풍하중 설계와 태양광 패널 내성

다음은, 풍하중(Wind Load)를 계산한 실용 문서의 일부입니다.

아래와 같이 KS 규격으로 정해진 지역기본풍속과, 구조물 형상 및 사용 재질에 기반하는 가스트 영향 계수(Gust Effect Factor)과 기타 공학적 변수를 곱하여 풍하중을 계산하고, 그것이 목표하는 설계 기준을 만족하는지를 평가합니다.

여기서, PV RPS와 BiPV RPS 그리고 더 다양한 조건의 솔라패널 부착에 대한 개념적 구분이 필요합니다.

예를 들어, 23도 고정 경사각을 가진 PV 시스템이 있고, 벽면 밀착형 BiPV 시스템이 있고 도로 방음벽에 설치되고 패널 후면이 개방된 사례가 있다고 하고, 면의 직각 방향으로 지정된 풍속의 바람이 스쳐지나간다고 가정합니다.

1) PV 시스템

바람의 관점에서 보면, 철제 구조물은 검토된 바와 같이 충분히 단단합니다. 태양광 패널의 단면 높이는 무시할 수 있는 정도이고, 약간의 부양효과는 고정자재에 의해 충분히 한계치 이상으로 억제된다고 볼 수 있습니다.

2) BIPV 시스템

여러 장이 붙어 있고 틈새가 없으며 전체가 밀폐되어 있으니 문제가 없다고 생각하는 것은 오류가 있습니다. 바람이 큰 횡압력 즉, 최대 풍압을 전가할 때 태양광 패널은 직접적인 힘을 받게 됩니다. 위 실용 문건에서, 설계 풍속은 넉넉하게 35.7m/S로 계산되었고 그때의 힘을 표현하는 설계속도압력(Design Velocity Pressure)은 0.776kN/㎡ 즉, 1m × 1m 면에 가해지는 776N의 압력입니다.

다음은 한화 큐셀 640W급 태양광 패널의 최대설계하중 및 최대시험하중 값입니다. 최대시험하중 > 최대설계하중으로, 적당한 초과 마진을 두었습니다. 여기서, IEC 61215/61730 규격에 의해 설계 하중은 시험하중 × 1.5입니다.

* Push : 정압 하중 = 바람이 패널 전면을 밀 때의 강도. Pull : (부압): 바람의 양력으로 들릴 때의 강도.

그러면 이제, 5400Pa를 실용 문서에서 제시된 설계속도압력과 비교해 보겠습니다. 1Pa = 1N/㎡이므로, 5400 파스칼은 5,400N/㎡ = 5.4KN/㎡이고 설계치를 초과합니다. 즉, (미국 수출품이기에) 허리케인 카테고리 4~5 등급 대항력에 해당하는 충분한 내성을 갖고 있습니다.

다만, 참조 시스템이 해안가에 설치되거나 바람에 의한 영향도가 극심한 섬에 설치되거나 또는 기타의 평가 등급 상향 조정으로, 요구 N/㎡ 값이 크게 나올 수도 있다는 점 그리고 건물 및 주변 물체의 배치 구조 때문에 생기는 각종 난류에 의해 요구 Peak 값이 훨씬 더 커질 수 있다는 점에 유의합니다. 즉, 설계치는 설계치이고 현실은 현실입니다.

3) 방음벽 적용 BIPV 시스템

기본은 2)항과 같지만, 태양광 패널의 양면에서 국지풍에 대항하고 경우에 따라서, 터널형 시스템 내부의 자동차 교행 시 압력에 대한 철저한 대비가 필요합니다. 또한 차량 추돌과 도로 위에 떨어진 물체의 충격에 대한 대비도 필요합니다.

예를 들어, 9.8N이 흔한 1Kg 무게라고 간주하면 앞서 언급된 설계압은 1㎡ 모든 면에 79.1Kg이 고르게 분산된다는 전제의 79.1 킬로그램입니다. 그런데 현실 세상에서 그런 일은 거의 없습니다. 보통은 특정한 지점에 힘, 압력이 집중되기 십상이고, 특히 넓은 판재형 자재는 흔히 공기 맥동에 의한 공진이 일어나면서, 그 과정의 보강간섭에 의해 힘이 더 커지게 될 것입니다.

그런 식으로 자연현상과 교통 변수에 의해 태양광 패널을 깨질 수 있으므로, 상당히 보수적인 접근이 필요합니다.

* 메인 이미지 : https://www.anernstore.com/blogs/diy-solar-guides/model-uplift-drift-rooftop-solar?srsltid=AfmBOoo28erTq_xnPm_C15tjVzz7ovMjRn5ZpueJ08Ze_zRZN2-faz-i