영농형태양광 시스템의 하부 농지 차광율 분석을 위해 사용한 프로그램의 정식 명칭은 ‘Autodesk Ecotect Analysis 2011’(이하 에코텍)이며, 영국의 Welse School과 호주의 Square One Research가 협업하여 만든 시뮬레이션 프로그램이다^[5]. Fig. 1은 에코텍 프로그램으로 분석 가능한 사항을 나타낸 것이며, 이 프로그램은 사용자 인터페이스(user interface), 모델링(modelling), 분석그리드(analysis grid) 및 이를 이용해 분석가능한 건축환경 요소들, 외부 프로그램으로부터 건물의 기하학적 정보를 분석하여, 초기설계 단계에서 효과적인 의사결정을 내릴 수 있도록 설계자들에게 피드백이 가능하다. 프로그램의 주요 분석 프로세스는 일조, 일사, 채광, 열분석 등 이며, 본 연구에서는 영농형 태양광 발전 시스템 하부의 농지가 받는 일사량 분석을 위해 프로그램의 일사량 분석 기능을 활용하였다.

Fig. 1. 
Various analysis of Ecotect

영농형 태양광 발전 시스템 하부 농지 일사량 분석을 위한 에코텍 프로그램 시뮬레이션에 사용한 청주(오창) 기상데이터는 전 세계 8,300 곳의 기상관측소(Meteorological station)에서 일사량, 온도, 습도 등 8가지 기후자료 30년 치를 기반으로 만들어진 ‘Meteonorm’데이터를 활용하여 만들었다. 이 데이터는 1985년부터 스위스 Meteotest사에서 개발한 글로벌 기후 데이터베이스이다^[6].

Fig. 2는 ‘Meteonorm’ 데이터를 Energy Plus Weather (이하 EPW) 데이터로 변환하는 과정을 나타내며 후, Fig. 3은 변환된 EPW 데이터를 에코텍 기상데이터 전용 파일인 WEA 버전으로 변환하는 화면을 나타낸 것이다. EPW 데이터에는 Table 1과 같은 35개의 입력값들이 요구된다.

Fig. 2. 
Convert Meteonorm to EPW data^[7]

Fig. 3. 
EPW data conversion Ecotect screen

Fig. 4와 Fig. 5는 영농형 태양광 발전 시스템 하부 농지 일사량 분석을 위한 모듈 설계도면을 나타낸 것이며, 모델링은 시범실증 구축 단지에 설치되어 있는 36 Cell((1,946 mm × 510 mm, 3 × 12 Type), (1,459 mm × 664 mm, 4 × 9 Type)) 두 Type으로 적용하였다. Fig. 6은 영농형 태양광 발전 시스템 모듈 하부 일사량의 분포와 값을 나타내는 Section 구성도이다. 에코텍에서 가로 10 m × 세로 10 m 가상으로 생성이 가능하며, Section안에 일사량이 표시가 되는 Node를 통해 각 구역의 값이 분석된다. 이 Section을 통해 각 Node의 전체 평균값 또한 구할 수 있다.

Fig. 4. 
3 x 12 cell type module

Fig. 5. 
4 x 9 cell type module

Fig. 6. 
Solar radiation analysis section

이를 기반으로 ①모듈의 설치각도(30°, 90°) 및 높이(2~5 m), ②모듈 타입별(3 × 12 Type, 4 × 9 Type, ③모듈 형태별(일반형과 투과형) 세 가지 조건에 따른 영농형 태양광 발전 시스템 하부 농지 일사량 분석을 진행하였다. 분석되는 일사량의 단위는 kWh/m²이며, 시뮬레이션 프로그램 기상데이터는 영농형 태양광 발전 시스템 시범실증단지가 위치한 청주(오창) 기상데이터를 사용하였다.

Fig. 7 및 Table 2, Table 3은 청주지역의 기상데이터를 사용하여 모듈의 설치각이 30°, 90°일 경우, 모듈 높이(2~5 m) 및 차광율에 따른 각각의 하부 일사량의 평균을 분석한 것이며, 여기에서 차광율은 태양광발전부지면적 대비 태양광모듈 전체면적을 나타내는 개념이다^[1].

Fig. 7. 
Analysis of solar radiation by different shading ratio and height

분석결과 모듈 설치각도 30° 보다는 90°로 설치되는 것이 하부 농지에 일사량을 더 많이 주는 것으로 분석되었으며, 30°와 90° 모두 설치 높이가 높아질수록, 차광율이 낮을수록 대체적으로 하부 농지에 전달하는 일사량이 높은 것으로 나타났다. 이는 태양의 고도에 따른 일사량의 차이 때문으로 고찰된다. 90도의 경우 태양의 고도가 가장 높은 여름철에 3 m와 4 m의 설치 높이가 일사량에 미치는 영향이 미미하므로 경제성을 고려하여 3 m로 제안 할 수 있다.

Fig. 8 및 Table 4는 청주지역의 기상데이터를 적용하여 동일한 차광율일 때 3 × 12 Type과 4 × 9 Type에 따른 각각의 하부 일사량의 평균을 분석한 것이다. 분석결과 계절별 일사량 값의 오차는 거의 차이가 나지 않는 것으로 나타났다. 이 결과를 토대로 경제적 관점에서 보았을 때 농지의 형태가 한쪽으로 길 경우 3 × 12 Type, 폭이 좁을 경우 4 × 9 Type을 사용하는 것으로 제안 할 수 있다.

Fig. 8. 
Analysis of solar radiation by module size

Fig. 9 및 Table 5는 청주지역의 기상데이터를 적용하여 동일한 차광율, Cell 이격거리(30 mm)일 때 일반형과 투과형 각각의 하부 일사량의 평균을 분석한 것이다. 일반형 모듈은 후면재로 흰색 Back sheet를 사용하여 빛의 투과율이 낮지만, 이를 투명 Back sheet로 대체하여 빛의 투과율이 높도록 한 것이 투과형 모듈이다.

Fig. 9. 
Analysis of solar radiation by general and transparent modules

분석결과 계절별 일사량 최소 10.8%, 최대 15.4%까지 투과형 모듈이 일반형 모듈보다 하부 농지에 전달하는 일사량이 높은 것으로 분석되었다. 따라서 광포화점이 높은 작물이 재배되는 농지에서는 투과형 모듈로 영농형 태양광 발전 시스템을 구성하는 것이 유리하다.