Integral Design and Structural Analysis for Safety Assessment of Domestic Specialized Agrivoltaic Smart Farm System

한국형 영농형 태양광 스마트팜 시스템의 종합설계 및 구조해석을 통한 안전성 검토

Abstract

Renewable energy systems aim to achieve carbon neutrality and replace fossil fuels. Photovoltaic technologies are the most widely used renewable energy. However, they require a large operating area, thereby decreasing available farmland. Accordingly, agrivoltaic systems (AVSs)-innovative smart farm technologies that utilize solar energy for crop growth and electricity production-are attracting attention. Although several empirical studies on these systems have been conducted, comprehensive research on their design is lacking, and no standard model suitable for South Korea has been developed. Therefore, this study created an integral design of AVS reflecting domestic crop cultivation conditions and conducted a structural analysis for safety assessment. The shading ratio, planting distance, and agricultural machinery work of the system were determined. In addition, national construction standards were applied to evaluate their structural safety using a finite element analysis. Through this, the safety of this system was ensured, and structural considerations were put forward. It is expected that the AVS model will allow for a stable utilization of renewable energy and smart farm technologies in rural areas.

Ⅰ. 서론

최근 탄소중립과 기후변화 대응을 위한 전 세계적 노력이 이행되고 있으며, 이에 신재생에너지 활용의 중요성이 대두되고 있다 (Gielen et al., 2019; Jurasz et al., 2020; Olabi and Abdelkareem, 2022). 특히 재생에너지 분야 중 가장 널리 이용되는 기술은 태양광 발전 (photovoltaic; PV)으로, 우리나라의 경우 재생에너지 3020 이행계획(안)을 통해 2017년 기준 5.7 GW 규모의 태양광 발전을 2030년까지 36.5 GW 규모로 확대한다고 발표한 바 있다 (MOTIE, 2017; O’Shaughnessy et al., 2020; Hernandez et al., 2019). 그러나 태양광 발전은 많은 수의 모듈을 설치해야하기 때문에, 넓은 면적의 토지가 필요하다 (Lee et al., 2020). 이에 태양광 모듈을 작물 재배지 상부에 설치하여 태양에너지를 작물 생육과 전기 생산에 동시에 활용하는 영농형 태양광 시스템 (agrivoltaic system; AVS)이 주목받고 있다 (Barron-Gafford et al., 2019; Weselek et al., 2019). 이러한 새로운 재생에너지 및 스마트팜 모델은 농업과 에너지 발전을 융합한 시스템으로, Goetzberger and Zastrow (1982)에 의해 처음 고안되어 “agrivoltaics”, “agrophotovoltaics”, “solar sharing”, “PV agriculture” 등과 같이 다양한 개념으로 활발한 연구가 이어지고 있다 (Amaducci et al., 2018; Chen et al., 2019; Sekiyama and Nagashima, 2019; Al Mamun et al., 2022; Lee et al., 2019).

영농형 태양광 스마트팜 시스템은 토지의 이용효율을 극대화할 수 있으며 (Dupraz et al., 2011; Dias et al., 2019; Guerin, 2019; Zainol Abidin et al., 2021), 그늘막 형성을 통해 농작물이 재배되는 시스템 하부의 온도를 감소시키고 증발산량을 감소시켜 물 이용효율을 높이는 스마트팜 기술로 각광받고 있다 (Marrou et al., 2013; Elamri et al., 2018; Kang et al., 2021). 뿐만 아니라 상부에 설치된 태양광 모듈이 강한 강수와 폭설을 일부 막아주고, 찬바람을 막아 냉해를 줄일 수 있으며(Jeong, 2020), 무엇보다 잉여 일사량을 전기 생산에 활용하여 농작물만 재배하는 것보다 농가의 수익성을 크게 향상시킬 수 있다 (Malu et al., 2017).

영농형 태양광이 본격적으로 활성화되기 시작한 일본에서는 현재 관련 법령이 제정되어 2020년 기준 약 2,000여개소의 시스템이 운용되고 있으며, 그 외 독일, 프랑스 등 유럽에서도 관련 연구와 실증사업이 활발하게 진행되고 있다 (Nagashima, 2015; Janiak, 2017; Trommsdorff et al., 2021; Lee et al., 2022). 우리나라에서도 영농형 태양광 관련 사업과 실증재배가 지속적으로 이뤄지고 있으며, 특히 2030년까지 10 GW 규모의 농촌지역 태양광 시스템 보급 계획을 발표한 바 있다 (MOTIE, 2017). 이에 2016년에는 국내 최초로 영농형 태양광을 도입해 벼 재배에 성공하였으며 다양한 산업계와 연구기관의 실증사업 추진을 통해 2020년 기준 44개소가 설치되었다 (Lee et al., 2020). 그러나 이에 관한 지속적인 유지관리가 부족하여 실질적으로 운영되고 있는 시스템의 수는 매우 적은 실정이다. 또한, 농지법의 한계와 농민의 부정적 인식, 그리고 무엇보다 종합적인 설계에 관한 고려가 미흡하여 상용화에는 이르지 못하고 있어, 일반 농가에서 구축한 사례는 1건에 불과하다(Kim, 2020; Lee et al., 2022). 뿐만 아니라 국외에서 개발된 기술을 차용하여 그 적용성을 평가하는데 그치고 있어, 국내환경에 적합한 한국형 모델과 설계기준의 개발이 요구되고 있다.

따라서 본 연구에서는 한국형 영농형 태양광 스마트팜 기술의 확보와 시스템 구축을 위해 국내 작물 재배 및 영농조건을 반영한 종합설계를 수행하고, 이에 관한 시설물 안전을 확보하기 위한 구조해석 및 안전성 검토를 수행하며 구조설계에 관한 고려사항을 분석하였다.

Ⅱ. 재료 및 방법

1. 연구 대상지

영농형 태양광 시스템 구축 대상지는 경기도 수원시 권선구에 위치한 밭으로 (37° 15’ 56.1"N, 126° 59’ 8.8"E), 시스템에 설치되는 태양광 모듈에 의한 차광 효과를 독립적으로 고려하도록 주변 구조물 및 시설로부터 그림자가 생기지 않는 노지이다 (Fig. 1). 생산되는 전기를 자체 이용하거나 판매할 수 있도록 수배전반과 전신주가 설치된 지역 인근으로 선정하였으며, 태양광 발전에 유리한 남향에 가까운 방향으로 모듈이 설치될 수 있는 부지를 대상지로 선정하였다.

Fig. 1 Study site for installation of agrivoltaic system in Suwon, South Korea

2. 영농형 태양광 스마트팜 시스템 종합설계

영농형 태양광은 같은 부지에서 작물 재배와 태양광 발전을 동시에 성취하기 때문에, 기존 노지와 비교하여 다양한 이점이 존재한다. 특히 이는 신재생에너지를 생산하여 농업에 필요한 전기를 공급하고, 토지 및 물의 이용효율을 향상시킬 수 있는 스마트팜 기술이다. 뿐만 아니라 생산된 전기를 판매하여 추가적인 농가 소득을 발생시킬 수도 있다. 그러나 태양광 모듈이 재배지 상부에 설치되기 때문에 작물에 도달하는 일사량이 감소하여 작물 생산량이 감소할 수 있으며, 시설물이 설치되기 때문에 이를 고려한 영농작업과 안전성 확보가 이루어져야 한다. 영농과 작물 재배조건에 관한 설계 고려사항은 다음과 같이 분석되며, 이들을 반영한 시스템의 종합적인 설계를 수행하였다.

가. 차광률

영농형 태양광 시스템을 설치하게 되면 태양광 모듈에 의한 차광이 발생하기 때문에 작물 생육을 위해서는 감소하는 일사량에 관한 고려가 필수적이다. 뿐만 아니라 모듈의 밀도에 따라 발전용량이 결정되기 때문에 이들에 관한 종합적 설계가 필요하다. 본 연구에서는 차광률 (shading ratio; SR)을 식 (1)과 같이 태양광 모듈의 면적과 시스템 부지 면적의 비로 정의하였다.

\(\begin{aligned}S R=\frac{A_{\text {module }}}{A_{\text {system }}}\end{aligned}\)       (1)

where, SR : Shading ratio

A_module : Area of PV modules (m²)

A_system : Area of AVS farmland (m²)

현재 국내외에서 운영되고 있는 다양한 영농형 태양광 시스템에서 일반적으로 20∼40%의 차광률을 가지고 있는 것으로 보고된다 (Amaducci et al., 2018; Weselek et al., 2019; Kim, 2020; Zainol Abidin et al., 2021; Al Mamun et al., 2022). 작물별로 연구된 최적의 차광률은 상이하나 (Dupraz et al., 2011; Elamri et al., 2018; Sekiyama and Nagashima, 2019), 본 연구에서는 표준의 형태로 설계안을 제시하기 위해 비교적 높은 차광률을 기준으로 시스템 설계를 수행하되, 간격 변경을 통한 다양한 차광률도 함께 반영될 수 있도록 하였다.

나. 작물 재식거리

영농형 태양광 시스템의 기둥 설계 시, 그 간격이 좁으면 구조적 안전성을 용이하게 확보할 수 있지만, 하부에서의 작물 재식에 불편함을 초래할 수 있다. 반면 간격을 넓히면 영농환경을 개선할 수 있지만, 안전성이 감소하여 추가적인 부재 사용과 보강이 필요하게 된다. 따라서 시설물의 안전을 확보면서도 작물 재배가 적합하도록 시스템의 규격을 설계해야한다.

특히 밭의 경우, 대상작물별 권고되는 재식거리를 반영하여 기둥 간격을 설계해야하며, 이랑 및 고랑이 형성되기 때문에 이랑간격에 대한 고려가 필요하다. 과수의 경우에는 다년간 작물이 유지되므로 해당 간격에 따른 규격 설계가 필수적이다. 이에 따라 기둥 간격을 작물 재식거리의 배수가 되도록 설계하거나 최소 간격으로 반영되도록 하였다. 본 연구에서는 한 해 동안 두 번 수확할 수 있는 배추를 대상작물로 선정하였으며, 이에 제안되는 재식 및 이랑간격 0.9∼1.2 m를 시스템 규격 설계에 반영하였다.

다. 시스템 하부 영농작업

시스템 내부에서 농기계를 이용한 기계화 작업 시, 이들의 진입이 가능해야하며, 안전사고가 발생하지 않도록 충분한 공간을 확보해야한다. 현재 국내에서 이용되고 있는 트랙터, 콤바인, 이앙기의 최대 전폭은 각각 약 2.5, 2.4, 3.0 m이며, 이에 해당 전폭보다 넓은 기둥 간격을 확보하면서도, 선회반경과 여유폭을 고려해야한다. 또한, 트랙터를 이용한 영농작업 시 이랑의 형성이 용이하도록 이랑간격의 배수로써 기둥 간격을 설계해야하며, 농기계와 기둥의 충돌사고가 발생하지 않도록 충분한 작업공간 여유를 확보해야한다. 뿐만 아니라 트랙터, 콤바인, 이앙기의 최대 높이는 각각 약 2.8, 3.1, 2.5 m로, 이에 여유폭을 충분히 고려한 영농형 태양광 높이를 확보하도록 설계하였다.

3. 구조해석 및 안전성 검토

가. 설계하중

영농형 태양광 시스템의 시설 안전성을 확보하기 위해 구조해석을 통한 안전성 검토를 수행하였다. 본 구조설계에서는 설계하중으로 고정하중, 적설하중, 그리고 풍하중을 고려하였다. 고정하중은 SS275 (KS D 3503) 표준규격 강재의 단위중량과 태양광 모듈 및 기타 전기설비의 단위면적당 연직하중을 적용하여 산정하였다.

적설하중은 경사도계수, 평지붕 적설하중, 기본 지붕 적설 하중 계수, 노출계수, 온도계수, 중요도계수, 그리고 기본지상 적설하중을 고려하여 식 (2) 및 식 (3)과 같이 산정하였다. 이때 국가건설기준 코드 KDS 41 10 15 (MOLIT, 2019a)에 따라 관련 계수들과 연구 대상지의 기본지상적설하중 0.5 kN/m²를 적용하였다.

S_s = C_s × S_f (kN/m²)       (2)

where, S_s : Snow load acting on the sloped roof

C_s : Slope coefficient

S_f : Snow load acting on the flat roof

S_f = C_b × C_e × C_t × I_s × S_g (kN/m²)       (3)

where, C_b : Ground snow load coefficient

C_e : Exposure coefficient

C_t : Temperature coefficient

I_s : Importance factor

S_g : Ground snow load

풍하중은 식 (4) 및 식 (5)와 같이 공기 밀도, 설계 풍속, 풍속고도분포계수, 지형계수, 중요도계수, 가스트 영향 계수, 풍력계수 및 지역별 기본 풍속을 고려하여 산정하였다. 이때 국가건설기준 코드 KDS 41 10 15 (MOLIT, 2019a)에 따라 본 연구 대상지의 기본 풍속 26 m/s와 관련 계수들을 적용하였다. 또한, 하중조합 (load combination; LCB)은 강풍과 폭설발생 시나리오에 따라 Table 1과 같이 설정하였다. LCB 1의 경우 추가적인 외부하중이 작용하지 않는 경우이며, 고정하중만이 적용되도록 하였다. LCB 2에서는 고정하중과 더불어 폭설에 의한 적설하중이 함께 작용되는 시나리오이며, LCB 3∼6은 풍하중이 작용되는 시나리오로 각각 바람이 시설물에 작용하는 방향에 따라 4가지로 구분하였다. 또한, LCB 7∼10은 강풍과 폭설이 함께 작용할 때의 시나리오를 고려하였으며, 마찬가지로 풍하중의 방향에 따라 4가지로 구분하였다.

Table 1 Load combination (LCB) according to various scenarios for structural analysis

\(\begin{aligned}P_{f}=\frac{1}{2} \rho \times V_{d}^{2} \times G_{f} \times C_{f}\left(\mathrm{kN} / \mathrm{m}^{2}\right)\end{aligned}\)       (4)

where, P_f : Wind load

ρ : Air density

V_d : Design wind speed

G_f : Gust influence factor

C_f : Wind force coefficient

V_d = V₀ × K_zr × K_zt × I_w (m/s)       (5)

where, V₀ : Basic wind speed

K_zr : Wind speed profile coefficient

K_zt : Topographic coefficient

I_w : Importance factor

나. 3차원 모델링 및 구조해석

구조해석을 위해 midas Gen (©MIDAS IT, 경기도 성남시, 대한민국)을 이용하여 설계하중을 적용한 3차원 모델링을 수행하였다 (Fig. 2). 다양한 하중조합 시나리오에 따른 해석의 효율성을 위해 전체 시스템 중 2×2의 기둥 간격에 해당하는 설계유닛에 대해 모델링을 수행하였으며, 사용된 부재의 물성치는 Table 2와 같다. 고정하중은 부재 및 기타설비의 자중에 따라 중력방향으로 작용하도록 하였고, 적설하중의 경우 면하중의 형태로 태양광 모듈에 작용되도록 하였다. 풍하중은 ±X 및 ±Y 방향으로 기둥 부재와 태양광 모듈에 각각 등분포하중과 면하중의 형태로 작용되도록 하였다. 또한, 기둥 경계의 경우 고정 경계조건으로 설정하였다. 유한요소법 기반의 구조해석을 통해 각 부재에서 발생하는 축력, 전단력, 휨모멘트와 반력을 계산하고 이에 따른 응력을 산정하였다.

Fig. 2 3D structural analysis modeling of agrivoltaic system

Table 2 Physical properties of standard structural steel

다. 부재 단면 검토를 통한 구조안전성 평가

구조안전성을 평가하기 위해 본 연구에서는 허용응력설계법을 바탕으로 부재 단면의 응력 검토를 수행하였다. 영농형 태양광 시스템의 부재로는 재료의 균질성이 확보되는 표준규격의 구조용 강관을 사용하며, 환경의 불확실성이 비교적 높은 농경지에 설치되기 때문에, 검토가 용이하면서도 충분한 안전성을 확보할 수 있는 허용응력설계법을 이용하였다 (Lee et al., 2022). 이에 따라 하중조합을 반영한 구조해석 결과와 국가건설기준 코드 강구조 설계기준 (허용응력설계법) KDS 14 30 (MOLIT, 2019b)을 바탕으로 구조설계 및 안전성 검토를 수행하였다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 영농형 태양광 스마트팜 시스템 설계안

작물 재배조건과 영농형태에 관한 설계 고려사항을 반영한 영농형 태양광 시스템은 Fig. 3과 같다. 구성 부재는 기둥, 보,상부 기둥, 상부 보, 퍼린, 브레싱으로 구성되며, 이에 관한 규격은 Table 3과 같다. 상부 기둥과 상부 보는, 태양광 모듈 거치용 가대인 퍼린과 연결되어 모듈을 직접 지지하는 부재이다. 기둥의 경우 농기계 작업 시 충돌로 인한 충격 피해가 최소가 되도록 원형관을 사용했으며, 보의 경우 구조적 효율성을 확보하기 위해 H형강으로 설계하였다. 또한, 기초는 작물 재배지에 영향이 최소가 되도록 콘크리트를 배제하고, 사후관리가 용이하며 일반 태양광 발전 시설에 가장 널리 사용되는 스크류 파일을 사용하였다.

Fig. 3 Design of agrivoltaic system; the black and blue lines represent the structural member and PV module, respectively

Table 3 Specification and cross sectional characteristic of structural member

시스템 설계유닛 당 450 W 태양광 모듈 4×5 배치의 총 9 kW의 발전용량과 39.4%의 차광률로 설계되었다. 해당 모듈이 지표면과 이루는 각도는 발전의 효율성을 확보하기 위해 다양하게 변형 가능하도록 하였으며, 본 연구의 모델링에서는 충분한 효율성을 확보하며 국내에서 주로 적용되는 30°로 설계하였다 (Lee et al., 2018). 기둥 간격은 밭 이랑간격의 배수가 되면서 농기계의 너비를 고려한 진입과 작업공간 여유를 확보하도록 5.5 m로 설계하였으며, 시스템의 높이는 농기계 제원을 반영하여 안전한 진입이 가능하도록 3.8 m로 설계하였다. 기초 시공 후 로터리 및 기계화 작업 시, 트랙터가 기둥 간격을 안전하게 통과하며 농작업을 수행할 수 있으며, 재식 및 이랑간격과 트랙터 제원을 고려한 기둥 간격이 설계되어 이랑과 고랑이 시스템 내에 유휴부지 없이 형성되도록 하였다. 또한, 영농형 태양광은 그 내부에서 농작업이 진행되고 관개시설이 있어 전기사고의 위험성이 있기 때문에, 태양광 모듈 설치 시 전기안전을 위한 조치와 접지를 실시하도록 하였다.

2. 구조해석 결과

설계하중의 시나리오에 따른 하중조합을 적용한 구조해석을 수행한 결과, 비교적 큰 응력이 발생하는 주요 부재인 기둥과 보의 결과는 Table 4와 같으며, 특히 LCB 7의 하중조건에서 가장 큰 단면력이 발생하였다 (Fig. 4). 기둥의 경우, 단면력중 축력이 주요하게 발생하였으며, 특히 중력방향으로 작용하는 적설하중을 고려하였을 때 크게 나타났다. 또한, 풍하중에 의해서는 중앙부에 위치한 기둥의 하단에 큰 휨모멘트가 발생되었다. 보의 경우에는 축력보다는 휨모멘트가 주요하게 발생하였으며, 특히 태양광 모듈에 연직방향으로 작용하는 풍하중에 의해 크게 발생하였다. 또한, 두 주요 부재 모두에서 전단력은 다른 단면력과 비교하여 크게 발생하지 않았다.

Table 4 Structural analysis results of column and beam according to the load combination cases​​​​​​​

Fig. 4 Structural analysis results of agrivoltaic system under LCB 7​​​​​​​

가장 불리한 하중조합으로 분석된 LCB 7에 대한 부재별 해석 결과는 Table 5와 같다. 주요 부재인 기둥과 보에서 가장 큰 축력과 휨모멘트가 각각 발생하였고, 다른 부재들의 경우 유의미하지 않은 크기의 단면력이 발생하였다. 특히 태양광 모듈 거치용 가대로 이용되는 퍼린에서는 매우 작은 축력과 휨모멘트가 발생하여 하중의 전달 역할을 한 것으로 분석되었다.

Table 5 Structural analysis results of each member under LCB 7​​​​​​​

3. 구조안전성 검토 결과

축방향 인장 혹은 압축응력, 휨응력, 전단응력에 대해 허용 응력 검토를 수행하였으며, 이들에 관한 구조해석을 통해 도출한 응력과 허용응력을 비교하여 안전성을 평가하였다. 큰 단면력이 발생한 주요 부재 기둥 및 보의 주요 하중조합에 대한 검토 결과는 Table 6과 같으며, 모든 응력비가 1.000보다 작아 본 영농형 태양광 설계의 구조안전성을 확인하였다. 또한, 모든 부재에서의 응력비 검토를 통해 시스템 전체의 구조 안전성을 평가하였다. 그 결과, 적설하중과 풍하중이 각각 작용하는 LCB 2 및 LCB 3과 가장 불리한 하중조합인 LCB 7뿐만 아니라, 다른 하중조합 및 다른 모든 부재에서 역시 구조안전성을 확인하였다.

Table 6 Calculation and comparison of stress in column and beam with various load combination cases​​​​​​​

기둥에서는 LCB 7 적용 시, 휨응력에 대해 0.792의 가장 높은 응력비가 나타났으며, 보에서 역시 0.389의 비교적 높은 휨응력비가 나타났다. 또한, 해당 부재들 모두에서 휨응력이 다른 응력들에 비해 크게 발생하여 휨 설계에 관한 고려가 필요할 것으로 분석되었다. 특히 기둥은 하중조합별 구조해석 결과에서 분석된 바와 같이, 풍하중이 작용할 때 응력이 크게 발생하였으며, 적설하중에 의한 응력 발생은 기둥보다는 보에서 크게 나타났다. 따라서 풍하중에 대해서는 기둥의 설계에 관해, 그리고 적설하중에 대해서는 보의 설계에 관한 주요 검토가 필요할 것으로 분석되었다. 또한, 적설하중보다는 풍하중을 고려한 하중조합에서 응력비가 크게 나타나 구조안전성이 풍속에 의해 주요하게 결정됨이 분석되었다. 따라서 강풍의 조건에서 영농형 태양광의 운영 및 유지관리에 유의해야할 것으로 판단되며, 본 연구 대상지뿐 아니라 다른 지역으로의 시스템 보급 시, 풍속에 관한 설계에 충분히 대응해야할 것으로 분석된다.

Ⅳ. 결론

본 연구에서는 국내에 적합한 영농형 태양광 스마트팜 시스템의 구축을 위해 다양한 작물 재배조건과 영농형태를 반영한 시스템 설계를 수행하였다. 이를 위해 하부에 도달하는 일사량 및 발전용량에 영향을 주는 차광률과, 시설물의 규격을 결정하기 위한 작물의 재식거리 및 시스템 하부에서의 농작업을 고려하였다. 이에 따라 작성된 설계안의 안전성을 확보하기 위해 유한요소법 기반의 구조해석을 수행하고, 허용 응력설계법을 바탕으로 단면 응력 및 구조안전성 검토를 진행하였다. 이를 통해 구조적 안전성을 확인하였으며, 특히 주요 부재인 기둥과 보에서의 휨 설계에 관한 특성을 분석하였다. 뿐만 아니라 설계하중의 종류에 따라 구조물에 발생하는 응력을 분석해 하중조건별 구조적 특성 및 취약성을 분석하였다.

국내 일반 농가에서는 아직까지 농지법과 상용화의 한계로 영농형 태양광의 적극적인 도입이 지체되고 있다. 특히 체계적인 시스템 보급을 위해 반드시 필요한 설계기준과 시방서가 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서 수행된 구조해석 및 안전성 검토를 바탕으로 시설의 안전을 확보한 설계안의 지속적인 연구개발이 수행되어야 하며, 이를 통해 농촌지역의 한국형 신재생에너지 기술 확보를 가져올 것으로 사료된다. 특히 보다 다양한 환경조건을 고려한 시스템 설계를 통해 표준 모델의 개발과 농가 보급이 가능할 것으로 기대한다.

감사의 글

본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림식품기술기획평가원 (농업에너지자립형 산업모델기술개발사업)의 지원을 받아 연구되었음 (No. 321007-2).