[논문 리뷰] Module Technology for Agrivoltaics: Vertical Bifacial vs. Tilted Monofacial Farms

Muhammad Hussnain Riaz, Rehan Younas외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 02.

Photovoltaic Systems and Sustainability참고 문헌 24인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 수치 모델을 사용하여 농업 태양광 시스템에서 수직 이면광(E/W) 태양전지 농장과 전통적인 북/남(N/S) 기울기 단면광 농장 간의 성능을 비교한다. PAR 전달 및 에너지 수확량을 분석한다. 반복 밀도 이하일 경우 수직 이면광 농장은 단면광 농장과 동일한 에너지 및 광합성활성방사(PAR) 수확량을 기록하며, 먼지 침착 저항성, 토지 이용 효율성 및 유지보수 용이성 측면에서 우수한 성능을 보이며, 먼지 침착 위험이 높은 고온 다우산 기후에 이상적이다.

ABSTRACT

Agrivoltaics is an innovative approach in which solar photovoltaic (PV) energy generation is collocated with agricultural production to enable food-energy-water synergies and landscape ecological conservation. This dual-use requirement leads to unique co-optimization challenges (e.g. shading, soiling, spacing) that make module technology and farm topology choices distinctly different from traditional solar farms. Here we compare the performance of the traditional optimally-titled North/South (N/S) faced monofacial farms with a potential alternative based on vertical East/West (E/W)-faced bifacial farms. Remarkably, the vertical farm produces essentially the same energy output and photosynthetically active radiation (PAR) compared to traditional farms as long as the PV array density is reduced to half or lower relative to that for the standard ground-mounted PV farms. Our results explain the relative merits of the traditional mono facial vs. vertical bifacial farms as a function of array density, acceptable PAR-deficit, and energy production. The combined PAR/Energy yields for the vertical bifacial farm may not always be superior, it could still be an attractive choice for agrivoltaics due to its distinct advantages such as minimum land coverage, least hindrance to the farm machinery and rainfall, inherent resilience to PV soiling, easier cleaning and cost advantages due to potentially reduced elevation.

연구 동기 및 목표

• 농업 태양광 시스템에서 수직 이면광 E/W와 전통적인 N/S 기울기 단면광 PV 농장 간의 성능 상호 교환 관계를 평가하기.
• 배열 밀도가 광합성활성방사(PAR) 전달 및 태양전지(PV) 에너지 수확량에 미치는 영향을 정량화하기.
• 수직 이면광 농장의 실용적 이점, 즉 먼지 침착 저항성 감소, 청소 용이성 향상, 최소한의 토지 및 기계 장애 요소 등을 평가하기.
• 높은 PV 농장 아래에서 햇빛 흡수 및 PAR 전달을 예측하기 위한 수치 프레임워크를 제공하기.
• 농업 태양광에서 다양한 모듈 기술 및 농장 구조 유형의 상대적 토지 생산성 및 시스템 효율성 비교하기.

제안 방법

• 엄격한 분석 모델이 고정된 PV 농장에 의해 흡수되는 직사광선 및 산란광 일조량과 농장 아래로 전달되는 PAR를 계산한다.
• 모델은 패널 기울기, 방향, 배열 밀도(p/h 비율) 및 행 간 기하학적 그림자 효과를 고려한다.
• 킹 등이 제안한 모델을 활용해 실측 온도 보정을 적용하여 주변 온도, 일조량 및 바람 속도 기반으로 세포 온도 및 효율 손실을 추정한다.
• 몬피에르, 프랑스 현장 데이터를 사용하여 모델 검증을 수행하여 시뮬레이션된 수평 전체일조량(GHI) 및 PV 에너지 수확량과 실측 값 간의 비교를 수행한다.
• 연구는 세 가지 배열 밀도 구성 조건에서 성능을 평가한다: 전면 밀도(p/h ≈ 4), 반복 밀도(p/h ≈ 2.6), 1/4 밀도(p/h ≈ 2).
• 다양한 구성 간 상대 에너지 수확량 및 PAR 수확량을 비교하기 위해 단위화된 성능 요소(LP)를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수직 이면광 E/W와 전통적인 N/S 기울기 단면광 PV 농장 간에 다양한 배열 밀도에서 연간 에너지 수확량과 PAR 전달 능력은 어떻게 비교되는가?
• RQ2 수직 이면광 E/W 농장이 표준 N/S 단면광 농장 수준의 PAR 전달 수준을 확보하기 위해 필요한 배열 밀도는 얼마인가?
• RQ3 N/S 패널의 기울기 각도를 조절하면 태양전지 에너지 생성과 작물에 대한 PAR 가용성 간 균형은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ4 수직 이면광 농장은 먼지 침착 저항성, 토지 커버리지 및 유지보수 접근성 측면에서 어떤 상대적 이점이 있는가?
• RQ5 온도 영향이 두 시스템 구성 모두의 PV 출력에 미치는 영향은 어떠하며, 이를 어떻게 모델링하는가?

주요 결과

• 반복 밀도 이하(p/h ≤ 4)일 경우 수직 이면광 E/W 농장은 전통적인 N/S 단면광 농장과 동일한 연간 에너지 수확량과 80%의 PAR 전달 능력을 기록한다.
• 전면 밀도 배열의 경우 수직 이면광 E/W의 상대적 PV 수확량은 80%로 감소하고, PAR 전달은 55~65%로 감소하여 농작물 수확량을 우선시하는 성능 상호 교환 관계를 보인다.
• 반복 밀도 구성의 단위화된 성능 요소(LP)는 1.3~1.35로 나타나 에너지 수확량과 PAR 수확량 간 균형 잡힌 성능을 보인다.
• N/S 기울기 각도는 20°에서 60° 사이에서 조절 가능하여 PAR 전달에 대해 약 10~15%의 조절 능력을 제공한다.
• 수직 이면광 E/W 농장은 거의 수직 방향으로 인해 먼지 축적을 크게 줄여 장기적으로 높은 효율성을 유지한다.
• 모델 검증 결과 몽피에르, 프랑스 현장 데이터와 강한 일치를 보이며, 실제 조건에서 GHI 및 PV 에너지 수확량 예측 정확도를 확인한다.