2.1 태양광설비 구조

태양광설비 구조는 지붕 설치형, 지붕 건재형, 톱라이트형, 벽건재형, 난간형 등이 있으며 이와 같은 설치 구조의 경우 강풍에 의한 파손의 위험이 존재한다. 일반적으로 일반부지에 설치하는 태양광설비도 설치 후 가해지는 하중에 대한 분석이 필요하다⁽⁸⁾.

구조물의 자재는 H, 금형강, Al Bar등으로 구성되며 일반적으로 태양광 설비 구조물 자재 중 H형강이 가장 많이 이용되며 그림. 2는 표준치수 도면이다. H형강 표준치수 도면을 기반으로 표준치수에 대한 단면성능이 나타난다. 이에 따라 태양광 모듈에 가해지는 풍압을 분석하여 적정 H형강의 공칭치수 선정이 가능하다⁽⁹⁾.

표 1은 H형강의 표준치수 및 단면성능이다. 태양광설비의 지지대가 받을 수 있는 풍압에 대한 횡력을 산출한 후 지지대 재료인 강구조에 따른 설계 안정도 분석을 위해 지지대의 높이에 따른 모멘트를 산출한다. 강구조의 설계를 위해서는 설계하중하에서 실제 응력이 허용응력을 초과하지 않는 허용응력설계, 구조물 한계상태를 고려한 하중저항계수설계, 극한 내 하력을 중심으로 한 소성설계 등이 있다. 설계 절차는 먼저 목적별 구조 기능 설정, 설계결과의 최적화 평가기준 결정 후 구조기능에 적합한 부재를 분류하고 적용하중 결정, 경제적 설계를 위한 부재 크기 결정, 구조해석, 강도 및 사용성 검증 및 최적설계 검토 후 기준치와 비교, 필요시 상기과정을 재수행하고 최적설계 여부를 최종결정하는 것으로 설계를 한다⁽⁹⁾.

표 1

2.2 태양광설비 상정 하중

태양광설비 수직하중과 수평하중을 받으며 각각의 하중에 해당하는 하중은 표 2과 같다. 본 논문에서 고려되는 풍하중의 경우, 태양광설비 구조의 특성으로 인해 모듈의 면적에 대한 풍압을 분석하여 지지대가 받을 수 있는 최대의 압력을 산정한다. 이를 기반으로 적정 설치 구조 크기를 설정한다⁽⁸⁾.

태양광설비는 실외에 설치되므로 자연 환경에 그대로 노출된다. 따라서 태풍과 같은 극단적인 풍사중이나 적설에 따른 외력에 대해 견딜 수 있도록 충분한 정적강성이 확보되어야한다⁽⁴⁾.

그림. 3은 태양광설비를 벡터해석 하여 풍압에 대한 횡력을 분석한 그림이다. 각각 정문풍과 배면풍에 대한 해석이며 횡력을 기반으로 높이에 따른 모멘트를 산출한다.

식(1)-식(4)은 풍압에 대한 지지대의 횡력을 산출하기 위해 벡터해석한 각각의 힘에 대한 식이다. 식(1)은 바람에 의한 풍압을 나타내며 식(2)는 태양광 모듈에 수직하는 방향으로 작용되는 힘이며 $\overrightarrow{F_2}$을 식(3)과 같이 분해하여 지지대가 받을 수 있는 축력과 횡력을 산출한다⁽⁶⁾.

여기서,

ρ : 공기밀도

A : 면적

V : 풍속

$\overrightarrow{F_f}$ : 정면풍압

$\overrightarrow{F_1}$ : 모듈과 평행한 힘

$\overrightarrow{F_2}$ : 모듈과 수직한 힘

$\overrightarrow{F_{\mathrm{a}}}$ : 지지대 횡력

$\overrightarrow{F_{\mathrm{b}}}$ : 지지대 축력

이를 기반으로 지지대가 받을 수 있는 횡력을 식(5)을 통해 계산한다.

식(5)을 통해 산출한 횡력을 기반으로 높이에 대한 모멘트를 산출하여 적정 공칭치수를 설정한다. 앞서 말한 강구조 설계법 중 하중계수를 고려한 휨모멘트(M_u)와 부재의 공칭저항성능을 고려한 휨모멘트(M_n)를 산출 한 후, M_u보다 M_n이 크도록 설정한 후 공칭치수를 선정한다⁽⁹⁾.

여기서,

F_y : 횡력(:지지대의 횡력)

Z_y : 소성단면계수

M_p : 소성모멘트

φ : 저항계수

본 논문에서 선정한 설계법은 하중-저항계수설계법으로 풍하중을 고려하기 위함이다. 하중-저항계수설계법은 안전성의 척도를 구조물이 파손될 확률 또는 구조물이 파손되지 않은 확률(신뢰성)로 나타내야하며 하중작용이나 재료강도 등에 관한 통계자료가 충분히 있어야 가능하다. 그러나 현재의 단계에서는 그러한 자료가 충분하지 못하기 때문에 근사적이고 실용적인 구조신뢰방법에 바탕을 두고 바람직한 목표신뢰성수준/안전수준은 일관성 있게 확보할 수 있도록 하중작용과 재료강도에 대한 부분안전계수를 도입함으로써, 이러한 설계 법을 하중-저항계수설계법이라고 부른다⁽¹⁰⁾.

3.1 태양광발전시스템 발전 특성

태양광발전시스템은 발전량에 영향을 미치는 요인 중 일사량이 가장 발전량과 집결된다. 이로 인한 발전특성 곡선은 그림. 4와 같다. 여기서, I_sc는 단락전류, V_oc는 개방전압이다. 온도가 올라갈수록 전류의 값은 증가한다. 이러한 특성을 기반으로 태양광발전시스템의 발전량이 산출 가능하다⁽⁶⁾.

3.2 경사면 일사량에 따른 최적 설치각도 분석

태양광발전시스템을 설계할 때 태양광 어레이의 설치각도와 위치에 따라 성능이 크게 좌우되므로 수평면에 대한 경사면의 평균일사량의 값이 고려한 위치에 적정 설치각도로 설치해야한다. 평균일사량은 월별 1일 평균 직달일사량과 산란일사량, 그리고 지표면 반사일사량의 합으로부터 구할 수 있으며, 식(8)과 같다⁽¹¹⁾.

여기서,

$\overline{H}$ : 수평면에서의 월별 평균 총일사량

$\overline{H_T}$ : 월별 평균 경사면일사량

$\overline{H_d}$ : 월별 평균 산란일사량

$\overline{R_b}$ : 수평면에서의 경사면 직달일사량 비율

θ : 수평면에 대한 태양광 어레이의 경사각

ρ : 지면 반사율

이 때, $\overline{H_d}$/ $\overline{H}$는 수평면에서의 월별 1일 평균 총일사량에 대한 산란일사량의 비율을 말하며, 이는 식(9)로 나타낼 수 있다⁽¹¹⁾.

여기서,

ω_s : 수평면 일몰 시간각

$\overline{H_0}$ : 월평균 대기권 밖 일사량

식(9)에서 수평면 일몰시간각 ω_s는 다음의 식(10)과 같다⁽¹¹⁾.

여기서,

φ : 해당지방 위도

δ : 일적위

또한 식(9)에서 해당지방의 월 평균 대기권 밖 일사량 $\overline{H_0}$는 식(11)으로 정의되어 있다⁽¹¹⁾.

여기서,

G_sc : 태양상수 (1,367Wh/m²)

n : 율리우스 일

식(9)의 $\overline{R_b}$값은 해당 달의 1일 월평균 일사량 값에 대하여 수평면에서의 월별 1일 평균 총일사량에 대한 경사면 직달일사량의 비율을 말한다. 식(12)은 방위각이 정남을 향한 경우를 나타낸다⁽¹¹⁾.

여기서,

${\omega }_s^{\text{'}}$ : 경사면 일몰시간각

식 (12)에서 경사면 일몰시간각인 ${\omega }_s^{\text{'}}$은 월평균일의 대표 값인 일적위 등을 적용하여 북반구일 경우, 식(13)에 의해 산출된다. 이 때, ‘min’은 대괄호 안에 있는 두 항목 중 작은 것을 의미한다⁽¹²⁾.

태양광발전시스템의 일반적 입지조건은 지리적 위치, 지형 등에 따라 다르게 적용 될 수 있다. 신재생에너지 관련규정 “신에너지 및 재생에너지 개발 이용 보급 촉진 법률” 제4장 제15조에서는 방위각을 정남향으로 하고, 경사각은 연간발전량이 최대가 되는 값을 기준으로 하고 있다. 또한 주변에 일사량을 저해하는 장애물이 없어야 한다고 명시되어 있다⁽¹³⁾.

식(8)-식(13)을 기반으로 경사각이 0°에서 90°로 1°씩 변경되면서 남향의 표면에서 매달 평균 총 일사량을 계산하는 데 사용된다. 경사면에 대한 최적의 각도는 평균 경사면 일사량이 특정 구간동안 최대를 갖는 값을 통해 산정한다. 이는 식(14)과 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

$\overline{R}$ : 수평면에서의 평균 총 일사량에 대한 경사면일사량의 비율

이 때, $\overline{R}$은 설계변수 θ에 의존하는 함수이고 $\overline{H}$는 평균총일사량으로 주어진 달에 대한 상수이다. 따라서 식 (13)은 단지 하나의 설계변수를 갖는다. 즉, 어레이의 경사각 θ는 경사면의 일사량 $\overline{H_T}$이 최대가 될 때 최적의 결과를 얻을 수 있다. 수평면 전일사량 데이터를 근거로 수평면상에 입사되는 일사량에 대한 경사면에 입사되는 총일사량의 비를 산출하기 위하여 수평면에 대한 경사면에서의 직달일사량의 비율을 산출하여 구한 후, 수평면에 대한 경사면일사량 비율을 지표면상에 입사되는 총일사량에 곱하여 경사면상에 입사하는 총 일사량을 산출한다⁽¹¹⁾.