다목적 어군 모니터링 부이 유체동역학적 성능 평가

2.1 다목적 어군 모니터링 부이

다목적 어군 모니터링 시스템은 정치망 어업 및 해상 가두리 양식업의 효율적인 시설 관리를 위해 고안된 ICT 융합 기술이다. 이 시스템은 수중 센서를 포함하여 어군 상태, 수온, 용존산소량 등 핵심 데이터를 실시간으로 수집하고 LTE 통신을 통해 육상으로 전송하여 어업인이 어장 관련 정보를 손쉽게 취급할 수 있도록 하는 것이 목적이다. 장기간 독립 운용을 위해 12V 기반의 독립형 태양광 발전 시스템이 주 전원으로 사용되며, 태양광 모듈은 설치 편의성과 풍하중에 의한 안전 확보를 위해 부유체 상단에 수평으로 설치하였다. 시스템 컨트롤러는 저전력, 저가화 및 경량화에 초점을 맞춰 수중 센서, GPS, 마이크로컨트롤러 및 통신 모듈을 하나로 통합하여 구성하였다(Lee et al.[2023]). 또한 어업인들이 다양한 현장 상황과 용도에 맞게 사용할 수 있도록 부이 크기를 최소화하였고, 복원성 강화하기 위해 부이 중간에 부력재를 적용하였다(Fig. 1). 이러한 다목적 어군 모니터링 시스템의 안정적인 운용을 위해서는 설치 지역 해양 환경을 고려한 부이의 최적 형상 설계가 필수적이다.

Fig. 1.

Multi-purpose fish school monitoring buoy.

2.2 문제의 정식화

다목적 어군 모니터링 부이의 파랑 중 운동 응답 특성 분석을 위해 선형 포텐셜 유동 이론 기반의 상용 프로그램(ANSYS AQWA)을 활용하였다. 해당 프로그램은 파랑 그린 함수법을 기반으로 주파수 영역에서 부이의 방사/산란 문제를 해결하고, 부이의 운동방정식을 수립한다. 여기서, 방사 문제는 잔잔한 바다에서 부이가 움직일 때 발생하는 유체동역학적 힘을 분석하고, 산란 문제는 고정된 부이에 파도가 입사할 때 산란되는 유동으로 인한 효과를 확인한다. 방사 문제로 부이의 부가 질량/관성모멘트와 방사 감쇠 계수를 구할 수 있으며, 산란 문제를 해결함으로 부이에 작용하는 파랑 하중을 산정할 수 있다. 또한, 부이 복원성은 부이의 형상, 무게 및 무게중심에 따라 결정된다. 이때, 부이의 운동방정식은 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 [M] = 질량 행렬(Mass matrix)
　　　[M_a] = 부가 질량/관성모멘트 행렬(Added mass/moment of inertia matrix)
　　　[C] = 방사 감쇠 계수 행렬(Radiation damping coefficient matrix)
　　　[K] = 복원성 계수 행렬(Restoring coefficient matrix)
　　　[F_ex] = 파랑 하중 벡터(Wave excitation force vector)
　　　[F_D] = 항력 벡터(Drag force vector)
　　　{$$ \xi $$} = 변위 벡터(Motion displacement vector)

변위 벡터는 3개의 병진운동(surge, sway, heave)와 3개의 회전운동(roll, pitch, yaw)로 구성된다. 본 연구에서는 다목적 어군 모니터링 부이의 과도한 운동을 저감하고자 감쇠판을 추가 고려하였는데, 앞서 언급한 방사/산란 문제는 포텐셜 유동 기반으로 감쇠판의 점성 감쇠 효과를 고려할 수 없다. 따라서, 기존 선행 연구 결과를 기반으로 감쇠판 점성 감쇠 효과를 추정하였다. Turner et al.[2023]는 기존 선행 연구들을 바탕으로 감쇠판이 부착된 원통형 부유체의 항력 계수를 감쇠판 크기 및 KC 수 따라 비교·정리하였다. 상하 방향(heave) 항력은 모리슨(Morison) 항력 모델을 바탕으로 식 (2)와 (3)과 같이 나타냈다.

여기서 F_hD = 상하 방향 항력(Heave drag force)
　　　ρ = 해수 밀도(Sea water density)
　　　C_hd = 상하 방향 항력 계수(Heave drag coefficient)
　　　A_p= 감쇠판 단면적(Sectional area of the damping plate)
　　　B_eq3= 상하 방향 선형화된 항력 계수(Equivalent heave drag coefficient)

등가 선형 항력계수는 에너지 등가 선형화 기법을 적용하여 식 (3)과 같이 정리하였다. 사실 감쇠판 상하 방향 항력은 감쇠판 수직속도 제곱에 비례한다. 여기서 감쇠판 수직속도란, 부유체의 상하운동 뿐만 아니라 횡동요(roll) 및 종동요(pitch) 같은 회전운동 성분을 포함하게 된다. 따라서 감쇠판이 회전운동에 미치는 감쇠 모멘트를 수학적으로 표현할 수 있다. 이와 관련하여 Cozjin et al.[2005]는 동일한 형태의 감쇠판을 가진 원통형 부유체에 대한 항력계수를 실험적 방법으로 추정하였는데, 해당 논문에서는 감쇠판이 회전운동에 미치는 영향을 식 (4), (5)와 같이 정리하였고, 본 연구에서 정리된 식을 사용하였다.

여기서 M_xD = 횡동요 감쇠 모멘트(Roll damping moment)
　　　M_yD = 종동요 감쇠 모멘트(Pitch damping moment)
　　　B_eq4= 선형화된 횡동요 항력모멘트 계수(Equivalent roll drag coefficient)
　　　B_eq5= 선형화된 종동요 항력모멘트 계수(Equivalent pitch drag coefficient)
　　　R_p= 감쇠판 반지름(Radius of the damping plate)

등가 선형 모델은 부이 운동의 진폭을 포함하고 있기 때문에, 반복법을 통해 감쇠판 저항 효과를 고려한 부이의 운동 응답 해를 도출하였다. 이때, 초기 부이 운동 진폭 값은 0으로 가정하고, 수렴 오차 기준은 0.001로 정하였다. 이러한 반복 해석은 각 주파수 별로 수행하였고, 반복 횟수는 50을 초과하지 않았다. 이렇게 다양한 부이 형상 조건에서의 감쇠판 항력까지 고려한 부이 운동 응답 특성을 비교하였다.

본 연구에서는 다양한 조건에서의 부이 운동 응답 특성 비교 뿐만 아니라, 실제 설치 예상 지역에서의 부이의 연간 운동 응답 특성을 분석하였다. 대상 해역에서 발생하는 파도의 특성을 나타내는 파랑 빈도 분포도(wave scatter diagram)을 기반으로 다양한 유의 파고와 첨두 주기(또는 첨두 주파수) 조합을 추출하였고, 식 (6)와 같은 JONSWAP 스펙트럼을 도입하여 설치 예상 지역의 파도 정보를 수치화하였다.

여기서 S_w(ω) = 파랑 스펙트럼(Wave spectrum)
　　　H_s = 유의 파고(Significant wave height)
　　　ω_p = 파도 첨두 주파수(Wave peak frequency)
　　　γ = 무차원 형상 계수(Non-dimensional peak shape parameter)
　　　σ = 스펙트럼 폭 계수(Spectral width parameter)
　　　　　$$ \sigma ={\sigma }_a \mathrm{f}\mathrm{o}\mathrm{r} \omega \le {\omega }_p$$
　　　　　

무차원 형상계수는 DNV 지침(DNV[2010])에 따라 식 (7)과 같이 유의 파고와 첨두 주기의 관계를 통해 추정하였고, 스펙트럼 폭은 각각 σ_s= 0.07, σ_b= 0.09를 사용하였다.

이렇게 구축한 파랑 스펙트럼과 부이 운동 응답 RAO의 제곱을 곱하여 응답 스펙트럼(response spectrum)을 계산할 수 있다. 응답 스펙트럼에서 부이 운동 모드별 분산(variance), 표준편차(standard deviation), 유의 진폭(significant amplitude) 등을 계산·비교함으로 형상에 따른 부이 운동 응답 차이를 통계적으로 비교할 수 있다. 본 연구에서는 부이 운동 모드별로 유의 진폭을 비교함으로 부이 형상에 따른 차이를 비교하였다.

부이 상부에 수평으로 설치된 태양광 패널의 경우, 부이의 횡동요 및 종동요가 태양광 패널면을 태양에 대해 기울어지도록 하기 때문에 일사량이 감소하는 코사인 손실(cosine effect)이 발생한다. 태양광 패널이 태양 광선에 직각으로 향할 때 최대 출력을 내지만, 경사각이 발생하면 유효 투사 면적과 출력이 cosine 함수에 따라 감소하는데, 이런 효과를 고려한 태양광 패널 출력 식을 식 (8)와 같이 나타낼 수 있다.

여기서 P_s = 태양광 패널 출력(Solar panel output)
　　　η_s = 태양광 모듈 효율(Photovoltaic module efficiency)
　　　A_s= 태양광 모듈 유효 면적(Effective area of the solar module)
　　　I_s0= 수평 태양광 패널 가준 일사량(Irradiance on a horizontal solar panel)
　　　θ = 부이의 태양광 패널 경사각(Tilt angle of the buoy’s solar panel)

부이의 태양광 패널 경사각은 부이의 횡동요 및 종동요 운동 응답을 이용해 나타낼 수 있다($$ \theta \approx \sqrt{{\xi }_4^2+{\xi }_5^2}$$). 부이 상부 태양광의 시간 평균 출력을 동일한 일사량의 고정식 태양광 패널 출력과 비교하여 부이 움직임으로 인한 상대 효율을 식 (9)과 같이 계산할 수 있다.

여기서 η_re = 부이 회전운동으로 인한 태양광 패널의 상대 효율
　　　$$ {\sigma }_{\theta }^2$$ = 태양광 모듈 효율(Photovoltaic module efficiency)

일반적으로 부이의 회전운동 응답은 정규분포를 따르기 때문에, 지수형 근사를 통해 부이 태양광 패널 상대 효율을 식 (9)의 하반부와 같이 나타낼 수 있다. 본 연구에서는 각 파랑 조건에서의 횡동요 및 종동요 분산 값을 활용하여 태양광 발전 상대 효율를 산출하였다. 계산된 태양광 발전 상대 효율을 파랑 빈도 분포도의 파랑 출현 확률과 결합하여 고정식 태양광 발전 대비 본 다목적 어군 모니터링 부이의 연간 평균 태양광 발전 효율을 평가하였다. 이때, 문제의 단순화를 위해 계절 및 일사 시간대와 파랑 출현 간의 상관성은 고려하지 않았다.

3.1 수치해석 모델

다목적 어군 모니터링 부이는 정치망 또는 양식장 상태점검 및 해양환경 조사를 위한 다양한 센서들을 포함하고 있고, 이를 구동하기 위한 자가발전용 태양광 패널을 가지고 있다. 본 부이를 어업인이 이송, 설치 및 해체 등 취급하기 좋도록 부이 직경을 센서 및 배터리 사이즈에 맞춰 최소화하였고, 부력 확보 및 회전운동 복원성 향상을 위해 원뿔대형 부력재를 부이 중간에 추가 설치하였다. Fig. 2는 다목적 어군 모니터링 부이의 계략도와 수치해석 모델을 보여주고, Table 1은 부이의 주요 제원을 나타낸다. 동일한 무게 및 관성반경 조건에서 부력재와 감쇠판의 크기가 부이의 운동 성능에 미치는 영향을 확인하였다. 무게와 관성반경은 실제 모든 센서와 배터리의 설치 위치 및 무게를 고려하여 계산하였다. 부력재는 원뿔대 형태로, 밑면 직경은 부이 본체의 직경과 동일하고 윗면 직경은 0.4, 0.5, 0.6 m로 다르게 하였다. 부력재 크기에 따라 전체적인 부피가 달라지며 이때의 흘수는 각각 0.455, 0.435, 0.415 m이다. 감쇠판 직경은 부이 본체 직경의 1.1, 1.2, 1.3배가 되도록 하였다. 감쇠판 적용에 따른 부피 변화는 전체 몰수면적 대비 3% 미만이기 때문에 문제의 간소화를 위해 감쇠판 적용에 따른 흘수 변화는 무시했다. Turner et al.[2023]의 연구 결과에 따르면, KC 수가 1을 초과하면 원판형 감쇠판 항력계수가 일정 값(C_hd= 5)으로 수렴한다. 본 다목적 어군 모니터링 부이 감쇠판은 파장에 비해 크기가 매우 작아서 KC 수(KC = 2π|ξ_i|/D_p> 5)가 높다. 따라서 항력계수는 Turner et al.[2023]에 따라 ‘5’로 정했고, 감쇠판이 없는 경우 선행연구(Gudmestad and Meo[1996])를 바탕으로 원통의 항력계수(C_hd= 1.0)를 사용하였다. Table 2는 본 연구에서 고려한 해석 조건과 각 조건에서의 주요 복원성 계수를 보여준다. 수치해석 모델링을 위해 ANSYS AQWA 2021 R1를 활용하였고, 프로그램 지침에 따라 해석 주파수 조건(ω = 0.02~20 rad/s)에서 해석이 가능하도록 요소 크기를 충분히 작게 설계하였다. 이때, 모니터링 부이의 요소 수는 약 5,000~5,900개로, 부력재와 감쇠판 크기에 따라 요소 수는 달라진다. Fig. 3은 요소 수에 대한 민감도 평가를 위한 수렴도 평가를 수행하였다. 민감도 평가를 위해, 상하운동 부가질량과 종동요 부가 관성모멘트를 다양한 요소 수 조건에서 비교하였다. 요소 수가 2880을 넘어감에 따라 부가 질량 및 관성모멘트가 수렴한 것으로 보아 본 수치해석 연구의 요소 수가 적합함을 확인하였다. 수심은 20 m, 물의 밀도는 1,025 kg/m³이다.

Fig. 2.

Schematic diagram of the fish school monitoring buoy and its numerical model.

Table 1.

Specifications of the fish school monitoring buoy

Table 2.

Numerical analysis cases

Fig. 3.

Convergence Study on the Number of Elements (nn = the number of nodes).

3.2 다목적 어군 모니터링 부이 운동 응답

부이 상부에 위치한 태양광 패널의 효율은 부이 운동에 많은 영향을 받기 때문에, 본 절에서는 다목적 어군 모니터링 부이의 유체동역학적 특성을 분석하고, 감쇠판 크기가 부이 운동 성능에 미치는 영향을 확인하였다. 먼저, 부력재 크기가 가장 작을 경우(D_b = 0.4 m)에 다양한 감쇠판 크기 조건에 따른 부이의 유체동역학적 계수, 파랑하중, 부유체 운동 응답을 확인하였다. Fig. 4은 감쇠판 크기에 따른 부이의 부가 질량/관성모멘트, 방사 감쇠 계수, 파랑하중을 보여준다. 다목적 어군 모니터링 부이는 원점 대칭이고 계류 시스템을 고려하지 않았기 때문에, 상하운동(heave)과 종동요(pitch)에 대한 유체동역학적 계수만 비교하였다. 또한, 부이가 원점 대칭이기 때문에, 파도가 항상 부이의 x축 방향으로 발생한다고 가정하여 계산하였다. Fig. 4에 따르면, 추가 적용함에 따라 전체적인 부이의 부가 질량 및 관성모멘트가 증가하였다. 이는 수면 아래에 위치한 부가물(감쇠판)로 인해, 부이가 움직이기 위해서는 더 많은 힘을 필요하기 때문이다. 이것이 감쇠판이 부이 운동 응답을 저감시키는 주요 원인 중 하나다. 방사 감쇠 계수는 감쇠판 유무와 관계없이 대체로 비슷한 값을 가졌다. 하지만, 일부 주파수 영역에서는 상하운동 방사 감쇠 계수가 감쇠판 적용으로 인해 다소 작아졌다. 해당 주파수 영역대에서 감쇠판이 방사파의 생성을 방해하였음을 알 수 있는데, 이는 감쇠판이 설치된 위치, 특히 자유표면과의 거리 등과 연관이 될 것으로 추정된다. 파랑하중의 경우, 수직력은 감쇠판의 유무와 관계없이 거의 유사한 값을 가지는데, 이는 감쇠판이 부이 최하단부에 설치되어 파도에 대한 영향이 작기 때문이다. 종동요 모멘트는 특정 주파수 영역(5 rad/s 부근)에서 감쇠판을 적용할 경우 그렇지 않은 경우에 비해 큰 값을 가졌다. 물론 종동요 모멘트는 수직력에 비해 그 크기가 상당히 작지만, 이러한 변화는 감쇠판 윗면과 밑면의 압력 분포 차이로 인함으로 추정된다. 또한 감쇠판이 부이 하단부에 위치하고 있기 때문에 종동요 모멘트 변화를 다소 유발한 것으로 보인다. 하지만, 풍랑 및 너울 주파수 영역대는 0~2 rad/s로, 해당 주파수 영역대에서는 방사감쇠계수 및 파랑하중에 대한 감쇠판 크기의 영향은 크지 않았다.

Fig. 4.

Hydrodynamic coefficients and excitation forces/moments of the fish school monitoring buoy with various damping-plate sizes (Db = 0.4 m).

Fig. 5는 상하운동응답(heave motion RAO)과 종동요 운동응답(pitch motion RAO)를 보여준다. 부력재 윗면 지름이 0.4 m 일 때, 4가지 감쇠판 조건에서의 부이 운동 응답을 비교하였다. 부이 종동요 운동응답은 주로 공진주파수 인근에 집중되어 있으므로 공진주파수 부근인 0~2 rad/s만을 관찰하였다. 본 해석에는 Fig. 4에서 비교한 부가 질량/관성모멘트, 방사 감쇠 계수, 파랑하중 뿐만 아니라, 항력 효과를 추가적으로 고려하여 운동 응답을 산출하였다. 감쇠판을 적용한 부이는 비교적 작은 상하운동응답과 종동요 운동응답이 발생하였다. 특히, 상하운동응답의 경우 감쇠판에 의한 감쇠효과가 매우 커서 공진현상이 발생하지 않는 과도 감쇠(overdamped) 상태에 해당하였다. 이러한 감쇠 효과에도 불구하고, 부이 직경이 일반적인 해양파 파장에 비해 매우 작아 풍랑 및 너울의 주파수 대역인 ω = 0~2 rad/s에서 상하운동응답에 감쇠판이 미치는 영향은 크지 않았다. 하지만, 종동요는 고유주기가 약 6초로, 해당 고유주기에서 운동 응답이 감쇠판으로 인해 최대 75%까지 감소하였다. 일반적으로 감쇠판은 부유식 구조물의 상하운동을 줄이기 위해 사용되지만, 이러한 소형 부이는 풍랑 및 너울 주파수 대역에서 상하운동에 미치는 영향보다는 종동요에 미치는 영향이 컸다.

Fig. 5.

Heave and pitch motion RAOs of the fish school monitoring buoy with various damping-plate sizes (Db = 0.4 m).

3.3 부력재 효과

부력재의 크기는 부이의 흘수와 복원성에 많은 영향을 주는 중요한 요소이기 때문에, 본 절에서는 부력재의 크기가 다목적 어군 모니터링 부이 운동 성능에 미치는 영향을 확인하였다. Table 2와 같이 부력재의 상판 지름이 변하면, 전체 부피가 달라져서 흘수 또한 변한다. Fig. 6와 7은 각각 부력재 상판 지름이 0.5m 일 경우와 0.6 m인 경우 부이의 상하운동 및 종동요 운동 응답을 보여준다. 상하운동은 Fig. 5처럼 부력재의 크기과 관계없이 감쇠판으로 인한 큰 감쇠효과로 인해 공진현상이 발생하지 않는 과도 감쇠 시스템이 된다. 감쇠판이 없는 경우에도 항력을 고려하기 때문에 상하운동 공진현상이 크진 않지만 ω ≈ 0.4 rad/s 부근에서 발생하였다. 감쇠판을 적용한 경우에는 그렇지 않을 경우에 비해 고주파수 영역(ω ≈ 5 rad/s)에서 최대 50%까지 작은 상하운동응답이 발생한다. 하지만, 부력재 및 감쇠판 크기와 관계없이 풍랑 및 너울 주파수 대역(0~2 rad/s)에서는 상하운동응답 감쇠효과는 크지 않았다. 종동요 운동응답은 감쇠판을 통해 공진주파수에서의 운동응답이 효과적으로 저감되었다. 또한, 부력재 크기와 관계 없이 어군모니터링 부이의 종동요 고유주파수는 종동요 고유주파수가 1.0~1.1 rad/s로 유사하였다. 일반적인 풍랑(wind wave) 및 너울(swell)의 주파수 대역이 ω = 0~2 rad/s 이기 때문에, 부이의 종동요 공진현상으로 인한 태양광 발전 효율 변화에 대한 주의 깊은 검토가 필요하다. 또한, 부력재 크기에 따라 종동요 고유주파수가 크게 변하지 않은 것으로 보아, 부력재 크기보다는 감쇠판 크기가 부이의 종동요 저감에 더 효과적임을 확인하였다.

Fig. 6.

Heave and pitch motion RAOs of the fish school monitoring buoy with various damping-plate sizes (Db = 0.5 m).

Fig. 7.

Heave and pitch motion RAOs of the fish school monitoring buoy with various damping-plate sizes (Db = 0.6 m).

3.4 실해역 부이 운동 특성 분석

본 절에서는 앞서 수행한 부이 형상에 따른 유체동역학적 분석 결과를 바탕으로 실제 많은 정치망과 해상가두리 양식장이 설치되어 있는 남해안에서의 다목적 어군 모니터링 부이의 운동 응답을 분석하였다. 남해안 2곳(거제, 여수)에 대한 실제 해양 관측 자료를 해양수산부 전국 파랑 관측 자료 제공 시스템(MOF[2025])으로부터 제공받아 연간 부이 운동 성능 및 태양광 발전 효율 분석에 활용하였다. Fig. 8은 남해안 2곳의 파랑 빈도 분포도(wave scatter diagram)를 나타낸다. 이 중 거제시 인근 파랑 자료는 해양수산부에서 해양 관측 시스템을 이용해 2023년 11월부터 2025년 2월까지 계측한 자료를 분석하여 만들었으며, 해당 시스템의 위치는 위도 34.76도, 경도 128.69도인 지점이다. 또한, 여수시 인근 파랑 자료도 해양수산부의 초음파식 파향·파고계를 통해 2018년 12월부터 2025년 4월까지의 기간 동안 위도 및 경도가 34.53도, 127.96도인 지점에서 풍랑을 계측·분석한 자료이다. 비교적 내만 위치한 거제 지역 해양 관측 결과를 확인하면, 유의파고 1 m 이하, 첨두 주기 6~8초인 파도가 가장 많이 발생하였고, 유의파고가 1.5 m 이상의 파도는 비교적 드물게 발생하였다. 하지만, 비교적 외해에 위치한 여수시 파랑 자료는 유의파고 1 m, 첨두 주기 2~4초인 파도가 가장 빈번하게 발생하였고, 거제시 파랑 데이터에서는 잘 발생하지 않던 비교적 긴 주기와 높은 파고를 가진 파도도 종종 관측되었다.

Fig. 8.

Wave scatter diagrams at the two target sites (Geoje and Yeosu).

Fig. 9은 다양한 유의파고 및 첨두 주기 조합의 파랑 조건에서 다목적 어군 모니터링 부이의 상하운동 및 종동요 유의진폭을 나타냈다. 이를 계산하기 위해, 식 (1)에서 계산한 부이의 주파수 영역 운동 응답 RAO와 식 (6)에서 계산한 파랑 스펙트럼을 조합해서 운동 응답 스펙트럼을 산출한 후, 해당 운동 응답 스펙트럼의 분산 및 유의진폭을 계산하였다. 먼저, 부력재가 가장 작은 경우를 대상으로 부이 운동의 유의진폭 값을 비교하였다(Fig. 9). 상하운동의 경우, 운동 응답 RAO가 파랑 주파수 0~2 rad/s 조건에서 거의 1에 해당하기 때문에, 첨두 주기가 6초 이상의 장주기(long wave period) 조건에서 유의파고와 유사한 유의진폭을 가졌다. 하지만, 종동요의 경우, 첨두 주기가 6~10초인 파랑 조건에서 높은 종동요 유의진폭이 관측되었다. 이는 종동요 공진주파수가 1.0~1.1 rad/s이기 때문이다. 또한, 높은 파고 조건일수록 더 높은 상하운동 및 종동요 유의진폭을 가졌다. 6~10초의 첨두 주기와 높은 유의파고 조건에서 과도한 종동요로 인해 태양광 발전 효율이 다소 저하될 것으로 예상된다.

Fig. 9.

Significant motion amplitudes of the fish school monitoring buoy (Cases 1–3).

Fig. 10는 부력재 크기에 따른 어군 모니터링 부이의 태양광 발전 상대 효율을 보여준다. 연간 태양광 발전 상대 효율을 추정하기 위해, 파랑 빈도 분포도에서 모든 파도 조건(유의파고 및 첨두 주기 조합)에 대한 태양광 발전 상대 효율을 식 (9)을 활용해 산정하였다. 여기서, 상대 효율이 1에 가까울수록 부이 움직임으로 인한 태양광 발전 효율 저감이 적은 것을 뜻한다. Fig. 9(b)의 종동요 유의진폭 값처럼, 부력재 크기와 관계없이 첨두 주기 6~10초일 때, 태양광 발전 상대 효율이 비교적 낮게 추정되었다. 또한 이런 효과는 높은 파고 조건에서 더욱 두드러지게 나타난다. Figs. 5-7의 부력재 크기에 따른 종동요 비교한 결과처럼, 부력재의 크기는 태양광 발전 상대 효율 변화에 큰 영향을 주진 못했다.

Fig. 10.

Relative efficiency heatmap of the solar panel installed on the fish school monitoring buoy.

Table 3은 설치 예상 지역 2곳(거제, 여수)에서의 연간 태양광 발전 상대 효율을 비교하였다. 부력재의 크기와 감쇠판의 유무에 따른 연간 상대 효율을 나타낸다. 연간 상대 효율은 앞서 계산한 파랑 조건별 태양광 발전 상대 효율과 파랑 빈도 분포도를 조합하여 연간 태양광 발전 상대 효율을 계산하였다. 설치 예상 지역은 비교적 내만에 위치하고 있어, 대체로 파도 주기가 비교적 짧고 유의파고도 높지 않았다. 높은 파고의 파도 조건에서는 태양광 발전 효율을 상당히 떨어졌지만, 유의파고 2 m 이상의 파도가 실치 예상 지역 파도 전체의 3% 미만으로 상당히 적었다(거제, 0.44%; 여수, 2.15%). 반면에, 종동요에 가장 큰 영향을 주는 첨두주기가 4~10초인 파도는 약 60~85%로 상당한 부분을 차지고 있다(거제, 85.81%; 여수, 62.70%). 감쇠판을 적용하지 않은 부이의 연간 태양광 발전 상대 효율이 최소 90%이었나, 감쇠판을 적용하면 적용하지 않은 경우에 비해 약 3~5% 더 높은 연간 상대 효율을 가졌다. 이렇게 전반적으로 상대 효율이 높은 이유는 설치 예상 지역에서 주로 발생하는 파도가 짧은 주기와 낮은 파고를 가지고 있는데, 이때의 상대 효율이 매우 높기 때문이다. 또한, 감쇠판은 전반적인 운동 응답을 저감시켜 어군 모니터링 시스템의 안정적인 운용에 도움을 주기 때문에 감쇠판 설치가 어군 모니터링 운용에 중요한 역할을 할 것으로 보인다. 하지만, 먼 바다나 동해안 같이 비교적 긴 파장과 높은 파고를 가진 해역에 본 다목적 어군 모니터링 부이를 적용하면 과도한 종동요로 인해 안정적인 에너지 생산과 양식장 상태 및 해양환경 관측에 큰 어려움이 발생할 가능성도 있다.

Table 3.

Annual relative efficiency for the solar panel on the fish school monitoring buoy

마지막으로, 다목적 어군 모니터링 부이의 안정성 및 태양광 발전 효율에 영향을 미치는 항력 계수에 대한 민감도를 평가하였다(Fig. 11). 본 연구는 포텐셜 유동 기반 3차원 방사/산란 문제를 해결하여 유체동역학적 계수를 계산하고, 선행 연구의 감쇠판 항력계수를 차용하여 다목적 어군 모니터링 부이의 태양광 발전 효율을 분석하였다. 어군 모니터링 부이 감쇠판이 부이의 종동요 및 태양광 발전효율에 미치는 영향을 확인하였기 때문에, 다양한 항력 계수를 적용한 후 여수지역에서의 연간 태양광 발전 상대 효율을 상호 비교함으로 감쇠판 항력 계수의 민감성을 비교하였다. 항력 계수를 1에서 5까지 1씩 증가시키면서 연간 태양광 발전 상대 효율을 비교하였는데, 항력 계수가 작을수록 상대 효율이 비교적 낮았다. 하지만, 항력 계수가 가장 작은 ‘1’ 이라고 하더라도, 태양광 발전 상대 효율이 93% 이상에 해당하기 때문에 항력 계수의 민감도가 비교적 적음을 알 수 있다.

Fig. 11.

Annual relative efficiency of the solar panel with various drag coefficients (Cases 1–3, Yeosu).