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태양광 발전설비 지지구조의 경량화 및 설치 편리성 향상 설계 기술

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초록

기관주요사업 요약서(초록)

제 1 장 서론

제 2 장 기술개발 내용 및 방법

제 3 장 기술개발 결과 및 향후 계획

제 4 장 참고문헌

초록
2. 개발결과 요약 핵심기술 ■ 태양광 모듈 지지구조물 설치 시의 체결 부재설계 ■ 태양광 발전설비 지지구조에 태양광 모듈 자중, 최대 풍속 30m/sec. 풍하중, 돌풍하중, 적설 하중 등이 작용하는 조건에 대한 구조해석으로 구조물의 안전 설계 ■ 태양광 모듈 지지구조 시작품제작 개발의 목표 ■ 개발 목표 (정량) - 발전 용량: 100 kW - 지상형 지지구조, 지붕형 지지구조 - 허용 풍속: 최대 30 m/sec. - 적설 하중: 최대 0.5 kN/m<sup>2</sup> - 설치 면적: 820 m<sup>2</sup> ■ 개발 목표 (정성) - 태양광 모듈 지지구조와 체결 부재 관련 국내·외 특허자료 30건 이상제공 - 태양광 모듈 지지구조의 경량화 및 설치 편리성 구조 설계로 사업성 향상 - 태양광 모듈 지지구조에 대한 구조해석. 특히 체결 부위의 안전 설계와 해석기술 이전 개발내용 및 결과 ■ 태양광 발전 시제품제작 - 발전 용량: 100 kW - 지붕형 지지구조, 지상형 지지구조 - 허용 풍속: 최대 30 m/sec. - 적설 하중: 최대 0.5 kN/m<sup>2</sup> - 설치 면적: 820 m<sup>2</sup> ■ 태양광 모듈 지지구조와 체결 부재와 관련된 국내 특허자료 50건 미국 특허자료 22건 조사 분석 ■ 태양광 모듈 지지구조의 경량화 및 설치 편리성 구조 설계 ■ 태양광 모듈 지지구조에 대한 구조해석. 특히 체결 부위의 안전설계와 해석기술 이전

초록

2. 개발결과 요약
핵심기술
■ 태양광 모듈 지지구조물 설치 시의 체결 부재설계
■ 태양광 발전설비 지지구조에 태양광 모듈 자중, 최대 풍속 30m/sec. 풍하중, 돌풍하중, 적설 하중 등이 작용하는 조건에 대한 구조해석으로 구조물의 안전 설계
■ 태양광 모듈 지지구조 시작품제작

개발의 목표
■ 개발 목표 (정량)
- 발전 용량: 100 kW
- 지상형 지지구조, 지붕형 지지구조
- 허용 풍속: 최대 30 m/sec.
- 적설 하중: 최대 0.5 kN/m2
- 설치 면적: 820 m2
■ 개발 목표 (정성)
- 태양광 모듈 지지구조와 체결 부재 관련 국내·외 특허자료 30건 이상제공
- 태양광 모듈 지지구조의 경량화 및 설치 편리성 구조 설계로 사업성 향상
- 태양광 모듈 지지구조에 대한 구조해석. 특히 체결 부위의 안전 설계와 해석기술 이전

개발내용 및 결과
■ 태양광 발전 시제품제작
- 발전 용량: 100 kW
- 지붕형 지지구조, 지상형 지지구조
- 허용 풍속: 최대 30 m/sec.
- 적설 하중: 최대 0.5 kN/m2
- 설치 면적: 820 m2
■ 태양광 모듈 지지구조와 체결 부재와 관련된 국내 특허자료 50건 미국 특허자료 22건 조사 분석
■ 태양광 모듈 지지구조의 경량화 및 설치 편리성 구조 설계
■ 태양광 모듈 지지구조에 대한 구조해석. 특히 체결 부위의 안전설계와 해석기술 이전

기관주요사업 요약서(초록)
기관주요사업 요약서(초록) 1. 과제현황 □기관고유임무형사업 ☑산업계연계형 사업 사업 분류 □부처임무형 사업 □창의연구사업 태양광 발전설비 지지구조의 경량화 및 설치 편리성 향상 국문 연구과제명 설계 기술 영문 Solar Power Generator Supporting Structure Design 계정번호 PJB15100 연구비(직접비) 180,000천 원 청정생산시스템연구소 연구책임자 윤승원 소속 생산시스템그룹 연구기간 2015. 01. 01. ~ 2015. 12. 31. (12 개월) 투입인원 정규직 1명 비정규직 명 총 인원 1명 위탁연구기관 공개 여부 공개(O), 비공개( ) 비공개 사유 □ 보안과제 □ 지식재산권 취득 중 □ 영업비밀 보호(대표자 날인) 2. 개발결과 요약 태양광 패널 / 태양광 전지 / 태양광 발전 / 지지 구조 / 색인어 한글 연결구 (각 5개 이상) Solar Panel / Solar Cell / Solar Power / Supporting Structure / 영어 Connector 태양광 모듈 지지구조물 설치 시의 체결 부재설계 태양광 발전설비 지지구조에 태양광 모듈 자중, 최대 풍속 30 핵심기술 m/sec. 풍하중, 돌풍하중, 적설 하중 등이 작용하는 조건에 대한 구조해석으로 구조물의 안전 설계 태양광 모듈 지지구조 시작품제작 개발 목표 (정량) - 발전 용량: 100 kW - 지상형 지지구조, 지붕형 지지구조 개발의 목표 - 허용 풍속: 최대 30 m/sec. - 적설 하중: 최대 0.5 kN/m2 - 설치 면적: 820 m2 3 개발 목표 (정성) - 태양광 모듈 지지구조와 체결 부재 관련 국내·외 특허자료 30건 이상제공 - 태양광 모듈 지지구조의 경량화 및 설치 편리성 구조 설계로 사업성 향상 - 태양광 모듈 지지구조에 대한 구조해석. 특히 체결 부위의 안전 설계와 해석기술 이전 태양광 발전 시제품제작 - 발전 용량: 100 kW - 지붕형 지지구조, 지상형 지지구조 - 허용 풍속: 최대 30 m/sec. - 적설 하중: 최대 0.5 kN/m2 개발내용 및 - 설치 면적: 820 m2 결과 태양광 모듈 지지구조와 체결 부재와 관련된 국내 특허자료 50건 미국 특허자료 22건 조사 분석 태양광 모듈 지지구조의 경량화 및 설치 편리성 구조 설계 태양광 모듈 지지구조에 대한 구조해석. 특히 체결 부위의 안전 설계와 해석기술 이전 3. 기술 및 경제적 성과 국내 특허출원, “프레임 어셈블리용 연결구 및 이를 구비한 태양광 발전장치 (Connector for Frame Assembly and Solar Generator Provided with the Same),” 출원인 한국생산기술연구원, 발명자 윤승원, 특허출원번호 10-2015-0130175, 출원일자 2015. 09. 15. 국내 디자인출원, “태양전지모듈 장착 프레임용 연결구,” 출기술적 성과 원인 한국생산기술연구원, 창작자 윤승원, 디자인출원번호 30-2015-0045618, 출원일자 2015. 09. 08. 태양광 모듈 지지구조에 자중, 풍하중, 적설 하중 등을 적용한 구조해석으로, 특히 체결 부위의, 안전 설계 태양광 패널 모델에 따른 지상형 지지구조(평면 설치)와 지붕형 지지구조(경사면 설치)의 플랫폼 가변 설계 태양광발전 지지구조물의 SolidWorks 3D 모델링 설계 파일과 SolidWorks Simulation 구조해석 파일 수요업체에 이전 4 태양광 발전설비 설치비 구성은 일반적으로 (1)태양광 모듈 38%, (2) 계통연계형 인버터 및 인버터 외함 17%, (3) 접속반과 모니터링 및 전기 설계 및 전기 공사/피뢰/접지 19%, (4) 설치구조물 및 설치 공사 17%, (5) 이윤 및 안전진단 9% 등이다. 지지경제적 성과 구조의 경량화 및 설치 편리성 향상으로 전체 공사비의 2~3% 절감이 예상된다. 태양광 발전설비 지지구조의 경량화와 시공성 향상 설계 전용실시권 기술이전: 기술이전기업 ㈜조은에너지, 기술이전기간 2015. 12. 01. - 2020. 12. 31. 4. 파급효과 및 기대효과 태양광 패널 모델에 따른 지상형 지지구조(평면 설치)와 지붕형 지지구조(경사면 설치)의 구조 설계 가변 플랫폼을 활파급효과 용하여, 다양한 용량과 설치 면적 및 형태에 대한 도면 작 성에 활용 태양광 발전설비 구조의 가변 설계 플랫폼 활용으로 사업성 향상과 고용 증대 예상 기술이전 기업이 다양한 발전용량과 설치 상황에 따른 태양기대효과 광 발전 지지구조 설계 기술 확보로 사업성 향상 향후 5년간, 수요기업 년 평균 매출액 20억 원 증대 기대 (설비 당 2.0억 원 기준) 5 본 페이지에는 내용이 없습니다. 6

기관주요사업 요약서(초록)

기관주요사업 요약서(초록) 1. 과제현황 □기관고유임무형사업 ☑산업계연계형 사업 사업 분류 □부처임무형 사업 □창의연구사업 태양광 발전설비 지지구조의 경량화 및 설치 편리성 향상 국문 연구과제명 설계 기술 영문 Solar Power Generator Supporting Structure Design 계정번호 PJB15100 연구비(직접비) 180,000천 원 청정생산시스템연구소 연구책임자 윤승원 소속 생산시스템그룹 연구기간 2015. 01. 01. ~ 2015. 12. 31. (12 개월) 투입인원 정규직 1명 비정규직 명 총 인원 1명 위탁연구기관 공개 여부 공개(O), 비공개( ) 비공개 사유 □ 보안과제 □ 지식재산권 취득 중 □ 영업비밀 보호(대표자 날인) 2. 개발결과 요약 태양광 패널 / 태양광 전지 / 태양광 발전 / 지지 구조 / 색인어 한글 연결구 (각 5개 이상) Solar Panel / Solar Cell / Solar Power / Supporting Structure / 영어 Connector 태양광 모듈 지지구조물 설치 시의 체결 부재설계 태양광 발전설비 지지구조에 태양광 모듈 자중, 최대 풍속 30 핵심기술 m/sec. 풍하중, 돌풍하중, 적설 하중 등이 작용하는 조건에 대한 구조해석으로 구조물의 안전 설계 태양광 모듈 지지구조 시작품제작 개발 목표 (정량) - 발전 용량: 100 kW - 지상형 지지구조, 지붕형 지지구조 개발의 목표 - 허용 풍속: 최대 30 m/sec. - 적설 하중: 최대 0.5 kN/m2 - 설치 면적: 820 m2 3 개발 목표 (정성) - 태양광 모듈 지지구조와 체결 부재 관련 국내·외 특허자료 30건 이상제공 - 태양광 모듈 지지구조의 경량화 및 설치 편리성 구조 설계로 사업성 향상 - 태양광 모듈 지지구조에 대한 구조해석. 특히 체결 부위의 안전 설계와 해석기술 이전 태양광 발전 시제품제작 - 발전 용량: 100 kW - 지붕형 지지구조, 지상형 지지구조 - 허용 풍속: 최대 30 m/sec. - 적설 하중: 최대 0.5 kN/m2 개발내용 및 - 설치 면적: 820 m2 결과 태양광 모듈 지지구조와 체결 부재와 관련된 국내 특허자료 50건 미국 특허자료 22건 조사 분석 태양광 모듈 지지구조의 경량화 및 설치 편리성 구조 설계 태양광 모듈 지지구조에 대한 구조해석. 특히 체결 부위의 안전 설계와 해석기술 이전 3. 기술 및 경제적 성과 국내 특허출원, “프레임 어셈블리용 연결구 및 이를 구비한 태양광 발전장치 (Connector for Frame Assembly and Solar Generator Provided with the Same),” 출원인 한국생산기술연구원, 발명자 윤승원, 특허출원번호 10-2015-0130175, 출원일자 2015. 09. 15. 국내 디자인출원, “태양전지모듈 장착 프레임용 연결구,” 출기술적 성과 원인 한국생산기술연구원, 창작자 윤승원, 디자인출원번호 30-2015-0045618, 출원일자 2015. 09. 08. 태양광 모듈 지지구조에 자중, 풍하중, 적설 하중 등을 적용한 구조해석으로, 특히 체결 부위의, 안전 설계 태양광 패널 모델에 따른 지상형 지지구조(평면 설치)와 지붕형 지지구조(경사면 설치)의 플랫폼 가변 설계 태양광발전 지지구조물의 SolidWorks 3D 모델링 설계 파일과 SolidWorks Simulation 구조해석 파일 수요업체에 이전 4 태양광 발전설비 설치비 구성은 일반적으로 (1)태양광 모듈 38%, (2) 계통연계형 인버터 및 인버터 외함 17%, (3) 접속반과 모니터링 및 전기 설계 및 전기 공사/피뢰/접지 19%, (4) 설치구조물 및 설치 공사 17%, (5) 이윤 및 안전진단 9% 등이다. 지지경제적 성과 구조의 경량화 및 설치 편리성 향상으로 전체 공사비의 2~3% 절감이 예상된다. 태양광 발전설비 지지구조의 경량화와 시공성 향상 설계 전용실시권 기술이전: 기술이전기업 ㈜조은에너지, 기술이전기간 2015. 12. 01. - 2020. 12. 31. 4. 파급효과 및 기대효과 태양광 패널 모델에 따른 지상형 지지구조(평면 설치)와 지붕형 지지구조(경사면 설치)의 구조 설계 가변 플랫폼을 활파급효과 용하여, 다양한 용량과 설치 면적 및 형태에 대한 도면 작 성에 활용 태양광 발전설비 구조의 가변 설계 플랫폼 활용으로 사업성 향상과 고용 증대 예상 기술이전 기업이 다양한 발전용량과 설치 상황에 따른 태양기대효과 광 발전 지지구조 설계 기술 확보로 사업성 향상 향후 5년간, 수요기업 년 평균 매출액 20억 원 증대 기대 (설비 당 2.0억 원 기준) 5 본 페이지에는 내용이 없습니다. 6

제 1 장 서론
제 1 장 서론 제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 1. 개발기술의 개요 지구온난화 세계 공동 대처를 위해 체결된 기후변화협약의 후속조치로써 각국에 신재생에너지 사용 목표량이 할당되었다. 국외에서는 미국, 영국, 일본, 호주, 덴마크 등 여러 나라에서 운영되고 있다. 국내에서는 신재생에너지의 보급 확대를 위한 목적으로 시작된 신재생에너지 의무할당제 (RPS, Renewable Portfolio Standard) 즉, 발전사업자의 총 발전량, 판매사업자의 총 판매량의 일정비율을 신재생에너지원으로 의무 공급 또는 판매하는 제도가 2012년 1월 1일부터 시행되고 있다. 신재생에너지는 발전설비용량 혹은 발전량을 기준으로 일정수준의 목표량이 정해지기 때문에 시장규모가 확실하다. 신재생에너지 의무할당제도의 가격설정은 수급여건에 따른 가격 결정 및 변동이 가능하여 가격의 유연성이 있다. RPS의 공급의무자 대상은 발전설비 용량이 500 MW 이상인 발전사업자를 말하며, 이에 포함되는 기업이 매년마다 새롭게 선정된다. 현재, 지정고시된 신재생에너지 공급의무자는 한전 발전자회사 6개사 (한국수력원자력㈜, 한국남부발전㈜, 한국남동발전㈜, 한국중부발전㈜, 한국서부발전㈜, 한국동서발전㈜)와, 민간 발전사업자 6개사 (SK E&S, K Power, GS EPS, GS Power, POSCO Power, MPC), 및 공공기관 2개사 (한국지역난방공사, K water) 등 총 14개사이다. 에너지관리공단 신재생에너지센터에 따르면, RPS 시행으로 신재생에너지에 대한 국민적 인식이 높아지고 있으며 신재생에너지 발전소 보급이 활발해지고 있다. 2014년의 경우 매월 평균 380개소, 총 480 MW에 달하는 신재생에너지 발전소가 신규로 설치되고 있으며 계속 그 수가 늘어날 전망이다. 발전사업자는 RPS 대상설비를 설치 확인한 후, 신재생에너지 원으로 전기를 생산하여 판매하는 사업자이며 증가 추세에 있다. Fig. 1.1은 RPS 제도 흐름도이다. 11 Fig. 1.1 신재생에너지 의무할당제 (RPS) 흐름도 신재생에너지 의무할당제 제도에 속하는 사업자들은 매년 2%의 발전량을 신재생에너지원으로 공급해야 하며, 공급 방법은 직접 신재생에너지 발전설비를 도입하거나, 다른 신재생에너지발전사업자의 공급인증서 (REC, Renewable Energy Certificate)를 구매해 의무할당량을 채워야 한다. RPS 태양광 발전사업의 개요를 Fig. 1.2에 나타내었다. Fig. 1.2 RPS 태양광 발전사업의 개요 12 REC는 발전사업자가 신재생에너지 설비를 이용하여 전기를 생산, 공급하였음을 증명하는 인증서로, 공급인증서 발급대상 설비에서 공급된 MWh 기준의 신재생에너지 전력량에 대해 가중치를 곱하여 부여한다. 태양광에너지의 신재생에너지 공급인증서 가중치는 다음과 같다. 대상에너지 및 기준 공인인증서 구분 비고 가중치 설치 유형 지목유형 용량 기준 5개 지목 0.7 (전, 답, 과수원, 목장용지, 임야) 건축물 등 기존시설물을 태양광수배전반 1.0 100 kW 이상 태양광 이용하지 않는 필요 기타 23개 지목 경우 태양광수배전반 에너지 1.2 100 kW 미만 불필요 건축물 등 기존 시설물을 이용하는 경우 1.5 유지의 수면에 부유하여 설치하는 경우 0.25 IGCC, 부생가스 0.5 폐기물, 매립지 가스 수력, 육상 풍력, 바이오에너지, RDF 전소발전, 기타 1.0 폐기물 기스화 발전, 조력 (방조제 유) 신재생 목질계 방이오가스 전소발전, 해상풍력 에너지 1.5 (연계거리 5 km 이하) 해상풍력 (연계거리 5 km 초과), 2.0 조력 (방조제 무), 연료전지 국내의 태양광발전 시장 규모 (RPS 사업 부문)는 다음과 같다. 구분 2012 2013 2014 2015 2016 2017 신규 설비용량(1) (MW) 220 330 480 500 600 700 총 시설비(2) (억 원) 5,280 7,590 10,560 10,000 11,700 13,300 지지구조물 설비(3) (억 원) 686 986 1,372 1,700 1,989 2,261 13 (1) 한국 발전 설비: 89,435 MW (2014. 09. 01), 생산 81,840 MW (2015. 01. 25.), 신재생 6.2% (2) 태양광 발전 시장점유율(%) (2010년): 한국 2, 독일 43, 이탈리아 9, 일본 9, 미국 6, 체코 5 (3) 지지구조물 재료와 설치 시공비 포함 17% 기준 (지지구조 재료비 13% 기준) 2. 태양광발전 시스템 개요 태양광발전은 무한한 자원인 태양광을 직접 전기에너지로 변환시켜 화석연료를 대체하는 발전 방식이다. 화석연료와 달리 청정에너지이며 고갈되지 않는 에너지이다. 태양광발전은 다수 개의 태양전지 (solar cell)로 구성된 태양광 패널 (solar panel)과 축전지 및 전력변환장치로 구성된다. 태양광 발전은 P-반도체와 N-반도체 접합으로 구성된 태양전지에 태양광이 조사되면 광기전력 효과 (photovoltaic effect)로 전자-정공 쌍이 생겨나고, 전자와 정공이 이동하여 각각 N층과 P층을 거쳐 기전력이 발생하여 전류를 발생시킨다. Fig. 1.3 PN접합의 반도체 태양광 발전 여러 개의 태양전지셀을 조합한 태양전지모듈을 인버터, 계통연계제어기, 모니터링 등 장비들을 설치하여 전력을 사용할 수 있도록 태양광 발전시스템을 구성된다. 가. 태양전지판의 집광 유무에 따른 분류 (1) 평판형 태양전지 모듈 (flat form solar cell module) 14 태양전지 모듈에 집광형태의 조작이 없이 직접 태양광선에 노출된 형태 즉, 집광이 되지 않은 태양광선을 태양전지에 그대로 입사하는 가장 보편화된 방식이다. (2) 집광형 태양전지 모듈 (concentrated solar cell module) 프랜넬 렌즈(Plannel lens) 등을 사용하여 태양광선을 집광시킨 뒤에 태양전지에 집광된 빛을 조사시켜 발전하는 태양전지 모듈이다. 집광된 광선이 태양전지 전면에 입사될 수 있도록 양방향 추적식 어레이로 구성된다. 고가의 태양전지 재료를 사용하여 제작된 고효율의 태양전지에 많이 이용한다. 집광형으로 설치 시에는 집광율에 따라서 태양전지에서 많은 열이 발생하여 변환 효율이 온도상승에 따라 비례적으로 감소하므로, 공랭식 또 수냉식 강제 냉각시스템을 부착시켜 온도 상승을 막는다. 생산가격이 높고, 구조가 복잡하여 경제성이 미흡하다. 나. 태양전지 용량에 따른 분류 (1) 독립형 태양광발전 시스템 (stand-alone PV system) 한국전력의 계통선이 공급되지 않는 산간벽지, 도서지역 등에 전력을 공급하기 위한 시스템으로, 주간에 발생시켜 사용하고 남은 전력을 축전지에 저장하였다가 야간에 사용한다. 부하의 종류와 시스템의 구성에 직류 부하용, 교류 부하용 및 보조발전기 보완형 시스템이 있다. 엔진발전기, 풍력발전기 등의 다른 전원설비와 연계되고 필요할 경우 대규모 충전설비도 갖춘다. (2) 계통연계형 태양광발전 시스템 (utility-connection PV system) 한국전력의 계통선이 공급되는 지역에서 태양전지를 이용하여 주간에 생성된 전력을 인버터를 통하여 계통선에 연계하여 전력을 공급하거나, 또는 부하에 직접 전력을 전달한다. 계통선의 안정을 유지하기 위하여 반드시 태양전지에서 발생된 전력이 계통연계 보호 장치를 통하여 계통선과 연계되어야 한다. 15 다. 태양광발전 시스템 구성기기 태양광 발전시스템을 구성하는 기기는 태양광 모듈 (photovoltaic cell module) 또는 태양전지 어레이 (photovoltaic array), 태양광 접속반, 인버터, 계통연계제어, 태양광 모듈 지지구조물 등으로 구성된다. (1) 태양전지 모듈 (solar panel) 수 십 매의 태양전지 셀을 일정한 틀에 고정하여 구성하는 것으로, 태양전지 셀을 묶어서 소정의 전압, 출력을 얻는다. 태양전지 모듈의 변환효율은 단결정 실리콘 태양전지가 14~20%, 다결정 실리콘 태양전지의 경우 12~16%, amorphous 실리콘 태양전지나 화합물 반도체 태양전지 (CdS, CdTe 등)에서는 6~12%이다. (2) 태양전지 어레이 (solar array) 태양전지 모듈 (module)을 조합하여 지붕이나 지상에 설치한 태양전지 전체를 말한다. 태양전지 어레이는 복수의 태양전지 모듈을 직렬, 병렬로 접속하여 소망하는 직류전압과 발전전력을 얻을 수 있도록 구성된다. (3) 태양광발전 지지구조 태양전지 모듈(들)을 지붕이나 지상에 견고하게 고정하는, 태양전지 어레이를 구성하는 금속성의 지지구조이다. 태양광발전 시스템의 용량은 표준 태양전지 모듈의 최대출력의 합계로 나타낸다. 태양광발전의 출력은 일사강도의 영향을 강하게 받고, 태양전지 모듈 내의 태양전지 셀의 온도에 영향을 받기 때문에 일사강도가 1 kW/㎡에서 셀 온도가 25℃에서의 표준적인 조건일 때의 최대출력을 표준 태양전지 어레이 출력으로 표시한다. (4) 태양전지 어레이의 전기적 구성 태양전지 모듈의 집합체로서 스트링, 역류방지 소자, 접속함 등으로 구성되어 있다. 스트링 (string)이란 태양전지 어레이가 소정의 출력전압을 만족하기 위하여 태양전지 모듈을 직렬로 접속하여 하나로 합쳐진 회로를 말하며, 각 스트링은 역류방지소자를 연결하여 병렬 접속한다. 태양전지 어레이의 직류 전기회로에는 접지하지 않는다. 16 Fig. 1.4 태양광 발전시스템 구성도 태양광 발전시스템 구성 중에서 태양광 모듈, 태양광 접속반, 태양광 인버터 등에 관한 기술개발과 생산 설비는 꾸준히 이루어지고 있으며, 대규모의 투자가 요구된다. 태양광 발전시스템을 설치하는 데 있어서 대부분은, 대규모의 생산시설에서 대량 생산하는 태양광 모듈과 태양광 접속반 및 인버터를 “모듈” 형태로 구입하여 사용한다. 반면에, 태양광 발전시스템 설치에 필수인 태양광 모듈을 지지하는 구조물은 설치 현장의 상황에 따라 서로 상이한 구조와 구성으로 설치되고 있다. 3. 개발기술의 중요성 및 필요성 신재생에너지 의무할당제 (RPS) 시행으로 태양광 발전시스템의 설치 수요가 증가하고 있는 상황에서, 태양광 모듈 지지구조물의 경량화 설계 및 지지구조의 설치 편리성을 향상시키는 설계 기술 개발과 사업화가 요구되고 있다. 설치 후 20년 17 이상 장기간 사용되는 태양광 모듈의 자중과 다양한 풍압 및 돌풍, 적설 하중과 지진 등의 고려하여 태양광 모듈 지지구조물의 안전성 (safety) 향상 설계, 특히 건축물 상부에 설치되는 경우에는 지지구조물의 경량화 설계가 요구된다. 태양광 모듈 지지구조물 설치 작업성 향상으로 공기 단축에 따른 설치비용 절감, 경제성과 사용성을 고려한 태양광 모듈 지지구조물 체계적인 개발이 필요하다. 태양광 발전시스템의 장점은 다음과 같다. - 에너지원이 태양에너지로 청정에너지이며 고갈되지 않는 에너지이다 - 필요한 장소에서의 발전이 가능하다 - 설치 이후의 유지보수가 용이하며 무인화가 가능하다 - 태양전지의 수명이 20년 이상으로 기대되고 있다 - 반영구적이며 진동과 소음 발생이 없다 태양광 발전시스템의 단점은 다음과 같다. - 전력생산량이 지역별 일사량에 의존된다 - 에너지밀도가 낮아 설치면적이 크다 - 설치장소가 한정적이고 시스템 설치비용이 고가이다 - 초기투자비에 따른 발전단가가 크다 태양광 모듈 지지구조물의 경량화 설계 및 지지구조의 설치 편리성을 개선하여 사업성을 향상시키는 설계 기술개발이 필요하다. 본 기술개발은 아래의 내용의 개발 대상으로 한다. y 100 kW 미만의 태양전지 용량을 갖는 발전소 형태의 소규모 태양광 발전시스템 (small-scale photovoltaic power system)을 주요 대상으로 한다. 주택용 시스템, 등대용 전원, 도서용 전원, 산간벽지 전원, 비상대피소 전원 등 계통선의 공급이 어려운 지역에 많이 이용되고 있다. 발전 용량이 100 kW 이상인 경우에는 병렬 적용하며, 태양광수배전반을 설치하는 추가 비용이 발생된다. y 태양전지 모듈에 집광 형태의 조작이 없이 직접 태양광선에 노출된 형태인 평판형 태양전지 모듈 (flat form solar cell module)을 사용한다. y 태양전지 모듈 경사각을 계절 또는 월별에 따라서 상하로 위치를 변화시18 켜 주는 지지방식으로, 일반적으로 각 계절에 한 번씩 태양광 모듈의 경사각을 수동으로 변화시킨다. 경사각은 설치 지역의 위도에 따라서 최대 경사면 일사량을 갖도록 조정한다. 반고정형 태양광 모듈의 발전량은 고정형과 추적식의 중간 정도로써 고정형에 비교하여 평균 20% 정도 발전량이 증가한다. 현재의 태양광수배전반이 없는 소규모 태양광 발전설비 설치비의 항목별 대략적인 가격 구성 비율은 다음과 같다. 가격 구성 비율 설치비 구성 항목 비고 (%) 태양광 모듈 38 상용품 구매 계통연계형 인버터 및 인버터 외함 17 상용품 구매 접속반 및 모니터링 5 설치구조물 및 설치 공사 17 개발 대상 전기 설계 및 전기 공사/피뢰/접지 14 안전진단/감리 4 관리/경비/이윤 5 계 100 규격화된 모듈을 구매하는 “태양광 모듈과 계통연계형인버터 및 인버터 외함”이 전체에서 차지하는 가격 비중이 55%이다. 태양광 발전설비를 설치하는 데 있어, 구조 안전성 및 내구성과 직결되며 실질적인 사업 대상인 구조물 재료와 설치비가 차지하는 비율은 17% 수준이다. 이러한 사업적 성격에서, 태양광 모듈의 지지구조를 경량화하고 설치 편리성을 향상시키는 설계기술 개발이 필요하다. 19 제 2 절 관련 기술의 국내·외 현황 1. 국내 기술 현황 국내의 태양광발전 지지구조물은 설계의 규격화와 같은 정립이 되어 있지 않으며 업체별, 상황에 따라 설계 및 설치되고 있다. 아래의 Fig. 1.5는 태양광발전 지지구조물을 경사지붕과 평면 옥상에 설치된 사례이며, Fig. 1.6는 태양광발전 지지구조물을 평면 지상에 설치한 사례이다. (a) 경사지붕에 설치 (b) 평면 지붕에 설치 Fig. 1.5 경지붕에 설치된 태양광발전 지지구조물 사례 (a) 포장된 지면에 설치 (b) 비포장 임야에 설치 Fig. 1.6 평면 지상에 설치된 태양광발전 지지구조물 사례 20 대부분의 국내 태양광발전 관련 기술은 주로 태양광의 발전 효율을 향상시키기 위하여 동력으로 수직 회동하여 태양방향으로 각도를 조절하는 위치 추적 기능과 구조에 관한 것이나, 구조가 복잡하고 안전성, 설치의 편리성 및 비용 측면에서 추가적인 개발이 요구된다. 즉, 태양의 직사광선이 항상 태양광 패널의 전면에 수직으로 입사할 수 있도록 시간의 경과에 따라 동력 또는 기기를 조작하여 태양의 위치를 추적해 가는 방식과 태양광선의 집광 배열에 관한 내용이다. 태양전지 모듈 지지구조물의 각도 조절 용이성은 있으나 구조가 복잡하며, 안전성과 설치 편리성 등에 있어서는 추가적인 고려가 필요하다. 생산가격이 높고 구조가 복잡하여 아직까지 경제성이 미흡하다. 단방향 추적식 (single axis tracking)은 태양광 모듈이 태양의 한 측을 추적하도록 설계된 방식으로 상·하 추적식 (Y-axis tracking)과 좌·우 추적식 (X-axis tracking)으로 나누어진다. 고정형에 비하여 발전량이 증가하나 양방향 추적식에 비해서는 발전량이 작다. 양방향 추적식 (double axis tracking)은 태양광 모듈이 항상 태양의 방향을 향하여 일사량 (direct radiation)이 최대가 될 수 있도록 상·하, 좌·우를 동시에 향하게 설계된 추적 장치이다. 설치 단가가 높은 반면, 발전량이 고정형에 비하여 조건에 따라 연평균 최소 25%에서 최대 50% 가량 증가한다는 장점을 갖고 있다. 그러나 초기 투자비와 장기간 유지 보수비 등의 문제가 있으며, 대형 발전사업이나 바람이 강한 지역 및 태풍이 자주 지나는 지역에서는 현실화 및 경제성에 어려움이 있다. 아래의 Fig. 1.7은 태양의 위치를 추적하는 구조의 개념에 대한 특허등록이다. Fig. 1.7 태양광 추적식 (대한민국 특허등록 10-0905727, 출원 2006. 07. 20.) 연안지역이나 사막과 같은 건조지역에서 풍해 방지를 위한 태양광 발전장치에 관한 구조가 고안되었으나, 지상 돌출 기둥 상측에 베아링과 캡을 설치하고 평기21 어와 모터로 태양의 이동 방향에 따라 또한 강풍 발생 시에 풍력계와 센서에 의해 회전 하도록 하는 구조이다. 풍해 방지를 위한 태양광 발전장치 관련 구조는 풍력계와 센서에 의해 모터 구동으로 회전하며 구조가 복잡하다. (a) (b) (c) 원 2008. 08. 22.) 태양전지모듈의 배치를 용이하게 변경시킬 수 있는 지지구조물에 관한 특허가 등록되어 있다. 각도 조절의 용이성은 있으나 구조 구성이 복잡하다. 제작하여 설치할 시에는 부재를 결합하는 부위의 구조 안전성 검토가 필요하다. (a) (b) (c) 태양전지 모듈을 설치면으로부터 회동 가능하도록 하는 태양광 발전장치 (대한민국 특허등록 10-1209648, 출원 2011. 08. 26.), 태양전지 모듈들의 결합위치를 변경22 태양전지모듈지지구조물풍해방지를위하는태양광발전장치할 수 있도록 장착시키는 지지프레임과 수직 및 수평으로 회동 가능하도록 구동모터가 구비된 동력전달부를 포함하는 태양광 발전장치 (대한민국 특허등록 10-1230539, 출원 2011. 10. 21.) 등 다수의 특허가 등록되었다. 다수 개의 단위 태양광 패널을 종횡의 메인 케이블과 비틀림 케이블로 나열하는 태양관 패널 어레이 지지시스템에 관한 특허의 경우에는, 설치에 따른 구체적인 구조 검토와 보완이 필요한 것으로 판단된다. (a) (b) Fig. 1.11은 태양광 발전장치의 효율적인 설치구조에 관한 특허이다. 길이 방향으로 다수의 열로 배치되는 복수 개의 지지프레임과 일정 간격으로 배치되는 결합부재 및 수평 방향 연장부를 가지는 판상의 연장부재로 구성되는 태양광 발전장치이다. 이 기술은 체결부의 편리성이 구체적으로 언급되지 않았으며, 설치 구조물의 안전성 검토가 필요한 측면이 있다. 23 태양광발전장치태양전지모듈지지구조물Fig. 1.12는 태양광 패널의 경사지붕 설치 지지구조 도면의 예이다. Fig. 1.12 경사지붕 설치용 태양광발전 지지구조 도면 예 Table 1.4는 태양광발전을 설치하고 있는 국내의 주요 업체 목록이다. 업체명 비고 ㈜영진산업 태양광 구조물 제작 LG전자 태양광 솔루션 원스톱 서비스 ㈜정우엔지니어링 태양광 구조물 제작, 설치 ㈜탑선 태양광 구조물 제작, 설치 ㈜엘제이에너시스 태양광 구조물 제작, 설치 ㈜경기전기 태양광 설치 ㈜현대솔라 태양광발전 설계 시공 태양광발전의 지지구조와 관련된 국내 등록특허 50건의 목록을 부록 1에 정리하였다. 24 2. 국외 기술 현황 미국에 등록된 특허기술 내용은 태양광 소자 (solar cell), 추적식 구조 관련 기술에 이어서, 최근 태양광 모듈의 지지구조물의 상세 구조와 관련된 특허가 다수 등록되고 있다. 개념적인 측면에서의 태양광 발전설비 구성보다는, 태양광 모듈 설치를 위한 지지기반, 지지대, 태양광 패널을 지지구조물과 결합하는 등 지지구조물 시스템 관련 기술이 다수 있다. 최근 들어, 개념적인 측면에서의 태양광 발전설비의 구성보다는 지지구조의 상세한 구조에 대한 특허가 다수 등록되고 있다. 태양광 모듈 설치를 위한 지지기반, 지지대, 태양광 패널과 지지메커니즘을 결합하는 모듈 등의 지지구조물에 대한 특허가 다수 출원되고 있다. (a) (b) (c) Fig. 1.13 Support arrangement for solar modules (US 8,882,073, 출원 2010. 05. 11.) (a) (b) (c) Fig. 1.14 Support arrangement for solar modules (US 8,887,454, 출원 2010. 08. 25.) 25 Fig. 1.15와 Fig. 1.16은 각각 미국 등록특허로 태양광 패널을 장착하기 위한 프레임과 랙을 모듈화한 구조에 관한 것이다. (a) (b) Fig. 1.15 Panel mounting system (US 8,776,454, 출원 2011. 04. 05.) (a) (b) Fig. 1.16 Panel mounting system (US 8,671,631, 출원 2011. 10. 17.) Fig. 1.17은 태양광 패널 체결에 있어, 3개의 부품으로 구성된 체결 부재를 하나의 볼트로 체결하는 체결구에 대한 특허이다. 여러 개의 부품으로 구성되어 있어, 작업상의 효율 문제가 예상된다. 26 2013. 01. 24.) 태양광발전의 지지구조와 관련된 미국 등록특허 22건의 목록을 부록 2에 정리하였다. 제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적·경제적 효과 1. 기술적 효과 ▪ 기술이전 수요기업은 신재생에너지 전문기업으로 기업부설연구소, ISO9001, ISO14001를 보유하고 있다. 주요 사업영역은 지열 및 히트펌프 냉난방시스템과 태양광 발전시스템 설계와 설치로, 태양광 모듈 지지구조물의 경량화와 조립 설치 시의 편리성을 향상시킨 구조 설계 기술이전으로 사업 경쟁력을 향상한다. ▪ 태양광 발전시스템을 건축물 지붕에 설치하는 지지구조와 임야 등 지상에 설치하는 지지구조 설계기술 이전으로, 앞으로 5년간 연평균 20억 원 이상의 매출 증대가 예상된다 (산출 기준: 100 kW 급 태양광 발전설비 세트당 2.0억 원). ▪ 한국생산기술연구원이 태양광 모듈 지지구조물 설계 기술을 기업에 이전하여 사업화하며, 기술이전에 따른 수입이 예상된다 ▪ SolidWorks를 사용한 3D 모델링 설계 기술 확보로, 설치 전에 조립 구조물의 배치 상황과 무게, 무게 중심 등을 확인. SolidWorks Simulation에 의한 풍하중, 돌풍하중, 적설 하중, 자중에 대한 구조 해석 설계 능력 확보로, 향후 다양한 형태와 발전 용량의 태양광 발전설비 모델을 설계한다. 27 Assembliesforconstructingsolarpanelmountingsystems2. 경제적 효과 Table 1.3에서와 같이, 소규모의 태양광 발전설비를 구축하는 데 있어 규격화된 모듈을 구매하는 “태양광 모듈과 계통연계형 인버터 및 인버터 외함”이 전체에서 차지하는 가격 비중이 55%이다. 구조 안전성 및 내구성과 직결되며 실질적인 사업 대상인 구조물 재료와 설치비가 차지하는 비율은 17% 수준이다. 하중에 대한 안전성을 확보하는 설계와, 설치시의 편리성을 향상시키는 구조 설계로 가격 경쟁력을 향상시키는 경우, 전체 비용에서 2~3%의 사업성 향상이 예상된다. 28

제 1 장 서론

제 1 장 서론 제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 1. 개발기술의 개요 지구온난화 세계 공동 대처를 위해 체결된 기후변화협약의 후속조치로써 각국에 신재생에너지 사용 목표량이 할당되었다. 국외에서는 미국, 영국, 일본, 호주, 덴마크 등 여러 나라에서 운영되고 있다. 국내에서는 신재생에너지의 보급 확대를 위한 목적으로 시작된 신재생에너지 의무할당제 (RPS, Renewable Portfolio Standard) 즉, 발전사업자의 총 발전량, 판매사업자의 총 판매량의 일정비율을 신재생에너지원으로 의무 공급 또는 판매하는 제도가 2012년 1월 1일부터 시행되고 있다. 신재생에너지는 발전설비용량 혹은 발전량을 기준으로 일정수준의 목표량이 정해지기 때문에 시장규모가 확실하다. 신재생에너지 의무할당제도의 가격설정은 수급여건에 따른 가격 결정 및 변동이 가능하여 가격의 유연성이 있다. RPS의 공급의무자 대상은 발전설비 용량이 500 MW 이상인 발전사업자를 말하며, 이에 포함되는 기업이 매년마다 새롭게 선정된다. 현재, 지정고시된 신재생에너지 공급의무자는 한전 발전자회사 6개사 (한국수력원자력㈜, 한국남부발전㈜, 한국남동발전㈜, 한국중부발전㈜, 한국서부발전㈜, 한국동서발전㈜)와, 민간 발전사업자 6개사 (SK E&S, K Power, GS EPS, GS Power, POSCO Power, MPC), 및 공공기관 2개사 (한국지역난방공사, K water) 등 총 14개사이다. 에너지관리공단 신재생에너지센터에 따르면, RPS 시행으로 신재생에너지에 대한 국민적 인식이 높아지고 있으며 신재생에너지 발전소 보급이 활발해지고 있다. 2014년의 경우 매월 평균 380개소, 총 480 MW에 달하는 신재생에너지 발전소가 신규로 설치되고 있으며 계속 그 수가 늘어날 전망이다. 발전사업자는 RPS 대상설비를 설치 확인한 후, 신재생에너지 원으로 전기를 생산하여 판매하는 사업자이며 증가 추세에 있다. Fig. 1.1은 RPS 제도 흐름도이다. 11 Fig. 1.1 신재생에너지 의무할당제 (RPS) 흐름도 신재생에너지 의무할당제 제도에 속하는 사업자들은 매년 2%의 발전량을 신재생에너지원으로 공급해야 하며, 공급 방법은 직접 신재생에너지 발전설비를 도입하거나, 다른 신재생에너지발전사업자의 공급인증서 (REC, Renewable Energy Certificate)를 구매해 의무할당량을 채워야 한다. RPS 태양광 발전사업의 개요를 Fig. 1.2에 나타내었다. Fig. 1.2 RPS 태양광 발전사업의 개요 12 REC는 발전사업자가 신재생에너지 설비를 이용하여 전기를 생산, 공급하였음을 증명하는 인증서로, 공급인증서 발급대상 설비에서 공급된 MWh 기준의 신재생에너지 전력량에 대해 가중치를 곱하여 부여한다. 태양광에너지의 신재생에너지 공급인증서 가중치는 다음과 같다. 대상에너지 및 기준 공인인증서 구분 비고 가중치 설치 유형 지목유형 용량 기준 5개 지목 0.7 (전, 답, 과수원, 목장용지, 임야) 건축물 등 기존시설물을 태양광수배전반 1.0 100 kW 이상 태양광 이용하지 않는 필요 기타 23개 지목 경우 태양광수배전반 에너지 1.2 100 kW 미만 불필요 건축물 등 기존 시설물을 이용하는 경우 1.5 유지의 수면에 부유하여 설치하는 경우 0.25 IGCC, 부생가스 0.5 폐기물, 매립지 가스 수력, 육상 풍력, 바이오에너지, RDF 전소발전, 기타 1.0 폐기물 기스화 발전, 조력 (방조제 유) 신재생 목질계 방이오가스 전소발전, 해상풍력 에너지 1.5 (연계거리 5 km 이하) 해상풍력 (연계거리 5 km 초과), 2.0 조력 (방조제 무), 연료전지 국내의 태양광발전 시장 규모 (RPS 사업 부문)는 다음과 같다. 구분 2012 2013 2014 2015 2016 2017 신규 설비용량(1) (MW) 220 330 480 500 600 700 총 시설비(2) (억 원) 5,280 7,590 10,560 10,000 11,700 13,300 지지구조물 설비(3) (억 원) 686 986 1,372 1,700 1,989 2,261 13 (1) 한국 발전 설비: 89,435 MW (2014. 09. 01), 생산 81,840 MW (2015. 01. 25.), 신재생 6.2% (2) 태양광 발전 시장점유율(%) (2010년): 한국 2, 독일 43, 이탈리아 9, 일본 9, 미국 6, 체코 5 (3) 지지구조물 재료와 설치 시공비 포함 17% 기준 (지지구조 재료비 13% 기준) 2. 태양광발전 시스템 개요 태양광발전은 무한한 자원인 태양광을 직접 전기에너지로 변환시켜 화석연료를 대체하는 발전 방식이다. 화석연료와 달리 청정에너지이며 고갈되지 않는 에너지이다. 태양광발전은 다수 개의 태양전지 (solar cell)로 구성된 태양광 패널 (solar panel)과 축전지 및 전력변환장치로 구성된다. 태양광 발전은 P-반도체와 N-반도체 접합으로 구성된 태양전지에 태양광이 조사되면 광기전력 효과 (photovoltaic effect)로 전자-정공 쌍이 생겨나고, 전자와 정공이 이동하여 각각 N층과 P층을 거쳐 기전력이 발생하여 전류를 발생시킨다. Fig. 1.3 PN접합의 반도체 태양광 발전 여러 개의 태양전지셀을 조합한 태양전지모듈을 인버터, 계통연계제어기, 모니터링 등 장비들을 설치하여 전력을 사용할 수 있도록 태양광 발전시스템을 구성된다. 가. 태양전지판의 집광 유무에 따른 분류 (1) 평판형 태양전지 모듈 (flat form solar cell module) 14 태양전지 모듈에 집광형태의 조작이 없이 직접 태양광선에 노출된 형태 즉, 집광이 되지 않은 태양광선을 태양전지에 그대로 입사하는 가장 보편화된 방식이다. (2) 집광형 태양전지 모듈 (concentrated solar cell module) 프랜넬 렌즈(Plannel lens) 등을 사용하여 태양광선을 집광시킨 뒤에 태양전지에 집광된 빛을 조사시켜 발전하는 태양전지 모듈이다. 집광된 광선이 태양전지 전면에 입사될 수 있도록 양방향 추적식 어레이로 구성된다. 고가의 태양전지 재료를 사용하여 제작된 고효율의 태양전지에 많이 이용한다. 집광형으로 설치 시에는 집광율에 따라서 태양전지에서 많은 열이 발생하여 변환 효율이 온도상승에 따라 비례적으로 감소하므로, 공랭식 또 수냉식 강제 냉각시스템을 부착시켜 온도 상승을 막는다. 생산가격이 높고, 구조가 복잡하여 경제성이 미흡하다. 나. 태양전지 용량에 따른 분류 (1) 독립형 태양광발전 시스템 (stand-alone PV system) 한국전력의 계통선이 공급되지 않는 산간벽지, 도서지역 등에 전력을 공급하기 위한 시스템으로, 주간에 발생시켜 사용하고 남은 전력을 축전지에 저장하였다가 야간에 사용한다. 부하의 종류와 시스템의 구성에 직류 부하용, 교류 부하용 및 보조발전기 보완형 시스템이 있다. 엔진발전기, 풍력발전기 등의 다른 전원설비와 연계되고 필요할 경우 대규모 충전설비도 갖춘다. (2) 계통연계형 태양광발전 시스템 (utility-connection PV system) 한국전력의 계통선이 공급되는 지역에서 태양전지를 이용하여 주간에 생성된 전력을 인버터를 통하여 계통선에 연계하여 전력을 공급하거나, 또는 부하에 직접 전력을 전달한다. 계통선의 안정을 유지하기 위하여 반드시 태양전지에서 발생된 전력이 계통연계 보호 장치를 통하여 계통선과 연계되어야 한다. 15 다. 태양광발전 시스템 구성기기 태양광 발전시스템을 구성하는 기기는 태양광 모듈 (photovoltaic cell module) 또는 태양전지 어레이 (photovoltaic array), 태양광 접속반, 인버터, 계통연계제어, 태양광 모듈 지지구조물 등으로 구성된다. (1) 태양전지 모듈 (solar panel) 수 십 매의 태양전지 셀을 일정한 틀에 고정하여 구성하는 것으로, 태양전지 셀을 묶어서 소정의 전압, 출력을 얻는다. 태양전지 모듈의 변환효율은 단결정 실리콘 태양전지가 14~20%, 다결정 실리콘 태양전지의 경우 12~16%, amorphous 실리콘 태양전지나 화합물 반도체 태양전지 (CdS, CdTe 등)에서는 6~12%이다. (2) 태양전지 어레이 (solar array) 태양전지 모듈 (module)을 조합하여 지붕이나 지상에 설치한 태양전지 전체를 말한다. 태양전지 어레이는 복수의 태양전지 모듈을 직렬, 병렬로 접속하여 소망하는 직류전압과 발전전력을 얻을 수 있도록 구성된다. (3) 태양광발전 지지구조 태양전지 모듈(들)을 지붕이나 지상에 견고하게 고정하는, 태양전지 어레이를 구성하는 금속성의 지지구조이다. 태양광발전 시스템의 용량은 표준 태양전지 모듈의 최대출력의 합계로 나타낸다. 태양광발전의 출력은 일사강도의 영향을 강하게 받고, 태양전지 모듈 내의 태양전지 셀의 온도에 영향을 받기 때문에 일사강도가 1 kW/㎡에서 셀 온도가 25℃에서의 표준적인 조건일 때의 최대출력을 표준 태양전지 어레이 출력으로 표시한다. (4) 태양전지 어레이의 전기적 구성 태양전지 모듈의 집합체로서 스트링, 역류방지 소자, 접속함 등으로 구성되어 있다. 스트링 (string)이란 태양전지 어레이가 소정의 출력전압을 만족하기 위하여 태양전지 모듈을 직렬로 접속하여 하나로 합쳐진 회로를 말하며, 각 스트링은 역류방지소자를 연결하여 병렬 접속한다. 태양전지 어레이의 직류 전기회로에는 접지하지 않는다. 16 Fig. 1.4 태양광 발전시스템 구성도 태양광 발전시스템 구성 중에서 태양광 모듈, 태양광 접속반, 태양광 인버터 등에 관한 기술개발과 생산 설비는 꾸준히 이루어지고 있으며, 대규모의 투자가 요구된다. 태양광 발전시스템을 설치하는 데 있어서 대부분은, 대규모의 생산시설에서 대량 생산하는 태양광 모듈과 태양광 접속반 및 인버터를 “모듈” 형태로 구입하여 사용한다. 반면에, 태양광 발전시스템 설치에 필수인 태양광 모듈을 지지하는 구조물은 설치 현장의 상황에 따라 서로 상이한 구조와 구성으로 설치되고 있다. 3. 개발기술의 중요성 및 필요성 신재생에너지 의무할당제 (RPS) 시행으로 태양광 발전시스템의 설치 수요가 증가하고 있는 상황에서, 태양광 모듈 지지구조물의 경량화 설계 및 지지구조의 설치 편리성을 향상시키는 설계 기술 개발과 사업화가 요구되고 있다. 설치 후 20년 17 이상 장기간 사용되는 태양광 모듈의 자중과 다양한 풍압 및 돌풍, 적설 하중과 지진 등의 고려하여 태양광 모듈 지지구조물의 안전성 (safety) 향상 설계, 특히 건축물 상부에 설치되는 경우에는 지지구조물의 경량화 설계가 요구된다. 태양광 모듈 지지구조물 설치 작업성 향상으로 공기 단축에 따른 설치비용 절감, 경제성과 사용성을 고려한 태양광 모듈 지지구조물 체계적인 개발이 필요하다. 태양광 발전시스템의 장점은 다음과 같다. - 에너지원이 태양에너지로 청정에너지이며 고갈되지 않는 에너지이다 - 필요한 장소에서의 발전이 가능하다 - 설치 이후의 유지보수가 용이하며 무인화가 가능하다 - 태양전지의 수명이 20년 이상으로 기대되고 있다 - 반영구적이며 진동과 소음 발생이 없다 태양광 발전시스템의 단점은 다음과 같다. - 전력생산량이 지역별 일사량에 의존된다 - 에너지밀도가 낮아 설치면적이 크다 - 설치장소가 한정적이고 시스템 설치비용이 고가이다 - 초기투자비에 따른 발전단가가 크다 태양광 모듈 지지구조물의 경량화 설계 및 지지구조의 설치 편리성을 개선하여 사업성을 향상시키는 설계 기술개발이 필요하다. 본 기술개발은 아래의 내용의 개발 대상으로 한다. y 100 kW 미만의 태양전지 용량을 갖는 발전소 형태의 소규모 태양광 발전시스템 (small-scale photovoltaic power system)을 주요 대상으로 한다. 주택용 시스템, 등대용 전원, 도서용 전원, 산간벽지 전원, 비상대피소 전원 등 계통선의 공급이 어려운 지역에 많이 이용되고 있다. 발전 용량이 100 kW 이상인 경우에는 병렬 적용하며, 태양광수배전반을 설치하는 추가 비용이 발생된다. y 태양전지 모듈에 집광 형태의 조작이 없이 직접 태양광선에 노출된 형태인 평판형 태양전지 모듈 (flat form solar cell module)을 사용한다. y 태양전지 모듈 경사각을 계절 또는 월별에 따라서 상하로 위치를 변화시18 켜 주는 지지방식으로, 일반적으로 각 계절에 한 번씩 태양광 모듈의 경사각을 수동으로 변화시킨다. 경사각은 설치 지역의 위도에 따라서 최대 경사면 일사량을 갖도록 조정한다. 반고정형 태양광 모듈의 발전량은 고정형과 추적식의 중간 정도로써 고정형에 비교하여 평균 20% 정도 발전량이 증가한다. 현재의 태양광수배전반이 없는 소규모 태양광 발전설비 설치비의 항목별 대략적인 가격 구성 비율은 다음과 같다. 가격 구성 비율 설치비 구성 항목 비고 (%) 태양광 모듈 38 상용품 구매 계통연계형 인버터 및 인버터 외함 17 상용품 구매 접속반 및 모니터링 5 설치구조물 및 설치 공사 17 개발 대상 전기 설계 및 전기 공사/피뢰/접지 14 안전진단/감리 4 관리/경비/이윤 5 계 100 규격화된 모듈을 구매하는 “태양광 모듈과 계통연계형인버터 및 인버터 외함”이 전체에서 차지하는 가격 비중이 55%이다. 태양광 발전설비를 설치하는 데 있어, 구조 안전성 및 내구성과 직결되며 실질적인 사업 대상인 구조물 재료와 설치비가 차지하는 비율은 17% 수준이다. 이러한 사업적 성격에서, 태양광 모듈의 지지구조를 경량화하고 설치 편리성을 향상시키는 설계기술 개발이 필요하다. 19 제 2 절 관련 기술의 국내·외 현황 1. 국내 기술 현황 국내의 태양광발전 지지구조물은 설계의 규격화와 같은 정립이 되어 있지 않으며 업체별, 상황에 따라 설계 및 설치되고 있다. 아래의 Fig. 1.5는 태양광발전 지지구조물을 경사지붕과 평면 옥상에 설치된 사례이며, Fig. 1.6는 태양광발전 지지구조물을 평면 지상에 설치한 사례이다. (a) 경사지붕에 설치 (b) 평면 지붕에 설치 Fig. 1.5 경지붕에 설치된 태양광발전 지지구조물 사례 (a) 포장된 지면에 설치 (b) 비포장 임야에 설치 Fig. 1.6 평면 지상에 설치된 태양광발전 지지구조물 사례 20 대부분의 국내 태양광발전 관련 기술은 주로 태양광의 발전 효율을 향상시키기 위하여 동력으로 수직 회동하여 태양방향으로 각도를 조절하는 위치 추적 기능과 구조에 관한 것이나, 구조가 복잡하고 안전성, 설치의 편리성 및 비용 측면에서 추가적인 개발이 요구된다. 즉, 태양의 직사광선이 항상 태양광 패널의 전면에 수직으로 입사할 수 있도록 시간의 경과에 따라 동력 또는 기기를 조작하여 태양의 위치를 추적해 가는 방식과 태양광선의 집광 배열에 관한 내용이다. 태양전지 모듈 지지구조물의 각도 조절 용이성은 있으나 구조가 복잡하며, 안전성과 설치 편리성 등에 있어서는 추가적인 고려가 필요하다. 생산가격이 높고 구조가 복잡하여 아직까지 경제성이 미흡하다. 단방향 추적식 (single axis tracking)은 태양광 모듈이 태양의 한 측을 추적하도록 설계된 방식으로 상·하 추적식 (Y-axis tracking)과 좌·우 추적식 (X-axis tracking)으로 나누어진다. 고정형에 비하여 발전량이 증가하나 양방향 추적식에 비해서는 발전량이 작다. 양방향 추적식 (double axis tracking)은 태양광 모듈이 항상 태양의 방향을 향하여 일사량 (direct radiation)이 최대가 될 수 있도록 상·하, 좌·우를 동시에 향하게 설계된 추적 장치이다. 설치 단가가 높은 반면, 발전량이 고정형에 비하여 조건에 따라 연평균 최소 25%에서 최대 50% 가량 증가한다는 장점을 갖고 있다. 그러나 초기 투자비와 장기간 유지 보수비 등의 문제가 있으며, 대형 발전사업이나 바람이 강한 지역 및 태풍이 자주 지나는 지역에서는 현실화 및 경제성에 어려움이 있다. 아래의 Fig. 1.7은 태양의 위치를 추적하는 구조의 개념에 대한 특허등록이다. Fig. 1.7 태양광 추적식 (대한민국 특허등록 10-0905727, 출원 2006. 07. 20.) 연안지역이나 사막과 같은 건조지역에서 풍해 방지를 위한 태양광 발전장치에 관한 구조가 고안되었으나, 지상 돌출 기둥 상측에 베아링과 캡을 설치하고 평기21 어와 모터로 태양의 이동 방향에 따라 또한 강풍 발생 시에 풍력계와 센서에 의해 회전 하도록 하는 구조이다. 풍해 방지를 위한 태양광 발전장치 관련 구조는 풍력계와 센서에 의해 모터 구동으로 회전하며 구조가 복잡하다. (a) (b) (c) 원 2008. 08. 22.) 태양전지모듈의 배치를 용이하게 변경시킬 수 있는 지지구조물에 관한 특허가 등록되어 있다. 각도 조절의 용이성은 있으나 구조 구성이 복잡하다. 제작하여 설치할 시에는 부재를 결합하는 부위의 구조 안전성 검토가 필요하다. (a) (b) (c) 태양전지 모듈을 설치면으로부터 회동 가능하도록 하는 태양광 발전장치 (대한민국 특허등록 10-1209648, 출원 2011. 08. 26.), 태양전지 모듈들의 결합위치를 변경22 태양전지모듈지지구조물풍해방지를위하는태양광발전장치할 수 있도록 장착시키는 지지프레임과 수직 및 수평으로 회동 가능하도록 구동모터가 구비된 동력전달부를 포함하는 태양광 발전장치 (대한민국 특허등록 10-1230539, 출원 2011. 10. 21.) 등 다수의 특허가 등록되었다. 다수 개의 단위 태양광 패널을 종횡의 메인 케이블과 비틀림 케이블로 나열하는 태양관 패널 어레이 지지시스템에 관한 특허의 경우에는, 설치에 따른 구체적인 구조 검토와 보완이 필요한 것으로 판단된다. (a) (b) Fig. 1.11은 태양광 발전장치의 효율적인 설치구조에 관한 특허이다. 길이 방향으로 다수의 열로 배치되는 복수 개의 지지프레임과 일정 간격으로 배치되는 결합부재 및 수평 방향 연장부를 가지는 판상의 연장부재로 구성되는 태양광 발전장치이다. 이 기술은 체결부의 편리성이 구체적으로 언급되지 않았으며, 설치 구조물의 안전성 검토가 필요한 측면이 있다. 23 태양광발전장치태양전지모듈지지구조물Fig. 1.12는 태양광 패널의 경사지붕 설치 지지구조 도면의 예이다. Fig. 1.12 경사지붕 설치용 태양광발전 지지구조 도면 예 Table 1.4는 태양광발전을 설치하고 있는 국내의 주요 업체 목록이다. 업체명 비고 ㈜영진산업 태양광 구조물 제작 LG전자 태양광 솔루션 원스톱 서비스 ㈜정우엔지니어링 태양광 구조물 제작, 설치 ㈜탑선 태양광 구조물 제작, 설치 ㈜엘제이에너시스 태양광 구조물 제작, 설치 ㈜경기전기 태양광 설치 ㈜현대솔라 태양광발전 설계 시공 태양광발전의 지지구조와 관련된 국내 등록특허 50건의 목록을 부록 1에 정리하였다. 24 2. 국외 기술 현황 미국에 등록된 특허기술 내용은 태양광 소자 (solar cell), 추적식 구조 관련 기술에 이어서, 최근 태양광 모듈의 지지구조물의 상세 구조와 관련된 특허가 다수 등록되고 있다. 개념적인 측면에서의 태양광 발전설비 구성보다는, 태양광 모듈 설치를 위한 지지기반, 지지대, 태양광 패널을 지지구조물과 결합하는 등 지지구조물 시스템 관련 기술이 다수 있다. 최근 들어, 개념적인 측면에서의 태양광 발전설비의 구성보다는 지지구조의 상세한 구조에 대한 특허가 다수 등록되고 있다. 태양광 모듈 설치를 위한 지지기반, 지지대, 태양광 패널과 지지메커니즘을 결합하는 모듈 등의 지지구조물에 대한 특허가 다수 출원되고 있다. (a) (b) (c) Fig. 1.13 Support arrangement for solar modules (US 8,882,073, 출원 2010. 05. 11.) (a) (b) (c) Fig. 1.14 Support arrangement for solar modules (US 8,887,454, 출원 2010. 08. 25.) 25 Fig. 1.15와 Fig. 1.16은 각각 미국 등록특허로 태양광 패널을 장착하기 위한 프레임과 랙을 모듈화한 구조에 관한 것이다. (a) (b) Fig. 1.15 Panel mounting system (US 8,776,454, 출원 2011. 04. 05.) (a) (b) Fig. 1.16 Panel mounting system (US 8,671,631, 출원 2011. 10. 17.) Fig. 1.17은 태양광 패널 체결에 있어, 3개의 부품으로 구성된 체결 부재를 하나의 볼트로 체결하는 체결구에 대한 특허이다. 여러 개의 부품으로 구성되어 있어, 작업상의 효율 문제가 예상된다. 26 2013. 01. 24.) 태양광발전의 지지구조와 관련된 미국 등록특허 22건의 목록을 부록 2에 정리하였다. 제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적·경제적 효과 1. 기술적 효과 ▪ 기술이전 수요기업은 신재생에너지 전문기업으로 기업부설연구소, ISO9001, ISO14001를 보유하고 있다. 주요 사업영역은 지열 및 히트펌프 냉난방시스템과 태양광 발전시스템 설계와 설치로, 태양광 모듈 지지구조물의 경량화와 조립 설치 시의 편리성을 향상시킨 구조 설계 기술이전으로 사업 경쟁력을 향상한다. ▪ 태양광 발전시스템을 건축물 지붕에 설치하는 지지구조와 임야 등 지상에 설치하는 지지구조 설계기술 이전으로, 앞으로 5년간 연평균 20억 원 이상의 매출 증대가 예상된다 (산출 기준: 100 kW 급 태양광 발전설비 세트당 2.0억 원). ▪ 한국생산기술연구원이 태양광 모듈 지지구조물 설계 기술을 기업에 이전하여 사업화하며, 기술이전에 따른 수입이 예상된다 ▪ SolidWorks를 사용한 3D 모델링 설계 기술 확보로, 설치 전에 조립 구조물의 배치 상황과 무게, 무게 중심 등을 확인. SolidWorks Simulation에 의한 풍하중, 돌풍하중, 적설 하중, 자중에 대한 구조 해석 설계 능력 확보로, 향후 다양한 형태와 발전 용량의 태양광 발전설비 모델을 설계한다. 27 Assembliesforconstructingsolarpanelmountingsystems2. 경제적 효과 Table 1.3에서와 같이, 소규모의 태양광 발전설비를 구축하는 데 있어 규격화된 모듈을 구매하는 “태양광 모듈과 계통연계형 인버터 및 인버터 외함”이 전체에서 차지하는 가격 비중이 55%이다. 구조 안전성 및 내구성과 직결되며 실질적인 사업 대상인 구조물 재료와 설치비가 차지하는 비율은 17% 수준이다. 하중에 대한 안전성을 확보하는 설계와, 설치시의 편리성을 향상시키는 구조 설계로 가격 경쟁력을 향상시키는 경우, 전체 비용에서 2~3%의 사업성 향상이 예상된다. 28

제 2 장 기술개발 내용 및 방법
제 2 장 기술개발 내용 및 방법 제 1 절 기술개발 목표 및 평가 방법 본 기술사업화 목표는 태양광 발전설비 지지구조의 경량화 및 설치 편리성 향상 구조 설계이며, 건축물 지붕에 설치하는 지붕형 지지구조와 임야 등의 노지에 설치하는 지상형 지지구조에 대한 특허출원과 특허 기술이전으로 사업화하는 것이다. SolidWorks 프로그램으로 형상기반 가변 설계 (feature based variation design)로 3D 모델을 작성하여 설계 대상을 가시화하며, 플랫폼을 바탕으로 피처의 치수를 변경하여 유사 구조 설계를 용이하게 한다. 또한, 지지구조에 작용되는 풍하중과 적설하중 등에 대한 구조안전성을 검토하기 위하여 SolidWorks Simulation으로 구조해석을 하여, 20년의 내구성을 갖는 설계 안전성을 검토하여 최종 설계에 반영한다. 태양광 발전설비를 임야 등의 노지에 설치하는 지상형 지지구조와 건축물 지붕에 설치하는 지붕형 지지구조 설계에 대한 구조 고안에 대한 특허를 출원하고, 특허기술이전으로 사업화한다. 태양광발전 지지구조물과 체결 부재의 SolidWorks 3D 설계 모델링 파일 제공으로 다양한 모델 설계 가능 태양광발전 지상형 지지구조와 지붕형 지지구조의 경량화, 설치 편리성 구조 설계로 사업성 향상 태양광 모듈 지지구조에 대한 특허출원과 기술이전 개발 대상 태양광 발전설비 지지구조 설계 사양은 다음과 같다. 발전 용량: 100 kW 허용 풍속: 30 m/sec, 최대 적설 하중: 0.5 kN/m2, 최대 설치 면적: 820 m2 29 정성적 목표는 다음과 같다. 태양광 발전설비 지지구조 국내·외 특허자료 30여 건 조사 분석 제공 SolidWorks를 사용한 태양광 발전설비 지지구조 3D 모델링 설계 파일 제공 태양광 발전설비 지지구조물 부품 조립 시의 체결 부재 (connector) 설계 태양광 발전설비 지지구조에 최대 풍속 30 m/sec. 풍하중, 돌풍하중, 적설 하중, 태양광 모듈의 자중을 적용하여, SolidWorks Simulation으로 구조해석을 하여 구조물의 안전성 (safety) 향상 설계 태양광 발전설비 지지구조의 구조해석 자료 파일 제공 기술이전 설계 내용을 적용한 태양광 발전설비 지지구조 시제품제작 태양광 발전설비 지지구조 평가 항목에 대한 설계 자료, 도면과 구조해석 자료, 특허 출원, 및 사업화 기술이전 실적으로 평가한다. 제 2 절 기술개발 내용 및 범위 태양광 발전설비 설치의 일반적인 구조는 평면에 설치하는 지상형과 지붕 설치형이 있다. 지붕 설치형은 경사지붕형, 평지붕형, 지붕 일체형, 지붕재형, 톱라이트형 등이 있다. 평지붕형은 철골 가대를 설치하는 구조가 지상형과 유사하다. 일반적으로 태양광 모듈의 전력 발생량은 130 W/m2 내외이며, 자체 하중은 최대 0.15 kN/ m2의 범위에 있다. 태양광 모듈 지지구조의 지지대를 설치하는 콘크리트 재료는 KS F 2405, 철골 KS D 3503, 철근 KS D 3504, 고장력 볼트 KS B 1010를 적용한다. 지지구조용 가대의 재질은 일반구조용 압연강재 SS400, SUS 304, SUS 316, AL 6063 T5 등을 사용한다. 부재의 방청은 철의 10~25배의 내식성이 있는 용융아연도금을 사용한다. 최대 풍하중 또는 적설 하중을 가한 하중 조건에 대한 구조해석으로 설계 안전계수가 2 이상이 되도록 지지구조물의 지지대, 가로대 및 수직대의 부재를 결정한다. 또한, 태양광 패널 설치 시 작업의 편리성 향상을 위한, 각 부재를 연결하는 연결 부재를 설계한다. 우리나라에서 최대 일사 획득이 가능한 방위가 정남향이며, 정서 또는 정동향으30 로 설치하는 경우에는 정남향으로 설치하는 경우의 60% 정도의 일사량을 획득하는 것으로 나타났다. 태양광 모듈을 설치하는 수평면과의 경사각은 지역의 위도에 의해 결정되는 데, 우리나라는 수평면으로부터 24도~37도가 적절하다. 지역에 따라 강릉 36도, 서울과 춘천 원주 등의 영서지역, 대전 등의 중부지역, 대구 부산 진주 등의 영남지역은 33도, 전주 목포 등 호남지역은 30도, 제주 24도 등으로 지역별 차이가 있다[1]. 지상형 지지구조 단위 모듈 설계 및 구조해석 - 2열 5행 모듈 지지구조 (태양광 패널 10장), 2.5 kW - 2열 6행 모듈 지지구조 (태양광 패널 12장), 3.0 kW 지붕형 지지구조 단위 모듈 설계 및 구조해석 - 1열 6행 모듈 지지구조 (태양광 패널 6장), 1.5 kW 지상형 지지구조의 경우에는 태양광 패널 2열 10~12장, 지붕형 지지구조에 있어서는 1열 6장을 배열하는 기본 모듈의 구조를 설계하여 (참고: purlin 부재인 사각봉의 길이 규격이 6 m 또는 10 m), 전체 발전용량에 따라 기본 모듈을 복수로 배열한다. 설치 면적의 형상에 따라서는 기본 모듈의 태양광 패널 수량을 일부 조정하여 설치한다. 지상형 지지구조에 있어서는 태양광 패널을 지상에서 일정 간격 높은 위치에 설치에, 지붕형 지지구조의 경우에는 태양광 모듈의 온도 상승을 방지하기 위하여 태양광 패널과 지붕 사이의 간격을 5-10 cm로 한다. 31

제 2 장 기술개발 내용 및 방법

제 2 장 기술개발 내용 및 방법 제 1 절 기술개발 목표 및 평가 방법 본 기술사업화 목표는 태양광 발전설비 지지구조의 경량화 및 설치 편리성 향상 구조 설계이며, 건축물 지붕에 설치하는 지붕형 지지구조와 임야 등의 노지에 설치하는 지상형 지지구조에 대한 특허출원과 특허 기술이전으로 사업화하는 것이다. SolidWorks 프로그램으로 형상기반 가변 설계 (feature based variation design)로 3D 모델을 작성하여 설계 대상을 가시화하며, 플랫폼을 바탕으로 피처의 치수를 변경하여 유사 구조 설계를 용이하게 한다. 또한, 지지구조에 작용되는 풍하중과 적설하중 등에 대한 구조안전성을 검토하기 위하여 SolidWorks Simulation으로 구조해석을 하여, 20년의 내구성을 갖는 설계 안전성을 검토하여 최종 설계에 반영한다. 태양광 발전설비를 임야 등의 노지에 설치하는 지상형 지지구조와 건축물 지붕에 설치하는 지붕형 지지구조 설계에 대한 구조 고안에 대한 특허를 출원하고, 특허기술이전으로 사업화한다. 태양광발전 지지구조물과 체결 부재의 SolidWorks 3D 설계 모델링 파일 제공으로 다양한 모델 설계 가능 태양광발전 지상형 지지구조와 지붕형 지지구조의 경량화, 설치 편리성 구조 설계로 사업성 향상 태양광 모듈 지지구조에 대한 특허출원과 기술이전 개발 대상 태양광 발전설비 지지구조 설계 사양은 다음과 같다. 발전 용량: 100 kW 허용 풍속: 30 m/sec, 최대 적설 하중: 0.5 kN/m2, 최대 설치 면적: 820 m2 29 정성적 목표는 다음과 같다. 태양광 발전설비 지지구조 국내·외 특허자료 30여 건 조사 분석 제공 SolidWorks를 사용한 태양광 발전설비 지지구조 3D 모델링 설계 파일 제공 태양광 발전설비 지지구조물 부품 조립 시의 체결 부재 (connector) 설계 태양광 발전설비 지지구조에 최대 풍속 30 m/sec. 풍하중, 돌풍하중, 적설 하중, 태양광 모듈의 자중을 적용하여, SolidWorks Simulation으로 구조해석을 하여 구조물의 안전성 (safety) 향상 설계 태양광 발전설비 지지구조의 구조해석 자료 파일 제공 기술이전 설계 내용을 적용한 태양광 발전설비 지지구조 시제품제작 태양광 발전설비 지지구조 평가 항목에 대한 설계 자료, 도면과 구조해석 자료, 특허 출원, 및 사업화 기술이전 실적으로 평가한다. 제 2 절 기술개발 내용 및 범위 태양광 발전설비 설치의 일반적인 구조는 평면에 설치하는 지상형과 지붕 설치형이 있다. 지붕 설치형은 경사지붕형, 평지붕형, 지붕 일체형, 지붕재형, 톱라이트형 등이 있다. 평지붕형은 철골 가대를 설치하는 구조가 지상형과 유사하다. 일반적으로 태양광 모듈의 전력 발생량은 130 W/m2 내외이며, 자체 하중은 최대 0.15 kN/ m2의 범위에 있다. 태양광 모듈 지지구조의 지지대를 설치하는 콘크리트 재료는 KS F 2405, 철골 KS D 3503, 철근 KS D 3504, 고장력 볼트 KS B 1010를 적용한다. 지지구조용 가대의 재질은 일반구조용 압연강재 SS400, SUS 304, SUS 316, AL 6063 T5 등을 사용한다. 부재의 방청은 철의 10~25배의 내식성이 있는 용융아연도금을 사용한다. 최대 풍하중 또는 적설 하중을 가한 하중 조건에 대한 구조해석으로 설계 안전계수가 2 이상이 되도록 지지구조물의 지지대, 가로대 및 수직대의 부재를 결정한다. 또한, 태양광 패널 설치 시 작업의 편리성 향상을 위한, 각 부재를 연결하는 연결 부재를 설계한다. 우리나라에서 최대 일사 획득이 가능한 방위가 정남향이며, 정서 또는 정동향으30 로 설치하는 경우에는 정남향으로 설치하는 경우의 60% 정도의 일사량을 획득하는 것으로 나타났다. 태양광 모듈을 설치하는 수평면과의 경사각은 지역의 위도에 의해 결정되는 데, 우리나라는 수평면으로부터 24도~37도가 적절하다. 지역에 따라 강릉 36도, 서울과 춘천 원주 등의 영서지역, 대전 등의 중부지역, 대구 부산 진주 등의 영남지역은 33도, 전주 목포 등 호남지역은 30도, 제주 24도 등으로 지역별 차이가 있다[1]. 지상형 지지구조 단위 모듈 설계 및 구조해석 - 2열 5행 모듈 지지구조 (태양광 패널 10장), 2.5 kW - 2열 6행 모듈 지지구조 (태양광 패널 12장), 3.0 kW 지붕형 지지구조 단위 모듈 설계 및 구조해석 - 1열 6행 모듈 지지구조 (태양광 패널 6장), 1.5 kW 지상형 지지구조의 경우에는 태양광 패널 2열 10~12장, 지붕형 지지구조에 있어서는 1열 6장을 배열하는 기본 모듈의 구조를 설계하여 (참고: purlin 부재인 사각봉의 길이 규격이 6 m 또는 10 m), 전체 발전용량에 따라 기본 모듈을 복수로 배열한다. 설치 면적의 형상에 따라서는 기본 모듈의 태양광 패널 수량을 일부 조정하여 설치한다. 지상형 지지구조에 있어서는 태양광 패널을 지상에서 일정 간격 높은 위치에 설치에, 지붕형 지지구조의 경우에는 태양광 모듈의 온도 상승을 방지하기 위하여 태양광 패널과 지붕 사이의 간격을 5-10 cm로 한다. 31

제 3 장 기술개발 결과 및 향후 계획
제 3 장 기술개발 결과 및 향후 계획 제 1 절 기술개발 추진 체계 1. 기술개발 추진 전략 100 kW 미만 태양전지 용량을 갖는 발전소 형태의 소규모 태양광 발전시스템 (발전 용량이 100 kW 이상이면 태양광수배전반 설치 비용이 추가됨) 태양광 발전설비를 임야 등의 노지에 설치하는 지상형 지지구조(평면에 설치)와 건축물 지붕에 설치하는 지붕형 지지구조(경사면에 설치)를 설계하며, 각 부재를 연결하는 연결구 구조에 대한 특허출원 태양광 발전설비의 지상형 지지구조와 지붕형 지지구조 각각에 대하여 모듈을 구성하는 구조설계, 구조해석, 시제품제작 및 안전점검을 수행하여 기술이전 기술사업화 지상형은 주변온도가 상승하지 않도록 지상에서 2 m 이상, 지붕형은 태양광 모듈의 온도가 상승되는 것 방지하기 위하여 지붕과 5-10 cm의 간격을 두며 설치 적용 풍압은 서울과 대구의 경우 최대 풍속이 30 m/sec, 돌풍의 영향계수 2.2, 적설하중은 0.5 kN/m2, 태양광 모듈의 하중은 최대 0.15 kN/m2을 적용 태양광 패널 1장의 전력 발생량은 130 W/m2를 기준으로 적용 관련 규격은 콘크리트 재료 KS F 2405, 철골 KS D 3503, 철근 KS D 3504, 고장력 볼트 KS B 1010를 적용 수평면과의 경사각은 서울, 군포 기준으로 33° 적용 - 영동 36°, 서울 영서 영남 33°, 호남 30°, 제주 24° - 적설지대에서는 45도 이상의 경사각, 20~30cm 정도의 적설과 자중에 필요한 강도와 강성 구조로 설계 32 2. 기술개발 추진 체계 Fig. 3.1 기술개발 추진 체계 33 3. 기술개발 편성도 사업책임자 수행 내용 - 태양광발전 지지구조 기술이전 총괄 한국생산기술연구원 - 특허 자료, 기술 자료 수집 분석 수석급 윤승원 - 지지구조 3D 모델링 설계 - 태양광 모듈 지지구조 구조해석 기술이전기업 참여연구원 수행 내용 대표이사 - 태양광 발전 기술사업화 총괄 ㈜조은에너지 신용길 - 안전진단 참여연구원 수행 내용 상무/기술연구소 - 전기설계 황재학 참여연구원 수행 내용 부장/기술팀 - 설계 도면 작성 강지훈 - 시제품 제작 참여연구원 수행 내용 사원/기술팀 - 시제품 제작 강명수 - 안전진단 Fig. 3.2 기술개발 편성도 34 제 2 절 기술개발 결과 1. 기술개발 추진 일정 및 달성도 추진일정 일련 달성도 개발 목표 및 내용 번호 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 (%) 태양광 모듈 규격, 1 100 지지 구조 국내외 특허 자료 조사 분석 태양광 모듈 규격, 2 100 지지구조 부품 조사 지지구조 플랫폼 3 100 구상, 3D 모델링 태양광 모듈 지붕형 4 100 지지구조 하중해석 (풍 하중, 적설, 자중) 태양광 모듈 지붕형 5 100 지지구조 상세설계 태양광 모듈 지상형 6 100 지지구조 하중해석 (풍 하중, 적설, 자중) 태양광 모듈 지상형 7 100 지지구조 상세설계 시제품 제작용 부품 8 100 가공과 구매 시제품제작, 현장설치 9 100 (지붕형, 지상형) 태양광 모듈 지지 10 100 구조 안전점검 기술자료 정리, 11 100 결과보고서 작성 Fig. 3.3 기술이전 추진 일정 및 달성도 35 2. 구조물 설계법 [1, 2] 가. 하중저항계수 설계법 (LRFD-Load Resisted Factor Design) 혹은 한계상태 설계법 (LSD-Limited State Design) 구조물에 작용하는 실제의 하중과 재료의 실제의 강도가 어떤 형태의 분포를 가지는 확률량으로 하중작용 및 재료강도의 변동을 고려하여 확률론적으로 구조물의 안전성 평가가 요구된다. 한계상태 설계법은 구조물이 그 사용목적에 적합하지 않게 되는 어떤 한계상태에 도달되는 확률을 허용한도 이하로 하려는 설계법이다 한계상태 설계법은 구조물이 파괴될 파괴확률, 또는 구조물이 파괴되지 않을 신뢰성 확률로 안전성을 나타내려는 것이다. 하중작용이나 재료강도 등에 대한 통계자료가 충분하지 못하여 하중작용과 재료강도에 대한 부분 안전계수 (partial safety factor)를 도입한 것으로, 1970년대 초에 영국의 설계기준에 등장 하였으며 (BS 8810), 1986년 미국의 AISC (American Institute of Steel Construction)에서 채택하였다. 영국, 캐나다 등에서는 한계상태 설계법 (LSD: Limit State Design)이라고 부르며, 미국에서는 하중저항계수 설계법 (LRFD: Load and Resistance Factor Design)이라고 한다. LRFD나 LSD는 모두 강구조 부재나 상세요소의 극한내력강도 또는 한계내력에 기초를 두고 극한 또는 한계하중에 의한 부재력이 부재의 극한 또는 한계 내력을 초과하지 않도록 하는 설계법이다. LRFD에서는 하중 및 저항관련 안전 모수인 설계안전율의 결정을 종래의 설계법에서와 같이 주로 오랜 기간의 경험에만 의존하여 확정적으로 결정하지 않고, 하중과 저항에 관련된 모든 불확실성을 확률 통계적으로 처리하는 구조 신뢰성이론에 기초하여 결정한다. 일관성 있는 적정수준의 안전율을 확보할 수 있어 구조물의 신뢰도를 높일 수 있는 보다 합리적이고 새로운 설계법이다. 우리나라도 1996년 개정된 도로교통표준 시방서에 이 설계법을 부록으로 수록하고 있으나, 설계이론이 난해하고 설계절차가 매우 복잡하여 하중저항계수 설계법으로 설계하기에는 많은 어려움이 예상되고 있다. 36 구조물에 작용하는 하중에 의해 부재나 구조물에 발생하는 모멘트, 전단력, 변위, 가속도 등 여러 형태의 하중의 효과가 구조물이 가지고 있는 구조체로서의 저항능력보다 크면 구조물은 파괴상태에 이르게 되고, 저항능력보다 작으면 안전한 상태가 된다. 구조물에 작용하는 하중효과가 저항능력과 같으면 구조물이 한계상태 (limit state)에 이르렀다고 한다. 여기서, 구조물에 작용하는 하중이나 구조물의 저항 능력은 실제로 일정하게 정해져 있는 값이 아니라 불확실성을 갖고 있는 확률변수로 취급하며, 확률통계적인 접근 방법으로 다룬다. 구조물의 저항능력을 확률변수 R, 작용하는 하중효과를 확률변수 Q로 정의하고 R과 Q는 서로 독립이라고 가정하며, 다음과 같은 관계로 정의할 수 있다. (1) R > Q이면 안전 (2) R < Q이면 파괴 (3) R = Q이면 한계 상태 구조물에 작용하는 하중이 증가되면 구조물이 안전 Æ 한계상태 Æ 파괴에 이른다. 구조물이 파괴되지 않으려면 구조물에 작용하는 여러 형태의 복합 하중이 구조물의 모든 한계상태보다 작도록 설계되어야 한다 (Pinkham, 1978, Geschwindner, 2008). 한계상태는 강도한계 상태와 사용한계 상태 두 종류가 있다. 나. 소성 설계법 허용응력 설계법과 다른 점은 설계하중 대신 극한 하중을 사용하는 것이다. 다. 허용응력 설계법 허용응력 설계법은 부재의 탄성해석에 근거를 둔다. 후크의 법칙에 따라 응력이 증가하면 부재의 변형이 선형인 구간 내에서 설계하는 것이다. 즉, 탄성범위 내에 있어 잔류 변형이 없다. 허용응력 설계법은 구조물에 작용되는 조합하중이 가장 극심한 상태의 하중을 가하여 부재의 허용응력을 초과하지 않도록 설계하는 방법으로 신뢰성 높다. 안전율 산출에는 두 가지가 있는 데, 첫째로 구조물에 사용되는 재료의 내력을 실제보다 낮게 가정하여 사용하는 방법이고, 둘째는, 건물에 작37 용하는 하중을 실제보다 크게 하여 즉, 안전율이 적용된 계수하중에 대하여 구조물을 설계하는 방법이다. 일반적으로는 안전율을 이용하여 설계한다. 라. 강도 설계법 (Strength Design Method) 이전에는 극한강도 설계법 (USD: Ultimate Strength Design)이라고 하였다. 소요강도를 사용하중 (service load)에 하중계수를 곱하여 구하는 관계로 하중계수 설계법 (Load Factor Design Method)이라고도 한다. 허용응력 설계법은 ASD (Allowable Stress Design) 또는 WSD (Working Strength Design, 작용응력 설계법)이라고 한다. 강도 설계법은 한계상태 설계법의 일종으로 주로 극한 하중에 대한 설계강도를 갖도록 단면을 결정하는 강도 한계상태에 기초한 설계법이다. 강도 설계법은 부재의 파괴상태 또는 파괴에 가까운 상태에 기초를 두며 이러한 파괴상태 또는 파괴에 가까운 상태에 있는 부재의 강도를 극한강도 (ultimate strength) 또는 공칭강도 (nominal strength)라고 한다. 구조부재의 중요한 요소는 구조물의 수명 동안 작용할 예측 가능한 모든 하중에 대하여 파괴나 다른 결함이 발생되지 않도록 여유를 가지고 있어야 한다. 하지만 재료강도의 불가피한 변동 등 여러 가지의 이유로 실제 구조부재가 참된 강도를 가지지 못할 수 있고, 작용하중 역시 어떤 범위의 오차를 가지고 예측할 수 있을 뿐이지 참된 크기를 알지 못한다. 따라서 구조부재가 안전한 구조물로 설계되기 위해서 콘크리트 구조설계기준에서는 구조물의 안전도를 하중계수와 강도 감소계수를 사용하여 확보하고 있다. 공칭강도 ( Sn )는 강도의 결함을 고려한 강도감소계수 (Φ )에 의하여 감소시켜야 하고, 기준하중 (specified load) L은 초과하중을 고려하여 하중계수 γ 에 의해 증가시켜야 한다. 설계강도 = 강도감소계수×공칭강도 ≥ 하중계수×공용하중 = 소요강도 Rd =Φ×Sn ≥ ∑γ i ×Li =U 38 3. 적용 하중 산출 [3, 4] 태양광발전 구조물 설계 시 적용하는 하중은 다음과 같이 산정하기도 한다[1]. (1) 고정 하중 (수직 하중): D - 태양광 모듈 자중 : 최대 0.15 kN/m2 (구조물 포함한 총 최대 0.45 kN/m2) - 활하중(보 중간 부재에 집중하중 적용): 5kN (LR) - 최대 적설 하중: 최대 0.5 kN/m2 (S) (2) 풍 하중 (수평 하중): W - 기본 풍속: 30 m/sec (서울), 25 m/sec (기타지역) - 중요도 계수(IW)?: 1.1 (중요도 특) - 노풍도: B - 거스트 (gust) 영향 계수(Gf): 2.2 (3) 지진 하중 (수평 하중): E - 지역 계수: 0.11 (서울) - 내진 등급: 특 - 중요도 계수(IE): 1.50 - 지반의 분류: SD - 반응수정계수: 6.0 (철골 모멘트 골조) (4) 하중의 조합 - 적설 하중 포함시 단기 하중: D + LR (또는 S) - 단기 하중: D + W (또는 E) - 단기 하중: D + LR (또는 S)+ W (또는 E) (5) 설치 방향 - 종설치: 입자 많은 지역, 적설 지대 - 횡설치: 자연 강우량에 의한 세정 효과가 떨어진다. 태양광발전 지지구조물의 인반적인 내용 연수는 다음과 같다[2]. 39 - 강재 + 도장 : 5~10년에 재도장 - 강재 + 용융 아연 도금 20~30년 - 스테인리스 30년 이상 4. 지붕 적설하중 ( Ss ) (KBC2009, 0304.4) [5] 적설하중은 쌓인 눈의 중량에 의하여 건축물이나 공작물에 작용하는 하중이다. S (kNs = CS ⋅S f 2 ) (KBC2009, 식 0304.4.1) mCS : 지붕의 경사도계수 (1.0) (KBC2009, 그림 0304.4(b)) S f : 평지붕의 적설하중 S kNf = Cb ⋅Ce ⋅Ct ⋅ ls ⋅Sg ( 2 ) (KBC2009, 식 0304.3.1) mCb : 기본 지붕적설하중 계수 (일반적으로 0.7로 한다.) Ce : 노출계수 (1.0) (KBC2009, 표 0304.3.2) Ct : 온도계수 (1.2) (KBC2009, 표 0304.3.3) I s : 중요도계수 (1.0) (KBC2009, 표 0304.3.4) S kNg : 지상 적설하중 0.5 ( 2 ) mS f = Cb ⋅Ce ⋅Ct ⋅ l ⋅S 0.7 1.0 1.2 1.0 0.5 0.42 (kNs g = × × × × = 2 ) mSs = CS ⋅S =1.0×0.42 = 0.4 kNf 2( 2 ) m지역 지상적설하중 ( kN /m2 ) 서울, 수원, 춘천, 서산, 청주, 대전, 추풍령, 포 0.5 항, 군산, 대구, 전주, 울산, 광주, 부산, 통영, 목포, 여수, 제주, 서귀포, 진주, 이천 정읍, 울진 0.65 인천 0.8 속초 2.0 강릉 3.0 울릉도, 대관령 7.0 40 지역 노출계수 Ce A. 지형, 높은 구조물, 나무 등 주변환경에 의해 모든 면이 0.8 바람막이가 없이 노출된 지붕이 있는 거센 바람 부는 지역 B. 약간의 바람막이가 있는 거센 바람 부는 지역 0.9 C. 바람에 의한 눈의 제거가 지형, 높은 구조물 또는 근처의 1.0 몇몇 나무들 때문에 지붕 하중의 감소를 기대할 수 없는 위치 D. 바람의 영향이 많지 않은 지역 및 지형과 높은 구조물 1.1 또는 몇몇 나무들에 의하여 지붕에 바람막이가 있는 지역 E. 바람의 영향이 거의 없는 조밀한 숲 지역으로서, 촘촘한 1.2 침엽수 사이에 위치한 지붕 주) (1) 주변환경은 구조물의 수명기간에 지속되는 환경을 말한다. (2) 10h (지붕면에서 장애물까지의 높이) 거리 내에 있는 장애물들은 바람막이가 된다. 0(3) 겨울에 잎이 떨어지는 낙엽수에 의한 장애물인 경우 Ce는 0.1만큼 저감할 수 있다. 난방 상태 Ct 난방 구조물(적설하중 제어구조) 1.0 비난방 구조물(적설하중 비제어구조) 1.2 중요도 건축물의 용도 및 규모 중요도계수 I s y 연면적이 1천 제곱미터 이상인 위험물저장 및 특 처리시설, 종합병원, 병원, 방송국, 전신전화국, 1.2 발전소, 소방서, 공공업무시설 및 노약자 시설 y 15층 이상 아파트 및 오피스텔 y 연면적이 5천 제곱미터 이상인 관람집회 시설, 1 운동시설, 운수시설, 전시시설 및 판매시설 1.1 y 5층 이상인 숙박시설, 오피스텔, 기숙사 및 아파트 y 3층 이상의 학교 2 y 중요도 (특), (1), (3)에 해당하지 않는 건축물 1.0 3 y 가설 건축물, 농가 건축물, 소규모 창고 0.8 41 차가운 지붕의 경사도계수 (0304.4.2)는 Fig. 3.4에서 구한다. (1) 지붕표면이 미끄러지기 쉽고 열이 전달되지 않는 차가운 경우, 지붕경사도 계수는 Fig. 3.4 (a) (KBC2009, 그림 0304.4(a))의 점선에 의한다. (2) 지붕표면이 미끄러지기 쉽지 않고 열이 전달되지 않는 차가운 경우, 지붕경사도계수는 Fig. 3.4 (b) (KBC2009, 그림 0304.4(b))의 실선에 의한다. (a) 난방이 된 지붕, Ct =1.0 (b) 난방이 되지 않은 지붕, Ct >1.0 Fig. 3.4 차가운 지붕의 경사도계수 Cs (KBC2009, 그림 0304.4) 5. 지붕 풍압 산출 [5] 풍압은 풍속의 제곱에 비례하며, 건축구조기준[2]에 따라 여러가지 영향계수를 반영하여 산출한다. 독립편지붕의 설계속도압 ( Pr ) (KBC2009, 0305.3.2)은 다음 식으로 산정한다. 독립편지붕은 벽면이 없이 기둥부재에 편지붕만 있는 지붕구조물이다. P Nr = qH ⋅Gpe ⋅C f ( 2 ) (0305.3.3) m여기서, qH : 지붕면의 평균높이 H에 대한 설계속도압 (N2 ) mGpe : 지붕의 외압가스트영향계수 (0305.6.3에 따른다) Cf : 독립편지붕의 풍력계수 (0305.7.3.2에 따른다) 설계높이에 대한 설계속도압 q z 42 q 1= ⋅ ρ ⋅V 2 Nz z ( 2 ) (0305.5.1 a) 2 m지붕면 평균높이에 대한 설계속도압 q H q 1= ⋅ ρ ⋅ 2 ( NH V (0305.5.1 b) 2 H m2 )ρ N ⋅ s2 : 공기밀도. 균일하게 1.22m4 적용 Vz : 설계지역의 지표면으로부터 임의높이 z에 대한 설계풍속 (m/s) VH : 설계지역의 지표면으로부터 지붕면 평균높이 H에 대한 설계풍속 (m/s) 설계풍속 (0305.5.1) Vz =V0 ⋅Kzr ⋅Kzt ⋅ Iw (m/ s) (0305.5.2에 따른다) V0 : 기본풍속 (m/s) (0305.5.2에 따른다. 표 4, 0305.5.1) Kzr : 풍속고도분포계수 (0305.5.3에 따른다) Kzt : 지형계수 (0305.5.4에 따른다) Iw : 건축물의 중요도계수 (0305.5.5에 따른다) 지표면조도 C (높이 1.5m~10m 정도의 장애물이 산재해 있는 지역) 태양광 삼각프레임의 독립 편지붕 (H =15+0.3=15.3) VH =V0 ⋅Kzr ⋅Kzt ⋅ Iw V0 = 30 m/s (군포) K 0.1zr = 0.71za = 0.71×15.35 = 0.71×1.5056 =1.069 Kzt =1.0 Iw = 0.90 VH = 30×1.069×1.0×0.90 = 28.863 q 1 2H = ⋅ ρ ⋅V ( N ) 1 1.22 28.86322 508.17( N= × × = 2 ) 2 H m 2 mPr = qH ⋅Gpe ⋅C = 508.17×1.9×1.0 = 965.5 ( Nf 2 ) m구조골조용 풍압 (Pr ) (KBC2009, 0305.3.1)은 다음 식으로 산정한다. Wf = pf ⋅ A (N) 43 여기서, p Nf : 구조골조용 설계풍압 ( 2 ) mA : 유효수압면적(m2 ) 개방형 건축물 및 기타 구조물의 구조골조용 설계풍력 pf는 다음과 같다. pf = qz ⋅Gf ⋅Cf 여기서, q Nz : 지표면에서 임의 높이 z에 대한 설계속도압 ( 2 ) mGf : 주골조설계용 풍방향 가스트영향계수, 바람의 난류로 인해서 발생되는 구조물의 동적 거동성분을 나타내는 것으로 평균변위에 대한 최대변위의 비를 통계적인 값으로 나타낸 계수 Cf : 풍력계수 설계높이에 대한 설계속도압 q z q 1 2 ( Nz = ⋅ ρ ⋅Vz 2 ) (0305.5.1 a) 2 mρ N ⋅ s2: 공기밀도, 균일하게 1.22m4 적용 Vz : 설계지역의 지표면으로부터 임의높이 z에 대한 설계풍속 (m/s) 설계풍속 (0305.5.1) Vz =V0 ⋅Kzr ⋅Kzt ⋅ Iw (m/ s) (0305.5.2에 따른다) V0 : 기본풍속 (m/s) (0305.5.2에 따른다. 표 4, 0305.5.1) Kzr : 풍속고도분포계수 (0305.5.3에 따른다) Kzt : 지형계수 (0305.5.4에 따른다) Iw : 건축물의 중요도계수 (0305.5.5에 따른다) 지표면조도 C (높이 1.5m~10m 정도의 장애물이 산재해 있는 지역) 태양광 삼각프레임의 구조 골조 ( z=15+0.3=15.3) V0 = 30 m/s (군포) Kzr = 0.71z0.15a = 0.71×15.3 = 0.71×1.5056 =1.069 Kzt =1.0 44 Iw = 0.90 Vz = 30×1.069×1.0×0.90 = 28.863 q 1 2z = ⋅ ρ ⋅V ( N ) 1= ×1.22×28.86322 = 508.17( Nz 2 ) 2 m 2 mPf qz G f ⋅ 508.17 1 N= ⋅ C f = × .9×1.0 = 965.5 ( 2 ) m지역 V0 (m/s) 서울, 인천, 강화, 옹진, 김포, 구리, 수원, 군포, 오산, 서울특별시 화성, 안산, 시흥, 의왕, 부천, 고양, 평택, 안성, 안양, 30 인천광역시 과천, 광명 경기도 의정부, 동두천, 양주, 파주, 연천, 포천, 남양주, 가평, 하남, 성남, 광주, 양평, 여주, 이천, 용인 25 속초, 양양, 강릉 40 고성, 동해, 삼척 35 강원도 양구, 철원, 화천, 춘천, 홍천, 횡성, 원주, 평창, 정선, 25 영월, 인제, 태백 서천, 보령, 홍성, 예산, 서산, 태안, 아산, 천안, 연기, 35 대전광역시 청주, 청원 대전, 계룡, 진천, 증평, 당진 30 충청남북도 청양, 공주, 부여, 논산, 금산, 음성, 충주, 제천, 단양, 25 괴산, 보은, 영동, 옥천 포항, 울릉(독도) 45 부산광역시 부산, 기장 40 경주, 영덕, 울진, 양산, 김해, 진해, 창원, 마산, 통영, 35 대구광역시 거제, 고성, 남해, 사천, 울산, 울주 함안 30 울산광역시 봉화, 영주, 예천, 문경, 상주, 추풍령, 안동, 영양, 청송, 25 경상남북도 의성, 군위, 구미, 칠곡, 김천, 성주, 고령, 대구, 달성, 경산, 영천, 청도, 창녕, 의령, 진주, 거창, 산청, 밀양, 합천, 함양, 하동 군산 40 익산, 완도, 해남, 진도, 목포, 여수, 고흥, 신안 35 광주광역시 김제, 순천, 영광, 함평, 광주, 화순, 나주, 무안, 영암, 30 강진, 장흥, 보성, 광양 전라남북도 완주, 무주, 전주, 진안, 장수, 임실, 정읍, 고창, 순창, 25 남원, 장성, 담양, 곡성, 구례, 부안 제주도 서귀포, 제주, 성산포 40 45 주) (1) 지역명칭은 통계청의 2008년 1월 1일 기준 “한국행정구역분류”에 의거하여 시 및 군을 최소단위로 작성하였다. (2) Table 3.5 및 Fig. 3.5 (KBC2009, 그림 0305.5.1)에 나타낸 지역명칭은 기상관청이 있는 지역(굵은 글씨)은 기상관청이 위치한 곳, 기상관청이 없는 지역은 시청 및 군청 소재지가 위치한 곳이다. (3) 건설지역이 표에 명기되어 있지 않은 시청 및 군청 소재지 이외에 위치하거나 도시의 범위가 넓어 시청 및 군청 소재지와 멀리 떨어져 있는 경우에는 이 표를 적용할 수 없고, Fig. 3.5로부터 건설지점에 해당하는 기본풍속을 직접 선택하여 사용하여야 한다. 지표면으로부터의 높이 지표면조도구분 z (m) A B C D z ≤ Zb 0.58 0.81 1.0 1.13 Zb < z ≤ Zg 0.22 za 0.45 za 0.71 za 0.97 za 지표면조도구분 주변지역의 지표면 상태 A 대도시 중심부에서 10층 이상의 대규모 고층건축물이 밀집해 있는 지역 B 높이 3.5m 정도의 주택과 같은 건축물이 밀집해 있는 지역 중층건물이 산재해 있는 지역 C 높이 1.5~10 m 정도의 장애물이 산재해 있는 지역 저층건축물이 산재해 있는 지역 D 장애물이 거의 없고, 주변 장애물의 평균높이가 1.5m 이하인 지역, 해안, 초원, 비행장 46 Fig. 3.5 100년 재현기간에 대한 기본풍속 V0 (m/s) (KBC2009, 그림 0305.5.1) 지표면조도구분 A B C D Zb (m) 20 15 10 5.0 Zg (m) 500 400 300 250 a 0.33 0.22 0.15 0.10 47 적용범위 지형구분 풍속할증 적용범위 풍상측 풍하측 언덕, 산 수평거리 (정점에서) 1.5 Lu와 1.6H중 큰 값 경사지 수평거리 (정점에서) 1.5 Lu와 1.6H 중 3.5 Lu와 4H중 큰 값 큰 값 풍상측 중 가장 불리한 경사 풍속할증계수 (Kzt ) (Φ ) 경사지 (Φ d ≤ 0.05 ) 언덕, 산 (Φ d ≥ 0.1 ) 0.05 1.05 1.11 0.1 1.09 1.21 0.2 1.18 1.41 ≥ 0.3 1.27 1.61 Φ : 풍상측에서 가장 불리한 조건의 경 Φ H사 ( = ) 2LuΦd : 언덕, 산 경사지의 정점으로부터 풍하측 5H되는 거리까지의 평균거리 (a) 언덕, 산 (b) 경사지 Fig. 3.6 지형계수 (KBC2009, 그림 0305.5.4) 48 중요도 건축물의 용도 및 규모 중요도 분류 계수 Iw 특 y 연면적 1,000m2 이상인 위험물저장 및 처리시설 1.00 y 연면적 1,000m2 이상인 국가 또는 지방자치단체의 청사, 외국공관, 소방서, 발전소, 방송국, 전신전화국 y 종합병원, 수술시설이나 응급시설이 있는 병원 1 y 연면적 1,000m2 미만인 위험물 저장 및 처리시설 1.00 y 연면적 1,000m2 미만인 국가 또는 지방자치단체의 청사·외국공관·소방서·발전소·방송국·전신전화국 y 연면적 5,000m2 이상인 공연장·집회장·관람장·전시장·운동시설·판매시설·운수시설(화물터미널과 집배송시설은 제외함) y 아동관련시설·노인복지시설·사회복지시설·근로복지시설 y 5층 이상인 숙박시설·오피스텔·기숙사·아파트 y 학교 y 수술시설과 응급시설 모두 없는 병원, 기타 연면적 1,000m2 이상인 의료시설로서 중요도(특)에 해당하지 않는 건축물 2 y 중요도(특), (1), (3)에 해당하지 않는 건축물 0.95 3 y 농업시설물, 소규모창고 0.90 y 가설구조물 지붕경사 D/B에 따른 C f 값 각 θ 5 3 2 1 1/2 1/3 1/5 10 0.20 0.25 0.30 0.45 0.55 0.70 0.75 15 0.35 0.45 0.50 0.70 0.85 0.90 0.85 20 0.50 0.60 0.75 0.90 1.00 0.95 0.90 25 0.70 0.80 0.95 1.15 1.10 1.05 0.95 30 0.90 1.00 1.20 1.30 1.20 1.10 1.00 지붕경사 압력의 중심 X c / L 각 θ D/B = 2~5 D/B = 1 D/B = 1/5~1/2 10~20 0.35 0.30 0.30 25 0.35 0.35 0.40 30 0.35 0.40 0.45 주) (1) 지붕면에 직각으로 작용하는 풍하중은 내측면으로 작용하는 경우와 외측면으로 작용하는 두 경우를 고려해야 한다. 49 (2) 풍방향은 수평방향으로부터 ± 10°의 풍방향의 변동을 고려한다. (3) D：풍방향 지붕치수, m B：풍직각 방향 지붕치수, m X c：풍상측 처마끝점으로부터 풍압력의 중심점까지의 거리, m θ ：지붕경사각, ° 지표면 설치 광고판 하부 개방 광고판 광고판 높이 폭 비 Cf 광고판 장변 단변비 Cf (hs / b ) (m / n ) ≤ 3 1.20 ≤ 6 1.20 5 1.30 10 1.30 8 1.40 16 1.40 10 1.50 20 1.50 20 1.75 40 1.75 30 1.85 60 1.85 ≥ 40 2.00 ≥ 80 2.00 주) (1) 유효수압면적이 전체면적의 70%를 초과하는 광고판에 적용한다. (2) 지표면으로부터 광고판의 하부까지의 개방거리가 수직높이의 0.25배 이하인 경우는 지표면에 설치된 것으로 설계한다. (3) 수직 및 경사진 풍향에 대해서도 고려해야 한다. (4) b：광고판의 폭 (m ), hs ：광고판의 높이 (m ), m：광고판의 장변 (m ), n：광고판의 단변 (m ) Cf Φ 원형부재 면으로 구성된 부재 d qz ≤ 5.3 d qz > 5.3 0.1미만 2.0 1.2 0.8 0.1~0.29 1.8 1.3 0.9 0.3~0.7 1.6 1.5 1.1 주) (1) 개방형 판구조물의 개방률이 30% 이상인 경우에 적용한다. (2) Φ：구조물의 충실률(유효수압면적/외곽 전면적) d ：원형부재의 지름, m qz：지표면에서 임의높이 z에 대한 설계속도압, N / m2 50 6. 태양광 모듈 선정 태양광발전용 태양광 패널은 생산업체와 모델에 따라서 발전용량, 크기, 무게, 및 지지구조에 태양광 패널을 고정하는 볼트 구멍의 위치가 서로 다르며 통일되어 있지 않다. 특히, 태양광 패널 프레임을 지지구조에 고정하는 구멍의 위치가 서로 다르게 되어 있어, 지지구조의 세로대 (rafter)와 가로대 (purlin)에 볼트 구멍을 뚫는 위치에 주의하여 설계하여야 한다. 아래에 많이 사용되고 있는 태양광 패널의 외형 규격을 정리하였다. S-Energy [6]: SM-PG8 (60 cell series) (245~255 W), W x H x D (mm) = 999 x 1,665 x 50, 20 kg SM-PG8 (72 cell series) (295~305 W), W x H x D (mm) = 999 x 1,985 x 50, 23 kg SNnnnP-10 (60 cell series) (245~255 W), W x H x D (mm) = 990 x 1,650 x 30, 17 kg Shinsung Solar Energy [7]: SS-AM series (210~250 W), W x H x D (mm) = 992 x 1,484 x 40, 17 kg SS-AP series (200~230 W), W x H x D (mm) = 992 x 1,484 x 40, 17 kg SS-BM series (235~270 W), W x H x D (mm) = 992x1,644 x 40, 19 kg SS-BP series (230~265 W), W x H x D (mm) = 992 x 1,644 x 40, 19 kg SS-DM series (270~330 W), W x H x D (mm) = 982 x 1,944 x 40, 23 kg SS-DP series (265~310 W), W x H x D (mm) = 982 x 1,944 x 40, 23 kg S-Energy의 SM-255PG8 (255 W, W x H x D (mm) = 999 x 1,665 x 50, 20 kg) (Fig. 3.7)와 S-Energy의 SN255P-10 (255 W, W x H x D (mm) = 990 x 1,650 x 30, 17 kg) (Fig. 3.8)을 선정하여, 지상형 지지구조와 지붕형 지지구조를 설계하였다. 태양광 패널의 수량 대비 지지대 수량을 변화시켜 가면서, 여러 경우의 구조 모듈을 구성하였다. 태양광 패널 지지구조 설계는 SolidWorks 프로그램[8]으로 하였으며, 각각의 지지구조 모델에 대한 하중-변형-응력 구조해석은 SolidWorks Simulation 프로그램[9]으로 하였다. 51 Fig. 3.7 Solar panel, S-Energy SM-255PG8 볼트 체결 위치 52 Fig. 3.8 Solar panel, S-Energy SN255P-10의 볼트 체결 위치 53 7. 지지구조 연결구 (a) (b) Fig. 3.9 Connector design for rafter, purlin, and strut Fig. 3.10 Connector prototype 54 8. 태양광발전 지지구조 설계와 구조해석 가. 지상형, 태양광 패널 2행 5열 배열, 지지대 6개 (a) front view (b) rear view Fig. 3.11 Ground, 2 x 5 panels, 6 struts, design model 55 Fig. 3.12는 풍속 30 m/sec일 때, 풍압 p = 990 N /m2이 태양광 패널 전면에 균일하게 수직으로 작용하는 조건에 대한 해석 결과인 응력과 변위 분포이다. Fig. 3.12 (a)에서, 붉은색으로 나타낸 최대값이 안전계수 2.0이다. (a) von Mises stresses (N/m2) (b) displacement (mm) Fig. 3.12 Ground, 2x5 panels, 6 struts, FEA results ( p = 990 N /m2 ) 56 나. 지상형, 태양광 패널 2행 5열 배열, 지지대 9개 (a) front view (b) rear view Fig. 3.13 Ground, 2x5 panels, 9 struts, design model 57 Fig. 3.14는 풍속 30 m/sec일 때, 풍압 p = 990 N /m2이 태양광 패널 전면에 균일하게 수직으로 작용하는 조건에 대한 해석 결과인 응력과 변위 분포이다. Fig. 3.14(a)에서, 붉은색으로 나타낸 최대값이 안전계수 2.0이다. (a) von Mises stresses (N/m2) (b) displacement (mm) Fig. 3.14 Ground, 2x5 Panels, 9 struts, FEA results ( p = 990 N /m2 ) 58 다. 지상형, 태양광 패널 1행 6열 배열, 지지대 6개 Fig. 3.15는 풍속 30 m/sec일 때, 풍압 p = 990 N /m2이 태양광 패널 전면에 작용하는 값을, 태양광 패널 프레임에 집중적으로 작용하는 조건으로 해석한 결과인 응력과 변위 분포이다. Fig. 3.15(b)에서, 붉은색으로 나타낸 최대값이 안전계수 2.0이다. (a) wind pressure on solar panel frame (b) von Mises stresses (N/m2) (c) displacement (mm) Fig. 3.15 Ground, 1x6 panels, 6 struts, FEA model and FEA results ( p = 990 N /m2 ) 59 라. 지상형, 태양광 패널 2행 6열 배열, 지지대 6개 Fig. 3.16은 풍속 30 m/sec일 때, 풍압 p = 990 N /m2이 태양광 패널 전면에 작용하는 값을, 태양광 패널 프레임에 집중적으로 작용하는 조건으로 해석한 결과인 응력과 변위 분포이다. Fig. 3.16(b)와 (c)에서, 붉은색으로 나타낸 최대값이 안전계수 2.0이다. (a) wind pressure on solar panel frame (b) von Mises stresses (N/m2), front view Fig. 3.16 Ground, 2x6 panels, 6 struts, FEA model and FEA results ( p = 990 N /m2 ) 60 (c) von Mises stresses (N/m2), rear view (d) displacement (mm) Fig. 3.16 Ground, 2x6 panels, 6 struts, FEA model and FEA results ( p = 990 N /m2 ) 61 마. 지상형, 태양광 패널 2행 6열 배열, 지지대 8개 Fig. 3.17은 풍속 30 m/sec일 때, 풍압 p = 990 N /m2이 태양광 패널 전면에 작용하는 값을, 태양광 패널 프레임에 집중적으로 작용하는 조건으로 해석한 결과인 응력과 변위 분포이다. Fig. 3.17(b)와 (c)에서, 붉은색으로 나타낸 최대값이 안전계수 2.0이다. (a) wind pressure on solar panel frame (b) von Mises stresses (N/m2), front view Fig. 3.17 Ground, 2x6 panels, 8 struts, FEA model and FEA results ( p = 990 N /m2 ) 62 (c) von Mises stresses (N/m2), rear view (d) displacement (mm) Fig. 3.17 Ground, 2x6 panels, 8 struts, FEA model and FEA results ( p = 990 N /m2 ) 63 바. 지붕형, 태양광 패널 1행 6열 배열, 지지대 8개 (a) front view (b) rear view Fig. 3.18 Roof, 1x6 panels, 8 struts, design model Fig. 3.19는 풍속 30 m/sec일 때, 풍압 p = 990 N /m2이 태양광 패널 전면에 작용하는 값을, 태양광 패널 프레임에 집중적으로 작용하는 조건으로 해석한 결과인 응력과 변위 분포이다. Fig. 3.19(b)와 (c)에서, 붉은색으로 나타낸 최대값이 안전계수 2.0이다. (a) wind pressure on solar panel Fig. 3.19 Roof, 1x6 Panels, 8 struts, FEA Model and FEA results ( p = 990 N /m2 ) 64 (b) von Mises stresses (N/m2), front view (c) von Mises stresses (N/m2), rear view (d) displacement (mm) Fig. 3.19 Roof, 1x6 panels, 8 struts, FEA model and FEA results ( p = 990 N /m2 ) 65 사. 지붕형, 태양광 패널 3행 6열 배열, 지지대 행 당 8개 Fig. 3.19는 지붕형 지지구조, 태양광 패널 3행 6열 배열, 지지대 8개의 설계 모델이다. 하중-변형 해석 결과는 “바. 지붕형 지지구조, 태양광 패널 1행 6열 배열, 지지대 8개”에서와 같다. 66 9. 태양광발전 지지구조 연결구 지식재산권 출원 가. 지지구조 연결구 국내 특허출원 - 발명의 명칭: 프레임 어셈블리용 연결구 및 이를 구비한 태양광 발전장치 (Connector for Frame Assembly and Solar Generator Provided with the Same) - 특허출원번호: 10-2015-0130175 - 출원일자: 2015. 09. 15. - 출원인: 한국생산기술연구원 - 발명자: 윤승원 나. 지지구조 연결부재 국내 디자인출원 - 디자인명: 태양전지모듈 장착 프레임용 연결구 - 디자인출원번호 : 30-2015-0045618 - 출원일자: 2015. 09. 08. - 출원인: 한국생산기술연구원 - 창작자: 윤승원 제 3 절 기대효과 및 사업화 계획 1. 직접적 효과 기술적 효과 - 태양광발전 지지구조는 현장 상황에 따라 설계도가 서로 다르다. 지지구조 플랫폼 모듈 설계와 구조해석을 반영한 안전 설계 - 태양광 지지구조물에 대하여 국토해양부 고시 제 2009-1245호 (건축구조기준, KBC 2009)에 따른 최고 풍속 30 m/sec와 최대 적설하중 0.5 kN/m2를 적용한 구조해석 결과를 반영하여 지지구조 설계 - 태양광 발전시스템을 건축물 지붕에 설치하는 지지구조와 임야 등 지상에 설치하는 지지구조의 경량화 설치 편리성 향상 설계 기술 확보 67 - 한국생산기술연구원이 고안한 “프레임 어셈블리용 연결구 및 이를 구비한 태양광 발전장치”에 대한 지식재산권 출원 및 기업에 기술 이전 경제적 효과 - 한국생산기술연구원이 태양광 모듈 지지구조물 설계 기술을 기업에 사업화 기술이전 - 태양광발전을 임야 등 지상에 설치하는 지지구조와 건축물 지붕에 설치하는 경사형 지지구조의 설치 편리성 향상 설계 기술 확보로, 앞으로 5년간 연평균 20억 원 이상의 매출 증대 기대 2. 간접적 효과 사회적 효과 - 태양광 발전설비 지지구조 관련 국내․외 특허자료 조사 및 제공으로, 향후 다양한 모델의 설계와 설치에 활용 - 태양광 발전 시장점유율 증대로 환경의 질 향상에 기여 경제적 효과 - SolidWorks를 사용한 3D 모델링 설계로, 설계 과정에서 조립 구조물의 무게와 무게 중심, 배치 등의 확인으로 시공성 향상과 사업성 증대 - SolidWorks Simulation으로 자중, 풍하중, 돌풍하중, 적설하중이 작용하는 조건에 대한 구조 안전성 (safety) 검토 설계 능력 확보, 유사 구조물 설계 및 설치에 활용 - 다양한 형태 및 발전 용량의 태양광 발전설비 모델 개발과 고용 증대 예상 3. 사업화 계획 ▪ 태양광 발전설비 지지구조물 설계 모델의 다양화로 연 매출 20억 원 증대를 기대(태양광 발전설비 세트당 2.0억 원 기준). 68

제 3 장 기술개발 결과 및 향후 계획

제 3 장 기술개발 결과 및 향후 계획 제 1 절 기술개발 추진 체계 1. 기술개발 추진 전략 100 kW 미만 태양전지 용량을 갖는 발전소 형태의 소규모 태양광 발전시스템 (발전 용량이 100 kW 이상이면 태양광수배전반 설치 비용이 추가됨) 태양광 발전설비를 임야 등의 노지에 설치하는 지상형 지지구조(평면에 설치)와 건축물 지붕에 설치하는 지붕형 지지구조(경사면에 설치)를 설계하며, 각 부재를 연결하는 연결구 구조에 대한 특허출원 태양광 발전설비의 지상형 지지구조와 지붕형 지지구조 각각에 대하여 모듈을 구성하는 구조설계, 구조해석, 시제품제작 및 안전점검을 수행하여 기술이전 기술사업화 지상형은 주변온도가 상승하지 않도록 지상에서 2 m 이상, 지붕형은 태양광 모듈의 온도가 상승되는 것 방지하기 위하여 지붕과 5-10 cm의 간격을 두며 설치 적용 풍압은 서울과 대구의 경우 최대 풍속이 30 m/sec, 돌풍의 영향계수 2.2, 적설하중은 0.5 kN/m2, 태양광 모듈의 하중은 최대 0.15 kN/m2을 적용 태양광 패널 1장의 전력 발생량은 130 W/m2를 기준으로 적용 관련 규격은 콘크리트 재료 KS F 2405, 철골 KS D 3503, 철근 KS D 3504, 고장력 볼트 KS B 1010를 적용 수평면과의 경사각은 서울, 군포 기준으로 33° 적용 - 영동 36°, 서울 영서 영남 33°, 호남 30°, 제주 24° - 적설지대에서는 45도 이상의 경사각, 20~30cm 정도의 적설과 자중에 필요한 강도와 강성 구조로 설계 32 2. 기술개발 추진 체계 Fig. 3.1 기술개발 추진 체계 33 3. 기술개발 편성도 사업책임자 수행 내용 - 태양광발전 지지구조 기술이전 총괄 한국생산기술연구원 - 특허 자료, 기술 자료 수집 분석 수석급 윤승원 - 지지구조 3D 모델링 설계 - 태양광 모듈 지지구조 구조해석 기술이전기업 참여연구원 수행 내용 대표이사 - 태양광 발전 기술사업화 총괄 ㈜조은에너지 신용길 - 안전진단 참여연구원 수행 내용 상무/기술연구소 - 전기설계 황재학 참여연구원 수행 내용 부장/기술팀 - 설계 도면 작성 강지훈 - 시제품 제작 참여연구원 수행 내용 사원/기술팀 - 시제품 제작 강명수 - 안전진단 Fig. 3.2 기술개발 편성도 34 제 2 절 기술개발 결과 1. 기술개발 추진 일정 및 달성도 추진일정 일련 달성도 개발 목표 및 내용 번호 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 (%) 태양광 모듈 규격, 1 100 지지 구조 국내외 특허 자료 조사 분석 태양광 모듈 규격, 2 100 지지구조 부품 조사 지지구조 플랫폼 3 100 구상, 3D 모델링 태양광 모듈 지붕형 4 100 지지구조 하중해석 (풍 하중, 적설, 자중) 태양광 모듈 지붕형 5 100 지지구조 상세설계 태양광 모듈 지상형 6 100 지지구조 하중해석 (풍 하중, 적설, 자중) 태양광 모듈 지상형 7 100 지지구조 상세설계 시제품 제작용 부품 8 100 가공과 구매 시제품제작, 현장설치 9 100 (지붕형, 지상형) 태양광 모듈 지지 10 100 구조 안전점검 기술자료 정리, 11 100 결과보고서 작성 Fig. 3.3 기술이전 추진 일정 및 달성도 35 2. 구조물 설계법 [1, 2] 가. 하중저항계수 설계법 (LRFD-Load Resisted Factor Design) 혹은 한계상태 설계법 (LSD-Limited State Design) 구조물에 작용하는 실제의 하중과 재료의 실제의 강도가 어떤 형태의 분포를 가지는 확률량으로 하중작용 및 재료강도의 변동을 고려하여 확률론적으로 구조물의 안전성 평가가 요구된다. 한계상태 설계법은 구조물이 그 사용목적에 적합하지 않게 되는 어떤 한계상태에 도달되는 확률을 허용한도 이하로 하려는 설계법이다 한계상태 설계법은 구조물이 파괴될 파괴확률, 또는 구조물이 파괴되지 않을 신뢰성 확률로 안전성을 나타내려는 것이다. 하중작용이나 재료강도 등에 대한 통계자료가 충분하지 못하여 하중작용과 재료강도에 대한 부분 안전계수 (partial safety factor)를 도입한 것으로, 1970년대 초에 영국의 설계기준에 등장 하였으며 (BS 8810), 1986년 미국의 AISC (American Institute of Steel Construction)에서 채택하였다. 영국, 캐나다 등에서는 한계상태 설계법 (LSD: Limit State Design)이라고 부르며, 미국에서는 하중저항계수 설계법 (LRFD: Load and Resistance Factor Design)이라고 한다. LRFD나 LSD는 모두 강구조 부재나 상세요소의 극한내력강도 또는 한계내력에 기초를 두고 극한 또는 한계하중에 의한 부재력이 부재의 극한 또는 한계 내력을 초과하지 않도록 하는 설계법이다. LRFD에서는 하중 및 저항관련 안전 모수인 설계안전율의 결정을 종래의 설계법에서와 같이 주로 오랜 기간의 경험에만 의존하여 확정적으로 결정하지 않고, 하중과 저항에 관련된 모든 불확실성을 확률 통계적으로 처리하는 구조 신뢰성이론에 기초하여 결정한다. 일관성 있는 적정수준의 안전율을 확보할 수 있어 구조물의 신뢰도를 높일 수 있는 보다 합리적이고 새로운 설계법이다. 우리나라도 1996년 개정된 도로교통표준 시방서에 이 설계법을 부록으로 수록하고 있으나, 설계이론이 난해하고 설계절차가 매우 복잡하여 하중저항계수 설계법으로 설계하기에는 많은 어려움이 예상되고 있다. 36 구조물에 작용하는 하중에 의해 부재나 구조물에 발생하는 모멘트, 전단력, 변위, 가속도 등 여러 형태의 하중의 효과가 구조물이 가지고 있는 구조체로서의 저항능력보다 크면 구조물은 파괴상태에 이르게 되고, 저항능력보다 작으면 안전한 상태가 된다. 구조물에 작용하는 하중효과가 저항능력과 같으면 구조물이 한계상태 (limit state)에 이르렀다고 한다. 여기서, 구조물에 작용하는 하중이나 구조물의 저항 능력은 실제로 일정하게 정해져 있는 값이 아니라 불확실성을 갖고 있는 확률변수로 취급하며, 확률통계적인 접근 방법으로 다룬다. 구조물의 저항능력을 확률변수 R, 작용하는 하중효과를 확률변수 Q로 정의하고 R과 Q는 서로 독립이라고 가정하며, 다음과 같은 관계로 정의할 수 있다. (1) R > Q이면 안전 (2) R < Q이면 파괴 (3) R = Q이면 한계 상태 구조물에 작용하는 하중이 증가되면 구조물이 안전 Æ 한계상태 Æ 파괴에 이른다. 구조물이 파괴되지 않으려면 구조물에 작용하는 여러 형태의 복합 하중이 구조물의 모든 한계상태보다 작도록 설계되어야 한다 (Pinkham, 1978, Geschwindner, 2008). 한계상태는 강도한계 상태와 사용한계 상태 두 종류가 있다. 나. 소성 설계법 허용응력 설계법과 다른 점은 설계하중 대신 극한 하중을 사용하는 것이다. 다. 허용응력 설계법 허용응력 설계법은 부재의 탄성해석에 근거를 둔다. 후크의 법칙에 따라 응력이 증가하면 부재의 변형이 선형인 구간 내에서 설계하는 것이다. 즉, 탄성범위 내에 있어 잔류 변형이 없다. 허용응력 설계법은 구조물에 작용되는 조합하중이 가장 극심한 상태의 하중을 가하여 부재의 허용응력을 초과하지 않도록 설계하는 방법으로 신뢰성 높다. 안전율 산출에는 두 가지가 있는 데, 첫째로 구조물에 사용되는 재료의 내력을 실제보다 낮게 가정하여 사용하는 방법이고, 둘째는, 건물에 작37 용하는 하중을 실제보다 크게 하여 즉, 안전율이 적용된 계수하중에 대하여 구조물을 설계하는 방법이다. 일반적으로는 안전율을 이용하여 설계한다. 라. 강도 설계법 (Strength Design Method) 이전에는 극한강도 설계법 (USD: Ultimate Strength Design)이라고 하였다. 소요강도를 사용하중 (service load)에 하중계수를 곱하여 구하는 관계로 하중계수 설계법 (Load Factor Design Method)이라고도 한다. 허용응력 설계법은 ASD (Allowable Stress Design) 또는 WSD (Working Strength Design, 작용응력 설계법)이라고 한다. 강도 설계법은 한계상태 설계법의 일종으로 주로 극한 하중에 대한 설계강도를 갖도록 단면을 결정하는 강도 한계상태에 기초한 설계법이다. 강도 설계법은 부재의 파괴상태 또는 파괴에 가까운 상태에 기초를 두며 이러한 파괴상태 또는 파괴에 가까운 상태에 있는 부재의 강도를 극한강도 (ultimate strength) 또는 공칭강도 (nominal strength)라고 한다. 구조부재의 중요한 요소는 구조물의 수명 동안 작용할 예측 가능한 모든 하중에 대하여 파괴나 다른 결함이 발생되지 않도록 여유를 가지고 있어야 한다. 하지만 재료강도의 불가피한 변동 등 여러 가지의 이유로 실제 구조부재가 참된 강도를 가지지 못할 수 있고, 작용하중 역시 어떤 범위의 오차를 가지고 예측할 수 있을 뿐이지 참된 크기를 알지 못한다. 따라서 구조부재가 안전한 구조물로 설계되기 위해서 콘크리트 구조설계기준에서는 구조물의 안전도를 하중계수와 강도 감소계수를 사용하여 확보하고 있다. 공칭강도 ( Sn )는 강도의 결함을 고려한 강도감소계수 (Φ )에 의하여 감소시켜야 하고, 기준하중 (specified load) L은 초과하중을 고려하여 하중계수 γ 에 의해 증가시켜야 한다. 설계강도 = 강도감소계수×공칭강도 ≥ 하중계수×공용하중 = 소요강도 Rd =Φ×Sn ≥ ∑γ i ×Li =U 38 3. 적용 하중 산출 [3, 4] 태양광발전 구조물 설계 시 적용하는 하중은 다음과 같이 산정하기도 한다[1]. (1) 고정 하중 (수직 하중): D - 태양광 모듈 자중 : 최대 0.15 kN/m2 (구조물 포함한 총 최대 0.45 kN/m2) - 활하중(보 중간 부재에 집중하중 적용): 5kN (LR) - 최대 적설 하중: 최대 0.5 kN/m2 (S) (2) 풍 하중 (수평 하중): W - 기본 풍속: 30 m/sec (서울), 25 m/sec (기타지역) - 중요도 계수(IW)?: 1.1 (중요도 특) - 노풍도: B - 거스트 (gust) 영향 계수(Gf): 2.2 (3) 지진 하중 (수평 하중): E - 지역 계수: 0.11 (서울) - 내진 등급: 특 - 중요도 계수(IE): 1.50 - 지반의 분류: SD - 반응수정계수: 6.0 (철골 모멘트 골조) (4) 하중의 조합 - 적설 하중 포함시 단기 하중: D + LR (또는 S) - 단기 하중: D + W (또는 E) - 단기 하중: D + LR (또는 S)+ W (또는 E) (5) 설치 방향 - 종설치: 입자 많은 지역, 적설 지대 - 횡설치: 자연 강우량에 의한 세정 효과가 떨어진다. 태양광발전 지지구조물의 인반적인 내용 연수는 다음과 같다[2]. 39 - 강재 + 도장 : 5~10년에 재도장 - 강재 + 용융 아연 도금 20~30년 - 스테인리스 30년 이상 4. 지붕 적설하중 ( Ss ) (KBC2009, 0304.4) [5] 적설하중은 쌓인 눈의 중량에 의하여 건축물이나 공작물에 작용하는 하중이다. S (kNs = CS ⋅S f 2 ) (KBC2009, 식 0304.4.1) mCS : 지붕의 경사도계수 (1.0) (KBC2009, 그림 0304.4(b)) S f : 평지붕의 적설하중 S kNf = Cb ⋅Ce ⋅Ct ⋅ ls ⋅Sg ( 2 ) (KBC2009, 식 0304.3.1) mCb : 기본 지붕적설하중 계수 (일반적으로 0.7로 한다.) Ce : 노출계수 (1.0) (KBC2009, 표 0304.3.2) Ct : 온도계수 (1.2) (KBC2009, 표 0304.3.3) I s : 중요도계수 (1.0) (KBC2009, 표 0304.3.4) S kNg : 지상 적설하중 0.5 ( 2 ) mS f = Cb ⋅Ce ⋅Ct ⋅ l ⋅S 0.7 1.0 1.2 1.0 0.5 0.42 (kNs g = × × × × = 2 ) mSs = CS ⋅S =1.0×0.42 = 0.4 kNf 2( 2 ) m지역 지상적설하중 ( kN /m2 ) 서울, 수원, 춘천, 서산, 청주, 대전, 추풍령, 포 0.5 항, 군산, 대구, 전주, 울산, 광주, 부산, 통영, 목포, 여수, 제주, 서귀포, 진주, 이천 정읍, 울진 0.65 인천 0.8 속초 2.0 강릉 3.0 울릉도, 대관령 7.0 40 지역 노출계수 Ce A. 지형, 높은 구조물, 나무 등 주변환경에 의해 모든 면이 0.8 바람막이가 없이 노출된 지붕이 있는 거센 바람 부는 지역 B. 약간의 바람막이가 있는 거센 바람 부는 지역 0.9 C. 바람에 의한 눈의 제거가 지형, 높은 구조물 또는 근처의 1.0 몇몇 나무들 때문에 지붕 하중의 감소를 기대할 수 없는 위치 D. 바람의 영향이 많지 않은 지역 및 지형과 높은 구조물 1.1 또는 몇몇 나무들에 의하여 지붕에 바람막이가 있는 지역 E. 바람의 영향이 거의 없는 조밀한 숲 지역으로서, 촘촘한 1.2 침엽수 사이에 위치한 지붕 주) (1) 주변환경은 구조물의 수명기간에 지속되는 환경을 말한다. (2) 10h (지붕면에서 장애물까지의 높이) 거리 내에 있는 장애물들은 바람막이가 된다. 0(3) 겨울에 잎이 떨어지는 낙엽수에 의한 장애물인 경우 Ce는 0.1만큼 저감할 수 있다. 난방 상태 Ct 난방 구조물(적설하중 제어구조) 1.0 비난방 구조물(적설하중 비제어구조) 1.2 중요도 건축물의 용도 및 규모 중요도계수 I s y 연면적이 1천 제곱미터 이상인 위험물저장 및 특 처리시설, 종합병원, 병원, 방송국, 전신전화국, 1.2 발전소, 소방서, 공공업무시설 및 노약자 시설 y 15층 이상 아파트 및 오피스텔 y 연면적이 5천 제곱미터 이상인 관람집회 시설, 1 운동시설, 운수시설, 전시시설 및 판매시설 1.1 y 5층 이상인 숙박시설, 오피스텔, 기숙사 및 아파트 y 3층 이상의 학교 2 y 중요도 (특), (1), (3)에 해당하지 않는 건축물 1.0 3 y 가설 건축물, 농가 건축물, 소규모 창고 0.8 41 차가운 지붕의 경사도계수 (0304.4.2)는 Fig. 3.4에서 구한다. (1) 지붕표면이 미끄러지기 쉽고 열이 전달되지 않는 차가운 경우, 지붕경사도 계수는 Fig. 3.4 (a) (KBC2009, 그림 0304.4(a))의 점선에 의한다. (2) 지붕표면이 미끄러지기 쉽지 않고 열이 전달되지 않는 차가운 경우, 지붕경사도계수는 Fig. 3.4 (b) (KBC2009, 그림 0304.4(b))의 실선에 의한다. (a) 난방이 된 지붕, Ct =1.0 (b) 난방이 되지 않은 지붕, Ct >1.0 Fig. 3.4 차가운 지붕의 경사도계수 Cs (KBC2009, 그림 0304.4) 5. 지붕 풍압 산출 [5] 풍압은 풍속의 제곱에 비례하며, 건축구조기준[2]에 따라 여러가지 영향계수를 반영하여 산출한다. 독립편지붕의 설계속도압 ( Pr ) (KBC2009, 0305.3.2)은 다음 식으로 산정한다. 독립편지붕은 벽면이 없이 기둥부재에 편지붕만 있는 지붕구조물이다. P Nr = qH ⋅Gpe ⋅C f ( 2 ) (0305.3.3) m여기서, qH : 지붕면의 평균높이 H에 대한 설계속도압 (N2 ) mGpe : 지붕의 외압가스트영향계수 (0305.6.3에 따른다) Cf : 독립편지붕의 풍력계수 (0305.7.3.2에 따른다) 설계높이에 대한 설계속도압 q z 42 q 1= ⋅ ρ ⋅V 2 Nz z ( 2 ) (0305.5.1 a) 2 m지붕면 평균높이에 대한 설계속도압 q H q 1= ⋅ ρ ⋅ 2 ( NH V (0305.5.1 b) 2 H m2 )ρ N ⋅ s2 : 공기밀도. 균일하게 1.22m4 적용 Vz : 설계지역의 지표면으로부터 임의높이 z에 대한 설계풍속 (m/s) VH : 설계지역의 지표면으로부터 지붕면 평균높이 H에 대한 설계풍속 (m/s) 설계풍속 (0305.5.1) Vz =V0 ⋅Kzr ⋅Kzt ⋅ Iw (m/ s) (0305.5.2에 따른다) V0 : 기본풍속 (m/s) (0305.5.2에 따른다. 표 4, 0305.5.1) Kzr : 풍속고도분포계수 (0305.5.3에 따른다) Kzt : 지형계수 (0305.5.4에 따른다) Iw : 건축물의 중요도계수 (0305.5.5에 따른다) 지표면조도 C (높이 1.5m~10m 정도의 장애물이 산재해 있는 지역) 태양광 삼각프레임의 독립 편지붕 (H =15+0.3=15.3) VH =V0 ⋅Kzr ⋅Kzt ⋅ Iw V0 = 30 m/s (군포) K 0.1zr = 0.71za = 0.71×15.35 = 0.71×1.5056 =1.069 Kzt =1.0 Iw = 0.90 VH = 30×1.069×1.0×0.90 = 28.863 q 1 2H = ⋅ ρ ⋅V ( N ) 1 1.22 28.86322 508.17( N= × × = 2 ) 2 H m 2 mPr = qH ⋅Gpe ⋅C = 508.17×1.9×1.0 = 965.5 ( Nf 2 ) m구조골조용 풍압 (Pr ) (KBC2009, 0305.3.1)은 다음 식으로 산정한다. Wf = pf ⋅ A (N) 43 여기서, p Nf : 구조골조용 설계풍압 ( 2 ) mA : 유효수압면적(m2 ) 개방형 건축물 및 기타 구조물의 구조골조용 설계풍력 pf는 다음과 같다. pf = qz ⋅Gf ⋅Cf 여기서, q Nz : 지표면에서 임의 높이 z에 대한 설계속도압 ( 2 ) mGf : 주골조설계용 풍방향 가스트영향계수, 바람의 난류로 인해서 발생되는 구조물의 동적 거동성분을 나타내는 것으로 평균변위에 대한 최대변위의 비를 통계적인 값으로 나타낸 계수 Cf : 풍력계수 설계높이에 대한 설계속도압 q z q 1 2 ( Nz = ⋅ ρ ⋅Vz 2 ) (0305.5.1 a) 2 mρ N ⋅ s2: 공기밀도, 균일하게 1.22m4 적용 Vz : 설계지역의 지표면으로부터 임의높이 z에 대한 설계풍속 (m/s) 설계풍속 (0305.5.1) Vz =V0 ⋅Kzr ⋅Kzt ⋅ Iw (m/ s) (0305.5.2에 따른다) V0 : 기본풍속 (m/s) (0305.5.2에 따른다. 표 4, 0305.5.1) Kzr : 풍속고도분포계수 (0305.5.3에 따른다) Kzt : 지형계수 (0305.5.4에 따른다) Iw : 건축물의 중요도계수 (0305.5.5에 따른다) 지표면조도 C (높이 1.5m~10m 정도의 장애물이 산재해 있는 지역) 태양광 삼각프레임의 구조 골조 ( z=15+0.3=15.3) V0 = 30 m/s (군포) Kzr = 0.71z0.15a = 0.71×15.3 = 0.71×1.5056 =1.069 Kzt =1.0 44 Iw = 0.90 Vz = 30×1.069×1.0×0.90 = 28.863 q 1 2z = ⋅ ρ ⋅V ( N ) 1= ×1.22×28.86322 = 508.17( Nz 2 ) 2 m 2 mPf qz G f ⋅ 508.17 1 N= ⋅ C f = × .9×1.0 = 965.5 ( 2 ) m지역 V0 (m/s) 서울, 인천, 강화, 옹진, 김포, 구리, 수원, 군포, 오산, 서울특별시 화성, 안산, 시흥, 의왕, 부천, 고양, 평택, 안성, 안양, 30 인천광역시 과천, 광명 경기도 의정부, 동두천, 양주, 파주, 연천, 포천, 남양주, 가평, 하남, 성남, 광주, 양평, 여주, 이천, 용인 25 속초, 양양, 강릉 40 고성, 동해, 삼척 35 강원도 양구, 철원, 화천, 춘천, 홍천, 횡성, 원주, 평창, 정선, 25 영월, 인제, 태백 서천, 보령, 홍성, 예산, 서산, 태안, 아산, 천안, 연기, 35 대전광역시 청주, 청원 대전, 계룡, 진천, 증평, 당진 30 충청남북도 청양, 공주, 부여, 논산, 금산, 음성, 충주, 제천, 단양, 25 괴산, 보은, 영동, 옥천 포항, 울릉(독도) 45 부산광역시 부산, 기장 40 경주, 영덕, 울진, 양산, 김해, 진해, 창원, 마산, 통영, 35 대구광역시 거제, 고성, 남해, 사천, 울산, 울주 함안 30 울산광역시 봉화, 영주, 예천, 문경, 상주, 추풍령, 안동, 영양, 청송, 25 경상남북도 의성, 군위, 구미, 칠곡, 김천, 성주, 고령, 대구, 달성, 경산, 영천, 청도, 창녕, 의령, 진주, 거창, 산청, 밀양, 합천, 함양, 하동 군산 40 익산, 완도, 해남, 진도, 목포, 여수, 고흥, 신안 35 광주광역시 김제, 순천, 영광, 함평, 광주, 화순, 나주, 무안, 영암, 30 강진, 장흥, 보성, 광양 전라남북도 완주, 무주, 전주, 진안, 장수, 임실, 정읍, 고창, 순창, 25 남원, 장성, 담양, 곡성, 구례, 부안 제주도 서귀포, 제주, 성산포 40 45 주) (1) 지역명칭은 통계청의 2008년 1월 1일 기준 “한국행정구역분류”에 의거하여 시 및 군을 최소단위로 작성하였다. (2) Table 3.5 및 Fig. 3.5 (KBC2009, 그림 0305.5.1)에 나타낸 지역명칭은 기상관청이 있는 지역(굵은 글씨)은 기상관청이 위치한 곳, 기상관청이 없는 지역은 시청 및 군청 소재지가 위치한 곳이다. (3) 건설지역이 표에 명기되어 있지 않은 시청 및 군청 소재지 이외에 위치하거나 도시의 범위가 넓어 시청 및 군청 소재지와 멀리 떨어져 있는 경우에는 이 표를 적용할 수 없고, Fig. 3.5로부터 건설지점에 해당하는 기본풍속을 직접 선택하여 사용하여야 한다. 지표면으로부터의 높이 지표면조도구분 z (m) A B C D z ≤ Zb 0.58 0.81 1.0 1.13 Zb < z ≤ Zg 0.22 za 0.45 za 0.71 za 0.97 za 지표면조도구분 주변지역의 지표면 상태 A 대도시 중심부에서 10층 이상의 대규모 고층건축물이 밀집해 있는 지역 B 높이 3.5m 정도의 주택과 같은 건축물이 밀집해 있는 지역 중층건물이 산재해 있는 지역 C 높이 1.5~10 m 정도의 장애물이 산재해 있는 지역 저층건축물이 산재해 있는 지역 D 장애물이 거의 없고, 주변 장애물의 평균높이가 1.5m 이하인 지역, 해안, 초원, 비행장 46 Fig. 3.5 100년 재현기간에 대한 기본풍속 V0 (m/s) (KBC2009, 그림 0305.5.1) 지표면조도구분 A B C D Zb (m) 20 15 10 5.0 Zg (m) 500 400 300 250 a 0.33 0.22 0.15 0.10 47 적용범위 지형구분 풍속할증 적용범위 풍상측 풍하측 언덕, 산 수평거리 (정점에서) 1.5 Lu와 1.6H중 큰 값 경사지 수평거리 (정점에서) 1.5 Lu와 1.6H 중 3.5 Lu와 4H중 큰 값 큰 값 풍상측 중 가장 불리한 경사 풍속할증계수 (Kzt ) (Φ ) 경사지 (Φ d ≤ 0.05 ) 언덕, 산 (Φ d ≥ 0.1 ) 0.05 1.05 1.11 0.1 1.09 1.21 0.2 1.18 1.41 ≥ 0.3 1.27 1.61 Φ : 풍상측에서 가장 불리한 조건의 경 Φ H사 ( = ) 2LuΦd : 언덕, 산 경사지의 정점으로부터 풍하측 5H되는 거리까지의 평균거리 (a) 언덕, 산 (b) 경사지 Fig. 3.6 지형계수 (KBC2009, 그림 0305.5.4) 48 중요도 건축물의 용도 및 규모 중요도 분류 계수 Iw 특 y 연면적 1,000m2 이상인 위험물저장 및 처리시설 1.00 y 연면적 1,000m2 이상인 국가 또는 지방자치단체의 청사, 외국공관, 소방서, 발전소, 방송국, 전신전화국 y 종합병원, 수술시설이나 응급시설이 있는 병원 1 y 연면적 1,000m2 미만인 위험물 저장 및 처리시설 1.00 y 연면적 1,000m2 미만인 국가 또는 지방자치단체의 청사·외국공관·소방서·발전소·방송국·전신전화국 y 연면적 5,000m2 이상인 공연장·집회장·관람장·전시장·운동시설·판매시설·운수시설(화물터미널과 집배송시설은 제외함) y 아동관련시설·노인복지시설·사회복지시설·근로복지시설 y 5층 이상인 숙박시설·오피스텔·기숙사·아파트 y 학교 y 수술시설과 응급시설 모두 없는 병원, 기타 연면적 1,000m2 이상인 의료시설로서 중요도(특)에 해당하지 않는 건축물 2 y 중요도(특), (1), (3)에 해당하지 않는 건축물 0.95 3 y 농업시설물, 소규모창고 0.90 y 가설구조물 지붕경사 D/B에 따른 C f 값 각 θ 5 3 2 1 1/2 1/3 1/5 10 0.20 0.25 0.30 0.45 0.55 0.70 0.75 15 0.35 0.45 0.50 0.70 0.85 0.90 0.85 20 0.50 0.60 0.75 0.90 1.00 0.95 0.90 25 0.70 0.80 0.95 1.15 1.10 1.05 0.95 30 0.90 1.00 1.20 1.30 1.20 1.10 1.00 지붕경사 압력의 중심 X c / L 각 θ D/B = 2~5 D/B = 1 D/B = 1/5~1/2 10~20 0.35 0.30 0.30 25 0.35 0.35 0.40 30 0.35 0.40 0.45 주) (1) 지붕면에 직각으로 작용하는 풍하중은 내측면으로 작용하는 경우와 외측면으로 작용하는 두 경우를 고려해야 한다. 49 (2) 풍방향은 수평방향으로부터 ± 10°의 풍방향의 변동을 고려한다. (3) D：풍방향 지붕치수, m B：풍직각 방향 지붕치수, m X c：풍상측 처마끝점으로부터 풍압력의 중심점까지의 거리, m θ ：지붕경사각, ° 지표면 설치 광고판 하부 개방 광고판 광고판 높이 폭 비 Cf 광고판 장변 단변비 Cf (hs / b ) (m / n ) ≤ 3 1.20 ≤ 6 1.20 5 1.30 10 1.30 8 1.40 16 1.40 10 1.50 20 1.50 20 1.75 40 1.75 30 1.85 60 1.85 ≥ 40 2.00 ≥ 80 2.00 주) (1) 유효수압면적이 전체면적의 70%를 초과하는 광고판에 적용한다. (2) 지표면으로부터 광고판의 하부까지의 개방거리가 수직높이의 0.25배 이하인 경우는 지표면에 설치된 것으로 설계한다. (3) 수직 및 경사진 풍향에 대해서도 고려해야 한다. (4) b：광고판의 폭 (m ), hs ：광고판의 높이 (m ), m：광고판의 장변 (m ), n：광고판의 단변 (m ) Cf Φ 원형부재 면으로 구성된 부재 d qz ≤ 5.3 d qz > 5.3 0.1미만 2.0 1.2 0.8 0.1~0.29 1.8 1.3 0.9 0.3~0.7 1.6 1.5 1.1 주) (1) 개방형 판구조물의 개방률이 30% 이상인 경우에 적용한다. (2) Φ：구조물의 충실률(유효수압면적/외곽 전면적) d ：원형부재의 지름, m qz：지표면에서 임의높이 z에 대한 설계속도압, N / m2 50 6. 태양광 모듈 선정 태양광발전용 태양광 패널은 생산업체와 모델에 따라서 발전용량, 크기, 무게, 및 지지구조에 태양광 패널을 고정하는 볼트 구멍의 위치가 서로 다르며 통일되어 있지 않다. 특히, 태양광 패널 프레임을 지지구조에 고정하는 구멍의 위치가 서로 다르게 되어 있어, 지지구조의 세로대 (rafter)와 가로대 (purlin)에 볼트 구멍을 뚫는 위치에 주의하여 설계하여야 한다. 아래에 많이 사용되고 있는 태양광 패널의 외형 규격을 정리하였다. S-Energy [6]: SM-PG8 (60 cell series) (245~255 W), W x H x D (mm) = 999 x 1,665 x 50, 20 kg SM-PG8 (72 cell series) (295~305 W), W x H x D (mm) = 999 x 1,985 x 50, 23 kg SNnnnP-10 (60 cell series) (245~255 W), W x H x D (mm) = 990 x 1,650 x 30, 17 kg Shinsung Solar Energy [7]: SS-AM series (210~250 W), W x H x D (mm) = 992 x 1,484 x 40, 17 kg SS-AP series (200~230 W), W x H x D (mm) = 992 x 1,484 x 40, 17 kg SS-BM series (235~270 W), W x H x D (mm) = 992x1,644 x 40, 19 kg SS-BP series (230~265 W), W x H x D (mm) = 992 x 1,644 x 40, 19 kg SS-DM series (270~330 W), W x H x D (mm) = 982 x 1,944 x 40, 23 kg SS-DP series (265~310 W), W x H x D (mm) = 982 x 1,944 x 40, 23 kg S-Energy의 SM-255PG8 (255 W, W x H x D (mm) = 999 x 1,665 x 50, 20 kg) (Fig. 3.7)와 S-Energy의 SN255P-10 (255 W, W x H x D (mm) = 990 x 1,650 x 30, 17 kg) (Fig. 3.8)을 선정하여, 지상형 지지구조와 지붕형 지지구조를 설계하였다. 태양광 패널의 수량 대비 지지대 수량을 변화시켜 가면서, 여러 경우의 구조 모듈을 구성하였다. 태양광 패널 지지구조 설계는 SolidWorks 프로그램[8]으로 하였으며, 각각의 지지구조 모델에 대한 하중-변형-응력 구조해석은 SolidWorks Simulation 프로그램[9]으로 하였다. 51 Fig. 3.7 Solar panel, S-Energy SM-255PG8 볼트 체결 위치 52 Fig. 3.8 Solar panel, S-Energy SN255P-10의 볼트 체결 위치 53 7. 지지구조 연결구 (a) (b) Fig. 3.9 Connector design for rafter, purlin, and strut Fig. 3.10 Connector prototype 54 8. 태양광발전 지지구조 설계와 구조해석 가. 지상형, 태양광 패널 2행 5열 배열, 지지대 6개 (a) front view (b) rear view Fig. 3.11 Ground, 2 x 5 panels, 6 struts, design model 55 Fig. 3.12는 풍속 30 m/sec일 때, 풍압 p = 990 N /m2이 태양광 패널 전면에 균일하게 수직으로 작용하는 조건에 대한 해석 결과인 응력과 변위 분포이다. Fig. 3.12 (a)에서, 붉은색으로 나타낸 최대값이 안전계수 2.0이다. (a) von Mises stresses (N/m2) (b) displacement (mm) Fig. 3.12 Ground, 2x5 panels, 6 struts, FEA results ( p = 990 N /m2 ) 56 나. 지상형, 태양광 패널 2행 5열 배열, 지지대 9개 (a) front view (b) rear view Fig. 3.13 Ground, 2x5 panels, 9 struts, design model 57 Fig. 3.14는 풍속 30 m/sec일 때, 풍압 p = 990 N /m2이 태양광 패널 전면에 균일하게 수직으로 작용하는 조건에 대한 해석 결과인 응력과 변위 분포이다. Fig. 3.14(a)에서, 붉은색으로 나타낸 최대값이 안전계수 2.0이다. (a) von Mises stresses (N/m2) (b) displacement (mm) Fig. 3.14 Ground, 2x5 Panels, 9 struts, FEA results ( p = 990 N /m2 ) 58 다. 지상형, 태양광 패널 1행 6열 배열, 지지대 6개 Fig. 3.15는 풍속 30 m/sec일 때, 풍압 p = 990 N /m2이 태양광 패널 전면에 작용하는 값을, 태양광 패널 프레임에 집중적으로 작용하는 조건으로 해석한 결과인 응력과 변위 분포이다. Fig. 3.15(b)에서, 붉은색으로 나타낸 최대값이 안전계수 2.0이다. (a) wind pressure on solar panel frame (b) von Mises stresses (N/m2) (c) displacement (mm) Fig. 3.15 Ground, 1x6 panels, 6 struts, FEA model and FEA results ( p = 990 N /m2 ) 59 라. 지상형, 태양광 패널 2행 6열 배열, 지지대 6개 Fig. 3.16은 풍속 30 m/sec일 때, 풍압 p = 990 N /m2이 태양광 패널 전면에 작용하는 값을, 태양광 패널 프레임에 집중적으로 작용하는 조건으로 해석한 결과인 응력과 변위 분포이다. Fig. 3.16(b)와 (c)에서, 붉은색으로 나타낸 최대값이 안전계수 2.0이다. (a) wind pressure on solar panel frame (b) von Mises stresses (N/m2), front view Fig. 3.16 Ground, 2x6 panels, 6 struts, FEA model and FEA results ( p = 990 N /m2 ) 60 (c) von Mises stresses (N/m2), rear view (d) displacement (mm) Fig. 3.16 Ground, 2x6 panels, 6 struts, FEA model and FEA results ( p = 990 N /m2 ) 61 마. 지상형, 태양광 패널 2행 6열 배열, 지지대 8개 Fig. 3.17은 풍속 30 m/sec일 때, 풍압 p = 990 N /m2이 태양광 패널 전면에 작용하는 값을, 태양광 패널 프레임에 집중적으로 작용하는 조건으로 해석한 결과인 응력과 변위 분포이다. Fig. 3.17(b)와 (c)에서, 붉은색으로 나타낸 최대값이 안전계수 2.0이다. (a) wind pressure on solar panel frame (b) von Mises stresses (N/m2), front view Fig. 3.17 Ground, 2x6 panels, 8 struts, FEA model and FEA results ( p = 990 N /m2 ) 62 (c) von Mises stresses (N/m2), rear view (d) displacement (mm) Fig. 3.17 Ground, 2x6 panels, 8 struts, FEA model and FEA results ( p = 990 N /m2 ) 63 바. 지붕형, 태양광 패널 1행 6열 배열, 지지대 8개 (a) front view (b) rear view Fig. 3.18 Roof, 1x6 panels, 8 struts, design model Fig. 3.19는 풍속 30 m/sec일 때, 풍압 p = 990 N /m2이 태양광 패널 전면에 작용하는 값을, 태양광 패널 프레임에 집중적으로 작용하는 조건으로 해석한 결과인 응력과 변위 분포이다. Fig. 3.19(b)와 (c)에서, 붉은색으로 나타낸 최대값이 안전계수 2.0이다. (a) wind pressure on solar panel Fig. 3.19 Roof, 1x6 Panels, 8 struts, FEA Model and FEA results ( p = 990 N /m2 ) 64 (b) von Mises stresses (N/m2), front view (c) von Mises stresses (N/m2), rear view (d) displacement (mm) Fig. 3.19 Roof, 1x6 panels, 8 struts, FEA model and FEA results ( p = 990 N /m2 ) 65 사. 지붕형, 태양광 패널 3행 6열 배열, 지지대 행 당 8개 Fig. 3.19는 지붕형 지지구조, 태양광 패널 3행 6열 배열, 지지대 8개의 설계 모델이다. 하중-변형 해석 결과는 “바. 지붕형 지지구조, 태양광 패널 1행 6열 배열, 지지대 8개”에서와 같다. 66 9. 태양광발전 지지구조 연결구 지식재산권 출원 가. 지지구조 연결구 국내 특허출원 - 발명의 명칭: 프레임 어셈블리용 연결구 및 이를 구비한 태양광 발전장치 (Connector for Frame Assembly and Solar Generator Provided with the Same) - 특허출원번호: 10-2015-0130175 - 출원일자: 2015. 09. 15. - 출원인: 한국생산기술연구원 - 발명자: 윤승원 나. 지지구조 연결부재 국내 디자인출원 - 디자인명: 태양전지모듈 장착 프레임용 연결구 - 디자인출원번호 : 30-2015-0045618 - 출원일자: 2015. 09. 08. - 출원인: 한국생산기술연구원 - 창작자: 윤승원 제 3 절 기대효과 및 사업화 계획 1. 직접적 효과 기술적 효과 - 태양광발전 지지구조는 현장 상황에 따라 설계도가 서로 다르다. 지지구조 플랫폼 모듈 설계와 구조해석을 반영한 안전 설계 - 태양광 지지구조물에 대하여 국토해양부 고시 제 2009-1245호 (건축구조기준, KBC 2009)에 따른 최고 풍속 30 m/sec와 최대 적설하중 0.5 kN/m2를 적용한 구조해석 결과를 반영하여 지지구조 설계 - 태양광 발전시스템을 건축물 지붕에 설치하는 지지구조와 임야 등 지상에 설치하는 지지구조의 경량화 설치 편리성 향상 설계 기술 확보 67 - 한국생산기술연구원이 고안한 “프레임 어셈블리용 연결구 및 이를 구비한 태양광 발전장치”에 대한 지식재산권 출원 및 기업에 기술 이전 경제적 효과 - 한국생산기술연구원이 태양광 모듈 지지구조물 설계 기술을 기업에 사업화 기술이전 - 태양광발전을 임야 등 지상에 설치하는 지지구조와 건축물 지붕에 설치하는 경사형 지지구조의 설치 편리성 향상 설계 기술 확보로, 앞으로 5년간 연평균 20억 원 이상의 매출 증대 기대 2. 간접적 효과 사회적 효과 - 태양광 발전설비 지지구조 관련 국내․외 특허자료 조사 및 제공으로, 향후 다양한 모델의 설계와 설치에 활용 - 태양광 발전 시장점유율 증대로 환경의 질 향상에 기여 경제적 효과 - SolidWorks를 사용한 3D 모델링 설계로, 설계 과정에서 조립 구조물의 무게와 무게 중심, 배치 등의 확인으로 시공성 향상과 사업성 증대 - SolidWorks Simulation으로 자중, 풍하중, 돌풍하중, 적설하중이 작용하는 조건에 대한 구조 안전성 (safety) 검토 설계 능력 확보, 유사 구조물 설계 및 설치에 활용 - 다양한 형태 및 발전 용량의 태양광 발전설비 모델 개발과 고용 증대 예상 3. 사업화 계획 ▪ 태양광 발전설비 지지구조물 설계 모델의 다양화로 연 매출 20억 원 증대를 기대(태양광 발전설비 세트당 2.0억 원 기준). 68

제 4 장 참고문헌
제 4 장 참고문헌 1. 안광호, 민윤기, 김창원, 염창열, 송우용, 황선경 공저, “建築構造,” 한솔아카데미, 2015. 01. 19. 2. 강철규, 진성덕, “건축구조,” 예문사, 2015. 01. 15. 3. 김용로, “태양광발전 시스템 설계, 신재생에너지 II” 디지털 복두, pp. 100~108, 2013. 08. 30. 4. 김석권 편역, “태양광 발전 시스템의 설계·설비·시공 사례집,” 신기술, 2009. 05. 15. 5. 건축구조기준 KBC2009, 국토해양부 고시 제 2009-1245호, 2009. 12. 23. 6. S-Energy Polycrystalline PV Module, SE-Datasheet PG8 60 KR-201409-V1.0 7. Shinsung Solar Energy, Catalogue, 2014. 8. 8. SolidWorks Corp., SolidWorks 2015 9. SolidWorks Corp., SolidWorks Simulation 2015 69 본 페이지에는 내용이 없습니다. 70

제 4 장 참고문헌

제 4 장 참고문헌 1. 안광호, 민윤기, 김창원, 염창열, 송우용, 황선경 공저, “建築構造,” 한솔아카데미, 2015. 01. 19. 2. 강철규, 진성덕, “건축구조,” 예문사, 2015. 01. 15. 3. 김용로, “태양광발전 시스템 설계, 신재생에너지 II” 디지털 복두, pp. 100~108, 2013. 08. 30. 4. 김석권 편역, “태양광 발전 시스템의 설계·설비·시공 사례집,” 신기술, 2009. 05. 15. 5. 건축구조기준 KBC2009, 국토해양부 고시 제 2009-1245호, 2009. 12. 23. 6. S-Energy Polycrystalline PV Module, SE-Datasheet PG8 60 KR-201409-V1.0 7. Shinsung Solar Energy, Catalogue, 2014. 8. 8. SolidWorks Corp., SolidWorks 2015 9. SolidWorks Corp., SolidWorks Simulation 2015 69 본 페이지에는 내용이 없습니다. 70