[태양광발전시스템의 안정성 과제와 대책 2] 태양광발전시스템의 내풍설계 및 사고방지를 위한 전략
태양광발전시스템(이하, PVS)은 가전제품과는 달리 옥외에 위치하고 있다. 이에 따라 바람·눈·지진·온도변화 등이 태양전지 모듈(이하, 모듈), 패널(빔〔beam : 구조물의 들보나 도리〕에 의해 연결되어 일체적으로 하중을 받는 모듈의 집합체), 어레이(패널의 집합체와 그 가대)를 변위시켜서 사고를 초래하고 있다. 법령은 각 외력 및 그들을 조합했을 시의 하중 산정방법을 정하여 이에 견디는 구조설계를 의무화하고 있으나, 그에 요구되는 계산이 제대로 실시되지 않아 PVS 사고가 반복되고 있는 실정이다. 그 중에서도 특히, 풍해(바람으로 인한 재해)는 심각한 결과를 초래하는 사고가 많다. 따라서 본고에서는 풍해에 초점을 맞춰 그 실례와 원인, 그리고 법적인 구조규제 및 설치업체를 둘러싼 상황을 소개하고,「어떻게 대책을 추진해 나가야 할지」에 대해 검토한다.
가대 낙하사고와 조사의 일례 PVS의 풍해는 설치자 스스로가 경제적 손실을 입을 뿐만 아니라, 제3자와 그 소유물에게도 가해를 입힐 수 있다는 점이 특징이다. 실제로도 날아오는 모듈 및 추락하는 가대는 다른 물체에 격돌(가해)하여 확대손해를 초래하고 있다.
그 일례로 2013년도에 발생한 태풍 26호의 강풍으로 인한 사고사례를 들어본다. [그림 1]은 어레이 낙하현장의 모습이다. 어레이는 그림에서 우측의 자택, 평지붕 건물 위에 설치되어 있었으나 목조 점포의 상공을 넘어 19m를 비행해 공가주 중턱에 격돌한 후 도로 중앙부 21m 지점에 낙하했다. 사고 당시의 풍속은 평균 10.7m/s, 순간최대 25m/s였다. 그 에너지는 법정 풍하중의 10% 정도이다.
가대와 피해물의 손괴 양태로부터 비행궤적과 수평투사(공기저항 무시)를 가정하여 이 식을 풀었더니, 어레이의 비행속도는 70~90km/h로 산정되었다. ([그림 2] 참조)
자손 피해는 △자택 전화선 절단 △저압 인입선의 제1지지점 파손 △점포의 처마기와 파손 및 서까래 파손이며, 제3자에 대한 가해 내역은 △공가주 파손, △인가 주차장 울타리 파손 △통행차량(승용차)의 추돌이었다. 다행히 사망자는 없었다. 이 밖에 주목할 만한 내용으로서 PVS 시공 시 주간(主幹) ELB가 중성선 결상 보호장치가 없는 기종으로 교체되어 있었다는 점, 사고 시에 인입 케이블의 외피가 열상을 입었다는 점을 들 수 있다. (케이블의 열상이 심층에 다다라 중성선 결상에 이르게 되면, 건물화재를 유발할 위험성이 있다) 자손(自損) 사고에서는 원상회복 비용이 종종 문제가 된다. 이 사례와 매우 비슷한 다른 두 가지 사례에서는 사고처리 및 재설치 시 도입비용의 수배에 달하는 약 일천만 엔 정도를 지출한 예가 있다. 한편, 이 사례에서는 기술적인 어려움을 이유로 재설치가 중단되고, 사고처리와 제3자에 대한 배상까지 미뤄진 적이 있다. 원상회복까지 실시할 경우, 총비용은 앞서 말한 2가지 사례보다 더욱 커지게 될 것이다. 다음으로 연구방법 책정과 정책 입안에 기여하는 것을 목적으로 현지조사 및 정보정리에 관한 실태를 보고한다. 글의 흐름은 「사고조사와 관련된 제반 과제의 소개」, 「본 조사에서의 대응」순으로 진행한다. PVS의 풍해는 소유자와 설치업자로 구성된 당사자들이 설계 체계를 잘 알지 못하여 생기는 것이기 때문에 조사 시 당사자들에게 어떤 자료가 필요한지 상세하게 전달할 필요가 있다. 즉, 정보수집에 앞서 기술에 대한 인식공유에 노력할 필요가 있다. 현장을 방문하여 PVS의 소유자에게 양해를 구한 뒤 사고영상 및 설계도서를 복사한다. 건물과 훼손물 간의 위치 관계 및 재료 단면의 치수재기는 인식공유 후의 작업이다.
그러나 그 이전에 구조에 관련된 일련의 조사들이 당사자와 조사자 모두에게 큰 부담을 준다는 사실을 강조해두고 싶다. 하나는 비용적인 문제이다. △사전조사 △현지조사 △정보분석 △사후처리 등 전체적인 지출은 직접적 지출과 기회손실과의 총액으로 수백에서 천만 엔까지 달한다.
또 하나의 문제는 당사자와 조사자 사이의 의사소통과 관련된 일반적인 유의사항이다. 사고에 대한 세부 내용은 관계자의 행정·사법처벌에 관한 우려와 수치심 때문에 공지화하기 어려운 부분이 있다. 그 원인은 통상 조사자 측에 있다. 연구자의 호기심이 피해를 입은 소유자의 심리적 치료 및 사후처리에 대한 지원을 넘어서면 협력은 얻을 수 없다. 한편, 소유자의 입장에 서서 사고처리 및 재판에 대한 대책 등 마지막까지 조력할 의사를 표명함과 동시에 설치업자의 심정을 헤아린다면 당사자의 협력하에 정보는 공유되고, 넓게는 사회 전반적으로 PVS 사고방지에 기여할 수 있는 방법을 모색할 수 있다.
본 조사는 위와 같은 배려 하에 실시된 것이다. 사고조사는 대체로 PVS 소유자와의 상호 신뢰 확립을 전제로 하고 있다. 사고의 물리적 원인에는 두 가지 점을 들 수 있다.첫 번째는 설계 시의 풍하중치가 법정치를 밑돌고 있었다는 점이다. 설치업자는 풍하중을 신중하게 계산하였다. 단 그 방법과 결과가 잘못되었다. 속인적(屬人的) 원인론으로는 풍하중의 설정 실수(외력 계산의 수행 에러)라고 할 수 있다. 두 번째는 전도 모멘트에 대한 저항 모멘트의 부족이다. PVS 풍해의 절반 이상은 배풍(背風)에 의해 어레이가 앞으로 떨어져서 발생하게 되는데, 이 전도 방지를 위해서는 가대를 강체(剛體)로 할 때의 서브어레이 단위로, 아래의 식의 전도 모멘트 Mw에 대해 저항 모멘트 Mr이 상회해야 한다.([그림 3] 참조)
계산의 주요부는 Mw를 지배하는 Fupwards·Lu와 Mr을 지배하는 Wballast·Lballast이다. Fupwards는 뒤에 설명할 식으로 구한 풍하중, Lu는 전도 힌지(hinge)(그림에서 ▲)에서 작용선으로의 수직선 길이, Fhorizontal은 어레이 배면의 충실률로부터 구한 풍력계수와 평균속도압의 곱, Wballast는 기초가대의 중량 혹은 앵커항력, Lballast는 전도 힌지에서 기초까지의 수평거리이다.
본건에서는 전도 모멘트 및 필요한 저항 모멘트의 계산이 실시되지 않았고, 앵커항력이 부족했다. 속인적 원인론으로는 내력계산의 누락(내력계산의 생략 에러)이라고 할 수 있다. 즉, 본건에서는 설계상의 실수가 있었던 것이다.
사고원인의 대부분은 시공상의 실수가 아닌, 설계상의 실수에 있다. 그 하나의 배경으로서 풍하중 산정의 난해함을 들 수 있다. 다음에 그 양상에 대해 해설한다.
구조설계의 규범 및 법률
확정론적 세계와 확률론적 세계
「내력 > 외력」의 부등식을 만족시키는 것은 제조업 전반의 상식이다. 「전선허용전류 > 전선통과전류」여야 하며, 건축물 및 PVS 등의 공작물은 그 내력이 풍하중 및 적설하중이라는 외력을 상회하도록 해야 한다.전기설계는 「전선허용전류 > 전선통과전류」를 요구하지만, 통상 사용함에 있어서 허용전류치가 통과전류치를 하회하여 전선이 소손된 것을 두고 「전류가 너무 컸다」며 외력에 그 책임을 묻는 사람은 없다. 보통은`「전선 단면적의 선택에 잘못이 있었을 것」이라고 생각한다.
그런데 구조의 이야기로 넘어가면, 이 부등식의 상식은 통용되지 않는다. WEB 등의 사고사례에서는 「태풍에 의해 이렇게 되었다」는 캡션들이 보인다. 사고의 진짜 원인은 내력부족에 있는데도 대부분의 사람들이 태풍과 같은 외력에 그 책임을 돌리고 있는 것이다.
그렇다면 어째서 전기공학과 구조역학에 있어서 이와 같은 인식의 차이가 발생하는 것일까. 전기공학에서는「내력 > 외력」의 관계가 과학계산을 통해 보증될 수 있다. 그것은 주어진 외력정보와 외력에 대항할 내력정보가 모두 설계자의 수중에 있기 때문이다. 한편, 구조역학에서는 그렇지 않다. 내력 관련 정보는 설계자의 수중에 있지만, 외력의 대상이 자연(自然)이기 때문이다.
이와 같이 전기와 구조 사이에는 고려해야할 외력이 「확정적 현상」인지 「확률적 현상」인지에 대한 차이가 존재하며, 이것이 사람들의 인식에 결정적인 영향을 미친다.
자연의 불확실성에 대해 어떻게 대응할 것인가 자연현상이 초래하는 외력의 범위는 크고 특정규모의 해일·태풍·지진은 수십 년에 한 번 꼴 또는 수천 년에 한 번꼴로 그 내습 시기 또한 불확실하다.그 때문에 결국은 완전히 부패되거나 진부화되어 사용성을 만족시키지 못하는 경우가 생기는데 그렇다고 해서 건축물 및 공작물을 모든 규모와 모든 빈도의 외력에 견딜 수 있도록 설계하는 것은 매우 비경제적라고 할 수 있다. 또한 마치 요새처럼 강하고 튼튼하게 만들었다 하더라도 그 내력을 외력이 상회하지 않을 것이라는 보장은 어디에도 없다. 이에 따라 건축물 및 공작물을 취급하는 구조설계에서는 사람들이 수용 가능한 「손상 수준」과 「빈도 수준」이라는 2가지 잣대에 근거하여 요구성능을 정하게 된다. 즉, 구조설계에서는 인간사회의 가치론을 척도로 의사결정이 이루어진다. 그렇다면 그 척도는 어떻게 도출되고 있는 것일까.
(1) 사회가 수용 가능한 손상 수준
신이 아닌 인간인 이상, 자연의 위력과 그 크기는 예측 불가능하다. 그러나 상정되는 피해규모에 대한 허용수준(내량)은 정할 수 있다. 그리하여 건축공학에서는 △사용한계 △수리복원 한계(손상한계) △안전한계라는 역치(한계치)와 이 3가지 한계에 의해 구분되는 4가지 상태를 가치론적 틀 내에서 제공하고 있다.([그림 4] 참조)
이 경우, 손상한계와 안전한계란 어떤 상태인가를 정의할 필요가 있다. 풍하중과 관련하여 「건축물의 구조관계기술기준해설서(2007년도판)」에서는 이하의 내력수준을 피해의 허용한도 규준으로 삼고 있다.
손상한계 : 허용 응력도 이하일 것 안전한계 : 소성 힌지가 형성되지 않을 것 변형능(變形能)을 갖는 경우에도 붕괴 메커니즘이 형성되지 않을 것
(2) 사회가 수용 가능한 빈도 수준
자연의 위력은 예측되는 내습빈도와 공용기간의 관계에 근거하여 평가된다. 즉, 어떤 확률에서의 견고성(또는 취약성)을 목표로 하게 된다.
이 발상을 정량화하기 위해 법령 및 학회규격은 어떤 규모의 외력이 기간 내에 초과하는 평균 시간 간격인「재현기간(再現期間) T」의 개념을 채용했다. 풍속의 재현기간 T에 관한 수학적 이미지와 그 의미는 각각 [그림 5]와 식(3)과 같다.
재현기간 T의 실제적 의미는 공용기간을 n, 설계용 재현기간을 T로 둘 때 「초과확률 P」의 식(4), 즉 현실의 외력이 상정외력을 상회하는 확률을 통해 드러난다.
건축기준법(건기법) 및 전기사업법(전사법)은 T의 최저기준을 50년으로 정하고 있다. 50년이라는 기간이 과잉설계를 연상시킬 수 있지만 그렇지 않다. [그림 6]에 T를 50년으로 할 때의 경과년수와 초과확률 P의 관계를 나타냈다. 공용기간으로 20년을 선택한 PVS가 그 기간 중에 손상을 입을 확률은 33%에 달한다.그러나 이것은 국가가 내세우는 규준으로서는 매우 허술하다. 사실 재현기간은 각 한계 상태와 결합할 때 의미를 가진다. 「건축물의 구조관계기술기준해설서」에서는 「드물게 발생하는 폭풍(재현기간 50년)에 대해 손상을 한정하여 파괴시키지 않을 것(대(對) 손상한계)」, 「극히 드물게 발생하는 폭풍(재현기간 500년)에 대해 비산(飛散)시키지 않을 것(대(對) 안전한계)」으로 하고 있다. 이 규준은 PVS에 대해서도 적용 가능하다.
(3) 설계용 풍하중 산정의 개요 현행법에는 PVS 관련 풍하중 산정식이 3개 있다. [그림 7]에 각 식의 산정대상과 수식구조를 나열했다. 식에서 V0은 재현기간 50년에서의 지역별 태풍 및 계절풍 등 최대평균풍속에 따른 「기준풍속」이다. Er은 지표면 조도가 평활한 만큼, 또 고도가 높을수록 커지는 「‘평균풍속의 높이 방향 분포’를 나타내는 계수」이다. A는 바람의 작용면적이다. 이상이 각 식의 공통점이다. 다음에 각 식의 거시적인 차이점에 대해 기술한다. 건기법 고시 1458호의 식은 외장재용 산정식(외장재식)이며, 평균속도압 q– 에 피크 풍력계수 C＾f 와 면적 A를 곱한 형태이다. 이에 대해 건기법 고시 1454호와 JIS C8955의 식은 구조골조용 산정식(구조골조식)이며, 속도압 q(공학에서는 피크 속도압 q＾)에 풍력계수Cf 와 면적A를 곱한 형태이다. 이상과 같이 외장재식과 구조골조식 간에는 평균속도압 q– 와 속도압 q, 피크 풍력계수 C＾f 와 풍력계수 Cf 라는 2가지 차이점이 있다. ([그림 8] 참조)
핵심은 세부 사항에 있다. 먼저 구조골조식에만 있는 거스트 영향 계수(gust response factor) Gf에 주목한다. Gf는 바람의 난류 및 바람의 변동 등 바람의 시공간적 변동에 대한 공작물 전체의 거동을 나타낸다. 구조골조에서는 풍력변동에 의한 부분적 하중 효과가 빔을 통해 전체에 분배되기 때문에 공작물 전체의 탄성적 거동을 전제로 할 수 있다. (응력분배, 면적효과, 규모효과) 이 양상을 나타내는 것을 목적으로 구조골조식은 풍향별로 일정한 풍력계수 Cf와 Gf의 곱으로 특징화되어 있다.
이에 대해 외장재(모듈 등 소면적의 부재)에서는 개개의 부재가 국소적 풍력변동의 영향을 직접적으로 받기 때문에 건물 표면에서의 배치별로 최대 풍력이 달라진다. 이 양상을 나타내는 것을 목적으로 외장재식에서는 바람의 국소적 변동이 피크 풍력계수 C＾f에 영향을 주고 있다.
그 결과, 구조골조와 외장재의 최대 하중효과는 크게 달라진다. 경사각 20도의 지붕일체형을 예로 들면, 강풍을 맞는 건물의 모서리 부근(초국부)에서 각 식의 산정 결과 1 : 2(구조골조 : 외장재)라는 하중차가 발생한다. 또 외장재식을 적용해야할 모듈에 구조골조식을 잘못 사용하면 풍하중을 과소평가하게 된다. 이는 「가대 재료」에 대해서도 마찬가지이다. 전기설비기술기준해석은 가대의 풍하중에 대해 JIS C8955를 참조하여 법규로서 적용하고 있다. 그러나 JIS의 식은 한때 주류였던 경사 지붕상에 패널을 크레인으로 양중하는 공법이나 [그림 9]에서의 격자형 가대를 대상으로 하고 있다. 즉, JIS는 구조골조 모델에만 적용 가능하다. 이것을 현재 주류인 종량형(縱梁型) 및 직접 고정형 등의 외장재 모델에 잘못 적용하게 되면 풍하중이 과소평가된다. 이러한 함정들이 「외력 계산은 실시했으나, 결과는 틀리게 나와 버리는」 수행 에러를 초래하는 것이다. 이 외에도 현행 전기 관련 법령은 PVS의 풍하중과 관련해 미비한 점들이 많아 향후 법령을 보완할 필요가 있다.
설계생략(외적요인)의 보조금 제도
일본에서는 PVS의 보급 확대책으로서 국민의 자유로운 경제활동을 바탕으로 한 시장원리(경쟁원리)에 정부가 적절히 개입하면 「저가격 ⇒ 수요증대」가 발생한다는 신념 체계하에 보조금 제도가 설계되었다.이 보조금 제도는 PVS의 설비 kW 단가에 상한을 설정해 상한치 이하인 것을 지급 조건(단가 실링)으로 하는 것이다. 즉, 「목표 kW 단가」보다 저렴한 PVS에는 보조금이 지급되고, 「목표 kW 단가」보다 높은 PVS에는 보조금이 지급되지 않는다. 제도의 목적은 보증서(권위논증)와 보조금이 이끌어내는 비용 절감이다.
그러나 「양산성」을 기대할 수 있는 가전과는 달리, 일품(一品) 수주 생산품인 건축 및 공작물은 「물건개별성」에 영향을 받게 된다. 콘센트 한 개만 보아도 배선거리 1m와 100m는 같은 한 단위라도 분명하게 원가가 다르다.
PVS도 이와 마찬가지로, 평지붕 설치 시의 가대재료·설계분량은 경사지붕 설치 시의 그것을 크게 상회한다. 이러한 사정을 생략하고 단가 실링이 일률적으로 적용되면 쉬운 안건에는 예산이 남아돌고, 구조설계 및 전용부재의 개발 등 많은 준비적 비용(준비비)을 요하는 안건에는 예산이 부족하게 되는 역진성(逆進性)이 발생한다.([그림 10] 참조) 이래서는 설계 의욕을 상실해버리게 된다. 중요한 사실은 보조금의 역진성이 위험방지에 필요한 설계를 실시하려는 자에게 족쇄로 작용하는, 즉 「정통 건설 기술에 대한 제재」로 변해 평지붕 설치 등의 난이도가 높고 원가가 비싼 안건에서의 설계·개발행동을 약화시킨다는 것이다.
이에 대해 설계 생략된 안건은 쉽게 보조금을 얻을 수 있게 된다. 보조금은 부정·비리의 보수로서는 대단히 매력적이며 그 유혹은 발주자를 부정행위로 이끌기도 한다.
발주자가 항상 피해자인 것은 아니다. 잇속에 눈이 멀어 설치업자에게 전기·구조법령의 위반과 기존 부적격 상태를 방치하도록 강요하는 사람은 많다.
이것은 마이너스 자원에 대한 제로섬 게임이라는 점에도 기인하고 있다. 지금 구조설계에 드는 비용을 b라고 하고, 그 부담자에는 X와 Y의 두 사람이 있다고 하자. b를 만족하기 위해서는 X에서 x엔, Y에서 y엔의 공출을 필요로 한다. 즉, x+y=b, y=-x+b의 익숙한 일차함수이다. 이 제로섬 게임에서는 양자가 b/2를 부담하는 경우를 제외하고 한쪽의 이득은 그대로 다른 쪽의 손실로 이어진다. 즉, 어느 한쪽 혹은 양쪽 모두가 패자가 되는 것이다. 이 상황에서는 b의 배분이 아닌 합의에 의해 게임을 포기하는 특별한 솔루션이 선택되어도 이상할 것이 없다.
이상의 내용을 토대로 주장하면, 단가 실링형의 보조금은 설계와 시공을 포함한 시스템 총액을 대상으로 해야 하는 것은 아니다. 또 위반에 대한 처벌은 설치업자뿐만 아니라, 악의를 품은 발주자에게도 엄격히 물어야 할 것이다. 예를 들어 마약 및 매춘을 근절시키고자 한다면 판매자뿐만 아니라, 구매자를 단속하지 않는 한 효과는 올라가지 않을 것이기 때문이다.
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