착색한 반투명 태양전지 패널로 '태양광발전을 하면서 작물을 재배'...농업의 효율성이 향상될 가능성

by National Renewable Energy Lab

지주 등으로 태양광발전을 하는 태양전지 패널을 높은 위치에 설치하고, 그 아래의 공간에서 농업을 하는 형태를 '영농형 태양광발전'이라고 하며, 발전과 농업을 결합하여 수익을 창출 수 있습니다. 영국과 이탈리아 연구팀이 실시한 실험은 일반적인 태양광 패널이 아닌 '착색한 반투명 태양전지 패널'을 사용하는 것으로, 영농형 태양광발전의 효율성을 향상시킬 가능성이 보였다고 합니다.

Tinted Semi‐Transparent Solar Panels Allow Concurrent Production of Crops and Electricity on the Same Cropland - Thompson - - Advanced Energy Materials - Wiley Online Library
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202001189

Maximize production of electricity and crops—tinted semitransparent solar panels for agrivoltaics | The American Ceramic Society
https://ceramics.org/ceramic-tech-today/environment/tinted-semitransparent-solar-panels-for-agrivoltaics

Maximize production of electricity and crops—tinted semitransparent solar panels for agrivoltaics | The American Ceramic Socie

영농형 태양광발전이 제창된 것은 1981년의 일입니다만, 최근 태양광발전의 효율이 상승하고 소규모 농가의 경제적 압력이 강해진 것을 받아 다시 주목받고 있습니다. 영농형 태양광발전은 태양전지 패널을 가득 늘어놓는 것이 아니라, 적당히 간격을 두고 배치함으로써, 하부 공간에도 태양광이 도달해 작물의 생장에 필요한 빛을 확보할 수 있게 합니다.

태양광발전과 농업을 결합해서 얻는 장점으로 들 수 있는 것은 발전과 농업이라는 두 가지 방법으로 수익을 창출하여 경제적으로 안정될 것이라는 점뿐만이 아닙니다. 농지 위에 일렬로 세워진 태양전지 패널에 의해 작물이 극단적인 바람과 온도 변화로부터 보호되는 점이나 농작물에 주는 물의 냉각 효과가 태양전지 패널의 과열을 완화하는 점도 영농형 태양광발전 장점으로 꼽히고 있습니다.

한편, 태양전지 패널에 의해 햇빛이 일부 차단되어, 식물에 도달하는 빛의 양이 절대적으로 감소하기 때문에 작물의 수확량이 일반 재배시와 비교하여 감소하는 점은 영농형 태양광발전의 단점이라고 할 수 있습니다. 태양전지판 아래에서 재배된 상추는 정상적인 조건에서 재배된 경우에 비해 수확량이 15~30% 감소하는 것으로 나타나고 있으며, 일본에서 실시된 실험에서는, 영농형 태양광 조건에서 토마토 수확량이 10% 감소했다고 합니다.

그래서 영국과 이탈리아의 연구진으로 구성된 연구팀은 '태양전지 패널을 투과하는 빛의 파장'을 제어함으로써 영농형 태양광발전의 농업 효율을 향상시키는 방법 찾기에 임했습니다 .

식물은 햇빛을 사용하여 광합성을 하고 있습니다만, 태양광에 포함된 모든 빛의 파장이 광합성에 사용되는 것은 아닙니다. 식물의 주요 광합성 색소인 엽록소는 주로 적색과 청색 파장의 빛을 흡수하여 광합성을 하지만, 녹색 파장의 빛은 흡수하지 않고 반사합니다.

기존의 영농형 태양광발전에 사용되는 태양전지 패널은 반투명이며, 균일하게 빛을 흡수하여 식물에 닿는 빛을 감쇠시키고 있었습니다. 연구팀은 반투명 태양전지 패널을 착색하여 식물에 닿는 빛의 파장을 조절하면 영농형 태양광발전의 농업의 효율성을 개선할 수 있을지도 모른다고 생각했다고 합니다.

이에 연구팀은 청색과 녹색의 파장을 우선적으로 흡수하고 적색 파장의 빛은 통과시키는 반투명 태양전지 패널을 제작하였습니다. 이 특별한 태양전지 패널과 투명한 유리 패널로 영농형 태양광발전 환경을 만들어, 바질과 시금치를 재배하고 성장 정도를 비교했습니다.

특수 태양전지 패널을 설치한 경우, 그 아래에서 재배되고 있는 바질과 시금치에 닿는 태양빛이 최대 57% 감소함에 따라 수확량이 급감할 것으로 예상되었습니다. 그러나 실제 수확량을 투명한 유리 패널에서 재배한 경우와 비교하면, 바질은 약 15%, 시금치는 약 26%밖에 감소하지 않았습니다. 이 결과에 대해 연구팀은 개발된 태양전지 패널이 광합성에 사용되는 적색의 빛을 통과시킴으로써 광합성의 효율이 상승한 것이 이유라고 설명하고 있습니다.

일반 재배와 비교하면 시장에 출하되는 부위의 수확량은 감소했지만, 영농형 태양광발전은 발전에 의한 수익도 기대할 수 있습니다. 연구팀은 "우리의 실험 데이터는 영농형 태양광발전은 기존의 전통적인 농업과 비교하여 바질 2.5%, 시금치 35%의 경제적 이익의 증가를 가져올 수 있다는 사실을 보여줍니다"라고 말하며 특수한 태양전지 패널을 사용한 영농형 태양광발전이 수익의 증가로 이어질 수 있다고 주장합니다.