"01분반 1조"의 두 판 사이의 차이
env wiki
2024enveng01 (토론 | 기여) (→개발 일정) |
2024enveng01 (토론 | 기여) (→목적계통도) |
||
| 269번째 줄: | 269번째 줄: | ||
===목적계통도=== | ===목적계통도=== | ||
| − | [[파일: | + | [[파일:1분1조_목적계통도목적.jpg]] |
==개념설계안== | ==개념설계안== | ||
2024년 12월 19일 (목) 23:36 판
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
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
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
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
목적계통도
개념설계안
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
내용
자동 세척 및 건조 공정을 갖춘 실외 미세먼지 저감 장치 - (2) 자동 세척 및 건조 공정 설계
내용
IoT 기반의 미세먼지 농도 및 장치 내 습도에 따른 운영 조절 시스템과 센서
내용
강수 감지 기능이 포함된 자동 개폐형 우수 재활용 장치
내용
상세 설계안_하드웨어 및 소프트웨어 설계
조립도 및 3D 설치 모형
부품도
내용
제어부 및 회로 설계
내용
소프트웨어 설계
내용
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
집진장치
집진장치 - 정면도
집진장치 - 평면도
집진장치 - 측면도
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 원이 된다.
설계 제품의 운영 비용 계산
국외·국내 제품과의 경제성 비교 분석
1) 국외 제품 비교
2) 국내 제품 비교
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
참고문헌
내용
