KR20200082973A - 평형 유지판이 부착된 알루미늄튜브형 수상태양광발전 부력체 - Google Patents

Abstract

기존 프라스틱및 철판소재의 부력체는 환경오염과 모듈보다 짧은 수명의 문제를 안고 있어, 이를 개선하고자 오염물질을 배출하지 않고 반영구적인 수명의 알루미늄 소재로된 밀폐튜브형 부력체와 고정후레임및 모듈 설치 구조물로 조립된 견고한 알루미늄 수상태양광부력체를 제공 함으로 수상태양광발전 보급에 기여하고 환경 보호에도 기여하게 된다.

Description

평형 유지판이 부착된 알루미늄튜브형 수상태양광발전 부력체{Solar Power Plant Buoyancy using Aluminium Tube with Balancing Blade}

본발명은 수상에 설치되는 태양광발전소의 알루미늄튜브형부력체 제조방법에 관한것으로, 더욱 상세하게는 수중 오염을 최소화하고 내식성이 강한, 평형유지판이 부착된 알루미늄 튜브와 고정 후레임(도8,도10)을 비용접, 조립식으로 결합 시켜 모듈과 구조물이 수상에 잘 뜨고, 강풍이나 풍랑, 폭설,결빙, 갈수시에도 안전하게 유지되고, 태양광발전효율을 높히는 반영구적 수명의 밀폐식 알루미늄튜브형 부력관(도5,도6,도7))과 구조물,부력 가변형 고정후레임을 일체형, 조립식으로 견고하게 결합하는 알루미늄튜브형 수상태양광발전부력체(도3,도4)에 관한 것이다.

산업혁명 이후 급속한 산업화와 편리한 생활에 필요한 에너지를 충당하기 위하여 무분별하게 화석연료를 남용한 결과 지구를 황폐화 시켰고, 이를 극복하고 환경 보호를 위하여, 2015년 UN 파리기후협약이 체결되었고, 신재생에너지인 태양광발전이 육상 중심에서, 최근에는 환경 파괴가 적고, 발전 효율이 높은 수상으로 그설치 범위가 확대되고 있다.

그러나 수상 태양광발전소는 육지와 달리 바닥이 물이어서 항상 유동적이고 불안정하다. 특히 태풍, 폭설, 풍랑, 갈수기에는 유동이 극심하고 불안정하다.

이러한 열악한 상태에서도 부력체는 태양광모듈을 안전하게 보전하고, 물을 오염 시키지 않아야 하고, 장기간 사용되어 태양광발전의 효율과 경제성을 높히는 역할을 하여야 한다.

종래 사용되고 있는 부력체는 도1과 같이 프라스틱소재(PE,PP,EPP,EPS)를 브로몰딩이나 사출, 회전성형등으로 제조한 부력체가 주로 사용되고 있다. 그러나 이프라스틱소재는 가볍고, 생산성이 높고, 가격이 저렴하여 많이 사용 되고 있으나 다음과 같은 문제점을 내포하고 있다.

첫째로 미세프라스틱오염 문제이다. 부력체는 항상 햇볕에 노출되어 자외선으로 부터 공격을 받아 미세프라스틱이 발생되고, 열악한 외부조건으로 인하여 시간이 흐름에 따라 약화된다. 이때 미세프라스틱 오염을 발생시켜, 환경보호를 위하여 설치하는 태양광발전의 의미가 무색해지고, 오염으로 인하여 생태계가 파괴된다.

둘째로 짧은 수명문제이다. 태양광모듈제조업체는 제품성능보증서(통상25년)를 발급하는데, 모듈의 수명은 효율이 다소 저감 될뿐이지 50년이상 사용할수 있는 유리, 알루미늄후레임, 실리콘등 내구성 소재로 구성된 내구재이다. 따라서 부력체도 수명이 최소한 모듈 수명보다는 길거나 같아야 된다. 발전소 운영중 부력체를 교체한다는 것은 매우 복잡한 작업이고, 또발전을 중단하여야 하는 무리가 따르고, 매우 비경제적이기 때문이다. 통상 햇볕에 노출되는 프라스틱 수명을 10년 정도로 보고 있어 모듈 수명보다 짧은 수명이 문제가 되는 것이다.

셋째 안전성문제이다. 수상태양광부력체는 항상 햇빛자외선,태풍,풍랑,폭설,결빙,충격,갈수기등 매우 열악한 상황에 노출되어 있다.

이때 어느 한 원인에 의해 크랙이 가면 바로 침수가 되기 때문이다. 실제로 프라스틱재질은 송곳이나 충격에 매우 약하기 때문이다.

넷째 연결부위의 취약성문제이다. 프라스틱 부력체는 제조방법의 제한으로 용량이 일정 규모를 넘지 못하여 많은 숫자의 부력체가 필요하게 되고, 부력체,구조물,계류연결선과의 연결부에도 항상 힘을 많이 받게 되는데, 이연결부가 금속과 달리 프라스틱이기 때문에 항상 요동치는 물결 충격에 취약하기 때문이다. 모듈은 이충격에 안전하게 유지되기가 어렵다.

다섯째로 발전소 철거시 폐프라스틱 부력체의 잔존가치는 철거비용에 도움을 주지 못하는 비경제적인 소재이다. 부피가 커서 운반비에도 미치지 못할 가능성도 있기 때문이다.

이문제를 극복코자 도2와 같이 도금된 철판 사용 부력체가 개발 되었다. 미리 도금된 기성철판을 직사각형으로 절곡, 리벳팅 결합,내부 포리폼(Poly Form) 부력체 삽입 형태의 철판 부력체는 프라스틱의 충격 취약성,연결부 취약성, 안전성에서는 어느정도 보완이 되었으나 여전히 다음과 같은 문제점을 노출한다.

첫째로 오염문제이다. 철은 원래 물에서 부식이(철부식속도 알루미늄의 약100배) 잘되는 비중 7.8의 중금속으로 녹이나 부식물은 환경을 오염 시킨다. 이러한 부식 방지를 위한 도금의 경우에도 도금물질로 부터의 용출액 오염도 문제가 된다(아연도금부식속도;알루미늄의 약10배). 일반적으로 철판가공 공정은 철판투입---가공(절단,절곡,용접,사상등)---운반---도금--운반---현장투입공정을 거친다. 도금공정이 최후공정이 되어야 철판 전체표면이 도금이 되어 부식을 어느정도 늦추게 되는데, 기존제품은 거꾸로, 도금공정이 선행된 제품이어서 절단면,가공면, 이송도중 도금파손부등은 조기 녹,부식발생을 피할수 없다. 또한 철탱크 속에 삽입된 부력체인 PE Form 미세프라스틱의 오염이 우려 된다.

둘째로 짧은 수명문제이다. 도금된 철판의 수명이 보통 20년으로 알려져 있다. 앞서 설명한대로 모듈 수명은 제조업체의 제품성능 보증기간이 25년이고 실제 사용 수명은 50년 이상이어서 철판 수명이 모듈 수명보다 짧기 때문이다.

셋째 중량문제이다. 철재는 비중이 7.8로 중금속에 속하는 중량물로 운반, 설치, 가공, 조립 비용이 높아 비경제적이고, 자체 중량의 부력을 보상하기 위하여 더 많은 철재 사용을 하게 되어 중량과 비용이 높아지게 되는 문제도 있다.

넷째 철거시에는 현재 도금철판 가격 1,500원/kg 대비 철재 스크랩 300원/kg정도로 거래 되고 있어 신재 가격 대비 잔존가치가 적어 철거 비용에 도움이 되지 못한다.

다섯째 침수 가능성문제이다. 비 밀폐형 철재 부력체는 리벳팅으로 접합이 되고, 부력체로 포리폼(PE Form)을 사용하고 있어 물의 침투를 막지 못하는 구조이어서 침수 가능성 우려도 있다.

본발명은 종래 수상태양광발전부력체로 사용되고 있는 프라스틱과 철판으로 제조된 부력체가 태양광모듈보다 수명이 짧고, 오염물질을 배출하는 문제점을 해결하기 위하여, 인류가 오랜 기간 생활필수품으로 사용하여 검증된, 내부식성이 강하고, 오염 물질이 최소화된 친환경적이고,사용 수명도 반영구적이고, 가벼워 제조,조립,설치가 손쉬운, 알루미늄 소재의 튜브형 부력관및 구조물과 알루미늄 고정 후레임을 비용접, 조립식으로 결합하여, 내구성이 높은 견고한 알루미늄 수상 태양광발전부력체를 제조하는 방법을 제공 하는데 그목적이 있다.

본발명을 해결하기 위하여는,수상 태양광발전용 부력체가 풍랑,결빙, 태풍등 악조건에도 안전하게 유지되는 구조의 설계와 소재 선택이 중요하다.

현재 수상 부력체로 사용할수 있는 소재로 프라스틱, 철판, 알루미늄,마그네슘등이 대상이 될수 있으나 철판은 부식,오염, 중량, 가공성, 수명의 문제가 있고, 프라스틱소재도 미세프라스틱오염,수명,안전성에서 문제를 안고 있고, 마그네슘도 생산성,가공성, 가격면에서 열세인 소재이어서, 결국은 알루미늄 소재가 가장 적합한 소재로 선택된다. 더욱이 발전소 철거시 알루미늄 소재는 잔존가치가 높아 철거비용에 큰 도움이 되는 장점도 갖고 있다.

부력성능도 국내의 경우 적설량 50CM/M2, 풍속 40M/s도 충족시키고, 어레이의 모듈과 부력체가 일체형으로 견고하게 결합되어 풍랑등 악조건에도 잘 견디는 구조여야된다.

이상과 같은 조건을 맞추기 위하여 알루미늄튜브를 밀폐 시켜 부력관(도5,도6,도7)으로 사용하고, 필요한 갯수의 부력체를 고정후레임(도8,도10)으로 견고하게 고정 시켜 일체화 시키고, 계류연결선도 고정후레임 받침대(18)에 연결함으로 악조건에서도 안전하게 유지 되는 알루미늄 부력체를 제조할수 있다.

이때 모든 알루미늄은 일종의 쎄라믹보호막처리(Anodizing)를 하여 부식을 차단 시켜 사용 수명을 더욱 연장 시킨다.

도3, 도4 와 같이 모든 자재는 알루미늄 소재로 내부식성이 철이나 프라스틱보다 우수하고 수질오염도 최소화되고, 반영구적인 수명으로, 태양광 모듈 수명 보다 길어서, 부력체 교체 없이 연속 발전을 가능케 하여, 안전성과 경제성을 갖춘 개선된 수상태양광발전알루미늄 부력체가 제조된다.

기존 프라스틱및 철판소재의 부력체가 환경오염성 문제와 , 모듈보다 짧은 수명등의 문제점이 있으나, 환경오염을 최소화 하고, 반영구적 수명의 내부식성이 우수한 알루미늄튜브소재의 견고한 부력체를 제공함으로 수상태양광발전소의 보급에 크게 기여 할수 있으며, 특히 국내 수상태양광발전소 계획 대상 저수지 3,415개에 태양광발전 용량 5,960MW 설치사업에 크게 기여 할수 있으며, 본 알루미늄튜브형 부력체는 어업용, 산업용,레져용 부력체로도 사용 되는 계기가 될것이다.

해외의 수상태양광발전 부력체 수출시장에도 진출하여 신재생에너지 보급에 기여도 하고, 환경 보호에도 크게 기여한다.

도1은 기존 프라스틱 부력체
도2는 기존 철판형 부력체
도3은 알루미늄 ㅡ자형 부력체
도4는 알루미늄 U형 부력체
도5는 알루미늄 원형 튜브 부력관
도6은 평형유지판 부착 알루미늄 부력관
도7은 알루미늄 사각형 부력관
도8은 좌우 고정 후레임
도9는 밀폐용 마개
도10은 중간고정 후레임및 쐐기

본발명의 알루미늄수상태양광 발전부력체는 밀폐형 알루미늄튜브(도5,도6,도7), 알루미늄 고정후레임(도8,도10), 알루미늄 모듈설치구조물,밀폐용 마개(도9),고정쐐기(17),볼트및 계류 장치로 구성이 되며, 구성 부품별 실시 방법을 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도3,도4에서와 같이, 밀폐형 알루미늄튜브는 도6와 같이 튜브 좌,우에 평형 유지판(12 )을 일체로 부착 시키고, 알루미늄 튜브 양측에 밀폐용 마개(도9)를 압입,밀폐시켜 밀폐된 내부공기의 부력을 이용한 부력체를 제조한다.

부력체의 좌우에 양날개 형태로 부착된 평형유지판(12 )은 물의 저항을 이용하여 수평을 유지 시키며, 부력체의 요동을 잡아 주는 기능을 하게 된다. 저수지 상태에 따라 수심이 낮고 풍랑등에서 안전할 경우에는 평형 유지판(12 )을 부착 하지 않을 수도 있다.

밀폐 방법으로 가능한한 비용접 방식을 채택 할것이며, 이유는 용접방식은 비용과 생산성 문제로 경제성이 떨어질뿐만 아니라 용접부위의 부식및 강도에서 취약점이 발생 되기 때문이다.

도 9에서, 밀폐용 마개는 알루미늄 판재를 튜브형부력관 내경과 같거나 냉박음 수축팽창계수만큼의 여유를(-70도C기준,+0.03) 주어, 가공하고, 외부면에 고정후레임 체결용 넛트(11)를 형성 시킨다.

마개(도9)의 역할은 튜브를 밀폐 시키는 역할과 고정후레임(도8)과 볼트로 고정 시키는 넛트 역할을 한다.

도 10에서, 중간 고정 후레임(도10)은 설치 장소에 따라 계산된 튜브형부력관 갯수에 맞춰 중간 고정 후레임( 도10 )의 부력관 고정홀( 15 )을 가공하고, 고정홀 내부에는 쐐기집(16 )을 형성 시켜 부력관을 삽입 하고 쐐기( 17)를 압입하여 고정 시키다.

도 8에서,양측 고정 후레임( 도8 )은 체결 볼트관통용 홀(20 )과 튜브 끝단이 걸릴 정도의 단차(14 )을 가공하여 알루미늄 튜브부력관(도5,도6,도7)와 밀착 시키고, 볼트로 견고하게 결합 시킨다.

도 3,도4는 실시예로써, 튜브형 부력관은 원형튜브부력관(도5,도6)및 사각형부력관(도7)을 사용 하는데 특히 어레이 전,후에 사각형부력체(도7)를 위치 시켜 작업자의 통로를 제공하여 안전도를 높혀, 부력 기능과 안전통로 기능을 동시에 수행하게된다.

이때 사각형부력관 상부에 모듈 설치용 구조물 고정브라켓( 13 )을 일체화 시킴으로 별도의 모듈고정용 부품과 공정을 줄일수 있어, 설치의 단순화,비용절감을 기하게 되고, 모듈을 보다 견고하게 고정 시켜 어레이의 안전성을 향상 시킨다.

도 8,도10에서, 부력체 고정 후레임 하단에 받침대( 18)를 형성 시켜 저수지 계류로프를 연결 하는 고리로 사용 하여, 장기간 물의 흔들림에도 파손없이 사용 가능 하고, 갈수기 모듈 어레이가 저수지 바닥에 주저 앉을때 어레이 보호를 위한 받침대(18) 역할을 한다.

부력체나 고정후레임,구조물등은 모두 부식에 강하고 오염이없는 반영구적인 수명의 알루미늄 소재이고, 표면은 일종의 세라믹보호표면처리(Anodizing)를 하여 내부식성을 향상 시켜 사용 수명을 더욱 연장 시킨다.

(실시예)

도3, 도4

11; 고정볼트 체결용 넛트
12; 평형유지판
13; 모듈고정브라켓
14; 단차
15; 부력체 고정홀
16; 쐐기집
17; 쐐기
18; 받침대
19; 계류장치 연결홈
20; 고정볼트 체결용 관통홀

Claims (11)

1. 일정 길이의 알루미늄튜브,튜브 양단을 밀폐 시키는 알루미늄 마개, 모듈을 설치하기 위한 구조물을 고정 시키는 브라켓, 튜브를 상호 연결 시키는 브라켓, 다수의 튜브를 삽입하여 조립 시키는 고정후레임으로 구성되는 수상태양광알루미늄 부력체에 있어서,
   상기 알루미늄튜브의 양단을 알루미늄 마개로 밀폐 시켜 물의 침투를 막아 기체로충진된 밀폐공간의 부력을 이용하는 부력체
2. 청구항 1에서,조립작업이나 갈수시 부력체의 안전을 위하여 보호용 다리가 부력체 하부에 부착된 부력체
3. 청구항 1에서,부력체 침수방지및 튜브 강화를 위하여 수개의 칸막이가 튜브 내부에 일체로 형성된 부력체
4. 청구항 1에서 모듈 설치용 구조물을 고정 하기 위한 브라켓이 튜브에 일체형으로 형성된 부력체
5. 청구항 1에서, 튜브 상호간 연결을 위한 브라켓이 튜브와 일체로 형성된 부력체
6. 청구항 1에서 튜브 상부에 작업자의 안전을 위하여 미끄럼 방지 장치가 형성된 부력체
7. 청구항 1에서 부력체및 구조물의 내식성 향상을 위하여 표면에 Anodizing 처리가 포함된 부력체
8. 청구항 1에서 부력체의 수평 유지를 위하여 튜브 전후에 평형유지판이 튜브와 일체로 성형된 부력체
9. 다수의 알루미늄튜브를 좌우,중간 고정후레임의 홀에 삽입하여 조립되는 부력체
10. 발전효율을 높히기 위하여 부력체 상부에 반사판이 부착된 부력체
11. 풍랑시 부력체 유닛의 안전을 위하여 부력체 유닛간 연결용 볼죠인트가 포함된 부력체
    
    

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