Subscript
1. 서 론
2. 연구 모델 및 수치해석조건
2.1 연구 대상 및 모델링
2.2 2차원 모델 및 요소생성
2.3 CFD 해석조건
3. 해석장의 크기 검증 및 신뢰성 확보
4. 해석 결과
4.1 패널 배치간격에 따른 해석 결과
4.2 수평틈새 변화에 따른 해석 결과
4.3 수직틈새 변화에 따른 해석 결과
5. 결 론
1. 서 론
지속 가능한 에너지 전환을 위해 태양광 발전은 풍력 에너지와 함께 가장 중요한 재생 에너지원 중 하나로 자리잡고 있다. 특히 고효율, 저비용화가 이루어진 태양광 모듈의 보급 확대와 함께 도시 및 농촌의 다양한 환경에 적응 가능한 설치 기술이 주목받고 있다. 전통적인 태양광 발전 시스템은 주로 남쪽 방향으로 일정한 경사각을 두고 설치되며, 정오 무렵에 최대 출력이 발생하는 특성을 갖는다. 그러나 이와 같은 설치 방식은 경사형 태양광 시스템에서 태양광 모듈의 배치에 따른 일사량 분포를 분석한 기존의 연구에서 알 수 있듯이, 아침과 저녁 시간대의 발전량 부족 문제를 유발하며, 전력망의 부하를 가중시키는 요인이 된다1).
최근 연구에서는 이러한 시간대 간 발전량 불균형을 완화하기 위한 해결책으로 동서 방향 수직 배열의 양면(bifacial) 태양광 모듈이 주목받고 있다2,3). 이 방식은 모듈 양면에서 입사하는 일사량을 모두 활용할 수 있으며, 특히 아침과 저녁에 발생하는 에너지 수요와 자연스럽게 부합하는 발전 곡선을 제공한다. 결과적으로, 정오 시간대의 피크 전력 발생을 완화하고, 에너지 저장 시스템에 대한 의존도를 줄여 전력 시스템의 안정성과 경제성을 동시에 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라 한국의 경우 국토 면적의 60% 이상이 산지로 이루어져 있으며, 농지가 약 15%를 차지하고 있어 대규모 평지에 태양광 발전소를 설치하기에는 공간적 제약이 따른다4). 이러한 상황에서, 수직형 태양광 시스템은 공간 제약을 극복할 수 있는 대안으로 주목받고 있다. 특히 농업용 부지(agrivoltaics)와 같이 경작지와 에너지 생산을 병행해야 하는 환경에 유용하게 적용될 수 있으며, 기존의 경사형 설치 방식보다 공간 활용도가 높아 토지 이용 효율성을 크게 향상시킬 수 있다. 기존 연구에 따르면 수직 모듈은 농작물 재배에 필요한 일사량을 보존하면서도 작물을 바람과 강한 직사광선으로부터 보호할 수 있어, 농업 생물 다양성을 개선하는 데에도 이점이 있다5).
이러한 기술적·경제적 장점에도 불구하고, 수직형 양면 태양광 모듈의 구조적 설계 측면에 대한 연구는 매우 부족한 실정이다. 수직 배치의 경우 외기 풍압에 직접 정면으로 노출되기 때문에, 구조물에 작용하는 풍하중의 영향을 정확히 파악하는 것이 필수적이다. 특히 병렬 수직 배열 시 선두열과 후열 간의 풍압 분포 특성을 명확히 규명하고, 현행 보수적 풍하중 계수의 적용이 과도한지 여부를 정량적으로 평가할 필요가 있다.
Fig. 1은 수직형 태양광의 실제 적용 사례이다6-8). 독일, 일본, 한국 등지에서 확인되며, 패널은 일정한 간격으로 연속 배치되어 발전 및 영농 효율과 구조 안전성을 동시에 확보하도록 설계된다. 태양광 패널은 수많은 개수의 패널이 병렬로 배치가 되므로 바람이 여러개의 패널을 지나면서 다양한 유동현상을 보여준다. 기존 연구에서 경사형 태양광 패널에 대해 패널 간 간격을 파라미터로 후류 영역의 흐름 구조가 변화함을 간략히 검토하였으나 풍압 및 풍하중 특성을 정략적으로 검토하지는 않았다9). 또한 Lee 등은 수직형에 대해서 유동현상을 연구했는데, 일렬, ㄹ, ㅁ 다양한 배치에 대한 유동현상을 간략히 검토하였으나 바로 풍압을 받는 맨 앞의 전열과 뒤에 배치되는 후열의 풍압차이를 정량적으로 검토하지는 않았다10).
본 연구는 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 해석을 통해 수직 배열된 양면 태양광 모듈의 선두열과 후열 패널에 작용하는 풍압 특성을 정량적으로 규명하고, 후열 패널의 풍압 감소율을 평가하는 데 목적이 있다. 이를 통해 구조 안전성과 자재 경량화 간의 균형점을 모색하며, 차세대 태양광 시스템의 구조 설계 최적화를 위한 근거를 마련하고자 한다. 또한 본 연구는 2차원 해석을 통해 후속 3차원 해석의 경계 조건과 주요 파라미터를 도출하기 위한 예비 연구로서 수행되었으며, 이를 기반으로 보다 정밀한 입체 해석으로 확장될 수 있도록 연구 방향을 제시한다.
2. 연구 모델 및 수치해석조건
2.1 연구 대상 및 모델링
본 연구의 대상은 Fig. 1과 같이 수직 구조물이 병렬로 배열되어 설치된 양면 태양광 패널(bifacial photovoltaic module)구조이다. 해석 대상은 실제 설치 사례를 참고하여 대표적인 단위 모듈 형태로 이상화하였으며, 패널 형상은 Fig. 2(a)와 같이 정의하였다. 구조물은 지상으로부터 3 m 높이에 가로세로 약 2 m의 패널이 고정되어 있으며, 동일 형상의 패널 6개가 3열로 배열되어 총 12 m 길이의 패널이 병렬 배치되는 구성(Fig. 2(b))이다.
본 연구에서는 패널 배치 및 배열 조건이 유동 및 풍압 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 세 가지 변수에 대해 수치 해석을 수행하였다. 변수 조건은 다음과 같다.
1) 패널 배치간격: 3.5 m, 6 m
2) 패널 수평틈새(horizontal gap): 0 cm, 5 cm, 10 cm
3) 패널 수직틈새(vertical gap): 0 cm, 10 cm
각 변수 조건별로 풍압 분포 및 유동 특성을 비교·분석하여, 패널 배치간격 및 틈새가 구조적 안정성에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다.
2.2 2차원 모델 및 요소생성
2.2.1 패널 배치간격 고려 2차원 모델링
실제 제품을 형상화한 Fig. 1의 해석대상은 3차원 해석모델로 구성하기에는 형상의 길이가 길고, 이에 따라 연산량 증가 및 계산 복잡성이 크게 증가하는 한계가 있어 본 연구에서는 Fig. 3과 같이 2차원으로 구성하여 해석을 수행하였다.
지지 프레임 및 보조 부재는 배치간격 변화에 따른 주요 유동 특성에 미치는 영향이 적은 것으로 판단되어 모델링에서 생략하였다.
Fig. 3(a)는 본 연구에서 사용한 패널의 상세 치수를 나타낸다. 패널 배치간격은 일반적으로 설치되는 6 m와 보다 효율적인 설치를 위해 간격을 줄인 3.5 m 두 가지 조건을 고려하였다. Fig. 3(b)는 해석장의 변수를 보여주며, 해석장 크기는 수치 해석 결과에 유의미한 영향을 미치므로 주의 깊게 설정할 필요가 있다. 본 연구에서는 해석장 세 가지 방향 요소, (a) 유입면 거리, (b) 유출면 거리, (c) 상부면 높이를 변화시키면서 적절한 해석장을 도출하였다. 각 조건별로 다양한 해석장 크기를 적용하여 제3절에서 검토를 수행하였으며, 이를 통해 유동 발달과 경계 조건의 영향을 최소화할 수 있는 적정 해석 도메인을 확보하였다.
Fig. 3(c)는 메쉬 분포를 나타낸다. 유동 변화가 큰 패널 주변 영역에는 50 mm의 세밀한 메쉬를 적용하였으며, 패널 외부의 자유층 영역에는 500 mm의 비교적 거친 메쉬를 설정하였다. 이를 통해 계산 효율을 유지하면서도 패널 주변 유동 특성을 정밀하게 해석할 수 있도록 하였다.
2.2.2 패널 수평틈새 고려 2차원 모델링
실제 설치된 패널 간에는 틈새가 존재하며, Fig. 1(c)와 같이 수평 방향으로 틈새가 형성된다. 수평 틈새의 크기에 따른 유동 및 풍압 변화를 분석하기 위해, Fig. 4와 같이 틈새 크기를 0 cm, 5 cm, 10 cm의 세 가지 조건으로 설정하여 모델링을 수행하였다.
2.2.3 패널 수직틈새 고려 2차원 모델링
마찬가지로, 태양광 패널을 위에서 관찰했을 때에도 수직 방향으로 틈새가 존재한다. 이에 따라 수직 틈새의 변화에 따른 유동 및 풍압 변화를 분석하기 위해, 틈새가 없는 경우와 10 cm인 경우를 비교하여 모델링(Fig. 5)을 수행하였다. 또한, 패널의 전체 수평 길이가 12 m인 점을 고려하여 해석의 효율성을 높이기 위해, 모델링 과정에서 중간 부분에 대칭 조건(symmetry)을 적용하여 6 m 구간만을 해석 대상으로 설정하였다.
2.3 CFD 해석조건
본 연구의 CFD 해석은 층류와 난류가 복합적으로 형성되는 외기 유동장을 모사하는 데 중점을 두었으며, 태양광 패널 주변의 유동 박리(separation), 재부착(reattachment), 차폐(shielding), 와류 발생(wake generation) 등을 고해상도로 분석하기 위해 정상 상태(Steady-state) 해석을 수행하였다. 대한민국 국토교통부에서 제시한 상세 해석 조건은 Table 1과 같다.
Table 1.
Simulation conditions11)
3. 해석장의 크기 검증 및 신뢰성 확보
수직형 태양광 패널 구조에 대한 풍압 분포 해석을 수행함에 있어, 사용된 CFD 모델의 신뢰성 확보를 위해 사전 검증 절차를 수행하였다. 해석장은 수치 해석 결과에 유의미한 영향을 미치는 중요한 요소이다. 해석장의 크기에 따라 경계조건 간섭이 생길 수 있고, 이는 결과의 신뢰성을 해친다. 따라서 본 연구에서는 2차원 해석 모델의 신뢰성을 확보하기 위해 해석장 크기 변화에 따른 결과를 정량적으로 분석하고, 유동장의 경계조건 간섭을 최소화할 수 있는 적정 해석장 크기를 도출하고자 하였다. 이를 위해 단일 평판 형상을 지면에 수직으로 배치한 해석 조건에서 해석 도메인 길이를 단계적으로 변화시키며, 정면 압력값을 이론 정체압과 비교하는 검증 해석을 수행하였다.
Fig. 6과 같이 평판 전면에서의 정체점(stagnation point)은 유체의 운동에너지가 압력에너지로 전환되는 지점으로, 이상적인 경우 해당 위치에서의 정압(P)은 동압(q)과 동일해진다. 본 해석의 조건(유입 속도 40 m/s, 공기 밀도 1.225 kg/m3)에서 이론적으로 계산된 동압은 아래 식 (1)과 같다12).
해석장 크기에 따른 해석 결과를 정량적으로 분석하기 위해 해석장 크기를 구성하는 세 가지 방향성 요소(Fig. 3(b)의 a.유입면 거리, b.유출면 거리, c.상부면 높이)에 대해 순차적으로 확대 적용하고, 각 조건에서 도출된 전면 압력값에서 입구 압력을 차감하는 식 (2)를 이용하여 해석결과를 이론값과 비교하였다. 이때, 해석장 크기의 기준 단위인 H는 태양광 패널의 최고 높이인 3 m를 의미한다.
여기서, 은 각 패널 전면에 작용하는 정압, 은 해석장의 입구 기준 정압이다. 해석장 크기에 따른 압력 변화는 Table 2에 정리하였고, 실제 해석결과는 Fig. 7에 보였다.
Table 2.
Pressure variation according to the size of the computational domain
해석 결과, 유입 거리, 유출 거리, 상부 높이 중 어느 하나만 변경하는 경우에도 전면 압력값에 유의한 영향을 미치며, 이는 경계 조건의 유동 발달 또는 간섭 효과에 기인한 것으로 판단된다. 그러나 각 조건에서 패널 전면 압력에서 입구 압력을 차감한 값은 모든 경우에서 이론 동압(980 Pa)과 매우 유사한 결과를 나타냈다. 예를 들어, 해석장 크기가 5H×15H×6H(기준 조건)일 때의 압력 차는 964 Pa, 5H×30H×6H 조건에서는 980 Pa로, 입구압력 기준의 상대 정압이 해석장 규모에 따른 경계 오차를 효과적으로 상쇄할 수 있음을 확인하였다. 특히, 유입 거리와 상부 면적이 충분히 확보되었을 때, 이론값과의 오차가 1~2% 이내로 안정화되었다.
해석장 크기를 26.5H×53.5H×23.5H 이상으로 확장하였을 때에는 입구 압력은 더 이상 감소하지 않았으며, 이는 해석장 외곽에서 발생하는 경계 조건의 영향이 더 이상 주요하게 작용하지 않음을 의미한다. 따라서 이러한 잔여 차이는 수치해석상의 잔차(numerical residual)로 판단되며, 본 연구에서는 상기 조건을 적정 해석장 크기로 설정하였다.
4. 해석 결과
4.1 패널 배치간격에 따른 해석 결과
병렬배치 태양광 패널 구조에 작용하는 풍압 분포 특성을 파악하기 위하여 2차원 전산유체역학(CFD) 해석을 수행하였다. 본 절에서는 패널 배치간격을 변수로 설정하여, case 1 (간격 6 m)과 case 2 (간격 3.5 m)에 대하여 풍압 분포의 차이를 정량적으로 평가하였다. 이를 통해 배열 위치에 따른 풍압 저감 특성 및 구조적 설계 시 고려해야 할 비균일성의 수준을 평가하였다. 또한 속도 유선(streamline) 분석을 통해 간격 변화에 따른 후류 구조 및 특성을 고찰하였다.
Fig. 8은 병렬로 배치된 3열 수직형 태양광 패널 주변의 유동 속도 벡터를 나타낸 것이다. 결과를 살펴보면, 유입 속도는 40 m/s이나, 패널 상·하부를 통과하는 과정에서 최대 약 53 m/s까지 가속되는 현상이 관찰되었다. 선두 패널 전면에서는 유입류가 패널 표면에 직접 충돌하면서 유동 속도가 급격히 감소하고, 흐름이 표면에서 분리되며 정체 영역(stagnation zone)이 형성된다. 이 구간에서 유동은 주로 패널에 수직 방향으로 작용하며, 일부는 상·하부를 우회하여 흐른다. 분리된 주류는 후방으로 이동하며 광범위한 후류(wake)를 형성한다.
첫 번째 패널 후방에서 두 번째 패널 전면에 이르는 구간에서는 분리된 유동이 후방으로 회전하며 재순환(recirculation)하고, 와류(vortex) 구조가 형성된다. 이로 인해 두 번째 패널 전면에는 주류의 직접 충돌이 제한되고, 유동이 후방에서 전면을 향하는 반대 방향 또는 비스듬히 유입되는 흐름 패턴이 나타난다.
두 번째 패널 후방과 세 번째 패널 전면에서도 유사한 패턴이 반복되지만, 후열로 갈수록 와류 강도와 속도 변화 폭이 감소한다. 이에 따라 유동은 점차 수평에 가까운 방향으로 안정화되며, 흐름 방향 변화가 완만해진다. 이는 후열 패널이 전열에서 형성된 후류 영역에 포함되어, 주류가 직접 작용하기보다 재순환류의 영향을 주로 받는 결과로 해석된다.
태양광 패널을 고정하는 기둥과 같은 구조물 설계에서는 이러한 유동의 속도를 직접 이용하기보다는, 속도를 압력으로 변환하고 면적을 고려하여 풍하중을 적용한다. 이에 따라 Fig. 9과 같이 압력 분포를 분석하였으며, 패널 전면과 후면의 압력 분포 분석을 바탕으로 순풍압을 계산하고 각 패널에 따른 순풍압 감소율을 Table 3에 정리하였다. 순풍압 감소율은 아래 식 (3)으로 계산된다.
Table 3.
Net wind pressure and its reduction rate on the front and rear surfaces of panels with varying panel spacing
패널 간 간격이 6 m로 설정된 조건에서는, 1열(선두열) 패널에 작용하는 풍압이 최대 1,683 Pa로 나타났으며, 후속 열로 진행할수록 풍압이 급격히 감소하였다. 특히 2열에서는 –330 Pa, 3열에서는 –167 Pa로, 후열 패널에 음(-)압이 작용하는 현상(Fig. 10(a))이 나타났다. 이는 선두 열에서 유입된 기류가 형성한 와류 및 유동 차폐(shielding) 효과로 인해 발생하는 것으로 판단된다.
순풍압 감소율은 선두 패널 대비 2열에서 약 80.4%, 3열에서 약 90.0%로 나타났다. 바로 뒤 후열에서 순풍압이 급격히 감소하며, 구조 설계에서 모든 패널에 동일한 풍압을 적용하는 기존 설계 방식의 비효율성을 나타낸다. 풍압이 가장 크게 작용하는 1열에 집중된 구조 강화는 필요하지만, 후열 구조체에 동일 강도의 설계를 적용하는 것은 자재 및 구조비 과잉 사용으로 이어질 수 있다.
한편, 간격이 3.5 m로 설정된 조건에서는 1열 패널에 1775 Pa의 풍압이 작용하였고, 2열 및 3열 패널에서는 동일하게 –248 Pa의 음압이 관측(Fig. 10(b))되었다. 후열 패널에 작용하는 풍압은 선두열 대비 약 86% 감소한 수준이며, 특히 2열과 3열 간 풍압 분포의 차이가 매우 작았다.
이는 간격이 좁을수록 유동 재정착이 이루어지기 전에 연속된 차폐 영역이 형성되어 전체 유동장이 구조적으로 안정화되기에, 후열 풍압이 균일하게 분포하는 양상을 보인 것으로 해석된다.
속도 유선 결과(Fig. 11)는 위 정량적 경향을 뒷받침한다. 이를 통해 패널 간격 변화가 유동 구조, 후류 특성, 그리고 이에 따른 풍압 분포에 미치는 영향을 검토하였다.
간격이 6.0 m인 경우, 전열에서 발생한 후류가 후방으로 확산되면서 유속이 점차 회복되고, 일정 거리에서 재부착(reattachment) 현상이 발생한다. 재부착 구간에서는 유동이 다시 가속되어 압력이 부분적으로 회복되지만, 이러한 과정이 2열과 3열 전면에서 서로 다른 시점과 강도로 나타나기 때문에, 각 후열의 유입유동 강도에 차이가 발생한다. 이로 인해 2열과 3열의 풍압 차이가 발생하며, 풍압이 불균일하게 분포한다.
반면, 간격이 3.5 m로 좁아진 경우, 전열에서 발생한 저속·저압의 후류가 재정착되기 이전에 바로 후속 패널 전면까지 전달된다. 이로 인해 후속 열 전면 모두에서 비슷한 수준의 음압이 형성되며, 풍하중이 열 간에 균일하게 작용한다. 또한, 간격이 좁아지면서 차폐 효과가 중첩되고, 측면 유입류가 후류와 상호작용하여 내부 와류 구조가 단순화되며, 전체적으로 일정한 저압대가 유지되는 양상이 나타났다. 이는 2열과 3열의 순풍압이 유사해지는 현상을 설명해준다.
이와 같은 결과는 패널 간격이 후류의 발달 및 재부착 거리에 직접적으로 영향을 미치며, 그 결과 풍압 분포 특성이 달라진다는 점을 보여준다. 간격이 넓을 경우 후류 재부착으로 인해 후열 간 풍압 편차가 커지고, 간격이 좁을 경우 후속 열이 후류 영역에 완전히 포함되어 풍압이 균일화된다.
패널 간격에 따라 풍압의 변화가 다르게 나타나나 후열에서는 공통적으로 풍압 감소율이 80% 이상 나타났다. 이를 구조 설계에 반영할 경우, 후열 패널에 대해서는 풍하중을 낮춰 적용함으로써 불필요하게 과도한 설계를 방지할 수 있다. 이는 자재 절감과 시공 효율성 향상에 기여할 수 있는 중요한 설계적 근거로 활용될 수 있다.
4.2 수평틈새 변화에 따른 해석 결과
본 절에서는 패널 수평틈새를 변수로 설정하여, 세 가지 조건(case 1: 틈새 0 cm, case 2: 틈새 5 cm, case 3: 틈새 10 cm)에 대해 풍압 분포의 차이를 정량적으로 평가하였다. case 2 및 case 3에 대한 압력 분포는 Fig. 12에 나타내었으며, case 1에 대한 압력 분포는 Fig. 9(b)에 제시되므로 생략하였다.
틈새가 존재하는 패널의 압력 특성은 1열의 후면 압력이 틈새를 기준으로 상하면으로 나누어진다는 점이다. 틈새가 없을 때의 1열 후면 압력은 약 –830 Pa이었고, 5 cm의 틈새가 있으면 후면압력이 틈새위쪽과 아래쪽이 각각 –650 Pa, –801 pa로 줄어드는 것을 볼 수 있다.
틈새를 통과하는 유동은 1열 전면의 양압과 후면 음압 영역을 부분적으로 연계하여 후면의 큰 음압을 완화하는 역할을 한다. 2열 패널에서도 전면과 후면 음압이 전반적으로 감소하고 있다.
더 큰 틈새(10 cm)는 후면의 음압을 줄이는 효과를 더욱 증폭시키는데, 각 케이스에 따른 순풍압과 각 패널에서의 순풍압 감소율을 Table 4에 자세히 분석하여 정리하였다.
Table 4.
Net wind pressure and its reduction rate on the front and rear surfaces of panels with horizontal gap between panels
Table 4를 보면 선두열 후면 음압이 틈새 크기에 따라 (–830 → –650/801 → –581/802 Pa)로 감소하였고, 2열의 전면 음압도 1열 후면의 음압이 감소함에 따라 감소하며, 2열 후면 음압도 틈새 증가에 따라 (–638 → –587 → –542 Pa)로 모두 감소하였다.
하지만 각 패널 전후면 압력이 전체적으로 낮아지면서 순풍압의 경우는 틈새가 존재 시 틈새가 없을 때 보다 더 감소하는 경향을 보였다.
4.3 수직틈새 변화에 따른 해석 결과
본 절에서는 패널 수직 틈새를 변수로 설정하여 case 1(틈새 0 cm), case 2(틈새 10 cm)에 대하여 풍압 분포의 차이를 정량적으로 평가하였다.
Fig. 13은 태양광 패널을 평면 상부에서 관찰했을 때, 즉 패널 옆으로 유입되는 측방 유동에 따른 압력 분포 특성을 보여준다.
본 절의 상부에서 보는 패널을 2차원으로 모델링한 유동 해석은 앞절의 수평방향에서 보는 2차원 해석에서 나오는 압력과 차이를 보여주고 있다. 본 절의 수직틈새를 고려하는 2차원 모델의 경우 아래 경계가 센터라인으로 대칭이므로 Fig. 7의 대칭 모델 해석과 유사하게 앞절 수평방향 2차원 모델링 보다 후면의 음압이 비교적 작다.
앞절의 수평 2차원 모델과 후면 음압을 비교해보면 수평모델의 1열 후면 음압 –830 Pa이 본 절의 상부에서 투영한 2차원 모델에서의 1열 후열 –334 Pa 보다 큰 것을 확인할 수 있다. 즉 상부에서 투영한 패널의 2차원 모델은 길이가 12 m인데 측방유동만 존재하므로 수평방향 2차원 모델보다 다소 적은 음압이 걸리는 것으로 판단된다. 따라서 추후 연구에서는 3차원 해석을 통해 측방·상부·하부 유동이 복합적으로 작용하는 조건에서의 후열 압력 분포를 정밀하게 규명할 필요가 있다.
Table 5와 같이 틈새 유무에 따른 결과를 비교하면 틈새가 없는 경우(case 1) 선두 패널의 전면과 후면 압력 차에 의해 순풍압이 약 1403 Pa로 산정되었고, 2·3열은 선두열에 비해 순풍압이 99% 이상 저감되었다. 본 절의 수직방향 투영 패널은 사실상 12 m로 길기 때문에 차폐효과에 의해 간격 3.5m 의 후열은 순풍압이 매우 작게 산출되었다.
Table 5.
Net wind pressure and its reduction rate on the front and rear surfaces of panels with vertical gap between panels
틈새의 영향을 보면 틈새 10 cm(case 2)에서는 선두 패널의 후면 음압이 –334 → –473 Pa로 증가하고 순풍압은 약 1550 Pa로 증가하였으나, 2·3열의 순풍압은 여전히 낮은 수준으로 남았다. 즉, 수직틈새가 있으면 틈새로 흐른 유동이 후면에서 와류를 발생시키면서 음압이 올라간다.
5. 결 론
본 연구에서는 병렬배치 수직형 양면 태양광 구조물에 작용하는 풍압 특성을 규명하기 위하여 2차원 전산유체역학(CFD) 해석을 수행하였다. 해석 조건은 기준 풍속 40 m/s를 적용하였으며, 패널 간 간격(case1: 6 m, case2: 3.5 m), 패널 수평 틈새(case1: 0 cm, case2: 5 cm, case3: 10 cm), 패널 수직 틈새(case1: 0 cm, case2: 10 cm)의 세가지 변수에 대해 비교 분석하였다. CFD 해석 결과의 신뢰성을 확보하기 위하여 문헌 기반 사례 비교 검증, 유동 구조의 물리적 타당성 검토를 병행하였으며, 정성적 및 정량적 일관성을 확보하였다.
1) 패널 간 순풍압 감소율
병렬배치 구조를 대상으로 한 해석 결과, 선두열의 패널은 최대 1775Pa의 양(+)의 순풍압을 받는 반면, 후속 열로 진행할수록 순풍압은 80~90% 이상 감소하며 음(-)압 영역이 지배적으로 나타나는 경향을 확인하였다. 이러한 유동 특성은 선두 패널에 의해 후열 패널이 부분적으로 차폐(shielding)되기 때문이다.
2) 패널간격 차이
간격이 6 m인 경우, 전열에서 발생한 후류가 후방으로 확산·재부착되면서 후열 간 유입 유속이 달라져 풍압이 불균일하게 분포하였다. 반면, 3.5 m 간격에서는 전열의 저속·저압 후류가 재부착되기 전에 후속 패널에 도달하여, 후열 전면에서 거의 동일한 수준의 음압이 형성되고 풍압이 균일화되었다.
3) 수평틈새 영향
수평틈새가 없는 경우 전열 뒤에서 높은 음압이 형성되나, 수평틈새(5 cm, 10 cm)가 존재 시 틈새를 통과하는 유동이 후면의 큰 음압을 감소시킨다. 결과적으로 각 패널 전후면 압력이 전체적으로 낮아지면서 순압력은 틈새가 존재할 때 틈새가 없을 때 보다 더 감소하는 경향을 보였다.
4) 수직틈새 영향
수직틈새가 없는 경우 순풍압이 약 1403 Pa로 산정되었고, 길이 12 m의 선두 패널에 의해 유동 흐름이 차폐된 2·3열은 선두열에 비해 순풍압이 99% 이상 저감되었다. 수직틈새 존재 시 1열 패널의 후면 음압이 –334 → –473 Pa로 증가하고 순풍압은 약 1550 Pa로 증가하였으나, 2·3열의 순풍압은 여전히 낮은 수준으로 남았다.
이러한 결과는 후열 패널에 대해서 완화된 설계 하중을 적용함으로써 구조 경량화, 자재 절감, 시공 효율성 향상이 가능하며, 간격 조건을 고려한 차등 설계가 타당하다는 근거를 제공한다.
본 연구는 한정된 조건(2차원, 정면풍 조건)에서 수행된 수치 해석에 기반하므로, 추후 연구에서는 3차원 해석을 통해 측방 유동, 상·하부 유입류, 와류 구조가 복합적으로 작용하는 입체 유동장을 고려할 필요가 있다. 이를 통해 2차원 해석에서 확인한 주요 파라미터를 반영한 보다 정밀한 풍하중 평가가 가능할 것으로 기대된다.
