Floating Pendulum Wave Energy Converter (FPWEC)는 KRISO 주도로 연구 개발한 파력 발전기로서 Fig. 1과 같이 파도에 의한 진자판의 진자운동을 회전운동으로 바꾸어 발전하는 장치이다. 해안에서 상당히 떨어진 해역에 설치되어 운용되는 장치이나 선박이나 기타 해양 플랜트보다 구조적으로 취약한 형태를 하고 있다. 그래서 구조안전성 확보를 위해 설계 시 다양한 조건에 대한 구조해석이 수행 되었으며 (Sohn, J.M. et al., 2014), 마지막으로 해상운송 시에 대한 안전성 검토를 위해 본 연구가 수행되었다.

FPWEC는 2016년 5월 10일에 인천 삼광조선소에서 진수되었으며(Fig. 2) 2017년 3월에 제주도 근해에 설치될 예정이다.

Full Ballast Condition에 Tug Boat로 예인하여 설치 장소까지 운송할 예정이다(Fig. 3). 그래서 인천에서부터 제주도까지의 예상항로를 설정하였다(Fig. 4). 예상 거리는 약 264해리(489 km)로 부유식 구조물의 예상 운송 기간은 2 kn(1.03 m/s)의 속력으로 10일의 기간을 예상한다.

본 연구에서는 장시간 운송을 하게 되므로 운송 중 발생할 수 있는 여러 시나리오에 맞는 환경조건에 의한 구조물의 안전여부를 확인하였다. 예상항로의 조류 및 풍속, 유의 파고 등의 모든 환경자료를 기상청 및 국립해양조사원을 통하여 수집하였다. 각 자료를 수집 해상 부위 위치를 기준으로 하여 분류 및 분석하였다. 환경하중과 관련하여서 Park, W.S. et al.(1989)는 파랑하중에 의한 동적하중 산정방안을 제시하였고 Ro, Y.J. et al.(1992)는 조류에 대한 수치모형을 이용하여 조류력을 산정하는 방안을 제시한 바 있다. 분석 결과 운송과정에서 가장 큰 문제점으로는 조류 환경조건이 운송 중 가장 위험한 조건으로 판단되었다. 그래서 국립해양조사원의 조류 관측 데이터를 토대로 KR (Korea Register) Rule의 부유식 해양구조물 기준(Guidance for Floating Structures)에 따라 조류 하중을 계산하였다(KR Rule 2014).

또한, 앞에서 예상 위험 하중으로 분석한 조류 하중이 부유식 구조물에 이동방향과 다른 방향에서 복합적으로 작용할 때의 구조응답을 ANSYS를 이용하여 확인하였다. 해석모델은 KRISO에서 받은 최종도면에 따라 전체 모델을 제작하여 해석에 사용하였고 하중조건은 계측 위치에 따른 각각 다른 하중을 설정하였다.

본 연구에서는 선박이나 기타 해양플랜트 구조물보다 상대적으로 취약한 구조의 FPWEC를 설치해역으로 해상운송할 때 발생할 수 있는 지역별 환경하중을 찾아내고 FEM 해석을 통해 구조안전성을 확인하였다. 이와 같은 장치의 해상운송방법은 부선에 탑재하여 운송하는 방법도 있는데 그것은 훨씬 더 먼 거리까지 운송해야 하고 또 부선에 탑재하고 부선으로부터 이양할 때의 구조적안전성까지 확보해야 하므로 보다 더 견고한 구조물일 때 가능하다. 이번 연구대상의 장치는 만재 흘수 상태로 물속에 잠긴 상태로 예인선에 의해 끌고 가는 방법으로 해상운송을 하므로 운송 중 만날 수 있는 환경하중 (바람, 파도, 조류 등)을 조사하여 구조안전성을 검토하였다. 환경하중 중에서 풍력의 영향은 침수 흘수와 비교하면 건현 흘수가 크게 작아 장치에 대한 영향이 미미하다고 판단되었고 파도의 영향은 국부적으로 한정되었는데 이것은 기존의 해석결과에 포함된 것이므로 이 연구에서 제외하였다. 결과적으로 환경하중 중에서 검토대상이 된 것은 조류력만 남게 되었다. 해석결과 현재 설정된 예인조건에서는 전반적으로 구조 안전성이 확인되었으며 예인삭과 연결되는 Towing Bracket (패드아이) 부위에 대한 응력집중도 별도 검토하였으나 안전하다고 판단되었다. 하지만, 조류력이 예인방향과 다른 방향에서 작용할 때 구조물의 동적 안정성 문제가 발생할 수 있으므로 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.