Journal of Korean Society of Agricultural Engineers. 2024. 27–36
https://doi.org/10.5389/KSAE.2024.66.6.027

ABSTRACT


MAIN

Ⅰ. 서 론

최근 화석연료의 무분별한 사용으로 자원의 고갈과 환경문제가 야기되면서 신⋅재생에너지가 화석연료의 대안으로 떠오르고 있으며(GRI, 2016), 지구 온난화에 대한 위험의 국제적인 대응을 위해 탄소중립목표를 수립하고 다양한 정책, 투자를 통해 노력하고 있다 (Lee and Kim, 2023). 이에 따라 국내에서는 원전 및 신재생 등 무탄소 전원을 이용하여 균형 있게 활용하여 국가온실가스 감축목표 (Nationally Determined Contributions, NDC)를 2018년 727.6백만톤 대비 40% 감축하여 2030년 436.6백만톤으로 확정하였다 (PCCNGG, 2023). 국가차원의 정책수립과 더불어 민간차원에서도 재생에너지 전환을 위해 국제 비영리 환경단체를 중심으로 RE100캠페인이 실시되고 있는 2024년 4월 기준으로 Google, Apple 등 426개의 글로벌 기업이 참여하고 있고, 국내기업은 LG전자, 삼성전자, 네이버 등 36개 기업이 참여하고 있다. 참여기업들에게는 2050년까지 해당기업의 전력사용량을 100%재생에너지 사용을 의무화하고 있고, 전환에너지에 대한 실적이 미진할 경우에는 국내기업의 수출경쟁력 약화를 초래할 수 있는 상황이다 (KEI, 2023; Kang et al., 2024).

이에, 농업⋅농촌 부문에서도 2050 농식품 탄소중립 추진 전략을 발표하였고, 탄소중립 목표 달성을 위해 저탄소농업 활성화와 함께 농촌 재생에너지 보급 목표가 설정되었다. 농업⋅농촌 부문에서는 태양광발전이 재생에너지 확산에 핵심적인 역할을 계획하고 있으며, 주민참여형 및 수익 공유형 모델을 제시하고 있다 (Kim and Cho, 2024).

태양광 및 풍력 재생에너지 중심으로 발전시설을 확보하여 지역주민 및 일반국민이 참여할 수 있는 주체별 국민 참여형 발전사업을 통해 2017년 기준 15.1GW에서 2030년 63.8GW까지 설비용량을 끌어올려 목표를 달성할 계획이다 (KEI, 2018a). 이에 농촌지역의 태양광 활성화를 위하여 농사와 태양광 발전을 병행할 수 있는 영농형 태양광 신규도입을 검토하고 있으며, 농촌 태양광 활성화를 위해 수용성⋅환경성을 사전에 확보하여 계획입지제도를 도입해 간척지 및 영농형 태양광 보급 등을 추진을 제시하고 있다 (KREI, 2018). 태양광 발전시설을 육상에 설치할 경우 부지 확보로 인해 농지, 산림 등 훼손에 대한 문제가 발생하여 2018년 산업통상자원부에서 자연환경파괴를 방지하기 위해 임야에 태양광 발전시설 설치를 금지하여 육상 태양광 설치에 한계가 있는 실정이다 (Jeong et al., 2019).

수상태양광을 설치할 경우 육상 태양광의 자연환경파괴에 대한 부정적인 시각을 해소할 수 있는 장점이 있고, 수질환경에도 영향이 미미한 것으로 보고하고 있는 상황이다(Lee et al., 2017). 500 kW급 수상태양광 발전시설을 설치하여 2011년부터 2019년까지 환경모니터링 4회를 실시한 결과 환경적으로 부정적인 영향은 나타나지 않았다고 하였다 (KEI, 2020). 또한, 수상태양광에서 퇴적물 내 중금속 용출 분석 및 용출 실험결과 수질과 수생태계에 미치는 영향이 미미하며, 수상태양광 설치로 인한 녹조저감 가능성 및 집어효과를 확인할 수 있었다고 언급하였다 (Ahn et al., 2021). 그러나, 수상태양광 설치 시 경관훼손 및 수질오염 등이 우려되어 설치 면적 축소 및 태양광 설치에 대한 반대가 지속적으로 발생되고 있으며, 설치면적에 대한 가이드라인이 필요하다고 제시하였다 (Lee and Kim, 2020).

수로태양광은 수로 위에 태양광 발전 시스템을 설치하여 에너지-물-식량의 연계를 해결하기 위한 새로운 기술이고, 육상태양광에서 발생하는 자연환경파괴, 농지잠식에 대한 문제점을 해소하고, 토지를 효율적으로 활용할 수 있는 장점이 있다 (Sairam and Aravindhan, 2020). 국내에는 수로태양광 시스템이 도입 초기단계에 있으며(Park, 2010), 그 효과 및 영향에 대한 연구가 충분하지 않은 실정이다. 특히, 수로 태양광 시스템이 수질, 토양 및 수생태계에 미치는 영향에 대한 정량적인 연구가 부족하며(KEI, 2009), 증발량 억제 효과, 수질 개선 효과 등에 대한 명확한 검증이 필요하다. 또한, 수로 유형, 태양광 패널 종류, 설치 면적, 주변 환경 조건 등 다양한 요인이 수로 태양광 시스템의 효율성에 미치는 영향에 대한 심층적인 분석이 필요하다.

이에 본 연구는 전북특별자치도 부안군에 위치한 수로 태양광 시스템 테스트베드를 대상으로 수로 태양광 시스템이 토양 및 수질에 미치는 영향을 분석하고, 태양광 패널 설치에 따른 증발량 억제 효과를 정량적으로 분석하였다. 이를 통해 수로 태양광 시스템의 환경적 영향을 평가하고, 물 절감 효과를 검증하여 수로 태양광 시스템 보급 및 확대를 위한 기초자료를 제공하는데 그 목적이 있다. 본 연구결과는 향후 국내 수로태양광 도입 시 수생태계 환경에 대한 영향분석과 태양광 설치로 인한 수로의 수면 증발 방지에 대해 보다 정량적인 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

Ⅱ. 재료 및 방법

1. 테스트베드 위치 및 처리구 배치

수로 태양광의 적용성을 파악하기 위한 테스트베드는 전북특별자치도 부안군 하서면 신재생에너지테마파크 부지 내 (위도 35˚71′21″, 경도 126˚59′83″)에 위치하고 있다 (Fig. 1). 대상 지구에서 수로 태양광 모듈은 경관을 고려하여, 풀아치형 (남북, T-1), 반 아치형 (T-2) 등 2가지의 형태로 구성하였다 (Fig. 2). 수로 태양광 모듈 및 계측장비는 2022년 11월 5일부터 2023년 5월 12일까지 설치하였다.

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Fig. 1

Location of canal solar module experimental field

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Fig. 2

Layout of solar module by arch type

2. 토양 및 수질 분석

국내 「폐기물관리법 시행규칙」에 지정폐기물에 함유된 유해물질의 기준에 구리 (Cu)는 3 mg/L, 납 (Pb)은 3 mg/L, 카드뮴 (Cd)은 0.3 mg/L, 비소 (As)는 1.5 mg/L, 수은 (Hg)은 0.005 mg/L, 6가 크롬 (Cr6+)은 1.5 mg/L이상 용출시 유해물질로 기준하고 있다 (MGL, 2024). 국내에 보급된 태양광 폐 패널 시료 4종을 확보하여 중금속 (Cu, Pb, Cd, As, Hg, Cr6+)에 대한 용출 분석결과 유해물질 판단기준 이하로 검출되었고, 납 (Pb)은 0.064~0.541 mg/L의 범위, 비소 (As)가 0.08~0.138 mg/L 범위로 검출되었다고 하였다 (KEI, 2018b). 이에 태양광 패널을 통해 토양 및 수질에 미치는 영향을 파악하기 위해 토양의 경우 중금속 7개 항목, 수질은 중금속 7개 항목과 수질환경평가시 이용되는 5개 항목 등 12개 항목을 분석하였다. 토양 및 수질환경 평가는 일반적인 농업용수 관개기를 고려하여 2023년 5월부터 2023년 11월까지 2개월 간격으로 태양광 모듈 타입별 하부 2지점, 외부 대조구 1지점 등 3개 지점에서 토양 및 수질 시료 샘플링을 실시한 후 분석하였다. 토양은 카드뮴 (Cd), 구리 (Cu), 비소 (As), 수은 (Hg), 납 (Pb), 아연 (Zn), 6가 크롬 (Cr6+) 등 7개 조사항목을 분석하였다 (Hari et al., 2023; Li et al., 2023; Hasnain et al., 2024). 토양 중금속인 구리, 납, 비소, 카드뮴, 아연은 ICP-OES OPtima 8000 (원자흡수분광광도법), 비소는 Hydra llc장비를 활용하였으며, 6가 크롬은 적외선/가시광선분광광도계 (자외성가시선 분광법)를 활용하여 각각 분석하였다. 수질은 부유물질 (SS), 용존산소 (DO), 화학적 산소요구량 (COD), 총인 (T-P), 총질소 (T-N), 중금속인 카드뮴 (Cd), 구리 (Cu), 비소 (As), 수은 (Hg), 납 (Pb), 아연 (Zn), 6가 크롬 (Cr6+)) 등 12개 항목을 분석하였다. 항목별 분석은 부유물질은 전기식지시저울, 용존산소는 DO미터 (전극법), 화학적 산소요구량은 수욕조 (적정법-산성과망간산 칼륨법), 총인과 총질소는 자동분석기 (연속 흐름법), 중금속인 카드뮴, 구리, 수은, 납, 아연은 원자흡수 분광 광도계, 비소는 원자흡수분광광도계 (수소화물 생성법-원자흡수분광광도법), 6가 크롬은 분광광도계 (자외선/가시선분광법)를 활용하여 측정하였다.

3. 일사량 및 증발량 분석

태양광 패널 내⋅외부에 1시간 단위로 2023년 6월 10일부터 2024년 6월 10일까지 현장 계측된 데이터를 활용하여 일사량과 증발량에 대하여 분석하였다. 태양광 패널 일사량 모니터링은 태양광 패널 내⋅외부에 복합 기상관측장비 (ATMOS41)를 통해 확보한 자료를 분석하였다. 또한, 증발량 계측은 태양광 패널 내⋅외부에 증발량 측정수조 및 압력식 수위계 (Hydros 21)를 설치하여 분석하였다 (Fig. 3). 일사량 및 증발량 분석의 경우 기상관측장비의 제한으로 태양광 패널 내부 1개소 (반 아치형, T-2), 태양광 외부 1개소에서만 모니터링을 실시하였다.

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Fig. 3

Monitoring equipment installation of canal solar module

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 토양분석

수로 태양광 패널 내부 토양의 중금속 성분 분석결과 비소 (As)는 토양오염 우려기준인 25 mg/kg보다 낮게 나타났고, 시기별로 5월에는 2.73~3.58 mg/kg였고, 7월, 9월, 11월에는 불검출 되었다. 태양광 패널 외부 대조구 토양에서도 5월은 3.31 mg/kg였고 7월, 9월, 11월에는 불검출 되는 것으로 분석되었다. 카드뮴 (Cd)성분은 토양오염 우려기준인 4 mg/kg이하로 태양광 패널 내⋅외부 토양조사에서 모두 불검출 되었고, 수은 (Hg)은 태양광 패널 내부 반아치형 (T-2)은 0.01~0.02 mg/kg, 풀아치형 (T-1)은 0.01~0.05 mg/kg였고, 외부 대조구 토양은 0.01~0.07 mg/kg로 각각 분석되어 태양광 내⋅외부 지점 모두에서 토양오염 우려기준인 4 mg/kg이하로 나타났다. 납 (Pb) 성분 역시 태양광 패널 내부 토양에서 2.49~13.19 mg/kg, 외부 대조구 토양은 4.97~38.49 mg/kg로 조사되어 토양 오염우려기준이 200 mg/kg이하로 나타났다.

한편, 5월과 11월사이 시기별로 살펴보면 중금속중 구리 (Cu)는 토양오염우려기준이 150 mg/kg이하로 태양광 패널 내부토양에서 반아치형 (T-2)은 10.35~29.75 mg/kg, 풀아치형 (T-1)은 7.67~25.55 mg/kg였고, 외부 대조구 토양에서 13.15~34.47 mg/kg로 상대적으로 높게 나타났다. 아연 (Zn)의 토양 우려기준은 300 mg/kg이하로 태양광 패널 하부토양에서 반아치형 (T-2)은 10.35~29.75 mg/kg, 풀아치형 (T-1)은 7.67~25.55 mg/kg였고, 외부 대조구 토양에서는 13.15~34.47 mg/kg로 태양광 내부보다 높게 나타났다. 태양광 패널 내⋅외부 토양 모두에서 6가 크롬은 (Cr6+)은 토양 우려기준인 5 mg/kg이하로 나타났다 (Table 1).

Table 1

Changes in heavy metal content in soil inside and outside solar modules

DivisionItemsSoil quality (mg/kg)
MayJulySeptemberNovember
Solar panel insideFull arch (T-1)As3.58N.D.N.D.N.D.
CdN.D.N.D.N.D.N.D.
Hg0.020.010.010.02
Pb15.424.103.257.50
Cu10.3529.7519.8412.25
Zn58.2382.6571.3650.35
Cr6+N.D.0.640.160.32
Half arch (T-2)As2.73N.D.N.D.N.D.
CdN.D.N.D.N.D.N.D.
Hg0.020.010.030.05
Pb13.194.903.862.49
Cu7.6725.5518.9920.68
Zn77.0673.5764.9874.66
Cr6+N.D.0.360.490.32
Solar panel outsideAs3.31N.D.N.D.N.D.
CdN.D.N.D.N.D.N.D.
Hg0.070.010.010.03
Pb15.0138.494.9734.54
Cu13.1534.4722.3325.44
Zn68.0369.8990.3657.69
Cr6+N.D.0.650.150.34
※ Soil pollution concern standards : As (<25 mg/kg), Cd, Hg (<4 mg/kg), Pb (<200 mg/kg), Cu (<150 mg/kg), Zn (<300 mg/kg), Cr6+ (<5 mg/kg)

즉, 시기별로 태양광 패널 내⋅외부 토양의 7가지 중금속 성분은 우려기준이하로 분석되었고, 태양광 패널 내부 토양에서는 점차적으로 감소하였으나, 외부 대조구 토양은 증가와 감소가 반복되는 경향의 변화를 나타냈다.

태양광 패널 내⋅외부 토양 중금속 성분을 분석한 결과 아연 (Zn), 카드뮴 (Cd), 수은 (Hg), 납 (Pb), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 6가 크롬 (Cr6+)은 토양오염우려기준이하로 나타났다. 또한, 태양광 패널 내⋅외부의 토양오염의 영향을 비교한 결과 태양광 패널 설치로 인한 두드러진 차이를 나타내지 않았고 태양광 패널 구축으로 인한 중금속성분의 증가는 미미한 것으로 분석되었다 (Fig. 4).

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Fig. 4

Analysis of changes in heavy metal content in soil inside and outside solar modules

2. 수질분석

태양광 패널 하부 시기별 수질변화는 풀아치형 (T-1)의 경우 부유물질 (SS)은 1.00~13.00 mg/L로 5월에 높게 나타났으며, 용존산소량 (DO)은 8.20~10.90 mg/L로 11월에 높게 분석되었다. 화학적산소요구량 (COD)은 1.20~2.60 mg/L, 총인 (T-P)은 0.02~0.08 mg/L, 총질소 (T-N)는 0.31~2.32 mg/L로 11월에 높게 나타났다. 태양광 패널로 인한 수질은 구리 (Cu)는 불검출~0.03 mg/L, 납 (Pb)은 불검출~0.06 mg/L, 비소 (As)는 불검출~0.01 mg/L, 수은 (Hg) 및 6가 크롬 (Cr6+)은 검출되지 않았으며, 아연 (Zn)은 0.01~0.77 mg/L의 범위로 나타났고, 카드뮴 (Cd)은 불검출~0.01 mg/L로 분석되었다. 반아치형 (T-2)의 부유물질 (SS)은 1.00~7.73 mg/L로 11월에 다소 높게 나타난 것은 겨울철 강풍에 의한 비산먼지 발생영향으로 판단된다. 용존산소량 (DO)은 8.10~11.20 mg/L, 화학적산소요구량 (COD)은 1.00~18.00 mg/L, 총인 (T-P)은 불검출~0.11 mg/L로 COD와 T-P는 대조구인 T-1보다 높은 것으로 분석되었다. 총질소 (T-N)는 0.40~1.87 mg/L로 11월에 높게 분석되었고, 구리 (Cu)는 불검출~0.01 mg/L로 T-1보다 낮았으며, 납 (Pb), 수은 (Hg), 6가 크롬 (Cr6+)은 모두 불검출, 비소 (As)은 불검출~0.01 mg/L, 아연 (Zn)은 0.02~1.26 mg/L로 T-1과 유사한 수준으로 분석되었다. 카드뮴 (Cd)은 불검출~0.01 mg/L로 나타났다.

태양광 패널 외부의 부유물질 (SS)은 0.20~6.20 mg/L의 범위로 외부 오염원이 없는 상태에서는 7월에 다소 증가한 것으로 나타났는데, 이는 강우과정에서 일부 외부물질의 유입으로 인한 영향으로 판단된다. 용존산소량 (DO)은 8.80~11.10 mg/L로 태양광 패널 내부와 비교하면 유사한 수준이었고, 화학적 산소요구량 (COD)은 1.20~3.60 mg/L로 빈번한 강우가 발생한 7월에 높았고, 총인 (T-P)은 불검출~0.68 mg/L, 총질소 (T-N)는 0.32~6.59 mg/L로 상부가 태양광 패널로 덮힌 T-1, T-2보다 높게 분석되었다. 한편, 중금속 성분 중 구리 (Cu)는 불검출~0.01 mg/L, 비소 (As), 수은 (Hg) 카드뮴 (Cd), 6가 크롬 (Cr6+)은 검출되지 않았고, 납 (Pb)은 불검출~0.01 mg/L로 T-1보다 낮았으며, 아연 (Zn)은 불검출~1.50 mg/L의 다른 대조구에 비해 높은 것으로 분석되었다 (Table 2).

Table 2

Changes in water quality inside and outside solar modules

DivisionItemsWater quality (mg/L)
MayJulySeptemberNovember
Solar panel insideFull arch (T-1)SS13.003.401.601.00
DO10.108.2010.8010.90
COD1.601.201.302.60
T-P0.030.080.020.03
T-N0.491.020.312.32
Cu0.030.01N.D.N.D.
Pb0.02N.D.N.D.0.06
AsN.D.N.D.0.01N.D.
HgN.D.N.D.N.D.N.D.
Zn0.010.010.180.77
Cd0.01N.D.N.D.N.D.
Cr6+N.D.N.D.N.D.N.D.
Half arch (T-2)SS1.401.001.007.73
DO10.308.1011.209.30
COD2.001.001.2018.00
T-PN.D.0.110.030.10
T-N0.401.320.631.87
Cu0.01N.D.N.D.N.D.
PbN.D.N.D.N.D.N.D.
AsN.D.N.D.0.010.01
HgN.D.N.D.N.D.N.D.
Zn0.020.270.301.26
Cd0.01N.D.N.D.N.D.
Cr6+N.D.N.D.N.D.N.D.
Solar panel outsideSS0.206.201.201.30
DO10.208.8011.1010.90
COD1.203.601.302.20
T-PN.D.0.680.020.02
T-N0.426.590.322.28
Cu0.01N.D.N.D.N.D.
Pb0.01N.D.N.D.N.D.
AsN.D.N.D.N.D.N.D.
HgN.D.N.D.N.D.N.D.
ZnN.D.0.100.511.50
CdN.D.N.D.N.D.N.D.
Cr6+N.D.N.D.N.D.N.D.

수로 태양광으로 인한 하부 수질변화에 미치는 영향을 비교한 결과 시기별로 태양광 패널 여부에 관계없이 유사한 수준으로 분석되었다. 태양광 패널 하부 수질의 중금속 항목 중 아연 (Zn)의 함량이 불검출에서 1.02 mg/L로 증가하였고, 태양광 패널이 설치되지 않은 외부 대조구에서도 불검출에서 1.50 mg/L로 상승하였다. 이는 태양광 패널 설치 여부와 관계없이 지역적인 강우사상으로 인한 영향으로 판단되었다 (Fig. 5).

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Fig. 5

Analysis of changes in heavy metal content in water inside and outside of solar modules

3. 태양광 내⋅외부 일사량 및 증발량 분석

수로 상단에 태양 전지판을 설치하면 태양의 복사열을 차단하여 수로의 수분 증발을 감소시키며, 1MW의 절약 추정치는 연간 900만 리터의 물을 절약하는 것으로 추정된다 (Sairam and Aravindhan, 2020).

태양광 내⋅외부 일사량을 2023년 6월 10일부터 2024년 6월 10일 까지 계측한 결과 태양광 내부의 경우 2023년 6월 10일부터 6월 30일 사이에는 33,722.70 W/m2, 7월 38,195.60 W/m2, 8월 48,712.40 W/m2, 9월 31,921.90 W/m2, 10월 30,833.70 W/m2, 11월 17,491.10 W/m2, 12월 12,228.40 W/m2를 각각 기록하였다. 2024년 1월은 16,527.80 W/m2, 2월 17,475.50 W/m2, 3월 33,584.20 W/m2, 4월 39,775.00 W/m2, 5월 56,098.20 W/m2, 6월 1일부터 6월 10일까지 18,252.40 W/m2로 분석되었다 (Table 3). 태양광 외부의 일사량은 9,086.10 W/m2, 7월 100,734.60 W/m2, 8월 117,085.40 W/m2, 9월 82,461.20 W/m2, 10월 49,227.10 W/m2, 11월 22,189.50 W/m2, 12월 18,862.55 W/m2로 나타났다. 한편, 2024년 1월은 21,985.50 W/m2, 2월 23,684.20 W/m2, 3월 39,126.60 W/m2, 4월 75,679.60 W/m2, 5월 142,637.20 W/m2, 6월 1일~6월 10일까지 24,531.51 W/m2로 분석되었다 (Table 4). 태양광 내부는 태양광 패널의 차광효과로 인해 태양광 외부에 비해 계절별로 다소 차이는 있으나, 전체기간동안 37.11%~85.83%의 범위로 평균 58.67% 수준의 일사량이 태양광 외부보다 낮은 것으로 나타났고, 내⋅외부의 일사량 중 2024년 5월 일사량이 가장 높게 나타난 것은 2023년의 6월 이후 장기간 장마기 강우로 인해 상대적으로 일사량이 낮았기 때문으로  판단된다.

Table 3

Solar panel intside insolation and evaporation

YearMonthSolar panel inside evaporation (mm)Solar panel outside evaporation (mm)
TotalMeanTotalMean
20236/10~6/3099.914.76208.409.92
7/1~7/31129.264.17262.078.45
8/1~8/31152.264.91292.669.44
9/1~9/30115.633.85220.127.34
10/1~10/31114.963.71171.055.52
11/1일~11/3085.252.8497.003.23
12/1~12/3174.662.4178.382.53
20241/1~1/3192.492.98160.845.19
2/1~2/29111.753.85202.216.97
3/1~3/31119.923.87224.597.24
4/1~4/30115.573.85228.497.62
5/1~5/3190.672.92237.257.65
6/1~6/1054.005.4085.698.57
Sum1,356.333.812,468.756.90
Table 4

Solar panel outside insolation

YearMonthSolar panel inside insolation (W/m2)Solar panel outside insolation (W/m2)
TotalMeanTotalMean
20236/10~6/3033,722.701,605.849,086.104,326.77
7/1~7/3138,195.601,232.12100,734.603,249.50
8/1~8/3148,712.401,571.37117,085.403,776.95
9/1~9/3031,921.881,064.0682,461.202,748.71
10/1~10/3130,833.70994.6449,227.101,587.97
11/1일~11/3017,491.10583.0422,189.50739.65
12/1~12/3112,228.40394.4618,862.55608.47
20241/1~1/3116,527.80533.1521,985.50709.21
2/1~2/2917,475.50602.6023,684.20816.70
3/1~3/3133,584.201,083.3639,126.601,262.15
4/1~4/3039,775.001,325.8375,679.602,522.65
5/1~5/3156,098.201,809.62142,637.204,601.20
6/1~6/1018,252.401,366.6824,531.512,916.66
Sum394,818.881,089.75727,291.062,297.43

또한, 태양광 내⋅외부에 동일한 규격의 수위 계측시설을 설치하여 증발량을 측정한 결과 인근 부안관측소 1,345.30 mm/yr에 비하여 다소 높은 수준으로 기록하였다. 태양광 내부의 일별 평균 증발량은 2023년 12월이 2.41 mm/day로 가장 낮았으며, 2024년 6월 1일부터 6월 10일 기간의 일별 평균증발량이 5.40 mm/day으로 가장 높게 나타났다. 상대적으로 태양광 패널의 차광이 이루어지지 않는 외부에서는 일별 평균증발량이 2023년 12월에 2.53 mm/day로 최솟값을 기록하였고, 2023년 6월 (20일 평균)에는 9.93 mm/day의 최댓값을 나타내었다. 계측기간 동안 태양광 외부와 내부 증발량 비교결과 태양광 내부는 차광으로 인해 1,356.33 mm/yr (일별 평균 3.81 mm/day)가 증발이 이루어졌으나, 태양광 외부에서는 2,468.75 mm/yr (일별 평균 6.90 mm/day)의 증발량이 발생하여 태양광 내부는 외부 대비 54.39% 수준을 기록하였다. 이 같은 측정 결과로 볼 때 동일기간 태양광 내부는 태양광 패널의 차광효과로 인해 증발량차가 1,207.68 mm로 나타났다. 따라서, 농업용 수로부에 태양광 패널을 설치할 경우, 증발로 인한 손실 45.61%를 줄일 수 있을 것으로 판단되었다.

한편, 태양광 내⋅외부의 일사량과 증발량에 대한 일별변화는 태양광 패널이 위치하고 있지 않은 외부에서 큰 변화가 크게 나타나고 있었다 (Fig. 6). 태양광 내⋅외부의 일사량과 증발량에 대하여 회귀분석을 실시한 결과 외부의 결정계수 (R2=0.531)가 내부의 결정계수 (R2=0.2939)보다 높게 분석되었는데, 이는 상대적으로 태양광 내부의 경우 태양광 패널의 차광으로 인한 영향으로 판단된다 (Fig. 7).

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/jksae/2024-066-06/N0740660603/images/PICE6DC.png
Fig. 6

Changes of solar radiation and evaporation by daily in inside and outside of solar modules

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/jksae/2024-066-06/N0740660603/images/PICE6FD.png
Fig. 7

Regression analysis of solar radiation and evaporation in inside and outside of solar modules

Ⅳ. 요약 및 결론

본 연구에서는 전북특별자치도 부안군 신재생에너지테마파크 내에 위치한 테스트베드에서 태양광 내⋅외부로 구분하여 토양 및 수질 시료를 채취한 후 농업용수 관개기를 고려하여 2023년 5월부터 2023년 11월까지 2개월 간격으로 토양 및 수질 평가를 실시하였다. 또한, 기상관측장비, 증발량 계측시설을 설치하여 2023년 6월 10일부터 2024년 6월 10일까지 태양광 내⋅외부의 일사량 및 증발량에 대하여 분석하였다. 이에 대한 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

  • 1. 부안 테스트베드 토양분석결과 비소 (As)는 불검출~4.07 mg/kg, 카드뮴 (Cd)은 불검출, 구리 (Cu)는 7.67~39.70 mg/kg, 수은 (Hg)은 0.01~0.07 mg/kg, 납 (Pb)은 2.49~47.14 mg/kg, 아연 (Zn)은 50.35~90.36 mg/kg, 6가 크롬 (Cr6+)은 불검출~0.71 mg/kg으로 토양오염 우려기준 이하로 나타났다.

  • 2. 수질분석 결과 부유물질 (SS)는 0.20~77.30 mg/L, 용존산소 (DO)는 8.10~11.20 mg/L, 화학적산소요구량 (COD)은 1.00~18.00 mg/L, 총인 (T-P)은 불검출~0.68 mg/L, 총질소 (T-N)는0.31~6.59 mg/L, 구리 (Cu)는 불검출~0.03 mg/L, 납 (Pb)은 불검출~0.06 mg/L, 비소 (As)는 불검출~0.01 mg/L, 수은 (Hg), 6가 크롬 (Cr6+)은 불검출, 아연 (Zn)은 0.01~1.50 mg/L, 카드뮴 (Cd)은 불검출~0.01 mg/L로 수질오염 기준치 이하로 나타났다. 이러한 수질분석 결과로 볼 때 태양광으로 인한 수질환경에 미치는 영향은 적은 것으로 나타났다.

  • 3. 태양광 내부의 경우 태양광 패널 설치로 인한 차광효과로 일사량이 태양광 외부보다 37.11~85.83%로 평균 58.67%수준으로 일사량의 영향을 덜 받는 것으로 분석되었다.

  • 4. 태양광 내⋅외부의 증발량 분석결과 태양광 내부의 경우 태양광 차단효과로 인해 태양광 외부대비 54.39%로 나타났다. 이 같은 측정 결과로 볼 때 개수로형 관개용 수로부에 태양광 패널을 설치할 경우 증발로 인한 손실 45.61%를 줄일 수 있을 것으로 판단되었다.

  • 5. 다만, 본 시험연구 결과가 한정된 시험 장소에서 증발량 및 일사량에 대하여 비교한 것으로 최적의 효과를 도출하기 위해서는 현장 실증단지 내에 태양광을 설치한 후 태양광 패널 형태, 차광율 등에 따른 태양광 발전량, 일사량, 증발량과의 관계분석이 필요할 것으로 판단된다.

  • 6. 본 연구 결과는 수로 태양광 시스템의 환경적 영향 및 물 절감 효과를 정량적으로 분석하여, 수로 태양광 시스템 보급 및 확대를 위한 과학적 근거 자료제공에 학문적, 기술적 의의를 갖는다. 향후 수자원 관리 정책 수립 및 탄소중립 목표 달성에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

감사의 글

본 연구는 한국에너지기술평가원으로부터 수로적합 투광형 양면 모듈을 적용한 아치형 루프탑 태양광 모듈 시스템 개발과 200 kW급 환경영향 실증사업비 (과제번호 PJ20213 030010340)로 지원을 받아 수행하였으며, 지원에 감사드립니다.

REFERENCES

1
C. M. Ahn, J. C. Joo, J. H. Kim, S. H. Choi, J. S. Jang and H. W. Go, Journal of Korean Society of Environmental Engineers , Review of installation status and major environmental issues of floating photovoltaic power plants (FPVs), 43(4); 286-298 (2021)10.4491/ksee.2021.43.4.286
2
GRI (Gyeongi Research Institute), A study on the improvement of floating photovoltaic in Gyeongi-Do (2016)
3
B. S. Hari, R. V. Kumar, K. B. Vikram, D. Brajesh and B. Jayanta, Science of the Total Environment , Evaluation of heavy metal leaching under simulated disposal conditions and formulation of strategies for handling solar panel waste, 780; 146645 (2023)10.1016/j.scitotenv.2021.146645
4
Y. Hasnain, A. Z. Muhammad, C. M. Polgampola, A. J. Jaljalalul, S. H. Park, J. C. Song and J. S. Yi, Heliyon , Assessing soil pollution concerns in proximity to fence-type solar photovoltaic system installations, 10; 1-12 (2024)
5
S. E. Jeong, J. W. Jeong, H. S. Kim and Y. H. Bae, Water for Future, Problems and future direction of domestic floating solar power generation facilities, 52(3); 17-22 (2019)
6
H. G. Kang, B. H. Kim, C. J. Yang and H. C. Jeong, New & Renewable Energy, Prospects of cumulative installed power capacity of domestic offshore wind projects for K-RE100, 20(2); 44-54 (2024)10.7849/ksnre.2024.0015
7
KEI (Korea Environment Institute), Environmental evaluation and environmentally friendly development of renewable energy I -Focusing on solar and wind energy- (2009)
8
KEI (Korea Environment Institute), Study on the policy of planning locations for solar and wind power facilities while considering social and environmental impacts (2018a)
9
KEI (Korea Environment Institute), Management status and improvement plans of waste solar panels; 11-84 (2018b)
10
KEI (Korea Environment Institute), Direction for the mid- and long-term development for expanding renewable energy and responding to future environmental changes: Current state and future plans for effective development of photovoltaic plants (2020)
11
KEI (Korea Environment Institute), Environmental impact assessment of floating solar power generation project through analysis of bird monitoring results (2023)
12
J. I. Kim and S. M. Cho, New & Renewable Energy, Policy directions to enhance economic feasibility of agrivoltaics in Korea, 20(1); 15-25 (2024)10.7849/ksnre.2024.2031
13
KREI (Korea Rural Economic Institute), Research on problems and improvement measures in rural solar power supply (2018)
14
I. J. Lee, J. C. Joo, C. S. Lee, G. Y. Kim, D. Y. Woo and J. H. Kim, Journal of Korean Society of Environmental Engineers, Evaluation of the water quality changes in agricultural reservoir covered with floating photovoltaic solar-tracking systems, 39(5); 255-264 (2017)10.4491/ksee.2017.39.5.255
15
M. S. Lee and K. N. Kim, Bulletin of the Korea Photovoltaic Society , Effect of changing azimuth of floating solar power generation system module: Comparative analysis of installed capacity and power generation through simulation, 6(2); 7-14 (2020)
16
J. Y. Lee and K. N. Kim, Current Photovoltaic Research, Self-consumption solar PV economic rate analysis for RE100 companies in Korea, 11(4); 134-143 (2023)
17
Z. Li, X. Sun, J. Zhou, L. Wu, D. Bi, J. Zhao, R. Zhu and P. Christie, Journal of Cleaner Production, Sustainable phytoextraction of metal-polluted agricultural land used for commercial photovoltaic power generation, 392 (2023)10.1016/j.jclepro.2023.136093
18
MGL (Ministry of Government Legislation), Waste management act enforcement rules: Hazardous substances contained in designated waste (related to Article 2, Paragraph 1), https://www.law.go.kr (2024)
19
J. T. Park, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Current status of domestic new and renewable energy supply and major installation cases (2) -Solar energy-, 39(3); 49-52 (2010)
20
PCCNGG (Presidential Commission on Carbon Neutrality and Green Growth), Carbon neutrality and green growth national strategy and 1st National Basic Plan; 24-34 (2023)
21
P. M. N. Sairam and A. Aravindhan, Materials Today: Proceedings, Canal top solar panels: A unique nexus of energy, water, and land, 33; 705-710 (2020)10.1016/j.matpr.2020.06.017
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