Research Article

Journal of the Korean Solar Energy Society. 28 February 2023. 13-22
https://doi.org/10.7836/kses.2023.43.1.013

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 독립지주형 영농병행 태양광 발전 시스템 개발

  •   2.1 독립지주형 태양광 구조물 개발

  •   2.2 시스템 하부 작물 재배 방법

  • 3. 블루베리 생육 특성 및 소득 분석

  •   3.1 블루베리 생육 특성 분석 결과

  •   3.2 발전량 분석

  •   3.3 경제성 분석

  • 4. 결 론

1. 서 론

정부는 재생에너지의 3020 이행계획에 맞추어 2030년까지 재생에너지에 대한 발전 비중을 20%까지 확대하기로 하면서 재생에너지 보급 목표 달성 및 보급 확대를 위해 신재생에너지 확대 추진을 공언하였다. 특히, 태양광 분야에서는 농촌지역에 2030년까지 태양광 10 GW (1.3만 ha)를 신규 공급할 계획이며, 이는 전체 신규 설비용량(48.7 GW)의 20%에 해당한다1,2). 국내의 신재생 보급 목표 달성에는 농업병행 태양광이 유력한 대안이며, 현재 농업분야에서는 고령 인구의 증가, 젊은 층의 감소로 인한 영농승계 어려움, 고금리로 인한 투자 위축으로 소득, 수출, 성장률에 대한 정체 등 지속적인 농업환경의 악화로 위기에 처한 농가문제 해결이 필요한 시점이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 한국수력원자력(이하, 한수원)과 협업하여 독립지주식 영농병행 태양광시스템 개발을 수행하고 있으며, 태양광 시스템 하부에는 고부가가치 작물인 블루베리를 재배하여 농가 소득 증진 및 태양광 보급 확대에 기여하고자 하였다.

기존의 국내 연구 동향을 살펴보면, Kim and Choi (2019)3)는 태양광 발전의 사업 효과를 파악하기 위해 수익성과 위험성에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 영농형 태양광의 경제성 분석을 수행하지 않았지만 농촌 태양광을 활용하여 문제점을 보완 및 완화할 수 있는 부분들을 제시하였다. Byun (2021)4)은 농촌 태양광 보급을 통하여 농가소득에 미치는 영향을 분석하였다. 공인인증서 REC와 계통한계가격 SMP 가격 하락을 통한 분석 결과로 수익성이 낮아질 수 있기 때문에 한국형 발전차액지원제도 FIT 적용을 통한 농촌태양광의 안정적 수익성과 초기투자 자본 및 관리운영비 부담을 경감시킬 수 있는 인센티브 방안이 모색될 필요가 있다고 주장하였다. Soon (2021)5)은 영농형 태양광 설치를 위한 금융과 전력 지원의 변화가 농가소득에 미치는 영향을 분석하였다. 단순 농가소득 산출모형을 통해 영농형 태양광 설치로 인한 생산성 저하와 농가소득 변화에 대한 사전적 영향분석을 제시하였다. Kim and Kim (2021)6)은 한국과 같은 온대 기후 지역에서 APV 시스템의 성능 평가 모델 개발에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 기존 모델, PR (Polynomial regression)과 DL (Deep learning)의 두 가지 주요 기계학습(ML; major machine learning) 기술을 고려하였다. 그 결과, DL 모델이 가장 좋은 예측 결과를 나타내었지만, 다른 모델들도 전력 생산에서 정확한 예측 결과를 나타냄을 확인하였다. Gonocruz et al. (2021)7)은 일본의 농업발전시스템에 대한 벼 수확량을 분석하는 연구를 수행하였다. 그 결과, 농업 설비에 대하여 허용가능한 차광율의 상한선은 27 ~ 39% 범위이며, 이때 쌀 수확량의 최소 80%를 유지할 수 있음을 확인하였다. Kim et al. (2021)8)은 다양한 차광율(21.3%, 25.6%, 32%)에서 단면형과 양면형의 APV 시스템 구조에 대한 연구를 수행하였다. 그 결과, 차광율이 21.3%인 양면형 태양광 모듈이 가장 수익성이 좋은 APV 시스템임을 확인하였다.

기존 논문에서는 영농형 태양광 발전량이나 하부 음영부분만 개별적으로 확인하였을 뿐 고부가가치 작물과 태양광 발전의 경제적 가치에 대한 종합적인 실증과 분석에 대한 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 독립지주형 영농형 태양광 개발 및 실증을 통한 발전 시간, 월별 발전량 분석과 시스템 하부 고부가가치 작물인 블루베리 재배 실증을 통한 소득 분석을 통하여 100 kW급의 소규모 영농형 태양광 모델에 적용했을 시에 발생하는 순수익을 지표화하여 경제성을 분석하였다.

2. 독립지주형 영농병행 태양광 발전 시스템 개발

2.1 독립지주형 태양광 구조물 개발

독립지주형 영농병행 태양광발전시스템은 농지 표면으로부터 4 m 높이와 구조물간 5 m 간격을 유지하면서 기둥(컬럼)을 독립 지주화 하고 일반 범용모듈을 채용하여 세로배치 형태로 집적화 시키고 일반 모듈 72 cell 모듈 4매를 세로로 집중배치 되어 중도리 및 세로 수평빔을 설치하는 단순한 구조이다. 또한, 기존의 영농형 시스템은 안전성 등을 고려하여 과 설계된 부분이 있지만, 독립지주식 영농병행 태양광의 경우 보급이 용이한 구조로 설계 되었다.

현재 개발 중인 PV 규격 및 배치에서 시스템 하부의 작물 감수율은 20% 이하를 목표로 하고 있으며, 음영에 의한 차광률은 30%를 초과하지 않도록 하고 있다9). 개발 구조물은 16.38 kW로 하부 작물에 대한 차광율을 최대 30%를 기준으로 455 Wp급 일반형 태양광 모듈(6×12 cell Tpye) 36매를 적용하였다. 인버터는 3상 20 kW급 1대를 설치하였고, 태양광 모듈 어레이는 12직렬 3병렬로 구성하였다. 또한 본 연구에서 적용된 시스템 구조물은 >32 m/s에 맞춰 내풍압 강도 및 적설하중 등을 고려하여 설계하였으며, 실증 구조물은 전라남도 나주시 용산동에 설치하였다. Fig. 1에 본 연구에서 개발한 영농형 태양광 시스템의 모형도 및 설치사진을 나타내었고, Table 1은 설치된 모듈의 주요 사양을 나타내었다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/kses/2023-043-01/N0600430102/images/kses_2023_431_13_F1.jpg
Fig. 1

Model drawing and installation photos of Independent pillar type agrophotovoltaic

Table 1

Specification of photovoltaic module

Cell 6×12
Cell type Single crystal Si
Module size (L×W×H) 2,171×1,030×35 [mm]
Pmp : maximum power 455 [W]
Module Efficiency 20.4 [%]
Voc : open circuit voltage 53.22 [V]
Isc : short circuit current 10.67 [A]

2.2 시스템 하부 작물 재배 방법

블루베리 실증단지에 관수/양액 시스템을 Fig. 2와 같이 설치하였고, 과수 1주당 급수 및 양액 공급이 가능하도록 구축하였다. 2 ton 용량의 물탱크를 설치하여 라인별로 PE배관을 및 피팅호스를 통해 급수를 시행하도록 하였으며, 용수의 공급은 양수 펌프를 통해 급수지로부터 용수를 가져올 수 있도록 하였다.

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Fig. 2

Diagram and photo of irrigation system

효과적인 블루베리의 생육 분석을 위하여 농촌진흥청 ‘농업기술길잡이’를 근거로 주당 배치간격은 1.25 m × 1.5 m로 설정하였다10). 시스템 하부에서 재배하는 블루베리의 품종은 오닐, 6년생으로 ’21년도 8월에 식재하여 영농형 하부 실험군 및 노지 대조구의 수량을 56주로 동일하게 하여 Fig. 3과 같이 배치하였다. 대조군의 블루베리는 실험군의 상부 태양광 음영에 미치지 않게 이격거리 바깥에 배치하였고, 품종 및 배치간격은 실험군과 동일하게 설정하였다. 식재 후, 약 1년간 블루베리 재배를 통하여 수확기인 ’22년 6월과 7월에 총 2회에 걸쳐 수확한 블루베리를 대상으로 생육 특성 분석 및 10 a당 생산량을 조사하였다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/kses/2023-043-01/N0600430102/images/kses_2023_431_13_F3.jpg
Fig. 3

Arrangement of blueberries under the system

여기서 생육 특성 조사에 활용한 분석 장비로 당도, 산도, 과중, 횡·종경을 분석하였고, Fig. 4에 사용한 장비를 나타내었다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/kses/2023-043-01/N0600430102/images/kses_2023_431_13_F4.jpg
Fig. 4

Blueberry growth characteristics investigation equipment (From the left Electronic scale (KS-280), Digital calipers (SD500-150pro), Saccharimeter (scm-1000), Acidometer (PAL-Easy ACID12)

3. 블루베리 생육 특성 및 소득 분석

3.1 블루베리 생육 특성 분석 결과

영농형 태양광은 태양광 발전과 영농을 함께 할 수 있는 장점이 있으며, 경제성 확보를 위해서는 태양광 발전량뿐만 아니라 하부 작물에 대한 생육 특성이 대조군 대비 크게 저하되지 않아야한다. 따라서, 영농형 태양광 하부의 생육 작물에 대한 생육특성을 분석하는 것은 중요하며, Table 23에 1차와 2차 수확한 블루베리의 생육 특성 결과를 나타내었다. 1차와 2차에 수확한 블루베리의 생육 조사 결과 실험군의 과 대조군의 횡경, 종경, 당도, 산도는 유의미한 차이가 없었지만, 2차 수확한 블루베리의 당도는 1차 수확한 블루베리 당도보다 높게 나타났다.

시험구 배치법에 따라 자료 해석이 달라질 수 있으나, 난괴법 4반복을 사용하여 블루베리의 주당 착과수를 분석한 결과 실험군의 착과수는 663.1주, 대조군의 착과수는 767.1주로 분석되었다. 이는 영농형 태양광 발전 모듈의 차광으로 일사량이 감소되어 블루베리 꽃 개화시기가 지연된 것으로 판단된다.

Table 2

Blueberry 1st Harvest Result

1st
(’22. 6. 10.)
Number of fruits
(per fruit tree)
Weight
(g)
Transverse Width
(mm)
Longitudinal
Width (mm)
Sugar content
(°Bx)
Acidify
APV 663.1 2.2 13.22 17.02 10.5 0.35
Control 767.1 2.2 13.12 16.72 10.7 0.31
Table 3

Blueberry 2nd Harvest Result

2nd
(’22. 7. 4.)
Number of fruits
(per fruit tree)
Weight
(g)
Transverse Width
(mm)
Longitudinal
Width (mm)
Sugar content
(°Bx)
Acidify
APV 663.1 2.3 13.14 16.23 11.0 0.30
Control 767.1 2.5 13.51 16.54 11.3 0.26

3.2 발전량 분석

16.38 kW의 독립지주식 영농병행 태양광발전 시스템을 ’21년 12월부터 ’22년 11월까지 1년간 발전량 모니터링을 수행하여, Table 4에 발전량 및 발전시간, 성능비(Performance Ratio, 이하 PR)를 분석한 결과를 나타내었다. 해당 기간의 일일 평균 발전시간은 약 3.97시간이며, 연간 누적 발전량은 21,066.3 kWh, 그리고 월간 평균 발전량은 1,755.53 kWh로 각각 조사되었다.

Table 4

Independent pillar type agrophotovoltaic power generation monitoring analysis data

Step AC power generation
(kWh/month)
Theoretical power genertaion
(kWh/month)
Monthly average power
generation hours (h)
PR
’21. 12. 1,290.6 1,431.94 2.82 90.13
’22. 1. 1,586.7 1,761.997 3.30 90.05
’22. 2. 1,579.5 1,756.591 4.02 89.92
’22. 3. 1,812.6 1,960.031 3.97 92.48
’22. 4. 2,295 2,550.366 5.19 89.99
’22. 5. 2,572.2 2,858.801 5.63 89.97
’22. 6. 1,844.1 2,049.138 4.17 89.99
’22. 7. 1,730.7 1,924.486 3.79 89.93
’22. 8. 1,429.2 1,586.894 3.46 90.06
’22. 9. 1,674.9 1,862.406 3.79 89.93
’22. 10. 1,824.3 2,026.042 3.99 90.04
’22. 11. 1,426.5 1,586.894 3.46 89.89
Average 1,755.53 1,946.30 3.97 90.20

실증 결과 일일 평균 발전시간은 3.97 h로 전국평균 발전시간 3.6 h 대비 0.37 h으로 다소 높게 나타났으나 지역별 차이를 고려하되, 이후 경제성 분석에서 활용할 전력판매수익(SMP 및 REC)의 기준 값으로 사용하였다. 월 평균 발전시간은 발전설비의 정격용량과 발전일수를 곱한 값에 월간발전량의 비로 나타내었으며, 식(1)과 같다. PR 값은 태양광발전 설비의 성능저하의 지표 값으로써 이론적 발전량에 대한 실제 발전량의 비로 정의하여 계산하였으며, 식(2)와 같다.

(1)
발전시간(h)=월간발전량(kWh)발전설비용량(kW)×발전일
(2)
PR(PerformanceRatio,성능비)=누적AC발전량(kWh)발전설비용량(kW)×발전일수×발전시간(h)

3.3 경제성 분석

영농형 태양광의 농업소득 및 경제성 분석을 위해서는 재배 작물의 생산량과 발전량에 의한 발전소득 모두를 고려하여 계산되어야 한다. 이에 본 연구에서는 재배 작물인 블루베리에 대한 생산량과 발전소득 모두를 고려하여 계산하였다. 먼저, 블루베리 생산량(kg/10a)은 수확과 평균 과중에 착과수와 재식주수를 곱하여 계산하였으며, 식(3)과 같다. 영농형 태양광을 적용하기 위해서는 기준조건이 100 kW이며, 이에 해당하는 농지는 600평(1,983.47 m2, 20 a)이다. 따라서 본 연구에서 재배한 시험구 블루베리는 총 56주(63평, 208 m2)이며, 56주에서 생산된 블루베리 생산량을 기반으로 100 kW에 해당하는 600평의 농지에서 생산되는 블루베리 총 532주에 적용하여 블루베리 생산량을 조사하였다.

블루베리의 kg당 가격은 1차 수확시기와 2차 수확시기에 대한 서울농수산식품공사(가락시장)의 데이터를 활용하여 계산하였고11), 이에 따라 1차 수확분(’22년 6월 10일) 평균가격은 41,730원, 2차 수확분(’22년 7월 4일) 평균가격은 27,310원으로 나타났으며, 농촌진흥청 농산물 소득조사의 통계정보 자료를 활용한 경영비를 제외한 최종소득을 산출하여 Table 56에 나타내었다. 1차 수확의 최종 소득은 12,915,934원, 2차 수확의 최종 소득은 7,601,770원으로 나타났으며, 이는 시기별 판매된 블루베리 가격의 차이로 판단된다. 블루베리의 농업소득은 1차와 2차 수확분에 10 a당 최종 소득의 평균값인 10,258,000원이며, 20 a를 적용한 최종소득은 20,517,000원으로 계산하였다.

(3)
블루베리생산량(kg/10a)=과중(g)×과수×재식주수(/10a)
Table 5

1st harvest of blueberries Economic analysis data (Standard : 1 cycle per year/10a)

1st
(’22. 6. 10.)
Number of
fruits
(per fruit tree)
Quantity
(g/per fruit
tree)
Production
(kg/10a)
Revenue
(won)
Management
expenses
(won)
Income
(won)
Income rate
(%)
APV 663.1 1,455 387 16,249,734 3,333,800 12,915,934 79.48
Control 767.1 1,660 441 18,541,820 3,333,800 15,208,020 82.02
Table 6

2nd harvest of blueberries Economic analysis data (Standard : 1 cycle per year/10a)

2nd
(’22. 7. 4.)
Number of
fruits
(per fruit tree)
Quantity
(g/per fruit
tree)
Production
(kg/10a)
Revenue
(won/10a)
Management
expenses
(won/10a)
Income
(won/10a)
Income rate
(%)
APV 663.1 1,523 405 10,935,570 3,333,800 7,601,770 69.51
Control 767.1 1,926 512 13,834,946 3,333,800 10,501,146 75.90

영농형 태양광의 경제성 분석을 위하여 100 kW에 해당하는 발전수익을 분석하였으며, 전력생산을 통한 수익비용 계산을 위한 기준 값은 Table 7과 같이 정리하였다.

2021 ~ 40년 비용을 총 상환기간 20년에 맞추어 산출하고 경제성 분석을 수행하였으며, 이를 Table 8에 나타내었다. 100 kW급 소규모 영농형 태양광을 설치하는데 1.9억 원이 든다면, 자기자본은 1천900만 원에 나머지 대출 이자율은 2.5%, 거치기간 1년에 원리금상환기간 19년으로 설정하고, 유지보수비(안전관리비 포함)는 설치비의 0.7%인 133만원, 보험료 50만원으로 설정하였을 경우 매년 드는 비용을 나타낸다.

20년 동안의 연 평균 발전량은 설치용량 99.9 kW기준으로 발전 일수 365일에 평균 발전시간 3.97시간을 곱하고, 인버터 효율 99%와 발전 효율 경감율 1%/년을 적용하여 130,481 kWh로 산출하였다.

총 전력수익은 2022년도 한국형 FIT 매전 가격인 171원 /kW (SMP+REC 가중치 1.2를 곱한 단가)와 20년 평균 발전량을 곱하여 계산하였고, 이에 따른 총 전력수익은 22,312,000원으로 산출되었다. 여기서 원리금상환가와 대출이자, 유지보수비용, 보험료는 평균 12,441,000원으로 차감하면 평균 수익금액은 9,872,000원으로 산출되나 SMP 및 REC 가격 변동에 따라 전력생산 수익이 크게 달라질 수 있다.

Table 7

99.9 kW Economic analysis standard value

Capacity
(kW)
Total area for
Agri-PV
(m2)
SMP price
(won/kWh)
REC price
(won)
REC ratio Average power
generation
hours (h)
Inverter
efficiency
(%)
Power generation
efficiency decrease rate
(%/year)
99.9 1,983.47 81 75 1.2 3.97 0.99 -1
Table 8

99.9 kW A-PV generation profit analysis

Variable Analysis data
Financial support Total investment amount
[To build photovoltaic]
190 [million won]
Self-pay 19 [million won]
Interest rate 2.5 [%]
Repayment period Hold period 1 year, Repayment of principal and interest 19 years
Power generation revenue
(20 year average)
power generation 130,481 [kW]
SMP + REC 171 [won/KW]
Total generation cost 22,312,000 [won]
Expenditure
(20 year average)
Principal repayment 8,123,000 [won]
Loan interest 2,447,000 [won]
Maintenance cost 1,371,000 [won]
Premium 500,000 [won]
Total expenditure 12,441,000 [won]
Power generation income
(20 year average)
Net profit 9,872,000 [won]
APV Farm income
(blue berry)
Based on 20 a 20,517,000 [won]
Control Farm income
(blue berry)
Based on 20 a 25,709,000 [won]

4. 결 론

본 연구에서는 20 kW급 독립지주형 영농형 태양광 실증 및 작물 생육 평가 데이터를 기반으로 일반적으로 사용되는 100 kW의 영농형 태양광 모델에 적용하여 발생되는 경제성 분석을 수행하였다. 그 분석 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 블루베리의 생육 조사 결과 실험군의 과 대조군의 횡경, 종경, 당도, 산도는 유의한 차이가 없었지만, 2차 수확한 블루베리의 당도는 1차 수확한 블루베리 당도보다 높게 나타났다. 또한, 실험군의 착과수는 663.1주, 대조군의 착과수는 767.1주로 분석되었다. 이는 영농형 태양광 발전용 모듈 차광에 의한 일사량 감소로 블루베리 꽃 개화 시기가 지연된 것으로 판단된다.

(2) 고부가가치 작물인 블루베리의 20 a당 평균소득은 20,517,000원으로 산출되었다. 100 kW급의 영농형 태양광의 연 발전량은 130,481 kWh로 산출되었으며, 총 발전대금은 22,313,000원이고, 순수익은 9,872,000원으로 나타났다.

(3) 영농형 태양광 시스템의 고부가가치 작물을 통한 수익은 20,517,000원이며, 발전을 통한 순수익은 9,872,000원으로 작물 생산을 통한 농업 소득이 더 높은 것으로 확인되었다.

본 연구를 통하여 고부가가치 작물인 블루베리의 농업수익 분석결과 발전수익 비용보다 높아 영농형 태양광 하부에서는 고부가가치 작물을 재배하는 것이 유리함을 시사한다.

Acknowledgements

본 연구는 농림축산식품부의 재원으로 농림식품기술기획평가원의 농업에너지 자립형산업모델 기술개발사업의 지원(321005-02-2-HD020)과 한국수력원자력의 재원으로 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(No. L20S071000).

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