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문제 정의
- 본 연구에서는 CPV 센서(concentrated photo voltage)를 사용하는 2축-태양광 추적장치 구조물이 순간최대풍속 66.5m/s의 태풍과 같은 극단적인 풍하중을 받을 때, 태양광 추적장치 구조물에 대한 응력해석을 실시하였다. 이를 위해 먼저, 유동해석을 통해 풍향(정면풍 및 배면풍), 풍속(설정기준 풍속 30m/s~66.
- 그리고 해석결과, 강도에 문제가 있는 취약부품들에 대하여 치수 및 형상을 수정하고 다시 응력해석을 실시하는 반복과정을 통해 취약부를 보완하였다. 이러한 과정을 통하여 태양광 추적장치 구조물의 설계에 도움이 되는 유용한 결과 및 유의점을 정리하여 다음에 제시하였다.
제안 방법
- 3,3절의 해석결과 및 검토사항들을 바탕으로, 하중전달경로 상에 있는 취약 부품에 대한 보완을 위해 다음과 같은 관점 및 방법으로 재설계를 시도하였다. 첫째, 응력집중을 완화시키기 위해 용접부 필렛의 반경을 증가시키거나 연결지지부(힌지부)의 구멍과 핀의 직경을 증가시켜 부품의 형상을 조정한다.
- Table 2와 Table 3의 총 48가지의 경우에 대한 유동해석으로부터 얻은 압력분포를 경사각도가 다른 각각의 구조물에 적용하고 응력해석을 실시하여 최대변위(δmax)와 최대등가응력(σmax, Von Mises stress)을 계산하였다.
- 그러므로 정면풍(head wind)과 배면풍(tailwind)에 대한 항력을 계산하기 위하여, 태양광 전지판의 경사각도(Θ), 풍속(V), 풍향(정면풍과 배면풍) 등에 대한 48가지 조합(Table 2와 Table 3 참조)에 대해 각각 유동해석을 실시하였다.
- 5m/s의 극단적인 강풍을 받는 태양광 추적장치 구조물에 발생하는 최대응력을 계산하기 위해 유동해석과 구조해석을 실시하여, 그 결과들을 정리하였다. 그리고 해석결과, 강도에 문제가 있는 취약부품들에 대하여 치수 및 형상을 수정하고 다시 응력해석을 실시하는 반복과정을 통해 취약부를 보완하였다. 이러한 과정을 통하여 태양광 추적장치 구조물의 설계에 도움이 되는 유용한 결과 및 유의점을 정리하여 다음에 제시하였다.
- 두 경우의 수정 모델들에 대해, 각각 Fig. 2에서 보인 유한요소해석 순서와 같이 ‘(부품 수정 및 보완)→(응력해석)→(결과 검토 및 수정)→(부품 재수정 및 보완)’의 과정을 반복 실시하여 최대응력이 항복응력보다 작게 발생하도록 부품을 재설계하였다.
- 5m/s) 및 추적장치 구조물상에 탑재되어 있는 태양전지판의 경사각도(45°, 50°, 55°, 60°, 65°, 70°) 등이 변화함에 따른 태양광 추적장치 구조물이 받는 풍하중을 계산하였다. 두 번째로 이 풍하중(압력분포)을 태양광 추적장치에 작용시켜 구조해석을 실시하여 태양광 추적장치에 발생하는 최대변위 및 최대응력을 계산하였다. 세 번째로 해석 결과, 강도의 문제가 있는 취약부에 대하여 치수 및 형상을 수정하고 다시 응력해석을 실시하는 반복과정을 거쳐 취약부를 보완하였다.
- 본 연구의 대상 모델은 태양광 추적 구조물(Fig. 1 참조)로서, 이 구조물이 바람에 의해 받는 풍하중을 계산하고, 이 풍하중(압력분포)을 구조물에 적용하여 변형 형상과 응력을 계산하고자 한다. 이를 위한 3차원 유한요소해석의 처리 순서는, Fig.
- 두 번째로 이 풍하중(압력분포)을 태양광 추적장치에 작용시켜 구조해석을 실시하여 태양광 추적장치에 발생하는 최대변위 및 최대응력을 계산하였다. 세 번째로 해석 결과, 강도의 문제가 있는 취약부에 대하여 치수 및 형상을 수정하고 다시 응력해석을 실시하는 반복과정을 거쳐 취약부를 보완하였다. 이러한 과정을 거쳐 얻은 결과들을 정리, 검토, 분석하여 태양광 추적장치 구조물의 설계에 도움이 되는 유용한 결과와 유의점들을 정리하였다.
- 순간최대풍속 66.5m/s의 극단적인 강풍을 받는 태양광 추적장치 구조물에 발생하는 최대응력을 계산하기 위해 유동해석과 구조해석을 실시하여, 그 결과들을 정리하였다. 그리고 해석결과, 강도에 문제가 있는 취약부품들에 대하여 치수 및 형상을 수정하고 다시 응력해석을 실시하는 반복과정을 통해 취약부를 보완하였다.
- 위와 같은 방법을 적용하기 위해, 정면풍에 대한 취약부의 수정과 배면풍에 대한 취약부 수정을 각각 구분하여 응력해석을 실시하였다. 이와 같이 두 경우를 분리하여 검토하는 것은 풍하중의 크기 및 방향이 다르고 이로 인해 응력집중이 발생하는 위치가 다르기 때문이다.
- 세 번째로 해석 결과, 강도의 문제가 있는 취약부에 대하여 치수 및 형상을 수정하고 다시 응력해석을 실시하는 반복과정을 거쳐 취약부를 보완하였다. 이러한 과정을 거쳐 얻은 결과들을 정리, 검토, 분석하여 태양광 추적장치 구조물의 설계에 도움이 되는 유용한 결과와 유의점들을 정리하였다.
- 1 참조)로서, 이 구조물이 바람에 의해 받는 풍하중을 계산하고, 이 풍하중(압력분포)을 구조물에 적용하여 변형 형상과 응력을 계산하고자 한다. 이를 위한 3차원 유한요소해석의 처리 순서는, Fig. 2에서 보인 바와 같이, 유동해석을 통하여 계산한 압력분포를 구조물에 적용하여 응력 및 변형해석을 실시하였다.
- 이를 위해 먼저, 유동해석을 통해 풍향(정면풍 및 배면풍), 풍속(설정기준 풍속 30m/s~66.5m/s) 및 추적장치 구조물상에 탑재되어 있는 태양전지판의 경사각도(45°, 50°, 55°, 60°, 65°, 70°) 등이 변화함에 따른 태양광 추적장치 구조물이 받는 풍하중을 계산하였다.
- 2에서 보인 유한요소해석 순서와 같이 ‘(부품 수정 및 보완)→(응력해석)→(결과 검토 및 수정)→(부품 재수정 및 보완)’의 과정을 반복 실시하여 최대응력이 항복응력보다 작게 발생하도록 부품을 재설계하였다. 정면품 및 배면풍을 받는 각각의 경우에 대해 독립적으로 재설정된 수정 사항들(총 17개 부품을 수정하였음)을 모두 태양광 추적장치 구조물에 반영하여 모델링한 다음, 66.5m/s의 정면풍 및 배면풍을 받는 12가지의 경우들(Table 2의 F19~F24 및 Table 3의 B19~B24)에 대하여 유동해석과 응력해석을 실시하였다.
- 3,3절의 해석결과 및 검토사항들을 바탕으로, 하중전달경로 상에 있는 취약 부품에 대한 보완을 위해 다음과 같은 관점 및 방법으로 재설계를 시도하였다. 첫째, 응력집중을 완화시키기 위해 용접부 필렛의 반경을 증가시키거나 연결지지부(힌지부)의 구멍과 핀의 직경을 증가시켜 부품의 형상을 조정한다. 둘째, 풍하중이 전달되는 경로 상에 있는 뼈대(프레임) 및 보강용 받침대(stiffener 및 bracket)의 두께 또는 길이를 증가시키거나 개수를 증가시켜 응력을 감소시킨다.
대상 데이터
- 태양광 추적장치의 뼈대를 이루고 있는 프레임의 재료는 일반구조용강(SSC400)으로서 이것의 주요 기계적 물성치는 Table 1과 같다.
성능/효과
- (1) 정면풍 또는 배면풍에 의한 풍하중은 풍속이 증가할수록 증가하며, 이에 따라 최대등가응력도 증가한다.
- (2) 배면풍일 때의 항력계수의 범위는 1.0~1.2인데 반해, 정면풍일 때의 항력계수는 0.9~1.1의 값으로, 배면풍일 때 대체로 더 큰 항력이 작용한다.
- (3) 최대등가응력이 발생하는 위치는 풍향(정면풍 또는 배면풍) 및 자세 각도에 따라서 다르게 나타나지만 모두 풍하중이 기둥에 전달되는 경로 상에 존재하는 부품들에서 나타난다.
- 둘째 각 경우의 최대응력들이 모두 특정한 위치에서 나타나고 있으며 항복응력을 훨씬 초과하고 있으나, 최대응력이 발생하는 위치을 제외한 나머지 영역에서의 응력은 모두 항복응력보다 작게 나타나고 있다는 점이다(정면풍일 경우 0~95.3MPa, 배면풍일 경우 0~116.8MPa). 이러한 현상의 원인을 고찰하기 위해 최대응력이 나타나는 위치를 살펴보면, 정면풍의 경우 최대등가응력이 회전 힌지와 바로 연결된 상부프레임의 이음새부분(용접부)에서, 그리고 배면풍일 경우 액추에이터 연결지지부(힌지부)에서 최대응력이 나타나고 있음을 알 수 있다.
- 또한, Table 6과 Table 7에 정리한 취약부품에 대한 재설계 전과 후의 최대변위를 비교해보면, 수정후의 최대변위는 수정전에 비해 정면풍의 경우 약 60~68% 수준으로 감소하였으며, 배면풍의 경우 약 54~64% 수준으로 감소하였음을 알 수 있다.
- Table 4와 Table 5에 최대응력을 비교하였는데, 보는 바와 같이 각 경우의 최대응력들이 모두 항복응력보다 작게 나타나도록 취약부가 성공적으로 보완되었음을 확인할 수 있다. 수정후의 최대응력은 수정전과 비교하여, 정면풍의 경우 약 1/10~1/12배로 감소하였으며, 배면풍의 경우 약 1/6~1/7배로 감소하였음을 알 수 있다. 수정후에 최대응력이 발생하는 위치들을 보면 Fig.
- 첫째 동일 풍속, 동일 자세에서, 배면풍을 받는 경우가 정면풍을 받는 경우보다 더 큰 풍하중을 받고 있음에도 불구하고, 정면풍일 때 더 큰 최대응력이 나타나고 있다는 점이다. 이는 구조물 자체가 배면풍에 비해 정면풍에 더 약하게 설계되어 있음을 의미한다.
후속연구
- (4) 최대응력이 재료의 항복강도보다 커서 재설계하고자 할 때는, 하중전달경로 상에 있는 부품들을 우선 검토하여야 하며 이 부품들에 발생하는 응력집중이 완화되도록 그리고 충분한 강도를 확보하도록 형상 및 치수의 수정을 우선적으로 고려해야 한다.
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