본 접이식 태양광 발전 시스템은 독립형 시스템의 하나로, 태양광 패널이 부착되어 있는 구조물이다. 이를 지지하는 부분과 이동의 용이함을 위해 접히는 부분으로 구성되어 있다. 태양광 패널의 발전효율을 최대화 하여 전기를 생산하기 위해서는 태양광 패널의 효율도 중요하지만 가장 중요한 것은 구조물 안정성이다. 본 연구에서 개발하고자 하는 접이식 태양광 발전 구조물은 격오지에서도 독립으로 전기를 생산할 수 있는 시스템으로 이동과 설치가 용이한 접이식 방식의 구조물이다. 이러한 구조물은 야외에 설치되므로 풍하중, 적설하중 등이 작용한다. 본 논문에서는 접이식 태양광 발전 구조물에 가장 영향이 큰 풍하중을 MeshFree 유한요소법을 사용하여 구하였다. 일반적으로 구조물의 형상은 복잡하고 큰 설계안 때문에 Mesh를 수행할 때 시간이 오래 걸린다는 단점을 가지고 있다. 이러한 기존 Mesh의 문제점을 해결하기 위해 최근 MeshFree가 개발되어 사용되고 있다. MeshFree는 기존 해석 시 요구되는 Mesh 작업을 간소화함으로써, 사용자가 보다 쉽게 해석 할 수 있는 프로그램이다. 또한, 사계절 남중고도에 따라 일반적으로 많이 설치되는 각도인 $15^{\circ}$, $30^{\circ}$의 각도로 설계하여 해석하였다. 해석결과 풍하중은 지면과의 경사각이 클수록 커지는 것을 알 수 있었다. 또한, 풍하중실험을 통해 신뢰성을 확보하였다.
본 접이식 태양광 발전 시스템은 독립형 시스템의 하나로, 태양광 패널이 부착되어 있는 구조물이다. 이를 지지하는 부분과 이동의 용이함을 위해 접히는 부분으로 구성되어 있다. 태양광 패널의 발전효율을 최대화 하여 전기를 생산하기 위해서는 태양광 패널의 효율도 중요하지만 가장 중요한 것은 구조물 안정성이다. 본 연구에서 개발하고자 하는 접이식 태양광 발전 구조물은 격오지에서도 독립으로 전기를 생산할 수 있는 시스템으로 이동과 설치가 용이한 접이식 방식의 구조물이다. 이러한 구조물은 야외에 설치되므로 풍하중, 적설하중 등이 작용한다. 본 논문에서는 접이식 태양광 발전 구조물에 가장 영향이 큰 풍하중을 MeshFree 유한요소법을 사용하여 구하였다. 일반적으로 구조물의 형상은 복잡하고 큰 설계안 때문에 Mesh를 수행할 때 시간이 오래 걸린다는 단점을 가지고 있다. 이러한 기존 Mesh의 문제점을 해결하기 위해 최근 MeshFree가 개발되어 사용되고 있다. MeshFree는 기존 해석 시 요구되는 Mesh 작업을 간소화함으로써, 사용자가 보다 쉽게 해석 할 수 있는 프로그램이다. 또한, 사계절 남중고도에 따라 일반적으로 많이 설치되는 각도인 $15^{\circ}$, $30^{\circ}$의 각도로 설계하여 해석하였다. 해석결과 풍하중은 지면과의 경사각이 클수록 커지는 것을 알 수 있었다. 또한, 풍하중실험을 통해 신뢰성을 확보하였다.
A folding solar power system is a stand-alone system and is a structure with solar panels attached. It consists of supporting parts and folding parts for ease of movement. While the efficiency of solar panels is also important to produce electricity by maximizing the power efficiency of solar panels...
A folding solar power system is a stand-alone system and is a structure with solar panels attached. It consists of supporting parts and folding parts for ease of movement. While the efficiency of solar panels is also important to produce electricity by maximizing the power efficiency of solar panels, the most important thing is structure stability. The folding solar power structure intended to be developed in this study is a collapsible structure that is easy to move and install into systems that can produce electricity from grid to independent. Since these structures are installed outdoors, wind loads, snow cover, etc. In this paper, the wind loads most affected by the folding solar power generation structure were obtained using the MeshFree Finite Element Method. MeshFree is a program that makes it easier for users to interpret by simplifying the mesh tasks required by an existing analysis. The analysis showed that the greater the angle of inclination of the wind to the ground, the greater the wind load. In addition, reliability was ensured by wind load testing.
A folding solar power system is a stand-alone system and is a structure with solar panels attached. It consists of supporting parts and folding parts for ease of movement. While the efficiency of solar panels is also important to produce electricity by maximizing the power efficiency of solar panels, the most important thing is structure stability. The folding solar power structure intended to be developed in this study is a collapsible structure that is easy to move and install into systems that can produce electricity from grid to independent. Since these structures are installed outdoors, wind loads, snow cover, etc. In this paper, the wind loads most affected by the folding solar power generation structure were obtained using the MeshFree Finite Element Method. MeshFree is a program that makes it easier for users to interpret by simplifying the mesh tasks required by an existing analysis. The analysis showed that the greater the angle of inclination of the wind to the ground, the greater the wind load. In addition, reliability was ensured by wind load testing.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 풍하중을 받는 접이식 태양광 발전시스템에 대한 역학적 검토 및 설계를 위해, 유동해석을 이용하여 풍향, 풍속, 구조물의 각도 등에 따른 접이식 태양광 발전 구조물이 받는 풍하중을 계산하였다. 또한 풍하중 실험을 통해 시뮬레이션 결과의 신뢰성을 확보하였다.
본 연구의 대상 모델을 접이식 태양광 발전 구조물로서, 이 구조물이 바람에 의해 받는 풍하중을 계산하고,이 풍하중을 구조물에 적용하여 변형량과 응력을 계산하 고자 한다. 이를 위해 우선 3차원 모델링 프로그램인UG 10.
제안 방법
2) 안정성 확보를 위해 추가 지지대를 구성한 후 재해석을 진행하여 구조물의 안정성을 확보하였다.
6) Meshfree를 이용하여 시뮬레이션 한 결과 풍하중실험과 비교하여 객관적 안정성을 만족하였으므로, 본 연구를 통해 Meshfree에 대한 신뢰성을 확보하였다.
MeshFree해석을 위해서는 고체영역에 표면격자의 점이 생성되어야 한다. DAFUL자체의 MeshFree탭의 Leveling을 이용하여 Node를 생성하였다. 노드의 경우DAFUL의 Level 3단계를 이용하여 노드간의 간격을 X축 30.
전체 구조물에 대한 Total Deformation과 Von-Misses Stress를 계산하였다. 가운데 연결 구조물의 경우는 강체로 구성하고 변화를 보고자 하는 태양광 패널이 연결되어 있는 부분을 선택적으로 Mesh Free모델로 구성하였다. 해석결과를 보면 15°의 경우 최외각 측 태양광 패널 부분에서 풍하중 작용 시 최대변형이 일어나는 것을 확인할 수 있으며 중앙 구조물에 접속하는 부분에서 최대응력이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 스트레인 게이지를 부착한 실험에서는 다음과 같은 결과를 얻었다. 구조물 풍압 시험은 전면 4구역, 후면 2구역으로 구분하여 총 6회의 풍압시험을 실시하였다. 구조물에서 발생되는 최대 스트레인 값은 22 × 10-5으로 이를 응력(σ= E × ∊ )으로 환산할 경우 풍압 시험 시 구조물에 발생하는 최대응력은 36.
또한 MeshFree는 단시간 내에 다양한 설계변수를 고려하여 구조해석 결과를 얻을 수 있는 DAFUL만의 고유한 자동화 모델링 방법을 제공한다. Mesh를 생성하지 않기 때문에, Mesh 생성 작업 시 생기는 요소 생성 방법이나 요소 선택의 고민이 불필요하며 누구나 손쉽게 해석이 가능하고 Geometry 변경에 능동적인 대처가 가능하다.
)은 다음 식으로 산정한다. 본 연구에서 수행한 접이식 태양광 발전 구조물의 경우 독립편지붕은 벽면이 없이 기둥부재에 편지부만 있는 지붕구조물로 간주하였다.
0을 이용해서 모델링하였다. 손쉽게 전개가 가능하며, 내부 적재 공간의 최적화를 통해 공간 배치를 활용할 수 있는 모델링을 수행하였으며, 구조물로부터 태양광 모듈을 지지하기 위한 방법으로는 가스스프링 방식을 이용하였다.
육안 검사 이후 해석결과와 실험결과값을 비교하기 위해 스트레인게이지를 13군데에 부착시키고 해당 부위에 발생하는 변형량을 측정하였다.
전체 구조물에 대한 Total Deformation과 Von-Misses Stress를 계산하였다. 가운데 연결 구조물의 경우는 강체로 구성하고 변화를 보고자 하는 태양광 패널이 연결되어 있는 부분을 선택적으로 Mesh Free모델로 구성하였다.
접이식 태양광 구조물의 2개의 경우(15° 및 30°)에 대해 풍하중 20m/s, 25m/s, 30m/s 3가지 경우에 대하여 구조해석을 수행하였다.
접이식 태양광 발전 구조물의 구조적 안정성 확인을 위해 풍하중 실험을 수행하였다.
63mm로 설정하였고, 통상적으로 3단계 이상이면 해석품질은 양호하다고 볼 수 있다. 추가적으로 두께가 너무 얇은 곳에는 Node를 생성하기 어려우므로 추가적으로 52개의 Seed Point를 설정하여 주었다.
이는 각도가 커짐에 따라서 풍하중의 힘 자체는 앞서 계산대로 커지지만 구조물이 구성하는 각도에 의해 힘이 분산되기 때문에 30°의 경우가 더 안정적으로 나타나는 것으로 파악할 수 있다. 하지만 태양광 패널의 지지대가 구조물에 접속하는 부분에서 응력이 크게 발생하기 때문에 지지대의 끝단에 캐스터 부착을 통해 응력을 분산시키는 방법으로 해결하고 구조물 접속 부위의 Max Stress의 경우 SS400구조물의 허용응력을 넘어가 위험할 것으로 예상되어 이를 보완하기 위해 최외각 측에 구조물의 안정성을 위한 지지대 삽입 모델링수정을 진행하였다.
대상 데이터
또한, 태양광 발전 구조물의 뼈대를 이루고 있는 프레임의 재료는 일반구조용강(SS400)으로 사용하였다.
데이터처리
본 연구에서는 풍하중을 받는 접이식 태양광 발전시스템에 대한 역학적 검토 및 설계를 위해, 유동해석을 이용하여 풍향, 풍속, 구조물의 각도 등에 따른 접이식 태양광 발전 구조물이 받는 풍하중을 계산하였다. 또한 풍하중 실험을 통해 시뮬레이션 결과의 신뢰성을 확보하였다.
본 연구의 대상 모델을 접이식 태양광 발전 구조물로서, 이 구조물이 바람에 의해 받는 풍하중을 계산하고,이 풍하중을 구조물에 적용하여 변형량과 응력을 계산하 고자 한다. 이를 위해 우선 3차원 모델링 프로그램인UG 10.0을 이용해서 모델링하였다. 손쉽게 전개가 가능하며, 내부 적재 공간의 최적화를 통해 공간 배치를 활용할 수 있는 모델링을 수행하였으며, 구조물로부터 태양광 모듈을 지지하기 위한 방법으로는 가스스프링 방식을 이용하였다.
이론/모형
구조물에 대해 MeshFree해석을 위한 Node를 생성하였다. MeshFree해석을 위해서는 고체영역에 표면격자의 점이 생성되어야 한다.
내풍압성 검증을 위하여 기존 커튼월 등 시험에 사용하는 AAMA 501.1-05를 인용하여 시험을 진행하였다.
본 연구에서 사용한 태양광 발전 시스템 구조물을 설계하기 위해 [건축구조기준] (국토해양부 고시 제2009-1245호)를 기준으로 설계하중을 계산하였다.
본 해석에서 사용된 무요소법(Mesh Free) 해석 소프트웨어는 DAFUL이다. 이 소프트웨어는 Mesh를 이용하는 기존 유한요소 해석과는 달리 Mesh를 생성하지 않고 구조해석을 가능하게 한다.
성능/효과
1) 배치각 30° 풍량 30m/s의 동일한 조건(풍압2.4kPa)에서 구조물의 취약부분에서 약 864MPa이 나타나는 것으로 확인되었다
3) 그 결과 기존 취약부에서 41MPa로 응력이 감소된결과와 약 95.26%의 응력 감소율을 얻었다.
4) 또한, 취약부에 사용된 소재 SS400의 물성치를 고려해봤을 때 41MPa라는 값은 풍속 30m/s라는 가혹한 환경에서 안전율(S) 약 5정도로 안전하다고 판단된다.
5) 풍하중 실험 결과 실험 결과 조건인 육안 상 태양광 모듈의 탈락 또는 구조체 결속 해지 등의 이상 여부가 나타나지 않았다.
9에서 보아 알 수 있듯이 기존 취약부에서의 응력이 40Mpa로 줄어들었음을 확인할 수 있다. 또한, SS400의 항복응력(235MPa)보다 작은 응력이 작용하고 있음을 알 수 있으며, 구조물도 안전하다고 판단된다.
접이식 태양광 발전 구조물의 풍하중 실험 결과 외관상 모듈의 탈락 또는 구조체 결속 해지등의 이상이 발생하지 않음을 확인 할 수 있었다.
CAD Geometry자체를 이용한 편리하고 직관적인 모델링 방법을 제공하고 있어 사용이 용이하며 여러 개의 바디로 이루어진 시스템 구성이 가능하도록 Multi-Solid를 지원한다. 추가적으로 Local Refinement를 활용하여 응력이 많이 발생하는 부분에만 많은 Node를 사용하게 되어 적은 자유도로 좋은 결과를 얻을 수 있으며, 사용자가 편리하게 Level을 선정하고 그 결과를 비교할 수 있다.
해석결과를 보면 15°의 경우 최외각 측 태양광 패널 부분에서 풍하중 작용 시 최대변형이 일어나는 것을 확인할 수 있으며 중앙 구조물에 접속하는 부분에서 최대응력이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
태양광발전 시스템 중 독립형 시스템은 어떤 방식인가?
태양광발전 시스템은 부하의 종류에 따라 독립형시스템과 계통연계형 시스템으로 구분된다. 독립형 시스템은 외딴 섬과 같이 전기가 들어오지 않는 지역에서 태양광 발전으로만 전기를 공급하는 방식이며, 계통연계 시스템은 태양광 발전으로 얻은 전기와 전력회사에서 공급하는 전기를 함께 사용하는 시스템이다.
태양광 패널의 발전효율을 최대화하기 위해 가장 중요한 것은?
이를 지지하는 부분과 이동의 용이함을 위해 접히는 부분으로 구성되어 있다. 태양광 패널의 발전효율을 최대화 하여 전기를 생산하기 위해서는 태양광 패널의 효율도 중요하지만 가장 중요한 것은 구조물 안정성이다. 본 연구에서 개발하고자 하는 접이식 태양광 발전 구조물은 격오지에서도 독립으로 전기를 생산할 수 있는 시스템으로 이동과 설치가 용이한 접이식 방식의 구조물이다.
접이식 태양광 발전 구조물에 작용하는 하중은?
본 연구에서 개발하고자 하는 접이식 태양광 발전 구조물은 격오지에서도 독립으로 전기를 생산할 수 있는 시스템으로 이동과 설치가 용이한 접이식 방식의 구조물이다. 이러한 구조물은 야외에 설치되므로 풍하중, 적설하중 등이 작용한다. 본 논문에서는 접이식 태양광 발전 구조물에 가장 영향이 큰 풍하중을 MeshFree 유한요소법을 사용하여 구하였다.
참고문헌 (5)
G. I. Song, "Solar Industry Developing Status and Prospects in RPS", Journal of the KSME, vol. 52, no. 3, pp. 42-46, Mar. 2012.
E. C. Jo, W. J. Lee, M. S. Jeon, J. S. Lee, "The Present and Future of Solar technology", Journal of the KSME, vol. 49, no. 11, pp. 28-33, Nov. 2009.
H. J. Lim, H. W. Noh, Y. S. Lim, D. H. Kim, "Direction and Strategy of PV R&D Technical Programs of Korea for the Next Decade", The Korean Society For New And Renewable Energy, pp. 406-407, May 2008.
Y. E. Kim, K. W. Jeong, J. J. Lee, "Wind load analysis for designing a tracking solar generator", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 18, No. 2, pp. 672-680, February 2017. DOI: https://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2017.18.2.672
Ministry of Land, Infrastructure and Transport(MOLIT), Korea Building Code 2016, http://www.kcsc.re.kr/File/2/CIGCDCF90037/CIGCDCF90037.pdf, (accessed. Dec., 09, 2016).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.