1. 서 론

기존 태양광 발전 시스템은 대부분 남향으로 일정한 경사각을 두고 설치되며, 이에 따라 발전량이 정오 부근에 집중되는 특성을 가진다¹⁾. 이러한 배치는 고효율 설계가 가능하다는 장점이 있으나, 발전량이 시간대별로 편중되어 아침･저녁 시간대에는 출력이 부족하고 정오에는 과도한 피크 전력이 발생하는 문제를 유발한다. 수직형 모듈은 동쪽과 서쪽에서 입사하는 일사량을 효과적으로 활용할 수 있기 때문에, Fig. 1에서 볼 수 있듯이 아침과 저녁 시간대의 발전량을 증가시키고 하루 전체의 발전 곡선을 완만하게 만든다²⁾. 그 결과, 정오 시간대의 급격한 피크를 완화하고 전력 수요가 높은 시간대에 맞춰 발전량을 분산시킬 수 있어 전력계통 안정성 향상에 기여한다.

Fig. 1

Daily power generation of solar modules based on installation direction

이러한 수직형 양면 태양광 구조물은 바람의 영향을 직접 받기 때문에, 안전하고 효율적인 설계를 위해 정확한 풍하중 평가가 중요하다. 저자는 이전 연구에서 2차원(2D) CFD 해석을 통해 패널 간 간격, 수평･수직 틈새에 따라 바람이 어떻게 흐르고, 그 결과 풍압이 어떻게 달라지는지를 분석하였다. 그 결과, 선두열 패널은 큰 양(+)의 압력을 받지만, 뒤에 위치한 후열 패널들은 80~90% 이상 풍압이 감소하며 음(-)압이 형성되는 차폐 효과가 확인되었다. 특히 수평틈새가 없는 경우 전열 후면에 큰 음압이 형성되었으나, 5 cm 및 10 cm의 수평틈새가 존재할 경우 틈새를 통과하는 유동으로 인해 후면 음압이 감소하고 전체 순풍압도 저감되는 경향을 보였다. 수직틈새가 없는 조건에서는 1열 패널의 순풍압이 약 1403 Pa로 산정되었고, 수직틈새가 존재할 경우 1열 후면 음압이 –334 Pa에서 –473 Pa로 증가하여 순풍압이 약 1550 Pa로 증가하였으나, 후열 패널의 순풍압은 여전히 매우 낮은 수준을 유지하였다³⁾.

이전 연구에서 2D 해석을 통해 패널 배열 위치에 따라 순풍압이 약 90% 감소하는 변화 특성과 틈새가 존재할 때 후면 음압이 감소하는 특성을 정량적으로 확인하였으나, 해당 연구는 패널 측면을 따라 형성되는 유동 및 3차원 와류 구조를 반영하지 못하는 한계를 가진다.

2D 모델은 유동이 앞뒤로만 흐른다고 가정하기 때문에, 실제 구조물 주변에서 발생하는 중요한 흐름인 패널 위･아래로 넘어서 흐르는 유동, 패널 옆으로 돌아 들어가는 측면 유동을 동시에 반영하기 어렵다. 특히 수평･수직 틈새의 영향을 평가한 선행 결과에서도 틈새 주변에서 국소적으로 빠른 흐름이 형성되거나 후면 음압이 변화하는 등 민감한 유동 변화가 나타났지만, 실제 3차원 구조물에서는 틈새를 따라 흐르는 입체적 와류, 측면 와류 등 추가적인 3차원 효과가 존재할 가능성이 크다. 이러한 요소들은 풍하중의 실제 크기와 분포를 바꿀 가능성이 있다.

이와 같이 2D 해석은 전체 흐름의 기본적인 경향을 파악하는 데는 유용하지만, 실제 구조물에서 발생하는 입체적 유동까지 설명하기에는 부족하다. 따라서 본 연구에서는 선행된 2D 해석에서 파악된 주요 유동 특성과 설계 변수를 바탕으로, 실제 구조물의 3차원적 유동 특성을 정밀하게 분석하기 위한 3D CFD 해석을 수행한다. 이를 통해 상･하부 유동과 측면 유동을 동시에 고려하는 복합 유동 조건에서 실제 풍압 분포를 규명하고, 태양광 패널에 작용하는 풍하중을 구조 설계에 반영하기 위한 보다 신뢰성 높은 자료를 마련하고자 한다.

특히 본 연구의 목적은 풍속 변화에 따른 응답 특성을 분석하는 데 있는 것이 아니라, 주어진 기준 풍속 조건에서 구조물의 배치 및 위치 차이에 따라 발생하는 풍압 분포 및 풍하중의 상대적 차이를 정량적으로 규명하는 데 있다. 이를 위해 풍속은 40 m/s로 일정하게 설정하고, 패널 간격 및 배열 위치 변화에 따른 국부 풍압과 전체 풍하중의 증감 경향을 비교･분석한다. 이러한 접근은 다양한 풍속 조건을 반복적으로 검토하는 것보다, 설계 단계에서 구조 배치에 따른 하중 변화 메커니즘을 명확히 이해하고 위치별 정량적인 풍하중을 도출하는 데 의미를 가진다.

또한 본 연구에서는 해석 조건을 구조물에 직각으로 작용하는 정면풍(0° 유입각)으로 한정하였다. 이는 풍향 변화라는 추가 변수를 배제함으로써, 동일한 풍속 조건에서 배열 및 패널 위치 차이에 의해 발생하는 풍압 분포와 풍하중의 상대적 특성을 보다 명확하게 규명하기 위함이다.

따라서 사입풍 조건은 본 연구 범위에 포함하지 않았으나, 실제 설계에서는 중요한 변수로 고려되어야 한다. 실제로 Adrián 등은 풍향과 태양광 패널 경사각을 변화시키며 풍압 특성을 분석하였는데, 풍향 45° 및 경사각 30° 조건에서 최대 양압이 발생하여 압력계수가 약 4.5까지 증가하였고, 풍향 135° 및 경사각 30° 조건에서는 최대 음압이 발생하여 압력계수가 –5.5에 이른다고 보고하였다⁴⁾.

이처럼 사입풍 조건에서는 풍향에 따라 국부적인 압력 증폭, 비대칭 측면 유동, 풍향에 따른 하중 편차 등이 발생할 수 있으므로, 향후 연구에서는 다양한 풍향 조건을 포함한 3차원 해석을 통해 이러한 영향을 정량적으로 분석하고자 한다.

2. 연구 모델 및 수치해석조건

2.1 연구 대상

본 연구의 대상은 Fig. 2와 같이 수직 구조물이 병렬로 배열되어 설치된 양면 태양광 패널(bifacial photovoltaic module)구조이다⁵⁾. 해석 대상은 실제 설치 사례를 참고하여 수평 틈새 10 cm, 수직 틈새 30 cm 로 설정하였으며, 패널 형상은 Fig. 3 (a)와 같이 정의하였다. 구조물은 지상으로부터 3 m 높이에 가로 2.465 m, 세로 2.268 m 의 패널이 고정되어 있으며, 동일 형상의 패널 6개가 3열로 배열되어있는 구성(Fig. 3 (b)이다.

Fig. 2

Vertical photovoltaic panel

Fig. 3

Model for CFD analysis

2.2 CFD 해석 조건

본 연구의 해석 조건은 Fig. 4와 같이 대한민국 국토교통부에서 제정한 『CFD 해석기법을 활용한 풍환경 평가 가이드라인(2021)』⁶⁾의 적용 범위 및 적용 조건을 준수하여 설정되었으며, 해당 가이드라인은 건축 구조물 주변의 외기 유동 및 풍압 분포 평가에 대한 국내 표준 기준으로 활용되고 있다. 이때, 해석장 크기의 기준 단위인 H는 구조물의 최고 높이를 의미한다. 본 연구의 CFD 해석은 층류와 난류가 복합적으로 형성되는 외기 유동장을 모사하는 데 중점을 두었으며, 정상 상태(Steady- state)에서 해석을 수행하였다. 대한민국 국토교통부에서 제시한 해석 조건을 적용한 본 해석의 상세 해석 조건은 Table 1과 같다.

Fig. 4

Computational domain

2.3 해석 모델링

Fig. 5 (a)는 본 연구에서 사용한 패널의 상세 치수를 나타낸다. 패널은 실제 구조와 유사하게 연속배치 형식으로 배치되며, 패널 간 중심 간격은 3.5 m로 설정하였다. 지지 프레임 및 보조 부재는 주요 유동 특성에 미치는 영향이 적은 것으로 판단되어 모델링에서 생략하였다.

Fig. 5 (b)는 해석장을 보여주며, 대한민국 국토교통부의 『CFD 해석기법을 활용한 풍환경 평가 가이드라인』기반으로 결정되었다. 해석장의 기준이 되는 H는 패널의 최고 높이인 3 m를 의미한다. 해석의 효율성을 고려하여, 긴 전체 폭을 가지는 모델과 해석장의 중심에 대칭 경계 조건(symmetry boundary condition)을 적용하여 해석을 수행하였다.

Fig. 5 (c)는 메쉬 분포를 나타낸다. 유동 변화가 큰 패널 주변 영역에는 50 mm의 세밀한 메쉬를 적용하였으며, 패널 외부의 자유층 영역에는 200 mm의 비교적 거친 메쉬를 설정하였다. 이를 통해 계산 효율을 유지하면서도 패널 주변 유동 특성을 정밀하게 해석할 수 있도록 하였다. 유동 해석에서는 격자의 품질이 계산 결과의 정확도에 큰 영향을 주기 때문에, 격자가 잘 생성되었는지 확인하는 과정이 필요하다. 본 해석에서는 격자의 품질을 판단하기 위해 skewness 값을 사용하였으며, 모든 격자에서 최대 skewness가 0.9 이하가 되도록 설정하였다.

Fig. 5

3D Modeling for the Analysis of Parallel-Arranged Panels

3. 해석 결과

해석 결과, Fig. 6의 풍압 분포를 보면 알 수 있듯이 후열 패널들의 풍압은 비교적 균일하게 나타났으나 선두열의 패널은 전면과 후면 모두 패널의 가로 위치에 따라 차이를 보였다. 특히 전면의 외각 패널에는 낮은 양압이, 후면의 외각 패널에는 국부적으로 큰 음압이 작용한다. 이는 Fig. 7의 속도 유선 결과를 통해 설명할 수 있다. 센터 패널의 경우, 좌우에 인접한 패널로 인해 측방 유동이 비교적 대칭적으로 제한되며, 그 결과 후면의 재순환 영역이 완만하게 형성된다. 반면 외각 패널은 한쪽 측면이 개방된 경계조건을 가지므로, 패널 측단을 따라 유동이 강하게 말려 들어가면서 끝단 와류(edge vortex)가 강화된다. 이러한 유동 구조의 차이로 인해 외각 패널 후면에서 더 강한 음압이 형성되는 것으로 판단된다.

Fig. 6

Pressure distribution on panels

Fig. 7

3D velocity streamlines around panels

즉, 전면의 고압 영역과 후면의 저압 영역 사이에 형성된 압력차로 인해 패널 측단을 따라 강한 3차원 끝단 와류가 발생하고, 이 와류의 코어 영역에서는 유속이 증가하면서 정압이 감소하게 되며, 그 결과 패널 후면의 흡입 효과가 강화되어 더 큰 음압이 형성되는 것이다.

이는 동일한 풍속 조건에서도 패널 주변의 와류 분포, 후류 형성, 차폐(shielding) 효과가 패널 위치에 따라 상이하게 발생함을 의미하며, 구조 설계 시 위치 기반 풍하중 차이를 확인해야 함을 시사한다. 따라서 본 연구에서는 해석된 풍압 데이터를 기반으로 패널 가로 위치별 풍하중 특성을 구분하여 정량적으로 분석하였다.

3.1 패널 가로 방향 위치에 따른 풍압 분석

본 절에서는 패널의 가로 방향 위치에 따른 풍압 특성을 정량적으로 분석하기 위해, 대칭면을 기준으로 단면 A(센터), B(중간), C(최외각)에서의 압력 분포 및 패널 전･후면 풍압 값을 비교하였다. Fig. 8의 패널 표면 풍압 분포를 보면 패널의 가로 방향 위치에 따라 차이가 있음을 알 수 있다. 특히 패널 측단부 영역에서는 와류 발생과 유동 박리 특성이 중앙부와 확연히 다르게 나타나며, 그 결과 전면･후면의 압력 분포 또한 비대칭적 경향을 보인다. 이에 패널 가로 위치(A, B, C)에 따른 최대 풍압 및 순풍압을 산정하고, 각 위치별 풍압을 비교함으로써 풍압 특성과 구조물 단부에서의 국부 하중 증가 여부를 규명하고자 한다.

Fig. 8

Surface pressure distribution on panels

Fig. 9는 패널의 압력 분포를 단면 위치 A, B, C에서 비교한 결과이다. A(센터)와 B(중간)는 배열 내부에 해당하며, C는 배열 외측(가장자리 영역)에 해당하는 단면이다. 단면별 압력 분포를 보면, 선두열에서 최대 양압과 음압의 크기와 위치가 단면에 따라 뚜렷하게 달라진다. 이에 최대 양압과 음압을 기준으로 Table 2에 정리하였다.

Fig. 9

Pressure distribution along the cross section A-C

단면별 최대 풍압은 패널 가로 위치에 따라 뚜렷한 차이가 나타난다. 1열 패널의 경우, 단면 A에서 전면 최대 풍압은 1191 Pa로 나타났으며, 단면 B에서는 1153 Pa, 단면 C에서는 1112 Pa로 소폭 감소하는 경향을 보였다. 반면, 후면에서는 단면 C에서 -1252 Pa로 가장 큰 음압이 발생하였으며, 이는 단면 A의 -880 Pa에 비해 약 42% 이상 증가한 값이다.

이로 인해 1열 패널의 최대 순풍압은 단면 A에서 2071 Pa, 단면 B에서 2107 Pa, 단면 C에서 2364 Pa로 나타났으며, 외각 단면(C)에서 가장 큰 최대 순풍압이 발생하였다. 이는 Fig. 7 (a)에서 확인할 수 있듯이, 외각 영역에서 후면 저압 영역이 더욱 강하게 형성되기 때문으로 판단된다.

최대 풍압은 국부적인 위치에서 발생하는 값이므로, 이를 그대로 구조 설계 하중으로 사용하면 특정 위치의 순간적인 피크에 의해 전체가 과도하게 평가될 가능성이 있다. 따라서 설계에 더 적합한 하중을 얻기 위해서는 면적을 고려한 평균 풍압을 함께 평가할 필요가 있다.

3.2 패널 가로 방향 위치에 따른 평균풍압 및 풍하중 분석

단면별로 나타나는 국부 피크의 영향을 보완하기 위해서는 면적 가중 평균(Area-weighted average)을 사용하는 것이 적절하다. 면적 가중 평균 압력은 식 (1)로 정의된다.

여기서, Pi는 위치 𝑖에서의 압력 값이며, Ai는 해당 위치에 대응되는 면적을 의미한다. 면적 가중 평균을 사용한 각 단면에서의 면적 평균 풍압(Area-averaged pressure)을 산정하여 Table 3에 정리하였다. 면적 평균 풍압은 패널 전체 면적에 걸친 풍압의 대표값으로, 실제 풍하중을 계산할 때 직접적으로 사용될 수 있다. 이 방식은 특정 위치에서 크게 나타나는 최대값이 아니라, 패널 전체에 분포하는 압력 수준을 반영하기 때문에 위치별 비교 및 구조 하중 산정에 보다 적합하다. 풍하중은 평균 풍압에 패널 면적을 곱하여 식 (2)와 같이 계산하였다. 여기서 F는 풍하중, P¯는 면적 평균 풍압, A는 패널 면적을 의미한다.

1열 패널은 유입류에 직접 노출되는 선두열로서, 전체 배열 중 가장 큰 풍하중이 작용하는 영역이다. 면적 평균풍압을 기준으로 보면, 전면 평균풍압은 센터(A)에서 948 Pa, 중간(B)에서 913 Pa, 외각(C)에서 826 Pa로 외각으로 갈수록 감소하는 경향을 보였다. 반면 후면 평균풍압은 (A) –697 Pa, 중간(B) –910 Pa, 외각(C) –846 Pa 로 나타나, 중간 및 외각 위치에서 후면 음압이 상대적으로 크게 형성되었다.

이러한 전･후면 평균풍압을 패널 면적으로 적분한 결과, 1열 패널의 총풍하중은 A 위치에서 9,203 N, B 위치에서 10,198 N, C 위치에서 9,356 N으로 계산되었다. 즉, 국부 최대풍압이 가장 크게 나타났던 외각(C) 패널이 항상 최대 풍하중을 가지는 것은 아니며, 평균풍압을 기준으로 할 경우 중간(B) 위치에서 가장 큰 풍하중이 발생하였다.

이는 패널 가로 위치에 따른 후면 음압의 공간적 분포 특성 차이에서 기인한다. 외각 패널의 경우 후면에서 국부적으로 큰 음압이 형성되지만, 그 영향 범위가 적어서 패널 전체 면적에 걸친 평균풍압은 상대적으로 크지 않다. 반면 중간 위치 패널에서는 후면 음압이 비교적 넓은 영역에 걸쳐 형성되어, 면적 평균 관점에서는 외각 패널보다 더 큰 풍하중으로 이어질 수 있다. 실제로 본 해석 결과에서도 중간 위치 패널의 풍하중은 외각 패널 대비 약 8%으로 나타났다.

이러한 결과는 선두열 내부에서도 패널 가로 위치에 따라 후면 유동 구조와 압력 분포의 공간적 특성이 달라질 수 있음을 의미하며, 풍하중 평가 시 국부 최대풍압뿐만 아니라 면적 평균풍압을 함께 고려하는 접근의 중요성을 보여준다.

후열 패널의 경우, 선두열에 의해 형성된 후류의 영향으로 평균풍압과 풍하중의 절대값이 1열에 비해 크게 감소하였다. 2열 평균풍압은 전면 –487 ~ –523 Pa, 후면 –414 ~ –490 Pa 범위로 나타났으며, 위치별 차이는 존재하나 전반적으로 유사한 수준을 유지하였다.

풍하중 기준으로 보면, A 위치에서 –287 N, B 위치에서 38 N, C 위치에서 –184 N으로 계산되었다. 이는 2열 패널에서는 전･후면 평균풍압이 거의 균형을 이루어 총풍하중이 매우 작거나 방향이 전환되는 수준임을 의미한다. 따라서 후열에서는 가로 위치에 따른 풍하중 차이가 구조 설계에 미치는 영향이 거의 없을 것으로 판단된다.

3.3 병렬배치 열에 따른 풍하중 분석

패널이 여러 열(row)로 병렬 배치된 구조에서는 선두열과 후열 간의 풍압 분포 차이가 매우 크게 나타났다. 선두열은 유입류에 직접 노출되어 가장 큰 양(+)의 순풍압을 받는 반면, 후열은 선두열에서 발생한 후류 영향으로 인해 전면 음압이 증가하고 전체 순풍압이 크게 감소하는 경향을 보였다.

가로 위치(A–C)를 구분하지 않고 각 병렬배치 열에 포함된 전체 패널을 하나의 집합으로 묶어 평균풍압과 풍하중을 산정해 Table4에 정리하였다. 그 결과, 열 위치에 따라 풍하중 특성이 명확하게 구분되는 것으로 나타났다.

선두열인 1열 패널의 경우, 평균 순풍압은 1,698 Pa로 나타났으며, 이를 면적으로 적분한 총풍하중은 28,503 N으로 계산되었다. 이에 따른 풍력 계수는 Cf=1.73으로, 전체 배열 중에서 1열 패널이 풍하중을 지배하는 구조임을 확인할 수 있다. 이는 유입류에 직접 노출되는 선두열에서 전면 양압과 후면 음압이 동시에 크게 형성되기 때문으로 해석된다.

반면, 2열 패널의 평균 순풍압은 –339 Pa로 나타났으며, 총풍하중은 –792 N, 풍력 계수는 Cf=−0.05로 계산되었다. 3열 패널에서는 평균 순풍압이 –179 Pa, 총풍하중이 –413 N, 풍력 계수는 Cf=−0.02로 더욱 감소하였다. 이러한 결과는 후열 패널로 갈수록 선두열에 의해 형성된 후류 및 차폐 효과의 영향을 받아 전･후면 평균 풍압이 거의 균형을 이루며, 전체 풍하중의 크기가 매우 작아짐을 의미한다.

이와 같이 가로 위치별 세부적인 풍압 차이를 평균화하여 열 단위로 평가할 경우, 후열 패널의 풍하중은 작은 반면 선두열 패널의 풍하중이 전체 구조물에 작용하는 풍하중의 대부분을 차지하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 구조 설계 관점에서 모든 패널에 동일한 설계 풍하중을 적용하는 기존 방식이 후열 패널에 대해 과도하게 보수적일 수 있음을 시사하며, 병렬배치 열을 기준으로 한 차등 풍하중 적용의 타당성을 뒷받침한다.

3.4 2차원 해석 결과와의 비교

본 연구에서 수행한 3차원 해석 결과를 선행된 2차원 해석 결과와 비교한 결과, 정면풍 조건에서 센터 패널 부근의 압력 분포는 두 해석 결과가 서로 비슷한 경향을 보였다. Fig. 10 (a)의 2차원 해석에서는 첫 번째 패널 전면에서 약 985 Pa의 양압이 발생하였고, 후면에서는 –581~–802 Pa 범위의 음압이 나타났다. 이에 비해 Fig. 10 (b)의 3차원 해석에서는 센터 패널 전면에서 약 948 Pa, 후면에서 –697 Pa의 음압이 형성되어, 2차원 해석에서 계산된 평균풍압과 거의 비슷한 수준을 보였다.

Fig. 10

2D vs. 3D Wind Pressure Distribution Comparison

이러한 결과는 정면풍 조건에서 배열의 센터부인 단면 A는 좌우 패널에 의해 유동이 가로 방향으로 제한되기 때문에, 유동 특성이 거의 2차원적으로 나타나기 때문으로 판단된다. 즉, 바람이 정면에서 들어오는 경우에는 주된 유동이 앞뒤 방향으로 흐르게 되어, 3차원 효과가 크게 나타나지 않는다. 이로 인해 전면과 후면의 평균 풍압과 전체적인 압력 분포 경향이 2차원 해석과 비슷하게 나타난다.

이 결과는 2차원 해석이 수직형 태양광 패널 배열의 풍압 특성을 이해하는 데 효용 가치가 있음을 보여준다. 특히 배열의 중앙부나 정면풍 조건과 같이 유동 변화가 단순한 경우에는, 2차원 해석만으로도 압력 분포의 전반적인 경향과 상대적인 하중 크기를 합리적으로 예측할 수 있다. 따라서 초기 설계 단계에서 여러 배열 조건을 빠르게 비교하거나, 설계 변수에 따른 경향을 살펴보는 데 2차원 해석은 효과적인 방법이 될 수 있다.

그러나 본 연구에서 확인된 바와 같이, 2차원 해석은 수평･수직 틈새의 영향을 동시에 고려할 수 없으며, 패널 측면을 따라 형성되는 유동이나 입체적인 와류 구조를 충분히 반영하는 데에는 근본적인 한계가 있다. 실제 3차원 구조물에서는 틈새를 따라 흐르는 상･하부 유동과 측방 유동이 상호 작용하며, 이로 인해 외각 패널이나 특정 위치에서 국부적인 음압 증폭 및 풍하중 분포 변화가 발생한다. 이러한 현상은 2차원 해석만으로는 재현하기 어렵다.

따라서 수직형 양면 태양광 구조물의 풍하중을 평가할 때, 2차원 해석은 전체적인 흐름과 평균적인 풍압 수준을 파악하기 위한 참고 도구로 활용하고, 실제 구조 설계에 적용되는 풍하중을 정확하게 산정하기 위해서는 3차원 해석이 필수적이다.

4. 결 론

본 연구에서는 수직형 태양광 패널 배열을 대상으로 전산유체해석을 수행하여, 패널 가로 위치와 병렬배치 열에 따른 풍압 분포 특성과 이를 기반으로 한 풍하중 특성을 체계적으로 분석하였다. 특히 국부 최대 풍압, 면적을 고려한 평균 풍압, 그리고 실제 구조 설계에 적용 가능한 풍하중의 차이를 단계적으로 비교함으로써, 풍하중 평가에 있어 보다 합리적인 접근 방법을 제시하고자 하였다. 이를 위해 (1) 가로 위치 단면(A–C)에 따른 국부 풍압 특성, (2) 패널 가로 위치별 평균풍압 및 풍하중, (3) 병렬배치 열(1–3열)에 따른 풍하중 변화를 종합적으로 분석하였다.

(1) 단면 A(센터), B(중간), C(외각)에서의 압력 분포를 비교한 결과, 단면 위치에 따라 최대 풍압, 즉 국부 피크 값은 매우 큰 차이를 보였다. 특히 외각 단면(C)에서는 후면에서 최대 –1252 Pa의 강한 음압이 형성되었으며, 이는 패널 끝단에서 발생하는 3차원 와류와 측방 유동의 영향으로 해석된다. 이러한 결과는 배열 가장자리에서 국부적으로 불리한 압력 조건이 형성될 수 있음을 보여준다.

(2) 가로 위치별 평균풍압을 패널 면적으로 적분하여 풍하중을 산정한 결과, 1열 패널의 총풍하중은 센터(A) 9,203 N, 중간(B) 10,198 N, 외각(C) 9,356 N으로 나타났다. 즉, 국부 최대풍압이 가장 컸던 외각(C) 패널이 항상 최대 풍하중을 가지는 것은 아니며, 평균풍압 기준에서는 중간(B) 위치에서 가장 큰 풍하중이 발생하였다. 이는 외각 패널의 경우 후면 음압이 국부적으로는 크지만 패널 전체 면적에 걸친 영향 범위는 제한적인 반면, 중간 위치 패널에서는 비교적 넓은 영역에서 후면 음압이 형성되어 면적 평균 관점에서 더 큰 풍하중으로 이어지기 때문이다. 이는 국부 최대풍압과 평균 풍하중 간의 차이를 보여준다. 본 해석 결과에서 중간 위치 패널의 풍하중은 외각 패널과 차이가 있지만, 외각 패널 대비 약 8% 로 나타나 설계적 관점에서 큰 영향은 없다고 할 수 있다.

(3) 평균풍압과 이를 면적으로 적분한 풍하중을 기준으로 종합적으로 분석한 결과, 패널 병렬 위치에 따른 풍하중은 선두열(1열)에서 가장 크게 나타났으며, 후열로 갈수록 하중의 크기와 위치 의존성 모두 크게 감소하였다. 반면, 2열 및 3열 패널에서는 풍하중의 절대값이 작고 위치별 차이 또한 작으므로, 모든 열에 동일한 풍하중을 적용하는 기존 설계 방식은 후열에 대해 보수적일 가능성이 있다.

결론적으로 수직형 태양광 구조물의 구조 설계 시에는 선두열과 후열을 구분하여 풍하중을 평가하는 것이 합리적이며, 선두열 내부에서 가로 위치에 따른 평균 풍하중은 약 8% 이내로 전반적으로 유사함을 확인하였다.

본 연구는 정면풍에 대해 해석을 진행하였지만 실제 환경에서는 바람이 항상 정면으로만 유입되지 않는다. 풍향이 30°, 45°와 같이 비스듬히 유입되는 경우에는 측면을 따라 흐르는 유동이 크게 증가하기 때문에, 향후 연구에서는 다양한 풍향 조건을 포함한 3차원 유동 해석을 통해 풍향 변화에 따른 풍압 분포 특성을 정량적으로 평가할 필요가 있다.