[논문]부유식 태양광 발전기의 패널과 부유체에 작용하는 풍하중과 유동특성

유대겸; 이계복

doi:10.5762/kais.2019.20.10.229

부유식 태양광 발전기의 패널과 부유체에 작용하는 풍하중과 유동특성
Flow Characteristics and Wind Loads on the Solar Panel and Floating System of Floating Solar Generato 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.10, 2019년, pp.229 - 235

초록
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지구 환경문제와 자원 고갈에 따른 에너지 위기로 인해 화석 연료를 사용하지 않아 이산화탄소와 같은 온실가스 배출이 없는 청정 에너지원으로서 신재생 에너지는 중요성이 강조되고 있다. 부유식 태양광발전은 기존의 태양광 발전기술과 플로팅 기술을 융합한 신개념의 발전 방식이다. 종래의 육상이나, 건축물이 아닌 유휴수면에 설치하는 재생에너지원으로 구조체, 계류장치, 태양광 발전설비, 수중케이블 등으로 구성된다. 또한 단위모듈 형태로 설계되어 발전용량에 따라 단위모듈을 서로 연결하여 대규모 발전 시설을 조성할 수 있다. 태양광 발전기는 옥외에 설치되기 때문에 구조물에 대한 풍하중의 영향이 매우 크다. 본 연구에서는 부유식 태양광 발전 구조물에 큰 영향을 주는 풍하중을 전산유체역학을 통해 해석하였다. 유동 특성과 풍하중에 대한 풍향과 경사각의 영향을 분석하였다. 모듈의 개수와 바람의 방향에 따라 최대 하중을 받는 위치와 크기 그리고 태양광 패널과 부유체 주위의 유동 특성을 구하였다. 태양광 패널의 지면에 대한 경사각이 클수록 풍하중은 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A floating photovoltaic generation system is a new concept that combines existing photovoltaic generation technology with floating technology. This is installed in the water not on conventional land and a building. The system is designed as a unit module type that can be connected to other modules according to the power generation capacity, thereby forming a large-scale power generation facility. As a renewable energy source, it is composed of a floating structure, mooring device, photovoltaic power generation facility, and underwater cable. Because this system is installed outdoors, the effect of the wind load on the structure is very large. In this study, the wind loads most affected on the floating photovoltaic generation structure were obtained by computational fluid dynamic analysis. The flow characteristics and wind loads were analyzed for a range of wind orientations and angles of inclination. The analysis showed the position and magnitude of the maximum wind load to the wind direction and the flow characteristics around the solar panel and floating system. The wind load increased with increasing angle of inclination of the panel to the ground.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Schematic of solar photovoltaic panel and floating system
그림 Fig. 2. Structure of solar photovoltaic panel and floating system of 5x5 floating solar generator
그림 Fig. 3. 5x5 floating solar generator module flow analysis area
그림 Fig. 4. Inlet and exit boundary condition
그림 Fig. 5. Mesh structure of floating solar generator
그림 Fig. 6. Grid dependency test on different mesh number
그림 Fig. 7. Wind direction acting on panel
그림 Fig. 8. 5x5 Velocity distribution in upper area of 5x5 module of floating solar photovoltaic generator
그림 Fig. 9. Velocity vector around the photovoltaic panel and floating system
그림 Fig. 10. Drag force(Newton) acting on the panels for various wind orientation
표 Table 1. Average, maximum and standard deviation of drags acting on solar panels
표 Table 2. Average, maximum and standard deviation of drags acting on solar panels

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 풍하중을 받는 부유식 태양광 모듈과 부유체 주위에 대한 전산유체해석을 수행하여 풍력으로 인한 수상태양광의 부유체 및 모듈에 작용하는 항력과 유동 특성을 해석하였다. 또한 풍력 방향에 따른 부품별 최대항력의 위치와 크기를 비교하고 태양광 패널의 경사각도와 모듈의 개수에 따른 영향을 평가하고 설계 기본자료를 도출하였다.

제안 방법

(1) 전산유체해석을 통해 태양광 패널 뒤쪽에서 박리와 역류가 발생하는 것을 확인하였고 태양광 패널 구조물에 가장 영향이 큰 풍하중을 구하기 위해 풍향과 경사각도에 따른 최대 항력의 크기와 항력분포를 계산하였다. 이 결과는 구조해석 설계의 입력자료로 사용되어 설계의 안전성을 검증하고 태양광 구조물 설계의 안전율 과잉방지와 최적화를 위한 기본자료로 활용된다.
본 연구에서 사용한 전산유체해석은 유한체적기법(FVM, Finite Volume Method)을 이용한 프로그램인 FLUENT를 사용하였다[8]. 경계조건은 입구는 속도조건, 출구에서는 압력조건을 적용하였다. 상부는 대칭(symmetry)조건을 사용하기 위해 충분히 높게 영역을 잡았고 하부는 고정된 벽으로 점착조건(no-slip condition)을 사용하였다.
종래의 육상이나, 건축물이 아닌 댐의 유휴수면에 설치하는 재생에너지원으로 구조체, 계류장치, 태양광발전설비, 수중케이블 등으로 구성된다. 단위모듈 형태로 설계되어 발전용량에 따라 단위모듈을 서로 연결하여 대규모 발전시설을 조성할 수 있도록 설계되었다. 단위모듈의 구성은 크게 태양광판(Photovoltaic Panel), 이를 지지하는 지지시스템(Supporting System) 및 부유시스템(Floating System)으로 구성되어 있다.
본 연구에서는 풍하중을 받는 부유식 태양광 모듈과 부유체 주위에 대한 전산유체해석을 수행하여 풍력으로 인한 수상태양광의 부유체 및 모듈에 작용하는 항력과 유동 특성을 해석하였다. 또한 풍력 방향에 따른 부품별 최대항력의 위치와 크기를 비교하고 태양광 패널의 경사각도와 모듈의 개수에 따른 영향을 평가하고 설계 기본자료를 도출하였다.
부유체와 패널이 있는 부분에 대해서 육면체 격자를 구성하기 어려운 점을 감안하여, 중심 영역에만 국부적인 사면체(tetra) 격자를 구성하였다. 벽(wall) 조건에 알맞은 격자를 구성하기 위해서 육면체 격자의 경우 그대로 유지하고, 사면체 격자의 경우 부풀림(inflation) 기능을 사용하여 프리즘(prism) 격자를 형성한 후 벽조건과 난류모델이 잘 부합하도록 하였다. 항력에 큰 영향을 미치는 영역인 후류영역(wake region)에서도 격자를 조밀하게 구성하였다.
항력에 큰 영향을 미치는 영역인 후류영역(wake region)에서도 격자를 조밀하게 구성하였다. 벽이 존재하는 모든 위치에서 벽함수(wall function)을 사용하지 않고 벽으로부터의 첫 번째 노드점의 y⁺가 대수함수(logarithmic function)의 속도분포를 갖는 난류영역에 위치하도록 11.225 보다 크도록 격자를 구성하였다.
해석영역 대부분에 대해서 해석시간 및 격자수를 줄이기 위해서 육면체(hexa) 격자를 구성하였다. 부유체와 패널이 있는 부분에 대해서 육면체 격자를 구성하기 어려운 점을 감안하여, 중심 영역에만 국부적인 사면체(tetra) 격자를 구성하였다. 벽(wall) 조건에 알맞은 격자를 구성하기 위해서 육면체 격자의 경우 그대로 유지하고, 사면체 격자의 경우 부풀림(inflation) 기능을 사용하여 프리즘(prism) 격자를 형성한 후 벽조건과 난류모델이 잘 부합하도록 하였다.
경계조건은 입구는 속도조건, 출구에서는 압력조건을 적용하였다. 상부는 대칭(symmetry)조건을 사용하기 위해 충분히 높게 영역을 잡았고 하부는 고정된 벽으로 점착조건(no-slip condition)을 사용하였다. Figs.
수상태양광발전은 기존의 태양광 발전기술과 플로팅기술을 융합한 신개념의 발전방식으로 단위모듈 형태로 설계되어 발전용량에 따라 단위모듈을 서로 연결하여 대규모 발전시설을 조성할 수 있도록 설계되었다. 본 연구에서 고려하는 단일 태양광모델과 부유체 구조는 Fig.
태양광 모듈이 3x3, 5x5로 배열된 상태에서 경사각도 15°와 22°인 경우에 대해 바람이 태양광 모듈의 전면(180°)에서 불어오는 경우를 포함한 각도가 0°, 40°, 60°, 90°, 120°, 140°, 180°, 220°, 340°에 대해 태양광 모듈과 부유체가 받는 항력분포와 패널 주위의 유동특성을 구하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
태양광 모듈이 3x3과 5x5로 배열된 상태에서 경사각도 15° 경우에 대하여 바람이 태양광 모듈의 전면(180°)에서 불어오는 경우를 포함한 각도가 0°, 40°, 60°, 90°, 120°, 140°, 180°, 220°, 340°의 경우에 대해 해석을 수행하였다.
태양광 패널 구조물에 가장 영향이 큰 풍하중을 구하기 위해 전산유체해석을 수행하였다. 태양광 모듈이 3x3, 5x5로 배열된 상태에서 경사각도 15°와 22°인 경우에 대해 바람이 태양광 모듈의 전면(180°)에서 불어오는 경우를 포함한 각도가 0°, 40°, 60°, 90°, 120°, 140°, 180°, 220°, 340°에 대해 태양광 모듈과 부유체가 받는 항력분포와 패널 주위의 유동특성을 구하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
해석영역 대부분에 대해서 해석시간 및 격자수를 줄이기 위해서 육면체(hexa) 격자를 구성하였다.

대상 데이터

Fig. 6에 나타낸 태양광 패널이 받는 평균항력에 대한격자수의 민감도 분석을 수행하여 전체 격자수를 2,000만개로 하였다.

데이터처리

(2) 모든 풍향에 대해서 속도를 정면으로 받는 패널부분에서 항력이 제일 큰 것을 알 수 있고 패널에 작용하는 항력의 최대값과 평균값 그리고 항력분포와 표준편차를 구하였다.

이론/모형

본 연구에서 사용한 전산유체해석은 유한체적기법(FVM, Finite Volume Method)을 이용한 프로그램인 FLUENT를 사용하였다[8]. 경계조건은 입구는 속도조건, 출구에서는 압력조건을 적용하였다.
본 연구에서는 여러 난류 모델들 중에서 박리와 후류유동을 정확하게 예측할 수 있는 Realizable k-ε 난류 모델을 사용하였고 그 식은 다음과 같다.
바람의 방향에 따라 유동특성을 해석하여 태양광 패널에 작용하는 압력과 전단력을 구하여 항력을 계산할 수 있다. 항력의 최대값과 항력분포는 구조해석 설계의 입력자료로 활용되어 태양광 패널에 사용된 재료의 응력 계산을 통해 설계의 안전성 검증에 사용된다.

성능/효과

(3) 태양광 패널의 지면과의 경사각도가 15°에서 22°로 커지면 박리영역이 증가하면서 최대 항력은 1.78배까지 증가하였다. 그러나 바람 방향에 따른 최대 항력 위치는 거의 일치하였다.
(4) 단위모듈을 연결한 전체 모듈의 개수에 따른 패널에 작용하는 항력의 최대값과 평균값 그리고 표준편차를 구한 결과 모듈의 수가 3x3에서 5x5로 증가하면 항력의 최대값은 1.54배까지 증가하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수상태양광 발전 기술이란 무엇인가?	수상태양광 발전 기술은 유휴 저수지 수면 위에 태양광발전 설비를 설치하는 기술로서 산지나 농경지의 훼손을 동반하지 않아 국토가 협소한 우리나라에 맞는 신에너지 기술이다[4-7]. 수상태양광발전은 기존의 태양광발전기술과 플로팅 기술을 융합한 신개념의 발전방식이다.
	태양광 발전에 가장 큰 영향을 미치는 것은?	태양광 발전의 효율을 높이기 위해서는 많은 요소를 고려하여야 한다. 그 중 가장 큰 영향을 미치는 것은 태양광 패널이 항상 태양광을 많이 받을 수 있게 유지되도록 설계된 구조물의 안정성이다. 또한 실외에 설치되므로 자연환경에 그대로 노출되므로 풍하중에 따른 외력에 견딜 수 있도록 충분한 강도가 확보되어야 한다.

참고문헌 (8)

J. W. Park, U. C. Shin, D. G. Kim, J. H. Yoon, "A Study on Generation Characteristics of Building Integrated Photovoltaic System", Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 33, No. 3, pp. 75-81, 2013. DOI : https://doi.org/10.7836/kses.2013.33.3.075

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J. W. Choi., H. Joo, J. Nam, S. T. Hwang, S. J. Yoon, "Performance Enhancement of Floating PV Generation Structure Using FRP", Composites Research , Vol. 26, No. 2, pp. 105-110, 2013. DOI: https://doi.org/10.7234/composres.2013.26.2.105

원문보기 상세보기
S. H. Lee, J. H. Nam, H. J. Joo, S. J. Yoon, "Design of Isolated Floating Type Photovoltaic Energy Generation Structure Using PERP Member", Proceeding of the 2012 Spring Symposium, Korean Society for Composite Materials, Korea, May, pp. 71-72, 2012.
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Y. E. Kim, K. W. Jeong, J. J. Lee, "Wind Load Analysis for Designing a tracking Solar Generator", Journal of Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 18, No. 2, pp. 672-680, 2017. DOI: https://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2017.18.2.672
Y. G. Lee, H. J. Joo, S. J. Yoon, "Modified Design of Floating Type Photovoltaic Energy Generation System", Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, Vol. 1, No. 4, pp. 18-27, 2010.
H. I. Kim, N. H. Lee, E. C. Lee, D. G. Kim, S. T. Hong, H. H. Lee, J. S. Yi, S. H. Lee, Groundwork research for Commercialization of Floated Photovoltaic System, K-water research report, 2012.
ANSYS, Inc., ANSYS Workbench User's Guide, Relaese 15.0, 2013.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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