KR102294333B1 - 볼트 풀림 방지용 태양광 모듈 구조물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 알루미늄 프레임의 상부에 제1펴짐 방지용 표면 거칠기를 가진 펴짐 방지용 상부 금속판을 배치하고 알루미늄 프레임의 하부에 제2펴짐 방지용 표면 거칠기를 가진 펴짐 방지용 하부 금속판을 배치한 상태에서 볼트 체결되도록 하여, 태양광 모듈의 알루미늄 프레임이 전성으로 인하여 외부의 충격에 의하여 펴지면서 볼트 풀림이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 볼트 풀림 방지용 태양광 모듈 구조물을 제공한다.

Description

볼트 풀림 방지용 태양광 모듈 구조물{SOLAR MODULE STRUCTURE FOR PREVENTING BOLT-LOOSENING}
본 발명은 구조용 형강과 태양광 모듈 등으로 이루어진 태양광 모듈 구조물에 관한 것으로, 특히 태양광 모듈을 이루는 알루미늄 프레임의 특성인 전성으로 인한 펴짐으로 인하여 볼트 풀림이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 볼트 풀림 방지용 태양광 모듈 구조물에 관한 것이다.
근래 자원의 고갈에 따른 대체 에너지원으로서 태양광 발전에 대한 관심이 고조되고 있다. 태양광 발전은 지구로 입사하는 태양광을 전기에너지로 변환시키는 통합적인 기술로서 그 자체가 친환경적일 뿐 아니라, 장치가 일단 설치되어 작동되면 별도의 에너지 투입이 없더라도 태양만 존재하면 전기를 생산할 수 있다는 장점이 있어 점차 그 응용 범위가 확대되고 있는 추세이다.
통상적으로 태양광 발전은 복수의 태양전지셀과, 태양전지셀들을 전기적으로 연결하는 전선과, 태양전지셀들을 외부 환경으로부터 보호하는 필름 또는 보호 유리 등을 포함하는 이루어지는 단위 태양전지 모듈(photovoltanic module, 혹은 태양광 모듈)을 직렬 또는 병렬로 연결하여 운용한다.
한편 태양광 모듈은, 태양광 발전을 위한 태양광 모듈 본체와, 태양광 모듈 본체의 외곽을 지지하는 알루미늄 프레임을 포함하여 이루어진다.
이와 같은 태양광 모듈은, 볼트 등에 의하여 알루미늄 프레임이 다른 구조물(하부 지지체 등)에 체결됨으로써 고정된다.
이와 같은 종래의 태양광 모듈의 고정 구조는 일반 볼트를 사용하여 태양광 모듈을 고정시키기 때문에 일정시간이 경과되면 외부 환경요인에 의해 그 체결상태가 느슨하게 되어 하부 지지체로부터 이탈되어 고장이 발생하고, 태풍이 지나가면 태양광 모듈이 부분 파손되거나 완전히 이탈되어 날아가는 문제가 있어 막대한 재산상 피해를 초래하며, 나아가 인명 피해의 위험이 매우 높아진다.
한편 종래 기술로서 대한민국 등록실용신안 제20-0450521호 "태양광 발전용 모듈 프레임 지지장치" (2010. 10. 1. 등록)는, 태양광 발전용 모듈 프레임의 상부면을 가공하여 제1요철부를 형성하고, 주름와셔의 하부면을 가공하여 제2요철부를 형성하며, 상기 고정지지물의 직상부 또는 직하부에 연질의 금속이나 합성수지의 패킹을 구비하여, 상부에 위치한 주름와셔의 제2요철부가 하부에 위치한 태양광 발전용 모듈 프레임의 제1요철부에 끼워진 후, 볼트를 이용하여 태양광 발전용 모듈 프레임을 고정지지물에 체결하도록 하고 있다.
이와 같은 종래 기술은 주름와셔 뿐만 아니라 태양광 모듈의 알루미늄 프레임에 각각 요철부를 형성하여야 하나, 대부분의 태양광 모듈의 알루미늄 프레임의 두께는 1~2mm 정도로 매우 얇아 요철부를 가공하기 어렵다는 문제가 있다.
또한 이와 같은 종래 기술에서 제1요철부와 제2요철부는 연속된 톱니형태의 단면구조가 일방향으로 연장되는 형태를 가지며, 톱니형태가 연속되는 방향으로의 체결력은 증가되지만, 톱니형태가 연속되는 방향과 직교되는 방향으로는 아무런 구속력이 없다는 문제가 있다.
특히 상기의 종래 기술은 단순히 두 개의 부재가 요철에 의해 체결되어 어느 한 방향으로 구속되는 구성을 제안하고 있을 뿐이며, 알루미늄 프레임의 특성에 따른 볼트 풀림의 문제를 해결하지 못하고 있다.
알루미늄 프레임은 알루미늄으로 제조되고, 알루미늄은 인장강도와 경도가 낮으며, 전성 및 연성이 커다는 특성을 가지며, 특히 외부 충격을 받으면 전성으로 인한 펴짐 현상으로 볼트 풀림이 발생한다.
이와 같은 알루미늄의 볼트 풀림은 모든 방향에서 발생하므로, 종래 기술과 같이 어느 한 방향으로 구속되는 구조를 취하는 경우에도 구속되지 않는 다른 방향에서 전성으로 인한 펴짐 현상이 발생하면 볼트가 풀리게 되는 현상이 발생한다.
나아가 상기의 종래 기술은 고정지지물(혹은 패킹)과 접하는 알루미늄 프레임의 하면이, 외부로부터 충격을 받는 경우 전성으로 인한 펴짐 현상으로 볼트 풀림이 발생한다는 사실에 대하여 아무런 해결책을 제시하지 못하고 있다.
대한민국 등록실용신안 제20-0450521호 "태양광 발전용 모듈 프레임 지지장치" (2010. 10. 1. 등록) 대한민국 등록특허 제10-1994911호 "C 채널과 태양광 모듈 프레임 체결 장치" (2019. 6. 25. 등록)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 알루미늄 프레임의 상부에 제1펴짐 방지용 표면 거칠기를 가진 펴짐 방지용 상부 금속판을 배치하고 알루미늄 프레임의 하부에 제2펴짐 방지용 표면 거칠기를 가진 펴짐 방지용 하부 금속판을 배치한 상태에서 볼트 체결되도록 하여, 태양광 모듈의 알루미늄 프레임이 전성으로 인하여 외부의 충격에 의하여 펴지면서 볼트 풀림이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 볼트 풀림 방지용 태양광 모듈 구조물을 제공하고자 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 제1사상은, 복수의 형강용 볼트 관통공이 형성된 구조용 형강을 포함하는 하부 지지체 ; 태양광 발전을 위한 태양광 모듈 본체와, 상기 구조용 형강의 인장강도보다 낮은 인장강도를 가지는 알루미늄 재질로서 상기 태양광 모듈 본체의 외곽을 감싸도록 이루어지는 모듈 지지부와 상기 모듈 지지부의 하단에서 내측으로 연장되는 수평판 형태로서 복수의 프레임용 볼트 관통공이 형성되는 내측 연장부를 포함하여 이루어지는 알루미늄 프레임으로 이루어지며, 상기 구조용 형강의 상부에 마련되는 태양광 모듈 ; 상기 알루미늄 프레임의 인장강도보다 높은 인장강도를 가진 금속판으로서 상기 알루미늄 프레임의 내측 연장부의 상면에 배치되어 하면이 상기 알루미늄 프레임의 내측 연장부의 상면과 면접촉되며 하면에 상기 알루미늄 프레임의 표면 거칠기 및 상기 구조용 형강의 표면 거칠기보다 큰 표면 거칠기인 제1펴짐 방지용 표면 거칠기가 형성되며 중앙부에 제1볼트 관통공이 형성된 펴짐 방지용 상부 금속판 ; 상기 알루미늄 프레임의 인장강도보다 높은 인장강도를 가진 금속판으로서 상기 구조용 형강과 상기 알루미늄 프레임 사이에 배치되어 하면이 상기 구조용 형강의 상면과 면접촉되며 상면이 상기 알루미늄 프레임의 내측 연장부의 하면과 면접촉되며 상면에 상기 알루미늄 프레임의 표면 거칠기 및 상기 구조용 형강의 표면 거칠기보다 큰 표면 거칠기인 제2펴짐 방지용 표면 거칠기가 형성되며 중앙부에 제2볼트 관통공이 형성된 펴짐 방지용 하부 금속판 ; 상기 펴짐 방지용 상부 금속판의 제1볼트 관통공, 상기 알루미늄 프레임의 프레임용 볼트 관통공, 상기 펴짐 방지용 하부 금속판의 제2볼트 관통공, 상기 구조용 형강의 형강용 볼트 관통공을 관통하는 볼트 부재와 상기 볼트 부재에 체결되는 너트 부재에 의하여 상기 펴짐 방지용 상부 금속판, 상기 알루미늄 프레임, 상기 펴짐 방지용 하부 금속판, 상기 구조용 형강을 체결하는 볼트 체결 수단 ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기에 있어서, 상기 제1펴짐 방지용 표면 거칠기는, 중심선 평균 거칠기(Ra)가 50~500μm이며, 최대 높이 거칠기(Rmax)가 110~1000μm인 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 제2펴짐 방지용 표면 거칠기는, 중심선 평균 거칠기(Ra)가 50~500μm이며, 최대 높이 거칠기(Rmax)가 110~1000μm인 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 펴짐 방지용 하부 금속판의 하면에 상기 구조용 형강의 표면 거칠기보다 큰 표면 거칠기인 클램핑용 표면 거칠기가 형성되는 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 펴짐 방지용 상부 금속판의 일측에는 수직으로 입설된 프레임 지지대가 일체로 형성될 수 있다.
상기에 있어서, 상기 펴짐 방지용 상부 금속판의 중앙부 상부에는 상기 제1볼트 관통공과 연통되는 각기둥 형태의 볼트 헤드 장입홈이 형성될 수 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제2사상은, 복수의 형강용 볼트 관통공이 형성된 구조용 형강을 포함하는 하부 지지체 ; 태양광 발전을 위한 태양광 모듈 본체와, 상기 구조용 형강의 인장강도보다 낮은 인장강도를 가지는 알루미늄 재질로서 상기 태양광 모듈 본체의 외곽을 감싸도록 이루어지는 모듈 지지부와 상기 모듈 지지부의 하단에서 내측으로 연장되는 수평판 형태로서 복수의 프레임용 볼트 관통공이 형성되는 내측 연장부를 포함하여 이루어지는 알루미늄 프레임으로 이루어지며, 상기 구조용 형강의 상부에 마련되는 태양광 모듈 ; 상기 알루미늄 프레임의 인장강도보다 높은 인장강도를 가진 금속재질로 이루어지되, 직사각형 평판 형태로서 상기 알루미늄 프레임의 내측 연장부의 상면에 배치되어 하면이 상기 알루미늄 프레임의 내측 연장부의 상면과 면접촉되며 하면에 상기 알루미늄 프레임의 표면 거칠기 및 상기 구조용 형강의 표면 거칠기보다 큰 표면 거칠기인 제1펴짐 방지용 표면 거칠기가 형성되는 펴짐 방지용 볼트 헤드와, 상기 펴짐 방지용 볼트 헤드로부터 하부로 돌출되어 상기 알루미늄 프레임의 프레임용 볼트 관통공 및 상기 구조용 형강의 형강용 볼트 관통공을 관통하도록 이루어진 펴짐 방지용 볼트 몸체를 포함하여 이루어지는 펴짐 방지용 상부 볼트 ; 상기 알루미늄 프레임의 인장강도보다 높은 인장강도를 가진 금속판으로서 상기 구조용 형강과 상기 알루미늄 프레임 사이에 배치되어 하면이 상기 구조용 형강의 상면과 면접촉되며 상면이 상기 알루미늄 프레임의 내측 연장부의 하면과 면접촉되며 상면에 상기 알루미늄 프레임의 표면 거칠기 및 상기 구조용 형강의 표면 거칠기보다 큰 표면 거칠기인 제2펴짐 방지용 표면 거칠기가 형성되며 중앙부에 상기 펴짐 방지용 볼트 몸체가 관통하는 제2볼트 관통공이 형성된 펴짐 방지용 하부 금속판 ; 상기 펴짐 방지용 상부 볼트의 펴짐 방지용 볼트 몸체에 체결되어 상기 펴짐 방지용 상부 볼트, 상기 알루미늄 프레임, 상기 펴짐 방지용 하부 금속판, 상기 구조용 형강을 체결하는 너트 부재 ; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기에 있어서, 상기 제2펴짐 방지용 표면 거칠기는, 중심선 평균 거칠기(Ra)가 50~500μm이며, 최대 높이 거칠기(Rmax)가 110~1000μm인 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 펴짐 방지용 하부 금속판의 하면에 상기 구조용 형강의 표면 거칠기보다 큰 표면 거칠기인 클램핑용 표면 거칠기가 형성되는 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 펴짐 방지용 상부 볼트의 일측에는 수직으로 입설된 프레임 지지대가 일체로 형성될 수 있다.
상기와 같이 본 발명은, 외부 충격에 의하여 알루미늄 프레임 접촉면의 전성(malleability)으로 인한 펴짐에 따라 볼트 부재의 중심축에 직각으로 작용하는 모멘트가 발생하여 볼트가 풀리는 것을 방지할 수 있어 태풍 등으로 태양광 모듈이 파손되거나 분리되어 날라가는 것을 근본적으로 막을 수 있고, 사용이 편리하면서 내구성과 견고성이 우수한 볼트 풀림 방지용 태양광 모듈 구조물을 제공하게 된다.
도 1은 볼트 풀림의 메커니즘을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 의한 볼트 풀림 방지용 태양광 모듈 구조물의 분리 사시도,
도 3은 도 2의 주요부의 개념 단면도,
도 4는 도 3의 분리 단면도,
도 5는 도 4의 펴짐 방지용 상부 금속판의 하면에 형성된 제1펴짐 방지용 표면 거칠기의 패턴을 보이는 도면,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 의한 볼트 풀림 방지용 태양광 모듈 구조물의 개념 단면도,
도 7은 도 6의 펴짐 방지용 상부 금속판의 사시도,
도 8은 본 발명의 제3실시예에 의한 볼트 풀림 방지용 태양광 모듈 구조물의 개념 단면도,
도 9는 도 8의 펴짐 방지용 상부 금속판의 사시도,
도 10은 도 8의 펴짐 방지용 상부 금속판의 단면도,
도 11은 본 발명의 제4실시예에 의한 볼트 풀림 방지용 태양광 모듈 구조물의 개념 단면도,
도 12는 도 11의 펴짐 방지용 상부 볼트의 사시도,
도 13은 도 11의 펴짐 방지용 상부 볼트의 단면도.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
먼저 본 발명에 의한 제1실시예를 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 의한 볼트 풀림 방지용 태양광 모듈 구조물의 분리 사시도이며, 도 3은 도 2의 주요부의 개념 단면도이며, 도 4는 도 3의 분리 단면도이며, 도 5는 도 4의 펴짐 방지용 상부 금속판의 하면에 형성된 제1펴짐 방지용 표면 거칠기의 패턴을 보이는 도면이다.
본 실시예는 크게 하부 지지체(100)와 태양광 모듈(200)과 펴짐 방지용 상부 금속판(310)과 펴짐 방지용 하부 금속판(320)과, 볼트 부재(410)와, 너트 부재(420) 등을 포함하여 이루어진다.
하부 지지체(100)는 복수의 구조용 형강(100)을 포함하여 이루어지는 구조이다. 하부 지지체(100)는 태양광 모듈(200)을 고정하기 위하여 지면에 마련될 수 있지만, 경우에 따라 하부 지지체(100)는 건물의 지붕 등 다양한 장소에 마련될 수 있다.
본 실시예에서 구조용 형강(100)으로서 C-형강을 도시하였지만, 다양한 형태의 구조용 형강(100)이 이용될 수 있다.
구조용 형강(100)에는 복수의 형강용 볼트 관통공(101)이 형성되어 있다.
이와 같은 구조용 형강(100)의 상부에 태양광 모듈(200)이 마련된다.
태양광 모듈(200)은 태양광 모듈 본체(210)와 알루미늄 프레임(220)으로 이루어진다.
태양광 모듈 본체(210)는 태양광 발전을 수행하기 위한 것이다.
알루미늄 프레임(220)은 태양광 모듈 본체(210)를 지지하기 위한 것으로, 모듈 지지부(221)와 내측 연장부(222)로 이루어진다.
모듈 지지부(221)는 태양광 모듈 본체(210)의 외곽을 감싸도록 이루어진다.
내측 연장부(222)는 모듈 지지부(221)의 하단에서 내측으로 연장되는 수평판 형태이다.
내측 연장부(222)에는 복수의 프레임용 볼트 관통공(222a)이 형성되어 있다.
알루미늄 프레임(220)은, 구조용 형강(100)의 인장강도보다 낮은 인장강도를 가진다.
상기에서 설명한 구조용 형강(100) 및 태양광 모듈(200)의 구조는 매우 일반적인 것이며, 다양한 변형이 가능하므로 상세한 설명을 생략한다.
이와 같은 구조의 문제점을 먼저 설명하고, 이후 본 발명의 실시예를 설명한다.
< 용어의 정의 >
장력(clamping): 볼트와 너트 체결부의 두 섹션을 함께 유지하는 반대 형체력으로 스트레칭이라고도 한다.
풀림(unscrewing) : 체결된 볼트가 진동이나 충격, 운동, 하중의 변화 등이 반복될 때 의도하지 않는 상태에서 볼트가 풀리는 것을 말한다.
풀림 방지 : 체결된 볼트가 의도하지 않은 풀림이 발생하지 않도록 하는 것을 말한다.
전성(malleability) : 압력 또는 타격에 의하여 파괴 없이 평면으로 넓게 늘어나면서 펴지는 성질을 말한다.
매립(embedding) : 볼트 체결시 볼트의 장력으로 인하여 볼트 조임이 발생하는 접촉면의 표면에 미세하게 삽입되는 것을 말한다.
인장강도(tensile strength) : 형태의 길이 방향으로 압력을 가하거나 잡아당겨도 부서지지 않는 힘으로 재료의 세기를 나타내며, 재료가 절단되도록 끌어당겼을 때 견뎌내는 최대 하중을 말한다.
경도(hardness) : 외부압력에 대한 재료의 단단한 정도로 마멸, 절삭에 대한 저항도이며, 물질의 단단함과 부드러움의 정도를 가리키는 양으로 물리적 정의는 어렵지만 재료의 소성변형에 대한 저항의 크기라고 생각할 수 있다. 일반적으로 시료에 그 물질보다 단단한 다른 물체로 밀어 누르거나 또는 긁을 때에 나타나는 저항으로 측정한다.
전단응력(shear stress) : 물체 표면에 평행하게 작용하는 단위면적당의 힘을 의미한다. 정사각형 물체의 윗면과 아랫면에 평행하지만 방향이 서로 반대인 힘을 가하게 되면 물체의 형상은 찌그러지게 되고 그 내부에는 전단응력이 발생한다.
모멘트(moment) : 물리학에서 모멘트는 어떤 물리량과 거리를 곱한 형태를 가지는 것으로 정의한다.
< 볼트 풀림(나사 풀림)의 메커니즘 >
볼트 풀림 현상(나사 풀림 현상)은 볼트와 너트의 접촉면이 교대하는 전단응력에 의해 발생한다는 것은 잘 알려져 있는 나사 풀림 메커니즘이다.
이것은 볼트와 너트의 나사부의 형상이 쐐기형태를 이루고 있고, 그 부분에 교대로 상대운동이 발생하면, 너트에 회전을 주게 된다.
나사에 미치는 전단응력 즉 마찰력이 교대로 변화하면 이 응력 교대현상은 볼트의 풀림 즉 너트를 회전시키는 원인이라고 볼 수 있다.
한편, 너트의 회전을 저지하는 힘이 볼트 장력에 의한 마찰력이며, 그 저항력의 대부분이 너트의 볼트 축 직각 방향에 대한 전단응력(마찰력)이며, 또한 그 때 발생하는 볼트 장력이 되고 있다.
너트가 축 직각 방향으로 이동할 때, 볼트의 나사부가 너트의 나사부에 말려 들어가며, 그 때 나사 표면에 통상적으로 가해지는 응력(마찰력)이 발생한다. 나사부는 볼트 축에 대해 기울어져 있기 때문에, 이 응력은 볼트 축 방향의 장력과 볼트 축 직각 방향의 전단응력의 2 가지 성분을 가진다.
축 방향의 장력은 축력을 증가시키며, 축 직각 방향의 응력은 너트에 회전력을 준다. 이 축 직각 방향의 응력을 더욱 자세히 분석하면, 나사면에 대한 접선응력의 성분을 가진다. 따라서 접선응력은 나사부에 상대적으로 미끄러져 버린다. 만일, 볼트와 너트의 나사부가 볼트의 수평이동에 의해 서로가 미끄러져 볼트가 원래의 위치로 되돌아 갔을 때나, 또는 반대로 미끄러져 버리지 않으면 미끄럼 현상은 사이클속에 복원하지 않게 된다. 이 현상이 반복적으로 발생하면, 비록 1 사이클의 회전이 극히 미미한 것이라도 그것이 축적되면, 충분히 볼트와 너트의 나사 풀림 현상을 발생시킬 수 있게 된다.
볼트에 큰 장력(clamping, 축력)을 가하면, 상대적으로 나사 접촉면에서의 교대 전단응력은 상당히 작아진다. 이것은 볼트 장력이 충분하게 높아지면, 볼트와 너트의 나사는 잘 풀리지 않는다는 것을 의미한다. 너트 측의 볼트 단면은 축 직각 방향의 변위를 구속하면, 볼트가 잘 풀리기 않게 된다. 예를 들면 더블 너트에 의한 체결방법은 일반 나사 체결에 비해 나사의 풀림 현상을 억제시키는 효과가 있다.
일반 나사는 도 1의 (a)와 같이 나사부에 틈이 있어 나사의 체결이 가능하게 되어 있지만 나사체결 후에도 도 1의 (b)에서 보여주는 것과 같이 나사의 사면이 서로 마찰이 있어도 축의 직각 방향의 틈새는 그대로 남아있기 때문에 나사를 완전히 체결하여도 나사의 한쪽 사면만 마찰이 있고, 틈새는 여전히 남는 상태로 체결된다. 이 때 접촉부의 마찰력보다 진동이나 충격 등의 큰 외력, 특히 축의 직각방향 진동과 충격이 가해지면 나사산 접촉부의 공간차가 발생하여 볼트의 머리 밑 좌면 부위가 벌어지게 되며, 한 번 벌어진 틈은 나사 체결 방향으로 외력이 가해져야만 다시 돌아갈 수 있다. 이러한 진동, 충격의 반복에 의해 볼트의 머리부 마찰력이 떨어지게 되어 풀림이 발생하게 되는 것이 가장 전형적인 볼트 풀림의 메커니즘이다.
이상과 같이 볼트 풀림에 작용할 수 있는 전단응력의 발생을 방지하는 수단으로 태양광 모듈의 외곽을 감싸고 있는 알루미늄 프레임의 이동을 방지해야 하고, 이를 위한 방안으로 볼트에 큰 장력을 가하면 일부분 해소가 가능하지만, 알루미늄의 물리적 성질은 경도(hardness)와 인장강도가 낮아 매립(embedding)현상이 일어나고, 전성(malleability)이 커서 펴짐 현상이 발생하여 결과적으로 상기 알루미늄 프레임이 체결 나사의 축방향에 직각으로 작용하는 모멘트가 발생한다는 문제가 있다.
보다 자세히 알루미늄 프레임의 특수성을 설명한다.
< 알루미늄 프레임의 특수성 >
일반적으로 구조용 형강(100)의 인장강도는 40~60 kgf/mm2이다.
구조용 형강(100)은, 경량 형강으로서 강판을 냉간압연하여 제조된 C-형강 기준으로 표면 거칠기는 대략 중심선 평균 거칠기가 Ra 0.4~25 정도이다.
알루미늄 프레임(220)의 인장강도는 17~22 kgf/mm2이다.
알루미늄 프레임(220)의 경우 아노다이징 처리된 제품을 기준으로 중심선 평균 거칠기가 대략 Ra 0.78~0.82 정도이다.
이와 같이 알루미늄 프레임(220)의 소재인 알루미늄은, 구조용 형강(100) 또는 볼트 부재(410)와 비교할 때, 그 물리적 성질인 인장강도와 경도(hardness)가 낮으며, 또한 전성(malleability) 및 연성이 커다.
상기와 같이 알루미늄 프레임(220)은, 구조용 형강(100) 또는 볼트 부재(410)와 비교할 때 인장강도 및 경도의 차이가 심하여 풀림을 방지하기 위한 볼트 조임 과정에서 볼트 체결 부위가 알루미늄 표면을 파고 들어가는 매립(embedding) 현상이 쉽게 일어날 수 있어 장력이 느슨해지는 단점이 있다.
또한 알루미늄은, 매우 큰 연성 및 전성으로 인하여 외력이 작용시 쉽게 펴질 수 있으며 펴짐 현상 발생시 체결 볼트에 직각으로 모멘트를 전달해 볼트 풀림을 유발하게 된다.
일반적으로 볼트와 너트 체결부의 장력(clamping, 축력) 또는 스트레칭은 체결부의 두 섹션을 함께 유지하는 반대 형체력을 초래하는데 볼트가 느슨해지면 이 형체력이 약해진다.
다시 말해 조여진 볼트는 이미 느슨하며 체결부의 조임이 약해지고 이로 인해 피체결물 사이에서 옆으로 미끄러져 볼트에 원치 않는 전단 응력이 가해지면 결국 볼트 풀림으로 이어진다.
따라서 느슨해진 볼트는 빨리 다시 조이지 않으면 태양광 모듈의 오작동 또는 파손을 일으켜 재산상 또는 인명상 사고를 발생시키게 된다.
따라서 상기와 같은 알루미늄의 물리적 특성을 고려하지 않은 종래의 볼트 풀림 방지 장치들은 볼트의 풀림을 방지하는 것이 불가능하거나 현실적으로 지나친 비용이 발생하게 된다.
본 실시예는 펴짐 방지용 상부 금속판(310)과 펴짐 방지용 하부 금속판(320)을 더 구비한다.
펴짐 방지용 상부 금속판(310)은, 알루미늄 프레임(220)의 인장강도보다 높은 인장강도를 가진 금속판이다.
본 실시예에서 펴짐 방지용 상부 금속판(310)은 알루미늄 프레임(220)의 인장강도(17~22 kgf/mm2) 및 구조용 형강(100)의 인장강도(40~60 kgf/mm2)보다 높은 인장강도를 가진 연질 스테인리스 강(65~70 kgf/mm2), SM40C 강제 단조품(40~100 kgf/mm2) 등을 채택할 수 있다.
펴짐 방지용 상부 금속판(310)은 알루미늄 프레임(220)의 내측 연장부(222)의 상면에 배치되어 하면이 알루미늄 프레임(220)의 내측 연장부(222)의 상면과 면접촉된다.
펴짐 방지용 상부 금속판(310)은 직사각형의 평판 형태로서 그 중앙부에는 제1볼트 관통공(313)이 형성되어 있다.
펴짐 방지용 상부 금속판(310)의 하면(311)에는 제1펴짐 방지용 표면 거칠기가 형성되어 있다.
제1펴짐 방지용 표면 거칠기는 알루미늄 프레임의 표면 거칠기 및 구조용 형강의 표면 거칠기보다 큰 표면 거칠기이다.
특히 본 실시예에서는 제1펴짐 방지용 표면 거칠기는, 중심선 평균 거칠기(Ra)가 50~500μm이며, 최대 높이 거칠기(Rmax)가 110~1000μm인 것이 바람직하다.
펴짐 방지용 하부 금속판(320)은, 알루미늄 프레임(220)의 인장강도보다 높은 인장강도를 가진 금속판이다.
본 실시예에서 펴짐 방지용 하부 금속판(320)은 알루미늄 프레임(220)의 인장강도(17~22 kgf/mm2) 및 구조용 형강(100)의 인장강도(40~60 kgf/mm2)보다 높은 인장강도를 가진 연질 스테인리스 강(65~70 kgf/mm2), SM40C 강제 단조품(40~100 kgf/mm2) 등을 채택할 수 있다.
펴짐 방지용 하부 금속판(320)은 구조용 형강(100)과 알루미늄 프레임(220) 사이에 배치되어 하면(322)이 구조용 형강(100)의 상면과 면접촉되며 상면(321)이 알루미늄 프레임(220)의 내측 연장부(222)의 하면과 면접촉된다.
펴짐 방지용 하부 금속판(320)은 직사각형의 평판 형태로서 그 중앙부에는 제2볼트 관통공(323)이 형성되어 있다.
펴짐 방지용 하부 금속판(320)의 상면(321)에는 제2펴짐 방지용 표면 거칠기가 형성되어 있다.
또한 펴짐 방지용 하부 금속판(320)의 하면(322)에는 클램핑용 표면 거칠기가 형성되어 있다.
제2펴짐 방지용 표면 거칠기 및 클램핑용 표면 거칠기는, 알루미늄 프레임의 표면 거칠기 및 구조용 형강의 표면 거칠기보다 큰 표면 거칠기이다.
특히 본 실시예에서는 제2펴짐 방지용 표면 거칠기 및 클램핑용 표면 거칠기는, 중심선 평균 거칠기(Ra)가 50~500μm이며, 최대 높이 거칠기(Rmax)가 110~1000μm인 것이 바람직하다.
이와 같이 펴짐 방지용 상부 금속판(310)의 하면(311)에는 제1펴짐 방지용 표면 거칠기가 형성되며, 펴짐 방지용 하부 금속판(320)의 상면(321)에는 제2펴짐 방지용 표면 거칠기가 형성되므로, 볼트 체결시 강한 인장강도를 가진 그 거친 표면(311, 321)이 연성이 큰 알루미늄 프레임(220)의 표면으로 파고들어 단단히 죄는 효과가 있어, 외부에서 충격이 인가되는 경우에도 알루미늄 프레임(220)의 전성에 따른 펴짐 현상의 발생을 방지할 수 있으며, 따라서 볼트 부재(410)의 중심축 직각 방향의 모멘트가 발생하지 않아 결과적으로 볼트 풀림 현상을 근본적으로 방지할 수 있다.
아울러 펴짐 방지용 하부 금속판(320)의 하면(322)에 형성된 클램핑용 표면 거칠기는, 볼트 체결시 펴짐 방지용 하부 금속판(320)의 하면(322)이 구조용 형강(100)의 표면으로 파고들어 펴짐 방지용 하부 금속판(320)이 구조용 형강(100)에 강력하게 결합되는 효과를 발생시킨다.
상기와 같은 펴짐 방지용 상부 금속판(310), 상기 알루미늄 프레임(220), 상기 펴짐 방지용 하부 금속판(320), 상기 구조용 형강(100)을 체결하기 위하여 볼트 체결 수단이 마련된다.
본 실시예에서 볼트 체결 수단은, 볼트 부재(410) 및 너트 부재(420)를 포함하여 이루어진다.
볼트 부재(410)는, 볼트 헤드(411)와 수나사산이 형성된 볼트 몸체(412)로 이루어진다.
볼트 몸체(412)는 펴짐 방지용 상부 금속판(310)의 제1볼트 관통공(313), 알루미늄 프레임(220)의 프레임용 볼트 관통공(222a), 펴짐 방지용 하부 금속판(320)의 제2볼트 관통공(323), 구조용 형강(100)의 형강용 볼트 관통공(101)을 관통하며, 볼트 헤드(411)는 펴짐 방지용 상부 금속판(310)의 상부에 배치된다.
볼트 헤드(411)와 펴짐 방지용 상부 금속판(310) 사이에는 제1와셔(413)가 마련되며, 구조용 형강(100)의 하부로 돌출된 볼트 몸체(412)에는 제2와셔(423)가 삽입된 후 너트 부재(420)가 체결된다.
펴짐 방지용 상부 금속판(310) 또는 펴짐 방지용 하부 금속판(320)의 표면에 평행으로 작용하는 모멘트는 방사형으로 어느 방향에서나 올 수 있으므로 제1펴짐 방지용 표면 거칠기 및 제2펴짐 방지용 표면 거칠기의 패턴은, 도 5와 같이 유사톱니형, 동심원형, 체크무늬형, 분산형 등과 같이 다양한 패턴으로 실시될 수 있다.
제1펴짐 방지용 표면 거칠기 및 제2펴짐 방지용 표면 거칠기와 같은 표면 거칠기의 형성은, 밀링(milling) 등의 기계가공, 에칭, 단조가공, 샌드 블라스팅(sand blasting), 블라스팅(grit blasting), 쇼트 피이닝(shot peening) 등 다양한 가공 방식이 적용될 수 있다.
이하 본 발명에 의한 제2실시예를 설명한다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 의한 볼트 풀림 방지용 태양광 모듈 구조물의 개념 단면도이며, 도 7은 도 6의 펴짐 방지용 상부 금속판의 사시도이다.
본 실시예는 제1실시예와 대부분 동일하며, 다만 본 실시예에서 펴짐 방지용 상부 금속판(310)의 일측에는 수직으로 입설된 프레임 지지대(315)가 일체로 형성되어 있다.
따라서 펴짐 방지용 상부 금속판(310)은 L자 단면 구조를 가진다.
이와 같은 프레임 지지대(315)는 알루미늄 프레임(220)의 모듈 지지부(221)의 내벽에 밀착되어 외부의 충격으로 인한 태양광 모듈(200)의 유동을 방지할 수 있다.
이하 본 발명에 의한 제3실시예를 설명한다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 의한 볼트 풀림 방지용 태양광 모듈 구조물의 개념 단면도이며, 도 9는 도 8의 펴짐 방지용 상부 금속판의 사시도이며, 도 10은 도 8의 펴짐 방지용 상부 금속판의 단면도이다.
본 실시예는 제2실시예와 대부분 동일하며, 다만 본 실시예에서 펴짐 방지용 상부 금속판(310)의 중앙부 상부에는 제1볼트 관통공(313)과 연통되는 각기둥(본 실시예의 경우 6각기둥) 형태의 볼트 헤드 장입홈(316)이 형성되어 있다.
볼트 부재(410)의 볼트 헤드(411)는 볼트 헤드 장입홈(316)에 장입되며, 따라서 나사 풀림이 이차적으로 방지될 수 있다.
볼트 장력이 충분하게 높아지면, 볼트와 너트의 나사는 잘 풀리지 않는다. 대부분의 잠금 너트는 내부 나사산의 일부만 덮기 때문에 볼트와 너트를 조인 후, 피체결물에 대해 볼트 축에 직각 방향으로 하중이 가해지면 볼트와 너트의 나사가 풀린다는 사실은 잘 알려져 있다.
일반 볼트와 너트의 나사 풀림 현상의 원인은 나사산의 형상이 볼트 축에 대해 기울어져 쐐기 모양으로 변하는 것이 그 원인으로 축 직각 방향으로 하중이 가해지면, 볼트와 너트의 나사부가 상대적으로 미끄러져서 너트가 풀리는 방향으로 회전한다는 사실은 잘 알려진 현상이다.
반대로, 축 직각 방향으로 하중이 개방되면 너트는 미끄러진 그 위치에서 볼트의 나사부가 미끄러지면서 원래 위치로 되돌아가 버린다. 이것이 너트의 회전이 볼트의 축력을 저하시키는 요인이 되며, 이 회전이 극히 작은 부분의 현상이라 하더라도 누차 반복되면 결국은 나사가 풀리게 된다는 것을 알 수 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 본 실시예는 펴짐 방지용 상부 금속판(310)의 두께가 두꺼워져 체결 볼트의 장력을 증가시킬 수 있어 볼트 풀림을 어렵게 하고, 볼트 헤드(411)가 볼트 헤드 장입홈(316)에 안착되어 볼트 풀림을 막을 수 있도록 한 것이다.
이하 본 발명에 의한 제4실시예를 설명한다.
도 11은 본 발명의 제4실시예에 의한 볼트 풀림 방지용 태양광 모듈 구조물의 개념 단면도이며, 도 12는 도 11의 펴짐 방지용 상부 볼트의 사시도이며, 도 13은 도 11의 펴짐 방지용 상부 볼트의 단면도이다.
본 실시예에서는 제2실시예와 상이한 점만을 설명한다.
본 실시예는 펴짐 방지용 상부 금속판(310)과 볼트 부재(410) 대신에 펴짐 방지용 상부 볼트(330)를 채택하였다는 점을 제외하고는 제2실시예와 거의 동일하다.
펴짐 방지용 상부 볼트(330)는 펴짐 방지용 볼트 헤드(331)와 펴짐 방지용 볼트 몸체(332)로 이루어진다.
펴짐 방지용 볼트 헤드(331)는, 금속재질의 직사각형 평판 형태로서 알루미늄 프레임(220)의 내측 연장부(222)의 상면에 배치되어 하면(331a)이 알루미늄 프레임(220)의 내측 연장부(222)의 상면과 면접촉되며 하면(331a)에 제1펴짐 방지용 표면 거칠기가 형성되어 있다.
아울러 펴짐 방지용 볼트 헤드(331)의 일측에는 프레임 지지대(335)가 형성되어 있다.
이와 같은 펴짐 방지용 볼트 헤드(331)의 구조는 제2실시예의 펴짐 방지용 금속판(310)의 구조와 대동 소이하다.
펴짐 방지용 볼트 헤드(331)의 하부에는 펴짐 방지용 볼트 몸체(332)가 돌출 형성된다.
펴짐 방지용 볼트 몸체(332)는 알루미늄 프레임(220)의 프레임용 볼트 관통공(222a), 펴짐 방지용 하부 금속판(320)의 제2볼트 관통공(323), 구조용 형강(100)의 형강용 볼트 관통공(101)을 관통하며, 구조용 형강(100)의 하부로 돌출된 펴짐 방지용 볼트 몸체(332)에는 제2와셔(423)가 삽입된 후 너트 부재(420)가 체결된다.
이와 같은 형태는, 펴짐 방지용 볼트 몸체(332)가 펴짐 방지용 볼트 헤드(331)에 일체형으로 구성되어 펴짐 방지용 상부 볼트(330)의 중심축을 기준으로 사방으로 작용하는 모멘트를 펴짐 방지용 볼트 헤드(331) 하부의 넓은 접촉면으로 분산시키는 작용을 하며 펴짐 방지용 상부 볼트(330)의 중심축에 직각으로 작용하는 모멘트를 방지하여, 아울러 펴짐 방지용 볼트 헤드(331)의 하면의 제1펴짐 방지용 표면 거칠기가 형성된 넓은 접촉면의 거칠기가 볼트 풀림을 어렵게 하여 태양광 모듈의 유동을 더욱 방지할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것일 뿐 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 하부 지지체 (구조용 형강) 101 : 형강용 볼트 관통공
200 : 태양광 모듈
210 : 태양광 모듈 본체
220 : 알루미늄 프레임
221 : 모듈 지지부 222 : 내측 연장부
222a : 프레임용 볼트 관통공
310 : 펴짐 방지용 상부 금속판
311 : 하면 313 : 제1볼트 관통공
315 : 프레임 지지대 316 : 볼트 헤드 장입홈
320 : 펴짐 방지용 하부 금속판
321 : 상면 322 : 하면
323 : 제2볼트 관통공
330 : 펴짐 방지용 상부 볼트
331 : 펴짐 방지용 볼트 헤드 331a : 하면
332 : 펴짐 방지용 볼트 몸체 335 : 프레임 지지대
410 : 볼트 부재
411 : 볼트 헤드 412 : 볼트 몸체
413 : 제1와셔
420 : 너트 부재 423 : 제2와셔

Claims (6)

  1. 복수의 형강용 볼트 관통공이 형성된 구조용 형강을 포함하는 하부 지지체 ;
    태양광 발전을 위한 태양광 모듈 본체와, 상기 구조용 형강의 인장강도보다 낮은 인장강도를 가지는 알루미늄 재질로서 상기 태양광 모듈 본체의 외곽을 감싸도록 이루어지는 모듈 지지부와 상기 모듈 지지부의 하단에서 내측으로 연장되는 수평판 형태로서 복수의 프레임용 볼트 관통공이 형성되는 내측 연장부를 포함하여 이루어지는 알루미늄 프레임으로 이루어지며, 상기 구조용 형강의 상부에 마련되는 태양광 모듈 ;
    상기 알루미늄 프레임의 인장강도보다 높은 인장강도를 가진 금속판으로서 상기 알루미늄 프레임의 내측 연장부의 상면에 배치되어 하면이 상기 알루미늄 프레임의 내측 연장부의 상면과 면접촉되며 하면에 상기 알루미늄 프레임의 표면 거칠기 및 상기 구조용 형강의 표면 거칠기보다 큰 표면 거칠기인 제1펴짐 방지용 표면 거칠기가 형성되며 중앙부에 제1볼트 관통공이 형성된 펴짐 방지용 상부 금속판 ;
    상기 알루미늄 프레임의 인장강도보다 높은 인장강도를 가진 금속판으로서 상기 구조용 형강과 상기 알루미늄 프레임 사이에 배치되어 하면이 상기 구조용 형강의 상면과 면접촉되며 상면이 상기 알루미늄 프레임의 내측 연장부의 하면과 면접촉되며 상면에 상기 알루미늄 프레임의 표면 거칠기 및 상기 구조용 형강의 표면 거칠기보다 큰 표면 거칠기인 제2펴짐 방지용 표면 거칠기가 형성되며 중앙부에 제2볼트 관통공이 형성된 펴짐 방지용 하부 금속판 ;
    상기 펴짐 방지용 상부 금속판의 제1볼트 관통공, 상기 알루미늄 프레임의 프레임용 볼트 관통공, 상기 펴짐 방지용 하부 금속판의 제2볼트 관통공, 상기 구조용 형강의 형강용 볼트 관통공을 관통하는 볼트 부재와 상기 볼트 부재에 체결되는 너트 부재에 의하여 상기 펴짐 방지용 상부 금속판, 상기 알루미늄 프레임, 상기 펴짐 방지용 하부 금속판, 상기 구조용 형강을 체결하는 볼트 체결 수단 ;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 볼트 풀림 방지용 태양광 모듈 구조물.
  2. 복수의 형강용 볼트 관통공이 형성된 구조용 형강을 포함하는 하부 지지체 ;
    태양광 발전을 위한 태양광 모듈 본체와, 상기 구조용 형강의 인장강도보다 낮은 인장강도를 가지는 알루미늄 재질로서 상기 태양광 모듈 본체의 외곽을 감싸도록 이루어지는 모듈 지지부와 상기 모듈 지지부의 하단에서 내측으로 연장되는 수평판 형태로서 복수의 프레임용 볼트 관통공이 형성되는 내측 연장부를 포함하여 이루어지는 알루미늄 프레임으로 이루어지며, 상기 구조용 형강의 상부에 마련되는 태양광 모듈 ;
    상기 알루미늄 프레임의 인장강도보다 높은 인장강도를 가진 금속재질로 이루어지되, 직사각형 평판 형태로서 상기 알루미늄 프레임의 내측 연장부의 상면에 배치되어 하면이 상기 알루미늄 프레임의 내측 연장부의 상면과 면접촉되며 하면에 상기 알루미늄 프레임의 표면 거칠기 및 상기 구조용 형강의 표면 거칠기보다 큰 표면 거칠기인 제1펴짐 방지용 표면 거칠기가 형성되는 펴짐 방지용 볼트 헤드와, 상기 펴짐 방지용 볼트 헤드로부터 하부로 돌출되어 상기 알루미늄 프레임의 프레임용 볼트 관통공 및 상기 구조용 형강의 형강용 볼트 관통공을 관통하도록 이루어진 펴짐 방지용 볼트 몸체를 포함하여 이루어지는 펴짐 방지용 상부 볼트 ;
    상기 알루미늄 프레임의 인장강도보다 높은 인장강도를 가진 금속판으로서 상기 구조용 형강과 상기 알루미늄 프레임 사이에 배치되어 하면이 상기 구조용 형강의 상면과 면접촉되며 상면이 상기 알루미늄 프레임의 내측 연장부의 하면과 면접촉되며 상면에 상기 알루미늄 프레임의 표면 거칠기 및 상기 구조용 형강의 표면 거칠기보다 큰 표면 거칠기인 제2펴짐 방지용 표면 거칠기가 형성되며 중앙부에 상기 펴짐 방지용 볼트 몸체가 관통하는 제2볼트 관통공이 형성된 펴짐 방지용 하부 금속판 ;
    상기 펴짐 방지용 상부 볼트의 펴짐 방지용 볼트 몸체에 체결되어 상기 펴짐 방지용 상부 볼트, 상기 알루미늄 프레임, 상기 펴짐 방지용 하부 금속판, 상기 구조용 형강을 체결하는 너트 부재 ;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 볼트 풀림 방지용 태양광 모듈 구조물.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제2펴짐 방지용 표면 거칠기는, 중심선 평균 거칠기(Ra)가 50~500μm이며, 최대 높이 거칠기(Rmax)가 110~1000μm인 것을 특징으로 하는 볼트 풀림 방지용 태양광 모듈 구조물.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 펴짐 방지용 하부 금속판의 하면에 상기 구조용 형강의 표면 거칠기보다 큰 표면 거칠기인 클램핑용 표면 거칠기가 형성되는 것을 특징으로 하는 볼트 풀림 방지용 태양광 모듈 구조물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 펴짐 방지용 상부 금속판의 일측에는 수직으로 입설된 프레임 지지대가 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 볼트 풀림 방지용 태양광 모듈 구조물.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 펴짐 방지용 상부 금속판의 중앙부 상부에는 상기 제1볼트 관통공과 연통되는 각기둥 형태의 볼트 헤드 장입홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 볼트 풀림 방지용 태양광 모듈 구조물.
KR1020200132380A 2020-10-14 2020-10-14 볼트 풀림 방지용 태양광 모듈 구조물 KR102294333B1 (ko)

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