KR200467341Y1 - 다단으로 분리한 태양광발전장치의 풍압저감 지지구조 - Google Patents

다단으로 분리한 태양광발전장치의 풍압저감 지지구조 Download PDF

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Abstract

본 고안은 넓게 형성되는 태양전지판프레임에 작용하는 풍압을 줄이도록 지주에 다단으로 분리된 태양전지판을 고정하고, 각각의 분리된 태양전지판이 고정된 상단바가 분리된 다단별지주바에 의해 효과적으로 지지되는 다단으로 분리한 태양광발전장치의 풍압저감 지지구조에 관한 것이며, 태양광패널(30)은 두개 이상의 분할된 판체로 이루어지고, 분할된 각각의 태양광패널(30)은 풍압저감 공간이 형성되도록 이격되어 상단바(20)에 고정되며, 상단바(20)는 지주(10) 상단에 고정되는 것을 특징으로 한다.

Description

다단으로 분리한 태양광발전장치의 풍압저감 지지구조 { A supporting structure separated several parts of sloar power generator reducing wind pressure at solar cell }
본 고안은 다단으로 분리한 태양광발전장치의 풍압저감 지지구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 넓게 형성되는 태양전지판프레임에 작용하는 풍압을 줄이도록 지주에 다단으로 분리된 태양전지판을 고정하고, 각각의 분리된 태양전지판이 고정된 상단바가 분리된 다단별지주바에 의해 효과적으로 지지되는 다단으로 분리한 태양광발전장치의 풍압저감 지지구조에 관한 것이다.
태양광발전의 장점은 공해가 없고, 필요한 장소에 필요한 만큼만 발전할 수 있으며, 유지보수가 용이하다는 것이다. 반면에 전력생산량이 일조량에 의존하고, 설치 장소가 한정적이며, 초기 투자비와 발전단가가 높은 단점이 있다.
일반적으로 태양광발전장치는 다수개의 태양전지판이 지주 상단에 고정되고, 지주 하단은 기초콘크리트에 의해 지지되는 구조이다. 이러한 구조에서 태양전지판이 받는 풍압과, 지주와 태양전지판의 하중은 기초콘크리트에 의하여 견고하게 지지되어야 한다.
풍압은 바람에 의해 물체가 받는 압력을 말하고, 공기 밀도, 풍속의 제곱, 바람에 직각인 판의 면적에 비례하므로 넓은 태양전지판이 받는 풍압은 매우 크고, 태양전지판이 향하는 방향 전후로 가장 큰 풍압을 받게 된다.
이를 위하여 지주의 하단에 보강판을 형성하여 풍압에 견디도록 구성하고, 지주의 철골을 풍압에 견디도록 설계하중을 크게 잡아 철골 재료비가 많이 들어가는 문제가 있다.
이러한 태양광발전장치의 기초콘크리트를 형성하는데 많은 비용이 소요되므로 하나의 지주에 많은 태양전지판을 고정하는 구조를 택하고 있다. 하지만 이와 같이 많은 태양전지판을 고정하여 태양전지판프레임을 형성할 때, 전체 면적에 비례하여 풍압이 커지므로 이를 견디기 위한 지주의 설계하중은 그보다 몇 배 커져야 하므로 철재가 많이 소모되는 문제가 있었다.
그리고 이러한 점을 감안하여 적은 면적의 태양전지판프레임을 형성할 경우 기초콘크리트 시공비용 등 토목 비용이 증가하고, 콘크리트를 많이 사용하게 되는 문제가 있었다.
도 1에는 종래의 태양광발전장치를 도시하였는데, 지주(1)의 상단에 받침프레임(2)을 고정식 또는 가변식으로 고정하고, 받침프레임(2)에 태양전지판프레임(3)을 고정하는 것이 일반적인 형태이다. 그리고 지주(1)의 하단에는 기초콘크리트(4)가 시공되어 지주(1)를 견고하게 지지하지만, 태양전지판프레임(3)의 면적이 커질수록 지주(1)의 설계하중과 기초콘크리트의 크기를 크게 형성하여야 하는 것이 일반적이다.
따라서 지면의 활용도를 높이기 위해 태양전지판프레임의 면적을 넓게 하면 할수록 풍압으로 인한 파손을 방지하기 위하여 이러한 부가 비용이 많이 소요되므로 이를 해결하기 위한 방안이 시급한 실정이다.
도 2에는 이러한 바람의 영향을 줄이기 위하여 태양전지판프레임을 곡면으로 형성하도록 고안된 태양광발전장치를 도시하였다.
도 2에 도시된 태양광발전장치는 곡선으로 형성된 곡선지주(6) 사이에 받침프레임(2-1)을 형성하고, 받침프레임(2-1)에 태양전지판프레임(3-3)을 고정한다. 따라서 태양전지판프레임(3-3)은 전체적으로 곡면으로 형성되어 바람의 영향을 줄이게 된다. 하지만 곡면으로 형성되어도 풍압은 작용하므로 곡선지주(6)의 하단을 굵게 형성하여 지주의 지지력을 높인다.
곡선지주(6) 또한 풍압을 견디기 위하여 일반적인 형태보다는 적게 사용되지만 적절한 풍하중을 견디기 위한 철재 사용량을 가지게 된다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 본 출원인이 출원한 풍압에 대한 설계 하중을 줄여 지주 철재가 절감되는 구조를 가진 태양광발전장치에서 태양전지판을 분리하여 단차를 두도록 구성하여 풍압 저감의 효과를 얻을 수 있게 하였다.
하지만 2개로 분할한 태양전지판을 실시예로 예시하였으나, 3개 이상으로 분할된 태양전지판에 대한 실시예가 부족하였다.
본 고안은 전술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 고안한 것으로서, 3개 이상으로 분리되어 풍압을 저감시키는 태양전지판에 적용할 수 있는 다단으로 분리한 태양광발전장치의 풍압저감 지지구조를 제공하고자 하는 목적이 있다.
여러개로 태양광패널을 분할하여 지지할 경우 각각의 태양광패널에 의하여 작용하는 수직하중을 효과적으로 지지하여 철재를 절감하고자 하는 목적이 있다.
지주구조가 바람의 방향에 저항하는 구조로 형성하여 구조적으로 설계하중을 줄이고자 한다.
본 고안은 전술한 목적을 달성하기 위하여 기초콘크리트에 지주가 고정되고, 지주에 태양광패널이 고정되어 태양광발전을 하는 태양광발전장치에 있어서,
태양광패널(30)은 두개 이상의 분할된 판체로 이루어지고, 분할된 각각의 태양광패널(30)은 풍압저감 공간이 형성되도록 이격되어 상단바(20)에 고정되며, 상단바(20)는 지주(10) 상단에 고정되는 것을 특징으로 하며, 상단바(20)는 분할된 태양광패널(30)을 지지하기 위한 지지부(22)와 풍앙저감공간을 형성하기 위한 절곡부(21)로 이루어지고, 지지부(22)의 저부에 각각의 지지부(22)의 갯수만큼의 다단별지주바(11) 상단이 고정되어 지지되며, 다단별지주바(11)는 합쳐져서 하나의 지주(10)를 이루거나 하나의 지주(10)의 상부가 나뉘어 다단별지주바(11)로 형성되는 것을 특징으로 하는 다단으로 분리한 태양광발전장치의 풍압저감 지지구조를 제공한다. 그리고 다단별지주바(11)에서 가장 외측에 위치하는 것은 바람의 반대 방향을 향하여 곡선으로 휘어져 바람에 저항되도록 구성된 것을 특징으로 하는 다단으로 분리한 태양광발전장치의 풍압저감 지지구조를 제공한다.
본 고안은 전체 넓이에 있어 같은 면적의 태양광패널을 적은 철재를 사용하여 지지할 수 있는 효과가 있다.
적은 양의 철재를 사용한 지주와 적은 콘크리트로 형성한 기초콘크리트에 종래와 동일한 면적의 태양전지판프레임을 고정할 수 있는 효과가 있고, 이는 자원 절감의 효과를 가져온다.
태양광패널에 작용하는 풍압이 풍압저감공간으로 형성된 단차공간을 통하여 지나가게 되므로 하나의 태양광패널로 형성되었을 때보다 작은 풍압이 작용하여 지지구조물의 설계하중을 줄일 수 있는 효과가 있다.
지주를 다단별지주바로 구성하여 분할된 각각의 태양광패널의 하중을 효과적으로 지지할 수 있다.
도 1은 종래의 태양광발전장치를 도시한 측면도.
도 2는 종래의 태양광발전장치에서 곡선지주를 채용한 상태를 도시한 측면도.
도 3은 본 고안의 다단으로 분리한 태양광발전장치의 풍압저감 지지구조를 도시한 사시도.
도 4는 본 고안의 다단으로 분리한 태양광발전장치의 풍압저감 지지구조를 도시한 단면도.
도 5는 본 고안의 다단으로 분리한 태양광발전장치의 풍압저감 지지구조에서 상단바의 절곡방향을 반대로 한 실시예를 도시한 단면도.
도 6은 본 고안의 다단으로 분리한 태양광발전장치의 풍압저감 지지구조의 후방에서 바람이 불때 풍압특성을 시뮬레이션한 도면.
도 7은 본 고안의 다단으로 분리한 태양광발전장치의 풍압저감 지지구조의 전방에서 바람이 불때 풍압특성을 시뮬레이션한 도면.
이하, 본 고안의 구성 및 작용을 첨부된 도면에 의거하여 좀 더 구체적으로 설명한다. 본 고안을 설명함에 있어서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 고안자가 그 자신의 고안을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 고안의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 고안은 풍압에 가장 이상적으로 지지될 수 있는 태양광발전장치의 지지구조를 제공하기 위한 것으로서, 태양광 발전시설에 적용된 판넬 형식에 따라 상이한 풍하중 거동특성에 최적화된 구조를 제공하고자 한다.
우리들의 일상생활을 살펴보면 많은 시설물 중에 열이동, 상변화, 물질전달, 화학반응 등의 과정을 동반하는 유체(기체나 액체)의 유동현상을 볼 수 있으며, 이러한 과정이 우리들의 생활에 중요한 역할을 하고 있는 것을 쉽게 이해할 수 있다. 일례로 태풍이나 폭풍, 강풍이 건축물이나 교량 등에 작용할 때 바람에 의한 풍하중이 작용하고 있음을 알 수 있다. 이와 같이 우리들이 의식적으로 이용하고 있는 이들 유체의 유동현상 외에도 지구규모의 거대한 스케일의 이동이나 유동에 의해 일어나는 자연현상 및 미소한 생물의 생명현상 등 여러 분야에서 열 및 유체의 유동현상이 커다란 역할을 하고 있다.
이러한 유체유동에 관한 연구는 이론적 연구와 실험적 연구의 양면으로 발전하여 왔다. 그러나 우리들이 유체의 거동을 알려고 하는 것이 용이하지 않다는 것은 매일매일의 일기예보를 예로 들어 알 수 있다. 공업분야에만 한정하더라도 복잡한 공업장치의 냉각 및 고성능 유체기계의 내부유동은 측정 자체가 쉽지 않으며, 설계 개발단계에서 최적값을 찾아내는 것은 막대한 시간과 비용, 그리고 고도의 실험기술을 필요로 한다. 그러나 만약 그와 같은 실험의 전부 또는 일부를 컴퓨터를 사용해서 예측, 즉 수치해석으로 대치할 수 있다면 그 효과는 매우 클 것이다.
한편, 1960년대에 들어서면서 컴퓨터의 급속한 발달에 힘입어서 과거에는 이론적으로 해석할 수 없었던 복잡한 유체유동의 해석이 수치해석적으로 가능하게 되었다. 특히, 지난 십수년 동안 컴퓨터의 발달은 눈부시게 성장하여, 수년 전까지만 해도 계산기의 용량제한 및 계산속도의 제한이 커다란 문제로 되었으나, 지금에는 소형 컴퓨터로도 처리가능하게 되었다. 따라서, 현 시점에서 최대용량의 슈퍼컴퓨터를 사용하면 상당히 대규모적인 계산이 가능하며, 최근 진보가 매우 빠른 수치역학분야에서의 컴퓨터 풍거동 수치시뮬레이션은 그 산물이라고 할 수 있다. 이와같이 하드웨어인 컴퓨터의 급속한 발달 및 보급과 함께 수치적 연구가 비약적인 발전을 이루어 이제까지의 해석해(解析解 또는 엄밀해) 중심의 이론적 연구를 대신해 가고 있다. 이러한 수치적 연구는 전산유체역학(CFD : Computational Fluid Dynamics), 수치유체역학 또는 유동의 수치시뮬레이션 등의 이름으로 불리고 있다.
본 고안에서 이러한 시뮬레이션의 방법을 이용하여 풍하중 거동에 따른 최적화된 구조를 제공하고자 한다.
시간적 공간적으로 변하는 풍하중의 특성으로 인하여 건축물은 풍방향진동, 풍직각방향진동, 비틀림진동, 와류진동, 공기력 불안정진동을 일으키는 경우가 있다.
특히, 본 연구수행과제와 같이 태양광 발전시설은 적용된 판넬 형식에 따라 풍하중 거동특성이 상이할 것으로 판단되며, 이에 대한 각각의 특성을 파악하기 위해서 CFD 컴퓨터 시뮬레이션에 풍하중의 크기를 평가한다. 실제로 건축물 하중 규준에서 제시한 풍압계수는 구조물의 형태, 형식에 따라 매우 민감하게 영향을 받기 때문에 일반적으로 통용되는 풍하중 규준을 적용하기 어렵다고 판단되기 때문이다. 따라서 수치 시뮬레이션 수행을 통해 실제 풍력에 의한 구조물의 거동을 검토하였다.
본 시뮬레이션에서 전산유체역학(CFD, Computational Fluid Dynamics) 이론에 기초하여 완성된 패키지 프로그램 “STAR-CD”를 이용하여 태양광 발전시설의 판넬형식에 따른 설계풍속에 대한 전후면 풍압의 크기 및 분포형태를 분석, 평가한다.
적용된 풍하중 케이스는 방향별로 2가지의 경우로 산정하였고, 각각의 풍하중을 전후면 외부판넬 형식에 따라 구분된 2가지 모델에 하중으로 적용하였다.
컴퓨터를 이용한 풍하중 및 풍환경 수치 시뮬레이션을 통하여 대상 태양광 발전시설의 풍하중에 대한 해석을 수행하고, 풍압에 대하여 분석을 수행하였다. 시뮬레이션을 수행하기 위해서 미리 풍속 및 풍향을 규정하고, 대상 건축물의 모델링을 수행하여 해석을 수행한다. 마지막으로 해석결과의 평가를 수행하는 절차를 밟는다.
본 시뮬레이션을 세부적으로 살펴보면, 기본풍속은 40 m/s로 설정하였으며, 입력되는 풍속의 수직분포는 일정하다고 가정하였다. 또한 방향별 풍하중의 적용을 고려하기위해 180°간격으로 총 2가지 풍향별 하중 경우를 적용하여 각 풍하중상태에 대한 거동특성을 각각 비교 검토한다.
- 기본풍속 : 40 m/s
- 풍향별 모델 생성 방법 : 180° 간격 총 2 wind load case 적용
시뮬레이션 절차는 태양광 발전시설의 평면도 및 입면도를 참고하여 CAD system에서 CFD 해석모델을 완성하고, 이를 수치 시뮬레이션을 위해 사용하는 범용 소프트웨어로 불러 들여 격자(mesh)를 생성한 후 풍거동 시뮬레이션을 수행한다. 이 결과를 토대로 풍압 특성을 평가한다.
그리고 CAD SYSTEM에 의한 대상 구조물의 3D 모델링을 한다. 즉 AUTOCAD, SOLIDWORKS, ANSYS ICEM, SOLIDEDGE 등의 CAD프로그램 이용하여 태양광 발전시설의 솔리드모델링을 수행한다.
해석 결과, 종래의 방식으로 구성된 폐쇄된 판넬형식에 비해 판넬에 단차로 이루어진 풍압저감공간이 형성된 모델이 북쪽 방향에서 남쪽 방향으로 바람이 불었을 경우 최대 50%의 풍하중(풍력)이 감소하고 있음을 알 수 있다.
그 이유는 부분 개구된 판넬 단차 사이로 풍류가 통과하여 판넬에 작용하는 풍압이 감소하였기 때문이다.
종래기술과 비교하여 풍향별 풍압을 시뮬레이션 하면 아래 표와 같이 나타나고, 도 8과 도 9에 풍향별 풍압특성이 잘 비교되어 있다.
풍향별 풍압비교
구분 수압면적(m2) 풍압 (Pa) 풍력(KN) 비 교 비 고
North Wind
후방풍
종래기술 92 2,066 190 194% 1.94배
본 발명 92 1,066 98 100%
South Wind
전방풍
종래기술 92 1,430 132 114% 1.14배
본 발명 92 1,260 116 100%
위 표에서 볼 수 있듯이 풍압저감공간이 있는 태양광 패널보다 종래의 태양광 패널경우 후방에서 불어오는 바람의 풍압은 1.94배, 전방에서 불어오는 바람은 1.14배 만큼 더 작용하게 되는 것을 실험에서 알 수 있다.
따라서 본 고안은 바람이 잘 통과할 수 있도록 태양광패널(30)을 2개 이상 분리하되 이상적으로 3개이상의 분할된 태양광패널(30)을 갖도록 한다.
태양광패널(30)이 두개 이상의 분할된 판체로 이루어지고, 서로의 단부 사이가 이격되어 풍압저감공간인 단차가 형성된다. 이러한 단차를 이루기 위해 본 고안에서 지주(10) 위에 상단바(20)가 고정되되 상단바(20)에 분할된 태양광 패널을 각각 지지하는 지지부(22)와 풍압저감공간을 이루기 위한 절곡부(21)가 형성된다.
절곡부(21)는 도 4에 도시된 바와 같이 상향 절곡되거나, 도 5와 같이 하향 절곡되어 각각의 분할된 태양광패널(30)에 높이차를 형성하여 바람이 쉽게 빠져 나갈 수 있게 구성한다.
분할된 각각의 태양광패널(30)은 풍압저감 공간이 형성되도록 이격되어 상단바(20)에 고정되고, 상단바(20)는 지주(10) 상단에 고정된다.
상단바(20)의 지지부(22) 저부에 각각의 분할된 태양광패널(30)과 지지부(22) 갯수만큼 다단별지주바(11)가 형성되어 그 상단에 상단바(20)가 고정되어 지지된다.
이러한 다단별지주바(11)는 바닥면에 고정된 하단부터 상단까지 분리된 상태로 이루어지고, 중간에 합쳐져서 하나의 지주(10)를 이루거나, 하나의 지주(10)의 상부가 나뉘어 다단별지주바(11)로 형성될 수 있다.
이와 같이 다단별지주바(11)는 상단바(20)에서 태양광패널(30)의 하중이 직접 작용하는 지지부(22) 저면에서 지자하게 되므로 안정적이 지지가 가능하고, 따라서 중앙에 있는 경우보다 철재가 절감되는 효과가 있다.
그리고 철재의 굵기가 줄어들어 바람의 진행 방향에 간섭을 줄여줘서 태양광패널에 작용하는 풍압을 저감시키는데 도움을 준다.
도면에 도시된 바와 같이 다단별 지주바(11)는 유연한 곡선으로 형성할 수 있고, 곡선의 방향이 각각 바람이 부는 방향에 역방향으로 형성되어 바람에 저항되도록 구성된다. 즉 다단별지주바(11)에서 가장 외측에 위치하는 것은 바람의 반대 방향을 향하여 곡선으로 휘어져 바람에 저항되도록 구성한다.
따라서 가장 외측은 서로 반대 방향의 휘어짐을 가지게 된다.
1 : 지주 2, 2-1 : 받침프레임
3, 3-3 : 태양전지판프레임 3-1 : 가로
3-2 : 세로 4 : 기초콘크리트
5 : 태양전지판 10 : 지주
11 : 다단별지주바 20 : 상단바
21 : 절곡부 22 : 지지부
30 : 태양광패널 40 : 횡단바

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 기초콘크리트에 지주가 고정되고, 지주에 태양광패널이 고정되어 태양광발전을 하며, 태양광패널은 두개 이상의 분할된 판체로 이루어지고, 분할된 각각의 태양광패널은 풍압저감 공간이 형성되도록 이격되어 상단바에 고정되며, 상단바는 지주 상단에 고정되는 다단으로 분리한 태양광발전장치의 풍압저감 지지구조에 있어서,
    상단바(20)는 분할된 태양광패널(30)을 지지하기 위한 지지부(22)와 풍앙저감공간을 형성하기 위한 절곡부(21)로 이루어지고, 지지부(22)의 저부에 각각의 지지부(22)의 갯수만큼의 다단별지주바(11) 상단이 고정되어 지지되며, 다단별지주바(11)는 합쳐져서 하나의 지주(10)를 이루거나 하나의 지주(10)의 상부가 나뉘어 다단별지주바(11)로 형성되는 것을 특징으로 하는 다단으로 분리한 태양광발전장치의 풍압저감 지지구조.
  3. 제 2 항에 있어서,
    다단별지주바(11)에서 가장 외측에 위치하는 것은 바람의 반대 방향을 향하여 곡선으로 휘어져 바람에 저항되도록 구성된 것을 특징으로 하는 다단으로 분리한 태양광발전장치의 풍압저감 지지구조.

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