내가슴속1공

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 실외 대기상태에 따라 자동 환기되는 태양광 발전 창문

영문 : Automatic ventilation window with solar power generation

과제 팀명

내 가슴속 1공

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2015890009 김**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2015890005 김**

서울시립대학교 환경공학부 2015890012 김**

서울시립대학교 환경공학부 2015890059 이**

서론

개발 과제 요약

미세먼지 농도에 따라 자동 환기가 가능한 자동개폐 창문을 만들고자 한다. 자동환기를 결정할 대기질데이터와 기상데이터는 기상청에서 받도록한다. 자동 개폐 시에 필요한 전력은 창문에 태양광 발전 모듈을 설치하여 자가생산이 가능하도록 설계하고자 한다

개발 과제의 배경 및 효과

1) 미세먼지와 자동 개폐 창문

 미세먼지에 관한 한국인의 인식조사에 따르면 미세먼지가 생활에 심각한 영향을 미치고 있음을 알 수 있다. 미세먼지는 우리의 생활에 큰 불편함을 주고 있다. 집에서 탁해진 공기를 환기시키기 위해 창문을 열고 닫을 때에 미세먼지에 대한 정보를 찾아 확인하고 혹시나 집 안 공기가 나빠지지 않을까 하여 짧은 환기를 시키고 창문을 닫게 되어 충분한 환기를 시키는데 어려움이 있다. 특히 소규모 가정이 많아진 현 상황에 집을 비워두는 시간이 많아 창문을 닫고 외출을 할 경우, 대기질이 좋아지더라도 환기를 시키지 못하는 경우가 발생한다.
이 점을 착안하여 실시간 미세먼지 데이터를 수렴하여 자체적으로 환기여부를 판단할 수 있는 시스템을 설계하여 쾌적한 실내 환경을 유지하고 적절한 환기를 통해 실내 공기질을 개선하여 삶의 질을 상승시키고 기관지 질병을 예방할 수 있도록 하였다.

2) 태양광 발전과 그린 뉴딜 정책

 최근 정부에서는 지속가능성에 기초한 에너지 정책을 지원하고 있다. 태양광 발전은 21세기 초부터 시작된 신재생 에너지 사업으로 현재 시장 규모가 크지 않지만 그린 뉴딜정책, 재생에너지 3020계획 등의 지원을 받아 사업 규모가 성장할 것으로 예상된다.

개발 과제의 목표와 내용

1) 외부에서 받은 미세먼지 데이터 정보를 기준으로 환기 가능 여부를 판별하여 창문 자동 개폐 시스템을 구축한다. 창문의 형태는 자동 개폐와 태양광 에너지 포집이 유리한 형태로 선정하고자 한다.

2) 시스템에서 사용되는 전력은 창문에 부착된 태양광 패널을 통해 자체 수급한다. 실내 온도 조절과 같은 이유로 외부의 창이 닫혀 있을 때도 일정량의 일조권을 보장하고 소비자가 원하는 투과율의 정도에 따른 차별을 두기 위해 초기설계 시에 투과율을 10%에서 30% 사이로 설정 가능하도록 한다.

관련 기술의 현황

State of art

1) 태양광 패널의 종류로는 다결정, 단결정, 박막형 등이 있는데 크게 창문에 사용할 수 있는 방법으로 창문 자체를 태양광 패널로 설계하고 투과성을 확보하는 방법과 박막형 패널을 부착하여 발전하는 방식이 있다.

2) 자동개폐기에 신호를 전달하는 방법으로는 외부의 서버에서 받은 미세농도와 날씨의 정보를 디바이스에서 사용자의 입력값에 맞춰 해석하여 on/off의 시그널을 전송하는 방법이 있다.

3) 태양광발전을 함에 있어 발전량이 예상 전기사용량을 초과할 경우 에너지 저장장치를 설치하여 전력 계통에 부하를 막고 잉여발전량을 저장 후 사용할 수 있다.

4) 사용자가 외부 미세먼지 농도상황에 따라 환기를 원하는 기준치를 설정할 수 있고 외부의 서버로부터 전달 받은 데이터를 해석하여 자동개폐기에 전달하고 사용자가 미세먼지 농도와 날씨 등을 확인할 수 있는 IoT 기술을 활용해야 한다.

5) 현재 별다른 부지 없이 개별 가정 혹은 빌딩의 창문 혹은 벽에 패널을 부착하는 형태의 기술 개발이 해외에서는 활발히 진행되고 있다. 독일의 경우 지붕, 창문 등 건물의 외벽을 활용하여 태양광 발전을 하는 세대가 늘어 친환경 발전의 비중이 2018년에는 총 발전 비중의 35%를 차지하였다.

6) 주택용 발전기술 개발들이 주목받으며 연구됨에 따라 국가에서도 관련정책들을 검토하고 있다. 유엔의 경우에도 ‘주거용 건물의 온실가스 표준베이스라인’을 8월 11일에 최종승인하여 주택들의 탄소배출권 가이드라인을 확연히 하여 소규모 발전설비의 기술 개발이 활발히 진행 중이다.

기술 로드맵

1) 최근 지어진 아파트 단지에는 각 세대마다 인터폰으로 연결되며 IoT 기술을 통해 여러 정보를 받을 수 있다. 따라서 이러한 아파트에 적용된 스마트 IoT 기술을 활용하여 미세먼지 농도에 대한 데이터를 받을 수 있다.

2) 실내환기 정도를 정함에 있어 사용자에게 수치적인 선택지는 직관적으로 이해함에 어려움이 있으므로 색상과 쾌적 보통 환기요망과 같은 직관적인 단어를 활용하여 디바이스를 조작하기 편리하도록 설계한다. 이는 어플, 또는 세대의 인터폰에 표시가 되도록 할 것이다.

3) 사용자가 미세먼지 농도에 대한 환기 기준값을 설정하여 외부 미세먼지 농도가 설정한 기준값 보다 낮은 경우, 환기가 이루어지도록 창문을 자동 개폐시켜준다.

4) 환기와 관련된 설정 사항들을 어플로 만들어 실외에서도 휴대기기로 조작할 수 있도록 한다.

특허조사

◇ 10-2018-0170425 집광형 태양광발전 스마트창문

집광형 태양광발전 스마트창문은 건축물의 창을 위한 개구부에 설치되는 창틀과, 창틀에 이동 가능하게 설치되는 창문 프레임과, 창문 프레임의 형상에 대응하여 결합됨으로써 창문을 형성하는 복수의 유리패널과, 복수의 유리패널 사이에 배치되며 입사된 태양광의 일부를 창문 프레임의 일측으로 굴절시키며 일부는 통과시키는 회절격자부 및 창문 프레임의 일측에 위치하며 회절격자부에 의해 굴절된 빛을 광원으로 사용하여 전기를 생산하는 태양전지를 포함하며, 배터리와 창문 구동부로 구성된다. 스마트창문은 창문에 입사되는 태양광을 사용하여 발전할 수 있고, 건물 설치와 관리가 용이하면서 발전 효율이 높다. 또한 축전된 전기로 창문 개폐할 수 있는 장점이 있다.

◇ 10-2018-0076250 개폐방식의 BIPV형 모듈이 적용된 태양광 발전시스템용 창문

본 발명은 프로젝트 개폐 가능한 태양광 발전 창문에 관한 것으로, 본 발명에 따른 프로젝트 개폐방식의 BIPV형 모듈이 적용된 태양광 발전시스템용 창문은 중앙에 개방구(12)가 형성되고 건물의 외부 창틀에 설치되는 제1 프레임(10); 중앙에 개방구(22)가 형성되고 상기 제1 프레임(10)의 상단에 힌지 결합되는 제2 프레임(20); 각각 틸트 가능한 복수 개의 태양전지 유닛(31, 32, 33, 34, 35)으로 구성되어 상기 제2 프레임(20)의 내곽에 설치되는 태양전지 모듈(30); 상기 복수 개의 태양전지 유닛(31, 32, 33, 34, 35)에 연결되는 각도 조절 링크(40) 및 상기 각도 조절 링크(40)에 연결되어 상기 복수 개의 태양전지 유닛(31, 32, 33, 34, 35)의 경사를 조절하는 구동모듈(50)을 포함하여 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

◇ 10-2018-0165005 태양광 발전 일체형 이중 창호 시스템

본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 일체형 이중 창호 시스템은, 창호 프레임; 상기 창호 프레임에서 실내 측에 설치되는 내측 창문; 상기 창호 프레임에서 상기 내측 창문로부터 실외 측으로 소정 간격 이격 설치되는 외측 창문; 상기 창호 프레임에서 상기 내측 창문과 상기 외측 창문 사이에 설치되는 반사형 블라인드; 및 상기 반사형 블라인드의 외측에 설치되며 양면 수광형 구조를 가지는 태양광 발전 모듈을 포함한다.

특허전략

◇ 미관을 해치지 않는 디자인

박막패널을 사용하여 기존의 태양광패널 창호보다 투명성을 높여 주거지에 적용하더라도 실내에서 창문을 통해 보는 미관을 해치지 않는다. (자세한 내용은 ‘개념설계안’에서 제시)

◇ 태양광 포집에 유리한 형태와 각도 설정

태양광 포집 효율을 높이기 위해 기존의 벽면일체형 패널을 사용한 창호가 아닌 여닫이 방식의 창문을 채택하여 창문을 열면서 태양광 포집이 더욱 유리하도록 설계하였다. 또한 태양의 위치가 시간에 따라 변화하므로 창문이 열리는 각도가 태양의 고도에 따라 발전효율이 높도록 자동으로  조절할 수 있도록 하였다. (자세한 내용은 ‘개념설계안’에서 제시)

◇ 미세먼지 데이터를 활용한 원격시스템

미세먼지 데이터는 주거지역 내 스마트 IoT 서비스를 활용하여 각 세대에 외부 미세먼지 농도 데이터를 받을 수 있다. 외부 미세먼지 농도 상태에 따라 사용자가 원하는 대로 창문 개폐 기준을 설정할 수 있다. 어플을 통해 환기 기준 설정 값을 입력함으로써 외출 중에도 원격으로 보다 편리하게 실내 환기를 실행할 수 있다. (자세한 내용은 ‘개념설계안’에서 제시)

◇ 환기량, 안정성을 고려한 창문의 열리는 각도

창문 자동개폐의 가장 큰 목적은 실내 환기이므로, 환기가 적당히 이루어질 수 있도록 열리는 최소 각도는 32, 무거운 태양광 패널이 부착된 창문의 구조적 안정성을 고려하여 열리는 최대 각도는 75로 설정하였다. (자세한 내용은 ‘이론적 계산’에서 제시)

◇ 친환경 소재를 활용한 창틀

일반적으로 사용되는 창틀 소재인 PVC, 알루미늄이 아닌 바이오플라스틱 중 하나인 발포폴리스티렌을 사용하여 환경에 부담을 덜 수 있다. (자세한 내용은 ‘개념설계안’에서 제시)

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 실내 활동의 비중이 높아지는 현대사회에서 실내 환경이 인체의 건강에 미치는 영향은 커지고 있다. 집에 사람이 없는 경우에도 원격시스템을 통해 원하는 실외 상태 기준에 따라 실내 대기환경을 자동 환기 시켜줌으로써 집안을 보다 쾌적하게 만들어 준다.

◇ 태양광을 받기 쉬운 구조인 여닫이 방식으로 설계하여 일반적인 벽면일체형 패널보다 태양광 에너지 포집이 유리하다.

◇ 일반적인 창문 샷시의 경우 PVC, 알루미늄 소재를 사용하며 이는 대부분 재사용이 아닌 폐기 처분된다. 샷시의 소재를 친환경적인 소재인 발포폴리스티렌(바이오플라스틱 중 하나)을 이용할 경우, 재활용도 용이하며 바이오플라스틱의 경우, 반감기도 짧으며 생분해가 가능하기 때문에 환경에 부담을 주지 않을 수 있다. 발포폴리스티렌 소재의 내구성과 단열성이 뛰어나 창틀로 사용하기에 적합하며, 가격 또한 기존의 알루미늄과 큰 차이가 없어서 부담이 없다.

경제적 및 사회적 파급효과

◇ 태양광 창문을 통한 발전으로 사용 전기를 일정 부분 자체 수급할 수 있어 전기세를 절감할 수 있다.

◇ 태양광 패널을 창문 외부에 부착할 경우. 겨울철 열에너지 보전에 용이하여 실내온도 유지 효율이 높아 가스 비를 절감할 수 있다.

◇ 친환경 에너지의 사용 비중을 높여 지구환경개선에 일조한다면 환경선진국으로서 위상이 높아질 수 있다. 현재 환경선진국으로 평가받는 유럽의 독일, 네덜란드의 경우에도 태양광 에너지 발전 기술에 과감하게 투자를 진행하고 있으며 사용량 또한 세계에서 가장 높은 수준이다.

◇ 2020년 8월 11일 유엔기후변화협약에서 ‘주거용 건물의 온실가스 표준베이스라인’이 최종승인 되며 기준에 비해 절감된 탄소배출량으로 발생한 탄소배출권을 주택 등에서도 판매할 수 있게 정책이 논의 중에 있으므로, 정책이 수립될 시에 부수적인 수익을 창출할 수 있다.

국내에서는 현재 발전용량 10kW 이하 일반용 발전설비에 대해 생산전력을 판매가 불가하지만, 소규모 발전설비에서 생산하는 발전량을 한국전력에 판매할 수 있는 근거를 담은 ‘전기사업법 일부 개정법률안’을 2020년 8월 26일 발의하여 추가적인 발전량에 대한 판매로 부수적인 수익을 창출할 수 있다.

구성원 및 추진체계

9월 : 설계 주제 선정

    설계 주제의 필요성, 효율성 검토
    설계 주제의 현실화 가능성 검토
    과제제안서 작성

10월 : 관련 기술의 현황, 특허 조사

      경쟁력보고서 작성
      제품의 개념설계안 제시
      개념설계보고서 작성

11월 : 제어부, 회로, 소프트웨어 설계

      이론상 가능한 발전량, 발전판매량 계산
      상세설계보고서 작성

12월 : 최종 설계 결과물 제작

      최종 설계 포스터 제작
      최종설계보고서 작성

설계

설계사양

◇ 태양전지모듈의 조건: 온도 영향과 투명성

창문의 바깥면에 태양전지모듈을 부착시키는 것은 에너지를 생산하여 창문을 개폐하는데 필요한 전력을 얻기 위함이다. 안정적으로 일정한 에너지를 얻기 위해선 다음과 같은 조건들을 알맞게 조절해 주어야 한다.
태양전지의 성능비 감소의 가장 큰 원인 중 하나는 전지모듈의 온도이다. 대부분의 태양전지는 옥외에 설치되기 때문에 온도의 영향을 크게 받는다. 온도가 증가할수록 온도계수에 의하여 출력값이 감소하게 된다. 관련 논문의 연구 결과에 따르면, 태양광전지의 효율은 겨울철인 12월~2월에 가장 높고(90~98%) 가장 더운 7~8월은 효율이 70%까지 떨어진다고 한다. 반면, 본 설계에 이용하는 박막전지의 경우 기존의 태양광 전지와는 다르게 온도의 영향을 가장 적게 받는다는 장점이 있다.
또한 실제 주거지에 설치할 것이므로 실내에서 창문을 통해 보았을 때, 미관을 해치지않도록 투명성이 보장되어야 한다. 관련 논문의 연구 결과에 따르면 투명성이 30% 정도 보장될 경우, 실내에서 보는 사람들에게 불쾌감을 전혀 유발하지 않는다고 알려져 있다. 이용하고자 하는 박막전지의 경우, 투명성이 10~30% 정도이므로 설계에 적합할 것으로 예상된다.
태양전지모듈에 영향을 주는 인자들을 조절하여 실제 어느 정도의 전력이 생산되어 사용자에게 도움을 주는지 예측해 보아야 한다. (2.3의 ‘태양광 창문의 발전용량’’ 참고)

◇ 창문의 규격

태양광 전지모듈의 Standard Size는 2m1m이다. 그 이상의 크기로 설계할 경우, 모듈의 무게를 견디기 힘들어 안정성이 떨어지고 진공판 등의 추가 설비가 요구된다. 추가 설비 설치 시, 유지 및 보수에 소요되는 비용이 기하급수적으로 증가하게 된다. 따라서 추가 비용 없이 에너지 효율을 최대로 높일 수 있는 Size인 2m1m을 기준으로 제품 설계를 진행하고자 한다.
정해진 규격으로 설계한 창문은 사용자가 원하는 정도의 충분한 환기가 될 수 있어야 한다. 이를 알아보기 위한 환기량은 실내와 실외 온도차, 개구부의 면적 등을 유량계수와 중력가속도등의 인자를 통해 구해줄 수 있다. (2.3의  ‘예상 환기량 계산’ 참고)

◇ 창문의 형태

앞에서 언급한 바와 같이 미닫이 형태의 창문을 사용하지 않고, 여닫이 형태의 창문을 사용하여 창문을 열었을 때 태양광 포집이 유리하게 작용하도록 한다.

개념설계안

◇ 환기량, 안정성을 고려한 창문의 열리는 각도

창문 자동개폐의 가장 큰 목적은 실내 환기이므로, 권장환기시간(하루 1시간 반)에 따라 환기를 진행하였을 때 겨울철에 권고 이산화탄소 농도를 유지하기 위해 창문이 열리는 최소 각도는 32, 무거운 태양광 패널이 부착된 창문의 구조적 안정성을 고려하여 열리는 최대 각도는 75로 설정하였다. (2.3의 ‘예상 환기량 계산’ 참고)

◇ 시간대별 창문의 각도

태양광 에너지의 수집이 가장 효율적으로 이루어지기 위해서 태양광이 전지에 수직(90)으로 들어올 때 가장 높은 에너지 효율을 나타낸다. 시간별로 변하는 태양의 고도를 고려하여 창문의 열리는 각도를 조절한다면, 태양광을 수직으로 받아 최고의 에너지 효율을 얻을 수 있을 것이다. 따라서 실시간 태양의 고도와 방위각에 대한 데이터를 한국천문연구원에서 받아 창문의 자동개폐 각도를 설정하고자 하였다.

창문이 자동개폐되는 시간에 따라 구동되는 모터의 회전수를 조절하여 개폐각도를 조절할 수 있도록 한다.

ex) 창문이 최대 각도로 열리는 모터의 steps = 2048 이라 하면, 16시에는 45각도로 열리도록 모터 steps = 으로 모터 회전수를 조절해준다.

◇ 환경을 고려한 창틀의 소재

기존에 주로 사용하던 창틀 소재는 PVC와 알루미늄, 목재 등이 있다. PVC와 알루미늄소재는 보강을 하지 않을 경우 강도가 약하다는 단점이 있다. 또한 목재의 경우 비틀림이나 변형으로 인해 오랜 사용이 불가능하다. 이를 보완하기 위해 폐플라스틱을 활용한 창호용 발포폴리스티렌 단열재를 이용하고자 한다. 이 기술은 알루미늄과 PS소재에 원목무늬 전사처리 단열재가 결합된 형태로 재활용 플라스틱 소재를 중량기준으로 원료의 80% 이상 사용한 기술이다. 
알루미늄 창호의 장점인 내구성과 PVC의 장점인 단열성을 모두 갖추어 실용적이고 자원의 재활용을 통해 신소재 개발로 친환경성이 높다. 가격 면에서도 알루미늄과 시장 가격이 비슷하여 신소재 사용에 따른 경제적 부담도 없는 편이다.

◇ 실시간 데이터를 활용한 제품의 구동 메커니즘

아파트의 스마트 IoT 서버를 활용하여 기상청에서 미세먼지 데이터와 기상정보 데이터를 받고 한국천문연구원에서 태양의 고도 데이터를 받아 태양광 창문 설계에 사용하게 된다. 해당 데이터들은 아파트의 서버에서 각 세대의 창문을 조작하는 프로그램에 전달되어 활용된다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 태양광 창문의 발전용량

1) 비정질 박막모듈의 효율

사용하려는 실리콘 기반의 다중 접합 박막 태양전지의 경우 아래 6개의 회사가 대표적이다. 6개 회사의 효율 중 효율이 가장 높은 회사의 제품과 가장 낮은 회사의 제품을 제외한 4개 회사의 제품 평균값인 8.4%를 예상설계효율로 정하였다.

2) 태양광 창문의 발전용량

발전용량의 경우 기존에 존재하는 LG 단결정모듈의 발전용량 값과 태양광모듈의 면적을 발전효율과 곱한 값의 비를 통해 예상발전용량을 구하였다.

LG의 단결정모듈의 경우 과 발전용량의 비가 1:10으로 나타나므로 설계면적이 2이고 효율이 8.4%인 모듈의 경우 예상발전용량을 168W로 상정하였다.

3) 연평균 발전량

연 평균 발전량을 구하기 위한 식은 다음과 같다.
연평균 발전 일수의 경우 청소, 수리 등의 사유로 발전을 하지 못하는 일수를 분기 당 1일로 결정하여 361일의 발전 일수를 대입하였고 일조시간의 경우 기상청의 자료를 참조하여 서울지역의 2019년 평균 일조시간인 6.94시간을 대입하였다. 이를 통해 발전량을 계산할 시 420kW/year의 연평균 발전량을 얻을 수 있었다. 하지만 발전용량은 일조량이 최대일 때의 시간당 발전량을 나타내는데 일조시간 동안 최대의 일조량이 유지되는 것이 아니므로 과대평가된 것으로 볼 수 있다. 이를 보완하기 위해 발전량을 예측하기 위해 경험적으로 사용되는 값인 일조시간을 3.5시간으로 대입하여 계산한다. 이를 통해 연간 발전량을 210kWh로 계산하였다.

4) 연평균 매출액, 전기요금 절감액

국내에서는 소규모 태양광 발전사업자의 경쟁력 및 수익성 보장을 위해 한국형 발전차액제도(Feed-in Tariffs)를 실시하고 있다. 기본적으로 전년도 상반기와 하반기의 낙찰 평균가(SMP+1REC) 중 보다 높은 가격을 해당 년도의 고정매입가로 설정하는 것으로 2020년도의 고정 가격은 상반기 하반기 평균 중 높은 가격인 173.9원/kWh으로 적용되었으므로 이를 통해 매출액을 36,540원으로 구할 수 있다. 이 외에도 발전차액제도의 신재생에너지원별 가중치 부여 대상인 경우 매입가에 가중치가 부여되므로 보다 높은 수익도 예상할 수 있다. 해당 설계의 경우 아래 가중치 적용 항목 중 전축물을 이용한 3,000kW이하의 태양광 발전설비이므로 1.5의 가중치를 받게 된다. 이경우 매입가는 SMP+1.5REC의 값을 가지고 2020년 기준 212.1원/kWh으로 적용되므로 44,550원의 매출액을 얻을 수 있다.

조립도

본 설계 과제의 실제 크기 조립도를 보여준다. 창은 사이즈로 가장 바깥쪽에 태양광 패널이 부착된 형태이다. 모터의 동력에 따라 자동으로 개폐되는 창은 태양광을 가장 잘 받는 형태로 조절하여 개폐하며 구조상 최소 32에서 75까지 열린다. 태양광 패널은 일조권을 보장하기 위해 투명도가 높은 박막형으로 부착하였다. 상단과 하단에는 리미트 스위치를 부착하여 창문의 상태가 열린 상태인지, 닫힌 상태인지 아두이노 모터에게 정보를 전달해준다.

각 부품을 분해하여 위의 그림과 같이 나타내었다. 본 설계에서 핵심 부품의 크기를 실제 크기에 맞추어 나타내었다. 모터는 토크가 큰 스텝모터를 사용하여 힘을 직접 전달하는 방식으로 창문 자동 개폐를 시켜준다. 박막 전지는 유리 앞면에 부착하여 태양광 수집을 통해 에너지를 생산한다.

조립순서

내용

부품도

내용

제어부 및 회로설계

아두이노 회로도에 스텝모터의 회전과 정지역할을 하는 L293D 회로를 연결하고 L293D 회로에 모터를 연결하여 작동시킨다. 실제 설계 목표는 태양광 에너지를 통한 동력으로 모터를 작동시키는 것이지만, 직접 제작하는 결과물의 동력은 현실적 제한 때문에 건전지를 사용한다.

◇ 설계 메커니즘

1) 외부의 미세먼지 농도 데이터를 입력값(A)으로 받는다.
2) 각 세대의 사용자가 어플에 환기를 원하는 미세먼지 농도 설정값(B)를 입력한다.
3) A<B 인 경우, 모터가 회전하여 창문이 열리며 자동환기.
4) A<B 인 경우, 모터가 역회전하여 창문이 닫힌다.
ex) 미세먼지 농도가 55인 경우, 환기 기준 설정값을 60 으로 할 때 A<B이므로 자동환기

소프트웨어 설계

내용

자재소요서

내용

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

내용

포스터

내용

특허출원번호 통지서

내용

개발사업비 내역서

내용

완료 작품의 평가

1) 생산하는 발전량

프로토타입의 경우 실제  의 1/4 축소 버전이므로 태양광 패널을 통한 발전가능 면적도 1/4 이 된다. 따라서 축소된 면적을 통해 계산한 연간 발전량은 52.5kWh 이다. (2 .3의 ‘태양광 창문의 발전량’ 참고)
프토로타입의 모터 구동에 소요되는 동력은 모터의 정격 전압과 전류량, 연간 예상 구동시간을 곱하여 계산하였다. 모터의 예상 구동시간은 창문이 열리고 닫히는데 구동되는 시간(25s)과 하루 예상 창문 개폐횟수(12회)를 곱하여 산정하였다. 
 = 5.35kWh 라는 연간 소요동력 값이 나왔다.
따라서 태양광창문을 사용함으로써 연간 47.15kWh의 잉여 발전량을 생산해낼 수 있다. 이는 축소된 프로토타입으로 계산한 발전량이므로, 실제 사이즈를 적용할 경우 예상되는 잉여 발전량이 더 커질 것이고, 창문을 여러 개 적용할 경우 그 값은 배가 된다.

2) 환기량 계산

 2.3의 ‘예상 환기량 계산‘ 참고

3) 자동개폐조건

 2.6의 ’설계 메커니즘’, 3.1의 ’사용 어플 이미지‘ 참고

4) 경제성 2.3의 ‘태양광 창문의 발전량’, 3.2의 ‘비용분석’ 참고

5) 사회적 필요성 부록의 A-4 ‘관련 설문조사지’ 참고

일반인(환경 비전공자) 30명 대상으로 설문조사를 진행한 결과 본 설계작품이 실내 대기질 개선과 향 후 친환경 기술 발전과 시민들의 인식에 긍정적인 영향을 줄 것으로 평가되었다.

1번 문항: 4.33점 2번 문항: 4.47점 3번 문항: 4.54점

최종 점수: 4.56점 / 5점 만점

향후평가

◇ 스마트 시티에 대한 적용 가능성

1) 현재 국내 산업들의 위상과 친환경 분야에서의 입지

2019년 기준으로 한국의 메모리반도체 시장 점유율은 72%, 스마트폰 판매 점유율은 23%, 전자제품에 사용할 OLED 시장 점유율은 83%로 세계 1등을 차지하고 있다. 하지만 한국경제원에서 조사한 신재생 에너지를 활용한 발전량 추이를 보면 한국은 4.8%로 독일의 41.2%, 미국의 17.9%, 일본의 18.0%와 비교하여 현저히 낮음을 볼 수 있다. 이러한 점유율을 통해 다른 앞서는 산업들에 비해 친환경 분야에서 뒤쳐진 상황임을 알 수 있다. 이를 해결하기 위해 현재 정부는 원자력발전소를 줄이고 발정량에서 친환경에너지의 비중을 늘리기 위한 정책과 법안들이 발효되고 있다. 이러한 정책의 일환으로 부산, 세종, 대구에 스마트시티를 조성하는 정책을 추진 중이다.

2) 스마트 시티란?

스마트 시티는 미래혁신적인 특징들은 가진 도시로 주요 특징들은 다음과 같다. 건물을 설계할 때 화석연료를 사용하지 않도록 건설한다. 화석연료를 사용하지 않기 위해서 신재생 에너지를 발전시킬 수 있는 설비를 구축하고 발전 후 즉각적으로 사용되지 않는 친환경 에너지를 발전하여 저장할 수 있는 ESS(전기저장시스템)설비를 설치하여야 한다. 또한 도시 전체의 사용 에너지를 통합적으로 관리할 수 있는 시설을 설립하여야 한다.
에너지적 측면 외에도 건물에 IoT시스템을 내재시켜 핸드폰 혹은 리모컨으로 건물 내부의 전등, 현관문 개폐 등의 항목을 편리하게 조절할 수 있어 사용자의 편의를 보장하는 건물들로 이루어진 도시 또한 스마트 시티에 포함된다.

3) 설계 작품의 적용 가능성

현재 국내에서는 태양열 에너지를 이용하는 주거지에 대한 기술은 연구, 발전단계이다. 따라서 기존의 주거단지에 본 설계 작품을 적용하려면 태양열 에너지에 대한 저장 및 변환 설비가 추가적으로 요구된다.
그러나 미래에 건설될 ‘스마트 시티’에는 태양광 에너지가 수소에너지와 함께 도시의 핵심 동력원으로 사용된다. 따라서 일정한 주거단지마다 태양광 에너지 저장 및 변환 발전설비를 포함하게 된다.

4) 해외의 스마트 시티 성공 사례

일찍이 친환경 설비 발전에 투자를 시작한 유럽의 경우, 네덜란드의 암스테르담이 성공적인 스마트 시티의 대표 사례라고 볼 수 있다.

◇ 발전량 판매에 따른 경제적 효과

 2.3의 ‘태양광 창문의 발전량’에서 언급한 바와 같이, 태양광 포집을 통해 생산한 발전량은 전기 에너지를 대체하여 전기요금을 절약하거나, 잉여 발전량 판매를 통해 부가적인 수익창출이 가능하다. 태양광 창문 한 개로 생산되는 연간 발전량은 210kWh 이며, 기존의 전기 에너지를 대신하여 이를 사용할 경우 연간 39459원의 전기요금을 절약할 수 있다. 창문을 여러 개 두어 잉여 태양광 발전량이 생산될 경우에는 한국형 발전형 차액제도(Feed-in Tariffs)의 ‘신재생 에너지 가중치’를 고려하여, 창문 한 개당 연간 44,550원의 발전량 판매요금을 통해 부가적인 수익 창출이 가능하다.

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참고문헌 및 참고사이트

1. 태양전지모듈의 설치각도에 따른 발전시스템의 성능평가 연구, 2015, 안재현, 건국대 대학원 2. http://solarmap.seoul.go.kr/intrcn/intrcnAlgorithm.do 3. LG전자 태양광 발전량 예상 https://www.lge.co.kr/kr/business/contents/energy/solar-experience-power-calc.do 4. Lifetime of PV Panels,2018, NREL https://www.nrel.gov/state-local-tribal/blog/posts/stat-faqs-part2-lifetime-of-pv-panels 5. https://www.hisour.com/ko/amorphous-silicon-39639/ 6. 박막 태양광에너지 기술 동향 및 전망, 2008, 김제하, 한국전자통신연구원 7. 산업환기공학, 2001, 한돈희 8. 실내공기질 관리법 제6조(실내공기질 권고기준), 2017 개정 9. 주거 공간별 신내공기질 관리 방안 연구, 2010, 국립환경과학원 10. 세계 에너지 통계 2020, Enerdata, 전기생산에서 신재생 점유율 11. 건물일체형 태양광발전시스템(BIPV)의 설계 및 시공시 고려사항, 2012, 쌍용건설 기술연구소 12. 스마트홈 미닫이창문 자동개폐장치, 2019, 카본디자인 13. 스마트폰 시장 점유율, 2019, SA(strategy analytics) 14. 메모리반도체 시장 점유율, 2019, IHS 15. TV와 스마트폰 포함 전체 OLED 시장 국가별 점유율, 2019, DSCC(Display Supply Chain Consultants) 16. 미세먼지에 따른 환기 실태조사, 2018, 통계청

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