Modified Design of Floating Type Photovoltaic Energy Generation System

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(1)ISSN 2093-5145. 한국복합신소재구조학회 논문집 제1권, 제4호, 2010년 12월 J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. Vol. 1, No. 4, pp. 18-27, December 2010. 부유식 태양광 에너지 발전시설의 수정설계 4 3 2 이영근1 · 주형중 · 남정훈 · 윤순종. 홍익대학교 토목공학과 박사과정1,2,3, 홍익대학교 토목공학과 교수⁴. Modified Design of Floating Type Photovoltaic Energy Generation System 4 3 2 Lee, Young-Geun 1 · Joo, Hyung-Joong · Nam, Jeong-Hun · Yoon, Soon-Jong 1,2,3. Ph.D. Student, Department of Civil Engineering, Hongik University, Seoul, Korea 4 Professor, Department of Civil Engineering, Hongik University, Seoul, Korea. A bstract: We had designed and constructed floating type photovoltaic energy generation system . In this paper, we present the result of investigations pertaining to the development of links between unit m odules of the floating type photovoltaic energy generation system. The link system installed between the unit modules is made of pultruded FRP, tire, and polyethilene synthetic fiber rope. The link system is analized by the finite element method. The floating type photovoltaic energy generation system consisted of unit modules connected by link system is installed successfully at sea site. In addition, we present the m odified design of the floating type photovoltaic energy generation system based on the proto type system. Key W ords: floating type photovoltaic energy generation system , pultruded FRP member, finite elem ent m ethod, experiment. 1. 서 론 태양광은 무한한 에너지량을 가진 청정에너지이며, 화석연료의 이용에 의한 이산화탄소의 배출을 억제할 수 있다. 저탄소사회를 실현하기 위해서 태양광 발전 시스템을 비롯한 신재생에너지의 보급이 최근 전세계 적인 이슈가 되고 있다. 또한 경제적 효과면에서도 세계 각국이 태양광발전에 주목하고 있으며, 태양전 지의 제조에서 판매, 시공에 이르기까지 폭넓은 고용 효과가 기대되고 있는 실정이다. 근래 우리나라의 태 양광 발전시스템 도입실적은 2008 년 기준으로 스페 인, 독일, 미국에 이어 세계 4 위이며 사업규모도 점차 확대되고 있다. 하지만 태양광발전 사업의 확대에 따 라 태양광발전소 건설에 관한 문제점이 크게 대두되. 었다. 부실공사, 지반침하, 산사태, 환경파괴 문제뿐만 아니라 태양광발전소의 건립에 의한 가축의 성장저하 또는 폐사에 관한 정부의 연구가 진행되고 있는 실정 이다. 이에 따라서 일부 지방자치단체는 태양광발전 사업의 인허가를 중단하기도 하였다. 이 연구는 위에서 지적한 여러 가지 태양광발전의 문제점을 해결하고, 좁은 국토의 현실적 상황을 고려 해 보다 효율적인 국토이용을 위하여 수면 위에 대규 모 부유식 태양광 에너지 발전시설을 조성하기 위한 연구의 일부이다. 구조물은 강재에 비해 경량이며, 뛰 어난 내부식성을 가지면서도 단위중량당 강도가 크 고, 구조용 부재로써 대량생산이 가능한 PFRP (Pultruded Fiber Reinforced Polymeric Plastic) 을 사용하 여 설계하였다(Lee et al., 2009). 이미 2009 년 12 월 경 상남도 통영시 북신만에 부유식 태양광발전 단위구조. 주요어: 부유식 태양광발전 시설, 펄트루젼 FRP 부재, 유한요소법. 실험 Corresponding author: Yoon, Soon-Jong Department of Civil Engineering, Hongik University, 72-1 Sangsu-dong, Mapo-gu, Seoul 172-732, Korea. Tel: +82-2-3141-0774, Fax: +82-2-3141-0774, E-mail: [email protected] 투고일 : 2010년 10월 3일 / 수정일: 2010년 11월 5일 / 게재확정일: 2010년 12월 1일. 18. Korean Society for Advanced Composite Structures.

(2) Modified Design of Floating Type Photovoltaic Energy Generation System. 물 1 호기를 설치하였으며 이를 통하여 얻은 자료를 바탕으로 2 호기를 설계하고 유한요소해석을 통하여 수정된 구조물의 안전성을 검증하는 것을 목적으로 한다.. 2. 부유식 태양광발전 시스템 2.1 부유식 태양광발전 시스템(1호기)의 개요 1 호기로써 제작 및 설치된 부유식 태양광 에너지 발전시설의 형태는 Fig. 1 에서 보여주고 있는 바와 같 으며, 단위모듈 형태로 설계되어 발전용량에 따라 단 위모듈을 서로 연결하여 대규모 발전시설을 조성할 수 있도록 설계되었다. 단위모듈의 구성은 크게 태양 광판(Photovoltaic Panel), 이를 지지하는 지지시스템 (Supporting System) 및 부유시스템(Floating System)으 로 구성되어 있다. 단위모듈은 1 개당 총 16 장의 태양 광판을 설치할 수 있다. 지지시스템을 구성하는 FRP 부재는 펄트루젼 방식에 의해 생산되었고, 부유시스 템은 필라멘트 와인딩 방식에 의해 제작되었으며, 부 유시스템 내부에는 스티로폼 알갱이를 충전하여 예상 치 못한 충격에 의해 부유시스템이 파손을 입었을 경 우에도 부유체의 기능을 임시적으로 유지해 보수 할 수 있는 충분한 여유를 가질 수 있도록 설계하였 다.(Choi et al., 2010) 이를 모두 고려하여 구조물 전 체 크기는  ×  ×  로 설계하였으며 경상남도 통영시 북신만에 설치하여 변위 및 변형률 계측과 발전효율 계측을 수행하였다.. 풍과 같은 극한의 상황에서의 계측을 실시하였다. 계 측에 사용된 장비는 Kyowa 사의 4 채널 소형 다이내믹 레코더 EDS-400A 를 사용하였으며, 수상에서 측정을 진행해야하므로 전력공급을 위하여 리튬이온 배터리 팩 MaxPower300 을 연결하였다. EDS-400A 에 LVDT 와 Strain gage 를 연결하여 계측을 실시하였다. 변위의 계 측은 유한요소해석에서 가장 큰 회전변위를 가지고 있는 중앙 수평부재와 수직부재의 Tee 형 접합부에서 측정하였으며 형 보강재의 변형률과 중앙 휨부재의 중앙부의 변위, 그리고 태양광패널의 하부에 위치하 고 있는 I 형 부재의 중앙부, 태양광판의 뒷면 중앙부 의 변형률의 계측을 수행하였다. 계측 지점과 계측형 태, 계측에 사용된 EDS-400A 장비를 Fig. 2 에 나타내 었다.. Fig. 2 Measurement of Structural Displacement and Strain. 계측은 최소 30 분에서 최대 7 시간의 계측을 수행하 였고, 데이터의 대부분은 큰 영향이 없는 것으로 나 타났으며, 4 회에 걸친 계측의 최대 변위와 최대 변형 률을 에 나타내었다. 최대 변위의 경우 기존의 연구 (Choi et al., 2010) 에서 수행한 부재접합부 실험 중 현 재 계측한 형상과 하중방향이 동일한 Tee 형 접합부실 험의 데이터를 사용하여 구조적 안전성을 확인하였 고, 최대 변형률은 중앙 하단 휨부재 상단 플렌지에 서 발생하였으며, 이를 인장시험시 파괴변형률의 평 균값인 0.02mm/mm와 비교하여 충분히 안전함을 확인 하였고 Table 1 을 나타내었다. Fig. 1 The Floating Type Photovoltaic Energy Generation. Table 1. Result of Measurement. System (Proto Type). 2.2 변위 및 변형률 계측 1 호기의 설치 이후 구조적 변위 및 변형률을 6 월 10 월까지 총 4 회에 걸쳐 계측하였다. 특히 8 월 11 일 의 계측은 제4 호 태풍 뎬무가 상륙하는 시기로써 태. 구 분. 실험. 현장계측. 판정. 변위(). 24.83. 0.14. OK. 회전변위(˚). 4.06. 0.02. OK. 변형률(). 0.0205. 0.0027. OK. Vol. 1, No. 4, 2010. 19.

(3) Lee, Young-Geun · Joo, Hyung-Joong · Nam, Jeong-Hun · Yoon, Soon-Jong. 3. 부유식 태양광발전 시스템 단위구조물의 연결부 설계 및 시공 3.1 단위구조물 연결부 설계 각 단위구조물의 연결부는 지상에 설치되는 구조 물과 비교할 때 해상조건이라는 매우 복잡한 하중조 건에 충분히 저항할 수 있도록 설계되어야 한다. 또 한 수상에서의 작업을 최소화 할 수 있는 시공성을 고려한 설계가 필요하다. 단위구조물 연결부는 PFRP 와 폐타이어와 아스콘 코팅 로프를 사용하여 설계되 었으며 이는 일반적으로 가두리에 쓰이는 재료이다. 또한 손상에 대한 유지관리를 위하여 모든 부재는 볼트연결로 조립하도록 설계하였다. 폐타이어는 구조 물의 간섭을 방지하고 횡방향의 이동이나 풍하중에 의한 구조물 사이의 연결부 파괴를 방지하기 위하여 간격을 확보하는 역할을 한다. 폐타이어는 염수에 대 한 저항, 내한성, 내열성, 내후성( 자외선) 등의 시험 에서도 최대 6% 의 인장강도 저하만이 나타났으며 환 경영향시험 결과 오염물질의 용출량이 국제 환경 기 준치 이내로 나타나 환경적으로 이상이 없음을 알 수 있다(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2005). 또한 아스콘 코팅 합성로프는 로프의 부식 혹은 수분에 의한 강도저하를 방지할 수 있다. 부력체를 지지하는 ㄷ형 부재의 연단에  의 ㄷ형 부재를 수직으로 배치하여 폐타이어의 압축력 을 받을 수 있도록 설계하였으며, 단위구조물 사이의 인장저항 및 위치 고정을 위해 아스콘코팅 합성로프 를 사용하여 ㄷ형 부재와 타이어, 단위구조물을 고정 시키도록 설계하였다. 기존에 설치된 구조물에 비하 여 부력체를 고정하는 ㄷ형 부재의 길이를  에 서  로 증가시켜 기존 모듈과 설치되는 모듈 사 이에 발판을 설치하여 이동 및 유지관리의 편의성을 확보하였다. Fig. 3에 설계된 부유식 태양광발전 시스 템의 모듈간 연결부의 형태를 나타내었다.. Fig. 3 Connection Between Unit Structures. 3.2 유한요소해석 단위구조물간 연결부의 안전성 검증을 위하여 구 조해석을 실시하였다. 단위구조물 연결부는 유한요 소해석을 통하여 구조적 거동을 조사하였다. 해석에 사용한 프로그램은 상용 구조해석 프로그램인 Ansys 11.0 SP1 이며 구조물을 AUTOCAD 를 이용하 여 3D Solid 모델링을 하여 해석을 수행하였다. 해 석시 사용한 재료의 역학적 성질은 실험을 통하여 구한 탄성계수와 포아송비, 비중을 사용하였으며 (Choi et al., 2010), 폐타이어의 역학적 성질은 일반 적으로 타이어에 많이 사용되는 부틸S 고무의 역학 적 성질을 이용하였다. 로프의 경우 폴리에스테르의 역학적 성질을 사용하였으며, 파괴응력은 국토해양 부 고시 제2008 – 647 호(Notification No. 2008-647 of the M inistry of Land, Transport and Maritime Affairs) 에서 나타낸 폴리에틸렌 1 종 섬유로프의 절단하중 시험의 절단하중을 로프의 단면적으로 나눈 값을 사용하였다. 각각의 역학적 성질을 Table 2 에 나타 내었다. 연결부의 해석은 횡방향 압축과 인장력을 고려하 기 위하여 부유체의 수직방향의 하중을 제한하고 한쪽 단위구조물의 단부 횡방향 변위를 고정시킨 후 다른 한쪽모듈에 횡방향으로 투영면적에 풍하중 을 작용시켜 단위구조물간의 압축과 인장을 조사하 였다. Fig. 4에 구조해석 모델을 나타내었으며, Fig. 5에 하중조건 및 경계조건을 나타내었다. Table 2. Mechanical properties of PFRP, Synthetic Rope, and Tire 비 중. 탄성계수 ( ). 강도 ( ). 포아송비. ㄱ. 1.88. 38172.26. 521.53. 0.36. ㄷ. 1.88. 34491.49. 564.88. 0.32. I. 재 료. PFRP. 20. J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. 1.88. 30762.81. 402.58. 0.31. 로프. 1.38. 25000. 120. 0.3. 폐타이어. 0.92. 6. 50. 0.23.

(4) Modified Design of Floating Type Photovoltaic Energy Generation System. Fig. 4 Finite Elemnt Model of Connection Between Unit Structure. 존 설계지침에서 제시하고 있는 극한상황일 때의 조 합하중 보다 약 2 배 정도 큰 하중이다. 유한요소해석결과 CASE 1 의 ㄷ형 부재와 폐타이 어에 발생하는 최대응력은 각각 45.8 , 2.80  로서 작은 값을 나타내고 있음을 알 수 있다. CASE 2 의 경우 타이어는 인장력에 저항하지 않고 로프만 이 인장력에 저항하므로 로프의 절단응력과 비교하 였으며, ㄷ형 부재와 로프에 발생하는 최대응력은 각각 12.06 , 30.77 로서 작은 값을 나타내고 있음을 알 수 있다. 모든 부재에서 안전율이 3 이상 으로 크게 나타났으며 해석결과를 Table 3 에 정리하 여 나타내었으며, Fig. 6 과 Fig. 7 에 각각의 CASE별 응력 분포를 나타내었다.. (a) Loading condition (CASE 1 – Compression). (a) Result of stress for channel member. (b) Loading condition (CASE 2 – Tension). (b) Result of stress for tire Fig. 6 Result of FEM (CASE 1). (c) Boundary Condition Fig. 5 Loading and Boundary Conditions. 강구조물 설계나 교량설계 지침에서 제시하는 풍 하중, 적설하중, 사하중 등을 조합하여 재하하는 방 법이 있지만 이 연구에서는 태양광 모듈의 바람, 눈, 정지하중 또는 얼음 하중에 대한 내구성을 조사하기 위한 시험법 KS C IEC61646:2007 “ 지상용 박막 태 양광 모듈의 설계 요건과 형식 인증” 에 따라 하중을 재하하였다. 기계적 부하시험에 따르면 130 km/h( = 36 m/s = ±800Pa)의 풍압에 돌풍에 대한 안전계수 3 을 적용하면 2,400Pa의 하중이 산정되며, 추가로 눈 및 얼음의 무거운 더미에 견디는 것을 증명하기 위 하여 5,400Pa을 사용한다고 규정하고 있다. 이는 기. (a) Result of stress for channel member. (b) Result of stress for synthetic rope Fig. 7 Result of FEM (CASE 2). Vol. 1, No. 4, 2010. 21.

(5) Lee, Young-Geun · Joo, Hyung-Joong · Nam, Jeong-Hun · Yoon, Soon-Jong. Table 3. FEM Result of Connection Between Unit Structure 구 분 ㄷ형 부재의 최대응력 타이어 폴리에틸렌 로프. CASE 1 45.8  2.80 . CASE 2 12.06  30.77 . 치과정은 연결부를 포함한 새로 설치되는 단위구조물 을 제작한 후 부유체와 결합하고 크레인을 이용하여 수상에 띄워 설치 위치로 인양하였다. 설치 위치에서 기존 단위구조물의 연결부를 제작한 후 두 개의 단위 구조물을 연결하고 계류하는 순서로 진행되었다. 연결 부 제작에서 설치 및 계류까지의 과정을 Fig. 8 에 나타 내었으며 Fig. 9에 완성된 형태를 나타내었다.. (a) Fabrication of connection part (b) Attach floating object. Fig. 9 Floating Type of PV Energy Generation Structures Installed at the Sea Site (c) Installation on sea water. (d) Assemble PV panels. 4. 부유식 태양광발전 시스템 설계 변경. (e) Movement. (f) Fabrication of connection part for existing structue. (g) Connection. (h) Mooring. (i) Complete of installation Fig. 8 Process of Fabrication and Installation. 3.3 단위구조물간 연결부의 시공 단위구조물간 연결부는 수상에서의 작업이 어려우므 로 수상에서 작업을 최소화하기 위하여 사전에 연결부 를 제작, 타이어 설치 등의 과정을 지상에서 진행하였 으며 인양 후 기존 설치 모듈에 대한 연결부 설치 작 업만을 현장에서 실시하였다. 2010 년 11 월 1 일 ~ 2일 까지 통영 북신만에서 기존의 단위구조물과 신규 단위 구조물의 연결부 설치 작업을 진행하였다. 제작 및 설. 22. J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. 4.1 부유식 태양광발전 시스템의 설계변경 충분한 안전성을 확인한 1호기의 형태를 기반으로 2호 기의 설계를 진행하였으며 태양광패널 하부 횡방향 I형 부재를 양단내민보 형태로 설계하여 8개의 태양광 패널을 추가하였다. 이를 통하여 휨부재의 충분한 안전성을 바탕 으로 내민보형태를 통하여 발전면적을 늘릴 수 있었다. 또한 김의 연구에 따르면 파도 및 조류의 영향에 있어서 큰 구조물 하나가 있을 경우의 영향이 작은 구조물로 여러 가지가 배치될 경우보다 부분적인 응 력집중의 영향이 작다는 것을 바탕으로  의 부력 체를 12개로 나누어 배치하였다. 이에 따라 더욱 경제 적이고 실용적인 구조물이 되도록 발전용량은 증가시 키면서 PFRP부재의 양은 크게 증가하지 않는 시스템 을 고안하였다. 2호기는 1호기 대비 50%의 발전용량 이 증가하였으나 PFRP의 양은 27%만 증가되어 발전 용량 대비 시스템의 단가가 감소하였다. 1호기와 2호 기의 PFRP 부재의 양과 발전용량을 비교하여 Table 4 에 나타내었으며, 시스템의 형태와 2개의 모듈을 연결 한 시작품의 형태를 Fig. 10에 나타내었다. Table 4. Comparison of Proto Type and Modified Type Floating Type PV Generation Systems 구 분 1호기 2호기. 단위구조물  ×   × . 발전용량  . PFRP 물량 0.536 0.681.

(6) Modified Design of Floating Type Photovoltaic Energy Generation System. 태양광 모듈(1,619x980) C-130×70×10×10 H-150×150×10×10. 발판. 스티 로폼 속채 움. C-130×70×10×10. 스 티로 폼 속 채움. 스티로 폼 속 채움. 핸드레 이업. 핸드 레이 업. 핸 드레 이업. H-150×150×10×10. (a) Side view. 태양광 모듈 1,619×980. A-110×110×10×10. H-150×150×10×10. 부력재. 4.2 유한요소해석 부유식 태양광발전 구조물 2 호기에 대한 유한요소 해석은 MIDAS CIVIL 2009 를 사용하였으며 PFRP 부 재는 3D 프레임요소를 사용하여 모델링하였고 태양 광패널은 판요소를 사용하였다. PFRP 부재의 재료의 역학적 성질은 Table 2 와 동일하게 입력하였다. 경계조건은 두 가지 경우로 나누어 해석하였는데, 먼저 수상에 설치되어 사용될 때 부력체와 결합되는 6 개의 하부 형 부재와 부력체가 접하는 부분을 단 순지지된 것으로 가정(CASE 1) 하고 해석을 하였으며, 두 번째로 구조물을 제작하여 수상에 설치할 때 모서 리 네 점에 고리를 부착하여 인양하므로 이 네 점이 단순지지된 경우(CASE 2) 로 해석을 진행하였으며 Fig. 11 에 나타내었다.. 발판. C-130×70×10×10. 부력재. 부력재. 부력재. (b) Front view. A-110×110×10×10. (a) CASE 1. H-150×150×10×10. C-130×70×10×10 H-150×150×10×10. H-150×150×10×10. H-150×150×10×10. A-110×110×10×10. H-150×150×10×10. (b) CASE 2 Fig. 11 Boundary Condition. (c) Plan view. 하중 조건은 CASE 1 에서는 KS C IEC 61646 : 2007 에서 규정하고 있는 5,400Pa 과 비중을 통하여 구 해진 자중을 사용하였다. 하중방향은 태양광모듈의 전면으로 수직하게 작용할 때가 구조물에 미치는 영 향이 가장 크므로 태양광모듈에 수직도록 하중을 재 하하였다. CASE 2 에서는 인양조건에 맞추어 자중만 을 사용하였으며 Fig. 12 에 나타내었다.. (d) 3D model Fig. 10 Modified Type Floating Type PV Generation Systems. Vol. 1, No. 4, 2010. 23.

(7) Lee, Young-Geun · Joo, Hyung-Joong · Nam, Jeong-Hun · Yoon, Soon-Jong. Table 5. Safety Factor of FRP Structure by AASHTO (2001) 강 도 휨강도 전단강도 압축강도 인장강도 지압강도 (a) CASE 1. ㄷ. Fig. 12 Loading Condition. 유한요소해석을 통해 얻은 각각의 응력과 PFRP 부 재의 허용응력을 비교하여 각부재의 안전을 검토하였 다. AASHTO(2001) 에서 제안하는 안전율을 사용하였 으며 Table 5 에 나타내었다. 또한 세계적인 PFRP 제 조사인 Strongwell 사의 Design Manual(2010) 에서 제안 하고 있는 안전율과 AASHTO(2001)(Bank, 2006) 에서 제안하는 안전율이 같은 안전율을 사용하고 있으므로 이 안전율을 사용하여 안전성을 검토하였다.. ㄱ. ㄷ. ㄱ. (a) CASE 1. (b) CASE 2 Fig. 13 Result of FEM. 24. J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. 안전율. 없음. Table 6. Check for Safety of Structural Members 부 재. (b) CASE 2. 부재종류. 휨부재 압축부재 인장부재 전단부재 휨부재 압축부재 인장부재 전단부재 휨부재 압축부재 인장부재 전단부재 휨부재 압축부재 인장부재 전단부재 휨부재 압축부재 인장부재 전단부재 휨부재 압축부재 인장부재 전단부재. 유한요소해석 허용응력 max    ①  ② 185.40 154.50 231.76 26.37 162.54 135.45 203.18 31.18 194.52 162.10 243.15 29.10 185.40 154.50 231.76 26.37 162.54 135.45 203.18 31.18 194.52 162.10 243.15 29.10. ①②. 시험을 통하여 구한 부재의 인장파괴강도(KS M ISO 527-4, 2002) 와 전단파괴강도(KS M 3082 ,2007) 의 평균값에 안전율을 나누어 준 혀용응력과 유한요소해 석을 통해 구한 각 부재별 최대 휨, 압축, 인장, 전단 응력을 비교하여 Table 6 에 나타내었다. 유한요소해석 을 통하여 얻은 부재별 최대응력에 대하여 전단시험 을 통하여 구한 PFRP 부재의 파괴강도를 안전율로 나누어 준 값이 CASE 1 에서 I형의 전단부재의 경우 18.64MPa 의 전단응력을 보이며 허용응력의 70.7% 로 써 허용응력에 가장 가까운 값을 보이는 것을 알 수 있다. 또한 CASE 1 에서 I 형 휨부재와 형 휨부재의.

(8) Modified Design of Floating Type Photovoltaic Energy Generation System. 경우 경우 각각 25.54MPa 과 24.35MPa 의 응력을 보여 최대 응력을 나타내었으나 허용응력의 13.8% 와 15.0% 에 불과함을 알 수 있다. 이로써 모든 부재의 응력이 허용치와 비교하여 낮은 상태에 있으므로 부 유식 태양광 에너지 발전시설의 각 부재는 구조적으 로 안전함을 확인하였다.. 5. 변경된 부유식 태양광발전 시스템 시공 3 장에서 실시한 검토를 통하여 설계 변경된 구조물 의 안전성을 검증하였고 설계 변경된 구조물의 제작 을 실시하였다. 태양광 발전 구조물의 시공 단계는 Fig. 14 에 나타낸 시공흐름도에 따라 제작을 실시하였 고 현재 설치장소가 확정되지 않아 PFRP 부재의 생 산과 구조물의 제작을 우선 실시하였으며 설치위치를 확정한 후 설치장소의 여러 가지 조건을 고려하여 부 력체와 계류시스템을 각각 설계 및 제작할 예정이다.. ××. (a) I-shape. ××. ××. (b) Channel shape (c) Angle shape. Fig. 15 Dimension and Fiber Architecture of PFRP Members. (a) I-shape. (b) Channel shape. (c) Angle shape. Fig. 16 Metallic Pattern of PFRP Members. (a) Fiber supply. (b) Matrix impregnation. (c) Pulling. (d) Hardening. Fig. 14 Flow Chart of Installation. Fig. 17 Member Production by Pultrusion Process. 5.1 PFRP 부재의 생산 부유식 태양광 에너지 발전시설의 제작을 위해 펄 트루젼 방식을 통해 PFRP 부재인 I 형, 형, 형 3 가지 형태 단면의 FRP 부재를 생산하였다. 각각의 부 재는 보강섬유는 유리섬유를, 수지는 폴리에스테르수 지를 사용하였다. Fig. 15 은 생산된 각각의 부재의 단 면치수와 섬유배치 형태를 보여주고 있다. FRP 부재 를 생산하기 위한 금형은 Fig. 16 에 나타내었으며 이 는 1 호기에 사용한 금형과 동일하다. 부재의 생산은 ( 주) 경신화이바에서 실시하였으며, 각각의 생산과정을 Fig. 17 에나타내었다.. 5.2 FRP 부유체의 설계 구조물의 부유체는 파랑의 영향을 최소화하기 위하 여 원형단면으로 12 개의 각각의 부유체로 나누어 설 계되었고, 1 호기의 부유체와 마찬가지로 구조물의 자 중, 풍하중(KS, 2007), 흘수 등을 고려하여 단면크기 및 재료를 결정하였으며, 염해에 대한 내구성 확보를 위해 필라멘트와인딩 FRP 로 제작하였다(Gibson, 1994). 부유체의 형태를 Fig. 11 에 나타내었으며, 내경 1.0m, 두께 5.0mm, 길이 1.72mm 로 설계되었다. 구조 물의 설치 일정에 맞추어 부유체의 제작은 진행중이 다. 부유체와 구조물의 고정하는 방법은 기존의 어업 용 가두리나 바지의 제작시 사용하는 방법과 동일하 게 로프의 부식을 방지하기 위하여 아스콘코팅 합성 섬유로프를 사용하여 구조물을 매듭을 통하여 고정시 Vol. 1, No. 4, 2010. 25.

(9) Lee, Young-Geun · Joo, Hyung-Joong · Nam, Jeong-Hun · Yoon, Soon-Jong. 키는 방법을 사용할 예정이며 1 호기에 추가로 접속하 여 설치된 단위구조물에서 로프를 이용한 매듭을 이 미 사용하여 안전성을 검증하고 있다.. 스티 로폼 속채움. 스티로폼 속채움. 핸드레이업 마감. 단위를 3 개 제작하였으며, 4 단계에서는 가로 부재단 위를 4 개 제작하였고, 5 단계에서는 세로 및 가로 부 재단위를 결합하였다. 6 단계에서는 수직브래싱, 부유 체 가이드 및 발판 가이드를 설치하였고, 7 단계에서 는 태양광판을 조립하였으며, 8 단계에서는 연결부의 조립을 실시하여 구조물을 완성시켰다. Fig. 20 는 조 립의 각 과정을 간략하게 보여주고 있다. 제작한 구 조물의 설치 작업은 설치 위치가 확정되고 2 월경 설 치할 예정이며, Fig. 8 과 동일한 순서로 설치를 진행 할 예정이다.. 핸드레이업. Fig. 18 Design Drawing of Floating Object. 5.3 시공전 입고검사 생산된 PFRP I 형, 형, 형 단면의 부재에 대한 입고검사를 수행하였다. 입고검사는 KS M 3535 규정 에 따라 형재의 외형치수, 형재의 판 두께 치수, 직각 도 정도, 평면도 정도, 휨 정도의 오차, 뒤틀림의 허 용오차를 생산부재 중 30% 에 해당하는 부재에 대하 여 표본검사를 실시하였다. 또한 강재를 이용하여 제 작된 강재연결부재에 대하여 용접부검사와 방청상태 검사를 육안으로 실시하였으며 각 부재의 연결에 사 용되는 강재는 허용 오차를 0.5°로 제한하여 입고검 사를 실시하였다. 입고검사결과 PFRP 와 강재 부재 모 두 허용 폭 내에 있음을 확인할 수 있었으며 입고검 사를 마친 부재의 모습을 Fig. 19 에 나타내었다.. (a) Marking. (b) Cutting and drilling. (c) Assemble vertical unit (d) Assemble horizontal unit members members. (e) Connecting vertical and (f) Install guide member of horizontal unit members foothold. (g) Install foothold. Fig. 19 Checking for Receiving Products. 5.4 구조물 제작 구조물의 제작은 총 8 단계로 구분할 수 있다. 1 단 계에서는 모든 부재에 정단 및 천공 부위의 마킹을 실시하고 2 단계에서는 1 단계에서 마킹한 것을 바탕으 로 절단 및 천공을 실시한다. 3 단계에서는 세로 부재 26. J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. (h) Fabrication of connection part. Fig. 20 Fabrication of Modified Type Floating Type PV Generation Systems. 6. 결 론 이 연구는 PFRP 부재를 이용하여 부유식 태양광발 전 시스템을 개발하기 위한 것으로, 단위구조물에 대 한 수상 계측, 단위구조물의 연결부의 설계 및 시공,.

(10) Modified Design of Floating Type Photovoltaic Energy Generation System. 단위구조물의 설계 변경, 조립, 설치와 관련된 중요사 항에 대해 간략히 설명하였다. 우선 기존에 설치한 부유식 태양광발전 시스템의 수상에서의 상태를 알아보기 위하여 변위와 변형률의 계측을 실시하였고 이를 통하여 안전성을 평가하였 다. 또한 단위구조물을 추가로 설치함에 필요한 단위 구조물간의 연결부를 설계하였고 유한요소해석을 통 하여 안전성을 검증하였다. 그리고 연결부가 포함된 단위구조물을 제작하여 기존에 설치된 단위구조물과 의 연결부를 성공적으로 시공하였으며 현재 계측을 진행하고 있다. 1 호기에 대한 계측에 통하여 충분한 안전성을 확인 하였으므로, 부유식 태양광발전 시스템의 최적화를 위하여 설계 변경을 실시하였다. 이를 통하여 PFRP 부재의 양에 비하여 발전용량을 크게 늘릴 수 있었으 며 더욱 효율적인 부유식 태양광발전 시스템을 설계 하였다. 이에 대한 검증을 위하여 유한요소해석을 실 시하여 구해진 응력과 인장 및 전단실험과 FRP 의 허 용응력설계법에 의거하여 구해진 허용응력과 비교하 여 설계된 부재의 안전성을 평가하였다. 또한 설계 변경된 부유식 태양광발전 시스템의 제작을 실시하였 으며 이 과정을 간략하게 나타내었다. 현재 설치 위 치가 확정되지 않아 부유체와 계류 시스템의 형태는 확정되지 않았으며 2 월경 설치 예정이다. 현재 발전효율과 관련된 계측 및 현장설치 후 장기 적인 구조적 거동 특성을 조사하는 연구가 진행중이 며, 경제성을 만족할 수 있는 새로운 형태의 부유식 태양광발전 시스템의 형태를 개발하고 있다. 또한 FRP 설계방법에 대한 연구를 진행하여 더욱 안전하면 서도 경제적인 설계가 될 수 있도록 설계지침을 개발 하고 있으며, 시공 시 더욱 체계적인 시공을 할 수 있 도록 안전지침을 포함한 시공 지침을 개발하고 있다.. 감사의 글 이 연구는 한국 해양수산 기술진흥원의 미래해양기 술개발사업(F20833209H140000110)의 연구비 지원으로 수행되었으며, 연구비 지원에 감사드립니다.. S. J. (2010). “Structural design for the development of the floating type photovoltaic energy generation system.” Mat. Sci. Forum, Vols. 654-656, pp.2803-2806. Gibson, R. F. (1994). Principles of composite material mechanics, McGraw-Hill, Inc., New York. KS C IEC 61646. (2007). Thin film terrestrial photovoltaic(PV) modules – Design qualification and type approval, Korean Agency for Technology and Standards (KS), Seoul, Korea. KS M ISO 527-4. (2002). Plastics – Determination of tensile properties – Part 4 : Test condition for isotropic and othortropic fiber-reinforced plastic composites, Korean Agency for Technology and Standards (KS), Seoul, Korea. KS M 3082. (2007). Test methods for shear properties of fiber reinforced plastics by the V-notched specimen, Korean Agency for Technology and Standards (KS), Seoul, Korea. Kim T. H. (2009). Design of fishery farm system, Chonnal National University. Lee, Y. G., Joo, H. J., Nam, J. H., and Yoon S. J. (2009). Structural behavior of photovoltaic module frame, Proceeding of The Korean Society for Composite Materials. Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs. (2007). A Study on the Application of Waste Tires for Soil Improvement and Construction of Reinforced Retaining Wall, Research Report, Korea Institute of Construction & Transportation Technology Evaluation and Planning. Notification No. 2008-647 of the Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs. (2008). Standard. about structure, equipment, etc. of floating structures, Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs , Korea. Strongwell Corporation. (2010). Strongwell Design Manual, Strongwell Corporation, Virginia.. References Babero, E. J. (1998). Introduction to composite materials design, Taylor & Francis, Inc., Philadelphia. Bank, L. C. (2006). Composites for construction: structural design with FRP materials, John Wiley & Sons, Inc., New Jersey. Choi, H., Joo, H. J., Nam, J. H., Kim, K. S., and Yoon,. Vol. 1, No. 4, 2010. 27.

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