수상 태양광 시스템 구조설계를 위한 수치해석 및 모형실험

Abstract

최근 육상뿐만 아니라 호수, 저수지, 바다 등 수상에도 태양광 시스템을 설치하려는 시도가 빈번히 이루어짐에 따라 수상 태양광 시스템의 구조설계 방법에 대한 관심이 높아지고 있다. 수상시스템의 경우 육상과 달리 자중, 풍하중, 설하중, 작업자하중 이외에도 파랑하중, 조류하중 등이 구조하중에 포함된다. 특히 파랑하중의 경우 시간에 따라 변동하는 하중으로서 통상적인 정하중 해석이 아니라 구조물의 관성력효과가 포함된 시간영역 동하중 해석 또는 이의 모사가 가능한 모형실험이 요구되며 응답이 시간에 따라 변동하므로 구조부재의 피로수명 평가도 동반되어야 한다. 해양수산부의 설계기준에도 부체에 작용하는 파력은 수치계산 또는 수리모형실험 등으로 산정하도록 되어있다. 한편, 연결장치로 연결된 부유식 형태의 구조물을 채택할 경우 부유체의 위치유지를 위한 계류시스템의 검토도 병행되어야 하며 보다 정밀한 응답평가를 위해서는 부유체/연결장치/계류시스템의 효과가 모두 고려된 통합 연성해석(coupled analysis)이 요구된다. 본 연구는 한국수력원자력(KHNP)과 선박해양플랜트연구소(KRISO)가 개발한 4MW급 수상 태양광 시스템에 대한 구조설계 결과를 제시한 것으로서 수치해석과 모형실험을 통하여 구조응답과 피로수명을 평가하였다. 파랑하중 산출을 위한 수치해석은 여러 방법이 가능하나 본 연구에서는 고차경계요소법(HOBEM)을 적용하였으며 연결장치와 계류삭의 수치모델링은 유한요소법(FEM)을 적용하였다. 시간영역 통합 동적 연성해석을 통하여 부유체의 운동, 연결장치의 응력, 계류시스템의 장력 등을 평가하고 모형실험을 수행하여 그 결과를 상호비교하였다.