudangrass was 12,450kg per ha, which was 82.5% of that of outdoors. In 2020, the dry matter yield of corn under the Agrivoltaic System was 8,033kg per ha which was 7.9% less than that of outdoors. The dry matter yield of sorghum×sudangrass was 5,651kg per ha, which was 11.4% less than that of outdoors.

유연기판 태양전지가 설치된 온실 내의 광분포 분석 및 적상추의 생산

임은정,Seo Gyeong-Su,Hwang Inha,Shin Il-Kyung,오명민 한국원예학회 2024 원예과학기술지 Vol.42 No.2

최근 작물 재배면적 상부에 태양전지를 설치하여 잉여의 태양광을 에너지 발전에 사용하는 solar sharing 개념의 영농형 태양광발전 시스템이 주목을 받고 있다. 하지만 대부분의 적용은 노지재배이며 태양전지 설치를 위한 구조물에 따른 문제점이대두되면서 본 연구에서는 유연기판 태양전지를 활용하여 영농형 태양광발전 시스템을 시설원예로 적용하기 위해 재배실험을 수행하였다. 실험에는 적상추가 사용되었으며 태양전지가 온실 천장의 한 면에만 설치된 태양광Ⅰ, 두 면 모두에 설치된 태양광Ⅱ 그리고 설치되지 않은 대조구의 세 단동 아치형 비닐하우스에서 재배되었다. 또한 온실 내부 면적 전체의 광량 및 태양고도 변화에 따른 일중 변화를 위해 시뮬레이션상에 온실 조건을 구현하여 광추적 시뮬레이션을 수행하였다. 두 처리구 온실에서의 월별 발전량은 태양광Ⅰ, 태양광Ⅱ에서 각각 평균 156.85kWh, 323.34kWh였다. 태양전지에 의한 차광으로 인해 온실내부에서 측정된 DLI값은 대조구 대비 태양광Ⅰ에서 86%, 태양광Ⅱ는 71%를 보였으며, 동일한 조건에서 광추적 시뮬레이션 결과 DLI값은 측정값과 14.8µmol·m-2·day-1의 평균제곱근오차를 기록했다. 재배 결과 지상부생체중, 엽면적, SPAD, 안토시아닌 함량과 같은 전 항목에서 처리에 따른 통계적 유의성을 보이지는 않았다. 이를 통해 유연기판 태양전지가 설치된 온실에서의 상추과 같은 광요구도가 낮은 엽채류 생산이 가능함을 확인하였다. Recently, agrivoltaic systems, which utilize a solar-sharing conception by having solar cells installed on top of the cultivation area, using the extra solar light for photovoltaics, have been attracting attention. However, most applications are reported in open-field conditions, and some issues have been raised about the installation of these structures. Accordingly, we conducted a cultivation experiment in which an agrivoltaic system was applied to protected horticulture with flexible solar cells. Red leaf lettuce was used in the experiment and was cultivated in three single greenhouses with the system installed either on one side of the greenhouse ceiling, denoted as photovoltaic I, or on both sides denoted as photovoltaic Ⅱ. The control system used no agrivoltaic system. A ray-tracing simulation was also conducted to determine the light distribution of the total greenhouse floor area and daily difference according to solar altitude changes. It was found that the monthly amounts of energy generated in the greenhouses were 156.85 and 323.34 kWh for photovoltaic Ⅰ and photovoltaic Ⅱ, respectively. Due to the area shaded from light by the solar cells, daily light integral (DLI) values were 86% of the control for photovoltaic Ⅰ and 71% for photovoltaic Ⅱ. In the results of the ray-tracing simulation under identical conditions, the root mean square error between the calculated DLI and the measured DLI was 14.8 µmol·m-2·day-1. The shoot fresh weight, leaf area, SPAD and anthocyanin content of red leaf lettuces showed no significant differences according to the treatment. Through this study, it was confirmed that greenhouses with flexible solar cells can be applied for the production of leafy vegetable such as lettuce with low light saturation points.

영농형 태양광 발전 시설 하부의 일사량 분포 모의

정영준,최원,이상익,이종혁,서병훈,김동수,이지민 한국농공학회 2022 한국농공학회논문집 Vol.64 No.2

Agrivoltaic facility is the composite system that the solar panel is installed above the farmland, and it enables crop and electricity productionsimultaneously. Solar panels of the agrivoltaic facilities can block and reduce the amount of solar irradiance arriving at the farmland, but it can helpthe crop growth by preventing excessive solar irradiance. Therefore, to clarify how the agrivoltaic facilities affect the crop growth, precise solarirradiance 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. Monthlyirradiance distributions varied because the elevation of the sun was changed over time, which made the position changed that the local maximum andminimum 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 panelswas 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 whenthere was no panel, 0.579 times for 1:1 and 0.442 times for 2:1.

영농형 태양광 하부의 일사량 변화 분석을 위한 모의 차광 관측 실험

윤창용,최선웅,안규남,류재현,정회정,조재일 한국농림기상학회 2019 한국농림기상학회지 Vol.21 No.4

영농형 태양광 발전은 기존 농지에 태양광 패널을 설치하여 농지 보존과 일정 수확량 유지를 전제로 전기 생산도 병행하는 시스템이다. 최근 태양광 부지 수요 충족 및 농촌 경쟁력 제고를 위한 방안으로 주목 받고 있다. 따라서, 본격적인 개발에 앞서 영농형 태양광 패널 하부에서의 경작지 차광 정도를 분석하는 것이 작물 생육⋅수확량 변동 예측에 반드시 필요할 것이다. 본 실험은 연구용 영농형 태양광 건설에 앞서, 영농형 태양광 시설 규격과 유사한 모의 차광 시설을 설치하고 하부의 광합성유효복사량 특성을 분석하였다. 차광막 하부와 외부의 광합성유효복사량 차이는 일사광에서 산란광 비율이 낮아질수록 증가하였는데, 최대 17.08 mol/m2/day (맑은 날), 최소 3.03 mol/m2/day (흐린 날)이었다. 이러한 광 조건 변화는 벼의 초기 생육에 있어 초장의 증가와 주당경수의 감소를 가져왔다. An agrivoltaic systems (AVS) is mixed systems associating photovoltaic panels (PVPs) and crop cultivation at the same time on the given land area. It is receiving attention to improve rural economy. However, it is likely that, the crop yield should be decreased due to the reduced absorption of solar radiation by leaves. Thus, before popularizing the AVS, it is necessary to comprehend the degree of shading by PVPs in AVS. In this study, the change of radiation condition under AVS mimic shading net was investigated. The minimum and maximum of difference of photosynthetically active radiation (PAR) between under and outside shading net were 3.03 mol/m2/day on a cloudy day and 17.08 mol/m2/day on a sunny day. This difference decreased when the ratio of diffuse irradiance to global irradiance increased. Such a shading effect resulted in the increase of rice height and decrease of rice tillering.

봄철 영농형 태양광 시설 하부 휴경논 토양의 온도와 수분 변화

조유나,조은이,정재혁,정회정,황운하,조재일 한국농림기상학회 2023 한국농림기상학회지 Vol.25 No.3

영농형 태양광 시스템은 노지 작물 경작과 동일한 토지 상부에 설치된 태양광 패널을 통한 발전을 동시에 하는 시스템이다. 지금까지 영농형 태양광은 에너지와 식량의 양자구도로만 집중되어있다. 영농환경 중 하나인 토양수분은 강우 또는 관개수로 증발 및 유출⋅침투로 손실된 수분을 공급받아 노지 작물 생산에 기여한다. 본 연구는 식량, 에너지와 함께 물의 개념을 포함하여 영농형 태양광 시설을 보고자 하였으며, 미기상 관측을 통해 봄 기간 동안 휴경논에서 영농형 태양광 시설 하부의 토양수분과 지온의 변화를 분석하였다. 영농형 태양광 하부는 패널로 인한 부분차광 조건으로 지면에 입사되는 광 에너지량이 감소하여 지온이 낮아질 뿐 만 아니라 토양수분 손실이 적어 대조구인 노지에 비해 습윤한 조건을 보인다. 또한, 태양광 하부는 에너지 제한 환경이며, 상대적으로 지온이 높은 노지는 수분 제한 환경으로 설명된다. 노지와 태양광 하부의 상이한 토양수분 환경은 필연적으로 작물에 영향을 미칠 것이며, 농업 환경과 농촌 경제를 고려한 지속가능한 대처가 필요하겠다. An agrivoltaic system (AVS) is a combined system that generates power through photovoltaic panels (PVPs) installed above a field where a crop is cultivated. Although soil moisture is an important limiting factor for open-field crop production, particularly during spring season in Korea, it is not well considered in the utilization of AVS. Indeed, the application of water- energy-food nexus on the AVS should be necessary. In this study, the changes of soil moisture and temperature under the AVS was investigated in fallow paddy field during spring season. The AVS that has partial shading condition by PV panels was decreased soil temperature and increased soil moisture compared to open-field. Furthermore, the maximum of the change in soil moisture to the change in soil temperature had a negative correlation both on open-field and AVS under wet condition. It represents that the micro-climate under the AVS is in energy-limited condition. The open-field of relatively high soil temperature was in water-limited condition. The different behavior of soil moisture on the AVS should be considered for the sustainable agricultural system as related to water-energy-food nexus.

영농형 태양광 시설 하부의 미기상 관측 자료: 보성에서 2019년 11월부터 2020년 5월까지 가을보리 재배기간 동안

조유나,윤창용,김현기,문현동,안규남,조재일 한국농림기상학회 2020 한국농림기상학회지 Vol.22 No.3

Agrivoltaic systems (AVS) is defined as combining farm-grown crops with photovoltaic panels (PV) installed several meters above the g round. Solar radiation (W /m2), photosynthetic photon flux density (PPFD, μmol/m2/s), air temperature (℃), vapor pressure (kPa), soil moisture (m3/m3), soil temperature (℃), wind direction (˚), and wind speed (m/s) were measured under the AVS in Boseong-gun during winter barley season. Data was collected by 5 minute interval. All data can download at Github site (https://github.com/chojaeil/AVS_Boseung). To gap-filling missing solar radiation data during about two weeks, the conversion coefficient from solar radiation to PPFD was estimated as 0.41. Further, according to the ratio of diffuse radiation to direct radiation, the maximum value among the twenty PPFD sensors under the AVS was related to the PPFD value of filed. 작물을 재배하는 동시에 전력 생산도 가능한 영농형 태양광 발전은 농업⋅농촌 분야와 재생에너지 산업 모두로부터 주목 받고 있다. 하지만, 그 역사가 짧은만큼 영농형 태양광 하부에서의 미기상 환경 변화에 대한 이해와 관측 방법론이 정립되지 않은 실정이다. 따라서 본고에서는 보성군에 설치된 영농형 태양광에서 2019년 11월 부터 2020년 5월까지의 보리 생육기간 동안 일사광, 광합성유효복사광, 기온, 습도, 토양습도⋅온도, 풍향⋅풍속을 5분 간격으로 측정하여 공개했다. 또한, 노지의 일사량 및 광합성유효복사량에 대한 약 13일 간의 자료 결손에 대해서는 가까운 기상청 관측 자료를 활용하거나 영농형 태양광 하부의 자료를 이용한 두 가지 경험적 메우기 방법을 제안하였다. 본고 자료가 영농형 태양광에 대한 농업적 평가에 다양하게 활용되기를 기대한다

한국형 영농형 태양광 스마트팜 시스템의 종합설계 및구조해석을 통한 안전성 검토

이상익,최원,김동수,김태진,정영준,이종혁,손영환 한국농공학회 2022 한국농공학회논문집 Vol.64 No.4

Renewable energy systems aim to achieve carbon neutrality and replace fossil fuels. Photovoltaic technologies are the most widely used renewableenergy. However, they require a large operating area, thereby decreasing available farmland. Accordingly, agrivoltaic systems (AVSs)—innovative smartfarm technologies that utilize solar energy for crop growth and electricity production—are attracting attention. Although several empirical studies on thesesystems 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 safetyassessment. The shading ratio, planting distance, and agricultural machinery work of the system were determined. In addition, national constructionstandards were applied to evaluate their structural safety using a finite element analysis. Through this, the safety of this system was ensured, andstructural considerations were put forward. It is expected that the AVS model will allow for a stable utilization of renewable energy and smart farmtechnologies in rural areas.

영농형 태양광 패널의 부분 차광 생육 환경이 작물 전자전달효율과 비광화학적 형광소멸에 미치는 영향

조유나 ( Yuna Cho ),김현기 ( Hyunki Kim ),조은이 ( Euni Jo ),오도혁 ( Dohyeok Oh ),정회정 ( Hoejeong Jeong ),윤창용 ( Changyong Yoon ),안규남 ( Kyunam An ),조재일 ( Jaeil Cho ) 한국농림기상학회 2021 한국농림기상학회지 Vol.23 No.2

영농형 태양광은 동일 토지면적에서 태양광 패널에 의한 발전과 작물 경작을 융합한 시스템이다. 광 에너지가 부족한 영농형 태양광 하부에서 작물의 수확량이 감소하는 것은 필연적이나, 이를 관장하는 패널 하부에서 생육한 작물의 광합성 반응에 대해서는 국내외적으로 거의 알려진 바가 없다. 본 연구는 고정형 영농형 태양광 시설 하부에서 재배된 작물 잎에 흡수된 광 에너지가 광합성 반응 중심에 전달되고 열로 방출되는 효율을 엽록소 형광 관측을 통해 조사하였다. 패널 하부와 노지의 콩과 벼는 ETR에서 큰 차이가 없는 것으로 보아 광인산화 효율보다는 잎이 흡수한 광 에너지 에 따라 CO₂ 고정량이 결정되는 것으로 보인다. 또한, 패널 하부의 콩과 벼는 노지보다 NPQ가 더 높은 것으로 보아 활성화된 광보호기작이 광인산화로의 에너지 분배에 부정적 역할을 할 수 있을 것으로 보인다. 향후 영농형 태양광에서의 작물 생산량과 광합성의 관계를 이해하기 위해 보다 다양한 기후 및 재배조건에서의 광합성 반응을 조사할 필요가 있겠다. An agrivoltaic system (AVS) is a system of innovation that comprises productions of photovoltaic power and agricultural crops on the same area. However, the decline in crop yield will be fatally occurred because the pigments of crop absorbs less light energy under AVS. In addtion, the photosynthetic capacity of crop grown under the partial shading of AVS is not well reported. In this study, the electron transport rate (ETR) and non-photochemical fluorescence quenching (NPQ) of soybean and rice under the AVS in Boseong and Naju was investigated using chlorophyll fluorescence measurement. The ETR value of soybean and rice under AVS were not significantly differed by location. It represents that the photophosphorylation rate of the crops is not critically different. It means that the decreases in total photosynthesis under AVS were mostly affected by the amount of light absorbed by leaves. Under AVS the photosynthesis of crops will be lower than field crops grown in open fields. This is because the crops under AVS observed higher NPQ, which means that the available energy cannot distribute to photophosphorylation reaction.