KR102207966B1 - 탄소복합재 연결체를 구비한 수상 태양광 발전시스템 - Google Patents

탄소복합재 연결체를 구비한 수상 태양광 발전시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 탄소복합재 연결체를 구비한 수상 태양광 발전시스템은,
수상에 부유되는 부력체와, 상기 부력체에 결합된 프레임과, 상기 프레임 위에 설치된 태양전지판, 인접한 프레임을 서로 연결하는 연결유닛을 포함하는 수상 태양광 발전시스템에 있어서,
상기 연결유닛은 인접한 2개의 프레임에 각각 설치된 체결브라켓과, 인접한 2개의 체결브라켓을 서로 연결하는 판형 탄소복합재 연결체와, 상기 프레임과 상기 체결브라켓을 체결하는 제1체결수단과, 상기 체결브라켓과 상기 판형 탄소복합재 연결체를 체결하는 제2체결수단으로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

탄소복합재 연결체를 구비한 수상 태양광 발전시스템{Floating solar photovoltaic system with carbon composite interconnector}
본 발명은 수상 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
태양발전시스템으로 전기를 대량 생산하려면, 태양전지판을 대량으로 설치할 수 있는 넓은 장소가 필요하다. 그러나, 육상에서는 넓은 장소를 찾기 어렵고 매입 단가도 높다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 최근에는 태양전지판을 값싸고 넓은 수상에 설치하고 있다.
도 1에 도시된 바와 같은, 수상 태양광 발전시스템은, 수상에 부유되는 부력체(1), 부력체(1)와 결합된 프레임(2), 인접하는 프레임(2)들을 서로 연결하는 연결유닛(3), 프레임 상에 설치된 태양전지판(4)등으로 구성된다.
이러한 연결유닛의 예로, 본 출원인의 등록특허(10-1878156)에 개시된 연결유닛이 있다.
본 출원인의 연결유닛은, 인접한 프레임의 일측과 타측에 각각 설치된 체결브라켓과, 이러한 체결브라켓을 연결하는 탄성연결체로 구성된다.
탄성연결체는 탄소섬유로 제작되며, 탄성연결체의 양단부에는 체결나사가 통과하는 체결홈이 형성되며, 내부에는 벌집 모양 패턴의 보강홀이 형성된다.
한편, 본 출원인의 연결유닛은 다음과 같은 문제점이 가지고 있다.
첫째, 수상에서 파도 발생 시, 프레임이 탄성연결체의 체결홈을 통과하는 체결나사의 축을 중심으로 회전하여, 체결나사가 체결홈의 내면을 지속적으로 마모시킨다. 이로 인해, 체결홈의 주변에서 이미 끊어진 탄소섬유가 더 마모되어, 탄성연결체의 강도가 더 떨어졌다.
둘째, 탄성연결체의 내부에 벌집 모양 패턴의 보강홀을 뚫는 과정에서, 탄소연결체를 구성하는 탄소섬유가 다량으로 손실되고 끊어져 버려, 탄소연결체의 강도가 급격하게 떨어졌다.
이러한 이유들로 인해, 결국에는 탄성연결체가 찢어져, 인접한 프레임이 서로 분리되는 사고가 발생했다.
한국등록특허(10-1878156)
본 발명의 목적은 상술한 문제점을 모두 해결할 수 있는 탄소복합재 연결체를 구비한 수상 태양광 발전시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 탄소복합재 연결체를 구비한 수상 태양광 발전시스템은,
수상에 부유되는 부력체와, 상기 부력체에 결합된 프레임과, 상기 프레임 위에 설치된 태양전지판, 인접한 프레임을 서로 연결하는 연결유닛을 포함하는 수상 태양광 발전시스템에 있어서,
상기 연결유닛은 인접한 2개의 프레임에 각각 설치된 체결브라켓과, 인접한 2개의 체결브라켓을 서로 연결하는 판형 탄소복합재 연결체와, 상기 프레임과 상기 체결브라켓을 체결하는 제1체결수단과, 상기 체결브라켓과 상기 판형 탄소복합재 연결체를 체결하는 제2체결수단으로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적은,
수상에 부유되는 부력체와, 상기 부력체에 결합된 프레임과, 상기 프레임 위에 설치된 태양전지판과, 인접한 프레임을 서로 연결하는 연결유닛을 포함하는 수상 태양광 발전시스템에 있어서,
상기 프레임의 단면은 원통형이고,
상기 연결유닛은 인접하는 2개의 원통형의 프레임에 일단과 끝단이 각각 삽입되는 원통형 탄소복합재 연결체와, 상기 원통형의 프레임에 삽입된 상기 원통형 탄소복합재 연결체를 체결하는 체결수단으로 구성된 것을 특징하는 탄소복합재 연결체를 구비한 수상 태양광 발전시스템에 의해 달성된다.
본 발명은, 탄성력을 가지는 고무매트릭스와 그 강도를 보강하기 위한 탄소직물 및 탄소섬유로 구성된 탄소복합재 연결체를 사용하여 인접한 프레임을 연결한다. 이로 인해, 수상에서 파도 발생시, 탄소복합재 연결체 자체가 뒤틀리고 압축되고 인장되면서 충격을 흡수한다. 따라서, 단순히 고무로 만들어진 연결체와 비교할 수 없을 정도의 높은 강도와 유연성을 가진다.
본 발명은, 수상에서 파도 발생시, 인접한 프레임을 체결하는 탄소복합재 연결체 자체가 뒤틀리고 압축되고 인장되면서 충격을 흡수하므로, 본 출원인의 탄성연결체처럼 프레임이 탄성연결체의 체결홈을 통과하는 체결나사의 축을 중심으로 회전함으로 인해, 체결나사가 체결홈의 내면을 지속적으로 마모시키는 현상이 발생하지 않는다. 따라서, 탄소복합재 연결체의 강도가 지속적으로 유지된다.
본 발명에서 탄소복합재 연결체는 볼트가 통과하는 볼트공 외에 다른 구멍이 전혀 뚫리지 않는다. 따라서, 본 출원인의 탄성연결체처럼 벌집 모양 패턴의 보강홀을 뚫는 과정에서, 탄성연결체를 구성하는 탄소섬유가 다량으로 손실되고 끊어져 버려 강도가 급격하게 떨어지는 현상이 발생하지 않는다. 따라서, 우수한 강도를 가진 탄소복합재 연결체를 만들어낼 수 있다.
본 발명은, 탄소복합재 연결체에 뚫린 볼트공에 탄소섬유직물부싱을 먼저 삽입하고 볼트를 통과시킨다. 이로 인해, 볼트공을 뚫는 과정에서 탄소섬유가 손실되고 끊어져 버려 약해진 볼트공의 강도를 탄소섬유직물부싱으로 보강할 수 있다. 또한, 탄소섬유직물부싱은 자기윤활성을 가진 탄소섬유로 만들어지므로, 볼트공과 볼트의 마찰을 최소화시켜, 볼트공의 주변에서 끊어진 탄소섬유가 더 마모되어, 탄소복합재 연결체의 강도가 떨어지는 것을 막을 수 있다.
따라서, 상술한 바와 같은, 탄소복합재 연결체를 사용하면, 인접한 프레임을 고강도로 유연하게 연결할 수 있어, 연결체가 파손되어 인접한 프레임이 분리되는 사고를 막을 수 있다.
도 1은 일반적인 수상 태양광 발전 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수상 태양광 발전시스템의 연결유닛을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 원통형 탄소복합재 연결체를 나타낸 도면이다.
도 4는 연결유닛의 변형예를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 판형 탄소복합재 연결체를 나타낸 도면이다.
도 6은 탄소섬유직물부싱을 나타낸 도면이다.
도 7은 탄소섬유직물부싱의 사용예를 나타낸 도면으로, 도 7(a)은 원통형 탄소복합재 연결체의 볼트공에 탄소섬유직물부싱과 볼트가 삽입된 상태를 나타낸 도면이고, 도 7(b)은 판형 탄소복합재 연결체의 볼트공에 탄소섬유직물부싱과 볼트가 삽입된 상태를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소복합재 연결체를 구비한 수상 태양광 발전시스템을 자세히 설명한다. 이하, “수상 태양광 발전시스템”이라 약칭한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수상 태양광 발전시스템은, 수상에 부유되는 부력체, 부력체에 결합된 프레임, 프레임 위에 설치된 태양전지판, 인접한 프레임을 서로 연결하는 연결유닛을 포함한다. 본 발명에서 부력체, 태양전지판은, 도 1에 도시된 일반적인 수상 태양광 발전시스템의 부력체, 태양전지판과 동일하므로 그 설명을 생략한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 프레임(F)은 단면이 원통형이다.
연결유닛(10)은 인접한 프레임(F)들을 서로 연결한다.
연결유닛(10)은 원통형 탄소복합재 연결체(11), 체결수단(12)으로 구성된다.
원통형 탄소복합재 연결체(11)의 일단은 인접한 어느 프레임(F)에 삽입되고, 타단은 인접한 반대쪽 프레임(F)에 삽입된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 원통형 탄소복합재 연결체(11)는, 원통형으로 말린 탄소섬유직물(CB)과, 탄소섬유직물(CB) 안쪽에 길이방향으로 길게 배치된 다수개의 탄소섬유(CF)와, 탄소섬유직물(CB)과 탄소섬유(CF)를 감싸는 고무매트릭스(RX)로 구성된다. 참고로, 도 3에서는 고무매트릭스(RX)를 투명하게 표시하여, 그 내부의 탄소섬유직물(CB)과 탄소섬유(CF)가 보이게 하였다.
탄소섬유직물(CB)은 탄소섬유가 가로 및 세로 방향으로 직조되어 만들어진다. 탄소섬유직물(CB)은 원통형 탄소복합재 연결체(11)의 표면에 배치되어 비틀림에 견디는 힘을 제공한다. 탄소섬유(CF)는 길이방향으로 길게 배치되어 인장에 견디는 힘을 제공한다.
고무매트릭스(RX)는 고무로 만들어져 원통형 탄소복합재 연결체(11)에 탄성력을 부여한다.
이러한 원통형 탄소복합재 연결체(11)는, 단순히 고무로만 만들어진 연결체에 비해 높은 강도와 유연성을 가진다.
체결수단(12)은 볼트(12a)와 너트(12b)로 구성된다.
프레임(F)에는 볼트(12a)가 통과하는 구멍(F1)이 형성된다.
원통형 탄소복합재 연결체(11)의 일단과 타단에는, 볼트(12a)가 통과할 수 있는 볼트공(11a)이 하나씩 뚫린다. 이렇게 원통형 탄소복합재 연결체(11)에 단 2개의 볼트공(11a)만이 뚫리므로, 탄소섬유의 손실과 끊어짐이 현저하게 줄어든다.
상술한 연결유닛(10)으로, 인접한 2개의 프레임(F)을 연결하는 방법은 다음과 같다.
원통형 탄소복합재 연결체(11)의 일단과 타단을 인접한 2개의 프레임(F)에 각각 삽입한다. 볼트(12a)를 구멍(F1)과 볼트공(11a)에 통과시킨 다음, 그 끝단에 너트(12b)를 체결한다. 인접한 2개의 프레임(F)이 고강도로 유연하게 연결된다.
이하, 변형예에 따른 연결유닛을 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 변형예에 따른 연결유닛(20)은 인접한 프레임(F)들을 서로 연결한다. 프레임(F)의 단면형상은 T자형이다. 물론, 프레임(F)의 단면형상은 다양할 수 있다. 도 4에서 프레임(F)의 양단은 도시의 편의상 짧게 절단되었다.
연결유닛(20)은 체결브라켓(21), 제1체결수단(22), 제2체결수단(23), 판형 탄소복합재 연결체(24)로 구성된다.
체결브라켓(21)은 인접한 2개의 프레임(F)에 각각 설치된다. 체결브라켓(21)은 단차를 가진다. 높은 단은 프레임(F)에 연결되고, 낮은 단은 판형 탄소복합재 연결체(24)에 연결된다.
제1체결수단(22)은 볼트(22a)와 너트(22b)로 구성된다. 제1체결수단(22)은 프레임(F)과 체결브라켓(21)을 볼트(22a)와 너트(22b)로 체결한다. 체결브라켓(21)에는 볼트(22a)가 통과하는 구멍(21a)이 2개 뚫리고, 프레임(F)에는 볼트(22a)가 통과하는 구멍(F1)이 2개 뚫린다. 물론, 구멍(21a, F1)의 개수는 달라질 수 있다.
제2체결수단(23)은 볼트(23a)와 너트(23b)로 구성된다. 제2체결수단(23)은 체결브라켓(21)과 판형 탄소복합재 연결체(24)를 볼트(23a)와 너트(23b)로 체결한다. 체결브라켓(21)에는 볼트(23a)가 통과하는 구멍(21b)이 3개 뚫린다. 물론, 구멍(21b)의 개수는 달라질 수 있다.
판형 탄소복합재 연결체(24)는 인접한 2개의 체결브라켓(21)을 서로 연결한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 판형 탄소복합재 연결체(24)는, 적층된 탄소섬유직물(CB)과, 탄소섬유직물(CB)들을 수직방향으로 연결하는 탄소섬유(CF), 탄소섬유직물(CB)과 탄소섬유(CF)를 감싸는 고무매트릭스(RX)로 구성된다. 참고로, 도 5에서는 고무매트릭스(RX)를 투명하게 표시하여, 그 내부의 탄소섬유직물(CB)과 탄소섬유(CF)가 보이게 하였다.
탄소섬유직물(CB)은 탄소섬유가 가로 및 세로로 직조되어 만들어진다. 탄소섬유직물(CB)은 탄소복합재 연결체(11)의 비틀림, 인장에 견디는 힘을 제공한다. 탄소섬유(CF)는 탄소섬유직물(CB)을 수직방향으로 묶어서, 탄소섬유직물(CB)이 층간 분리되는 것을 막아준다.
고무매트릭스(RX)는 고무로 만들어져 판형 탄소복합재 연결체(24)에 탄성력을 부여한다.
이러한 구성을 가진 판형 탄소복합재 연결체(11)는, 단순히 고무로만 만들어진 연결체에 비해 높은 강도와 유연성을 가진다.
판형 탄소복합재 연결체(24)의 상면 좌측과 우측 각각에는 볼트(23a)가 통과할 수 있는 볼트공(24a)이 3개씩 뚫린다. 판형 탄소복합재 연결체(24)에 단 6개의 볼트공(24a)이 뚫리므로, 탄소섬유의 손실과 끊어짐이 현저하게 줄어든다. 물론, 볼트공(24a)의 개수는 6개 미만으로 더 줄일 수도 있다.
상술한 연결유닛(20)으로, 인접한 2개의 프레임(F)을 연결하는 방법은 다음과 같다.
판형 탄소복합재 연결체(24)의 일단을 인접한 위아래 체결브라켓(21) 사이에 위치시키고, 타단을 인접한 위아래 체결브라켓(21) 사이에 위치시킨다. 볼트(23a)를 체결브라켓(21)의 구멍(21b)과 볼트공(24a)으로 통과시킨 다음, 그 끝단에 너트(23b)를 체결한다. 인접한 2개의 프레임(F)이 고강도로 유연하게 연결된다.
한편, 본 발명 역시, 탄소복합재 연결체(11,24)에 볼트공(11a,24a)을 뚫는 과정에서 탄소섬유가 손실되고 끊어져 버려, 볼트공(11a,24a) 주위의 강도가 약해지는 현상은 피할 수 없다.
이를 보완하기 위하여, 도 6에 도시된 바와 같은, 탄소섬유직물부싱(30)을 사용한다. 탄소섬유직물부싱(30)은 원통형으로 말린 탄소섬유직물(CB)의 끝단이 연결되어 만들어진다.
이하, 탄소섬유직물부싱의 사용방법을 설명한다.
도 7(a)에 도시된 바와 같이, 원통형 탄소복합재 연결체(11)에 뚫린 볼트공(11a)에 탄소섬유직물부싱(30)을 삽입한 후, 볼트(12a)를 통과시킨다.
또는, 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 판형 탄소복합재 연결체(24)에 뚫린 볼트공(24a)에 탄소섬유직물부싱(30)을 삽입한 후, 볼트(23a)를 통과시킨다.
탄소섬유직물부싱(30)은 자기윤활성을 가진 탄소섬유로 만들어지므로, 볼트공(11a,24a)과 볼트(12a,23a)의 마찰을 최소화시켜, 볼트공(11a,24a)의 주변에서 끊어진 탄소섬유가 마모되어, 탄소복합재 연결체(11,24)의 강도가 떨어지는 것을 막을 수 있다.
10,20: 연결유닛
11: 원통형 탄소복합재 연결체 12: 체결수단
21: 체결브라켓 22: 제1결수단
23: 제2체결수단 24: 판형 탄소복합재 연결체
CB: 탄소섬유직물 CF: 탄소섬유
RX: 고무매트릭스

Claims (4)

  1. 수상에 부유되는 부력체와, 상기 부력체에 결합된 프레임과, 상기 프레임 위에 설치된 태양전지판, 인접한 프레임을 서로 연결하는 연결유닛을 포함하는 수상 태양광 발전시스템에 있어서,
    상기 연결유닛은 인접한 2개의 프레임에 각각 설치된 체결브라켓과, 인접한 2개의 체결브라켓을 서로 연결하는 판형 탄소복합재 연결체와, 상기 프레임과 상기 체결브라켓을 체결하는 볼트와 너트로 구성된 제1체결수단과, 상기 체결브라켓과 상기 판형 탄소복합재 연결체를 체결하는 볼트와 너트로 구성된 제2체결수단으로 구성되며,
    상기 판형 탄소복합재 연결체는,
    탄성력을 부여하는 고무매트릭스;
    상기 고무매트릭스의 강도를 보강하기 위해, 상기 고무매트릭스 내에서 서로 적층되어 탄소섬유가 가로 및 세로로 직조되어 만들어진 탄소섬유직물들;
    상기 적층된 탄소섬유직물들을 수직방향으로 묶어 상기 탄소섬유직물들이 층간 분리되는 것을 막아주는 탄소섬유들; 및
    상기 고무매트릭스에 상기 제1체결수단의 볼트가 통과하는 볼트공과 상기 제2체결수단의 볼트가 통과하는 볼트공을 뚫는 과정에서, 상기 탄소섬유직물을 구성하는 탄소섬유가 손실되고 끊어져 약해진 상기 볼트공을 보강하기 위해,
    상기 볼트공에 삽입되는 탄소섬유직물부싱을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소복합재 연결체를 구비한 수상 태양광 발전시스템.
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