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2024년 12월 19일 (목) 08:43 판
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 페트(PET) 선별 수거에 특화된 플라스틱 수거함
영문 : Plastic collection box specialized for PET selective collection
과제 팀명
이루핑
지도교수
구자용 교수님
개발기간
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 환경공학부·과 2021890088 박민규(팀장)
서울시립대학교 환경공학부·과 2021890085 김인환
서울시립대학교 환경공학부·과 2021890086 나지민
서울시립대학교 환경공학부·과 2021890094 정다은
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
내용
개발 과제의 배경
내용
개발 과제의 목표 및 내용
내용
관련 기술 조사
관련 기술의 현황
- 전 세계적인 기술현황
내용
- 특허조사 및 특허 전략 분석
내용
- 기술 로드맵
내용
특허 조사 및 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
개발과제의 설계
개념설계안
내용
설계 사양
내용
3.3 이론적 계산 및 시뮬레이션
3.3.1 시립대학교 내 쓰레기통의 용량 확인
- 현재 학교 내 사용되고 있는 쓰레기통을 활용하기 위해 중앙도서관 쓰레기통을 측정함.
- 측정기준(외직경): 34×34×54cm³
- 부피 계산시 57~62L(내직경~외직경)
→ 시중 판매되는 쓰레기통은 10L 단위로 판매되기에 규격에 맞는 쓰레기통들을 찾아보다가, 해당 쓰레기통은 60L임을 확인.
3.3.2 시립대학교 및 주변 상권 플라스틱(페트) 일회용 컵 발생량 조사 및 압축 결과
(1) 시립대학교 및 주변 일회용 컵 발생 카페 매출 건수 조사
- 시립대학교 내
: 2,600건/6일(학생회관) + 2,100건/6일(전농관) = 4,700건/6일 = 784건/일
- 시립대학교 외
: 300건/일 (메X커피) + 840건/일 (정문 매X드) + 400건/일 (후문 매X드)
=1,540건/일
→ 1일 총 매출건수 : 784 + 1,540 = 2,324건
→ 총 일회용컵 발생량 : 2,324건 x 1.5개/건 = 3,486개
* 이X야 커피 등의 매점은 테이크 아웃 비율이 비교적 적어 제외
* 전체 매출 중 잔의 개수는 파악이 불가능하여 1건당 1~2잔을 구매하는 비율이 높
다는 직원의 언급을 바탕으로 ‘1.5잔/건’으로 계산
(2) 일회용 플라스틱(페트) 컵 무게 및 크기 측정 및 압축 결과
- 압축 전 계산
<압축 전 컵의 1개 평균 부피 계산>
(517.86 × 0.231)+(732.9 × 0.615)+(1088.8 × 0.154) = 738.03cm³/개
<압축 전 쓰레기통 수거 가능 개수>
쓰레기통 부피 : 60L = 60,000cm³
60,000cm³ / (738.03cm³ /개) = 81.30개 = 82개
- 압축 후 계산
<압축 후 컵의 1개 평균 부피 계산>
(495.9 × 0.615)+(945.38 × 0.154)+(355.52 × 0.231) = 532.69cm³/개
<압축 후 컵의 1개 평균 부피 계산>
쓰레기통 부피 : 60L = 60,000cm³
60,000cm³ / (532.69cm³/개) = 112.63개 = 113개
- 압축 후 수거효율 계산
(82+(113-82)/82)*100% = 137.80%
즉, 압축하여 수거하게 되면, 기존 수거량보다 최소 38%(=31개) 추가 수거 가능
3.3.3 설계 제품의 재료 및 구성(이론상 설계 시 필요한 세척수 통 및 오수 통용량)
<세척수>
- 플라스틱 컵 세척기 이용
- 압축 후 최대 가용 플라스틱 개수 이용
- 1회 세척 시 3초의 물 분사라 가정한다.
→ 111.67mL/(sec * 1개) x 3sec x 113개 x 1L/1,000mL = 37.86L = 40L
→ 세척수 통의 사이즈는 10L 단위로 판매하기에 40L 말통으로 선택한다.
<음폐수>
- 음료는 ‘매X드커피’ 아이스 아메리카노 1잔을 기준으로 설정함.
- 레시피 기준으로 에스프레소 1샷 (30mL)당 물 150mL 추가를 기준한다.
- 사이즈별 샷은 다음과 같다. S:1샷, M:2샷, L:3샷
- 사이즈별 컵 용량과 얼음양은 다음과 같다.
S:14oz (414mL), M:20oz (591mL), L:32oz (946mL)
* S 사이즈 얼음양 : 414mL - 30mL coffee - 150mL water = 234mL Ice
* M 사이즈 얼음양 : 591mL - 60mL coffee - 300mL water = 231mL Ice
* L 사이즈 얼음양 : 946mL - 90mL coffee - 450mL water = 406mL Ice
→ 음폐수 최대 발생량은 음료를 20% 남겼고 얼음 50% 남았을 때라 가정한다.
즉, 커피 1잔당 최대 음폐수는 (234mL x 0.231 x 0.5 + 180mL x 0.2) +
(231mL x 0.615 x 0.5 + 360mL x 0.2) + (406mL x 0.154 x 0.5 + 540mL x
0.2) = 349.5mL/1잔
→ 113잔 당 발생 최대 음폐수 : 349.5mL/1잔 x 113잔 x 1L/1,000mL = 39.49L
(음료를 다 마신 경우가 더 많으나 이론상 최대 저장 용량 계산을 위해 해당 값을
도출함)
<오수통 용량> - 이론상 최대 저장 용량 : 37.86L + 39.49L = 77.35L - 시판되는 물통은 10L 단위로 판매하기에 80L 물통으로 선택한다.
3.4 상세 설계 내용
3.4.1 조립도
①번 : 쓰레기통
→ 크기 : 길이(L) 340mm, 폭(W) 340mm, 높이(H) 540mm
→ 용도 : 선별된 플라스틱들을 저장
→ 좌측 쓰레기통: 세척하고 모든 조건에 적합한 PET 재질 플라스틱 저장 쓰레기통
→ 우측 쓰레기통: 조건 외의 플라스틱 저장 쓰레기통
②번 : 세척수 저장탱크 → 크기 : 길이(L) 360mm, 폭(W) 280mm, 높이(H) 500mm → 용도 : 세척 노즐대을 통해 용기를 세척하기 위해 필요한 세척수를 보관하는 탱크 → 구성
1. 세척수 저장탱크 2. 세척수 저장탱크 내 수위 알림용 수위 센서 모듈 3. 세척수를 공급하기 위해 저장탱크에 워터펌프 설치
③번 : 오수 저장탱크 → 크기 : 길이(L) 640mm, 폭(W) 280mm 높이(H) 270mm → 용도 : 용기 내 내용물 및 세척 후 발생된 오수들을 모아 연결 통로(하얀색)로 통
해 이송된 오수를 저장하는 탱크
→ 구성
1. 내용물 및 사용된 세척수를 저장하는 오수 저장탱크 2. 오수 저장탱크 내 수위 알림용 수위 센서 모듈
④번 : 플라스틱 선별 및 이송 장치 → 재질 : 우드락 → 크기 : 길이(L) 746mm, 폭(W) 130mm 높이(H) 368mm → 이송바닥 각도 : 15˚ → 용도 : 투입구로 플라스틱을 넣으면 자동으로 상태, 재질, 라벨을 확인하고 조건에
만족하는 플라스틱 군과 아닌 플라스틱 군들을 나눔. 나뉜 플라스틱들을 세
척 후 쓰레기통으로 이송
→ 구성
1. 플라스틱 상태, 재질, 라벨을 확인하는 선별 센서(RGB센서 4개)
2. 선별된 플라스틱을 각 쓰레기통으로 옮겨주는 회전형 날개(서보 모터 2개)
3. 선별된 플라스틱을 각 쓰레기통으로 옮겨주는 기울어진 이송바닥
4. 선별된 플라스틱의 개수를 측정하는 센서(IR센서)
5. 세척 작업 진행 시, 내장된 ‘용기 내부 세척용 노즐대’가 리니어 레일을 통해
위로 이동
6. 철판으로 된 깔대기가 투입구 바로 아래 위치하며, 용기 내 내용물과 세척 후
발생된 오수를 모아 오수 저장탱크로 이송시키는 튜브가 연결되어 있다.
⑤번 : 투입구 여닫이문 → 재질 : 우드락 → 크기 : 길이(L) 120mm, 폭(W) 20mm, 높이(H) 360mm → 용도 : LCD 화면에서 버튼을 누르면 자동으로 투입구가 개폐되고, 세척수의 유출
을 차단하는 역할
→ 구성 : 서보 모터와 여닫이문을 결합
⑥번 : 용기 내부 세척용 노즐바 → 크기 : 지름(R) 20mm, 길이(L) 600mm → 용도 : 고압 세척수로 내부 오염물질들을 제거하는 역할 → 구성
1. 노즐바와 노즐헤드으로 구성 2. 튜브로 노즐바와 워터펌프를 연결 3. 리니어 레일에 노즐바 설치
⑦번 : 압축판 → 재질 : PCV → 크기 : 길이(L) 300mm, 폭(W) 300mm → 용도 : 선별되어 쓰레기통에 모인 페트를 압축하는 역할 → 구성 : 리니어 엑추에이터에 압축판을 설치
3.4.2 조립순서
1) 선별 장치 - 벽면에 센서는 RGB 센서, 재질 선별 센서(NIR) 두 가지로 설치한다. - 플라스틱 재질 선별 센서로 사용할 근적외선 센서(NIR)는 바닥 기준 4cm 높이 벽면에 설치한다. - 플라스틱 라벨, 색깔 선별을 위해 RGB센서 4개를 사용해야 한다. 각 센서들은 바닥 기준 6cm, 12cm, 18cm, 25cm 높이 벽면에 설치한다. - 각 센서들을 부착한 벽면은 철판 재질로 제작한다.
2) 분류이송 장치
- 벽면을 회전시키기 위해 서보 모터를 각 방향에 1개씩 설치한다. - 서보 모터는 내장된 날개 최상단에 위치하며 각도는 최대 170˚까지 회전하여 플라스틱을 넘어뜨리는 역할을 한다. - 좌측 쓰레기통으로 옮겨지는 이송관 중앙 부분 바닥면으로부터 10cm 높이에 IR 센서를 설치한다. - 각 통으로 이송되는 쓰레기 통로들은 12˚ 기울어진 통로로 구성되며 재질은 오염에 강한 PVC로 제작한다. (분류 이송장치에서 이송관 재질인 PVC는 예산 초과로 시연물 제작에서 우드락으로 대체한다.)
3) 세척 장치
- 투입구 바닥면보다 2cm 튀어나오도록 노즐바를 설치하고 노즐바는 리니어 레일과 연결하여 설치한다. - 노즐바에 세척을 위한 노즐헤드를 설치하고, 리니어 레일은 수거함 중앙 내부에 고정시킨다. - 세척시 리니어 레일을 통해 노즐바는 32cm 위로 올린다. - 세척수통에 워터펌프를 설치하고 실리콘 튜브를 연결하고 이를 노즐바에 연결시킨다. - 내용물 및 이용된 세척수를 모아 실리콘 튜브로 오수통으로 이송하기 위한 목적으로 철판으로 된 깔대기 모양을 제작하여 투입구 바로 아래에 설치한다.
(세척을 위한 장치들은 예산 초과로 시연물 제작에서 제외한다.)
4) 압축 장치
- 좌측 저장 쓰레기통의 천장에 프레스형 압축 장치를 설치한다. - 설치한 프레스형 압축 장치는 분류 이송 장치에서 IR 센서를 통해 특정 개수(8개) 이상 측정시 자동으로 일정한 힘과 시간으로 압축을 진행한다. - 압축판은 PVC판으로 수거함의 크기인 300mm x 300mm 정방형 크기로 제작 후 리니어 액추에이터에 설치한다.
(압축을 위한 리니어 액추에이터와 PVC판은 예산 초과로 시연물 제작에서 제외한다.)
5) 저장 장치
- ‘쓰레기통’은 시판 중인 60L 쓰레기통을 사용한다 - ‘세척수 저장탱크와 오수 저장탱크’는 사각 PE 물탱크를 사용하며 각 통의 상단에 수위 센서를 설치한다. - ‘세척수 저장탱크’는 40L 말통으로, ‘오수 저장탱크’는 80L 탱크를 이용한다.
6) 수거함 외부 장치
- 사용자 정보를 입력할 수 있는 터치형 LCD 모니터를 설치한다. - 사용자 정보 입력 후 투입구가 자동으로 개폐되는 자동문을 설치한다. 이때, 자동문의 재질은 PVC로 제작하며 회전 방식은 서보 모터를 설치하여 최대 90˚ 까지 회전하여 개폐한다.
3.4.3 부품도
3.4.4 회로설계
3.4.5 애플리케이션 설계
<관리자용 애플리케이션>
- 관리자용 대시보드에서 각 수거함의 현재 용량 상태를 실시간으로 파악한다.
- 센서 및 기타 장치 고장 시 관리자에게 정보를 제공한다.
- 각 수거함이 가득 찬 상태에 도달하면 관리자에게 알림을 보낸다.
<사용자용 애플리케이션>
- 사용자가 근처의 플라스틱 용기 수거함 위치를 쉽게 찾을 수 있도록 위치 정보를 제공한다.
- GPS 기반 지도를 통해 현재 위치와 가장 가까운 수거함을 표시하며, 선택한 수거함의 현재 사용 가능 여부 및 용량 상태를 실시간으로 확인할 수 있다.
- 수거함이 찼을 때 대체 가능한 수거함 위치를 추천한다.
- 마일리지 적립 제도를 통해 사용자의 분리수거를 극대화한다.
4. 개발 과제의 기대효과
4.1 기술적 기대효과
- IoT(사물인터넷)를 기반으로 한 수거함의 상태 모니터링을 통해 효율적으로 수거함을 관리할 수 있다. - 품질이 좋은 단일 성상의 PET만 모아 재활용률을 높일 수 있다. - 재생원료 제조업체로 공급하기위해 소요되는 인적, 물적 비용을 줄일 수 있다.
4.2 사회적 기대효과
- 적절한 장소에 수거함을 비치하여 효율적인 PET 선별 수거를 달성할 수 있다. - 마일리지를 지급함으로써 시민의 분리 배출에 대한 인식 및 참여도를 제고할 수 있다. - 교내 설치시 교내의 위생 및 보건에 도움이 된다. - 수거 및 재활용 과정에서 발생하는 탄소 배출량을 감축할 수 있다. - 컵 3486개 무게 0.0196 [kg / (1개 * day)] * 3,486개 = 68.3256 [kg / day] 컵 3,486개 페트의 전주기 동안의 탄소 발생량 68.3256 [kg / day] * 6.865 [kg CO₂ eq / 1kg] = 469.055 [kg CO₂ eq / day] 3,486잔 물질 재활용 시 감소되는 탄소량 (현재 고품질 재활용시) 68.3256 [kg / day] * -1.80 [kg CO₂ eq / 1kg] * 10% = - 12.30 [kg CO₂ eq / day] 3,486잔 물질 재활용 시 감소되는 탄소량 (개발 기술로 고품질 재활용시) 68.3256 [kg / day] * -1.80 [kg CO₂ eq / 1kg] = - 122.99 [kg CO₂ eq / day] → 연간 치환 : - 122.99 [kg CO₂ eq / day] * 365day = - 44,891.35 kg CO₂ eq 즉, 기존 발생량 대비 연간 44,891 kg CO₂ eq 만큼 줄일 수 있음. 페트의 전주기동안 발생하는 탄소량 (고품질 물질 재활용 10% 시) 469.055 - 12.30 = 456.755 [kg CO₂ eq / day] 페트의 전주기동안 발생하는 탄소량 (고품질 물질 재활용 100% 시) 469.055 - 122.99 = 346.065 [kg CO₂ eq / day] ‘3.3.2’에서 제시된 시립대학교 및 주변 상권 일회용 컵 1일 발생량 3,486개를 기준으로 탄소 배출량 감축에 관한 계산 결과는 다음과 같다.
4.3 경제적 기대효과
4.3.1 수익 달성 기간 계산
결과 및 평가
5.1 완료 작품의 소개
5.1.1 시제품 사진 및 작동 장면
5.1.2 포스터
5.1.3 투입부
5.1.4 선별부
5.1.5 이송부
5.2 완료 작품의 평가
5.3 관련 사업비 내역서
