5조 - SUN

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 태양광 모듈 전용 고정장치 설계

영문 : Fixing Equipment for Solar Module

과제 팀명

SUN(선)

지도교수

오명도 교수님

개발기간

2017년 9월 ~ 2017년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 2011550003 남현수

서울시립대학교 기계정보공학과 2011430035 정상진

서울시립대학교 기계정보공학과 2014430041 주라쿨로브 아지즈벡

서울시립대학교 기계정보공학과 2011430031 이형래

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 태양광 모듈을 효과적으로 고정할 수 있는 고정장치를 설계
◇ 기존의 마운팅 슬롯에 체결하지 않고 태양광 모듈의 프레임과 압착되는 형태의 고정장치를 고안
◇ 충분한 안전성을 확보

개발 과제의 배경 및 효과

개발 과제 선정 배경

◇ 온실가스 배출로 인한 지구 온난화 가속
◇ 대체 에너지에 대한 관심 집중

◇ 친환경 에너지원인 태양광 발전에 대한 수요가 급증

개발과제 목표 달성 시 얻을 수 있는 효과

◇ 태양광 모듈을 좁은 폭의 베란다 난간에도 설치가 가능해짐
◇ 작업자가 베란다 난간에 태양광 모듈을 설치하기에 한결 수월해짐

개발 과제의 목표와 내용

◇ 목표 : 태양광 모듈의 프레임을 압착하여 고정할 수 있는 고정장치를 안전하게 설계하자
◇ 기존에 쓰이는 볼트 체결 방식은 마운팅 슬롯에만 체결해야 하는 제약이 있습니다. 따라서 이를 개선하여 태양광 모듈의 프레임에 직접 압착하여 고정할 수 있는 형태의 고정장치를 설계하면 태양광 모듈의 프레임의 좁은 폭에도 막대를 고정할 수 있게 됩니다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

지금보다 작은 공간을 이용해 설치가 가능하기 때문에 설치가 불가능했던 빌라 등에 미니 태양광모듈을 설치하는 것이 가능해질 뿐아니라 좁은 공간을 활용할 수 있기에 한결 수월하게 시공할 수 있게 됩니다. 그리고 간단한 구조를
지니고 있기에 양산이 가능하고 손쉽게 설치할 수 있습니다.

경제적 및 사회적 파급효과

그림 7 태양광 발전기 설치 광고

태양광 모듈을 사용함으로써 가정의 전기 사용료를 절감하는 효과를 얻습니다. 월 최소 5000원에서 최대 15000원의 전기 사용료를 절감함으로써 1~2년만 사용하더라도 설치비를 회수하는 것이 가능할 것으로 예상됩니다. 그리고 태양광 모듈은 태양 빛을 에너지원으로 이용하기 때문에 다른 연료를 사용하지 않으며, 온실 가스 및 기타 배기가스를 직접적으로 배출하지 않습니다. 따라서 공기를 오염시키지 않으며, 환경 친화적이고 다른 재생에너지와 달리 소음도 발생시키지 않습니다.

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품 요구사항 및 희망사항

목적계통도

개념설계안

이론적 계산 및 시뮬레이션

Ansys를 통한 태양광 고정장치에 대한 하중 분석 조건

- 각 고정장치는 모듈의 네 부분에 고정
- 판넬의 무게는 이며 앞면의 면적은 약 2제곱미터

하중분석

중력을 9.8m/s^2로 가정하고 하중 분석을 진행하였습니다. 총 네 개의 고정장치에 하중이 분산되므로 각각의 고정 장치에 걸리는 하중은 약 60N이나 시뮬레이션 상에선 2300N을 주어 실제보다 약 40배 가량 더 크게 주었습니다. 하중은 위에서 아래로 누르는 방향으로 위쪽 면적에 주었습니다. 고정장치에서 막대와 가까운 부분에서 모멘트가 크게 작용하여 70Mpa가까이 증가한 모습을 확인할 수 있었습니다. 그리고 최대 응력은 157Mpa이었습니다. 303번 Stainless steel을 사용한다고 가정하면 항복강도가 241Mpa이므로 항복은 발생하지 않을 것으로 예상되지만 100Mpa이상이므로 수차례의 충격에 의한 피로파괴가 발생할 가능성이 있습니다.

2300N의 하중에 대한 분석 결과

풍하중분석

2005년 대한건축학회 건설교통부고시 건축구조설계기준 KBC2005에 따르면 100년 재현 기대 풍속은 30m/s 입니다.1) 이 풍속에 대한 풍압은 설계속도압 공식에 따라 561.6Pa입니다.2) 설계압 공식: q=1/2*(밀도)*(풍속^2) 또한 <엔지니어를 위한 내풍 공학> 교재에 따르면 형상에 따라 항력계수가 변화하며 기울어져 있는 판의 경우엔 세워진 판에 비해 항력이 1.2배 증가함을 알 수 있었습니다.3) 그리고 건물 주변에서의 유속을 시뮬레이션 한 자료에 따르면 건물의 가에서 풍속이 최대 1.4배 증폭되는 것으로 확인되었습니다.4) 따라서 설계 풍압을 1.68배 가량 증가시켜 943.488Pa의 풍압을 태양광 모듈에 적용하여 시뮬레이션을 진행하였습니다. 그리고 태양광 모듈에 총 네 군데에서 구조물이 고정되므로 각 구조물에 걸리는 하중은 4분의 1이 됩니다. 이렇게 발생한 풍압력을 모듈의 수직한 방향으로 나오도록 적용해주었습니다. 그리고 하중은 모듈의 무게인 23kg만을 고려해주어 230N의 힘이 아래로 작용하도록 적용해 주었습니다. 이때 내부 구조물의 끝 모서리에서 최대 압력인 119Mpa이 걸림을 확인할 수 있었습니다. 이러한 응력 집중을 해소하기 위해서 모듈 내부에서 지지하는 부위의 길이를 늘이고 끝 모서리를 라운딩하여 응력집중을 해소해야 함을 알게 되었습니다. 그러나 태양광 모듈마다 내부 길이가 모두 제 각각이기 때문에 호환성을 위해 내부 길이는 짧게 유지한 채 모서리 끝만 라운딩하는 조치를 취하였습니다.

풍하중 분석에 대한 결과

조립도

설치 예시

설치 예시 전면

설치 예시 측면

조립순서

모듈에 상부 고정장치를 끼웁니다.

막대를 상부 고정장치의 뒤에 장착합니다.

하부 고정장치로 막대를 감싼 후 태양광 모듈의 아래쪽 부터 위로 올려 끼웁니다.

막대 좌측에 볼트를 체결한 뒤 막대 뒤에서 Taping나사를 체결하여 태양광 모듈을 밀어줍니다.

최종 모습입니다. 이러한 방식으로 상하좌우를 고정합니다.

부품도

공차는 1mm가량으로 주었고 스텐레스 판넬로 제작하기 때문에 굽힘 공정과 레이저 절삭으로 양산이 가능한 구조로 설계하여 제작하였습니다.

(a) 외부 덮개　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b) 내부 끼우개

태양광 모듈과 막대 예시 모형

외부 덮개

내부 끼우개

조립한 형태

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

상부

하부

외부덮개

내부끼우개

지지대에 덮어준 모습(1)

지지대에 덮어준 모습(2)

태양광모듈 전경

포스터

특허출원번호 통지서

완료 작품의 평가

향후평가

50m/s의 풍동실험을 진행하여 통과하면 서울시의 허가를 받아 시판이 가능합니다. 그러면 내년 2월부터 양산에 들어가 3월부터 시판하게 됩니다. 그러나 이 고정 장치는 본래 30m/s를 기준으로 설계되어있기 때문에 50m/s 이상의 강한 바람을 동반하는 초대형 태풍에 대비하여 추가적인 노끈을 설치하는 등의 대비가 필요합니다. 이 고정장치를 사용하면 기존에 고정하기 위해 쓰이던 구멍인 마운팅 슬롯이 남게 되기 때문에 여기에 노끈을 매달아 난간에 고정함으로써 초대형 태풍에도 효과적으로 대비할 수 있습니다.

부록

참고문헌 및 사이트

1) 2005년 대한건축학회 건설교통부고시 건축구조 설계기준 KBC2005 - 100년 재현 기대 풍속: 30m/s

2) 엔지니어를 위한 내풍공학 369p. 설계속도압

3) 엔지니어를 위한 내풍공학 233p. 표4.3.2. 형상에 따른 항력계수

4) 엔지니어를 위한 내풍공학 211-212p. 건물 외벽에서의 풍속 시뮬레이션 결과