타노水

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 교통풍을 이용한 수직축 고속도로 미세먼지 저감장치

영문 : Vertical Fine Dust reduction Device using traffic wind

과제 팀명

타노水

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 김**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 이**

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 송**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 제품의 필요성 : 고속도로에서 발생하는 미세먼지 배출기준 초과로 인해 발생하는 문제와 이로인해 관리자의 부담 등 여러 가지 불편함으로 인해서 고속도로 미세먼지 저감 필요.

◇ 도로 이동오염원에 따른 먼지는 유지, 보수에 따른 공사장 먼지, 타이어 마모 등에 의해서 해가 갈수록 누적됨. 

◇ 기존의 노면 살수차나 흡입 청소차로는 도로 혼잡 상황이나 날씨 등에 대해 영향을 받아 제한적임.

◇ 전기를 쓰지 않고도 교통풍으로 도로나 터널 내부의 미세먼지를 포집하는 제품 개발.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 고속도로 미세먼지

 ○ 미세먼지는 호흡기, 심장 계통에 질환을 유발하여 국제암연구소(IARC)에서 지정한 1군 발암물질에 해당하고, 시정장애 및 스모그를 생성할 수 있는 대기오염물질이다. 미세먼지의 배출원 중에서 비산먼지는 PM10 발생량의 절반을 차지한다. 비산먼지는 도로 재비산 먼지, 공사장 먼지, 타이어 마모 등에 인해 발생하는데, 포장도로에서 재비산되는 먼지가 약 60% 이상으로 비산먼지 생성의 주요 원인이 된다. 또한, 도로변에서는 자동차 연료의 연소로 인한 도로이동오염원에 의해서도 미세먼지가 많이 발생한다.

도로변 미세먼지 중에서도 시속 80-100km의 빠른 주행속도로 하루 평균 450만 대의 자동차가 이동하는 고속도로에서 발생하는 미세먼지 문제는 심각하다. 대기오염물질 배출이 가장 많은 고속도로인 경부고속도로에서 톨게이트 요금수납부스 안에서 측정한 미세먼지의 농도는 m3당 500ug로 미세먼지 경보기준인 300ug을 훨씬 초과하여 통행료 수납원의 건강에 심각한 위험을 초래할 수 있는 수준이었으며, 경부고속도로에서 300m 이내에 위치한 초등학교, 중학교 등의 환경취약시설이 88개나 있다. 이러한 고속도로의 미세먼지 문제에 대한 해결책이 필요한 시점이다.

◇ 기존 저감대책의 문제점

 ○ 고속도로 미세먼지의 문제를 해결하기 위해 한국도로공사에서는 작년에 고속도로 미세먼지 저감 대책 계획을 발표하였다. 미세먼지 저감계획에는 고속도로의 노면과 휴게소를 집중청소하는 주기를 단축하고, 터널에 미세먼지 저감장치를 더 많이 설치하며, 휴게소 내부의 공기를 정화하는 대책 등이 포함된다.
 ○ 노면을 집중청소할 때에는 도로청소차를 이용하여 청소하는 경우가 대부분이다. 도로청소차의 종류에는 고압살수차와 분진흡입차. 노면청소차가 있다. 도로청소차는 종류마다 각각의 장단점을 가지고 있으나, 공통적인 문제점으로는 먼지저감 효율이 16-36으로 낮으며, 일정 주기마다 사용하기 때문에 지속적인 먼지저감을 할 수 없다. 또한 청소차 운행에 들어가는 인건비, 동력비 등 운영비용이 상당하다는 점이다.

○ 터널 내부는 공기의 순환이 원활하지 않기 때문에 터널의 바깥보다 미세먼지의 농도가 높다. 미세먼지 저감계획에서 제시한 대책인 무동력 미세먼지 저감시설은 터널 천장에 대형의 롤필터를 설치해서 차량이 이동하면서 생기는 교통풍으로 미세먼지를 여과하는 방식이다. 이 시설은 동력을 사용하지 않고 자연스럽게 발생하는 에너지를 이용하여 도로분진흡입청소차 46대를 운영하는 것과 같은 효과를 나타내지만, 크기가 매우 크고 터널에만 설치할 수 있어서 사용이 제한적이다.

◇ 기대 효과

 ○ 고속도로 상의 재비산 먼지 및 도로 주변 미세먼지의 제거를 통한 공기질 향상
 ○ 공기정화기능과 더불어 LED를 이용한 미세먼지 농도표시, 사고방지 표시등(야간)으로의 기능을 추가하여 다용도 장치로 활용 가능성
 ○ 현재 운영중인 노면청소방법에서 소요되는 인력 및 장비의 절감효과

개발 과제의 목표와 내용

◇ 기능적인 측면

 ○ 도로 위의 교통풍을 동력으로 이용하여 별도의 에너지원 없이 유지 및 작동이 가능. 
 ○ 상단에 부착된 LED로 미세먼지 농도에 따른 색의 변화를 주고 이를 농도파악에 활용 가능하도록하여 도로의 공기질 파악가능
 ○ 야간에도 빛나는 센서등으로 야간운전 시 가드레일의 위치를 정확히 표시하여 사고예방 기능수행
 ○ 고속도로 공사현장에서 사용시 교통풍이 아닌 별도의 에너지원을 설치할 수 있도록 하여 공사시 발생하는 먼지의 비산방지와 주변으로의 확산을 막는다.

◇ 적용성 측면

 ○ 가드레일이 위치하는 모든 도로에 예외 없이 적용가능하며, 가드레일이 없는 경우 도로 중앙분리선으로 활용가능.
 ○ 설치의 제한요소가 적어, 도로 뿐만아니라 터널, 공사현장 등 다양한 장소에 배치 및 운영 가능

◇ 디자인 측면

 ○ 얇은 수직형으로 제작하여 도로변에 설치가 편하도록 설계한다.
 ○ 우천에 의해 필터의 기능을 상실하지 않도록 장치 상단에 위치한 LED판위에 덮개를 만들어 필터의 기능손실을 방지한다.
 ○ 집진필터를 장치의 측면에서 디스크 형식으로 탈착할 수 있도록 디자인하여 유지 보수가 쉽도록 설계한다.

◇ 경제적 측면

 ○ 충분한 교통풍이 발생할 시 동력비용이 별도로 들지 않는다.
 ○ 현재 노면청소차량 운영비용(인력 및 장비)의 감소효과를 볼 수 있도록 충분한 포집량을 가지도록 한다.(2018년 경인고속도로 기준, 월 2회 노면청소 시 연간 1226톤의 먼지 포집)

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

○ 고속도로 상의 재비산 먼지 및 도로 주변 미세먼지의 제거를 통한 공기질을 향상시킨다.

○ 공기정화기능과 더불어 LED를 이용한 미세먼지 농도표시, 사고방지 표시등(야간)으로의 기능을 추가하여 다용도 장치로 활용 가능성

○ 미세먼지 저감 현황과 농도를 빅데이터로 수집 및 이용.

경제적 및 사회적 파급효과

○ 가벼운 무게로 이동이 편리하고 설치가 간편하며 모듈식으로 운용 가능

○ 현재 운영중인 노면청소방법에서 소요되는 인력 및 장비의 절감효과

○ 빅데이터를 활용한 미세먼지저감지도를 작성한다.

○ 미세먼지 측정망 전국 확대, 활성화에 기여한다.

구성원 및 추진체계

◇송민경 : 시장조사 및 경쟁제품 가격비교

◇김동휘 : 외형 디자인 및 내부 디자인 아이디어 설계

◇이용준 : 논문자료 조사 및 내부 소재 선정

◇공동 : 제품 설계 및 보완점 파악

설계

설계사양

 가. 제품 요구사항

 나. 평가 내용

◇ 환경 인자(온도)의 영향을 받지 않고 일정한 성능을 발휘하는가?
   ○ 고속도로에 설치되는 제품이므로 온도와 강우에 의해 영향을 받을 수 있다. 물을 사용해서 집진하는 제품과는 달리 겨울철에 운영하는 데에 문제가 없으나, 강우에는 필터에 비가 유입되는 등의 문제로 인해 기기가 손상될 수 있다. 따라서 방수막 설치 등 대안을 마련하여 이러한 영향에 대응할 수 있는 대책을 마련해야 한다. 제품에 직접 환경 인자가 미치는 영향을 주어 이 때에 먼지 제거효율이 변화하는 지를 평가한다. 

◇ 시중에 사용되는 제품과 비교했을 때 집진효율이 좋은가? 
   ○ 터널 미세먼지 저감장치의 경우 교통풍을 사용하여 별다른 동력을 필요로 하지 않으면서도 도로분진흡입청소차 46대를 운영하는 것과 같은 효율을 낼 수 있을 정도로 집진 효율이 크다. 그러나 터널에 설치하고 대형필터를 가지고 있는 터널 미세먼지 저감장치와 달리, 야외에 설치하는 소형제품이라는 면에서 집진효율이 기존 제품들에 비해서 낮을 것으로 보인다. 효율을 높이기 위해서 집진효율을 극대화시킬 수 있도록 제품 형태, 프로펠러 종류 등 제품 디자인을 개발하도록 하고, 이를 평가한다.

◇ 환경 친화적인 제품인가?
   ○ 제품이 교통풍을 사용해서 미세먼지를 저감하기 때문에 전력을 소비하지 않아 에너지를 절약하는 방법이다. 또한 미세먼지의 농도 데이터를 측정하여 이 데이터를 이용하여 미세먼지 저감지도를 작성할 수 있으므로 도로변의 미세먼지 데이터를 통해 적절한 미세먼지 저감대책을 이행할 수 있으므로 환경 보호에 이바지할 수 있다. 농도 데이터를 통해 개발한 미세먼지 저감지도를 평가한다.

◇ 설치공간의 제약이 없이 모든 도로에 적용이 가능한가?
   ○ 터널, 고속도로에 설치할 때 방해가 되는 문제가 있는지, 설치공간의 차이에 따라 미세먼지 저감효율은 변화가 없는지를 평가해야 한다.

◇ 비용이 합리적인가?

   ○ 제품의 상업성을 판단하는 가장 쉬운 방법 중 하나는 가격비교이다. 일반적으로 같은 성능일 때 저렴할수록 제품의 상업적 가치는 상승한다. 따라서 제품의 성능을 비교하교 그에 따른 가격을 평가해야 한다.

◇ 제품 사용에 있어 안전한가?

   ○ 안전은 그 어떠한 측면보다 가장 우선시되어야 하는 부분이기에 이점을 유의하여 제작해야한다. 제품이 도로의 중앙에 설치되어 있을 때 차량의 운행에 영향을 주지는 않는지 등을 평가해야 한다.

◇ 설치가 용이한가?

   ○ 설치를 할 때에 고속도로에 제대로 고정될 수 있는지, 제품을 이동시켜 사용할 시에 별다른 문제는 없는지, 제품의 사용을 중단하고 해체할 때 용이하게 분리할 수 있는지 등을 평가해야 한다.

◇ 활용가능성이 무궁무진한가?

   ○ 제품이 다양한 기능을 가질 수 있다면 미세먼지 저감이라는 주요 용도 외에도 여러 편의를 도모할 수 있어 기존 제품들에 비해 경쟁력을 가질 것이다. 농도를 측정하고 표시하는 기능, 야간센서등과 같은 부가적인 기능을 추가할 수 있는지, 추가해서 유용하게 사용될 수 있는지를 평가해야 한다.

 다. 목적 계통도

라. QFD(Quality Function Deployment)

개념설계안

◇ 교통풍을 이용한 수직축 미세먼지 저감장치

- 본 개발 과제의 요약 사항으로는 수직축 풍력발전기 터빈을 활용하여 교통풍에 의한 바람을 통해 회전운동으로 터널형 필터를 통과하면서 전력원과 동시에 미세먼지 저감을 하는 것이다. - 본 제품의 재질은 아크릴, 고무, 플라스틱 등 다양한 재질로 이루어진다.

① 회로부(5V 충전모듈, USB-5pin 케이블, 미세먼지측정기) : 회로부는 발전부, 전달부(모듈), 그리고 측정부로 분류할 수 있다. 발전부에서는 교통풍을 통해 터빈날개가 회전운동을 하여 전력을 생산하게 되고, 전달부는 생산된 전력을 USB포트를 이용해서 측정기에 전달한다. 측정부에서는 전달된 전력을 이용해서 측정기기를 사용할 수 있게 된다. 
따라서 미니 터빈에서 교통풍을 이용해서 터빈을 회전시키게 되면 집게전선과 5V 충전모듈, USB-5pin 케이블을 연결하여 터빈에서 생성된 전력으로 미세먼지측정기 내부의 배터리를 충전시키게 된다.

회로부에는 전선, 전자제품이 있어 우천 시에 기능이 손상될 수 있기 때문에 이를 방지하기 위하여 고무재질의 커버를 씌운다.

② 유입부(먼지를 포함한 교통풍의 유입) : 미세먼지를 포함한 공기가 교통풍에 의해 상승하고 장치로 유입된다. 이 공기는 수직축 터빈과 만나 회전운동을 하면서 아래를 향하여 이동하게되고 공기에 포함된 미세먼지가 필터부로 이동하여 집진이 이루어진다.
터빈 블레이드 형태에 따라서 구조적 하중 특성, 재료 성능, 블레이드 디자인 및 수명을 고려한 재료를 사용한다. 일반적으로 Glass fiber reinforced plastics(GRP)를 많이 사용하며 내식성, 내약품성재료로서 높은 강도를 가지는 특징이 있다. 
본 제품에는 Fiberglass보다 우수한 인장강도와 가벼운 무게, 내식성, 내화학성을 가진 Kevlar(Aramid Fiber)를 사용하여 블레이드를 제작한다.

수직축 풍력 발전기는 크게 항력형(사보니우스), 양력형(다리우스), 혼합형의 세 가지로 구분한다. 각 발전기의 형태 및 특징은 아래 표와 같다.

본 과제에서는 교통풍을 이용한 미세먼지 저감장치를 제작하므로 풍량의 변화에 적응이 용이하고 설계가 쉬운 제품을 사용하기 위하여 항력형(사보니우스) 발전기를 사용한다. 양력형의 경우 지속적으로 일정유량이 유입되어야 하는데, 교통풍의 경우 차량의 이동이 없으면 발생하지 않고 차량의 속도에 따라 발생하는 풍량이 달라지므로 일정한 효율을 얻을 수 없다. 혼합형의 경우 높은 출력계수를 가지고 회전수가 적어도 충분한 효율을 가지지만 제작이 까다롭고 적은 비용으로 장치를 만들기 위한 본 과제에서 사용하는 것은 적절하지 않다. 따라서 큰 기동토크를 가지고 적은 회전수로도 충분한 효율을 가지며 설계가 용이한 항력형(사보니우스) 발전기를 사용하고 낮은 출력계수는 장치의 설치 대수를 늘려 보완하고자 한다.

③ 미세먼지 흡착 : 집진부(소형 프로펠러, 터널형 필터)

유입부를 통해 유입된 공기가 아래쪽 집진부로 이동하면 소형 프로펠러가 유입된 공기를 집진부로 이동시킨다. 이때 미세먼지가 필터에 부착되면서 정화된 공기가 통과하는 방식으로 집진을 실시한다. 소형 프로펠러는 수직회전축 끝단에 위치하여 교통풍 유입에 따른 블레이드의 회전과 동시에 회전하고 같은 축을 사용한다. 필터의 내경크기와 비슷한 크기로 제작하여 하향하는 공기가 필터내부로 잘 들어갈 수 있도록 보조역할을 한다. 필터는 시중에 판매되는 복합필터를 사용한다. 극세사 필터, 광촉매 필터, 헤파필터로 구성되었고 극세사 필터에서 미세먼지에 비해 상대적으로 큰 이물질을 제거하고 광촉매 필터에서 유해가스, 포름알데히드 등의 제거가 가능하며 헤파필터에서 미세먼지를 제거한다. 이 필터는 0.3um 이상의 입자에 대하여 99.97%의 제거율을 가졌으며 약 4000시간의 수명과 세로310mm, 가로165mm의 작은 크기로 본 장치에 적합한 성능을 가졌다.

④ 미세먼지 흡착 후 여과 공기 이동 경로 : 배출부 필터를 거쳐 여과된 공기는 필터의 하단부에서 장치에 뚫린 구멍을 통해 바닥으로 배출된다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 터빈의 성능시험 계산

선풍기를 이용한 회전 값 계산과정 (초미풍 : 2m/s, 미풍 : 4m/s, 약풍 : 6m/s, 강풍 : 8m/s, 고속도로의 풍속 범위는 5~20m/s이나 20m/s는 태풍 등의 기상이변으로 인한 비정상적인 상태로 본다.)

근거 : 기상청 기상자료개방포털 (https://data.kma.go.kr/cmmn/main.do)에서 데이터-응용기상-기상자원지도-풍력자원지도 탭에서 풍향, 풍속 자료를 선택하면 우리나라의 경도, 위도별 풍향과 풍속 데이터 값이 나온다. 경부고속도로 중의 죽전휴게소를 기준점으로 잡으면 위도와 경도는 37.332, 127.10466이다.

이 때, 비슷한 지점의 좌표를 기상자료개방포털에서 찾으면 각 월별로 평균풍속을 구할 수 있는데, 이 평균풍속 자료로 풍속범위를 특정할 수 있다. 데이터셀에서 찾은 월별 평균풍속의 범위는 5.5~9m/sec였다.

위와 같은 계산을 초미풍, 미풍, 약풍, 강풍에 대하여 각각 계산한 결과는 아래와 같다.

조립도

조립순서

부품도

제어부 및 회로설계

◇ 모식도

-발전부 : 터빈 블레이드 위쪽에 자석을 부착한 원판을 달았고, 고정된 위쪽 회로에는 코일을 감을 고리를 부착하여 블레이드가 회전할 때마다 자석이 회전하고, 자석의 회전이 고리에 유도 전류를 발생시켜 교류 전류가 생성되게끔 한다.

-전달부(모듈) : 발전부에서 생산된 전력을 5pin으로 변환시켜서 측정기에 전달한다.

-측정부 : 전달된 전력으로 미세먼지 측정기기를 작동시킨다.

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

포스터

특허출원번호 통지서

개발사업비 내역서

아크릴의 경우 외주작업 제외 재료비는 5만원선, 풍력터빈을 직접 제작 시 사용하는 케블라 면적을 고려하면 22000원, 필요한 면적만큼의 브레드보드와 회로 구성에 10000원, 필터 1개 20000원, 자석의 경우 최저가 기준 5000원, 미세먼지 측정기 대신에 저전력 라즈베리파이제로(23000원)와 sds011미세먼지측정기(40000원)로 구성하면 17만원 선에 제품을 제작할 수 있다.

완료 작품의 평가

향후평가

◇ 본 과제의 고속도로 상황에서 필터 교체 시 필터를 교체하는 교체부의 방식을 조금 바꾸어야 함. 밑 그림처럼 합체하고 분리하는 방식의 필터 주입구가 필요하다. 밑동부분과 필터를 일체로 구성해야 하기 때문에 본 개발과제에서는 실제로 제작을 하지 못하였으나 여닫이문이 아닌 합체형으로 구성하면 필터 교체에 대한 시간이 빠르다.

필터를 교체하는 방식을 바꾸면 중앙선 부근의 한 차선만 통제하면 되기 때문에 필터 교체 차량의 원활한 교통정리와 통제가 가능하다.

◇ 본 과제의 미세먼지 측정값 활용 도로 각각의 지점에 이 저감장치를 설치할 경우, 여러 곳에서의 대기질을 시간별로 수신하여 미세먼지 대기질 빅데이터를 구축할 수 있고, 이것을 모델링에 활용하는 등의 무궁무진한 활용성이 기대된다. 라즈베리파이제로와 sds011모델의 저전력 미세먼지 센서를 조합하면 약간의 코딩작업을 거쳐 와이파이가 있는 지역 한정으로 무동력, 무선으로 측정값을 수집할 수 있다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

[1] 제갈영순, et al. "케블라/에폭시 프리프레그의 경화특성에 관한 연구." 한국복합재료학회지 14.2 (2001): 1-7.

[2] 김석수, 강지웅, and 권오헌. "아라미드섬유 보강 풍력발전기 로터 블레이드의 연성해석 강도평가." 한국동력기계공학회지 19.4 (2015): 17-23.

[3] 강덕훈, 신원식, and 이장호. "도시형 소형 수직축 풍력 발전기의 형태별 성능에 대한 실험적 고찰." 한국유체기계학회 논문집 17.6 (2014): 64-68.

[4] 황인성, et al. "사이클로이드 블레이드 시스템을 이용한 수직축 풍력 발전기의 공력 성능 해석 및 블레이드 제어에 관한 연구." 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 (2005): 260-263.

[5] 이민구, 오훈, and 박왈서. "블레이드 형태에 따른 소형 수직축 풍력발전기의 실험적 연구." 한국산학기술학회 논문지 18.12 (2017): 88-92.

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