"오빠차"의 두 판 사이의 차이

2018년 12월 16일 (일) 19:42 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 디자인 개선과 연료전지를 이용한 도로분진흡입차량 설계

영문 : Design of Road Dust Collective Vehicles using fuel cell with design improvement

과제 팀명

오빠차

지도교수

장*일 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 20138900** 심*혁

서울시립대학교 환경공학부·과 20138900** 이*환 (팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 20158900** 이*지

서울시립대학교 환경공학부·과 20158900** 이*경

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 미세먼지는 우리나라 대표적인 환경문제 중 하나로, 국민 대다수가 위험에 노출되기 때문에 대책이 시급하다. 이에 따라 미세먼지 마스크 무료 배포, 차량 2부제, 운행제한, 대중교통 무료 이용 등의 여러 정책이 시행되었다. 이러한 정책 중 하나인 도로청소의 수도권 대기질 개선 효과는 매우 큰 것으로 나타났으며(2016, 이희철), 우리는 본 과제에서 도로 분진 흡입차량의 개선을 통해 미세먼지 의 제거량 및 저감량 향상과 시민 만족도 향상을 도모하고자 한다.

◇ 현재 도로 분진 흡입차량은 차량 자체의 운행에서 미세먼지가 발생한다. 이는 휘발유 또는 경유로 운영되기 때문이다. 본 설계에 는 수소연료전지를 이용해 이를 해결함과 동시에 미세먼지 제거량 을 향상시키고자 한다. 또한 수소연료전지의 친환경적인 측면 또한 홍보하고자 한다.

◇ 실시간으로 대기 중의 미세먼지 농도를 확인하기 위해서는 개인적으로 어플리케이션을 이용해 확인 할 수밖에 없다. 또한 특정 미세먼지 농도가 어느 정도의 위해성을 가지는 지 잘 알고 있는 사람은 많지 않다. 따라서 차량 외부에 실시간 대기 중 미세먼지 농도를 시각화하고 QR code를 통해 정보 전달 및 이벤트를 진행하여 시민 만족도 향상을 도모한다.

개발 과제의 배경

◇ 최근 대기 중 미세먼지의 발생은 주요 환경 문제로 인식되고 있다. 2016년도 서울의 평균 미세먼지 (PM10)는 48μg/m3, 초미세먼지(PM2.5)는 26μg/m3로 다른 선진국에 비하여 미세먼지에 의한 대기 오염 실태가 매우 높게 나타나고 있다.(2016, 대기환경연보) 2014년 PM2.5로 인한 호흡기계 관련 총 진료비는 약 280억에 달한다.(2016, 이희철) 이에 따라 미세먼지에 대한 사회적 관심도 또한 점 차 증가하고 있는 추세이다.

◇ 사회적 관심의 증가를 바탕으로 정부는 미세먼지 관리 종합대책을 추진하여 국내 배출 감소, 국제 협력, 민감 계층 보호 등의 노력을 하고 있다.(환경부, 2017)

◇ 2015년 기준 국내 서울 미세먼지 발생량은 PM2.5 기준 약 2,580톤이었으며, 이 중 도로이동오염원 이 약 490톤으로 20%를 차지하고 있다.(2015, 국립환경과학원) 이러한 대도시의 경우 경유차와 같 은 도로이동오염원이 1순위 배출원이다.(2017, 환경부) 그러므로 대도시에서는 미세먼지 마스크 무 료 배포, 차량 2부제, 운행제한, 대중교통 무료 이용, 도로 청소 등의 여러 도로이동오염원 관련 정 책들이 시행되었다.

◇ 이러한 정책 중 하나인 도로청소의 수도권 대기질 개선 효과는 매우 큰 것으로 나타났으며(2016, 이희철), 환경부의 미세먼지 관리 종합대책에 따르면 도로 청소차량을 2017년 기준 1008대에서 2022년까지 두 배 확충해 2100대를 마련할 예정이다.(환경부, 2017)

◇ 도로분진흡입차량의 경우 대부분 경유를 이용하고 보조엔진을 이용하기 때문에 미세먼지가 발생한 다. 이와 같은 이유로 분진을 배출하는 분진 흡입차라는 문제점이 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 기존의 도로 분진 흡입차량은 휘발유 또는 경유로 운영되기 때문에 차량 자체에서 미세먼지가 발생 한다. 친환경 연료인 수소연료전지를 이용한다면 다음과 같은 목표를 달성할 수 있을 것이라 기대 된다.

   ⇒ 미세먼지 발생량 감소 및 제거량 향상
   ⇒ 친환경 연료인 수소연료전지 홍보

◇ 사물 인터넷 기술(IoT)의 발달로 인해 정보 접근이 용이해졌으므로, 도로 분진 흡입 청소차량, 미세 먼지 등에 대한 정보 등을 IoT 기술을 이용하여 홍보한다면 다음과 같은 목표를 달성할 수 있을 것 이라 기대된다. 이에 따라 시민 인지도 및 만족도를 향상시킬 수 있을 것이라 기대된다.

   ⇒ 해당 지역 미세먼지 농도 알림
   ⇒ 해당 농도에 대한 위해성과 예방법 알림
   ⇒ 도로 분진 흡입 청소차량의 운행 정보 알림 및 홍보

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 독일 : 자동차의 지붕에 커다란 대기 미세먼지필터와 브레이크에 미세먼지필터를 장착하고 도심지를 주행하면 지붕위의 대기 미세먼지필터는 대기중의 미세먼지를 빨아들이고 브레이크에서 발생하는 미세먼지는 브레이크필터로 흡입이 된다. 즉, 본인 자동차가 배출한 미세먼지는 최소한 배출한 만큼 자신의 자동차가 수거해야 한다는 논리이다.

◇ 독일 : 유로6 엔진 규격을 준수하여 미세먼지, 배기가스 발생이 없는 소형 도로청소차이다. 필터 대신 물을 사용하여 먼지를 제거하기 때문에 필터 막힘, 필터 손상, 필터 교체 비용 등이 발생되지 않아서 경제적이다. 물을 사용해서 먼지를 제거함으로 쓰레기통을 비울 때에도 먼지가 발생하지 않는다. 넓은 면적을 간편하고 신속하게 작업할 수 있어서 효율적인 차량이다. 그리고 이 차량은 도심도로에서도 사용할 수 있지만, 소형이므로 아파트 단지, 대형 공장외곽, 공항 등 대형 차량이 다닐 수 없는 장소에서도 먼지 제거가 가능하다.

◇ 중국 : 상하이에서 세계 최초로 무인 청소차량 시험 운행을 시작했다고 한다. 청소 차량은 길이 6m에 폭 3m의 중형 트럭을 개조한 것이다. 시속 10km 이하 속력으로 운행하며 장애물이 있으면 피하고 90도 코너도 자연스럽게 통과한다. 신호등 식별은 물론 출발부터 청소 완료 후 주차까지 자율주행으로 이루어진다. 운전자나 청소원은 일체 탑승하지 않는다. 차량 한 대당 가격은 약 5100만원으로 가격 경쟁력 또한 충분하다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

• 기술 로드맵

1) 이동통신

⇒ 과거 2G부터 3G까지의 이동통신은 음성 위주의 서비스 및 데이터 서비스의 시작점을 제공했던 반면에, 4G 이동통신에서는 본격적인 데이터 중심의 이동통신 서비스로의 큰 변화를 이루었다. 최근 콘텐츠별 무선 트래픽을 보면 동영상을 포함한 멀티미디어, 인터넷 등 몇 년 전만 해도 유선 통신에서만 제공 가능했던 서비스가 모바일 환경에서도 주된 콘텐츠로 자리잡게 되는 큰 변화가 있었다. 이러한 서비스 이용 패턴의 변화는 무선 네트워크가 3G에서 4G로 진화함으로써 전송 속도가 급속도로 향상되었고, 모바일 서비스 시장에서 차별적인 고객 경험을 제공하기 위한 많은 서비스들이 활발히 개발되었기 때문이다. 하지만, 이동 통신망의 진화는 여기에 그치 지 않고 2020년 상용화를 목표로 한 새로운 5G 이동통신에 대한 논의가 국내외에 본격적으로 진행되고 있다.

⇒ 본 과제는 5G의 사물인터넷(IoT) 기능에 초점을 맞추고자 한다. ‘사물인터넷’(Internet of Things) 이란, 주변에서 흔히 보고 쓰는 사물 대부분이 인터넷으로 연결돼 서로 정보를 주고받게 되는 것이다. 여기서 블루투스나 근거리무선통신(NFC), 센서데이터, 네트워크가 사물인터넷의 자율적인 소통을 돕는 기술이 된다. 사물인터넷의 표면적인 정의는 사물, 사람, 장소, 프로세스 등 유/무형 의 사물들이 연결된 것을 의미하지만, 본질에서는 이러한 사물들이 연결되어 진일보한 새로운 서비스를 제공하는 것을 의미한다. 즉, 두 가지 이상의 사물들이 서로 연결됨으로써 개별적인 사물들이 제공하지 못했던 새로운 기능을 제공하는 것이다.

⇒ 본 과제에서는 도로분진흡입차량과 미세먼지 농도를 알려주는 LED를 연결하여 새로운 기능을 제공하고자 한다. 현재 도로분진흡입차량은 도로의 분진을 제거하는 기능만 할 뿐, 주행 중 어떠한 정보를 제공하지 못한다. 도로분진흡입차량에 LED를 연결하여 도로분진흡입차가 운행 중인 지역의 미세먼지 농도와 해당 농도의 위해성, 정보 등을 제공할 수 있도록 하여 시민 만족도를 향상시킬 수 있도록 한다.

2) 도로분진흡입

◇ 기계식 청소차 기계식 청소차는 인력을 통한 청소방법인 빗자루를 이용하여 노면의 오염물질을 쓸어담는 방식을 기계장비로 변환한 형태의 장비이다. 기계식 청소차는 회전하는 브러시가 도로 위 오염물질을 컨베이어 시스템으로 밀어올리고, 이를 호퍼에 저장하여 제거하는 방식이다. 주로 도로 위의 입자가 큰 오염물질(쓰레기, 젖은 식물, 자갈, 큰 모래, 도로 먼지 등)을 제거하는데 효과적이기 때문에 미국 등 여러 나라에서 여전히 중요한 도로청소 장비로 이용되고 있다. 그러나 상대적으로 미세먼지 제거에 있어서는 취약하기 때문에 수질, 대기 관리 등 환경적인 측면에서는 한계가 있으며, 다른 방식에 비해 운영비용이 많이 소요되는 편이다. 최근 먼지발생을 억제하기 위해 소량의 물 분사를 동시에 수행하는 습식장비도 이용되고 있다. 최근에는 고효율의 청소장비가 개발됨에 따라 비중이 점차 감소하고 있는 추세에 있다.

◇ 일반살수차 일반살수차는 물 분사장치(노즐)를 통해 고압으로 도로의 토사 및 먼지 등을 빗물받이로 유출시켜 오염물질을 제거하는 방식으로 입경 60㎛ 이하의 실트 또는 점토질 입자를 제거하는데 효과적이다. 전면에 여러 개의 물 분사 장치가 있는 봉이 있으며, 측면의 한쪽 또는 양쪽에 타원형의 고압 물 분사 장치가 장착되어 있다. 살수과정에서 물 튀김이 있어 인근의 차량운전자와 보행자로부터 민원이 제기되기도 한다. 살수를 통해 제거된 오염물질은 도로면에서 사라질 뿐 관거를 통해 수계로 유출되기 때문에 비점오염관리 측면에서는 효과적이지 못하다. 이러한 일반살수차의 단점을 보완하기 위해 개발된 진공흡입식 살수차는 차량 전면의 물 분사장치에서 도로표면에 살수한 물을 차량 중간에 설치한 진공흡입구를 통해 회수하는 방식이다. 그러나 진공흡입구를 차량의 폭 이상으로 확대할 수 없어 살수한 물을 전량 회수하는 것이 불가능하고, 수거된 폐기물 적재공간으로 인해 청소용수 공간이 부족해지는 등의 문제점이 있다.

◇ 진공흡입식 청소차 진공흡입식 청소차는 탑재된 보조엔진의 모터장치가 만들어내는 진공상태를 이용하여 노면의 오염물질을 제거하는 방식이다. 진공청소차는 다시 공기순환식과 공기배출식으로 구분할 수 있다. 공기순환식은 차량 내부가 폐쇄형 공기순환시스템으로 이루어져 있으며, 청소차에 장착된 측구 브러시가 노면의 오염물질을 흡입구로 이동시키면, 강력한 공기를 분사하여 오염물질을 진공장치로 이동시켜 제거한 후 오염물질을 호퍼에 적재한다. 즉, 연속여과시스템을 가진 고압 진공이 오염물질을 제거하고 공기를 재순환하는 방식이다. 한편, 공기배출식은 차량의 측면에 위치한 흡입구를 통해 오염물질을 흡입하여 적재하고, 흡입한 공기는 다시 밖으로 배출한다. 공기배출식은 필터장착 여부에 따라 다시 구분하는데, 필터를 장착하면 미세입자를 제거하는데 유리하지만, 흡입압력을 증대시키기 위해 많은 에너지가 소모되는 단점이 있다. 따라서 미세입자를 제거하기 위해서는 필터를 장착한 진공청소차가 유리하며, 많은 양의 조대입자를 제거하기 위해는 필터를 장착하지 않은 진공청소차가 유리하다. 필터장착 진공청소차는 미세입자의 비산을 막기 위해 브러시를 사용하지 않기도 한다. 국내에서는 진공청소차 중 필터미장착 진공청소차를 노면청소차, 필터장착 진공청소차를 분진흡입차라고 지칭하고 있다.

◇ 수소차 + 분진흡입청소차 – 현재(설계과제) 분진흡입청소차를 친환경연료인 수소자동차로 전환을 추진함으로써 보다 더 완벽한 도로 미세먼지를 집진하고, 집진에 필요한 전력을 수소연료전지로 한다. ⇒ 원리 수소연료전지차량은 수소와 산소의 화학반응을 통해 차량 내에서 자체 생산된 전기로 모터를 구동하여 주행한다.(물의 전기분해를 통해 수소와 산소를 얻는 것과 반대) 전기생산 단계는 다음과 같다. 1단계: 수소탱크에 저장된 수소가 수소연료전지 스택으로 공급 2단계: 유입된 산소가 수소연료전지 스택으로 공급 3단계: 수소연료전지 안에서 산소와 수소가 화학반응을 통해 전기생산 4단계: 발생된 전기가 모터와 배터리로 공급 & 물을 외부로 배출 ⇒ 특징 - 이론상 수소에너지의 효율성은 85%로 매우 높은 수준이다. - 배기가스를 방출하는 가솔린 엔진과 달리 물을 방출하는 친환경에너지이다. - 1회 충전시 약 450km의 높은 주행거리를 갖는다. - 연료 무게가 상대적으로 가볍기 때문에 대형차에 적용이 가능하다. - 촉매인 백금이 비싸다. - 현재는 수소충전소가 부족하여 인프라 구축이 필요하다.

◇ 소형차 / 드론 - 미래 현재 분진흡입차량은 주로 대형으로 제작되어 큰 도로에서 운영 되고 있으며 수소연료전지차량 또한 대형차량에 더 적합한 구조를 갖는다. 기술발전으로 집진장치의 소형화와 수소차량의 효율성을 더 높일 수 있다면 미세먼지 제거를 목적으로 하는 소형차 개발도 가능할 것이라고 본다. 소형차는 대형차의 진입이 어려운 주택가의 미세먼지 제거를 가능하게 할 것이다. 무게를 줄인다면 소형차량을 넘어서 드론에도 적용할 수 있다. 드론은 상공에서의 집진이 가능하기 때문에 새로운 영역에서의 대기정화를 기대할 수 있으며 이동이 자유롭다.

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

◇ 분진 흡입차량의 경우, 정부의 미세먼지 저감 정책에 해당한다. 그러므로 우리는 제품이 아닌 다른 미세먼지 저감 정책과 비교를 하려 한다.

◇ 대중교통 무료 정책 : 초미세먼지가 ‘나쁨’ 수준으로 예보될 시 첫차~09시, 18~21시에 대중교통을 무료로 운영하는 정책이다. 2018년 1월 15일, 17일, 18일에 시행하였는데, 하루에 48억 원 비용이 든다는 실효성 논란으로 인해 대중교통 무료 정책을 2달을 넘기지 못하고 중단되었다.

◇ 차량 부제 운행 : 하루씩 번갈아가며 어느 특정 그룹으로 묶을 수 있는 차량의 운행을 제한하는 제 도이다. 초미세먼지가 ‘나쁨’ 수준으로 예보될 시, 공공에서는 강제로 시행하고, 민간에는 자율로 맡 겼다. 효과는 주요 지점 교통량이 1.8% 감소, 지하철 이용자 2.3% 증가, 시내버스 0.4% 증가에 그쳤 다. 이 정책은 강제로 이루어 질 수 없고, 사회적 합의가 필요하므로 일방적으로 확대할 수 없다고 한다.

◇ 노후경유차 운행제한 제도 : 2018년 6월1일부터 ‘서울형 미세먼지 비상저감 조치’가 발령되는 날 아 침 6시부터 밤 9시까지 서울 전 지역에서 저공해 장치 부착차량을 제외한 노후 경유차의 운행을 제 한하는 제도이다. 대상이 되는 차량은 2005년 12월31일 이전에 등록된 노후 경유 차량이다. 운행제 한을 어기면 도시교통정비촉진법에 따라 과태료 10만원이 부과된다. 그러나 문제는 시민불편이다. 노후 경유차의 이용자 상당수가 영세자영업자들로 전면적인 운행제한이 실시되면 이들이 타격을 입 을 수밖에 없기 때문이다.

◇ 미세먼지 마스크 무료 배급 정책 : 미세먼지가 극심할 것이라 예상될 때, 미세먼지 비상저감조치를 시행한다. 미세먼지 비상저감조치는 16시간 동안 미세먼지 평균 농도가 ‘나쁨’ 수준이고 다음날에도 유지될 것으로 예상될 때 발령된다. 2018년 3월 26일, 27일에 경기도내 간선급행버스 185대 안에 배부함을 설치하여 이용객에게 1회용 미세먼지 마스크 1만 8000개를 지급했다. 처음으로 일반 시민 에게 미세먼지 마스크를 무상 제공한 정책이지만 전 노선에 지급하지 않은 점, 전 노선에 하루 설 치비용이 22억 원 정도가 소요되는 점, 미세먼지를 저감하지 않는 점 등에서 한계가 있다.

◇ 기존의 분진 흡입차량 : 하루에 24kg 정도의 미세먼지를 집진할 수 있으며 전국 시·도에서 시행을 확대하는 추세이다. 하루에 수십억이 소요되는 다른 정책에 비해 2억~2억 5000만 원 정도의 구매 비용으로 수십 년을 사용할 수 있으므로 매우 저렴하다고 할 수 있다. 하지만 분진 흡입차량 자체 에서의 미세먼지가 발생하고 해당 정책에 대한 시민들의 인식도가 매우 낮아 현재 시민 만족도는 낮아 한계가 있다.

• 마케팅 전략 제시

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 미세먼지 농도가 특히 높은 지역을 유동적으로 이동하여 미세먼지를 제거하기 때문에 효율이 높다.

◇ 현재 미세먼지의 농도를 색으로 구분하여 보여줌으로써 쉽게 시민들에게 미세먼지의 심각성을 알려 줄 수 있다.

◇ 수소연료전지 기술을 활용함으로써 해당 기술이 다양한 분야로 확장이 가능할 것이라고 생각된다.

◇ 친환경 에너지 시장 발전에 기여할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 수소연료전지 차량을 홍보함으로써 자연친화적인 차량을 운행할 수 있도록 권장할 수 있다.

◇ 개개인이 할 수 있는 미세먼지 예방법 혹은 본인의 건강을 보호할 수 있는 방법을 알려줌으로써 사소하게 생길 수 있는 미세먼지를 줄이고, 개개인의 건강을 증진시킬 수 있다.

◇ 초미세먼지 농도를 35이하로 낮춤으로써 국민건강 증진에 기여할 수 있다.

◇ 초미세먼지의 경우 10μg/m3 감소 시 전체 사망이 약 4.5% 감소하고, 호흡기계 질환 사망이 8.4% 감소하고, 심혈관계 질환 사망이 6.2% 감소하는 효과를 얻을 수 있다.

◇ 대기 중 미세먼지의 경우 10μg/m3 감소 시 전체 사망률이 약 0.8% 감소하고, 호흡기계 질환 사망 이 4.5% 감소하고, 심혈관계 질환 사망이 3.1% 감소하는 효과를 얻을 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

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

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관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

내용