중국 과학자들이 복잡한 지형에 대규모 태양광 발전 시스템을 설치할 수 있는 케이블 지지형 마운팅 시스템을 공개했습니다.

"태양광 발전소에 널리 사용되는 CSPS(케이블 보호 시스템)에는 단층 케이블 시스템, 공간 케이블 시스템, 케이블 트러스 시스템이 있습니다."라고 해당 논문의 교신 저자인 시동 니(Shidong Nie)는 pv magazine에 밝혔습니다. "단층 시스템은 구조가 단순하여 풍하중으로 인한 변위가 크고 대형 스팬에는 적합하지 않은 반면, 공간 케이블 시스템은 하부 케이블을 추가하여 수직 강성을 향상시키고 풍하중으로 인한 변형을 줄입니다. 케이블 트러스 시스템은 여기에 풍양력 케이블을 추가하여 하향 및 상향 풍하중 모두에 대한 저항력을 향상시킵니다."

하지만 이러한 시스템들은 모두 비틀림 저항력이 약하여 불안정성, 기울어짐, 그리고 낮은 풍속 제한으로 인한 떨림 현상이 발생합니다.

이러한 제약 조건을 염두에 두고 연구팀은 새로운 2개의 평행 케이블 트러스 지지형 태양광 발전 구조를 개발했습니다. 니 연구원은 "단일 케이블과 케이블 트러스 모두에 대한 기계적 모델과 파생 방법을 개발했습니다."라고 덧붙였습니다. "이러한 방법들을 결합하여 반복적인 설계 전략과 엔지니어링에 사용할 수 있는 간단한 처짐 결정 공식을 도출했습니다. 40m 스팬 사례 연구를 통해 수치 시뮬레이션으로 모델과 처짐 공식을 검증했습니다. 마지막으로, 설계 결정을 위한 지침을 제공하기 위해 케이블 장력과 처짐이 처짐 제어에 미치는 정적 응답 및 매개변수 효과를 분석했습니다."

"높은 비틀림 저항성을 갖는 새로운 케이블 지지형 태양광 구조 및 최적 매개변수"라는 제목으로 Results in Engineering에 발표된 논문에서 연구진은 이 시스템이 교량의 공기역학에서 영감을 받았으며, 비틀림 강성을 높이면 플러터 현상을 억제하고 임계 풍속을 높일 수 있다고 설명했습니다.

그들은 하나의 케이블 트러스를 두 개의 평행한 트러스로 나누었는데, 이를 통해 전체 재료 사용량을 늘리지 않고도 비틀림 하중 저항 메커니즘을 개선할 수 있다고 주장합니다.

이 시스템은 π자형 서까래로 연결된 두 줄의 PV 모듈을 지원하며, 이는 지렛대 길이를 늘리고 비틀림 강성을 더욱 향상시킵니다. 이러한 구성은 비틀림 모드 주파수를 개선하고 임계 플러터 풍속을 증가시키는 것으로 알려져 있으며, 40m 스팬의 경우 36.8m/s로 추정됩니다. 서까래 및 브레이스 같은 추가 부품은 강철 사용량을 약간 증가시키지만 강성과 진동 제어를 개선합니다. 또한 일정한 간격으로 배치된 브레이스는 이론 모델과 일치하는 정확한 포물선형 케이블 형상을 유지하는 데 도움이 됩니다.

제안된 시스템 구성에서 케이블 트러스는 주요 하중 지지 시스템으로 간주되었으며, PV 모듈 하중은 등가 균일 분포력으로 케이블 트러스에 전달됩니다. 구조 설계는 전체 트러스 높이, 각 케이블의 처짐, 그리고 다양한 케이블 그룹의 예압 수준을 포함한 주요 매개변수에 의해 결정됩니다.

니는 “이러한 값들을 결정하기 위해, 처짐을 조정하고 중력, 풍압, 풍양력에 대한 균형 잡힌 저항을 달성하기 위한 통합된 반복 프레임워크를 개발했습니다.”라고 설명했습니다. “기하학적 구성이 확립되면, 구조물의 고유 진동수를 기반으로 한 동적 해석을 통해 케이블 프리텐션을 평가했습니다. 이러한 동적 특성은 플러터 임계 풍속과 연관되었습니다. 마지막으로, 임계 플러터 풍속 응답을 최대화하거나 부분적으로 최대화하여 최적의 프리텐션 조합을 선택했습니다.”

제안된 설계는 허리케인급 강풍을 모사한 극한 풍속 조건에서 중국 구조 설계 기준에 따라 개발된 40m 스팬 CSPS에 대한 상세한 수치 연구를 통해 검증되었습니다. 실제적인 하중 시나리오를 설정하기 위해 약 0.654kPa의 설계 풍압과 1.7의 돌풍 계수, 20°의 모듈 경사각, 그리고 표준 풍향 계수가 사용되었습니다.

반복 설계 방법을 사용하여 케이블 트러스의 초기 처짐 값을 2,230mm와 1,770mm로 결정했습니다. 이 값들은 하중을 지지하는 케이블에 30kN의 예압이 가해졌다고 가정하여 도출되었으며, 다양한 예압 조건에서 안정적인 것으로 나타났습니다. 매개변수 분석 결과, 풍압이 0.45kPa를 초과하면 계산된 처짐 값이 예압 변화에 거의 영향을 받지 않는 것으로 확인되어, 제안된 기하학적 설계 접근 방식의 견고성을 뒷받침합니다.

프리텐션과 고정하중을 가한 후, 모달 해석을 수행하여 구조물의 동적 특성을 추출하였다. 분석 결과, 케이블 프리텐션이 증가함에 따라 수직 및 비틀림 고유진동수가 일반적으로 증가하지만, 그 비율은 단조롭게 변화하지 않는 것으로 나타났다.

플러터 평가 결과, 최적의 예압 조합에서 임계 풍속이 뚜렷하게 최고점에 도달하는 것으로 나타났으며, 주 하중 지지 케이블에 대해 30kN이 가장 효율적인 값으로 확인되었습니다. 중요한 것은 예압을 더 증가시켜도 공기역학적 안정성이 일관되게 향상되지 않는다는 점이며, 이는 단순히 힘을 최대화하는 것보다는 균형 잡힌 설계가 필요함을 강조합니다.

정적 및 매개변수 분석을 통해 기하학적 형상이 구조 성능에 지배적인 역할을 한다는 점이 추가적으로 입증되었습니다. 특히, 트러스 높이를 증가시키는 것이 케이블 프리텐션을 조정하는 것보다 수직 및 비틀림 변형을 줄이는 데 훨씬 더 효과적인 것으로 나타났습니다. 이러한 결과는 기하학적 최적화가 대형 스팬 CSPS 설계에서 강성과 안정성을 확보하는 핵심 요소임을 확인시켜 줍니다.

니에는 "전반적으로 이번 연구는 제안된 2중 병렬 케이블 트러스 시스템이 강풍 및 복잡한 지형 환경에서 태양광 발전 설비를 구축하는 데 구조적으로 효율적이고 공기역학적으로 견고한 솔루션임을 입증했으며, 향후 대규모 태양광 인프라 구축을 위한 실용적인 설계 프레임워크를 제공한다"고 결론지었다.