Development of the Floating Type Photovoltaic Energy Generation System

전체 글

(1)ISSN 2093-5145. 한국복합신소재구조학회 논문집 제1권, 제1호, 2010년 3월 J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. Vol. 1, No. 1, pp. 16-26, March 2010. 부유식 태양광 에너지 발전시설의 개발 2 최 훈1 · 주형중 · 남정훈³· 윤순종⁴ 2. 1 홍익대학교 토목공학과 박사과정 , 홍익대학교 토목공학과 박사과정 홍익대학교 토목공학과 박사과정³, 홍익대학교 토목공학과 교수⁴. Development of the Floating Type Photovoltaic Energy Generation System 3 2 Choi, Hoon 1 · Joo, Hyung-Joong · Nam, Jeong-Hun · Yoon, Soon-Jong⁴ 1. Ph.D. Candidate, Hongik University Ph.D. Candidate, Hongik University ³Ph.D. Candidate, Hongik University 4 Professor, Hongik University A bstract: In this paper, we present the result of investigations pertaining to the developm ent of the floating type photovoltaic energy generation system . Pultruded FRP has superior m echanical and physical properties compared with those of conventional structural materials. Since the FRP has an excellent corrosion-resistance and high specific strength and stiffness, the FRP m aterial m ay be highly appreciated for the development of the floating type photovoltaic energy generation system. In the paper, we discussed the development concepts of the floating type photovoltaic energy generation system, briefly. The m echanical properties of the FRP structural mem ber used in the development are investigated through the tensile and com pression tests. Test results are used in the finite elem ent analysis and the design of the system . In addition, bolted connections of the m em bers are briefly discussed and the strengths of FRP bolted connections are estim ated based on the results of experiments. The experim ental results are compared with the finite element analysis results and discussed briefly. The floating type photovoltaic energy generation system is designed, fabricated, and installed successfully in site. Key W ords: floating type photovoltaic energy generation system , pultruded FRP m ember, bolted connection, tensile test, com pression test, finite elem ent analysis, experim ent. 2. 1. 서 론 과거 산업화시대부터 오늘날까지 화석연료는 가장 중요한 에너지원으로 사용되어 오고 있으며, 인류사 회 발전에 큰 공헌을 한 절대적인 존재였다. 하지만, 과도한 화석연료의 사용으로 인해 오늘날 현대사회는 여러가지 환경문제에 접하고 있는 실정이다. 21 세기 에 들어서면서 여러 지역에서 지구온난화에 의한 이 상기후로 많은 피해가 발생하고 있다. 태풍이 점점 더 강해지고 있고, 국지성 집중호우로 인한 피해가 종종 보고되고 있다. 또한 해수온도 상승으로 인해. 해류의 흐름 특성이 바뀌고, 북극의 빙하 및 많은 섬 들이 점점 사라지고 있는 실정이다 (에너지관리공단 신재생 에너지센터, 2009). 이러한 이상기후 변화의 주범으로 논란의 여지는 있지만, 과도한 이산화탄소 를 배출하는 화석연료의 사용을 지목하고 있다. 이런 지구온난화를 방지 또는 지연시키기 위해서 세계 각 국은 신재생에너지 관련 기술개발을 미래사회의 경쟁 력으로 삼고 국가적으로 막대한 투자를 아끼지 않는 실정이다. 우리나라의 경우 2009 년 들어 그린홈 100 만호 보급 사업, 신재생에너지 타운 조성, 신재생에너지 융자지 원 사업 등 다양한 정부의 재정투자사업이 발표되면. 주요어: 부유식 태양광 에너지 발전시설, 펄트루젼 FRP 부재, 볼트접합부, 인장시험, 압축시험 , 유한요소해석, 실험 Corresponding author: Yoon, Soon-Jong Department of Civil Engineering, Hongik University, 72-1 Sangsu-dong, Mapo-gu, Seoul 121-791, Korea. Tel: +82-2-320-1479, Fax: +82-2-3141-0774, E-mail: [email protected] 투고일: 2010년 1월 31일 / 수정일 : 2010년 2월 25일 / 게재확정일 : 2010년 3월 2일. 16. Korean Society for Advanced Composite Structures.

(2) Development of the Floating Type Photovoltaic Energy Generation System. 서 사회적 관심이 신재생에너지에 집중되고 있다. 그 중 태양광 발전(Fig. 1 참조) 은 태양광을 직접 전기에 너지로 변환하는 기술로서 햇빛을 받으면 광전효과 (Photovoltaic Effect)에 의해 전기가 발생하는 태양전 지를 이용한 발전방식이다. 태양광발전시스템은 크게 태양전지(Solar Cell) 와 주변 프레임으로 구성된 태양 광판(Photovoltaic Panel) 과 축전지 및 전력변환장치, 태양광판을 지지하는 지지시스템(Supporting System)로 구성된다.. (a) 건물 부착형. (b) 지상형. Fig. 1 Solar energy generation (www.seoul-marine.com). 이 연구는 좁은 국토의 현실적 상황을 고려해 보다 효율적인 국토이용을 위해 수면 위에 대규모 부유식 태양광 에너지 발전시설을 조성하기 위한 연구의 일 부이다. 부유식 태양광 에너지 발전시설은 수상에 설치되는 부유식 구조물임을 고려해 내부성이 우수한 FRP 재료 를 사용하여 설계되었고, 또한, 국내의 지리적 환경조 건에 적합한 크기로 설계되어 발전효율의 극대화를 추구하였다. 연구에서 고려한 부유식 태양광 에너지 발전시설은 간편하게 조립 및 설치가 가능하여야 하며, 수면운동 에 따른 다양한 경계조건과 하중조건에 대해 구조적 으로 안전하게 설계되어야 한다. 이를 위해 부유식 태양광 에너지 발전시설은 볼트접합방식에 의해 조립 되도록 설계되었으며, 또한, 구조적 안전성에 대한 근 거를 마련하기 위해 다음과 같은 순서로 연구를 진행 하였다. 부유식 태양광 에너지 발전시설의 제작에 사 용된 펄트루젼 FRP 부재의 생산과정을 간단히 설명 하였으며, 인장 및 압축 시험을 통해 생산된 펄트루 젼 FRP 부재의 역학적 성질을 조사하였다. 조사된 재 료의 역학적 성질을 이용하여 부유식 태양광 에너지 발전시설 구조물에 대한 유한요소해석을 하였으며, 유한요소해석 결과 다양한 경계 및 하중 조건에서 부 유식 태양광 에너지 발전시설의 각 부재와 볼트접합 부의 하중전달능력을 평가하였다. 또한, 볼트접합부의 접합방식을 결정하기 위해 실내실험을 실시하여 다양 한 방식으로 제작된 볼트접합부의 하중전달능력을 조 사하였다. 조사된 볼트접합부의 하중전달능력을 유한. 요소해석 결과와 비교 분석하여 부유식 태양광 에너 지 발전시설의 볼트 접합방식을 결정할 수 있었다. 각각의 해석 및 실험 결과를 근거로 하여 성공적으로 부유식 태양광 에너지 발전시설을 조립 및 설치할 수 있었다.. 2. 부유식 태양광 에너지 발전시설의 설계 부유식 태양광 에너지 발전시설의 형태는 Fig. 2 에 서 보여주고 있는 바와 같으며, 단위모듈 형태로 설 계되어 발전용량에 따라 단위모듈을 서로 연결하여 대규모 발전시설을 조성할 수 있도록 설계되었다. 구 성은 Fig. 2(b)에서 보여주고 있는 바와 같이 크게 태 양광판(Photovoltaic Panel), 이를 지지하는 지지시스템 (Supporting System) 및 부유시스템(Floating System)으 로 구성되어 있다. 단위모듈 1 개당 총 16 장의 태양광 판을 설치할 수 있다. 지지시스템을 구성하는 FRP 부 재는 펄트루젼방식에 의해 생산되었고, 부유시스템은 필라멘트와인딩 방식에 의해 제작되었으며, 부유시스 템 내부에는 스티로폼 알갱이를 충전하여 예상치 못 한 충격에 의해 부유시스템이 파손을 입었을 경우에 도 부유체의 기능을 임시적으로 유지해 보수 할 수 있는 충분한 여유를 가질 수 있도록 설계하였다.. (a) 단위모듈. (b) 후면. (c) 측면. Fig. 2 Facility for floating solar energy generation. Vol. 1, No. 1, 2010. 17.

(3) Choi, Hoon · Joo, Hyung-Joong · Nam, Jeong-Hun · Yoon, Soon-Jong. 태양광 모듈 1,619×980. A-110×110×10×10. 발판. 스티로폼 속채움 C-130×70×10×10. H-150×150×10×10 H-150×150×10×10. 핸드레이업. 부력재. 핸드레이업. 핸드레이업. 핸드레이업 마감. (a) 정면도. 태양광 모듈(1,619x980) C-130×70×10×10 H-150×150×10×10. 발판. H-150×150×10×10. 스티로폼 속채움 핸드레이업. 스티로폼 속채움 핸드레이업. C-130×70×10×10. Fig. 2(C) 와 Fig. 3(b) 에서 보여주고 있는 바와 같이 First line 과 Second line 의 간격은 1.967 m 로 결정하였 다. 이는 우리나라 위도와 봄, 가을의 태양남중고도를 고려하여 Fig. 3(b)에서 보여주고 있는 바와 같이 태 양광판의 각도가 수면과 35°를 유지하며, First line 의 태양광판 상단과 Second line 의 태양광판의 하단이 이 루는 각도가 29.5°를 이루어 16 장의 태양광판이 동시 에 발전가능 시간을 극대화할 수 있도록 하였다. 또 한, Fig. 3(b) 에서 보여주고 있는 바와 같이 단위모듈 의 높이는 2.685 m 로 설계되었으며, 부유체를 제외한 지지시스템의 높이는 1.000 m 로 계획되었다. 이는 2004 년 국내 40~44 세 남성의 평균키가 170 cm( 통계청) 임을 고려하여 유지관리시 안전감을 느끼도록, 작업 자의 편의를 고려함과 동시에 수면과의 일정 높이 이 격으로 수면의 상하운동시 물이 태양광판에 직접 닿 는 경우를 배제하도록 하였다. Fig. 4 에서 보여주고 있는 바와 같이 부유식 태양 광 에너지 발전시설의 모든 부재는 볼트접합방식에 의해 조립되도록 설계되었으며, 이때, 35°, 55°, 90°의 볼트접합부가 존재하게 된다. 55 degree. (b) 측면도. 발판. A-110×110×10×10. 90 degree. 35 degree. H-150×150×10×10. C-130×70×10×10. H-150×150×10×10 A-110×110×10×10. C-130×70×10×10. H-150×150×10×10. H-150×150×10×10. 35 degree. 55 degree. 90 degree. Fig. 4 Details for connection. H-150×150×10×10. (C) 평면도 Fig. 3 Design for floating solar energy generation. Fig. 3 에서 보여주고 있는 바와 같이 구조물 전체 크기는 6.630 m × 7.000 m × 2.685 m 로 설계되었다.. 18. J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. 또한, Fig. 5 에서 보여주고 있는 바와 같이 수면의 상하운동에 따라 경계조건은 General과 Special인 경우 2 가지를 고려할 수 있다. General 은 평상시의 수면상 태를 표현한 것이며, Special 은 태풍 등의 원인으로 인해 수면의 상하운동이 활발한 경우를 표현한 것이 다. 부유식 태양광 에너지 발전시설에 작용하게 될 하중은 주로 바람에 의한 풍하중을 예상할 수 있으 며, 다양한 풍향을 고려하여 Fig. 5 에서 보여주고 있 는 바와 같이 풍향을 ~ 총 6 가지 경우를 고려 하였다. 풍하중이 작용할 경우 풍하중은 태양광판을 통해 지지시스템에 전달되며, 전달된 하중은 각 볼트접합 부를 통해 부유체와 수면의 접촉면에 전달되어 부력.

(4) Development of the Floating Type Photovoltaic Energy Generation System. 과 평형을 이룰 것이다. 하중이 전달되는 각 과정에 서 지지시스템의 각 부재와 볼트접합부는 구조적으로 안전하여야 하며, 이를 위해 인장시험, 압축시험, 유 한요소해석, 볼트접합부 실험을 각각 하였으며, 결과 를 서로 비교 분석하여 부유식 태양광 에너지 발전시 설의 각 부재 및 볼트접합부의 구조적 성능 및 설계 를 위한 근거자료를 마련할 수 있었다.. (a) I형. (b) ㄷ형. (c) ㄱ형. Fig. 7 Mold Shape. 부유식 태양광 에너지 발전시설 구조물의 제작을 위한 펄트루젼 FRP 부재는 ( 주)경신화이바에서 생산 하였으며, 각각의 생산과정은 Fig. 8 에서 보여주고 있 는 바와 같다.. (a) General. (a) 보강섬유삽입. (b) 매트릭스 함침. (c) 인발. (d) 경화. (b) Special Fig. 5 Boundary conditions and wind loads. Fig. 8 FRP fabrication process. 3. 펄트루젼 FRP 생산 및 부유체 제작. 110. 100. 130. 110. 150. 130. 10. 10. 10. 부유식 태양광 에너지 발전시설의 제작을 위해 펄 트루젼 방식을 통해 I 형, 형, 형 3 가지 형태 단면 의 FRP 부재를 생산하였다. Fig. 6 은 생산된 각각의 부재의 단면치수를 보여주고 있다. FRP 부재를 생산 하기 위하여 Fig. 7 에서 보여주고 있는 바와 같은 형 태의 금형을 제작하였다.. 구조물의 부유체는 파랑의 영향을 최소화하기 위하 여 원형단면으로 설계되었고, 구조물의 자중, 풍하중 (KS, 2007), 흘수 등을 고려하여 단면크기 및 재료를 결정하였으며, 염해에 대한 내구성 확보를 위해 필라 멘트와인딩 FRP 로 제작하였다(Gibson, 1994). 이 연구 에서 계획한 구조물이 수상에 부유할 경우 부유체 높 이의 약 20 % 가 수면 아래에 위치하도록 흘수를 결정 하였다. 이는 현장조사를 통해 장기간 해수에 놓일 경우 부력체 하부에 부유물이 부착되는 것을 고려한 수치이다.. 10. 70. 10. 70. 150. 10. 60 70. 10. 핸드레이업. 스티로폼 속채움. 100 110. 핸드레이업 마감. (a) I형. 핸드레이업. 10. 핸드레이업. (b) ㄷ형. 핸드레이업. 핸드레이업. 핸드레이업. (c) ㄱ형. Fig. 6 Section and dimensions for FPR. Fig. 9 Design for floating system. Vol. 1, No. 1, 2010. 19.

(5) Choi, Hoon · Joo, Hyung-Joong · Nam, Jeong-Hun · Yoon, Soon-Jong. (a) 원형관. (b) 핸드레이업 FRP 경판 제작. (c) 핸드레이업 FRP 경판 조립. (d) 이탈방지턱 설치. (e) UV차단 페인트 도포. (f) 부유체 완성. Fig. 10 Fabrication process for floating system. 부유체는 Fig. 9 에서 보여주고 있는 바와 같이 내 경 1.00 m, 두께 5.0 mm, 길이 7.350 m 로 설계하였으 며, 단부는 파랑이 구조물에 끼치는 영향을 최소화 하도록 곡률반경 750 mm 인 핸드레이업 FRP(Gibson, 1994) 경판이 결합되도록 설계하였다. 단부 핸드레이 업 FRP 와 원통관은 수밀성을 유지하도록 핸드레이업 방법을 통해 견고하게 부착되도록 하였으며, 또한 부 유체 상단부에는 부유식 구조물의 I형 부재와 맞닿는 부분에 높이 15 mm, 길이 200 mm 의 이탈방지턱을, 하 부에는 결합로프 이탈방지턱을 설치하였다. 부유체의 제작은 ( 주) 한국화아바에서 하였으며, 각 제작과정은 Fig. 10 에서 보여주고 있는 바와 같다.. 4. 인장 및 압축 시험 구조안전성 평가를 위한 해석에 사용되는 펄트루젼 FRP 부재의 역학적 성질을 측정하기 위하여 인장 (ASTM, 2008) 및 압축 시험을 하였다. 인장시험을 위해 Fig. 11(a), Fig. 12(a) 에서 보여주 고 있는 바와 같은 시험시편을 준비하여 시험을 하였 다. 준비된 시편의 수는 Table 1 에서 보여주고 있는 바와 같이 인장, 압축 시험 각각 I 형 부재는 플랜지 (Flange) 에서 5 개, 복부(Web)에서 5 개씩을 준비하였으 며, 형 와 형 부재에서는 각 5 개씩을 준비하였다.. 20. J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. (a) 시험시편. (b) 시험. (c) 파괴 1. (d) 파괴 2. Fig. 11 Tensile test for FRP. (a) 시험시편. (b) 시험. (c) 파괴 1. (d) 파괴 2. Fig. 12 Compression test for FRP Table 1. Testing specimens. 준비된 인장시편 중앙부 양쪽 표면에 각각 섬유배 치방향과 섬유배치직각방향으로 변형률 게이지를 설 치하였으며, 섬유배치방향과 일치하는 방향으로 하중 을 재하하였다. 인장시험으로부터 섬유배치방향의 탄 성계수( E ), 파단시강도( Ft ) 및 포아송비(  )를 얻을 수 있었다. 압축시편은 섬유배치직각방향과 수직하게 변형률 게이지를 설치한 후 섬유배치직각방향으로 하 중을 재하하여 섬유배치직각방향의 탄성계수( E ), 파 단시강도( Fc) 를 얻을 수 있었다(Babero, 1998). 시험결과 모든 인장시편은 게이지길이 내에서 취 성 파괴되었으며, 압축시편은 단부로부터 시편전체 가 압축되어 동시에 파괴되는 현상을 보이며 파괴되.

(6) Development of the Floating Type Photovoltaic Energy Generation System. 었다. 인장 및 압축 시험에서 얻어진 결과값을 정리 하여 Table 2 ~ Table 4 에 정리하여 나타내었다. Table 2 에서 각각의 탄성계수는 ASTM D3039/D3039M-00 에서 제안하고 있는 방법을 적용하 여 Fig. 13 에서 보여주고 있는 바와 같은 응력- 변형 률 그래프에서 변형률 1,000  3,000  구간의 기 울기로부터 결정하였다( 김 등, 2009).. Table 4. Poisson's ratios for FRP 시험 종류. 시편. 인장. 1 2 3 4 5 평균. I형 플랜지 0.368 0.341 0.186 0.154 0.210 0.246. 복부 0.269 0.312 0.027 0.271 0.264 0.268. ㄷ형. ㄱ형. 0.343 0.200 0.303 0.333 0.301 0.312. 0.162 0.325 0.303 0.313 0.314. 500. Stress, s (MPa). 400. 5. 유한요소해석. 300. 200. Long itudinal Transverse. 100. 0 -0.010. -0.005. 0.000. 0.005. 0.010. 0.015. 0.020. Strain, e (mm/mm). Fig. 13 Test results Table 2. Material properties for FRP (GPa) 종류. 인장 (E ). 압축 (E ). 시편 1 2 3 4 5 평균 1 2 3 4 5 평균. I형 플랜지 32.78 33.57 36.37 32.41 39.59 34.24 16.58 12.98 11.81 13.14 14.26 13.46. 복부 30.8 29.37 29.27 31.91 29.3 29.82 8.37 12.04 13.24 8.71 13.68 12.99. ㄷ형. ㄱ형. 33.36 34.54 35.71 39 34.77 35.01 5.73 18.38 4.88 6.03 5.55. 41.54 30.46 33.34 59.58 33.26 36.05 9.48 12.11 14.25 14.01 15.08 13.46. ㄷ형. ㄱ형. 603.79 598.48 555.52 559.56 577.84 578.63 157.72 158.79 160.20 153.37 158.90. 516.56 493.16 521.54 524.91 562.75 521.00 155.24 145.24 154.51 141.76 163.15 151.66. 설계된 부유식 태양광 에너지 발전시설의 구조안전 성을 확보하고 실제 제작에 사용할 FRP 부재를 생산 하고, 부재의 볼트접합부의 형태를 결정하기 위해 유 한요소해석을 하였다. 유한요소해석은 범용구조해석 프로그램인 GTSTRUDL Ver. 29 를 사용하였다. 해석을 위해 Fig. 14 에서 보여주고 있는 바와 같이 구조물을 모델링하였으며, 모델링에 사용된 요소는 태양광판의 경우 Plate 요소인 SBHQ6 를 지지시스템의 각 부재는 3D-frame 요소를 사용하였다(GTSTRUDL, 2009) . 연구에서 고려한 부유식 태양광 에너지 발전 시설은 수면에 설치되므로 수면의 상하운동에 따라 다양한 경계조건을 갖게 되며, 해석에서는 평상시 (General) 와 수면의 상하운동이 활발한 태풍시와 같은 특별한 경우(Special) 를 각각 고려하였다(Fig. 5 참조). 평상시 일반적인 수면상태일 경우에는 지지시스템 하 부를 안전측 설계가 되도록 전체적으로 단순지지로 가정하여 해석하였으며, 특수한 경우(Special) 는 지지 시스템의 4 모서리 부분만을 단순지지된 것으로 가정 하였다. 하중은 지지시스템과 태양광판의 자중과 풍 하중을 조합하여 재하하였다. 풍하중은 KS C IEC 61646 을 참고하여 5,400 Pa(KS, 2007) 를 6 가지 방향 (Fig. 5 참조) 으로 재하하였다.. Table 3. Strength for FEP(MPa) 종류. 인장 (F t ). 압축 (F c). 시편 1 2 3 4 5 평균 1 2 3 4 5 평균. I형 플랜지 290.73 218.75 441.26 457.06 535.06 396.35 156.87 176.71 165.33 152.29 166.01 162.74. 복부 348.28 411.11 538.87 489.78 523.32 474.74 153.65 156.01 175.32 153.89 156.49 155.46. (a) 모델링. (b) 경계 및 하중조건. Fig. 14 Finite element analyses. 해석결과 Fig. 15, Table 5, Table 6 과 같은 해석결 과를 얻을 수 있었다.. Vol. 1, No. 1, 2010. 21.

(7) Choi, Hoon · Joo, Hyung-Joong · Nam, Jeong-Hun · Yoon, Soon-Jong. Table 5. Maximum stress occurring at the FRP specimens 부재에 발생한 최대응력 (MPa) 처짐 허용치 판정 (mm) (MPa) ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 13.85 14.38 23.74 -13.85 -14.38 -23.74 13.30 ok -10.43 -13.26 -23.69 10.43 13.26 23.69 10.53 ok 10.5 13.8 -17.28 -10.5 -13.8 17.28 9.66 ok -16.74 -34.58 -51.32 16.74 34.58 51.32 12.59 ok -14.2 16.78 17.29 14.2 -16.78 -17.29 9.67 ok -6.38 -13.04 -19.41 6.38 13.04 19.41 13.30 ok 396.35 15.42 22.1 34.84 -15.42 -22.1 -34.84 31.43 ok -12.52 -26.8 -39.32 12.52 26.8 39.32 30.64 ok -14.68 -19.21 -33.16 14.68 19.21 33.16 24.23 ok 13.28 28.08 41.17 -13.28 -28.08 -41.17 25.27 ok -18.24 -24.05 -39.74 18.24 24.05 39.74 24.22 ok 12.9 24.26 37.09 -12.9 -24.26 -37.09 31.43 ok +: 인장. 경계조건 부재 A B C General D E F A B C Special D E F ※ - : 압축,. 부재 위치. Table 6. Maximum loads occurring at the connection (Choi et al., 2010) 경계조건 방향 X General Y Z X Y Special Z. dir. dir. dir. dir. dir.. ① 10.42 -10.00 -0.93 17.59 -8.43. ② 16.71 -15.57 -1.76 24.47 -27.82. ③ 27.09 -25.51 -2.68 31.81 -34.83. dir.. -9.59. -9.85. -19.41. 접합부에 발생하는 최대 축하중(kN) ④ ⑤ ⑥ 10.34 -16.63 -27.01 9.89 15.46 25.41 0.92 1.75 2.67 -17.60 -24.27 -31.62 8.41 27.58 34.59 9.51. 9.77. 19.32. ※ - : 압축, +: 인장. (a) 훰모멘트 분포도. (b) 축하중 분포도. Fig. 15 Finite element analysis results. 22. J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. Table 5 에서 허용치는 Table 3 에서 보여준 바와 같 이 인장시험 결과 얻은 펄트루젼 FRP 부재의 파단강 도중 최소값을 적용하였다. Table 5 에서 보여주는 바 와 같이 각각의 경계 및 하중조건일 경우 부유식 태 양광 에너지 발전시설의 각 부재에서 발생하는 응력 중 최대값은 경계조건이 Special한 경우 D 부재(Table 5 참조)에서 ±41.17MPa 발생하였고 이는 허용치와 비 교하여 상당히 낮은 상태에 있으므로 부유식 태양광 에너지 발전시설의 각 부재는 구조적으로 안전함을 알 수 있다. 부유식 태양광 에너지 발전시설에 풍하중이 작용할 경우 풍하중은 지지시스템의 각 부재와 접합부를 통 해 수면과 부유체의 접촉면에 전달되고 이 힘은 부력 과 평형을 이루게 된다. 이때, 하중전달 과정에서 접 합부는 해당하중에 대해 구조적으로 안전하여야 한 다. 이 연구에서는 우선적으로 90° 접합부에 대해서 만 구조 안전성을 평가하였다. Table 6 은 유한요소해 석 결과 얻어진 90° 접합부에서 발생하는 최대축하중 을 정리한 표이다. Table 6 에서 보여주고 있는 바와 같이 풍하중 방향이 , 이고 경계조건이 Special한 경우에 최대압축력이 34.83 kN, 최대인장력이 34.59 kN 발생하였다. 최대압축하중은 부재의 좌굴하중 374.3 kN(Choi et al., 2009) 보다 상당히 낮은 상태에.

(8) Development of the Floating Type Photovoltaic Energy Generation System. 있고, 볼트접합부의 경우 인장에 대해 취약하므로 볼 트접합부는 최소 34.59 kN 의 하중에 대해 안전해야 함을 알 수 있다.. 6. 볼트접합부 강도실험 볼트접합부의 하중전달능력을 평가하여 적절한 설 계를 하기 위해 볼트접합부 강도실험을 실시하였다. 실험은 제작방식이 다른 3 가지 종류의 시편에 대해 각각 실시하였다. Table 7 에서 보여주고 있는 바와 같 이 실험시편은 연결에 사용된 보강판(Gusset plate) 의 종류와 두께에 의해 구별되어진다. 즉, A-type 시편은 두께 10 mm 의 FRP 보강판을 사용하여 볼트접합한 것 이며, B-type 시편은 두께 20 mm 의 FRP 보강판을 사 용하여 볼트접합한 시편이며, C-type 시편은 두께 5 mm 의 Steel 보강판을 사용하여 볼트접합한 시편이다. 볼트접합에 사용된 볼트는 Stainless steel 재질의 M12 ( 직경: 12 mm) 볼트이며, 볼트 1 개, 너트 1 개, 와샤 2 개를 1 세트로 하여 조립하였다. 조립을 위한 볼트구 멍의 천공에는 직경 14 mm 인 홀쏘(Hole saw) 를 장착 한 핸드드릴을 사용였다.. 생하였다 보강재가 변형됨에 따라 접합부 강도가 비 교적 작게 평가된 것으로 생각된다 또한 에서 보여주고 있는 바와 같이 개의 변위계로부터 측정된 하중 변위 곡선은 유사하며 이로 부터 시편 실험의 편심하중재하로 인한 영향은 매우 미소한 것 으로 생각된다 접합부가 파괴될 때의 하중은 약 으로 측정되었고 변위는 약 가 발생 하였다 Fig. 20(a), (b), (c)에서 보여주고 있는 바와 같이 B-type 실험시편은 A-type 실험시편과 비교해 동일한 하중에서 상대적으로 작은 변위가 발생하는 것으로 관찰되었으며, A-type 실험시편과 비교하면 파괴시 하 중이 각각 38.35 kN, 50.08 kN 으로 하중전달능력이 향 상됨을 알 수 있었고, 이는 유한요소해석 결과 얻어 진 볼트접합부의 최소하중전달능력인 34.59 kN 을 초 과하는 값임을 알 수 있다.. (a) A-type. Table 7. Test specimens for bolted connections (Choi et al., 2010). (b) B-type. Fig. 16 은 각 실험시편의 제작과정을 보여주고 있 다. 실험시편은 크게 절단 및 볼트구멍 천공, 볼트조립 순서로 제작되었다(Bank, 2006; Lawrence, 2006). 볼트접합부의 강도평가를 위해 Fig. 17 에서 보여주 고 있는 바와 같은 방식으로 실험을 하였다. 제작된 시편을 Base Block 에 고정한 후 용량 1,500 kN 의 엑츄 에이터(Actuator) 를 사용하여 인장력을 가하였다. 가력 하중은 엑츄에이터와 연결되어 있는 컴퓨터를 이용해 수집하고 저장하였으며, 이때 발생한 변위는 변위계 (LVDT) 2 개를 설치한 후 데이터 수집장치인 TDS-302 에 연결하여 하중과 동시에 수집 및 저장하였다. 실험결과 Fig. 19, Fig. 20, Table 8 에서 보여주고 있 는 바와 같은 결과들을 얻을 수 있었다. Fig. 19(a) 에서 보여주고 있는 바와 같이 A-type 볼트 접합부 시편은 하중이 증가함에 따라 Fig. 19(a) 에서 보여지는 바와 같이 형 보강재가 직각에서 둔각으 로 변하면서 하중방향으로 변위를 발생시켜 파괴되는 현상을 나타내었으며, 보강재에서 최종파괴가 발. (c) B-type. Fig. 16 Manufacturing process for bolted connections (Choi et al., 2010). Fig. 17 Setting for test speciments (Choi et al., 2010). Vol. 1, No. 1, 2010. 23.

(9) Choi, Hoon · Joo, Hyung-Joong · Nam, Jeong-Hun · Yoon, Soon-Jong. (a) 실험전경. (b) 측면. (a) A-type 실험시편 (c) 변위계 설치. (d) 가력지그. Fig. 18 Connection test (Choi et al., 2010). FRP 보강판을 사용한 A-type 과 B-type의 시편에 대 한 실험을 종료한 후 보강판과 펄트루젼 FRP 기둥을 분리하여 관찰한 결과Fig. 19(a), (b) 에서 보여주고 있 는 바와 같이 펄트루젼 FRP 부재에는 파괴현상이 발 생하지 않음을 관찰할 수 있었으며, 형 보강판의 연결부 파괴로 실험시편은 최종 파괴됨을 알 수 있었 다. C-type 실험시편은 Fig. 19(c)에 보여주고 있는 바와 같이 파괴되었다. 실험결과 C-type의 경우 Fig. 20 에서 보여주고 있는 바와 같이 파괴시 하중이 135.79 kN 으 로 A-type, B-type 실험시편과 비교할 때 상대적으로 우수한 하중전달능력을 나타냄을 알 수 있었다. 이러 한 이유는 Fig. 20(c)에서 보여주고 있는 바와 같이 C-type 실험시편의 경우 A-type, B-type 시편과 달리 펄 트루젼 FRP 부재의 판요소에서 Shear-out 현상을 보 여주며 최종적으로 파괴되었기 때문이다. 연구에서 개발하고자 하는 구조물은 수면에 설치되 는 구조물이므로 부식에 취약해 질 수 있다. 따라서, 볼트접합부의 최소하중전달능력인 34.59 kN 을 초과하 고 부식에 강한 B-type 을 볼트접합부의 접합방법으로 결정하여 설계에 반영하였다. Table 8. Ultimate loads at the bolted connections (Choi et al., 2010) 볼트접합부. A-type. 파괴시하중 (kN). 29.98. 24. B-type 38.35. J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. 50.08. C-type 135.79. (b) B-type 실험시편. (c) C-type 실험시편. Fig. 19 Connection test results (Choi et al., 2010).

(10) Development of the Floating Type Photovoltaic Energy Generation System. 크레인을 사용하여 수면 위에 띄운 후 소형선박을 이 용하여 최종 설치장소로 이동한 후 닻을 이용하여 부 유식 태양광 에너지 발전시설을 현장에 고정하였다.. (a) A-type. (b) B-type, 시편 No. 1. (c) B-type, 시편 No. 2. (a) 절단. (b) 볼트구멍 천공. (c) 조립. (d) 완성. (d) C-type. Fig. 20 Connection test results (Choi et al., 2010). 7. 조립시공 및 설치. Fig. 22 Assemblage process (Choi et al., 2010). 유한요소해석 및 실험 결과를 근거로 하여 태양광 에너지 발전시설을 성공적으로 설계, 조립 및 설치할 수 있었다. 조립과정은 Fig. 21 에 보여주고 있는 순서에 따라 미리 작성된 공정계획표를 참고하여 총 6 단계로 하였 다.. (a) 1단계. (b) 2단계. (a) 부유체 결합. (b) 구조물 인상. (c) 수면 위에 띄움. (d) 현장 견인 및 설치. (c) 3단계. Fig. 23 Setting process (d) 4단계. (e) 5단계. (f) 6단계. Fig. 21 Assembly process for floating solar energy generation system. 1 단계에서는 세로 부재단위를 3 개 제작하였으며, 2 단계에서는 가로 부재단위를 4 개 제작하였고, 3 단계 에서는 세로 및 가로 부재단위를 결합하였다. 4 단계 에서는 수직브래싱, 부유체 가이드 및 발판 가이드를 설치하였고, 5 단계에서는 태양광판을 조립하였으며, 6 단계에서는 부유체를 결합하여 구조물을 완성시켰다. Fig. 22 는 조립의 각 과정을 간략하게 보여주고 있다. 설치는 Fig. 23 에서 보여주고 있는 바와 같이 2 대의. 8. 결 론 이 연구는 펄트루젼 FRP 부재를 이용하여 부유식 태양광 에너지 발전시설을 개발하기 위한 것으로, 부 유식 태양광 에너지 발전시설 구조물의 개발을 위한 설계, 조립, 설치와 관련된 중요사항에 대해 간략히 설명하였다. 부유식 태양광 에너지 발전시설의 개발을 위해 생 산된 펄트루전 FRP 부재의 생산과정을 보여주고 인 장 및 압축 시험을 실시하여 재료의 역학적 성질을 조사하였다. 조사된 재료의 역학적 성질을 이용하여. Vol. 1, No. 1, 2010. 25.

(11) Choi, Hoon · Joo, Hyung-Joong · Nam, Jeong-Hun · Yoon, Soon-Jong. 유한요소해석을 하였다. 유한요소해석에서 경계조건 은 일반적인 수면상태와 태풍 및 돌풍 등에 의해 수 면 상하운동이 활발한 2 가지 경우를 고려하였으며, 하중은 구조물과 태양광판의 자중과 풍하중을 고려하 였고, 풍하중의 경우 풍향에 따라 6 가지로 가정하였 다. 유한요소해석 결과 각 펄트루젼 FRP 부재에서 발 생하는 최대응력을 조사할 수 있었으며, 이를 인장시 험 결과 얻어진 재료의 파단강도와 비교하여 부유식 태양광 발전시설의 구조안전성을 평가하였다. 또한, 볼트접합부의 조립방법을 결정하여 설계 및 조립에 반영하기 위해 접합부에 발생하는 하중방향별 최대하 중을 조사하여, 부유식 태양광 에너지 발전시설이 구 조적으로 안전하기 위해 필요한 최소한의 하중전달능 력을 평가하였다. 유한요소해석 결과로부터 얻어진 볼트접합부의 필 요한 하중전달능력을 만족하고, 시공 및 유지관리에 우수한 볼트접합방식을 결정하기 위해 볼트접합부 강 도실험을 하였다. 보강판 재료와 두께로 구별되어지 는 3 가지 종류의 실험시편을 제작하여 각각 실험하였 으며, 실험결과 두께 20 mm 인 FRP 를 이용한 볼트접 합방식의 경우 해당 하중전달능력을 만족하면서 부식 저항성이 우수하므로 볼트접합부의 최종설계에 반영 하였다. 부유식 태양광 에너지 발전시설의 요구성능 및 개 발과 관련된 중요 착안점들을 만족시키며, 구조적 안 전성에 대한 검토과정을 거쳐 설계가 완료되었으며, 구조물을 조립하여 성공적으로 설치할 수 있었다. 현재 발전효율과 관련된 계측 및 현장설치 후 장기 적인 구조거동적 특성을 조사하는 연구가 진행중이 며, 추 후 설계단계에서 예상치 못한 문제점이 발견 될 경우 현재 진행중인 연구결과를 활용하여 문제점 을 보완한 새로운 형태의 부유식 태양광 에너지 발전 시설이 추가로 개발될 수 있도록 하고 있다.. 감사의 글 이 연구는 한국해양수산기술진흥원의 미래해양기술 개발사업(F20833209H140000110) 의 연구비 지원으로 수행되었으며, 연구비 지원에 감사드립니다.. References ASTM D 3039/D 3039M-08 (2008). Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite materials, American Society for Testing and Materials. Babero, E. J. (1998). Introduction to composite materials. 26. J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. design, Taylor & Francis, Inc., Philadelphia. L. C. (2006). Composites for construction: structural design with FRP materials, John Wiley & Sons, Inc., New Jersey. Choi, H., Choi, J. W., Joo, H. J., An, D. J., and Yoon, S. J. (2009). Effects of material properties variations on the local buckling loads of pultruded structural shapes, CODE2009, Seoul, Korea. Choi, H., Nam, J. H., Ok, D. M., An, D. J., and Yoon, S. J. (2010). Strength Prediction of Bolted Connection in the Structural System Composed of Pultruded FRP Members, AIMM'10, Jeju, Korea, To be presented. Choi, H., Joo, H. J., Nam, J. H., Kim, K. S., and Yoon, S. J. (2010). Structural design for the development of the floating type photovoltaic energy generation system, PRICM7, Cairns, Australia, To be presented. Gibson, R. F. (1994). Principles of composite material mechanics, McGraw-Hill, Inc., New York. GTSTRUDL. (2009). User reference manual, Version 29, Latest Revision K, May, GTICS Systems Laboratory, Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia. KS C IEC 61646. (2007). Thin film terrestrial photovoltaic (PV) modules - design qualification and type approval, Korean Standards Service Network. Lawrence, C. B. (2006). Composites for construction: structural design with FRP materials, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey.. Bank,.

(12)