[논문 리뷰] Agrivoltaic Farm Design: Vertical Bifacial vs. Tilted Monofacial Photovoltaic Panels

Rehan Younas, Hassan Imran외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 02.

Photovoltaic Systems and Sustainability인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 농사용 태양광(agrivoltaic, AV) 농업을 위한 동서(E/W) 경사 없는 이면광전판을 제안하며, 기존의 남북(N/S) 고정 기울기 패널에 비해 일일 일조 분포의 공간 균일성을 향상시킨다. 라호르에서 E/W 경사 없는 이면광전판은 표준 태양광 발전소 수준보다 略로 낮은 PV 밀도로 약 5% 높은 토지 생산성을 달성하며, 먼지 축적 손실에 강건하지만, 높은 밀도에서는 상호 그림자로 인해 성능 저하가 발생한다.

ABSTRACT

An unprecedented demand for Food, Energy, and Water (FEW) over coming decades require integrated FEW innovations with least environmental footprint. Collocating solar photovoltaic (PV) technology with agriculture is a promising approach towards dual land productivity that could locally fulfil growing food and energy demands. This 'agrivoltaic' (AV) solution can be highly suitable for hot and arid climates where an optimized solar panel coverage could prevent excessive thermal stress thereby increasing the crop yield and lowering the water budget. One of the concerns with using standard fixed tilt solar array structure that faces north/south (N/S) direction for AV farming is the spatial heterogeneity in the daily sunlight distribution for crops and soil water contents, both of which could affect crop yield. Dynamic tilt control through a tracking system can eliminate this problem but could increase the system cost and complexity. Here, we investigate east/west (E/W) faced vertical bifacial panel structure for AV farming and show that this could provide a much better spatial homogeneity for daily sunlight distribution relative to the fixed tilt N/S faced PV structure implying a better suitability for monoculture cropping. By modeling PV energy and crop yield under varying density (row to row pitch) for PV arrays and shade tolerances for crops, we show that E/W vertical bifacial panels can provide ~5% better land productivity as compared to N/S faced fixed tilt panels for Lahore (31.520N, 74.358E) when PV array density is slightly lower than that of a standard solar farm. In contrast, when PV arrays are denser than the standard, land productivity for E/W vertical bifacial panels degrades due to mutual shading. These results, together with high inherent resilience to soiling (dust accumulation) losses for E/W vertical bifacial panels, indicate their attractive prospects for AV applications.

연구 동기 및 목표

• 농사용 태양광 시스템에서 기존의 남북(N/S) 고정 기울기 패널로 인해 발생하는 일조 및 토양 수분 분포의 공간 이질성 문제를 해결하기 위해.
• 다양한 PV 어레이 밀도에서 단일 작물 재배에 적합한 동서(E/W) 방향 경사 없는 이면광전판의 적합성을 평가하기 위해.
• 라호르의 실제 기후 및 작물 조건 하에서 E/W 경사 없는 이면광전판과 N/S 고정 기울기 패널 간의 토지 생산성 비교를 위해.
• 다양한 PV 어레이 밀도에서 상호 그림자와 먼지 축적 손실이 시스템 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 수직 이면광전 기술을 활용한 농사용 태양광 농업에서 이중 용도 생산성을 극대화하기 위한 최적의 PV 어레이 밀도를 규명하기 위해.

제안 방법

• E/W 경사 없는 패널과 N/S 고정 기울기 패널 구성을 대상으로 3차원 레이 트레이싱 기반의 일일 일조 조사 분포 모델링.
• 다양한 일일 PAR(광합성활성복사) 노출 패턴 하에서 작물 특화 그림자 내성 임계치를 기반으로 작물 수확량 반응 시뮬레이션.
• 단위 면적당 에너지 수확량(kWh/m²/year)과 작물 수확량(kg/m²/year)의 통합 수확량으로 토지 생산성 정량화.
• PV 어레이의 줄 간 간격(밀도)을 변화시켜 상호 그림자 영향 분 析 및 간행 그림자 손실 계산.
• 패널 방향에 기반한 먼지 축적 손실 추정치 통합으로, E/W 경사 없는 패널은 자가청소 가능성을 고려해 먼지 축적 감소를 가정.
• 라호르(31.520°N, 74.358°E)의 표준 및 고밀도 PV 어레이 구성 조건 하에서 비교 시뮬레이션 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 E/W 경사 없는 이면광전판을 사용할 경우, N/S 고정 기울기 패널에 비해 작물 줄 간 일조 분포의 공간 분포는 어떻게 달라지나?
• RQ2 E/W 경사 없는 이면광전판을 사용하는 농사용 태양광 시스템에서 토지 생산성을 극대화하기 위한 최적의 PV 어레이 밀도는 무엇인가?
• RQ3 PV 어레이가 표준 태양광 발전소 수준을 초과하는 밀도로 설치될 경우, 상호 그림자가 에너지 수확량과 작물 수확량에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 건조 기후에서 E/W 경사 없는 이면광전판과 N/S 고정 기울기 패널 간 먼지 축적 손실의 정도는 얼마나 다를까?
• RQ5 실제 작물 및 기후 조건 하에서 E/W 경사 없는 이면광전판 시스템은 N/S 고정 기울기 시스템 대비 상대적으로 얼마나 높은 토지 생산성을 달성하는가?

주요 결과

• E/W 경사 없는 이면광전판은 N/S 고정 기울기 패널에 비해 작물 줄 간 일조 분포의 공간 균일성을 크게 향상시켜 미기후 변동성을 감소시킨다.
• 라호르에서 E/W 경사 없는 이면광전판은 표준 태양광 발전소 수준보다 약간 낮은 PV 어레이 밀도로 N/S 고정 기울기 패널 대비 약 5% 높은 토지 생산성을 달성한다.
• E/W 경사 없는 이면광전판의 토지 생산성은 표준 태양광 발전소 수준을 초과하는 PV 어레이 밀도에서 상호 그림자 증가로 인해 저하된다.
• E/W 경사 없는 이면광전판은 먼지 축적 손실에 내재된 강건성 덕분에 장기적인 성능 향상과 건조·먼지 많은 환경에서의 적합성을 높인다.
• 향상된 빛 분포와 감소된 그림자 이질성으로 인해 E/W 경사 없는 이면광전판은 특히 단일 작물 재배 체계에 매우 적합하다.
• 본 연구는 수직 이면광전 패널 시스템이 고온·건조 기후에서 환경 영향을 최소화하면서도 높은 작물 수확량과 안정적인 에너지 생산을 동시에 지원할 수 있음을 확인한다.