2024-3조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 환경적 요인을 고려한 자가 발전 선회교 디자인 및 에너지 요구량 분석.

영문 : Design of Self-Powered Swing Bridge Considering Environmental Factors and Energy Demand Analysis..

과제 팀명

그린교조(3조)

지도교수

박도원 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학과 2021860006 김유민(팀장)

서울시립대학교 토목공학과 2021860042 김민서

서울시립대학교 토목공학과 2021860046 윤누리

서울시립대학교 토목공학과 2021860038 진채연

서울시립대학교 토목공학과 2021860049 최우택

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 관광 자원으로써 좋은 가치를 가지고 있는 가동교를 설계

◇ 가동교에 에너지 발전기를 설치하여 자가발전으로 에너지를 얻는 그린 가동교 프로젝트 진행

◇ 교량 가동 및 시설 유지에 필요한 에너지 계산

◇ 선회교 설계 시 필요한 다리 수치 계산

◇ 설계한 선회교 모델링

◇ Midas Civil 프로그램 이용해 응력 컨투어링맵 제작 및 상부구조물 안전성 검토

개발 과제의 배경

◇교량의 본래 목적과 역할

교량은 도로, 철도, 수로 등의 운송로 상에 장애가 되는 하천, 강, 해안 등을 건너 도시의 여러 부 분의 연결성을 향상해 사람 및 차량의 이동을 촉진하는 목적으로 건설되었다. 이는 도시 간 연결 성을 향상시키고 경제적, 사회적 교류를 증진시킨다. 그러나 현대 도시 환경이 빠르게 발전함에 따 라 교량은 단순히 기능적 구조물을 넘어 도시의 상징적인 요소로 자리 잡고 있다.

◇미학적 요소와 에너지 문제

최근 도시환경의 발전이 이루어짐에 따라 미학적 기능도 하고 있다. 도시 활동 시간이 야간으로 확장되면서 도시 공간도 주야 구분이 없는 24시간 사회로 변화하며 아름다움과 쾌적성이 동시에 요구되고 있다. 따라서 많은 교량에는 경관조명이 설치되었으나 대부분의 조명은 LED 조명이 활성 화되기 이전에 설치되었기 때문에 전력소비가 큰 광원이 이용되어 에너지 소비가 매우 높다. 또한, 선회교는 선박이 지나가기 위해 상부 구조물을 회전시키는데 쓰이는 에너지 또한 무시할 수 없다. 이와 같이 교량의 미학적 기능과 가동 기능에는 에너지 소모가 필수적이지만 지속 가능하게 개선할 필요성이 대두되고 있다.

◇기대효과

이번 프로젝트로 그린에너지 생산을 증가시켜 선회교에 설치된 가로등과 같은 조명기구에 필요한 전원을 자가발전을 통해 공급가능할 것으로 기대된다. 또한 선회교의 상판을 회전시키는데 필요한 전력을 자가발전 통해 공급하여 탄소배출을 저감해 지속가능한 인프라가 될 것이다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇프로젝트의 주요 목표는 자가발전 시스템을 갖춘 친환경 가동교(선회교)를 설계하고, 이를 유지관리 및 경관조명에 필요한 전력을 교량 스스로 공급할 수 있도록 구현하는것이다. 이를 위해 적합한 설치 장소를 선정하고 다양한 환경적, 기술적 요인을 고려하여 구체적인 스펙 설계와 시뮬레이션을 수행한다.

◇자료 조사를 기반으로 잠재 설치 장소를 선정하고 현장 답사를 통해 설치 가능성을 최종적으로 평가한다. 설치 장소의 수심, 선박의 크기, 교통량 등을 조사하여 교량의 길이, clearance below와 가동 구간을 정한다. 국내외 해상교량과 가동교의 사례를 조사해 자가 발전에 필요한 부대 시설물의 배치와 환경적 요소를 고려하여 교량의 형상을 수치적 근거에 따라 계산한다. 또한 도로교 설계 지침서 및 교량 설계 지침서를 참고하여 고정하중, 이동하중을 계산하고 이를 통해 자가발전에 필요한 에너지를 계산한다. 국외 그린교에 부착된 발전기의 종류에 대해 조사하여 이번 프로젝트에 설치할 발전기를 결정하고 효율적인 설치 방안을 마련한다.

관련 기술의 현황

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

가. 기존/경쟁 기술/제품 조사 비교

◇중국:풍속이 약한 해풍을 활용한 풍력 발전 교량 기술을 개발했다. 아치구조 형태로 교량자체 안정성 향상했다.

◇미국:교량의 경관 디자인을 위해 사용되는 조명의 소모 전력 비용을 절감하기 위해 풍력 터빈 등을 교량에 부착해 생산 중이다. 유지관리 시 필요한 전력을 생산하고 저장하기 위한 다양한 연구가 전 세계적으로 진행 중이다.

◇태양전지 및 모듈 가격의 하락세

                                      [18~20년 태양전지 및 모듈 가격]

18년도만 해도 단결정 모듈은 $0.5/W, 다결정 모듈은 $0.4/W이었으나 지속적으로 하락하여 20년도에는 $0.2/W 가격을 겨우 미치는 수준이다.

◇해상풍력 비중과 보급의 증가

REN21의 추정으로 연도마다 편차는 존재하지만 지속적으로 성장하고 비중이 증가하는 추세이다.

마케팅 전략 제시

가.시장성 분석

◇그린에너지 발전을 구조물 자체에서 활용함으로 새로운 비즈니스 모델을 창출한다. 또한, 세계적으로 2020년 한 해 동안 총 261GW 규모의 신규 재생에너지 설비가 추가되며 2019년에 이어 지속적인 성장세를 보이고 있기때문에 그린 해상교량의 시공 및 유지관리 적용으로 차세대 해상교량 시공능력 향상은 물론 해외 기술 수출 및 신규 일자리 창출이 가능할 것으로 예상된다.

◇대한민국 유일 도개교인 영도대교의 도개행사 여부에 따라 SNS언급량 및 영도구 자체의 관광객 수가 큰 차이를 보인다. 1966년에 도개가 중단되었다가 2013년 11월에 도개 기능을 다시 복원하면서 관광객 수가 크게 늘었다. 비슷한 사례로 2020년 초 국내 코로나-19 확산으로 인해 2020년 2월부터 영도대교 도개 행사는 잠정 중단되었다가 2022년 6월부터 재개되었는데 이때도 SNS언급량 및 관광객 수가 급증했다. 따라서 관광 측면에서도 수익성이 생겨 지역자체를 활성화시킬 수 있을 것이라고 예상된다.

◇교량이 관광 명소이자 상징적인(icnonic) 요소로서 더 많은 관광객을 유치하는 데 중요한 역할을 한다. 아이코닉한 교량은 뚜렷한 지역 정체성을 보여주고 이는 추가적인 관광 개발의 잠재력을 가진 중요한 요소로 볼 수 있다.

나.사회성 분석

◇현대사회에 들어서며 탄소 중립 실현을 목표로 에너지 전환을 가속화하고 있으며 이로 인해 재생 에너지와 수소 에너지 산업이 확장되고 있다. 재생에너지의 발전 비중은 2050년까지 62%에 이룰 것으로 전망된다. 따라서 기존 화석연료 기반 에너지 구조에서 청정 에너지로의 전환이 필수적이다.

◇탄소 중립 기조로 각 산업에서는 재생에너지를 기반으로 하는 정책이 확산되고 있다. 그에 따라 에너지 전환을 위한 연구개발(R&D) 투자도 강화되고 있다.

◇이번 프로젝트의 목표는 해상교량의 건설기술 개발이지만 해상교량 설계 및 시공 단계에서 지능정보기술(AI, IoT 등)의 활용도가 증가하고 있는 만큼 효율성과 안전성 측면에서 큰 이점을 가진다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇해상교량 고기능화

단순한 연결 수단을 넘어 더 안전하고 지속 가능한 방식으로 운영될 수 있도록 한다.

◇해상교량 저탄소화

교량의 시공, 운영 과정에서 발생하는 탄소 배출을 최소화한다. 자가발전 시스템과 재생에너지 기반기술을 통해 화석연료 의존도를 낮추고 탄소 중립을 실현한다. 이를 통해 미래 건설 프로젝트의 모델이 될 수 있다.

◇해상교량 미각화

시각적으로 아름다운 설계와 주변 경관과의 조화를 통해 지역의 랜드마크로 자리매김한다. LED 경 관 조명을 활용하여 에너지 효율성을 유지하면서도 야간 경관을 강조한다. 이러한 미학적 가치가 관광 자원으로 확장되어 지역 경제 활성화에 기여한다.

◇그린 에너지 자체 수급 기술 개발

교량 운영에 필요한 모든 전력을 자가발전 및 재생에너지 시스템을 통해 자체적으로 공급할 수 있는 기술이 개발된다. 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 그린 에너지와 연계한 기술이 도입되어 자급자족 할 수 있다. 이러한 기술 개발을 통해 대한민국은 차세대 해상교량 기술 개발 선도국가로 자리매김 한다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇기술 선도

전 세계적으로 연구개발이 부족한 해상교량과 그린에너지 융합 기술 분야에서 기술적 우위를 선점할 수 있다.

그린 해상교량 프로젝트의 융복합 기술을 건설 기술 전반으로 보급함으로써 신개념 미래 건설기술 확보가 기대된다.

◇경제적 효과

LCC관점에서 해상교량 운영 및 유지관리에 필요한 에너지를 자력으로 공급, 저장, 분배함으로써 관련 비용을 크게 절감할 수 있다.

전반적인 건설 시장 감소 추세에도 불구하고 신흥국 교통망 확충으로 교량 건설 수요가 지속될 것으로 보인다. 또한 미국, 일본과 같은 선진국에서는 교량 교체 및 유지관리 시장이 활성화될 전망이다. 이를 통해 관련 산업의 설치, 유지보수, 관리 분야에서 새로운 일자리 창출이 가능하며 지역 경제에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대된다.

◇사회적 효과 지역 주민과 관광객들에게 지속 가능성과 환경 보호에 대한 인식을 높이고 교육의 기회를 제공할 수 있다. 이를 통해 친환경 기술이 적용된 선회교는 지역 사회의 환경 보호 의식을 강화하며 지속가능한 모델로 자리 잡을 수 있다.

친환경 에너지와 지속 가능성을 접목한 선회교는 다른 지역이나 프로젝트에 유사한 모델을 제공해모범 사례를 제공한다.

친환경 기술이 적용된 선회교는 지역 관광자원으로 활용되며, 경제적 파급 효과와 더불어 환경 친화적인 도시 이미지를 구축할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

구성원은 1주에 한번 2~3명으로 조를 짜 각자의 파트를 담당하여 과제를 진행하였다.

마감기한 후 서로의 과제를 공유하여 새 계획을 세우는 방식으로 진행되었다.

설계

설계사양

제품의 요구사항

설치 장소 적합성 : 관광, 경제적인 요소에서 적합한가?, 교통에 불편을 끼치지 않는가?

에너지 발전 지속성 : 에너지 발전이 지속 가능한가?, 현실적으로 다리에 적용 가능한 에너지 형태인가?, 다리에 적합한 발전기가 존재하는가?

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용