[논문 리뷰] Comparative analysis of PV configurations for agrivoltaic systems in Europe

Kamran Ali Khan Niazi, Marta Victoria|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 01.

Photovoltaic Systems and Sustainability인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 유럽 전역에서 그림자 효과 모델을 사용하여 전기 생산량과 작물 적합성을 평가하기 위해 최적 기울기, 수직 양면형, 단일축 추적형의 세 가지 농업 태양광(agrivoltaic, APV) 구성 방식을 평가한다. 연구 결과, 30 W/m²의 용량 밀도가 높은 에너지 생산과 80% 이상의 땅 이용 가능성을 동시에 확보할 수 있으며, 이는 잠재적 51 테라와트의 용량과 연간 71,500 태라와트 시간의 전기 생산 가능성을 시사한다. 이는 유럽의 현재 전력 수요의 28배에 해당한다.

ABSTRACT

Agrivoltaics (APV) is the dual use of land by combining agricultural crop production and photovoltaic (PV) systems. In this work, we have analyzed three different APV configurations: static with optimal tilt, vertically-mounted bifacial, and single-axis horizontal tracking. A model is developed to calculate the shadowing losses on the PV panels along with the reduced solar irradiation reaching the area under them for different PV capacity densities. First, we investigate the trade-offs using a location in Denmark as a case study and second, we extrapolate the analysis to the rest of Europe. We find that the vertical and single-axis tracking produce more uniform irradiance on the ground, and a capacity density of around 30 W/m2 is suitable for APV systems. Based on our model and a 100 m-resolution land cover database, we calculate the potential for APV in every NUTS-2 region within the European Union (EU). The potential for APV is enormous as the electricity generated by APV systems could produce 28 times the current electricity demand in Europe. Overall, the potential capacity for APV in Europe is 51 TW, which would result in an electricity yield of 71500 TWh/year.

연구 동기 및 목표

• 유럽 전역에서 세 가지 태양전지 구성 방식의 농업 태양광 시스템에 대한 기술적 및 공간적 실현 가능성을 평가하기 위해.
• 다양한 구성 방식에 따른 태양전지 패널의 그림자 손실과 지면의 일조량 감소를 정량화하기 위해.
• 높은 전기 생산량과 지속 가능한 농업 생산성을 동시에 확보하는 데 최적화된 용량 밀도(30 W/m²)를 규명하기 위해.
• 고해상도 토지 이용 데이터와 공간 제약 조건을 활용하여 EU NUTS-2 지역의 APV 적용 가능 지역을 매핑하기 위해.
• 현실적인 배치 시나리오 하에서 유럽 전역의 농업 태양광 시스템의 총 전기 생산 잠재력을 추정하기 위해.

제안 방법

• 태양의 위치와 패널 형상에 기반하여 태양전지 패널과 지면 표면의 시간대별 일조량을 시뮬레이션하기 위해 동적 그림자 효과 모델을 개발하였다.
• PVGIS 일조량 데이터와 100m 해상도의 Corine Land Cover 데이터베이스를 사용하여 유럽 전역의 지역적 변동성을 평가하였다.
• 산림, 주거지, 도로와의 거리 등 공간 제약 조건과 토지 이용 유형을 적용하여 APV 적용 가능 지역을 특정하였다.
• 각 NUTS-2 지역에서의 연간 일조량 데이터와 성능 비율을 활용하여 전기 생산량을 계산하였다.
• 일조량 분포도를 활용하여 전기 생산, 그림자 패턴, 작물 적합성 간의 상충 관계를 평가하였다.
• 가격 가중 전기 생산량과 연간 에너지 출력 등의 지표를 활용하여 각 구성 방식의 성능을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최적 기울기, 수직 양면형, 단일축 추적형 등의 다양한 태양전지 구성 방식이 농업 태양광 시스템에서 그림자 효과와 지면 일조량 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 전기 생산량을 극대화하면서도 농업 생산에 적합한 땅의 80% 이상을 유지할 수 있는 최적의 용량 밀도는 무엇인가?
• RQ3 유럽의 NUTS-2 지역 전역에서 농업 태양광 시스템의 공간 분포와 총 잠재력은 어떻게 되는가?
• RQ4 실제 토지 이용 제약 조건 하에서 구성 방식과 지역 간 연간 전기 생산량은 어떻게 변하는가?
• RQ5 농업 태양광 시스템은 얼마나 많은 정도로 유럽의 현재 전력 수요를 충족하거나 초월할 수 있는가?

주요 결과

• 단일축 추적형 구성 방식이 태양을 지속적으로 따라가기 때문에 가장 높은 연간 전기 생산량을 기록하였다.
• 수직 양면형 구성 방식이 가장 균일한 지면 일조량 분포를 제공하여 작물 그림자 변동성을 최소화하였다.
• 30 W/m²의 용량 밀도가 최적으로 규명되었으며, 이는 고출력 전기 생산과 80% 이상의 농업 이용 가능성을 동시에 확보하는 데 기여하였다.
• 유럽 전역의 농업 태양광 시스템 잠재 용량은 총 51 테라와트이며, 연간 71,500 태라와트 시간의 전기를 생산할 수 있다.
• 이 전기 생산량은 유럽의 현재 연간 전력 수요의 28배에 달한다.
• 적합한 APV 적용 가능한 땅은 유럽 연합 전체 면적의 16.2%인 170만 km²를 차지하며, 남유럽과 동유럽에서 높은 적합성을 보이며, 덴마크(53.9%)와 아일랜드(63.9%)는 높은 잠재력을 보였다.