우리나라 녹색 경제의 급속한 성장과 함께 단결정 실리콘/다결정 실리콘 태양광 발전 및 박막 건물일체형 태양광(BIPV) 기술이 성숙 단계에 접어들고 있습니다. 철골 구조물은 사용 기능, 설계, 시공 및 전체 비용 측면에서 다른 유형의 구조물에 비해 상당한 이점을 가지고 있습니다. 따라서 현재의 앵글 철골 마운팅 시스템을 대체할 새로운 유형의 철골 구조 태양광 마운팅 시스템을 개발 및 생산하는 것이 매우 중요합니다.
1. 스틸 타입 태양광 패널 지지대
현재는 구조가 단순하고 부피가 작은 태양광 PV 지지대에 경량 구조용 강재와 소형 단면 일반 구조용 강재가 주로 사용되고 있습니다.
경량 구조용 강재: 이 용어는 원형 강재, 소형 앵글 강재, 박판 강재를 포괄합니다. 앵글 강재를 지지 요소로 사용할 경우, 강재의 강도를 효과적으로 활용하여 전체 프레임 설치에 도움이 됩니다. 현재 태양광 지지대 관련 국가 표준 앵글 강재는 선택 가능한 모델이 제한적이므로, 급속도로 발전하는 태양 에너지 산업에 발맞춰 다양한 소형 앵글 강재 모델이 필요합니다. 박판 강재 도리는 일반적으로 1.5~5mm 두께의 박판 강판을 냉간 성형 또는 냉간 압연하여 다양한 단면과 직경의 박판 강재 제품을 만듭니다.
열간압연강판과 비교했을 때, 박판강판의 회전반경은 50~60% 증가할 수 있고, 단면의 관성 모멘트와 저항 모멘트는 0.5~3배 증가할 수 있습니다. 그러나 박판강판은 대부분 공장에서 가공되기 때문에 고정밀 드릴 작업과 태양광 패널 설치를 위한 나사 구멍 가공이 필요합니다. 강재 단면이 작아 가공이 어렵고, 공장 가공 후 드릴 구멍 가공으로 인해 시공이 더욱 까다로워집니다. 또한, 용융 아연 도금으로 방청 처리 후 현장으로 운송하여 설치하는 경우가 많습니다. 현재 대부분의 가정용 태양광 패널은 박판강판에 직접 설치할 수 없으며, 프레스 블록과 같은 보조 고정 구조물을 사용해야 합니다.
일반적으로 사용되는 태양광 패널은 I형, H형, L형 등 다양한 단면 형상을 가지며, 주로 탄소 구조용강이나 저합금강으로 제작되어 시공이 용이하고 비용이 저렴합니다. 가공 방법 또한 다양하며, 용접 단면 강재는 설계 요구 사항에 따라 다양한 두께의 강판을 선택하여 공장에서 용접 가공합니다. 이러한 성형 방식은 태양광 패널 구조물의 각 부분에 작용하는 하중을 계산하여 적용할 수 있으며, 각 부분에 다른 두께의 강판을 사용할 수 있어 열간압연 강판을 한 번에 사용하는 방식보다 하중 분산이 더 효율적입니다.
2. 태양열 발전용 철골 구조물의 재료 성능 요구 사항: 태양열 발전용 철골 구조물에 사용되는 철골 재료는 다음과 같은 성능을 갖추어야 합니다.
1) 인장 강도 및 항복 강도. 높은 항복 강도는 강재 부재의 단면적을 줄여 구조물의 중량을 감소시키고, 강재 사용량을 절감하며, 전체 프로젝트 비용을 낮출 수 있습니다. 높은 인장 강도는 구조물의 전반적인 안전성을 높이고 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.
2) 인성 및 피로 저항성. 우수한 소성은 구조물이 파손되기 전에 상당한 변형을 일으키므로, 담당자가 적시에 문제점을 파악하고 시정 조치를 취할 수 있도록 합니다. 또한, 우수한 소성은 국부적인 최대 응력을 조정하고, 태양광 패널 설치 각도를 조정하며, 강제 설치 시 구조물의 소성을 활용하여 내부 응력을 재분배함으로써 구조물 또는 일부 구성 요소의 응력 집중을 완화하고 응력 분포를 균일하게 만들어 구조물의 전체적인 내하력을 향상시킬 수 있습니다. 인성이 우수하면 구조물이 충격 하중에 의해 파괴될 때 더 많은 에너지를 흡수할 수 있으며, 이는 특히 강풍에 노출되는 사막 발전소나 옥상 발전소에 중요합니다. 피로 저항성이 우수하면 반복적인 풍하중에도 구조물이 더 잘 견딜 수 있습니다.
3) 가공 속도. 냉간 가공성, 열간 가공성, 용접성은 모두 우수한 가공성의 예입니다. 태양광 발전용 철골 구조물에 사용되는 알루미늄은 다양한 구조물 및 부품으로 쉽게 가공될 수 있어야 할 뿐만 아니라, 강도, 소성, 인성 및 피로 저항성이 저하되지 않도록 가공되어야 합니다.
4) 사용 수명. 태양광 발전 시스템의 설계 수명은 20년 이상이므로, 우수한 내식성은 설치 시스템의 품질을 나타내는 중요한 지표입니다. 지지대의 수명이 너무 짧으면 구조물의 전체적인 안정성이 손상되어 투자 회수 기간이 길어지고 프로젝트의 전반적인 경제적 이익이 감소할 수 있습니다.
5) 앞서 언급한 조건에 따라 태양광 철골 구조용 강재는 구매, 제조 및 판매가 용이해야 합니다.
3. 차세대 태양광용 강철 구조 지지대의 기술적 평가
현재 앵글강 태양열 지지대 사용에 대한 제약이 점점 늘어나고 있는데, 가장 큰 이유는 현재 사용되는 강재의 품질이 균일하지 않고, 설치 시 현장 드릴링 작업이 많이 필요하며, 드릴링 후 강재가 쉽게 녹슬기 때문입니다. 따라서 부식을 늦추고 수명을 연장하기 위해 기존의 앵글강 브래킷을 대체할 새로운 유형의 브래킷이 필요합니다.
새로운 태양 에너지 지원의 기본 구조는 다음과 같습니다.
1) 특수 형상 냉간 성형 박판 강재 지지 구조 시스템. 특수 형상 냉간 성형 박판 강재는 대량 생산이 가능하고, 시공 속도가 빠르며, 즉시 가동할 수 있는 경량 강재 구조 시스템이다. 특수 형상 냉간 성형 박판 강재 구조 시스템의 강재 구조 브래킷은 현장에서 볼트로 조립되는 사전 제작된 냉간 성형 박판 강재로 만들어진 강재 구조 프레임의 일종이다.
2) 공장에서 제작된 일체형 강철 마운팅 시스템. 도리가 포함된 조립식 강철 프레임은 현장에서 설치 및 고정한 후 패널과 결합하여 전체 태양광 어레이를 구성할 수 있습니다. 이 강철 구조 브래킷의 설치 요구 사항은 상당히 까다롭고, 사용되는 강철은 최고급 품질이며, 표면 처리 공정이 우수해야 하며, 성공적인 조립을 위해서는 태양광 부품 제조업체와의 초기 협의가 필수적입니다.
3) 보-기둥 프레임을 이용한 커튼월 태양광 지지 구조 시스템. PV 커튼월에는 보-기둥 프레임 철골 구조 시공 방식이 적합합니다. 구조물의 높이나 층고가 높을 경우, 횡강성이 낮기 때문에 횡방향 보강재를 설치하여 지지 프레임 구조를 구성해야 합니다. 고층 태양광 커튼월 설계에서는 철골 구조와 현장 타설 매립 부재를 결합하여 하이브리드 구조를 구현하는 경우가 많습니다. 이를 통해 전체 구조물의 횡방향 저항력을 향상시키면서 필요한 철골량을 줄여 총비용을 절감할 수 있습니다.
4. 새로운 냉간 성형 박판 태양열 지지대 부품 설치:
1) 혁신적인 냉간 성형 박판형 태양열 지지대는 다양한 강재-플라스틱 혼합 연결재를 사용하여 공장에서 제작됩니다. 다양한 설치 조건에 맞춰 사용할 수 있는 여러 종류의 강재-플라스틱 혼합 연결재가 있습니다.
2) 새로운 냉간 성형 박판형 태양열 지지대는 무게가 가볍고 설치 구멍이 더 많습니다. 일반적으로 독립 기초가 주 기초이며, 필요에 따라 철근 콘크리트 연결 보를 추가합니다. 지질 조건이 좋지 않은 곳에서는 줄기초 또는 횡기초를 사용할 수 있지만, 슬래브 기초는 가능한 한 피해야 합니다. 상부 기둥 하단부는 모두 힌지 방식으로 연결되며, 매립 부재는 삽입형 기둥 하단부 또는 방수 콘크리트로 둘러싸인 매립 볼트를 사용합니다. 두 유형 모두 가공이 간단하고 시공이 용이하며 연결이 견고합니다.
