Nomenclature
Subscript
1. 서 론
2. 영농형 태양광 시스템의 모델링 및 최적화
2.1 모듈 시스템 설계
2.2 생산량 시뮬레이션
3. 결과 및 논의
3.1 모듈 시스템 최적화
3.2 작물 생산량 변화
4. 결 론
Subscript
PAR : Photosynthetically Active Radiation
PPFD : Photosynthetic Photon Flux Density
DLI : Daily Light Integral
1. 서 론
2040년까지 전세계적으로 필요한 에너지 수요량은 약 7억 TJ이상으로 증가할 것으로 예상되기 때문에 지속적으로 추가적인 발전시설이 필요하다. 이에 해당하는 에너지 수요량을 화력발전을 이용하여 충족하기 위해서는 200억 톤 이상의 화석연료가 필요하다1,2,3). 이러한 문제를 해결하기 위해 이산화탄소를 배출하지 않는 청정 에너지원 개발이 활발하게 진행중이고 그 중에서 설치비용이 저렴하고 유지보수에 용이한 태양광 발전의 비중이 지속적으로 증가하여 2024년 기준 880 GW에 달한다4,5,6). 그러나 태양광 발전 비중의 증가로 인해 더 많은 토지가 필요해지고 기존에 농지로 사용하던 토지들이 태양광 발전 시설로 전환되는 높아지며 이러한 문제점은 국토의 면적이 좁은 한국에서 더욱 치명적으로 작용되고 있다7, 8). 통계청과 농업진흥원의 발표에 따르면 2014년 이후 농지전용 면적이 연각 2000 ha 이상 감소하였고 경작지 면적의 경우 2012년 173만 ha에서 151만 ha로 급격하게 감소하고 있기 때문에 경작지 보호에 대한 문제해결이 시급한 상황이다. 영농형 태양광 발전 시스템은 이러한 문제를 해결하기 위해 고안되었고 농경지에 태양광 패널을 설치하여 농업 생산과 태양광 발전을 동시에 가능하게 하는 시스템이다. 이러한 영농형 태양광 시스템의 가장 큰 장점은 공간 활용 능력이 뛰어난 것인데 Fig. 1과 같이 동일한 면적에서 작물 생산과 태양광 발전을 동시에 진행할 수 있다는 점이다9,10,11,12). 영농형 시스템의 경우, 동일 부지에서의 농업 생산 수익(작물 판매수익, 품질 향상에 따른 부가가치 등) 뿐만 아니라 전력생산을 통해 얻을 수 있는 추가적인 경제적 이익으로 인해 농가 수익증대로 이어져 기존 독립형 태양광 시스템보다 총 경제적 이익이 증가하는 구조를 가진다.
또한 작물 위에 설치된 태양광 패널은 눈이나 우박과 같은 환경적 스트레스 요인을 완화하여 하부 작물을 보호하고 생장을 도와줄수 있다. 그러나 농지위에 태양광 패널을 설치하면 하부 농경지에 그늘이 발생하여 작물의 생산량이 20~30% 이상 감소하게된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 경작지 위에 설치되는 태양광 모듈의 설치환경을 가변하며 이에 따라 변화하는 특성을 파악하여 최적화 하는 것이 필요하다. 이 논문에서는 쌀 재배 대상 100 kW급 영농형 태양광 모듈을 적용하여 농작물 생산과 파워 생산량 최적화를 위해 다양한 시스템 조건을 시물레이션 하여 국내환경에서 최적의 조건을 찾아 내고자 한다.
2. 영농형 태양광 시스템의 모델링 및 최적화
해당 연구에서는 half-cut Bifacial PERC module로 구성된 100 kW의 발전용량 시스템을 기반으로 PVSYST V7.4 시뮬레이션을 통해 다양한 조건에 따른 발전량 및 Shading loss에 관해 분석하였다. 시물레이션 조건으로는 한국 중부지역(위도 36°N, 경도 127° E)을 기준으로 하였으며 사용된 모듈은 국내 H사의 72개의 cell (“1720 × 708 × 32” (mm))로 구성된 “Q.PEAK DUO MS-G10.d/BGT”으로 설정하였다. 시스템 전체적으로 450개의 모듈을 사용하였고 30개의 모듈을 직렬로 연결하고 15개의 행으로 row 단위 배열 구조를 사용하여 단순화 하였다. 사용된 기상 데이터는 Meteonorm 8.1 기반으로 연평균 일사량 및 기온 데이터를 사용하였고 모듈 하부 지면에 도달하는 일사량은 “3D Near shading Scene”기능을 사용하여 계산되었다.
2.1 모듈 시스템 설계
태양광 모듈 하부 지면에 도달하는 전체 일사량은 직달일사량 과 확산일사량 그리고 산란 및 반사에 의한 일사량의 합으로 나타낸다. 3개의 일사량중 가장 높은 비율을 차지하는 직달 일사량은 태양의 태양의 고도와 View factor에 크게 영향을 받고 이는 모듈 시스템 조건에 따라 크게 달라진다13,14,15,16).
모듈 시스템 조건을 확인하기 위해 Table 1에 언급된 변수를 중점적으로 가변하였다. 먼저 모듈의 설치각도를 15~90°사이로 가변하면서 모듈의 전력 생산량 과 하부에 발생하는 shading 및 광합성 활성 발사선(PAR)간의 상관관계를 분석하였다. 모듈간의 거리가 가깝게 되면 인접 모듈에 의해 추가적인 shading이 발생가능 하기 때문에 중요한 변수이다. 또한 방위각을 조절하여 모듈이 바라보는 방향에 따라 발생하는 경향성을 파악한다. 마지막으로 모듈의 설치 높이는 별도의 변화없이 4 m로 고정하고 시뮬레이션을 진행하였다. 하부 농경지에서 사용하는 트랙터 및 농기구가 2~2.5 m의 높이를 가지기 때문에 최소 3 m 이상의 높이를 가져야 한다. 추가적으로 선행 연구들에 따르면 모듈의 설치 높이가 증가함에 따라 태양광이 지면에 더욱 균일하게 조사되기 때문에 안정적이고 균일한 성장이 가능하다. 하지만 설치높이가 지속적으로 증가하게 되면 설치비용이 비례적으로 증가하기 때문에 4 m로 설정하여 진행하였다17, 18).
Table 1.
Experimental parameters and variations for optimization Agrivoltaic system
| Parameter | Variations |
| Tilted angle | 15°~90° |
| Azimuth angle | 0° (South) ~180° (North) |
| Pitch | 2 m ~ 12 m |
| Module height | 4 m (fixed) |
2.2 생산량 시뮬레이션
PVSYST를 통해 분석한 Shading과 일사량 데이터를 기반으로 하부 작물의 생산량을 예상한다. 하부 작물의 생산량을 예측하기 위해 필요한 다양한 변수가 존재한다. 광합성과 작물 생산성을 결정하는 2가지 요인으로 보상점과 광포화점이 있는데 보상점은 작물의 호흡량과 광합성량이 같아 지는 지점이고 광포화점은 광합성량이 최대가 되어 더 많은 빛을 받더라도 더 이상 광합성량이 늘어나지 않는 지점을 의미한다. Fig. 2는 양지식물과 음지식물의 보상점과 광포화점을 나타낸다. 음지식물의 경우 약 1만 Lux 정도의 빛에서 광합성이 포화되고 양지식물은 2배정도인 약 2만 Lux 정도에서 광합성이 포함된다.
일반적으로 광량의 단위를 나타내는 Lux의 경우 가시광선 영역에서의 양을 나타내는데 화창한 날씨의 경우 약 10만 Lux의 태양광이 조사되는데 광포화점은 해당 수치보다 낮기 때문에 영농형 태양광을 설치하여 일사량의 일부가 차단되더라도 작물의 생산수준을 유지할 수 있다.
하지만 모든 파장대의 빛을 광합성에 사용하는 것이 아니라 Fig. 3과 같이 약 400~500 nm와 600~700 nm 사이의 파장대만 사용한다.
PAR은 광합성에 사용되는 400~700 nm 사이에서 광합성에 필요한 빛의 파장대이다. 광합성 광자 플럭스 밀도(PPFD)는 초당 특정 표면적에 도달하는 PAR 범위 내의 광자 수를 나타내는데 광원에서 방출된 광자 중 실제로 식물에 도달하는 광자수를 나타낸다. DLI는 24시간 동안 특정 지역에 전달되는 PAR의 입자수를 나타내기 때문에 식물의 광환경을 설명하기 위해서 필수적인 변수이다. DLI와 PPFD는 각각 아래의 공식과 같은 관계를 가지게 된다18,19,20,21).
PPFD와 DLI는 400~700 nm 사이의 파장대의 광자량을 정량적으로 나타내는 지표로 작물의 생장 및 수확량과 높은 상관성을 가진다. 여러 선행 연구들을 통해 PPFD와 DLI의 증가에 따라 엽면적, 생체중이 증가하게 되고 이에 따라 생산량이 증가하는 것을 확인할 수 있다. M.Zhang, H.Sheikhi, Weselek 연구팀을 포함한 다양한 연구에서 증가된 DLI는 CO2의 고정량을 향상시키고 질소가 광합성으로 이어지는 역할을 하기 때문에 생산량 변화에 가장 큰 영향을 주는 요소임을 발견하였고 대부분의 작물은 18~22 mol/m2･day의 범위에서 최대 생장률을 보이는 것을 확인할 수 있다29,30,31).
해당 연구에서는 작물의 광합성량과 작물생산량을 명확하게 비교하기 위해 Light-Use Efficiency (LEU) 모델을 사용하였다. 해당 모델은 DLI, 온도, 수분, CO2 함량등 복합적인 요소를 통해 생장정도 와 수확량을 예측할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 PVSYST를 통해 전체 일사량 분포를 계산한 이후 평균화 한 값을 산출하여 PPFD와 DLI를 계산하고 상대적인 작물 생산량 변화를 예측하였다.
3. 결과 및 논의
3.1 모듈 시스템 최적화
Fig. 4는 영농형 태양광 모듈의 설치 각도의 변화에 따른 연간 발전량과 모듈 아래 농경지로 도달하는 일사량을 비교하였다. 먼저 발전량 측면에서 보게 되면 모듈의 각도가 30°일 때 가장 높은 발전량을 보이며 경사각이 증가함에 따라 감소하는 것을 확인할 수 있다. 각도를 30°에서 60°로 증가시키면 연간 발전량이 1147 kWh/kWp/year에서 1033 kWh/kWp/year로 약 10% 정도 발전량이 감소하지만 60°에서 90°로 증가시킬 때는 785 kWh/kWp/year로 약 25%정도 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 경향은 모듈이 일정한 각도의 경사를 가질때 태양의 고도가 하루동안 동에서 서쪽으로 이동하면서 태양의 고도가 가장 높은 오전 11시부터 오후 2시 사이에 수직으로 입사하는 빛을 모듈이 흡수할 수 있지만 모듈의 경사가 수직과 가까워 질수록 빛이 입사할 수 있는 면적이 줄어들기 때문에 발전량의 감소로 이어진다19, 21,22,23). 하부 일사량의 관점에서는 모듈 발전량과 정확하게 반대의 경향성을 보이는데 수직형 모듈의 경우 하부 농경지에 711 kWh/m2의 일사량이 도달하지만 30°의 각도를 가질 때 462 kWh/m2의 일사량이 도달한다.
식 (1)과 (2)를 통해 모듈의 설치에 따라 하부에 발생하는 Shading의 양은 태양의 고도, 모듈의 설치 각도, 모듈의 길이 그리고 모듈이 설치된 높이에 크게 영향을 받는다. 크게 모듈 아래에 발생하는 그림자와 뒤쪽으로 형성되는 그림자로 나타나는데 크기가 동일한 모듈을 사용한다고 가정하면 설치 각도가 가장 중요한 요소이고 (1)과 (2)를 통해 설치각도가 증가하게 되면 모듈 하부에 형성되는 shading은 0에 가깝지만 반대로 모듈 후면으로 형성되는 shading은 오히려 증가하는 것을 확인 할 수 있다18, 24).
Fig. 5는 모듈의 설치 각도의 변화에 따른 지면으로 도달하는 월별 일사량의 변화를 나타낸다. 계절이 변화하면서 태양의 고도가 크게 변화하면서 일사량 또한 달라지게 된다. 전체 일사량 뿐만 아니라 월별 일사량이 중요한 이유는 모듈 아래 농경지에서 재배되는 작물의 종류에 따라 생장 기간과 이때 필요한 일사량이 달라지기 때문에 연간 총 일사량값 뿐만 아니라 월별 일사량 값 역시 중요하다. 예를 들어 벼 혹은 밀 같은 양지식물은 3월부터 10월까지 자란 후 수확하지만 수확시기에 가까워 지는 8월 말과 9월초의 일사량이 가장 중요하다.
Table 2를 보게되면 국내 월별 최저 태양의 고도를 나타내는데 6월까지 태양의 고도가 지속적으로 증가한 이후 6월에 73.7°로 가장 높은 고도를 달성한 이후 다시 감소하는 경향성을 확인할 수 있고 이에 따라 tan α이 증가하기 때문에 하부 shading의 길이가 짧아져서 모든 경사에서 높은 일사량을 가질 실제 시뮬레이션 결과와 동일한 경향성을 가진다. 모듈의 설치 각도가 증가함에 따라 일사량이 비례해서 증가하고 수직형으로 설치할 때 가장 높은 일사량을 나타낸다. Fig. 2와 Fig. 3의 결과를 통해 양지식물의 생장을 위해서는 모듈의 설치각도를 증가시키고 수직형으로 설치하는 것이 가장 좋은 것을 확인할 수 있다.
Table 2.
Average solar altitude and tan theta chaing with season in Korea
| Sun angle (°) | tan (α) | |
| Jan | 29 | 0.554 |
| Mar | 43.6 | 0.952 |
| Jun | 73.7 | 3.419 |
| Aug | 60.2 | 1.746 |
| Oct | 38.5 | 0.795 |
| Dec | 28.5 | 0.543 |
Fig. 6은 모듈간의 사이 거리인 Pitch와 경사각변화에 따른 전력생산과 지면 일사량의 변화를 나타낸다. 전력생산은 모든 경사각에서 pitch 증가에 따라 지속적으로 증가하지만, 6 m 이상의 거리에서는 더 이상 크게 증가하지 않는 것을 확인할 수 있다. 동일 pitch에서의 경사각 비교 결과, 30–45°가 75–90°대비 높은 연간 생산량을 보이는 반면 지면 일사량은 pitch가 증가할수록 뚜렷이 증가하고 6 m 이후 완만하게 증가하는 경향을 보였으며, 경사각이 클수록 동일 pitch에서 더 높은 값을 나타냈다. 이는 경사 증가에 따라 모듈의 즉시 투영폭이 감소하고 view factor가 확대되어 직달･산란 및 주변반사 유입이 증가하기 때문이다. 그러나 큰 경사각은 상단 모서리에 의해 후방 그림자가 커지는 부작용이 있어 연간 전력생산 측면에서는 불리함을 확인하였다. 종합하면 지면 일사량 및 태양광 발전의 균형을 고려할 때, 6 m 이상의 pitch를 확보하는 것이 지면 일사 및 발전량 확보를 위한 조건으로 볼 수 있지만 pitch를 6 m 이상으로 넓게 형성하게 되면 필요한 농지의 면적이 크게 증가하기 때문에 pitch를 6 m로 설정하는 것이 최적의 조건인 것을 확인할 수 있다.
Fig. 7은 수직형으로 설치된 모듈의 방위각을 변화시키면서 연간 지면 일사량과 전력생산량의 추세 변화를 나타내는데 전력생산의 관점에서는 방위각이 남향에서 북향으로 갈수록 지속적으로 감소하고 남향에서 연간 조도가 최대가 되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 경향성은 북향으로 이동할수록 직달 성분 일사량이 크게 줄어드는 경향을 가지기 때문이다. 연간 지면 일사량은 남향에서 E-W로 갈수록 감소하고 북향으로 갈 때 다시 증가하는 것을 확인할 수 있는데 앞서 설명했던 유효 그늘 폭 W에서 방위편차 를 추가적으로 고려할 때 E-W로 모듈이 위치할 때 의 값이 1로 최대가 되기 때문에 그늘간 중첩이 증가하고 view factor가 가장 낮아지게 되고 S-W로 모듈이 위치하면 의 값이 0으로 가까워 지기 때문에 수직 방향 중첩이 줄고 view factor가 증가하기 때문에 지면 일사량이 증가하게 된다. 따라서 지면 일사량과 전력생산량을 모두 최적화 하기 위해서는 모듈을 남향으로 설치해야 하는 것을 확인할 수 있고 일사량의 측면에서는 북향으로 설치하는것도 대안이 될 수 있음을 확인 할 수 있다.
3.2 작물 생산량 변화
3.1절에서 PVSYST를 통해 Groud에 형성되는 Shading 및 하부 작물에 도달하는 일사량을 종합적으로 분석하여 각 조건별로 PPFD 와 DLI를 예측하고 이를 바탕으로 영농형 태양광 시스템을 설치하지 않은 환경(Ref)대비 상대적으로 감소한 생산량을 추정한다. PPFD와 DLI는 모두 지면에 도달하는 전체 일사량중 PAR 범위의 파장대에 해당하는 일사량이기 때문에 3.1에서 설치각도에 따라 나타나는 지면 일사량 경향과 유사하게 나타나고 PAR 비율(fPAR)의 경우 계절과 설치각도에 따른 태양빛의 경로 및 산란 및 반사의 경향이 달라지기 때문에 PPFD 와 DLI 역시 모듈의 설치 환경 및 계절의 변화에 따라 달라지게 된다.
Fig. 8은 동일한 모듈 조건에서 경사각 변화에 따라 하부에 형성되는 빛의 광량을 정량화한 것이다. PPFD는 15–45°구간에서 215~220 μmol/m2･s 보인 뒤, 60–90°로 갈수록 지속적으로 증가하여 수직형으로 설치하였을 때 약 238 μmol/m2･s로 최대에 도달하였다. 이는 경사각이 커질수록 모듈의 아래에 형성되는 그늘의 양이 감소하고, View factor가 증가해 산란광과 주변･지면반사 유입이 확대되기 때문이다. 아울러 60°이상의 높은 경사각에서는 후면 시야가 넓게 형성되면서 후면 입사광이 증가하여 하부 평균 PPFD가 추가로 향상된다. 특히 여름 정오대와 같이 산란광 및 반사광의 세기가 증가하게 되면 높은 경사각에서 PPFD가 증가한다. 반대로 30–45° 근처의 PPFD 저점은 코사인 이득으로 모듈 전면이 더 많은 직달을 흡수하고, 그만큼 지면으로 전달되는 광이 줄어드는 광 경쟁 효과와 행간 겹침의 영향이 합쳐졌기 때문이다. 이러한 결과를 바탕으로 높은 PPFD를 획득하기 위해서는 70° 이상의 높은 경사각을 가지는 것이 유리하다는 것을 알 수 있다.
Fig. 9는 설치각도를 변화시킴에 따라 월별 하부 PPFD를 나타낸다. 전반적으로 PPFD는 계절 변화에 따라 1–2월 사이에 150~200 μmol/m2･s로 낮은 값을 가지다가 점진적으로 증가해 4–5월에 약 350μmol/m2･s로 가장 높은 값을 나타내고, 장마･고온기에 해당하는 7–8월에 소폭 하락하고 가을로 갈수록 감소한다. 동일한 월을 비교했을 때 설치 경사를 증가시킴으로써 PPFD가 모든 월에서 높게 나타 났으며, 특히 5–8월 주생육기에서 90°가 30° 대비 대략 5–10% 높은 PPFD 값을 나타냈다. 이는 경사 증가에 따라 모듈의 즉시 투영폭 감소와 하늘/지면 view factor 확대가 동시에 발생해, 산란 성분의 지면 유입이 강화되기 때문이다. 반면 동절기에는 절대적인 PPFD 값이 낮고 설치 각도간의 차이도 크게 나타나지 않는다.
작물의 생육에 필요한 환경요인으로는 조사되는 일사량 뿐만 아니라 광합성에 필요한 상대습도, 이산화탄소 농도, 온도 등도 중요하다. Gong, Weselek, Campana등이 수행한 다양한 연구에서 태양광 모듈 아래에 온도가 평균 1.5~2°C가 감소하고 최대 4℃까지 감소할 수 있는 것을 확인하 였다26, 32, 30). 특히 5월에서 10월사이 태양빛의 에너지가 가장 강력한 기간에 2°C 이상 크게 감소하고 겨울 및 봄철에는 약 0.5°C 수준으로 낮게 감소한다.
Fig. 10은 모듈 설치각도에 따른 월별 상대적인 온도 감소 경향을 나타낸다. 모든 경사각에서 영농형 태양광을 설치하면 하부에 그늘을 통해 상대적으로 지면의 온도가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 7월을 중심으로 온도 저감 효과가 최소로 나타났으며, 이는 하계 기간 동안 태양고도가 최대가 되어 모듈 하부로 유입되는 총 일사량이 증가하기 때문이다. 특히 가장 강한 태양빛이 지면으로 조사되는 6월에서 8월 기간에 모듈의 설치각도가 낮아질수록 더 많은 온도감소를 통해 작물을 보호할 수 있는 것을 확인할 수 있다, 이는 Gong, Weselek,M.Zhang 등의 선행연구와 동일한 경향성을 나타낸다28,29,30,31,32).
이와 같은 경향은 상대적으로 낮은 경사각을 가질때 여름철 작물 생육에 불리한 고온 환경을 완화하는 데 효과적임을 의미한다.
Table 3은 모듈 설치각도 변화에 따른 하부 농경지에 발생하는 상대적 CO2 농도 및 일일 변동 폭을 나타낸다.
Table 3.
Relative Ground Co2 density and daily duration changing with different module tilted angle
| Relative CO2 density | Daily duration | |
| 15~30° | 0.85~1.2 | ±15% |
| 30~60° | 0.95~1.1 | ± 7% |
| 60~90° | 0.98~1.06 | < 7% |
15–30°에서는 모듈 하부가 부분적인 반밀폐 구조를 형성하며, 정오 시간대에 강한 직달광으로 인해 광합성 CO2 소비가 증가하면서 상대 CO2 농도가 0.85까지 감소하였다. 또한 야간에는 토양호흡에 의해 CO2가 축적되며 최대 1.2까지 상승하여, 전체 변동 폭이 ±15%로 가장 크게 나타났다.
30–60°에서는 모듈 하부의 통풍이 개선되고 온도 및 광환경이 상대적으로 완화됨에 따라 CO2 농도는 0.95–1.1 범위 내에서 안정적으로 유지되었으며, 일변동 폭도 ±7% 수준으로 감소하였다.
반면, 고경사 및 수직형 구조에서는 전･후면 개방을 통한 대류가 가장 활발하게 일어나고, 직달광이 크게 감소하여 광합성 CO2 소비가 급격히 증가하지 않으므로 상대적 CO2 농도가 0.98–1.06 범위로 노지와 거의 유사하게 유지되었다. CO2 농도의 일변동 폭 또한 5% 이하로 가장 작게 나타나, 고경사 구조가 가장 안정적인 CO2환경을 형성함을 확인할 수 있다.
Fig. 11은 6 m pitch를 가지고 S-N 방향으로 모듈 시스템을 설치했을때 설치각도의 변화에 따른 전체 하부 DLI와 쌀의 상대 수확량의 동시 변화를 나타낸다. 설치각도가 증가함에 따라 DLI가 순차적으로 증가하고 30°에서 60°까지 증가할때는 18.6에서 19.2로 3.23% 소폭 증가하지만 60°에서 90°로 증가할때는 20.4로 증가하면서 약 6.25% 증가하였다. 이는 앞서 Fig. 8과 Fig. 9에서 설명했던 내용과 같이 전체적인 지면 일사량의 증가 특히 PAR 범위에 해당하는 일사량이 증가했기 때문이다.
하지만 DLI와 상대적 생산량이 동일한 경향성을 가지지 않는 것을 확인할 수 있다. 이러한 경향성은 앞선 Fig. 10과 Table 3에서 설명한 내용과 같이 작물의 생장에 가장 크게 영향을 주는 요소는 일사량이지만 수분과 CO2 농도 그리고 온도 역시 중요한 요소로 작용하기 때문이다. 75°~90° 같이 높은 경사각을 가질 때 가장 많은 일사량을 지면으로 도달시킬 수 있지만 다른 외적인 요소로 인한 손실이 발생하게 되고 모듈의 각도를 60°로 줄이게 되면 추가적인 외부 요소를 통해 상대적으로 낮은 DLI를 보완할 수 있기 때문에 더 높은 작물생산량을 확보할 수 있다.
4. 결 론
시물레이션을 바탕으로 전력 생산량만을 기준으로 하면 한국 위도에서의 연간 최적 경사각을 30~40°로 유지할 때 수직형일 때 보다 25% 이상 높게 나타나고 작물의 생산성 관점에서 보면, 모듈의 각도를 75~90°에 가깝게 설치하는 것이 즉시 하부 일사량과 PPFD가 각각 50%, 12% 이상 증가하는 효과가 있다. 특히 작물의 생장에 크게 영향을주는 태양고도가 높은 시기에는 수직 배치가 정오대 차광을 현저히 줄여 작물의 광합성 유효광량 확보에 유리할 것으로 예측할 수 있다.하지만 일사량 뿐만 아니라 수분, CO2 농도, 온도의 영향을 복합적으로 고려했을 때 60°의 경사를 가질 때 약 0.8 정도로 가장 높은 상대 생산량을 가질 수 있기 때문에 영농형의 설계 목표를 “작물 우선”으로 둘 경우, 해당 각도를 기본 전략으로 설정하고, 필요시 외부 요인조절을 통해 세부 조정을 수행하는 것이 합리적이라는 것을 확인할 수 있음. 발전량 저하에 대해서는 후면에서 발생하는 추가적인 빛을 이용하는 양면 모듈, 혹은 계절별 경사 조정 등으로 보완할 수 있으며, 결과적으로 농업 생산성과 에너지 수확 간의 균형점을 보다 높은 수준에서 달성할 수 있다.
