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가설 설정
- 원형구조물의 내부의 경계조건은 변위를 허용하지 않는 힌지의 조건이며, 원형구조물의 외측의 경계조건은 상하변위만을 허용하는 힌지로 설정하였다. 이러한 경계조건은 파도의 파장이 매우 길고, 파고가 매우 높을 경우 구조물의 중앙부분의 부력체 만이 부력에 의하여 지지되고 나머지의 구조물은 공중에 떠 있을 경우를 가정한 것이다.
제안 방법
- 풍하중과 적설하중은 압력의 형태로 태양광패널에 수직으로 작용하도록 입력하였다. PFRP 프레임과 SMC 부재의 자중은 제조사에서 제공한 16.55 kN/m3의 단위중량을 MIDAS에 입력하여 작용시켰고, 그 외의 태양광패널, 부력체, 발판의 중량은 각 구조체가 결합되는 부분에 각각 Beam element load로 적용하였다.
- 3과 같이 복부와 플렌지로 나누어 각 5개의 시편을 제작하였다. 각 시편 중앙부분에 길이방향과 길이직각방향으로 변형률게이지를 부착하였으며 하중은 1,000 kN 용량의 UTM을 사용하여 3 mm/min의 속도로 재하하였다. Fig.
- 이러한 기본 개념을 바탕으로 8각형 형태의 단위구조물 4개와 접속반 및 배전반을 설치할 1개의 4각형 구조물을 연결하는 형태로 설계하였다. 각각의 8각형 구조물의 단위발전용량은 약 25 kW씩 이며, 태양광의 추적형태에 따른 차이를 검증하는 실증단지 구축을 위하여 고정형 2개, 수동경사가변형 1개, 자동경사가변형 1개씩을 Fig. 6과 같이 구성하였다.
- 기존 연구[4]에서 제안한 FRP를 활용한 부유식 태양광발전 구조물 중에서 SMC(Sheet molding compound) 공정으로 제작한 FRP 압축재를 사용하여 태양의 방위와 고도를 추적 가능하도록 하면서 수상에 설치되는 구조물을 설계하였다.
- 특히, PFRP는 강재와 달리 제조공정 특성상 부재의 축방향과 직각방향에 대한 재료의 역학적 성질에서 차이를 나타내고 있기 때문에 재료적 특성을 고려한 구조물의 설계가 이루어져야 한다. 또한, 수상에서 회전하는 구조물이 회전중심을 유지시키고, 구조물의 회전을 원활하게 하고, 구조물을 안전하게 시공하기 위해 유한요소해석을 사용 수상구조물의 구조적 안전성을 검토하여 설계에 반영하였다.
- 수상 태양광발전 구조물은 수상에 설치하므로 현장조건을 고려하여 수상에서 수행하는 작업을 최소화해야 하며, 이러한 기본 개념하에 작업철차를 계획하였다. 수상 태양광발전 구조물의 설치과정은 다음과 같다.
- 수상 태양광발전 구조물은 육상에 설치되는 구조물과 달리 수상에 설치되기 때문에 시공 후 구조물의 안전성 확보가 중요하다. 수상에서 구조물의 안전성을 판단하기 위하여 유한요소해석을 수행하였다. 해석에 사용된 PFRP와 SMC 재료의 역학적 성질은 Table 1과 기존의 참고문헌[4]의 실험결과를 참조하였으며 SMC의 역학적 성질은 Table 2에 나타내었다.
- 이 연구는 수상 태양광발전 구조물의 설계에서 시공에 이르는 과정을 다루었다. 우선 개념설계를 먼저 설정하고 추적식 시스템을 수상 태양광발전 시스템에 적용할 수 있도록 기본 설계를 실시하였으며, 수상에 설치되는 구조물의 특성을 반영하여 수상의 특수상황을 고려한 수치해석 결과로부터 단면설계를 실시하였다. 구조물에 대한 유한요소해석 결과를 구조물의 사용 재료별 허용응력과 비교하여 안전하게 부재 단면의 설계를 완료하였다.
- 이 연구에서 사용한 펄트루젼 FRP(Pultruded FRP, PFRP)는 내구성, 내부식성, 경량성이 우수한 부재이며, 기존 연구에서 제안한 SMC 공정으로 제작한 프레임을 거치하고 난 후 볼트로 태양광모듈을 조립할 수 있도록 설계하였다. 수상에 떠 있는 구조물은 지상에 설치되어 있을 때와 달리 수면유동의 영향을 받기 때문에 안전성 확보가 최우선이다.
- 추적식 수상태양광 구조물을 설계함에 있어서 기본 개념은 수상에서 균형을 유지할 수 있는 2축 대칭의 단위구조물을 설계하는 것과 각 단위구조물을 효율적으로 연결할 수 있는 형태를 취하는 것이다. 이러한 기본 개념을 바탕으로 8각형 형태의 단위구조물 4개와 접속반 및 배전반을 설치할 1개의 4각형 구조물을 연결하는 형태로 설계하였다. 각각의 8각형 구조물의 단위발전용량은 약 25 kW씩 이며, 태양광의 추적형태에 따른 차이를 검증하는 실증단지 구축을 위하여 고정형 2개, 수동경사가변형 1개, 자동경사가변형 1개씩을 Fig.
- 13에 나타내었다. 조립 이후에는 수상에 부유된 구조체를 설치 위치로 이동하였으며, 구조체의 위치고정을 위하여 계류작업을 실시하였다. 최종적으로 추적식 시스템을 위한 구동장치를 설치하고, 배전반 등 전기기기 설비(Control box)를 설치하여 시공을 완료하였다.
- 주요 구조부재로 활용되는 PFRP 부재의 역학적 특성을 조사하기 위해 각 구조부재를 절단하여 인장강도실험 시편을 제작하고 실험(KS M ISO 527-4)을 수행하였다. 펄트루젼 공정으로 제작한 I형 단면은 플랜지와 복부의 적층량이 달라지기 때문에 Fig.
대상 데이터
- 추적식 수상 태양광발전 구조물의 주요 부재는 내구성, 내부식성, 경량성이 뛰어난 PFRP와 SMC를 사용하였다. PFRP 부재는 동일한 단면을 연속적으로 생산하여 프레임 형태 또는 Grid 형태의 전반적인 구조물에 사용하였으며, SMC는 몰드 제작에 따라서 부재의 형상을 자유롭게 정할 수 있으므로 기존에는 다수의 접합부가 밀집되어 시공이 어려웠던 태양광패널의 하부 압축재로서 활용하였다. 여기서 사용된 PFRP와 SMC는 Glass fiber와 Polyester resin을 사용(Fiber volume ratio: 40~50%)하여 제작되었다.
- PFRP 부재는 동일한 단면을 연속적으로 생산하여 프레임 형태 또는 Grid 형태의 전반적인 구조물에 사용하였으며, SMC는 몰드 제작에 따라서 부재의 형상을 자유롭게 정할 수 있으므로 기존에는 다수의 접합부가 밀집되어 시공이 어려웠던 태양광패널의 하부 압축재로서 활용하였다. 여기서 사용된 PFRP와 SMC는 Glass fiber와 Polyester resin을 사용(Fiber volume ratio: 40~50%)하여 제작되었다. Fig.
- 내부 회전구조물이 진수된 상태에서 외부 고정구조물을 지상에서 일정 단위로 조립한 후 수상으로 옮겨 구조물에 조립한다. 이러한 일련의 과정을 통하여 1개의 팔각형 형태의 구조물이 완성되며 총 4개의 구조물을 제작하였다. 위에서 설명한 시공 절차를 Fig.
- 추적식 수상 태양광발전 구조물의 주요 부재는 내구성, 내부식성, 경량성이 뛰어난 PFRP와 SMC를 사용하였다. PFRP 부재는 동일한 단면을 연속적으로 생산하여 프레임 형태 또는 Grid 형태의 전반적인 구조물에 사용하였으며, SMC는 몰드 제작에 따라서 부재의 형상을 자유롭게 정할 수 있으므로 기존에는 다수의 접합부가 밀집되어 시공이 어려웠던 태양광패널의 하부 압축재로서 활용하였다.
- 추적식 수상 태양광발전 구조물이 시공되는 장소는 경상남도 합천군 합천댐 저수지 내부이며, 음영 및 연무 등 태양광발전에 저해되는 요인이 가장 적으면서도, 집중호우시 발생하는 유송잡물이 쌓이지 않고, 유속이 빠르지 않은 안전한 곳을 선정하였다.
- 주요 구조부재로 활용되는 PFRP 부재의 역학적 특성을 조사하기 위해 각 구조부재를 절단하여 인장강도실험 시편을 제작하고 실험(KS M ISO 527-4)을 수행하였다. 펄트루젼 공정으로 제작한 I형 단면은 플랜지와 복부의 적층량이 달라지기 때문에 Fig. 3과 같이 복부와 플렌지로 나누어 각 5개의 시편을 제작하였다. 각 시편 중앙부분에 길이방향과 길이직각방향으로 변형률게이지를 부착하였으며 하중은 1,000 kN 용량의 UTM을 사용하여 3 mm/min의 속도로 재하하였다.
- 해석에 사용된 요소는 MIDAS에서 제공하는 BEAM element와 PLATE element이며, 1186개의 BEAM element와 165개의 PLATE element가 사용되었다. 해석모델에 사용된 노드의 수는 925개이다.
- 10(a)에 나타내었다. 해석에 사용된 요소는 MIDAS에서 제공하는 BEAM element와 PLATE element이며, 1186개의 BEAM element와 165개의 PLATE element가 사용되었다. 해석모델에 사용된 노드의 수는 925개이다.
이론/모형
- 특히 팔각형 형태의 구조물에서 외부의 팔각형 고정구조물은 회전구조물의 가이드 역할만 수행하고 각각 별도의 구조체로 간주할 수 있기 때문에 외부 고정형 구조물을 제외하고 내부의 회전구조물만을 고려하여 해석모델을 생성하였다. 유한요소해석은 상용 구조해석프로그램 중 하나인 MIDAS CIVIL 2006[6]을 사용하였다. 유한요소해석모델의 형태는 Fig.
성능/효과
- 우선 개념설계를 먼저 설정하고 추적식 시스템을 수상 태양광발전 시스템에 적용할 수 있도록 기본 설계를 실시하였으며, 수상에 설치되는 구조물의 특성을 반영하여 수상의 특수상황을 고려한 수치해석 결과로부터 단면설계를 실시하였다. 구조물에 대한 유한요소해석 결과를 구조물의 사용 재료별 허용응력과 비교하여 안전하게 부재 단면의 설계를 완료하였다. 또한, 이러한 설계, 조립, 설치 과정을 바탕으로 합천댐에 시공을 완료하였으며, 시공과정 및 구조시스템 운용중의 구조물의 안전성 및 부유 구조물의 안정성을 확인하였다.
- 구조물에 대한 유한요소해석 결과를 구조물의 사용 재료별 허용응력과 비교하여 안전하게 부재 단면의 설계를 완료하였다. 또한, 이러한 설계, 조립, 설치 과정을 바탕으로 합천댐에 시공을 완료하였으며, 시공과정 및 구조시스템 운용중의 구조물의 안전성 및 부유 구조물의 안정성을 확인하였다.
- 14에 나타내었다. 최종적으로 합천댐 현장에 수상 태양광발전 구조물을 설치하였으며, 성공적으로 시공을 완료하였다. 수상 태양광발전 구조물이 설치된 모습을 Fig.
후속연구
- 향후 구조물에 대한 구조적 안전성을 확인하기 위한 계측을 계속적으로 실시할 예정이며, 또한 고정식, 수동식, 자동식 태양광발전 단위시스템별 발전효율 측정과 경제성 분석에 대한 연구가 진행될 예정이다.
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