/태양광/ 14. 태양광 발전의 구조 및 화재 안전성

태양광 발전 시스템의 구조적 안전성과 화재 안전성에 대해 최신 기술 동향, 관련 안전 기준, 구조 안정성 평가 등을 종합적으로 분석하였습니. 건물일체형태양광(BIPV) 및 건물부착형태양광(BAPV) 설치 시 고려해야 할 하중, 내진, 내구성 등 구조적 측면과, 태양광 설비의 화재 발생 원인, 화재 확산 방지 대책, 방화 성능 기준 및 소방 대응 등 방재 측면을 분석해봤습니다.

구조적 안전성

하중 및 풍하중 분석

정적 하중 : 태양광 패널 자체 무게와 적설 하중을 건물 구조가 견딜 수 있도록 설계해야 합니다. 특히 지붕에 설치되는 BAPV의 경우, 패널과 거치대의 추가 중량이 지붕 구조물에 안전하게 분산되어야 합니다.

풍하중 : 태양광 모듈은 풍력에 의해 큰 양력(Uplift)이나 전도 모멘트를 받을 수 있습니다. 현행 건축 구조 기준은 지붕 태양광 패널에 작용하는 풍하중 계산 규정을 명시하고 있어, 패널 경사각, 지붕 가장자리로부터의 거리 등에 따른 설계 압력을 산정합니다. 풍하중은 패널 배열의 높이와 패널 크기가 증가할수록 커지므로, 추가 브레이싱(bracing)이나 구조 보강이 필요할 수 있습니다. 지붕 가장자리 부근 패널이나 첫 열의 패널은 내부 패널보다 풍하중을 더 크게 받아 1.5배의 부가계수를 적용하도록 규정되어 있습니다.

현장 실험 : 풍하중 평가는 풍동 실험과 전산 유체해석(CFD)을 통해 검증되고 있으며, 설계 시 이러한 결과를 반영하여 안전율을 확보합니다. 패널과 지붕 면의 간격, 패널 배열의 형상 등이 주변 공기역학에 영향을 주어 국부 풍압이 발생하므로 설치 전에 상세 해석이 필요합니다.

내진 설계 요구사항 및 지진 영향

고정 방식 : 지진 위험 지역에서는 태양광 구조물이 지진 시 탈락하거나 미끄러지는 것을 방지해야 합니다. 미국 등 일부 국가의 건축법은 중진 이상 지역의 옥상 장비는 반드시 구조물에 견고하게 체결되도록 요구하고 있습니다. 이는 단순히 패널의 자중이나 마찰에 의존하지 않고, 볼트 등 체결부재로 양방향 흔들림에도 견디도록 설치해야 함을 의미합니다.

볼라스트(ballast) 시스템 한계 : 지진 위험이 낮은 지역에서는 콘크리트 추 등을 활용한 무게식 고정(Ballasted PV)이 흔히 사용되지만, 지진 지역에서는 이러한 비고정식 시스템이 미끄러질 위험이 있습니다. 예컨대 캘리포니아 등에서는 평지붕 위 대형 상업용 PV 시스템도 지진대를 고려해 일부는 구조에 고정하거나 특별 승인을 받아야 합니다. 지진 시 미끄럼과 변위를 예측하기 위한 해석 모델과 진동대(shake table) 실험이 진행되어 왔으며, 이를 통해 마찰식 고정 시스템의 한계와 보강 방안이 연구되고 있습니다.

설계 기준 : 한국을 포함한 지진 설계 요구 지역에서는 태양광 구조물도 건축물과 동일하게 내진 설계에 준하는 검토가 필요합니다. 설치 각도, 패널 배열의 동적 거동, 접합부의 강성 등이 지진 하중 전달 경로에 영향을 미칠 수 있어, 구조 엔지니어가 지진력 산정 및 연결부 상세를 면밀히 검토합니다. 특히 넓은 면적의 옥상 패널은 지진 시 배열 전체가 공진하거나 충돌하지 않도록 모듈 간 간격과 고정 방식을 설계해야 합니다.

태양광 구조물의 장기 내구성 (부식, 재료 피로 등)

부식(Corrosion) : 옥외에 상시 노출되는 태양광 구조물은 습기, 비바람, 염분 등에 장기간 노출되어 금속 부식이 발생할 수 있습니다. 예를 들어 용접부위는 부식에 특히 취약하여 시간이 지날수록 강도가 저하되고 유지보수 비용이 증가합니다. 이를 방지하기 위해 알루미늄 합금(AL6005-T5) 부재는 아노다이징(양극 산화피막) 처리(1215㎛ 두께)를 하고, 강철 부재(Q235)는 용융 아연도금(약 80㎛ 두께)으로 표면을 보호하며, 볼트 등 체결재는 스테인리스강(SUS304) 소재를 사용하는 것이 권장됩니다. 이러한 재질 선정과 방청 처리로 2030년 수명을 요구하는 태양광 설비의 내구성을 향상시킬 수 있습니다.

재료 피로(Fatigue) : 태양광 패널 거치대는 풍하중의 반복 진동과 일교차에 따른 열팽창, 수축의 반복으로 재료 피로 누적이 발생할 수 있습니다. 긴 수명 동안 미세한 흔들림이 지속되면 볼트 풀림이나 금속 크랙이 생길 수 있는데, 실제 장기간 운전 중 볼트, 클램프 등의 파단 사례가 보고되고 있습니다. 장주기 반복 하중(예 : 바람에 의한 수만~수백만 회 진동)에 대비하여, 초기 설계 시 피로 해석을 수행하고 응력 집중부를 보강하거나 여유 강도를 확보해야 합니다. 특히 부실 시공으로 인한 편심하중이나 체결 불량은 일부 부품에 과도한 응력을 주어 피로파괴를 촉진하므로 표준화된 시공과 정기 점검으로 이러한 위험을 감소시켜야 합니다.

환경 영향 : 설치 환경도 내구성에 영향을 줍니다. 예를 들어 염분이 많은 해안 지역이나 산업단지의 부식성 가스에 노출된 설비는 일반 지역보다 부식이 빨리 진행될 수 있습니다. 따라서 해당 지역에서는 내후성 재료 선택과 주기적인 방청 도장, 부품 교체 계획을 세워야 합니다. 또한 강한 자외선(UV) 노출로 인해 패널 백시트 등의 폴리머 소재가 경년 열화되는 것도 고려하여, UV 안정화 처리된 자재를 사용하고 정기 점검 시 크랙이나 변색 여부를 확인하는 것이 좋습니다.

태양광 구조물의 고정 방식 (볼트 연결, 용접, 앵커링 등)

볼트 연결 : 볼트를 이용한 조립식 구조는 시공 속도가 빠르고 유지보수가 용이하여 현재 태양광 랙(rack) 시스템에 널리 쓰입니다. 볼트 체결은 현장에서 용접을 하지 않아도 되어 작업 안전성이 높고, 추후 부품 교체나 철거 시에도 용이합니다. 다만 풀림 방지 설계(이중 너트, 스프링 와셔 등)가 필수이며, 토크 렌치를 사용한 규정 조임으로 초기 시공 품질을 확보해야 합니다.

용접 연결 : 용접은 부재를 일체화시켜 강성이 높고 부재수를 줄일 수 있는 장점이 있습니다. 그러나 현장 용접은 품질 관리가 어렵고 용접부의 부식 문제로 장기적인 유지비가 증가합니다. 실제로 용접 브라켓은 1~2년마다 도장 보수 등 부식 방지 작업이 필요하며, 현장 용접 시 전력 공급과 용접기 운용 등의 추가 비용이 발생합니다. 미관 측면에서도 용접부 마감이 거칠어 현대 건축물 미적 요구에 부합하지 않는 단점이 있습니다.

앵커 및 기타 : 콘크리트 구조물에는 앵커 볼트로 거치대를 고정하며, 철골 구조물에는 클램프나 용접 플레이트로 연결하기도 합니다. 지면에 설치하는 경우 콘크리트 기초를 타설해 기둥을 세우거나, 스파이럴 앵커와 같은 지중 고정방식도 활용됩니다. 최근 동향으로는 지붕을 관통하지 않고 특수 접착제나 진공 흡착판으로 패널을 고정하는 연구도 진행 중인데, 이는 건물 방수층 훼손을 줄이는 장점이 있지만 구조적 안정성을 충분히 입증해야 하는 문제점이 있습니다.

태양광 설비와 건축물의 연계 구조 설계

BIPV : BIPV는 태양광 모듈이 건물 외피(지붕, 외벽, 창호 등)의 일부로 기능합니다. 따라서 건축자재로서의 역할(방수, 단열, 차폐)을 동시에 만족해야 하며, 건물 구조체와 일체화된 설치 방안이 중요합니다. PV 유리창이나 외벽 패널로 사용될 경우, 주변 프레임이나 연결 하드웨어가 모듈을 안전하게 지지하면서도 수분 침투를 막아야 합니다. BIPV 모듈은 국제표준 IEC 63092 및 지역 건축법 규정에 따라 구조적 성능과 화재성능 모두 건축 자재 기준을 충족해야 하며, 제조사는 이에 대한 상세한 설치 지침을 제공하고 있습니다.

BAPV : BAPV는 기설 건물에 별도의 랙을 설치하고 그 위에 모듈을 부착하는 방식으로 일반적으로 금속 프레임 랙킹(racking) 시스템을 사용합니다. 랙은 지붕면에 볼트 체결하거나 혹은 콘크리트 블록으로 고정하며, 경사지붕에는 지붕재 관통형 앵커로 장착됩니다. 이때 건물 구조에 집중하중이 발생하지 않도록 여러 지점에 고르게 부하를 분산시키고, 방수 처리에 유의해야 합니다. 또한 BAPV는 건물과 분리된 부가구조물이므로, 강풍 및 지진 시 건물과 랙 사이의 상대변위를 고려한 연결부 상세(슬립 채널 등)가 필요합니다.

건물 구조 체계와의 조화 : 태양광 설치로 인한 추가 하중을 건물이 거뜬히 견디려면 설계 단계에서 구조 계산을 통해 검증해야 합니다. 필요시 보강트러스 설치, 기존 구조부재 단면 증설, 또는 모듈 배치를 조정하여 안전율을 확보합니다. 특히 오래된 건물 옥상에 설치할 경우 내하력 평가를 거쳐 설치 규모를 결정합니다. 반대로 BIPV처럼 건축물에 통합되는 경우에는 모듈이 건물의 일부이므로 건물 완공 후 교체나 수리가 어렵다는 점까지 고려하여 신뢰성 높은 제품 선정과 이중 안전 설계를 적용해야 합니다.

화재 안전성

태양광 패널의 화재 발생 원인 및 주요 사례

전기적 요인 : 태양광 시스템 화재의 주요 원인은 직류 전기 아크(arcing) 발생이 있습니다. 패널과 인버터를 연결하는 DC 회로에서 접속 불량이나 절연 손상 등이 있을 경우 수백 볼트의 전압으로 아크_fault가 생겨 고온의 플라즈마가 주변 가연물을 발화시킬 수 있습니다. 실제로 전선 부식, 느슨한 연결, 손상된 케이블 등으로 인해 시간이 지날수록 아크 발생 위험이 증가하며, 이는 태양광 설비 화재의 1차적 원인으로 지목됩니다. 호주의 경우 조사에 따르면 PV 시스템의 DC 아크_fault가 수백 건 이상의 건물 화재를 유발한 사례도 보고되었습니다.

Hot Spot(국부 과열) : 태양광 모듈의 일부 셀이 그늘짐, 오염, 균열 등으로 국부적으로 과열되는 현상을 핫스팟이라고 합니다. 핫스팟이 발생하면 셀 온도가 급격히 상승하여 EVA 봉지재 등이 열분해되고 불이 붙을 수 있습니다. 부분 차폐로 인한 역전류 흐름이나 불량 다이오드에 의해 셀이 가열된 사례들이 보고되고 있으며, 이러한 과열은 모듈 내부 절연 파괴 및 발화로 이어질 수 있습니다. 제조 결함이나 노후화로 인해 발생한 미세균열도 시간이 지나면서 열화되어 핫스팟 위험을 높입니다.

기타 요인 : 접속함 및 인버터 과열, 불량 접지로 인한 지락(arcing)도 화재 원인이 될 수 있습니다. 접속함 내 느슨한 단자나 부실한 배선은 접촉저항 증가로 발열하고, 주변 플라스틱 부품을 점화시킬 수 있습니다. 또한 패널 주변에 낙엽, 새 둥지, 먼지 등이 쌓여 있다가 전기불꽃에 의해 가연물이 타면서 화재가 확대될 수 있습니다. 실제 사례로 대형 할인매장 옥상 태양광에서 접속부 화재가 발생해 지붕 전체로 불이 번진 경우가 있었고, 이로 인해 많은 패널을 리콜한 사례도 있습니다.

사례 분석 : 해외에서 보고된 태양광 화재 사고들을 보면 대부분 전기적 결함에 기인하며 인적 피해보다는 재산 피해가 컸습니다. 예를 들어 2018년 미국의 한 물류창고 옥상에서 PV 화재가 발생하여 지붕 구조 일부가 손상되고 설비를 교체한 사례, 2019년 한국의 한 태양광 발전소에서는 인버터 결함으로 화재가 발생해 수백 kW 규모의 설비가 전소된 사례 등이 있습니다. 이러한 사례들은 정기 점검과 안전 장치(아크_fault 검출기 등)의 중요성을 부각시킵니다.

태양광 발전 시스템의 화재 확산 방지 대책

방화 구획 및 차단 : 건물 옥상이나 대규모 지붕에 태양광 패널을 설치할 경우, 화재 시 불길이 전체 배열로 확산되는 것을 막기 위해 배열을 구획화하는 것이 필요합니다. 예를 들어 일정 면적마다 방화 간격(fire break)을 두거나 불연재로 된 패널 사이 방화판을 설치하여 한 구역에서 불이 나도 다른 구역으로 번지는 속도를 늦출 수 있습니다. 특히 BIPV 시스템의 경우 건물 내부로 화재 전파를 막기 위해 모듈 주위에 방화 차단재를 적용하고, 통기층(공기층)이 있는 시스템은 층간에 방화댐퍼를 두어 굴뚝효과로 불길이 상승하지 않도록 설계하는 것이 좋습니다.

Class A 등급 확보 : 옥상 태양광 시스템은 지붕의 방화등급을 저해하지 않도록 설치되어야 합니다. 미국 UL 1703/UL 61730 등의 표준에서는 모듈과 지붕 재료의 조합에 따른 화재 등급(Class A, B, C)을 부여하는데, Class A 등급은 최고 수준의 내화성을 의미합니다. Class A 방화 등급의 랙킹 시스템은 지붕의 기존 화재 성능을 떨어뜨리지 않도록 구성되며, 반대로 등급이 낮은 시스템은 지붕 화재 시 화염이 쉽게 확대될 수 있습니다. 따라서 패널, 지붕, 거치대 전체를 포함한 조립체가 Class A 등급을 만족하도록 제품을 선정 및 시공하는 것이 중요합니다.

케이블 및 접속부 관리 : 화재 예방을 위해 전기적 접속부의 품질관리와 케이블 정리가 필수적입니다. 모든 전선 연결은 규격 커넥터를 사용하고 정기적인 토크 점검으로 느슨해지지 않았는지 확인합니다. 또한 케이블이 깔끔하게 트레이에 수납되어 있으면 설치 미관 향상뿐 아니라 절연 피복 손상 방지와 쥐나 새 등에 의한 훼손 예방 효과가 있습니다. 필요시 케이블을 금속관에 넣거나 방화 슬리빙 처리를 해서 만에 하나 케이블에 불이 붙어도 확산되지 않게 조치해야 합니다.

아크_fault 차단 기술 : 전기 아크를 신속히 감지하여 차단하는 아크_fault 차단기(AFCI)의 활용이 늘고 있습니다. 인버터나 접속반에 AFCI를 내장하면 아크 발생 초기에 회로를 차단해 화재로 진행되기 전에 전원을 끊어줍니다. 미국 전기규정(NEC) 등에서는 일정 규모 이상의 태양광 시스템에 DC AFCI를 요구하고 있으며, 국내에서도 대용량 시스템에 이러한 능동적 화재 예방 장치 도입이 검토되고 있습니다.

BIPV/BAPV 시스템의 방화 성능 기준 및 내화 시험

건축자재 기준 : BIPV 모듈은 건물 외장재로 사용되므로 건축법상의 방화 성능 요구를 충족해야 합니다. 예를 들어 건물 외벽에 일체형으로 설치되는 PV 패널은 외벽 마감재에 요구되는 난연성 또는 불연성 등급을 가져야 하며, 지붕에 설치되는 경우 지붕의 방화 등급(Class A, B, C)을 만족해야 합니다. 국제전기기술위원회(IEC)는 BIPV 관련 표준 IEC 63092에서 BIPV는 관련 국가, 지역 건축 기준의 화재안전 요구사항을 따라야 한다고 명시하고 있으며, 미국에서는 UL 1703 (현재 UL 61730) 표준을 통해 태양광 모듈의 화재 안전성을 Class A (최고)부터 C까지 분류하여 건축물 적용 가능 여부를 판단하고 있습니다.

모듈 자체 시험 : IEC 61730 및 UL 61730 표준에는 태양광 모듈의 화재 위험성 평가가 포함되어 있습니다. 이는 모듈 뒷면의 봉지재(EVA 등)와 플라스틱 부품의 가연성, 화염 확산 정도를 시험하여 등급을 부여하는 것입니다. 또한 flame test 등을 통해 모듈 표면이 불꽃에 노출될 때 얼마나 견디는지 평가합니다. 제조 단계에서 이러한 인증 시험을 통과한 모듈만이 건물에 설치될 수 있습니다.

시스템 단위 평가 : 개별 모듈뿐만 아니라 BIPV 시스템 전체에 대한 화재 성능 시험도 중요합니다. BIPV가 설치된 지붕 조립체 전체의 UL 790 (ASTM E108) 화재 테스트를 실시하여, 화재 확산 속도와 연소 특성을 평가합니다. 만약 BIPV 패널이 건물의 내화구조(방화벽 등)의 일부를 이룬다면, ISO 834나 ASTM E119와 같은 내화 시험을 거쳐 일정 시간 이상 화재를 견디는지 검증해야 합니다. 이러한 시험을 통해 BIPV/BAPV 시스템이 기존 건축자재만큼의 방화 성능을 제공하도록 확인하며, 필요시 보조적 방화층을 추가하는 등의 보완 설계를 해야 합니다.

인증 및 규제 동향 : 유럽에서는 BIPV 제품에 대해 건축자재 화재성능 등급(EN 13501의 Euroclass 등급)을 요구하는 추세이며, 일본 등도 건물 일체형 태양광 모듈에 대한 별도의 방재 기준을 마련하고 있습니다. 국내에서도 향후 BIPV 적용이 늘어남에 따라 건축자재 방재 시험 기준을 태양광 모듈에 적용하거나, 한국소방산업기술원(KFI) 인증 등을 통한 성능 검증이 필요할 것으로 보입니다.

태양광 설비 화재 시 소방 대응 매뉴얼

전원 차단 : 태양광 화재 발생 시 가장 먼저 해야 할 일은 전기적 위험 차단입니다. 그러나 태양광 모듈은 빛을 받는 한 계속 전기를 발생시키므로 낮 시간대에는 완전한 전원 차단이 어렵습니다. 이를 위해 신속 차단 시스템(Rapid Shutdown)이나 DC 단로기를 설치하여 비상시 인버터 및 배열 단위로 전력을 차단하도록 합니다. 소방대원들은 건물 외부에 표시된 PV 시스템 차단 스위치 위치를 확인하고 신속히 DC를 차단하여 감전 위험을 낮추는 것이 중요합니다.

소방 접근 및 진압 : 옥상에 설치된 패널은 소방대의 지붕 접근을 어렵게 할 수 있으므로 설치 단계에서 소방 통로 확보를 고려해야 합니다. 국제소방코드(IFC) 등에서는 지붕 가장자리와 능선 부근에 일정 폭 이상의 비어 있는 공간(세로․가로 통로)을 두도록 권고하고 있으며, 국내 소방기준도 이를 참고하여 적용하고 있습니다. 화재 시 소방관들은 확보된 통로를 통해 접근하거나 필요시 패널 일부를 철거하여 환기 및 진입로를 만듭니다. 또한 패널 아래에서 불이 번질 경우, 지붕 아래나 내부에서 천장에 물을 살수하거나 천공을 통한 약제 주입 등의 우회 진압전술이 활용됩니다.

진압 시 주의사항

감전 위험 : 태양광 패널은 낮에는 계속 발전하므로 물을 살수할 때 전류가 흐를 위험이 있습니다. 가능하면 분무 형태로 살수해 누전을 막고, 소방관은 절연 장비를 착용해야 합니다.

독성 연기 : 태양광 모듈이 탈 때 발생하는 불소계 열분해 가스 등 유독가스에 유의하여 SCBA(공기호흡기)를 반드시 사용해야 합니다. 패널 파손 진압 중 패널이 깨지거나 구조물이 떨어질 수 있으므로 머리 위 추락물 위험을 살피며 작업해야 합니다. 이러한 내용을 담은 태양광 설비 화재 대응 매뉴얼을 제작하여 소방관들이 평시 훈련하고 숙지하도록 해야 합니다.

사후 조사 : 화재 진압 후에는 화재 원인 조사를 실시합니다. 태양광 관련 화재의 경우 전기적 요인인지 여부를 밝히기 위해, 인버터 로그 데이터 확보, 패널, 배선 손상 부위 분석 등을 수행합니다. 조사관들은 다른 발화 가능성을 배제한 후 태양광이 원인으로 지목되면, 전기 화재로 간주하여 아크 자국, 용융 흔적 등을 면밀히 살핍니다. 이러한 데이터는 향후 유사 화재 예방을 위한 귀중한 자료가 되며, 제조사의 결함 개선이나 설치상의 문제점 보완에 활용됩니다.

교육 및 훈련 : 건물주와 소방대원 모두를 대상으로 한 태양광 설비 화재 대응 교육이 중요합니다. 건물주는 자체적으로 열화상 카메라 등으로 패널 온도 모니터링, 정기 점검을 수행하여 초기 위험징후(핫스팟 등)를 발견하도록 하고, 소방대는 모의 화재 훈련을 통해 패널 화재 진압 절차를 연습합니다. 해외 여러 국가에서는 태양광 화재 대응 지침서를 발간하여 보급하고 있으며, 유럽에서는 VdS 3145 등의 가이드라인을 통해 PV 시스템 설치자와 소방관 간 공조 체계를 구축하고 있습니다.

태양광 발전 시스템의 구조적 안정성과 화재 안전성 확보를 위해서는 다학제적인 접근이 필요함을 알 수 있습니다. 구조공학적인 정확한 하중 평가와 견고한 시공, 소재 공학적인 내구성 대책, 전기공학적인 화재 예방장치, 그리고 건축, 소방 측면의 통합 설계 및 매뉴얼 마련이 어우러질 때 비로소 안전하고 신뢰성 있는 태양광 발전 시스템을 구현할 수 있습니다.