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문제 정의
- 케이블에 설치된 구조물의 경우 횡강성이 약해 바람에 의해 매우 민감한 거동을 한다는 사실은 잘 알려져 있지만, 솔라윙 시스템의 생산 효율 및 유지관리에 대한 연구는 유럽을 중심으로 몇몇 있지만, 솔라윙 시스템 대한 풍동실험 결과는 아직 보고되지 않고 있다. 따라서 본 논문에서는 지상에 설치하는 기존의 태양열전지판을 대신할 수 있는 새로운 시스템인 솔라윙 시스템을 대상으로 풍동실험을 통하여 풍진동 특성을 검토하였다.
제안 방법
- 저풍속영역에서의 불안정진동을 억제하는데 페이링의 효과가 없음을 확인 한 후, 다음과 같은 추가실험을 수행하였다. [Fig. 17]과 같이 시스템의 전체 중량에 영향을 미치지 않도록 가벼운 종이를 사용하여 패널 사이의 간격을 막은 후, 실험을 수행하여 불안정진동의 발생유무를 관찰하였다. 먼저 모든 패널 사이의 간격을 막은 후, 불안정진동의 발생유무를 확인 후, 종이 (1)을 제거하였다.
- 각 패널 사이의 거리는 일정하게 설계하였고, 처짐비(중앙부 처짐 (s) / 전체 폭(B) × 100, [Fig. 3])는 2%와 5% 두가지 경우를 고려하였다.
- 17]과 같이 시스템의 전체 중량에 영향을 미치지 않도록 가벼운 종이를 사용하여 패널 사이의 간격을 막은 후, 실험을 수행하여 불안정진동의 발생유무를 관찰하였다. 먼저 모든 패널 사이의 간격을 막은 후, 불안정진동의 발생유무를 확인 후, 종이 (1)을 제거하였다. 종이 (1)만 제거된 상태에서 다시 불안정진동의 발생유무를 확인하였고, 다시 종이 (2)를 제거한 후(종이 (1)과 종이 (2)만 제거된 상태), 발생유무를 확인하였다.
- 6로 설정하였다. 실제 솔라윙 시스템의 설계풍속은 5m/s ~ 45m/s로, 실제 시스템의 Froude number Fn와 Elastic parameter Ep를 만족하도록 풍동실험의 평균풍속을 0m/s에서 약 16m/s까지 변화시켰다. Froude number Fn와 Elastic parameter Ep는 식 (1)과 (2)로부터 구하였다.
- 종이 (1)만 제거된 상태에서 다시 불안정진동의 발생유무를 확인하였고, 다시 종이 (2)를 제거한 후(종이 (1)과 종이 (2)만 제거된 상태), 발생유무를 확인하였다. 이러한 방법으로 종이를 (1)부터 하나씩 하나씩 종이를 제거한 후 불안정진동의 발생유무를 확인하였고, 결과를 [Table 2]에 나타내었다.
- 즉, 실제 솔라윙 시스템의 경우 특정 풍향에서 평균풍속이 클 경우, 패널의 심한 진동으로 케이블이 갑자기 끊어져 시스템이 붕괴될 수 있음을 알 수 있다. 이후의 실험에서는 특정 평균풍속에서 변위가 급격히 증가하였을 경우에는 실험을 중단하고, 다음 풍향에 대한 실험을 진행하였다.
- 저풍속영역에서의 불안정진동을 억제하는데 페이링의 효과가 없음을 확인 한 후, 다음과 같은 추가실험을 수행하였다. [Fig.
- 먼저 모든 패널 사이의 간격을 막은 후, 불안정진동의 발생유무를 확인 후, 종이 (1)을 제거하였다. 종이 (1)만 제거된 상태에서 다시 불안정진동의 발생유무를 확인하였고, 다시 종이 (2)를 제거한 후(종이 (1)과 종이 (2)만 제거된 상태), 발생유무를 확인하였다. 이러한 방법으로 종이를 (1)부터 하나씩 하나씩 종이를 제거한 후 불안정진동의 발생유무를 확인하였고, 결과를 [Table 2]에 나타내었다.
- 처짐비가 2%인 경우, [Fig. 11]에서 보인 저풍속 영역에서 발생하는 불안정진동을 억제하기 위해 풍향이 90°인 경우 [Fig. 15]에서와 같이 가장 풍상측 패널에 삼각형 모양의 페어링을 설치한 후 실험을 진행하였다.
- 12개의 패널이 양측 케이블에 의해 지지된 축소모형으로, 한 개의 패널은 6개의 태양열전지판 모듈과 이를 지지하는 서포터로 구성되어 있다. 태양열전지판 모듈과 이 모듈을 지지하기 위해 양측에 설치된 서포터의 형상을 고려하여 [Fig. 2]에 나타낸 것과 같이 패널의 단면 형상을 ⊓로 하여 최대한 실제 모형과 유사하게 제작하였다. 각 패널과 케이블은 한 점에서 접합되도록 설계하였다.
- 15]에서와 같이 가장 풍상측 패널에 삼각형 모양의 페어링을 설치한 후 실험을 진행하였다. 페어링은 교량의 풍진동을 억제하기 위해 사용되는 한 방법으로, 페어링의 크기에 따라 진동특성이 달라지지만, 본 실험에서는 이등변 삼각형 모양의 페어링을 사용하였다. [Fig.
대상 데이터
- 12개의 패널 중 패널 3(P3), 패널 7(P7)과 패널 10(P10)의 수직변위를 레이저 변위계(기준거리 약 500mm, 측정거리 약 -250mm ~ +500mm)를 이용하여 계측하였다. [Fig.
- 솔라윙 시스템의 장점 중 하나는 지상을 주차장이나 도로와 같은 다른 용도로 사용할 수 있다는 점으로, 이를 고려하여 기둥의 높이(H)는 5m로 하였다. 실험 모형의 패널 한 개의 중량은 실제 태양열전지판 모듈(6개)과 서포터의 중량을 고려하여 구하였고, 시스템 전체의 중량은 케이블의 중량까지 고려하여 구하였다. 각 패널 사이의 거리는 일정하게 설계하였고, 처짐비(중앙부 처짐 (s) / 전체 폭(B) × 100, [Fig.
- 실험기류로 난류강도가 매우 작은 균등류를 대상으로 하였고(Iu =0.3%), 풍향은 0°에서부터 90°까지 변화시켰다.
성능/효과
- 1. 풍향이 0°에서 30°사이에서 평균변위와 변동변위는 평균풍속에 대해 천천히 증가하는 경향을 보였다.
- 2. 풍향이 40°인 경우, 평균풍속 10m/s(실제풍속 약 36m/s) 부근에서 변동변위가 급격하게 증가함을 알 수 있었다.
- 3. 풍향이 60°보다 큰 경우, 평균풍속 약 1.3m/s (실제풍속 약 4.7m/s)에서 변동변위가 크게 증가함을 알 수 있었다.
- 4. 처짐비가 5%일 경우, 풍향이 90°이고 평균풍속이 약 4m/s(실제풍속 약 14.4m/s)보다 클 경우에 변동변위는 급격히 증가함을 알 수 있었다.
- 5. 저풍속에서의 불안정진동의 발생 메커니즘은 패널 사이의 간격과 패널의 단면 형상과 관계가 있는 것으로 고려된다.
- 이러한 저 풍속영역에서의 불안정진동은 풍향이 60°보다 큰 풍향에서 관찰되었고, 실제 풍속으로 환산하면 4 ~5m/s의 풍속으로, 풍향이 60°보다 큰 경우에 시스템은 바로 파괴되지 않더라도, 피로파괴에 대한 정기적인 검토가 필요하다는 사실을 알 수 있다. 그리고 평균풍속이 약 6m/s일 때 패널 7 (P7)의 변동변위가 급격히 증가하는 불안정진동을 관찰할 수 있었고, 불안정진동이 발생하는 고풍속영역에서의 평균풍속은 풍향이 증가함에 따라 작아진다는 특징이 있었다.
- 풍향이 0°에서 30°로 변함에 따라 평균변위는 크게 증가함을 알 수 있고, 평균변위가 －임을 고려할 경우, 각 패널은 모두 위쪽으로 이동하였음을 알 수 있다. 변동변위도 평균변위와 같이 풍향이 커짐에 따라 증가하고, 평균풍속에 대해서는 천천히 증가하는 경향을 보이나, 대체로 평균풍속의 제곱에 비례하는 경향을 보였다. 이로부터 풍향이 0°에서 30°사이의 경우에는 버페팅과 같은 진동특성이 나타남을 알 수 있다.
- 불안정진동이 나타나기 바로 전 평균풍속의 파워스펙트럼(검은색)과 불안정진동 직후의 평균풍속에서의 파워스펙트럼(붉은색)도 동시에 나타내었다. 시스템의 고유주파수인 약 4Hz 부근에서 동시에 피크가 나타남을 알 수 확인할 수 있고, 불안정진동이 발생한 평균풍속에서의 파워스펙트럼의 경우, 주파수가 6.4Hz와 9.6Hz 부근(2차 모드와 3차 모드에 해당)에서 다른 평균풍속의 파워스펙트럼에 비해 파워가 매우 커짐을 알 수 있다. 특히 주파수가 9.
- 6m/s에서 관찰할 수 있었고, 처짐비가 2%일 경우 더욱 명확하게 나타났다. 실제 풍속의 크기를 고려할 경우, 저풍속에서의 이러한 진동은 거의 매일 발생할 수 있는 것으로, 솔라윙 시스템이 겉으로 보기에는 손상이 없어 보이나, 피로파괴가 발생할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
- 이러한 저 풍속영역에서의 불안정진동은 풍향이 60°보다 큰 풍향에서 관찰되었고, 실제 풍속으로 환산하면 4 ~5m/s의 풍속으로, 풍향이 60°보다 큰 경우에 시스템은 바로 파괴되지 않더라도, 피로파괴에 대한 정기적인 검토가 필요하다는 사실을 알 수 있다.
- 7m/s)에서 변동변위가 크게 증가함을 알 수 있었다. 이러한 저풍속에서의 진동은 평균 풍속이 대략 1m/s ~ 1.6m/s에서 관찰할 수 있었고, 처짐비가 2%일 경우 더욱 명확하게 나타났다. 실제 풍속의 크기를 고려할 경우, 저풍속에서의 이러한 진동은 거의 매일 발생할 수 있는 것으로, 솔라윙 시스템이 겉으로 보기에는 손상이 없어 보이나, 피로파괴가 발생할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
- 풍향이 0°에서 30°사이에서 평균변위와 변동변위는 평균풍속에 대해 천천히 증가하는 경향을 보였다. 특히, 변동변위는 평균풍속의 제곱에 비례하는 버페팅진동이 주된 진동임을 알 수 있었다.
- 11]에 나타내었다. 평균풍속이 5m/s가 될 때 까지 평균변위는 거의 변화가 없지만, 평균풍속 약 1.3m/s 부근에서 변동변위가 급격히 증가하는 불안정진동이 관찰되었다. 이러한 저 풍속영역에서의 불안정진동은 풍향이 60°보다 큰 풍향에서 관찰되었고, 실제 풍속으로 환산하면 4 ~5m/s의 풍속으로, 풍향이 60°보다 큰 경우에 시스템은 바로 파괴되지 않더라도, 피로파괴에 대한 정기적인 검토가 필요하다는 사실을 알 수 있다.
후속연구
- 즉, 간격 (10)과 (11)이 불안정진동의 발생과 밀접한 관계가 있는 것으로 확인하였으나, 패널사이의 간격((10) 과 (11))과 불안정진동의 발생과정과의 정확한 관계를 본 실험에서는 자세하게 검토할 수 없었다. 패널의 단면 형상이 ⊓로, 초기의 타코마교의 단면 형상과 매우 유사하다는 것으로부터, 패널 사이의 거리와 패널의 단면 형상이 불안정진동의 발생 메커니즘과 어떠한 관계가 있을 것으로 추측되고, 이 부분에 대해서는 앞으로 연구를 더욱 진행할 계획이다.
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