KR102281791B1

KR102281791B1 - 태양전지 모듈 설치 구조물용 내진 장치

Info

Publication number: KR102281791B1
Application number: KR1020200158350A
Authority: KR
Inventors: 서성집; 이종보; 이동현
Original assignee: 한국이미지시스템(주)
Priority date: 2020-11-24
Filing date: 2020-11-24
Publication date: 2021-07-26
Anticipated expiration: 2040-11-24

Abstract

본 발명은, 태양전지 모듈 프레임을 받치는 기둥과 지반에 고정되어 있는 파일 사이에 설치되어, 수직 면진부재와 수평 면진부재가 일체화된 판형 면진부재와, 실린더형 면진부재와, 댐퍼와, 스프링에 의하여 수직 방향의 진동과 수평 방향의 진동을 일으키는 강풍 및 지진 등 외력에 의한 진동을 효과적으로 흡수 및 저감할 수 있다.

Description

태양전지 모듈 설치 구조물용 내진 장치{Seismic Device for solar module structure}

본 발명은 태양전지 모듈 프레임을 받치는 기둥과 지반에 고정되어 있는 파일 사이에 설치되어 강풍이나 지진 등 외력에 의한 진동을 효과적으로 흡수 및 저감할 수 있는 태양전지 모듈 설치 구조물용 내진 장치에 관한 것이다.

오늘날 우리가 사용하는 대부분의 전기는 대부분 화력이나 원자력으로 발전되고 있지만, 화력이나 원자력은 환경을 오염시키는 문제가 있어 최근에는 자연력을 이용한 다양한 발전 기술이 개발되고 있으며, 이러한 자연력을 이용한 발전 기술들 중 하나가 태양전지 발전 기술이다.

태양전지 발전에서 경제성이 있는 전기를 얻기 위해서는 복수개의 태양전지로 이루어진 태양전지 모듈이 태양전지 모듈 프레임에 장착되며, 태양전지 모듈 프레임이 지상에 설치되어야 한다.

태양전지 모듈 설치 구조물의 설치 방법은 여러가지가 있을 수 있으나, 일반적으로 파일을 지하에 매립하여 외력에 견딜 수 있도록 하고, 파일의 상단부에 수직으로 기둥이 설치되고, 기둥의 상단부에 태양전지 프레임을 설치하게 된다.

그러나 지진이나 강풍에 의해 발생되는 외력은 파일 및 기둥을 통해 태양전지 프레임에 그대로 전달되어 태양전지 프레임 및 설치 구조물의 파손을 야기할 수 있으므로 이를 방지할 수 있는 내진 장치가 요구된다.

종래의 기술로서, 등록특허 제10-1150570호 "내진형 쏠라셀 장치"(2014년 2월27일 등록), 등록특허 제10-1722040호 "태양광모듈 설치용 내진 장치" (2017년 3월27일 등록), 등록특허 제10-2140485호 "태양광 모듈 설치 구조물용 내진 장치"(2020년 7월28일 등록) 등이 제안된 바 있다.

등록특허 제10-1150570호 "내진형 쏠라셀 장치"(2014년 2월27일 등록)는, 지지케이스 및 지지볼트가 그 내부에 수용되도록 바닥 앵글 및 지지 앵글 사이에 위치되고 하단은 지지 앵글에 상단은 바닥 앵글에 각각 지지되어 외력에 의한 진동이 흡수되는 압축 스프링이 포함되는 것을 특징으로 하는 내진형 쏠라셀 장치를 제안하고 있지만, 외력이 작용하는 경우 압축 스프링의 진동을 막는 댐퍼와 같은 장치가 구비되지 못한 결점이 있다.

등록특허 제10-1722040호 "태양광모듈 설치용 내진 장치" (2017년 3월27일 등록)는, 내진패드(10)의 오목홈(11)에 수용되며 태양광모듈 설치대(5)의 포스트(6,7)의 플레이트(9)와 접촉되는 강구(20)를 포함하여 구성되며, 강구(20)가 내진패드(10)의 오목홈(11)의 바닥면 중앙에 위치되도록 내진패드(10)에 인서트 사출되거나 또는 상기 오목홈(11)의 바닥면 중앙에 센터정렬홈(12)이 오목하게 형성된 것을 특징으로 하는 태양광모듈 설치용 내진 장치를 제안하고 있지만, 내진패드의 오목홈에 위치한 강구의 회전으로 수평 외력을 완화시킬 수 있으나, 수직 외력은 탄성의 내진패드로 막도록 되어 있으나 강구가 탄성이 없어 사실상 내진패드와 강구가 연동해서 수직 외력을 막기가 어려운 문제가 있다.

등록특허 제10-2140485호 "태양광 모듈 설치 구조물용 내진 장치"(2020년 7월28일 등록)는, 내진 장치에 있어서, 탄성을 갖는 판형상으로 이루어지되, 상면에는 삽입홀이 중앙에 형성되고, 삽입홀 주위에 상호간에 이격되면서 복수 개의 수용홈이 하측으로 오목하게 형성되는 몸체; 탄성을 가지면서 삽입홀에 대응되는 판형상으로 이루어지되, 상면에는 수용홈보다 큰 보조 수용홈이 하측으로 오목하게 형성되고, 삽입홀에 삽입되는 보조 몸체; 및 구 형상으로 이루어지되, 보조 수용홈에 수용되는 회전체를 포함하되, 복수 개의 몸체들이 하나의 기둥판과 하나의 베이스 사이에서 기둥판과 베이스에 대응하도록 위치될 때, 회전체는 보조 수용홈에 수용되어 이동 가능하도록 기둥판에 접촉되는 것을 특징으로 하는 기술을 제안하고 있지만,

탄성을 갖는 판형상의 보조 수용홈에 삽입되는 회전체의 회전으로 수평 외력을 완화시킬 수 있으나, 수직 외력은 탄성을 갖는 판형상으로 막도록 되어 있으나 회전체가 탄성이 없어 사실상 탄성을 갖는 판형상과 회전체가 연동해서 수직 외력을 막기가 어려운 문제가 있다.

등록특허 제10-1150570호 "내진형 쏠라셀 장치"(2014년 2월27일 등록) 등록특허 제10-1722040호 "태양광모듈 설치용 내진 장치" (2017년 3월27일 등록) 등록특허 제10-2140485호 "태양광 모듈 설치 구조물용 내진 장치"(2020년 7월28일 등록)

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 태양전지 모듈 프레임을 받치는 기둥과 지반에 고정되어 있는 파일 사이에 설치되어, 강풍이나 지진 등 외력에 의한 진동을 효과적으로 흡수 및 저감할 수 있도록 하여 태양전지 모듈의 오작동이나 태양전지 모듈 프레임의 파손을 방지할 수 있는 내진 장치를 제공하고자 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 태양전지 모듈 프레임을 받치는 기둥과 지반에 고정되어 있는 파일 사이에 설치되기 위한 태양전지 모듈 설치 구조물용 내진 장치에 있어서 : 상판과, 상기 상판의 하면으로부터 하부로 연장되며 하단부가 개방된 원통 형태의 상부 실린더를 포함하여 이루어지는 상판 실린더 ; 하판과, 상기 하판의 상면으로부터 상부로 연장되며 상단부가 개방된 원통 형태로서 상기 상부 실린더와 대향하도록 상기 상부 실린더의 내측으로 이격되어 배치되는 하부 실린더를 포함하여 이루어지는 하판 실린더 ; 상기 하부 실린더의 내부에 마련되는 스프링 ; 상기 스프링의 상단부에 마련되며, 상기 하부 실린더의 개방된 상단부를 밀봉하면서 상기 하부 실린더의 내주면을 따라 상하로 이동가능하게 마련되어 상기 하부 실린더에 밀봉된 공간인 실린더실을 형성하며, 상기 하부 실린더의 상단보다 낮게 위치되는 원판형의 댐퍼 하판과, 상기 댐퍼 하판으로부터 상부로 이격되되 상기 하부 실린더의 상단보다 높게 위치되는 원판형의 댐퍼 상판과, 상기 댐퍼 하판의 가장자리와 상기 댐퍼 상판의 가장자리를 연결하면서 내부에 완충실을 형성하는 원통형의 댐퍼 측판을 포함하여 이루어지며, 상기 댐퍼 하판에는 상기 완충실과 상기 실린더실을 연통시키는 복수의 오리피스가 형성되며, 상기 댐퍼 측판에는 상기 완충실과 외부를 연통시키는 복수의 공기 출입구가 형성되는 댐퍼 ; 상기 댐퍼 상판의 상면에 고정 마련되는 고무판인 수직 면진부재와, 상기 수직 면진부재의 상부에 적층되는 금속판으로서 상기 상판과의 접촉면을 줄이기 위하여 상부를 향하여 돌출되되 반구형의 복수의 돌출부가 형성된 수평 면진부재를 포함하여 이루어지며 상기 하부 실린더의 상단보다 높게 위치되는 판형 면진부재 ; 상기 하부 실린더의 외주면을 따라 마련되는 고무 탄성체인 실린더형 면진부재 ; 상기 상판 실린더가 상기 하판 실린더로부터 이탈되는 것을 방지하기 위하여 상단부가 상기 상판에 장착되며 하단부가 상기 하판에 장착되는 복수의 이탈 방지 부재 ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 오리피스는 상기 실린더실로부터 상기 완충실을 향하여 연장되면서 점차적으로 단면적이 감소하는 형태이며, 상기 공기 출입구는 방사상 외측을 향하여 상향 경사지게 형성되며, 상기 완충실에 제습제가 마련되는 것이 바람직하다.

상기에 있어서 : 상기 이탈 방지 부재는, 상기 상판에 형성된 상판 관통공과 상기 하판에 형성된 하판 관통공을 관통하는 볼트 몸체와 상기 볼트 몸체의 상단부에 형성되며 상기 상판의 상면에 안착되는 볼트 헤드를 포함하여 이루어지는 이탈 방지용 볼트와, 상기 볼트 몸체에 나사 체결되면서 상기 하판의 하면에 안착되는 이탈 방지용 너트를 포함하여 이루어지며 ; 상기 볼트 몸체의 미동을 방지하기 위하여 상기 상판의 상판 관통공에는 고무 탄성체인 관통공용 부싱이 마련되는 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 하부 실린더의 내주면에 윤활 기능을 가진 실린더 부싱이 장착되며, 상기 댐퍼의 댐퍼 측판에는 상기 실린더 부싱과 밀착되는 오링이 장착되어, 상기 댐퍼가 상기 실린더실을 밀봉하면서 상기 실린더 부싱을 따라 상하로 이동가능한 것이 바람직하다.

상기와 같이 본 발명은, 태양전지 모듈 프레임을 받치는 기둥과 지반에 고정되어 있는 파일 사이에 설치되어, 강풍이나 지진 등 외력에 의한 진동을 효과적으로 흡수 및 저감할 수 있어 태양전지 모듈의 오작동이나 태양전지 모듈 프레임의 파손을 방지할 수 있다.

특히 본 발명은 수직 면진부재와 수평 면진부재가 일체화된 판형 면진부재와, 실린더형 면진부재와, 댐퍼와, 스프링에 의하여 수직 방향의 진동과 수평 방향의 진동을 일으키는 강풍 및 지진 등 외력에 의한 진동을 효과적으로 흡수 및 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 일 실시예인 태양전지 모듈 설치 구조물용 내진 장치가 사용된 상태의 예시도,
도 2는 본 발명에 의한 일 실시예인 태양전지 모듈 설치 구조물용 내진 장치의 개념 단면도,
도 3은 도 2의 분리 단면도,
도 4는 도 3의 판형 면진부재의 평면도,
도 5는 도 4의 A-A 기준 단면도.

지진 일반

내진 장치를 설명하기 위하여 먼저 지진에 관한 일반적인 기술사항을 설명한다.

최근 리히터 규모 4.5 지진도 전국서 감지되고 있는 실정이다. 지진파의 진동수는 보통 0.5∼10Hz 범위가 많으며, 보통 지진 규모가 클수록 진동수는 작아진다.

국내에서 발생하는 지진파의 진동수는 2∼5Hz 정도로 진동수가 높은 쪽에 편중되어 있다. 따라서 고층보다 저층 건물의 피해가 더 클 수 있다.

내진 설계 방법은 기본적으로 지반과 건물을 떨어뜨려 놓아 지반이 전달하는 에너지를 덜 받게 하는 방법이다.

지진은 단층의 활동으로 생성된 에너지가 지층을 통해 파동으로 전달되어 지반이 흔들리는 것이다. 그 중 지표면에 대해 수평 방향의 파동이 건물의 하단을 흔들리게 하면, 상부에 관성력을 인가되면서 건물이 관성력을 견디지 못하면 피해를 입게 되는 것이다.

지진파의 종류와 특징

지진파(seismic wave)는 지진, 화산, 마그마의 이동, 산사태와 인간에 의한 폭발 등으로 발생하여 지각을 따라 퍼져 나가는 저주파의 파동이다. 지진이 발생하면 서로 다른 속도를 가지는 여러 종류의 지진파가 발생한다.

지진파는 그 특징에 따라 두 종류로 분류할 수 있는데 실제파(Body Wave)와 표면파(Surface Wave)로 구분할 수 있다. 실제파에는 P파(primary wave)와 S파(secondary wave)가 있으며, 표면파에는 L파(Love wave)와 R파(Rayleigh wave)가 있다.

실제파(Body Wave)

지각 내부를 통과해 전달되는 지진파를 말하며 P파와 S파의 두 가지가 있다.

- P파(Primary wave)

종파이며 압력파이다. 고체, 액체, 기체 모두 통과할 수 있다. 속도는 7~8km/s로 비교적 빠르기 때문에 지진 발생 이후에 지진 관측소에 가장 먼저 도달하며, 이 때문에 첫 번째를 의미하는 P파라는 이름이 붙었다. 진폭이 작아 P파로 인한 피해는 적다.

- S파(Secondary wave)

횡파이며 전단파이다. 액체와 기체는 전단응력을 가지지 않기 때문에 S파는 고체 상태의 물질만 통과한다. 속도는 3~4km/s로 비교적 느려 P파가 지진 관측소에 도달한 이후에 지진 관측소에 도달한다. 진폭이 커 피해가 크다.

표면파(Surface Wave)

지표면을 따라 전달되는 지진파를 말한다. 속도는 약 2~4.4km/s로 통과하는 매질은 지표면으로만 전달되어 가장 느려 진폭도 크고 피해도 크다. 표면파의 종류에는 L파(Love wave)와 R파(Rayleigh wave)가 있다.

- L파(Love wave)

표면을 따라 수평으로 운동하는 지진파로서 진행방향과 진동방향이 직각이므로 장파에 포함되며 파괴력은 매우 크다. 속력은 약 2~4.4km/s으로 세번째로 빠르며 지진관측소에서는 S파 다음으로 관측된다.

- R파(Rayleigh wave)

표면을 따라 직각으로 역회전 타원운동을 하는 지진파로서 진동방향과 진행방향이 직각이므로 장파에 포함된다. 파괴력은 지진파 중에서 가장 강력하며, 속력은 2~4.2km/s으로 러브파와 비슷하지만 대부분 러브파보다 느리고 지진관측소에서 L파 다음으로 관측된다.

내진 설계와 면진 및 제진

내진 설계(Seismic Design)란, 광의의 의미로 면진과 제진을 포함한 설계라고 할 수 있으며, 지진에 대해 대항, 진동에 견디는 구조로서 별도의 내진재료 또는 보조 구조물 등을 추가로 설계에 반영한 구조를 말한다.

면진(Escape)이란, 지진파가 갖고 있는 강한 에너지 대역으로부터 도피하는 구조로서 진동절연체를 이용하여, 구조물의 진동수 변경 등을 설계에 반영하는 것을 의미한다. 적층(Laminated) 고무판이나 납면진받침(LRB; Lead Rubber Bearing), 베어링(교량의 받침)을 그 예로 들 수 있다.

제진(Vibration Suppression)이란, 지진을 피하거나 받아들이는 것이 아닌 원리를 이용하거나 능동적으로 대처하는 구조를 의미한다. 수동형 질량 댐퍼(TMD; Tuned Mass Damper,) 능동형 질량 댐퍼 (AMD; Active Mass Damper)가 포함된다. 이는 지진이 발생하는 파장의 반대위상으로 질량을 움직여서 본 구조의 안정성을 유지하는 원리라고 할 수 있다.

한마디로 내진 장치는 상하좌우로 움직여 수직과 수평 진동을 모두 차단하는 것을 말하며, 스프링이 주로 수직 방향의 충격에 대응하는 데 비해, 댐퍼 면진 구조는 수직과 수평 방향의 충격 모두에 대응한다. 지진이 발생하면 면진 장치가 설치된 층이 상하좌우로 움직여 충격을 흡수한다.

내진구조 외에도 지진 피해를 더욱 효과적으로 줄일 수 있는 면진 구조 중에는 지진으로 발생하는 진동의 주기를 길게 변화시켜 구조물이 받는 에너지를 줄이는 방식이 있다. 파동의 에너지는 주기가 짧을수록 크기 때문에 이를 변화시켜 충격을 완화시키는 것이다. 지진 발생 시, 지반에 고정돼 있는 구조물의 경우 지진의 진동과 함께 흔들릴 수밖에 없지만 면진 구조로 건설된 구조물의 경우는 진동이 완화돼 전달되기 때문에 비교적 안전하다. 그러나 구조물 자체는 진동으로부터 비교적 안전할지 몰라도 구조물이 크게 움직인다면 주변 환경에 따라 얼마든지 위험해질 수도 있기 때문에 이를 막기 위해 설치하는 것이 바로 감쇠장치로서, 댐퍼(Damper)라 불리는 이 장치는 진동에너지를 소모해서 구조물의 흔들림을 점차적으로 완화시켜주는 역할을 한다.

스프링과 댐퍼(Spring and Damper)는 바늘과 실처럼 항상 같이 다니며 스프링과 함께 부착되어 스프링에 저장되었던 에너지를 인위적으로 소모함으로써(감쇠력을 발휘하여) 스프링의 출렁임을 진정시키는 장치가 바로 댐퍼(Damper)다. 댐퍼는 보통 가스나 오일로 채워진 밀봉된 실린더를 피스톤이 왕복하는 구조로 제작된다. 한쪽 챔버의 오일이 반대편의 챔버로 이동하는 과정에서 에너지가 소모되는 작용을 활용하여 변형되었던 스프링이 원래 위치로 복원되는 과정에서 생기는 출렁임을 줄여준다. 댐퍼는 신축이나 신장 두 운동을 모두 제어할 수 있으며, 복귀시간을 지연시킬 수 있으며, 복귀시간의 조정은 오리피스(Orifice)의 크기를 조정하면 된다.

상기 및 이하에서 감쇠력이란 것은 어떤 진동에 대하여 일정상태까지 그 진동을 정지시키는 힘을 말하며, 진동 방향에 대하여 역으로 움직이는 힘이다.

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.

도 1은 본 발명에 의한 일 실시예인 태양전지 모듈 설치 구조물용 내진 장치가 사용된 상태의 예시도이며, 도 2는 본 발명에 의한 일 실시예인 태양전지 모듈 설치 구조물용 내진 장치의 개념 단면도이며, 도 3은 도 2의 분리 단면도이며, 도 4는 도 3의 판형 면진부재의 평면도이며, 도 5는 도 4의 A-A 기준 단면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈 설치 구조물용 내진 장치(100)는, 다수의 태양전지 모듈(10)이 장착된 태양전지 모듈 프레임(20)을 받치는 기둥(30)과, 지하로 매립되어 지반에 고정되어 있는 파일(40) 사이에 장착된다.

본 태양전지 모듈 설치 구조물용 내진 장치(100)는, 기둥(30)과 파일(40) 각각에 나사로 체결되며, 상하좌우로 움직여 수직 방향 및 수평 방향으로 오는 모든 진동을 차단할 수 있다.

본 태양전지 모듈 설치 구조물용 내진 장치(100)는, 크게 상판 실린더(110), 하판 실린더(120), 스프링(130), 댐퍼(140), 판형 면진부재(150), 실린더형 면진부재(160), 이탈 방지 부재(170) 등으로 이루어진다.

상판 실린더(110)는, 상판(111)과, 상판(111)의 상부에 마련되는 기둥 결합부(112)와, 상판(111)의 하면으로부터 하부로 연장되며 하단부가 개방된 원통 형태의 상부 실린더(113)를 포함하여 이루어진다.

상판(111)은 사각판 형태이며, 상판(111)의 가장자리에는 복수의 상판 관통공(111a)이 형성되며, 상판 관통공(111a)에는 관통공용 부싱(111b)가 장착되어 있다.

기둥 결합부(112)는 기둥(30)과 용이하게 결합되기 위하여 볼트 형태인 것이 바람직하다. 이와 같은 볼트 형태의 기둥 결합부(112)는 소형 태양전지 모듈 프레임을 위한 내진 장치에 적용하기에 바람직하다.

하판 실린더(120)는, 하판(121)과, 하판(121)의 하부에 마련되는 파일 결합부(122)와, 하판(121)의 상면으로부터 상부로 연장되며 상단부가 개방된 원통 형태의 하부 실린더(123)을 포함하여 이루어진다.

하판(121)은 사각판 형태이며, 하판(121)의 가장자리에는 복수의 하판 관통공(121a)이 형성되어 있다.

파일 결합부(122)는 파일(40)와 용이하게 결합되기 위하여 볼트 형태인 것이 바람직하다.

하부 실린더(123)는 상부 실린더(113)의 내측에 상부 실린더(113)에 삽입되는 형태로 배치되며, 상부 실린더(113)와 대향하도록 상부 실린더(113)의 내측으로 이격되어 배치된다.

하부 실린더(123)의 내부에 스프링(130)이 마련된다.

스프링(130)의 상부에 댐퍼(140)가 마련된다.

댐퍼(140)는, 스프링(130)의 상단부에 마련되며 하부 실린더(123)의 개방된 상단부를 밀봉하면서 하부 실린더(123)의 내주면을 따라 상하로 이동가능하게 마련되어, 하부 실린더(123)에 밀봉된 공간인 실린더실(123a)를 형성한다.

실린더실(123a)의 체적은 댐퍼(140)의 상하 이동에 따라 가변된다.

댐퍼(140)는, 원판 형태의 댐퍼 하판(141)과, 상기 댐퍼 하판으로부터 상부로 이격된 원판 형태의 댐퍼 상판(142)과, 댐퍼 하판(141)의 가장자리와 댐퍼 상판(142)의 가장자리를 연결하면서 내부에 완충실(144)을 형성하는 원통형의 댐퍼 측판(143)을 포함하여 이루어진다.

댐퍼 하판(141)은 하부 실린더(123)의 상단보다 낮게 배치되면서 하부 실린더(123)의 개방된 상단부를 밀봉하면서 하부 실린더(123)에 밀봉된 공간인 실린더실(123a)를 형성하며, 완충실(144)과 실린더실(123a)을 연통시키는 복수의 오리피스(141a)가 형성된다.

오리피스(141a)는 실린더실(123a)로부터 완충실(144)을 향하여 연장되면서 점차적으로 단면적이 감소하는 형태이다. 즉 오리피스(141a)는 하부에서 상부를 향하여 연장되면서 점차적으로 단면적이 감소하는 형태이다.

댐퍼 측판(143)에는 완충실(144)과 외부를 서로 연통시키는 복수의 공기 출입구(143a)가 형성되며, 각각의 공기 출입구(143a)는 방사상 외측을 향하여 상향 경사지게 형성되며, 공기출입구(143a)의 외측은 댐퍼 측판(143)의 상측 가장자리에 형성된다.

따라서 완충실(144) 내부의 공기는 공기 출입구(143a)를 통하여 외부로 자유롭게 유동할 수 있다.

외부 공기가 공기 출입구(143a)를 통하여 완충실(144)로 흡입되고 완충실(144)의 공기가 실린더실(123a)로 흡입될 때 공기 중의 습기가 스프링(130)에 미칠 수 있는 여러가지 영향을 제거할 수 있도록 완충실(144)에 제습제(145)가 마련된다.

댐퍼 측판(143)의 외주면 하부에 오링(143b)이 장착되며, 오링(143b)에 의하여 실린더실(123a) 내부의 기밀이 유지된다. 댐퍼 측판(143)의 외주면 가장자리에는 오링(143b)을 위한 오링 장착홈이 형성되어 있다.

따라서 댐퍼(140)는 오리피스(141a)를 통하여 공기의 통과량을 적절히 제어하여 진동 감쇠 효과를 가지게 된다.

하부 실린더(123)와 댐퍼(140)의 접촉부에 대한 밀봉을 위한 수단으로, 하부 실린더(123)의 내주면에 실린더 부싱(123b)를 부착하고, 실린더 부싱(123b)은 윤활 기능이 있어 오링(143b)이 원활하게 상하 운동을 할 수 있으면서도 밀봉이 가능하도록 한다.

실린더 부싱(123b)의 재료는 윤활작용이 탁월한 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)이 적합하다.

이러한 방안은 하부 실린더(123)의 내주면의 정밀가공을 피하기 위한 수단일뿐이며 필요에 따라 PTFE 재질의 실린더 부싱(123b) 대신에 댐퍼 측판(143)의 외주면과 하부 실린더(123) 내주면을 정밀가공하여 실린더실(123a) 내부의 밀봉 기능을 향상시킬 수도 있다.
댐퍼 상판(142)은 원판형으로서 댐퍼 하판(141)으로부터 상부로 이격되되 하부 실린더(123)의 상단보다 높게 위치된다.

댐퍼 상판(142)의 상면에는 판형 면진부재(150)가 고정 마련되며, 판형 면진부재(150)는 하부 실린더(123)의 상단보다 높게 위치된다.

판형 면진부재(150)는 하부의 수직 면진부재(151)와 상부의 수평 면진부재(152)가 적층판 형태로 일체화되어 있다.

수직 면진부재(151)는 우레탄 고무판으로 수직 충격에 대한 면진 기능이 부여된 것으로, 특히 지진 표면파의 R파에 대응할 수 있다.

수직 면진부재(151)를 이루는 우레탄 고무(Urethane Rubber)는, 폴리에스터(Polyester)나 폴리에틸(Polyether)과 이소시아네트(Isocyanate)와의 반응에 의한 고무 탄성체로 고 탄성체이며 마모성이 다른 합성고무보다 뛰어난 것이 장점이 있다.

수평 면진부재(152)는 수평 충격에 대한 면진 기능이 부여된 것으로, 상판(111)과 접촉되기 위한 것이며, 인강강도가 큰 탄소강이나 스테인레스 등의 금속판으로 이루어지며, 상부를 향하여 돌출되는 반구형의 복수의 돌출부(152a)가 형성되어 상판(111)과의 접촉면을 줄일 수 있는 구조로 L파에 쉽게 미끌리도록 한다.

복수의 돌출부(152a)가 형성된 수평 면진부재(152)에 우레탄 등과 같은 재료를 발포하여 수직 면진부재(151)가 일체가 형성되도록 하면, 수평 면진부재(152)에 수직 면진부재(151)가 완전히 일체형으로 형성될 수 있다.

하부 실린더(123)의 외주면을 따라 실린더형 면진부재(160)가 마련된다.

실린더형 면진부재(160)는 실리더 형태의 고무 탄성체로서, 실린더 형태(원통형 형태)이므로 수평의 어떤 방향에서 외력이 밀려와도 면진이 가능한 구조이다.

즉 실린더형 면진부재(160)는 하부 실린더(123)와 상부 실린더(113)의 수평방향 진동 내지 충격을 면진한다.

실린더형 면진부재(160)는 특히 강풍이나 지진의 표면파 중 수평방향의 L파 진동이 면진되기 위한 것이다.

실린더형 면진부재(160)는, 진동이 태양전지 모듈 프레임(20)의 지지를 위한 기둥(30)으로 전달되지 못하도록 지진력을 분산 및 흡수할 수 있는 실린더 형태의 합성고무판으로서, BR(Butadiene Rubber) 및 NBR(Nitrile Butadiene Rubber)과, 우레탄고무(Urethane Rubber) 중에서 어느 하나가 선택될 수 있다.

또한 실린더형 면진부재(160)는, 고무재질의 열, 수분 및 자외선에 의한 심한 물성변화를 보완하기 위하여 PP(Polypropylene) 또는 PE(Polyethylene)와 고무재질이 공중합된 TPE(Thermal Plastic Elastomer)나 우레탄결합에서 결정화도가 높은 TPU(Thermal Poly-Urethane)로 제조되는 것이 바람직하다.

이때, 실린더형 면진부재(160)용 고무 탄성체는, 지진의 강도에 따른 진동을 충분히 흡수하고 진동에 의한 충격을 충분히 완화할 수 있는 두께 및 경도로 이루어지는 것이 바람직하며, 특히 경도는 Shore A를 기준으로 55∼75 정도의 경도가 바람직하다.

상판 실린더(110)가 하판 실린더(120)로부터 이탈되는 것을 방지하기 위하여 상단부가 상판(111)에 장착되며 하단이 하판(121)에 장착되는 복수의 이탈 방지 부재(170)가 마련된다.

이탈 방지 부재(170)는, 볼트 헤드(171a)와 볼트 몸체(171b)를 가진 이탈 방지용 볼트(171)와 이에 체결되는 이탈 방지용 너트(172)로 이루어진다.

볼트 몸체(171b)는 상판(111)에 형성된 상판 관통공(111a)과 하판(121)에 형성된 하판 관통공(121a)을 지나도록 배치되며, 볼트 헤드(171a)는 상판(111)의 상면에 안착되며, 이탈 방지용 너트(172)는 볼트 몸체(171b)에 나사 체결되어 하판(121)의 하면에 안착된다.

아울러 볼트 몸체(171b)의 미동을 방지할 수 있도록 상판 관통공(111a)에는 관통공용 부싱(111b)가 마련된다.

이와 같은 이탈 방지 부재(170)는 상판(111)과 하판(121)을 구속하여, 강풍과 같은 외력이 태양전지 모듈 프레임(20)의 하부에서 상부로 향할 때 내진 장치(100)의 상판 실린더(110)가 이탈되는 사고를 방지하기 위한 것이다.

또한 관통공용 부싱(111b)은 볼트 몸체(171b)의 미동을 방지하기 위한 것으로, 외력으로 내진 장치(100)의 상판(111)과 하판(121)이 상하좌우로 흔들릴 때 유동을 허용하며, 관통공용 부싱(111b)의 재질은 우레탄고무가 적합하며, 우레탄고무(Urethane Rubber)는 폴리에스터(Polyester)나 폴리에틸(Polyether)과 이소시아네트(Isocyanate)와 반응에 의한 고무 탄성체로 고 탄성체이며 마모성이 다른 합성고무보다 뛰어난 것이 장점이 있다.

한편 도 2에서 이탈 방지 부재(170)는 상단이 상판(111)에 장착되며 하단이 하판(121)에 체결되는 것으로 도시하였지만, 실시예에 따라서는 이탈 방지 부재(170)의 상단은 상판(111)의 상판 관통공(111a)을 관통하면서 상판(111)의 상면에 마련되는 기둥(30)의 하단부에 체결되고, 이탈 방지 부재(170)의 하단은 하판(121)의 하판 관통공(121a)을 관통하면서 하판(121)의 하면에 마련되는 파일(40)의 상단부에 체결되도록 할 수도 있다.

상기와 같은 본 장치의 작동을 설명한다.

강풍이나 지진의 표면파 중 수평방향의 L파와 수직방향의 R파 진동이 태양전지 모듈 프레임(20)에 밀려오면 일차적으로 판형 면진부재(150)에 의해 면진되고, 이차적으로 스프링(130)에서 면진되도록 구성된다.

또한 실린더형 면진부재(160)에서 강풍이나 지진의 표면파 중 수평방향의 L파 진동이 일차적으로 면진되고, 이차적으로 스프링(130)에서 면진되도록 한다.

강풍이나 지진의 표면파 중에 수직방향의 R파 진동이 올 때 내진 장치(100)의 스프링(130)은 신축을 통해 진동이나 충격 등에 의해 입력된 힘을 흡수한다.

그러나 스프링(130)은 자신의 변형을 통해 흡수한 에너지를 다시 원래 형태로 돌아가면서 해방하는 특성이 있으며, 이것을 주기 진동이라고 한다. 댐퍼(140)는 이 주기 진동을 최소화하기 위해 위치가 이동(스트로크)할 때에 저항을 발생시켜 운동 에너지를 저감시켜 주기 진동의 소멸을 앞당기는 역할을 한다.

외부 충격에 의한 스프링(130)의 수축은 실린더실(123a)의 체적이 줄어들면서 실린더실(123a) 내부의 압력은 올라가고, 이때 오리피스(141a)를 통과하는 단위 시간당 공기의 유동양이 증가한다.

반대로 스프링(130)의 신장은 실린더실(123a)의 체적이 늘어나면서 실린더실(123a) 내부의 압력은 낮아지므로 외부로부터 공기의 흡입이 필요하지만 오리피스(141a)를 통과하는 단위 시간당 공기의 양이 토출시보다 적어서 실린더실(123a) 내부가 대기압보다 낮은 진공상태가 되어 스프링(130)의 신장을 방해하므로 스프링(130)의 출렁임을 방지하는 즉, 댐퍼링(면진)이 발생하는 것이다

내진 장치(100)의 상판 실린더(110)와 하판 실린더(120)에서 수직 진동의 진폭이 전달되면 스프링(130)이 수축하면서 실린더실(123a)의 체적이 감소하면서 압력이 상승한 실린더실(123a) 내부의 공기는 오리피스(141a)를 통해 완충실(144)을 지나 공기 출입구(143a)을 통해 흘러 나가고 그 과정에서 충격에너지를 감소시킨다.

이때 스프링(130)은 외부 충격 직후에 저항력이 높아지면서 스트로크(Stroke)가 축소되었다가 다시 스트로크가 늘어나는 소위 스프링의 출렁임이 되는 에너지를 어떤 형태로든 저감시키지 않으면 스프링은 상하 왕복운동을 반복하면서 진동은 계속되겠지만 스프링(130)의 스트로크가 늘어나면 실린더실(123a)의 체적이 늘어나면서 동시에 실린더실(123a)의 압력이 낮아져 오리피스(141a)를 통해 외부에서 공기를 흡입하지만 그 속도가 느려 스프링(130)의 스트로크가 증가하는 것을 억제하는 것이다.

원형의 오리피스(141a)는 실린더실(123a)로부터 완충실(144)을 향하여 연장되면서 점차적으로 단면적이 감소하는 형태, 즉 댐퍼(140)의 완충실(144)을 향하면서 길이 방향으로 점점 가늘어지는 형태이므로, 지진력으로 인해 하판 실린더(120)가 상승하면 하부 실린더(123) 내의 스프링(130)이 수축할 때 실린더실(123a) 내부의 공기가 오리피스(141a)를 통해 완충실(144)로 쉽게 빠져나갈 수 있게 하고, 반대로 스프링(130)이 팽창할 때 완충실(144) 내부의 공기가 실린더실(123a)로 흡입되는 것을 지연시키므로 스프링(130)의 진동 진폭을 줄여 면진 기능을 높인다.

상술한 실린더실(123a) 내 공기의 압력과 부피에 대한 보일의 법칙은, 밀폐된 공간에서 온도가 일정할 때 일정한 질량의 기체에 대해 압력과 부피의 곱은 상수라는 의미다.

따라서 같은 조건에서 압력과 부피의 변화가 있다면 아래와 같이 표현할 수 있으며,

P1 x V1 = P2 x V2 = 일정 (P=압력, V=부피)

이 방정식은 기체가 담긴 용기의 부피가 증가하면 그에 비례해서 기체의 압력은 감소함을 보여준다. 마찬가지로 부피가 감소하면 압력은 증가한다.

스프링(130)은 강도에 따라 고유의 진동수도 다르므로 적합한 스프링을 선택하기 위해서는 먼저 지진파의 진동수를 고려해서 선정해야 할 것이다.

지구 지진 1회 시 발생하는 진동 지속시간은 대부분은 1분 내외이며, 지진파의 진동수는 0.0082㎐~10㎐ 정도이며, 큰 진폭은 1초에 1회 정도이다. 그러므로 스프링의 고유 진동수를 1~2Hz로 한정하는 것이 바람직하다.

스프링 상수(k)는 용수철과 같이 탄성체에 작용하는 힘과 그에 따라 생기는 탄성체의 변형을 비례관계로 표시해주는 상수를 뜻한다. 용수철과 같이 주어지는 힘에 따라 길이가 변할 때 늘어나기 탄성률 혹은 영률(Young’s modulus)이라고 하고, 용수철 상수는 용수철의 영률을 말한다.

k= W/A --------- 일정

여기서, W; 외부 하중(kg), A; 변형(mm), k; 스프링 상수(kg/mm)

따라서 외부에서 가해진 힘과 그때의 변형은 비례하는 것으로 외부 하중을 변형으로 나눈 값은 항상 일정하다. 이 값을 스프링 상수라 하고 단위는 보통 kg/mm로 나타낸다. 이 스프링 상수는 스프링의 강도를 나타내며, 강한 스프링은 스프링 상수가 크고, 약한 스프링은 스프링 상수가 작아진다. 또 스프링 상수와 외부 하중 및 진동수(C)의 관계는 다음 식으로 나타낸다.

C= 1/2π·(√(K.g))/W

여기서, K; 스프링 상수(kg/mm), g; 중력 가속도(9.8mm/sec), W; 외부의 하중(kg), C; 진동수(C/sec)

위 식에서 g와 π는 일정하므로 진동수는 스프링 상수에 비례하고 외부 하중에 반비례한다. 가령 스프링 상수가 일정한 경우에는 하중을 크게 하면 진동수는 감소하고, 하중을 일정하게 했을 경우 진동수를 작게 하려면 스프링 상수가 적은 스프링을 사용해야 한다. 그러나 스프링 상수가 너무 적은 스프링을 사용하면 변형이 커지고 강도에 좋지 않는 영향을 주게 된다. 일 예로 본 태양전지 모듈 설치 구조물용 내진 장치의 스프링(130)의 스프링 상수는 개략적으로 2~4kg/mm이고, 바람직하게는 3kg/mm가 적합하다.

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.

10 : 태양전지 모듈 20 : 태양전지 모듈 프레임
30 : 기둥 40 : 파일
100 : 내진 장치
110 : 상판 실린더
111 : 상판 111a : 상판 관통공
111b : 관통공용 부싱 112 : 기둥 결합부
113 : 상부 실린더
120 : 하판 실린더
121 : 하판 121a : 하판 관통공
122 : 파일 결합부 123 : 하부 실린더
123a : 실린더실 123b : 실린더 부싱
130 : 스프링
140 : 댐퍼
141 : 댐퍼 하판 141a : 오리피스
142 : 댐퍼 상판 143 : 댐퍼 측판
143a : 공기 출입구 143b : 오링
144 : 완충실 145 : 제습제
150 : 판형 면진부재
151 : 수직 면진부재 152 : 수평 면진부재
152a : 반구형의 돌출부
160 : 실린더형 면진부재
170 : 이탈 방지 부재
171 : 이탈 방지용 볼트 171a : 볼트 헤드
171b : 볼트 몸체 172 : 이탈 방지용 너트

Claims

태양전지 모듈 프레임을 받치는 기둥과 지반에 고정되어 있는 파일 사이에 설치되기 위한 태양전지 모듈 설치 구조물용 내진 장치에 있어서 :
상판과, 상기 상판의 하면으로부터 하부로 연장되며 하단부가 개방된 원통 형태의 상부 실린더를 포함하여 이루어지는 상판 실린더 ;
하판과, 상기 하판의 상면으로부터 상부로 연장되며 상단부가 개방된 원통 형태로서 상기 상부 실린더와 대향하도록 상기 상부 실린더의 내측으로 이격되어 배치되는 하부 실린더를 포함하여 이루어지는 하판 실린더 ;
상기 하부 실린더의 내부에 마련되는 스프링 ;
상기 스프링의 상단부에 마련되며, 상기 하부 실린더의 개방된 상단부를 밀봉하면서 상기 하부 실린더의 내주면을 따라 상하로 이동가능하게 마련되어 상기 하부 실린더에 밀봉된 공간인 실린더실을 형성하며, 상기 하부 실린더의 상단보다 낮게 위치되는 원판형의 댐퍼 하판과, 상기 댐퍼 하판으로부터 상부로 이격되되 상기 하부 실린더의 상단보다 높게 위치되는 원판형의 댐퍼 상판과, 상기 댐퍼 하판의 가장자리와 상기 댐퍼 상판의 가장자리를 연결하면서 내부에 완충실을 형성하는 원통형의 댐퍼 측판을 포함하여 이루어지며, 상기 댐퍼 하판에는 상기 완충실과 상기 실린더실을 연통시키는 복수의 오리피스가 형성되며, 상기 댐퍼 측판에는 상기 완충실과 외부를 연통시키는 복수의 공기 출입구가 형성되는 댐퍼 ;
상기 댐퍼 상판의 상면에 고정 마련되는 고무판인 수직 면진부재와, 상기 수직 면진부재의 상부에 적층되는 금속판으로서 상기 상판과의 접촉면을 줄이기 위하여 상부를 향하여 돌출되되 반구형의 복수의 돌출부가 형성된 수평 면진부재를 포함하여 이루어지며 상기 하부 실린더의 상단보다 높게 위치되는 판형 면진부재 ;
상기 하부 실린더의 외주면을 따라 마련되는 고무 탄성체인 실린더형 면진부재 ;
상기 상판 실린더가 상기 하판 실린더로부터 이탈되는 것을 방지하기 위하여 상단부가 상기 상판에 장착되며 하단부가 상기 하판에 장착되는 복수의 이탈 방지 부재 ;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 설치 구조물용 내진 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 오리피스는 상기 실린더실로부터 상기 완충실을 향하여 연장되면서 점차적으로 단면적이 감소하는 형태이며, 상기 공기 출입구는 방사상 외측을 향하여 상향 경사지게 형성되며, 상기 완충실에 제습제가 마련되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 설치 구조물용 내진 장치.
제 1 항에 있어서 :
상기 이탈 방지 부재는, 상기 상판에 형성된 상판 관통공과 상기 하판에 형성된 하판 관통공을 관통하는 볼트 몸체와 상기 볼트 몸체의 상단부에 형성되며 상기 상판의 상면에 안착되는 볼트 헤드를 포함하여 이루어지는 이탈 방지용 볼트와, 상기 볼트 몸체에 나사 체결되면서 상기 하판의 하면에 안착되는 이탈 방지용 너트를 포함하여 이루어지며 ; 상기 볼트 몸체의 미동을 방지하기 위하여 상기 상판의 상판 관통공에는 고무 탄성체인 관통공용 부싱이 마련되는 것 ; 을 특징으로 하는 태양전지 모듈 설치 구조물용 내진 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 하부 실린더의 내주면에 윤활 기능을 가진 실린더 부싱이 장착되며, 상기 댐퍼의 댐퍼 측판에는 상기 실린더 부싱과 밀착되는 오링이 장착되어, 상기 댐퍼가 상기 실린더실을 밀봉하면서 상기 실린더 부싱을 따라 상하로 이동가능한 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 설치 구조물용 내진 장치.