[논문 리뷰] Solar Daylighting to Offset LED Lighting in Vertical Farming: A Techno-Economic Study of Light Pipes

Francesco Ceccanti, Aldo Bischi외 2명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 16.

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한 줄 요약

하이-레벨 요약: 이 논문은 LED 조명을 대체하기 위해 두-등급의 수직 농장에서 옥상 설치형 라이트-파이프 채광 시스템을 평가하고, 광 모델링과 두바이의 기술경제 분석을 결합하여 주간 채광, 하이브리드, LED-전용 시나리오를 비교합니다.

ABSTRACT

Vertical farming is a controlled-environment agriculture (CEA) approach in which crops are grown in stacked layers under regulated climate and lighting, enabling predictable production but requiring high electricity input. This study quantifies the techno-economic impact of roof-mounted daylighting in a three-tier container vertical farm using a light-pipe (LP) system that delivers sunlight to the upper tier. The optical chain, comprising a straight duct and a tilting aluminum-coated mirror within a rotating dome, was modelled in Tonatiuh to estimate crop-level photon delivery and solar gains. These outputs were coupled with a transient AGRI-Energy model to perform year-round simulations for Dubai. Tier-3 strategies were compared against a fully LED benchmark, including daylight-only operation, on/off supplementation, PWM dimming, UV-IR filtering, variable-transmittance control, and simple glazing. Ray-tracing predicted an overall LP optical efficiency of 45%-75%, depending on solar position, quantifying the fraction of incident daylight at the collector aperture delivered to the target growing zone. Daylight-only operation reduced the total three-tier yield by 17% and was not economically viable despite 27-29% electricity savings. Hybrid daylight-LED strategies preserved benchmark yield while reducing electricity use. PWM dimming combined with UV-IR filtering achieved the lowest specific electricity energy consumption (6.32 kWh/kg), 14% below the benchmark. Overall, viability remains CAPEX-limited because achievable electricity savings are insufficient to offset the added investment and thus improves mainly under high electricity and carbon-price contexts, although the LP system delivers a 15-38% lower light cost than an optical-fiber reference under identical incident daylight.

연구 동기 및 목표

• 지붕에 설치된 라이트-파이프 시스템이 3계층 수직 농장의 상부 계층에 햇빛을 전달하는데 있어 광학 성능과 태양 이득을 정량화합니다.
• 일년 내내 두바이에 특정한 수율과 전력 사용을 daylight-only, hybrid, 및 full-LED 작동에서 평가합니다.
• daylighting 전략의 경제적 타당성(CAPEX 대비 에너지 절감)을 full LED 벤치마크와 비교하여 평가합니다.

제안 방법

• Tonatiuh에서 직관덕트(straight duct) + 회전 돔 내의 tilting aluminum-coated mirror로 구성된 광 파이프 광학 체인을 모델링하여 작물 단위 광자 전달량과 태양 이득을 추정합니다.
• 전년-연도 시뮬레이션을 위한 트랜지언트 AGRI-Energy 모델과 광학 출력을 결합합니다.
• daylight-only, on/off, PWM dimming, UV-IR filtering, variable-transmittance control, 및 simple glazing 전략을 fully LED 벤치마크와 비교합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 light-pipe 시스템으로 일주/일광 위치 변화에 따라 상부 재배 계층에 얼마나 많은 일광이 전달될 수 있는가?
• RQ2 채광 및 하이브리드 daylight-LED 시나리오가 수율 및 전력 소비에 미치는 영향이 full-LED 벤치마크에 비해 어떠한가?
• RQ3 전력 가격, 탄소 가격, CAPEX 등 어떤 조건에서 라이트-파이프 daylighting 시스템의 경제적 타당성이 나타나는가?

주요 결과

• Light pipe를 통한 daylight-path 효율은 태양 위치에 따라 45%에서 75% 사이이다.
• daylight-only 작동은 3계층 수율을 17% 낮추고 27–29%의 전력 절감에도 불구하고 경제적으로 타당하지 않다.
• Hybrid daylight-LED 전략은 벤치마크 수율을 유지하고 전력 사용을 감소시키며; PWM dimming과 UV-IR filtering은 가장 낮은 특수 에너지 소비량을 달성하고 6.32 kWh/kg(벤치마크 대비 14% 감소)이다.
• 전반적으로 타당성은 CAPEX의 한계에 있으며, 전력 절감이 추가 투자비를 완전히 상쇄하지 못하는 경우가 많고, 이는 전력 및 탄소 가격이 높은 맥락에서만 달성된다.
• Light-pipe 시스템은 동일한 입사 daylight 하에서 광섬유 기준보다 빛 비용을 15–38% 낮춘다.