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2024년 12월 21일 (토) 18:25 기준 최신판

1 프로젝트 개요
2 개발 과제의 개요
3 관련 기술의 현황_기술 현황 및 분석
4 관련 기술의 현황_시장 상황에 대한 분석
- 4.1 경쟁제품 조사 및 비교
- 4.2 마케팅 전략
5 개발과제의 기대효과
6 설계사양
- 6.1 제품의 요구사항
- 6.2 목적계통도
7 개념설계안
- 7.1 모식도
- 7.2 개념설계내용
8 상세 설계안_이론적 계산을 통한 집진 장치 설계 & 운영방식 결정
9 상세 설계안_하드웨어 및 소프트웨어 설계
10 완료 작품의 소개
- 10.1 프로토타입 사진 혹은 작동 장면
- 10.2 포스터
11 개발 사업비 내역서
12 완료작품의 평가
- 12.1 완료 작품의 경제성 평가
- 12.2 완료 작품의 자체 평가 항목에 따른 총괄 평가
13 향후계획

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 자동 세척 및 건조 시스템을 활용한 대기질 개선 스마트 가로등

영문 : Designing smart streetlight for air quality improvement using automatic cleaning and drying system

과제 팀명

H2S2H

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 최*수(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 이*영

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 전*형

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 조*진

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

해당 과제에서는 자동세척장치를 이용한 대기질 개선 스마트가로등의 설계를 진행한다.

(1) 자동 세척 및 건조 공정을 갖춘 실외 미세먼지 저감 장치

(2) IoT 기반의 미세먼지 농도 및 장치 내 습도에 따른 운영 조절 시스템과 센서

(3) 강수 감지에 따른 자동 개폐형 우수 재활용 장치를 포함한다.

개발 과제의 배경

1) 서울시 내 대기오염 문제와 대기질 개선 필요성

2022년에 OECD 국가 중 한국은 PM2.5 농도가 가장 높은 국가로 평가

장기간 PM2.5에 노출될 경우, 서울 주민의 평균 기대 수명이 약 1.4년 단축, 대기오염으로 인해 연간 약 7,700명이 조기 사망할 것으로 추정

2) 실외 미세먼지의 특성과 실외 공기정화장치의 필요성

실외 미세먼지의 발생 요인 중 해외 발생 비율이 48%이므로 실외 미세먼지를 직접적으로 줄이는 것 또한 매우 중요

그러나 국내의 미세먼지 저감 대책은 발생원 위주 규제에 초점

3) 도시 내 기존 공기정화장치의 문제점 및 소형 공기정화장치의 필요성

기존 도시 공기정화장치는 거리가 떨어지면 정화 효과가 급감하여 전체적인 효과가 제한적

또한, 설치 비용과 유지보수 비용이 많이 들어 상용화에 한계

이러한 문제점을 보완하기 위해서 기존에 광범위하게 설치된 가로등에 공기 정화 장치를 부착하여 공기정화 가로등을 설계 예정

스마트 운영시스템을 도입하여 운영 효율성을 향상하여 비용을 줄이고자 함

4) 스마트가로등의 도입 현황과 필요성

전세계적으로 스마트 가로등의 도입이 확대되고 있음

서울시 역시 스마트폴이라는 이름의 스마트 가로등을 점점 늘려가고 있음

도시 내 스마트가로등은 시스템 효율화 및 부가가치 창출을 위해 도입될 필요

5) 공기정화 스마트폴의 필요성

공기정화를 할 수 있는 스마트폴 모델은 존재하지 않음

이번 설계에서 미세먼지 저감 최적화를 위한 스마트가로등을 설계하며 이를 공기정화 스마트폴로 제안

개발 과제의 목표 및 내용

1) 개발 과제의 목표

기존 가로등에 설치할 수 있는 소형 장치 설계
미세먼지 농도에 따른 운영 최적화 시스템 설계
유지관리를 용이하게 하기 위한 자동 세척 및 건조 시스템 설계

2) 개발 과제의 내용

오염도 감지에 따른 스마트 공기정화 시스템 설계
자동 세척 및 건조 시스템 설계
강우 감지 자동개폐형 우수저장조 설계

모식도

본 보고서에서는 다음 3가지에 대한 개념설계를 진행

(1) 자동 세척 및 건조 공정을 갖춘 실외 미세먼지 저감 장치

(2) IoT 기반의 미세먼지 농도 및 장치 내 습도에 따른 운영 조절 시스템과 센서

(3) 강수 감지 기능이 포함된 자동 개폐형 우수 재활용 장치

개념설계내용

자동 세척 및 건조 공정을 갖춘 실외 미세먼지 저감 장치

목적

소형 집진 장치를 통해 실외 미세먼지의 효과적 제거
전기집진장치의 세척 및 건조의 필요성

작동원리 및 핵심 기능

(1) 전처리 필터 및 전기집진장치의 자동 세척 공정

전기집진장치의 전·후단에 미세먼지 농도 측정 센서를 설치해 전기집진장치의 집진효율 감소를 측정
전기집진장치의 집진효율이 일정 이하가 될 때 센서에서 신호를 보내 세척수를 노즐을 통해 분사

(2) 전기집진 필터의 자동 건조 공정

세척 후 건조 시 전기집진장치를 작동시키지 않고 전처리필터와 헤파필터만을 이용해 집진
집진 시의 송풍을 통해 전기집진장치를 건조

(3) 습도 감지 센서를 통한 건조 후 운영 재개 공정

습도 감지 센서를 활용해 장치 내 습도를 측정 / 건조 완료 시 전기집진장치 가동하여 정상운영 재개

IoT 기반의 미세먼지 농도 및 장치 내 습도에 따른 운영 조절 시스템과 센서

목적

실외 미세먼지의 효과적인 저감 운영
전기집진 장치의 문제점 보완

작동원리 및 핵심 기능

(1) 미세먼지 농도 증감에 따른 탄력적 집진 장치 운영

해당 지역의 실시간 미세먼지 농도 데이터를 측정 센서를 통해 아두이노 메인보드에서 수신
실시간 미세먼지 농도 데이터가 일정 이상이 될 때 송풍기의 유입 유량을 증가하여 저감량 증가
미세먼지 농도 데이터가 일정 이하가 될 때(집진 필요성이 떨어질 때) 송풍기의 가동 중단

(2) 습도에 따른 집진 장치의 유연한 운영

습도 감지 센서를 활용하여 장치 내 습도 측정
장치 내 습도가 매우 높아질 때 전기집진장치의 집진효율이 떨어지고 에너지 소비 효율 커짐
이때 전기집진장치의 가동을 중단하고 전처리 필터와 HEPA 필터만을 이용해 집진 장치 운영

강수 감지 기능이 포함된 자동 개폐형 우수 재활용 장치

목적

빗물을 활용한 집진 장치 세척 용수 확보4

작동원리 및 핵심 기능

(1) 강우 감지 자동 개폐 시스템

자동 개폐 시스템을 우수 차단 장치(덮개)에 도입하여 강우 시에만 개방하여 증발 및 오염유입 방지
특정 수위에 도달하면 다시 우수 차단 장치(덮개)를 닫아 저장된 빗물의 오염을 방지 및 수위 조절

(2) 전처리 필터를 통한 세척수 수질 확보

전처리 필터로 섬유 필터를 도입하여 부유물질을 제거하고 세척수로써 충분한 수질 확보

상세 설계안_이론적 계산을 통한 집진 장치 설계 & 운영방식 결정

자동 세척 및 건조 공정을 갖춘 실외 미세먼지 저감 장치 - (1) 소형 미세먼지 저감장치 설계

목표 입자 및 집진효율 선정

[설계 방향성]

해당 장치의 목표 집진효율을 결정하고 장치의 규격을 목표 집진효율에 맞춰서 설계

[목표 집진효율 설정 - 전기집진장치의 제거 목표 직경과 해당 직경의 집진효율]

전기집진장치는 직경 2.5 μm를 기준으로 집진효율의 감소 속도가 증가하므로, 직경 2.5μm 이상 입자들에 대해서 집진효율 99%를 목표로 설계
직경 2.5μm 미만 입자들은 후단의 헤파필터에서 제거하는 것을 목적으로 설계

[목표 집진효율 설정 - 스크린과 헤파필터의 집진효율]

스크린은 전기집진장치에 이물질(나뭇잎, 모래 등)이 유입 방지를 위해 TSP(총 부유먼지)보다 큰 입자는 배제하여 제거 효율을 100%로 설계
헤파필터는 시중에 일반적으로 적용된 H13 등급의 필터를 사용하여 H13 필터의 집진효율을 그대로 적용하여 설계

[장치별 목표 집진효율]

위와 같이 설계한 필터별 목표 집진효율은 아래 표와 같음

전기집진장치 설계

[설계 방향성]

실외 대기오염 저감장치의 경우 장치 규모의 확장성에 한계가 있음
집진 장치 규모에 직접적 영향을 받는 미세먼지 저감 성능에도 한계가 있기에 성능을 해당 장치 규모에서 가능한 한 최대로 설계

[송풍량 고정]

대기오염 저감장치의 성능을 주어진 규모에서 최대화하기 위해 송풍량을 10CMM으로 고정

[집진판 설계]

전기집진장치에서의 집진효율은 Deutsch-Anderson 식을 통해 계산할 수 있으며 이는 아래 식과 같음
이에 따라 전기집진장치에서의 제거율은 유입 유량(10CMM)과 집진판의 겉보기 이동속도의 관계를 통해 결정

전기집진장치에서 집진극으로 입자가 이동하는 겉보기 속도는 아래 식을 통해 계산

집진 성능과 오존 발생량을 고려하여, 방전극 전압을 10kV로 결정
목표 효율과 전압이 정해진 상황에서 소형 장치로써 규모의 한계로 인해 집진극 간 거리를 2cm로 결정

해당 규격에 필요한 집진판의 총 단면적은 0.934m^2

전기집진장치의 유입속도를 2m/s로 설계, 설계유량 고려 필요한 장치의 통로 단면적은 0.083m^2
가스 통과하는 단면적을 28cm*29.5cm로 결정, 해당 규격에서 2cm 간격으로 15개의 집진판을 설치
집진판당 면적은 0.033m^2이며 집진판의 높이일 때 29.5cm일 경우 집진판 밑변은 아래 식과 같음

아래 표에 위 사항을 정리함

[방전극 설계]

집진극에 도입하기 전에 방전극을 통해 입자들을 음이온으로 대전시킨 후, 음이온으로 대전된 입자들이 양전하를 띠는 집진극을 통과하며 제거되도록 설계
방전극의 세기는 집진극의 전압과 같은 10kV로 설정, 극 재료는 오존 발생량을 낮출 수 있는 탄소 브러쉬 소재를 활용

[장치의 총 집진효율 산정]

위 계산된 인자들을 바탕으로 집진 장치 전체의 제거 효율을 계산
총 집진효율은 1) 미세먼지의 직경 별 농도분포와 2) 직경 별 집진효율의 곱을 통해 산정

1) 직경 별 농도분포는 서울 주거지역의 PM10/TSP 비율을 적용. 직경 10μm 이하 입자들의 농도분포에 대해서는 아래 표에서 직경 범위 별로 정리

2) 집진효율은 직경 2.5μm 기준 집진효율 99%로 계산한 Deutsch-Anderson 식을 이용하여 기존에 계산한 인자들을 고정하고 직경만 변경하는 역계산을 통해 각 직경 별 집진효율을 산정. 전기집진장치의 PM10 직경 범위 별 집진효율은 다음 아래 표와 같음

헤파필터의 직경 별 집진효율 최저 집진효율인 약 99.94%를 기준으로 계산
직경 별 농도분포와 집진효율의 곱의 합으로 산정한 실외 미세먼지 저감장치의 총 집진효율은 아래 표와 같음

헤파필터 설계

[헤파필터 규격 결정]

헤파필터의 두께를 설계하기 위하여 헤파필터의 압력손실에 관한 아래의 수식을 활용

위 식을 활용하여 설계한 헤파필터의 규격은 아래 표와 같음

송풍기 설계

이번 설계에 적용된 송풍기의 규격은 아래 표와 같음

자동 세척 및 건조 공정을 갖춘 실외 미세먼지 저감 장치 - (2) 자동 세척 및 건조 공정 설계

자동 세척 공정 설계

[세척 공정 설계]

전기집진장치의 집진효율이 떨어지면 미세먼지 농도 측정 센서가 이를 감지하여 장치 상단의 우수 저장조로부터 우수를 받아 노즐을 통해 분사하여 집진판 세척을 시행
본 설계와 비슷한 규모의 소형 전기집진장치를 참고하여 세척 수량 0.6, 세척 시간 1분으로 결정
집진극 면적은 0.934 m^2을 적용하여 1회당 세척 수량을 계산하면 다음과 같음

[세척 자동화 공정 설계 - 세척 주기 결정]

전기집진장치의 초기 집진효율에서 2.01% 이상 떨어지면 세척하도록 설계
기존의 전기집진장치의 PM 10 기준 집진효율인 90.43%가 88.6% 이하로 떨어지게 된다면 아두이노를 통해 세척을 자동으로 실시하도록 설계

자동 건조 공정 설계

[건조 공정 설계]

세척 후 건조 시 전기집진장치를 작동시키지 않고 스크린과 헤파필터만을 이용해 집진, 집진 시의 송풍을 통해 전기집진장치가 건조됨

[건조 및 운영 공정의 완전 자동화]

전기집진장치 하단에 세척 시 발생한 폐수를 버리기 위한 밸브가 존재
밸브 주위에 물 감지 센서를 설치하여 센서에서 물을 감지하지 못한다면 건조가 완료됐다고 판단하여 전기집진장치를 재가동, 실외 미세먼지 저감장치를 정상 운영

IoT 기반의 미세먼지 농도 및 장치 내 습도에 따른 운영 조절 시스템과 센서

미세먼지에 따른 유연 운영 설계

실외 미세먼지를 효과적으로 저감하고, 에너지 효율성을 갖추기 위해 미세먼지 농도에 따라 유연한 운영방식을 설계

가로등의 위치 특성을 고려하여 사람의 호흡기 건강 기준을 반영하는 ‘미세먼지 예보등급’의 농도를 기준으로 운영을 제어하도록 설계
미세먼지 예보등급 기준으로 “좋음”일 시 사람의 호흡기에 영향을 주지 않는 단계이기에 집진 장치를 가동하지 않도록 설계
“보통”, “나쁨”, “매우 나쁨” 등급에서는 실외활동 시 건강에 악영향을 미쳐 집진이 필요하기에 집진 장치를 가동하도록 설계
아두이노의 미세먼지 농도 감지 센서를 활용하여 미세먼지 농도를 측정
미세먼지 예보등급 기준 “좋음”의 농도 상한선인 PM10 기준 미세먼지 농도가 30 µg/m^3 이하일 때 송풍기의 운영을 중단하도록 설계

습도에 따른 유연 운영 설계

상대습도가 90% 이상일 때, 전기집진장치에서 방전 전류와 이온 이동도가 급격히 감소하여 미세먼지 집진에 부정적인 영향을 미침

상대습도가 90% 이상일 때는 전기집진장치의 가동을 멈추고, 스크린과 헤파필터만을 이용해 집진 장치를 운영하도록 설계

강수 감지 기능이 포함된 자동 개폐형 우수 재활용 장치

강수 감지 방식 설계

필터의 오염부하를 최소화하고 전처리 필터 교체 횟수를 최소화하기 위해 우수 감지형 개폐 장치를 도입
우수 감지형 개폐 장치는 빗물 감지 센서(MH-RD)를 활용하여 우수 여부를 판단
센서의 전류량이 10% 이상 커질 때를 우수 시로 설정하여 우수 저장조 문을 개방하도록 설계
우수 저장조 내 수위 센서를 활용하여 우수가 활용할 만큼 충분히 포집된다면 신호를 보내어 우수 저장조의 문을 폐쇄
초기 강우는 대기 중 황화물과 질소산화물의 용해로 낮은 pH이기 때문에 전기집진장치의 세척수로 부적절
빗물 감지 센서에서 우수가 감지된 후 15분 후부터 우수 저장조의 문을 개방하도록 설계

우수 저장조 설계

우수 저장조는 원활한 우수 공급을 위해 저감장치의 상단부에 설치되도록 설계
규격은 장기간 비가 오지 않는 상황을 대비하여 최대 4회까지 세척이 가능한 수량 기준으로 결정
저장조의 바닥 단면적은 저감장치의 크기, 아두이노 본체 공간 마련을 고려하여 30cm * 20cm로 설계
이를 기준으로 높이를 계산하면 다음과 같음

실제 높이는 이물질 유입 방지를 위한 스크린 설치, 겨울철 동파 방지를 고려하여 5cm로 설계

상세 설계안_하드웨어 및 소프트웨어 설계

조립도 및 3D 설치 모형

부품도

제어부 및 회로 설계

소프트웨어 설계

집진 장치 - 라이브러리 설치 및 설정 / 변수 설정 및 아두이노 고유 번호 부여

집진 장치 – 루프문 기본값 설정 / 변수 인풋 · 아웃풋 설정 / LCD 기판 표기 설정

집진 장치 – 루프문(미세먼지 농도 측정 및 수분 감지 데이터 실시간 전송 루프문)

집진 장치 – 조건문(미세먼지 농도 조건 / 고습도 조건 / 세척 필요 조건 등에 따른 유연 운영)

우수 감지 자동 개폐 우수 저장조

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

집진장치

좌측부터 집진장치 정면도 - 측면도 - 평면도

우수저장조

프로토타입

포스터

개발 사업비 내역서

완료작품의 평가

완료 작품의 경제성 평가

설계 제품의 초기 비용 계산

설계 제품 ‘가로숨’의 초기 비용은 위 표와 같음
‘가로숨’의 초기 비용은 약 50만 원

설계 제품의 운영 비용 계산 1) 전력 비용 계산

본 설계에 사용한 송풍기의 소비전력은 245W
전기집진장치의 소비전력은 YHB ECO사의 소형 전기집진기를 참고하여 송풍량 10CMM 기준 30W로 결정
하루 운영시간은 미세먼지 농도가 30㎍/m3 이상일 때만 운영되는 것을 기준으로 결정하여 평균적으로 하루 12시간 운영
이에 따라'가로숨'의 소비전력은 3.3kWh
가로등의 전기요금은 47.2원/kWh
이에 따라 가로숨은 가로등에 연계되어 사용하기에 가로등의 전기요금을 사용하여 연간 전력 비용을 계산하면 다음과 같음

2) 유지관리비용

스크린 및 HEPA 필터는 1년 주기로 교체하며 그 비용은 초기 비용에서 계산한 값을 사용하여 결정

고장 발생 시 장치를 유지보수하기 위한 비용으로 연간 초기 비용의 10%인 5만 원의 유지관리비용이 필요하다고 가정
이를 고려한 ‘가로숨’의 연간 유지관리비용은 다음과 같음

이에 따른 연간 운영 비용은 다음과 같음

국외·국내 제품과의 경제성 비교 분석

1) 국외 제품 비교

국외 제품으로 중국 시안 스모그 타워와 비교함, 해당 제품의 사양은 송풍량 , 집진효율 80%
이 제품과의 총 먼지 제거량이 동일하기 위한 ‘가로숨’의 대수는 아래 식과 같음

가로숨’을 중국 스모그 타워와 비교하였을 때, 초기 비용 약 95%, 운영 비용 약 10%가 절감할 수 있음

2) 국내 제품 비교

국내 제품으로 분진 흡입 차량과 비교
해당 제품의 초기비용은 차량 가격 250,000,000원이며, 유지비용으로 연간 인건비 50,000,000원, 연간 유지관리 비용 20,000,000원으로 총 연간 운영 비용이 70,000,000원
해당 제품은 km당 0.0514kg의 미세먼지를 제거하는데 총 48,137km를 달리므로 연간 1대당 119.48kg의 미세먼지를 처리
따라서 먼지 흡입 차랑 한 대의 처리량은 가로숨 대수로 총 428대의 처리량에 해당

가로숨을 분진흡입차와 비교하였을 때, 초기 비용 약 14%, 운영 비용 약 19%가 절감 가능

완료 작품의 자체 평가 항목에 따른 총괄 평가

향후계획

실규모 장치의 집진 성능 평가 및 실증화
지역별 특성을 고려하여 최적화된 가로숨 설치 규모와 위치 결정 프로토콜 설계

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 ==프로젝트 개요==
 === 기술개발 과제 ===
-''' 국문 : ''' 자동 세척 및 건조 시스템을 활용한 대기질 개선 스마트 가로등..
+''' 국문 : ''' 자동 세척 및 건조 시스템을 활용한 대기질 개선 스마트 가로등
-''' 영문 : ''' Designing smart streetlight for air quality improvement using automatic cleaning and drying system..
+''' 영문 : ''' Designing smart streetlight for air quality improvement using automatic cleaning and drying system
 ===과제 팀명===
-..
+H2S2H
 ===지도교수===
-교수님
+서명원 교수님
 ===개발기간===
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 ===구성원 소개===
-서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 김**(팀장)
+서울시립대학교 환경공학부 20198900** 최*수(팀장)
-서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 정**
+서울시립대학교 환경공학부 20198900** 이*영
-서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 조**
+서울시립대학교 환경공학부 20198900** 전*형
-서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 이**
+서울시립대학교 환경공학부 20198900** 조*진
-서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 남**
+==개발 과제의 개요==
+===개발 과제 요약===
+해당 과제에서는 자동세척장치를 이용한 대기질 개선 스마트가로등의 설계를 진행한다.
+(1) 자동 세척 및 건조 공정을 갖춘 실외 미세먼지 저감 장치
-==서론==
+(2) IoT 기반의 미세먼지 농도 및 장치 내 습도에 따른 운영 조절 시스템과 센서
-===개발 과제의 개요===
-====개발 과제 요약====
-내용
-====개발 과제의 배경====
-내용
-====개발 과제의 목표 및 내용====
-내용
-===관련 기술의 현황===
+(3) 강수 감지에 따른 자동 개폐형 우수 재활용 장치를 포함한다.
-====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
-*전 세계적인 기술현황
-내용
-*특허조사 및 특허 전략 분석
-내용
-*기술 로드맵
-내용
-====시장상황에 대한 분석====
+===개발 과제의 배경===
-*경쟁제품 조사 비교
+) 서울시 내 대기오염 문제와 대기질 개선 필요성
-내용
-*마케팅 전략 제시
-내용
-===개발과제의 기대효과===
+* 2022년에 OECD 국가 중 한국은 PM2.5 농도가 가장 높은 국가로 평가
-====기술적 기대효과====
-내용
+* 장기간 PM2.5에 노출될 경우, 서울 주민의 평균 기대 수명이 약 1.4년 단축, 대기오염으로 인해 연간 약 7,700명이 조기 사망할 것으로 추정
-====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
-내용
+) 실외 미세먼지의 특성과 실외 공기정화장치의 필요성
+* 실외 미세먼지의 발생 요인 중 해외 발생 비율이 48%이므로 실외 미세먼지를 직접적으로 줄이는 것 또한 매우 중요
+* 그러나 국내의 미세먼지 저감 대책은 발생원 위주 규제에 초점
+) 도시 내 기존 공기정화장치의 문제점 및 소형 공기정화장치의 필요성
+* 기존 도시 공기정화장치는 거리가 떨어지면 정화 효과가 급감하여 전체적인 효과가 제한적
+* 또한, 설치 비용과 유지보수 비용이 많이 들어 상용화에 한계
+* 이러한 문제점을 보완하기 위해서 기존에 광범위하게 설치된 가로등에 공기 정화 장치를 부착하여 공기정화 가로등을 설계 예정
+* 스마트 운영시스템을 도입하여 운영 효율성을 향상하여 비용을 줄이고자 함
+) 스마트가로등의 도입 현황과 필요성
+* 전세계적으로 스마트 가로등의 도입이 확대되고 있음
+* 서울시 역시 스마트폴이라는 이름의 스마트 가로등을 점점 늘려가고 있음
+* 도시 내 스마트가로등은 시스템 효율화 및 부가가치 창출을 위해 도입될 필요
+) 공기정화 스마트폴의 필요성
+* 공기정화를 할 수 있는 스마트폴 모델은 존재하지 않음
+* 이번 설계에서 미세먼지 저감 최적화를 위한 스마트가로등을 설계하며 이를 공기정화 스마트폴로 제안
+===개발 과제의 목표 및 내용===
+) 개발 과제의 목표
+* 기존 가로등에 설치할 수 있는 소형 장치 설계
+* 미세먼지 농도에 따른 운영 최적화 시스템 설계
+* 유지관리를 용이하게 하기 위한 자동 세척 및 건조 시스템 설계
+) 개발 과제의 내용
+* 오염도 감지에 따른 스마트 공기정화 시스템 설계
+* 자동 세척 및 건조 시스템 설계
+* 강우 감지 자동개폐형 우수저장조 설계
+==관련 기술의 현황_기술 현황 및 분석==
+===관련 기술의 현황 및 분석(State of art)===
+가. 고성능 공기 정화 필터(HEPA)
+* HEPA(High Efficiency Particulate Air)필터는 주로 유리섬유로 짜여 있어 매우 높은 여과 성능을 보이는 필터
+* 현재 소형 공기청정기와 진공청소기에서 주로 사용
+* 실외에서 사용 시 먼지 제거 효율성을 높지만, 성능 유지를 위해서 필터 교체가 자주 필요
+나. 실외용 DEMC 모듈 필터
+* DEMC (De-dusting, Ever-lasting efficiency, Maintenance-free Custom-fit) 모듈 필터는 실외 환경에서 미세먼지를 효과적으로 제거하는 기술
+* HEPA 필터와 비교 시 초기 먼지 제거 효율은 낮지만, 필터 교체 없이 오랜 시간 성능을 유지하며, 실외 대기질 개선을 위해 설계된 기술
+* 다양한 크기의 먼지를 제거할 수 있으며, 외부 공기 흐름을 원활히 유지하여 압력손실을 최소화함
+다. 물세척 가능 세라믹 촉매 필터(CCF)
+* 물세척 가능한 세라믹 촉매 필터(CCF)는 미세먼지와 휘발성 유기 화합물(VOCs)을 동시에 제거하는 최신 필터 기술
+* 이 필터의 주요 집진 원리는 구리 산화물(Cu2O)과 이산화티타늄(TiO2)을 이용한 광촉매 반응으로 VOCs를 CO2로 분해
+* 이 필터는 최대 20년 동안 재사용할 수 있으며 물세척만으로 성능을 유지할 수 있어 유지보수 비용이 적게 들고 효과적으로 대기질 개선을 가능하게 하는 장치
+===특허조사 및 분석===
+'''가로등 부착형 공기정화기(10-2018-0048605)'''
+가. 특허 정보
+* 특허권자: 이종규
+* 출원일자: 2018년 04월 06일
+나. 특허 요약
+* 가로등 부착형 공기정화기에 관한 것이며 빗물에 의한 먼지 저감 장치와 자동 세척수 처리 장치 등을 포함
+* 가로등 측면에 설치되는 가로등 부착형 공기정화기이며, 이는 빛을 발하는 청사초롱 장치와 공기 내 미세먼지를 제거하는 필터부를 포함
+* 필터부 내에는 빗물을 받는 장치가 있는데 여기서 빗물과 세정액을 결합하여 수세식으로 미세먼지를 제거하는 원리
+* 세척수는 공기정화장치 내에 구비된 관을 통해 배출됨, 이때 관 내에 설치된 활성탄과 EM 미생물을 포함하는 황토볼을 활용하여 세척수 내 오염물질을 제거
+다. 특허 효과
+* 가로등 부착형 공기정화기로 가로등 근처의 미세먼지를 제거하여 대기오염물질을 저감
+* 우수 활용해 세정액의 EM 황토볼을 세척하고, 세척에 사용된 물을 다시 정화하는 구조로 자동 세척 공정이므로 관리 비용 감소 및 편리성이 향상
+* 태양광 에너지 이용하여 전원 공급할 수 있어 전력 소비 및 유지 비용을 절감
+* 설치가 용이하여 사용상 편이성이 높음
+'''미세먼지 정화 기능이 구비된 스마트 가로등(10-2022-0117638)'''
+가. 특허 정보
+* 특허권자: 한국해양대학교 산학협력단(주양익, 김도훈)
+* 출원일자: 2021년 02월 17일
+나. 특허 요약
+* 태양광 발전 설비를 포함하면서 미세먼지의 살균 필터링 기능이 있는 스마트가로등
+* 미세먼지 측정 센서를 포함하며, 해당 센서에서 감지되는 농도에 따라 미세먼지 정화 시설의 가동 정도를 조절
+* 미세먼지 정화 시설을 가동하지 않을 때는 태양광 발전을 통해 얻는 전력을 가로등의 광원에 활용
+* 미세먼지의 농도를 직접 측정하고 이를 장치를 통해 접근하여 미세먼지 농도를 얻을 수 있게 하는 설비를 포함
+다. 특허 효과
+* 야간 시야 확보 기능과 동시에 미세먼지를 제거하는 가로등을 설계하여 가로등의 역할 확장
+* 자체 태양광 발전에 의해 생성된 전기를 활용해 환경오염 줄이고 전력량을 절감
+* 공기정화 기능과 조명 기능을 선택적으로 가동하여 태양광 발전에 의해 충전된 배터리의 방전 및 수명 단축 문제 완화
+* 공기정화 부의 가동을 대기질 상태 및 도로 이동오염원인 자동차가 많이 다니는 도로 및 시간대에 따라 제어하여 전기를 효율적으로 사용
+'''세척이 가능한 헤파필터(10-2021-0132877)'''
+가. 특허 정보
+* 특허권자: 김태민
+* 출원일자: 2020년 04월 28일
+나. 특허 요약
+* 필터는 지지대에 고정되며, 지지대 아래로 필터 튜브가 돌출되는 구조로 구성
+* 돌출된 필터 튜브들은 세척조에 침전되어 세척되고 건조
+* 세척조는 동력으로 위아래로 올라갔다 내려갈 수 있도록 구성하여 세척 시기와 비세척 시기를 구분
+* 세척조 내에 설치된 분사 노즐을 통해 세척액을 유출구 위에 분사하여 필터 튜브를 세척 및 기능 회복을 진행
+다. 특허 효과
+* 헤파필터 표면의 공극에 쌓이는 미세먼지를 씻을 수 있어 성능 저하를 방지
+* 필터의 표면에 배출되지 못하고 남아있는 미생물의 성장으로 발생하는 곰팡이 등을 방지
+* 헤파필터의 교체 주기가 길어지기 때문에 운영 비용이 절감
+* 기존 헤파필터의 세척 시 재사용이 불가능하다는 점을 보완
+===기술 로드맵===
+[[파일:1분1조_기술로드맵2.jpg]]
+==관련 기술의 현황_시장 상황에 대한 분석==
+===경쟁제품 조사 및 비교===
+'''인도 델리의 Anti Smog Tower'''
+가. 기술의 개요 및 특징
+* 대형 팬을 통해 탑 상부에서 오염된 공기를 흡입하고 내부에서 정화된 후 탑 하부에서 깨끗한 공기를 방출하는 Downdraft Air Cleaning System을 활용.
+* 10,000개의 HEPA 필터와 공기 이온화 기술의 원리에 따라 대기오염물질을 제거
+* 비싼 설치 및 유지관리 비용
+* 구조물로부터 100m 떨어진 곳에서 미세먼지 감소율은 12~13%로 극히 미미
+나. 본 제품의 단점 및 이를 해결할 수 있는 우리 설계의 전략
+* 장치의 규모가 커 기술을 적용할 부지를 찾기 어려움
+   -> 소형화 장치의 탈부착 방식으로 인한 기술 적용의 용이성
+* 단일 장치이므로 거리 증가에 따른 저감 효율 감소 문제
+   -> 장치를 도시 지역 곳곳에 설치하여 거리 증가에 따른 저감 효율 감소 문제 해결 기대
+* 장치의 큰 유지관리 비용
+   -> 자동 세척 시스템을 적용하여 유지관리 비용 감소
+'''㈜나옴의 나옴 스테이션과 나옴 튜브'''
+가. 기술의 개요 및 특징
+* 나옴 스테이션이란 통합적 미세먼지 관리를 위한 시스템으로 빅데이터 AI 기반의 미세먼지 관리, 수집, 해석을 수행하고 예측
+* 나옴 튜브는 실외 미세먼지 저감장치이며 원통형 구조 안에 스크루 모양의 초정밀 브러시가 회전하면서 정전기와 원심력 등으로 저감
+* 나옴 튜브에 사용되는 필터의 경우 장시간 사용하여도 초기 압력손실과 입자 제거성능을 유지할 수 있고, 재질 특성상 세척이 가능
+* 최근 세종시 버스정류장에 적용되어 충분한 미세먼지 저감 성능
+* IoT, 인공지능 기술을 통한 능동 관리로 운영 효과가 극대화
+* 일정 주기마다 필터의 물세척이 필요
+나. 본 제품의 단점 및 이를 해결할 수 있는 우리 설계의 전략
+* 주기적으로 물 세척이 필요
+   -> 우수 재활용 및 필터 자동 세척 시스템을 통해 유지관리비 절감
+* 설치 공간을 마련 필요
+   -> 기존 가로등을 활용하므로 설치 공간 활용성 높음
+===마케팅 전략===
+'''SWOT 분석'''
+가. Strengths 강점
+* 집진 장치의 자동 세척 및 건조 공정으로 인한 유지관리 비용 절약
+* 소형 도시 대기오염 저감장치의 활용을 통한 부지 면적 최소화
+* 기존 가로등 활용에 따른 낮은 부대 설치비용 / 우수 재활용에 따른 추가 경제성 확보
+나. Weaknesses 약점
+* 집진 장치 세척수로 인한 폐수 발생 / 초기 설치 비용 소요
+* 추가 동력 설비로 인한 에너지 소비량 증가
+다. Opportunities 기회
+* 스마트 도시화 확대에 따른 도시 내 IoT 기술 수요 증가
+* 대기질 개선 관련 규제의 강화에 따른 대기오염물질 저감 필요성 증가
+라. Threats 위협
+* 해당 기술에 대한 시장 수용성이 낮으면 기술 채택이 되지 않을 수 있음
+* 도시 내 대기오염 저감에 대한 사회적 관심도 부족
+'''SWOT 분석에 따른 전략 수립'''
+가. S/O 전략 (강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)
+* 적합한 IoT 기술 및 자동화를 도입한 소형 대기오염 저감장치를 통해 스마트 도시에 기여
+나. S/T 전략 (강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)
+* 경제성 확보 및 성능 보장을 통해 낮은 시장 수용성에 대한 대처 능력을 키움
+다. W/O 전략 (약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)
+* 에너지 소비량 증가를 스마트 운영과 자동화 방식으로 보완하여 스마트 도시화와 대기질 규제 강화 기회를 최대한 활용
+라. W/T 전략 (약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)
+* 저감장치의 공간적 범위를 고려한 설치 장소의 최소화를 통해 초기 설치 비용을 절약하여 시장 경쟁성을 확보
+==개발과제의 기대효과==
+===기술적 · 사회적 기대효과===
+* (빗물 재활용 세정) 우수 재활용을 통한 물 재이용성 증가 및 부가가치 창출
+* (미세먼지 저감) 도시 내 미세먼지 및 비산먼지 저감 및 대기질 개선 효과
+* (자동 세척) 집진 장치의 자동 세척 및 건조를 통한 유지관리성 상승
+* (IoT) 대기오염물질 농도에 따른 운영 강도 조절을 통한 운영 효율성 상승
+* (가로등 부착형) 기존 가로등에 부착하고 설치하여 적용성 증가 및 공간 활용성 증가
+* (대기질 개선 스마트폴 활용) 대기질 개선 스마트폴의 개발로 인한 지자체 내 대기오염 인식 개선
+===경제적 기대효과===
+* (운영 비용) 운영 효율성 상승에 따른 운영 비용 감소
+* (유지관리 비용) 필터 교체 및 장치 부식 등에 필요한 유지관리비 감소
 ===기술개발 일정 및 추진체계===
-====개발 일정====
+'''개발 일정'''
-내용
-====구성원 및 추진체계====
+[[파일:1분1조_계획2.jpg]]
-내용
+'''구성원 및 추진체계'''
+* 이태영: 시설 설계, 문헌 탐색 및 수집
+* 전준형: 3D 설계 및 프린팅, 문헌 탐색 및 수집
+* 조우진: 시설 설계, 문헌 탐색 및 수집
+* 최현수: 과제 총괄 및 보고서 작성, 시설 설계, 문헌 탐색 및 수집
+==설계사양==
+===제품의 요구사항===
+[[파일:1분1조_제품요구사항.jpg]]
+===목적계통도===
+[[파일:1분1조_목적계통도.jpg]]
+==개념설계안==
+===모식도===
+* 본 보고서에서는 다음 3가지에 대한 개념설계를 진행
+[[파일:1분1조_개념설계_모식도.jpeg]]
+(1) 자동 세척 및 건조 공정을 갖춘 실외 미세먼지 저감 장치
+(2) IoT 기반의 미세먼지 농도 및 장치 내 습도에 따른 운영 조절 시스템과 센서
+(3) 강수 감지 기능이 포함된 자동 개폐형 우수 재활용 장치
+===개념설계내용===
+====자동 세척 및 건조 공정을 갖춘 실외 미세먼지 저감 장치====
+[[파일:1분1조_개념설계_설계안1.jpeg]]
+목적
+* 소형 집진 장치를 통해 실외 미세먼지의 효과적 제거
+* 전기집진장치의 세척 및 건조의 필요성
+작동원리 및 핵심 기능
+(1) 전처리 필터 및 전기집진장치의 자동 세척 공정
+* 전기집진장치의 전·후단에 미세먼지 농도 측정 센서를 설치해 전기집진장치의 집진효율 감소를 측정
+* 전기집진장치의 집진효율이 일정 이하가 될 때 센서에서 신호를 보내 세척수를 노즐을 통해 분사
+(2) 전기집진 필터의 자동 건조 공정
+* 세척 후 건조 시 전기집진장치를 작동시키지 않고 전처리필터와 헤파필터만을 이용해 집진
+* 집진 시의 송풍을 통해 전기집진장치를 건조
+(3) 습도 감지 센서를 통한 건조 후 운영 재개 공정
+* 습도 감지 센서를 활용해 장치 내 습도를 측정 / 건조 완료 시 전기집진장치 가동하여 정상운영 재개
+====IoT 기반의 미세먼지 농도 및 장치 내 습도에 따른 운영 조절 시스템과 센서====
+[[파일:1분1조_개념설계_설계안2.jpeg]]
+목적
+* 실외 미세먼지의 효과적인 저감 운영
+* 전기집진 장치의 문제점 보완
+작동원리 및 핵심 기능
+(1) 미세먼지 농도 증감에 따른 탄력적 집진 장치 운영
+* 해당 지역의 실시간 미세먼지 농도 데이터를 측정 센서를 통해 아두이노 메인보드에서 수신
+* 실시간 미세먼지 농도 데이터가 일정 이상이 될 때 송풍기의 유입 유량을 증가하여 저감량 증가
+* 미세먼지 농도 데이터가 일정 이하가 될 때(집진 필요성이 떨어질 때) 송풍기의 가동 중단
+(2) 습도에 따른 집진 장치의 유연한 운영
+* 습도 감지 센서를 활용하여 장치 내 습도 측정
+* 장치 내 습도가 매우 높아질 때 전기집진장치의 집진효율이 떨어지고 에너지 소비 효율 커짐
+* 이때 전기집진장치의 가동을 중단하고 전처리 필터와 HEPA 필터만을 이용해 집진 장치 운영
+====강수 감지 기능이 포함된 자동 개폐형 우수 재활용 장치====
+[[파일:1분1조_개념설계_설계안3.jpeg]]
+목적
+* 빗물을 활용한 집진 장치 세척 용수 확보4
+작동원리 및 핵심 기능
+(1) 강우 감지 자동 개폐 시스템
+* 자동 개폐 시스템을 우수 차단 장치(덮개)에 도입하여 강우 시에만 개방하여 증발 및 오염유입 방지
+* 특정 수위에 도달하면 다시 우수 차단 장치(덮개)를 닫아 저장된 빗물의 오염을 방지 및 수위 조절
+(2) 전처리 필터를 통한 세척수 수질 확보
+* 전처리 필터로 섬유 필터를 도입하여 부유물질을 제거하고 세척수로써 충분한 수질 확보
+==상세 설계안_이론적 계산을 통한 집진 장치 설계 & 운영방식 결정==
+===자동 세척 및 건조 공정을 갖춘 실외 미세먼지 저감 장치 - (1) 소형 미세먼지 저감장치 설계===
+====목표 입자 및 집진효율 선정====
+[설계 방향성]
+* 해당 장치의 목표 집진효율을 결정하고 장치의 규격을 목표 집진효율에 맞춰서 설계
+[목표 집진효율 설정 - 전기집진장치의 제거 목표 직경과 해당 직경의 집진효율]
+* 전기집진장치는 직경 2.5 μm를 기준으로 집진효율의 감소 속도가 증가하므로, 직경 2.5μm 이상 입자들에 대해서 집진효율 99%를 목표로 설계
+* 직경 2.5μm 미만 입자들은 후단의 헤파필터에서 제거하는 것을 목적으로 설계
+[목표 집진효율 설정 - 스크린과 헤파필터의 집진효율]
+* 스크린은 전기집진장치에 이물질(나뭇잎, 모래 등)이 유입 방지를 위해 TSP(총 부유먼지)보다 큰 입자는 배제하여 제거 효율을 100%로 설계
+* 헤파필터는 시중에 일반적으로 적용된 H13 등급의 필터를 사용하여 H13 필터의 집진효율을 그대로 적용하여 설계
+[장치별 목표 집진효율]
+* 위와 같이 설계한 필터별 목표 집진효율은 아래 표와 같음
+[[파일:1분1조_상1.jpg]]
+====전기집진장치 설계====
+[설계 방향성]
+* 실외 대기오염 저감장치의 경우 장치 규모의 확장성에 한계가 있음
+* 집진 장치 규모에 직접적 영향을 받는 미세먼지 저감 성능에도 한계가 있기에 성능을 해당 장치 규모에서 가능한 한 최대로 설계
+[송풍량 고정]
+* 대기오염 저감장치의 성능을 주어진 규모에서 최대화하기 위해 송풍량을 10CMM으로 고정
+[집진판 설계]
+* 전기집진장치에서의 집진효율은 Deutsch-Anderson 식을 통해 계산할 수 있으며 이는 아래 식과 같음
+* 이에 따라 전기집진장치에서의 제거율은 유입 유량(10CMM)과 집진판의 겉보기 이동속도의 관계를 통해 결정
+[[파일:1분1조_상21.jpg]]
+* 전기집진장치에서 집진극으로 입자가 이동하는 겉보기 속도는 아래 식을 통해 계산
+[[파일:1분1조_상22.jpg]]
+* 집진 성능과 오존 발생량을 고려하여, 방전극 전압을 10kV로 결정
+* 목표 효율과 전압이 정해진 상황에서 소형 장치로써 규모의 한계로 인해 집진극 간 거리를 2cm로 결정
+[[파일:1분1조_상23.jpg]]
+* 해당 규격에 필요한 집진판의 총 단면적은 0.934m^2
+[[파일:1분1조_상24.jpg]]
+* 전기집진장치의 유입속도를 2m/s로 설계, 설계유량 고려 필요한 장치의 통로 단면적은 0.083m^2
+* 가스 통과하는 단면적을 28cm*29.5cm로 결정, 해당 규격에서 2cm 간격으로 15개의 집진판을 설치
+* 집진판당 면적은 0.033m^2이며 집진판의 높이일 때 29.5cm일 경우 집진판 밑변은 아래 식과 같음
+[[파일:1분1조_상25.jpg]]
+* 아래 표에 위 사항을 정리함
+[[파일:1분1조_상26.jpg]]
+[방전극 설계]
+* 집진극에 도입하기 전에 방전극을 통해 입자들을 음이온으로 대전시킨 후, 음이온으로 대전된 입자들이 양전하를 띠는 집진극을 통과하며 제거되도록 설계
+* 방전극의 세기는 집진극의 전압과 같은 10kV로 설정, 극 재료는 오존 발생량을 낮출 수 있는 탄소 브러쉬 소재를 활용
+[장치의 총 집진효율 산정]
+* 위 계산된 인자들을 바탕으로 집진 장치 전체의 제거 효율을 계산
+* 총 집진효율은 1) 미세먼지의 직경 별 농도분포와 2) 직경 별 집진효율의 곱을 통해 산정
+* 1) 직경 별 농도분포는 서울 주거지역의 PM10/TSP 비율을 적용. 직경 10μm 이하 입자들의 농도분포에 대해서는 아래 표에서 직경 범위 별로 정리
+* 2) 집진효율은 직경 2.5μm 기준 집진효율 99%로 계산한 Deutsch-Anderson 식을 이용하여 기존에 계산한 인자들을 고정하고 직경만 변경하는 역계산을 통해 각 직경 별 집진효율을 산정. 전기집진장치의 PM10 직경 범위 별 집진효율은 다음 아래 표와 같음
+[[파일:1분1조_상27.jpg]]
+* 헤파필터의 직경 별 집진효율 최저 집진효율인 약 99.94%를 기준으로 계산
+* 직경 별 농도분포와 집진효율의 곱의 합으로 산정한 실외 미세먼지 저감장치의 총 집진효율은 아래 표와 같음
+[[파일:1분1조_상28.jpg]]
+====헤파필터 설계====
+[헤파필터 규격 결정]
+* 헤파필터의 두께를 설계하기 위하여 헤파필터의 압력손실에 관한 아래의 수식을 활용
+[[파일:1분1조_상31.jpg]]
+* 위 식을 활용하여 설계한 헤파필터의 규격은 아래 표와 같음
+[[파일:1분1조_상32.jpg]]
+====송풍기 설계====
+* 이번 설계에 적용된 송풍기의 규격은 아래 표와 같음
+[[파일:1분1조_상41.jpg]]
+[[파일:1분1조_상42.jpg]]
+===자동 세척 및 건조 공정을 갖춘 실외 미세먼지 저감 장치 - (2) 자동 세척 및 건조 공정 설계===
+====자동 세척 공정 설계====
+[세척 공정 설계]
+* 전기집진장치의 집진효율이 떨어지면 미세먼지 농도 측정 센서가 이를 감지하여 장치 상단의 우수 저장조로부터 우수를 받아 노즐을 통해 분사하여 집진판 세척을 시행
+* 본 설계와 비슷한 규모의 소형 전기집진장치를 참고하여 세척 수량 0.6, 세척 시간 1분으로 결정
+* 집진극 면적은 0.934 m^2을 적용하여 1회당 세척 수량을 계산하면 다음과 같음
+[[파일:1분1조_세척수량.jpg]]
+[세척 자동화 공정 설계 - 세척 주기 결정]
+* 전기집진장치의 초기 집진효율에서 2.01% 이상 떨어지면 세척하도록 설계
+* 기존의 전기집진장치의 PM 10 기준 집진효율인 90.43%가 88.6% 이하로 떨어지게 된다면 아두이노를 통해 세척을 자동으로 실시하도록 설계
+====자동 건조 공정 설계====
+[건조 공정 설계]
+* 세척 후 건조 시 전기집진장치를 작동시키지 않고 스크린과 헤파필터만을 이용해 집진, 집진 시의 송풍을 통해 전기집진장치가 건조됨
+[건조 및 운영 공정의 완전 자동화]
+* 전기집진장치 하단에 세척 시 발생한 폐수를 버리기 위한 밸브가 존재
+* 밸브 주위에 물 감지 센서를 설치하여 센서에서 물을 감지하지 못한다면 건조가 완료됐다고 판단하여 전기집진장치를 재가동, 실외 미세먼지 저감장치를 정상 운영
+===IoT 기반의 미세먼지 농도 및 장치 내 습도에 따른 운영 조절 시스템과 센서===
+====미세먼지에 따른 유연 운영 설계====
+실외 미세먼지를 효과적으로 저감하고, 에너지 효율성을 갖추기 위해 미세먼지 농도에 따라 유연한 운영방식을 설계
+* 가로등의 위치 특성을 고려하여 사람의 호흡기 건강 기준을 반영하는 ‘미세먼지 예보등급’의 농도를 기준으로 운영을 제어하도록 설계
+* 미세먼지 예보등급 기준으로 “좋음”일 시 사람의 호흡기에 영향을 주지 않는 단계이기에 집진 장치를 가동하지 않도록 설계
+* “보통”, “나쁨”, “매우 나쁨” 등급에서는 실외활동 시 건강에 악영향을 미쳐 집진이 필요하기에 집진 장치를 가동하도록 설계
+* 아두이노의 미세먼지 농도 감지 센서를 활용하여 미세먼지 농도를 측정
+* 미세먼지 예보등급 기준 “좋음”의 농도 상한선인 PM10 기준 미세먼지 농도가 30 µg/m^3  이하일 때 송풍기의 운영을 중단하도록 설계
+====습도에 따른 유연 운영 설계====
+상대습도가 90% 이상일 때, 전기집진장치에서 방전 전류와 이온 이동도가 급격히 감소하여 미세먼지 집진에 부정적인 영향을 미침
+* 상대습도가 90% 이상일 때는 전기집진장치의 가동을 멈추고, 스크린과 헤파필터만을 이용해 집진 장치를 운영하도록 설계
+===강수 감지 기능이 포함된 자동 개폐형 우수 재활용 장치===
+====강수 감지 방식 설계====
+* 필터의 오염부하를 최소화하고 전처리 필터 교체 횟수를 최소화하기 위해 우수 감지형 개폐 장치를 도입
+* 우수 감지형 개폐 장치는 빗물 감지 센서(MH-RD)를 활용하여 우수 여부를 판단
+* 센서의 전류량이 10% 이상 커질 때를 우수 시로 설정하여 우수 저장조 문을 개방하도록 설계
+* 우수 저장조 내 수위 센서를 활용하여 우수가 활용할 만큼 충분히 포집된다면 신호를 보내어 우수 저장조의 문을 폐쇄
+* 초기 강우는 대기 중 황화물과 질소산화물의 용해로 낮은 pH이기 때문에 전기집진장치의 세척수로 부적절
+* 빗물 감지 센서에서 우수가 감지된 후 15분 후부터 우수 저장조의 문을 개방하도록 설계
+====우수 저장조 설계====
+* 우수 저장조는 원활한 우수 공급을 위해 저감장치의 상단부에 설치되도록 설계
+* 규격은 장기간 비가 오지 않는 상황을 대비하여 최대 4회까지 세척이 가능한 수량 기준으로 결정
+* 저장조의 바닥 단면적은 저감장치의 크기, 아두이노 본체 공간 마련을 고려하여 30cm * 20cm로 설계
+* 이를 기준으로 높이를 계산하면 다음과 같음
+[[파일:1분1조_우수조계산.jpg]]
+* 실제 높이는 이물질 유입 방지를 위한 스크린 설치, 겨울철 동파 방지를 고려하여 5cm로 설계
+==상세 설계안_하드웨어 및 소프트웨어 설계==
+===조립도 및 3D 설치 모형===
+[[파일:1분1조_조립도1111.jpeg]]
+[[파일:1분1조_조립도2222.jpeg]]
+===부품도===
+[[파일:1분1조_부품도1.jpg]]
+[[파일:1분1조_부품도2.jpg]]
+===제어부 및 회로 설계===
+[[파일:1분1조_회로도정확.jpg]]
+===소프트웨어 설계===
+'''집진 장치 - 라이브러리 설치 및 설정 / 변수 설정 및 아두이노 고유 번호 부여'''
+[[파일:1분1조_코드1.jpg]]
+'''집진 장치 – 루프문 기본값 설정 / 변수 인풋 · 아웃풋 설정 / LCD 기판 표기 설정'''
+[[파일:1분1조_코드2.jpg]]
+'''집진 장치 – 루프문(미세먼지 농도 측정 및 수분 감지 데이터 실시간 전송 루프문)'''
+[[파일:1분1조_코드3.jpg]]
+'''집진 장치 – 조건문(미세먼지 농도 조건 / 고습도 조건 / 세척 필요 조건 등에 따른 유연 운영)'''
+[[파일:1분1조_코드4.jpg]]
+'''우수 감지 자동 개폐 우수 저장조'''
+[[파일:1분1조_코드5.jpg]]
+==완료 작품의 소개==
+===프로토타입 사진 혹은 작동 장면===
+집진장치
+[[파일:1분1조_집진장치11.jpeg]]
+좌측부터 집진장치 정면도 - 측면도 - 평면도
+[[파일:1분1조_집진장치_정면도.jpeg]] [[파일:1분1조_집진장치_평면도.jpeg]] [[파일:1분1조_집진장치_측면도.jpeg]]
+우수저장조
+[[파일:1분1조_우수저장조.jpg]]
+프로토타입
+[[파일:1분1조_프로토타입.jpg]]
+===포스터===
+[[파일:1분1조_포스터.jpg]]
+==개발 사업비 내역서==
+[[파일:1분1조_개발사업비.jpg]]
+==완료작품의 평가==
+===완료 작품의 경제성 평가===
+'''설계 제품의 초기 비용 계산'''
+[[파일:1분1조_초기비용.jpg]]
+* 설계 제품 ‘가로숨’의 초기 비용은 위 표와 같음
+*‘가로숨’의 초기 비용은 약 50만 원
+'''설계 제품의 운영 비용 계산'''
+) 전력 비용 계산
+* 본 설계에 사용한 송풍기의 소비전력은 245W
+* 전기집진장치의 소비전력은 YHB ECO사의 소형 전기집진기를 참고하여 송풍량 10CMM 기준 30W로 결정
+* 하루 운영시간은 미세먼지 농도가 30㎍/m3 이상일 때만 운영되는 것을 기준으로 결정하여 평균적으로 하루 12시간 운영
+* 이에 따라'가로숨'의 소비전력은 3.3kWh
+* 가로등의 전기요금은 47.2원/kWh
+* 이에 따라 가로숨은 가로등에 연계되어 사용하기에 가로등의 전기요금을 사용하여 연간 전력 비용을 계산하면 다음과 같음
+[[파일:1분1조_연간전력비용.png]]
+[[파일:1분1조_전기세.jpg]]
+) 유지관리비용
+* 스크린 및 HEPA 필터는 1년 주기로 교체하며 그 비용은 초기 비용에서 계산한 값을 사용하여 결정
+[[파일:1분1조_연간필터교체비용.png]]
+* 고장 발생 시 장치를 유지보수하기 위한 비용으로 연간 초기 비용의 10%인 5만 원의 유지관리비용이 필요하다고 가정
+* 이를 고려한 ‘가로숨’의 연간 유지관리비용은 다음과 같음
+[[파일:1분1조_연간유지관리비용.png]]
+* 이에 따른 연간 운영 비용은 다음과 같음
+[[파일:1분1조_연간운영비용.png]]
+'''국외·국내 제품과의 경제성 비교 분석'''
+) 국외 제품 비교
+*국외 제품으로 중국 시안 스모그 타워와 비교함, 해당 제품의 사양은 송풍량 , 집진효율 80%
+* 이 제품과의 총 먼지 제거량이 동일하기 위한 ‘가로숨’의 대수는 아래 식과 같음
-==설계==
+[[파일:1분1조_국외가로숨수.png]]
-===설계사양===
-====제품의 요구사항====
-내용
-====설계 사양====
-내용
-===개념설계안===
+* 가로숨’을 중국 스모그 타워와 비교하였을 때, 초기 비용 약 95%, 운영 비용 약 10%가 절감할 수 있음
-내용
-===이론적 계산 및 시뮬레이션===
+[[파일:1분1조_국외비용.jpg]]
-내용
-===상세설계 내용===
-내용
-==결과 및 평가==
-===완료 작품의 소개===
-====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
-내용
-====포스터====
-내용
-===관련사업비 내역서===
+) 국내 제품 비교
-내용
+* 국내 제품으로 분진 흡입 차량과 비교
+* 해당 제품의 초기비용은 차량 가격 250,000,000원이며, 유지비용으로 연간 인건비 50,000,000원, 연간 유지관리 비용 20,000,000원으로 총 연간 운영 비용이 70,000,000원
+* 해당 제품은 km당 0.0514kg의 미세먼지를 제거하는데 총 48,137km를 달리므로 연간 1대당 119.48kg의 미세먼지를 처리
+* 따라서 먼지 흡입 차랑 한 대의 처리량은 가로숨 대수로 총 428대의 처리량에 해당
-===완료작품의 평가===
+* 가로숨을 분진흡입차와 비교하였을 때, 초기 비용 약 14%, 운영 비용 약 19%가 절감 가능
-내용
+[[파일:1분1조_국내비용.jpg]]
-===향후계획===
+===완료 작품의 자체 평가 항목에 따른 총괄 평가===
-내용
+[[파일:1분1조_자체평가.jpg]]
-===특허 출원 내용===
+==향후계획==
-내용
+* 실규모 장치의 집진 성능 평가 및 실증화
+* 지역별 특성을 고려하여 최적화된 가로숨 설치 규모와 위치 결정 프로토콜 설계

"01분반 1조"의 두 판 사이의 차이

2024년 12월 21일 (토) 18:25 기준 최신판

목차

프로젝트 개요

기술개발 과제

과제 팀명

지도교수

개발기간

구성원 소개

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

개발 과제의 배경

개발 과제의 목표 및 내용

관련 기술의 현황_기술 현황 및 분석

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

특허조사 및 분석

기술 로드맵

관련 기술의 현황_시장 상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 및 비교

마케팅 전략

개발과제의 기대효과

기술적 · 사회적 기대효과

경제적 기대효과

기술개발 일정 및 추진체계

설계사양

제품의 요구사항

목적계통도

개념설계안

모식도

개념설계내용

자동 세척 및 건조 공정을 갖춘 실외 미세먼지 저감 장치

IoT 기반의 미세먼지 농도 및 장치 내 습도에 따른 운영 조절 시스템과 센서

강수 감지 기능이 포함된 자동 개폐형 우수 재활용 장치

상세 설계안_이론적 계산을 통한 집진 장치 설계 & 운영방식 결정

자동 세척 및 건조 공정을 갖춘 실외 미세먼지 저감 장치 - (1) 소형 미세먼지 저감장치 설계

목표 입자 및 집진효율 선정

전기집진장치 설계

헤파필터 설계

송풍기 설계

자동 세척 및 건조 공정을 갖춘 실외 미세먼지 저감 장치 - (2) 자동 세척 및 건조 공정 설계

자동 세척 공정 설계

자동 건조 공정 설계

IoT 기반의 미세먼지 농도 및 장치 내 습도에 따른 운영 조절 시스템과 센서

미세먼지에 따른 유연 운영 설계

습도에 따른 유연 운영 설계

강수 감지 기능이 포함된 자동 개폐형 우수 재활용 장치

강수 감지 방식 설계

우수 저장조 설계

상세 설계안_하드웨어 및 소프트웨어 설계

조립도 및 3D 설치 모형

부품도

제어부 및 회로 설계

소프트웨어 설계

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

개발 사업비 내역서

완료작품의 평가

완료 작품의 경제성 평가

완료 작품의 자체 평가 항목에 따른 총괄 평가

향후계획

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