Bi5조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 보행자 하중을 이용한 압축 쓰레기통 설계

영문 : Compressed Trash-Can Using Pedestrian Load

과제 팀명

Bi5

지도교수

박승부 교수님

개발기간

2023년 3월 ~ 2023년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20**XXX0** 윤**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20**XXX0** 김**

서울시립대학교 환경공학부 20**XXX0** 문**

서울시립대학교 환경공학부 20**XXX0** 김**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 과제에서 우리 조는 보행자의 하중을 이용한 압전 발전으로 전기 에너지를 생산하고, 생산된 전기 에너지를 이용한 일반쓰레기 전용 압축 쓰레기통을 설계하고자 한다. 
한정된 공공 쓰레기통의 수에 따라 쓰레기가 범람하는 경우가 발생하며, 이러한 경우 미압축으로 인한 수거 횟수 및 비용이 증가하게 된다. 이러한 문제를 해결하는 방안으로 압축 쓰레기통을 제시할 수 있는데, 시중의 태양광을 이용한 압축 쓰레기통의 경우 날씨와 설치장소의 제약을 받는다는 한계를 가진다.
따라서 본 과제는 보행자의 하중을 압전 소자를 이용해 에너지화하는 에너지 하베스팅 시스템을 적용함으로써 비교적 환경의 제약을 덜 받는 친환경적 에너지 발전을 도모한다. 또한 공공 쓰레기통의 쓰레기 범람으로 인한 악취 발생 및 도시미관 저해를 예방하며, 수거 횟수 및 비용의 저감으로 경제적인 쓰레기 수거를 실현하는 것을 목표로 한다.

개발 과제의 배경

◇ 개발 과제의 배경

- 쓰레기 압축의 필요성: 한정된 공공 쓰레기통의 수, 미압축으로 인한 수거 횟수 및 비용 증가, 쓰레기 범람으로 인한 악취 발생 및 도시 미관 저해
- 에너지 하베스팅의 한 종류인 압전 방식을 통한 친환경적 에너지 발전의 실현 가능성
- 압전 방식을 통한 압축 쓰레기통 설계로 쓰레기 압축 문제 해결

◇ 설계 상세 배경

● 설치장소

우리 조는 설계물의 설치장소를 중앙차로 버스정류장으로 설정했다. 구체적인 이유는 다음과 같다.
1) 보행자만 다니기 때문에 달리는 자전거, 오토바이 등의 순간적인 과도한 압력으로 인한 압전소자의 과부하가 일어나지 않는다. 서울시내의 중앙차로 버스정류장의 경우 차선의 폭으로 인해 규격과 형태가 대체로 통일되어 있기에 설계물을 정류장마다 일관적으로 적용할 수 있다. 또한 버스정류장에 설치된 지붕과 외벽 등을 활용해 날씨 등 외부 요인으로 인한 손상을 최대한 방지할 수 있다.
2) 중앙차로 버스정류장의 인구밀도는 매우 높다. 중앙차로 버스정류장은 차선 사이에 만들어진 도보인 만큼 면적이 최소화 되어 있고, 여러 노선의 버스가 정차하는 곳이기 때문에 이용 승객의 수가 많고 이에 따른 인구밀도가 높은 편이다.
3) 버스정류장에 쓰레기통이 설치되지 않은 경우가 설치된 경우에 비해 무단투기가 더 자주 발생한다는 조사 결과가 있다. 또한 일부 설치된 쓰레기통의 경우도 미흡한 관리 등으로 범람하거나 외부에 추가적으로 종량제 봉투가 부착되어 있어 심미적 요인이 침해되는 등의 문제가 있음을 확인했다.
4) 마지막으로 쓰레기통 추가 설치를 요구하는 민원이 있다. 몇 년 전부터 서울시는 길거리에 쓰레기통이 없어서 불편하다는 민원이 거세지자 자치구에 보조금을 주고 쓰레기통을 늘리거나 중앙차로 버스정류장에 직접 쓰레기통을 설치하고 있지만, 아직도 멀었다는 반응이 많다.
따라서 우리 조는 압전 발전을 진행하기에 적합하고, 기존의 쓰레기통을 대체해 더 효과적인 관리 및 심미적 요인 개선을 실현할 수 있고, 추가 설치가 필요할 곳에는 그 수요에 맞게 경제적으로 설치 및 운영이 가능하다는 점에서 중앙차로 버스정류장을 설계 장소로 설정하였다.

● 버스정류장 승객수 통계

설계 장소인 서울 시내 중앙차로 버스정류장과 이용객 수를 조사하였다. 이용객이 많은 편에 속하는 정류소들 중 서울역버스환승센터, 청량리역환승센터 구로디지털단지역을 선정하였다. 통계 결과 2023년 3월 1-26일 기준 구로디지털단지역(3개소), 청량리역환승센터(5개소), 서울역버스환승센터(4개소) 정류장의 이용객 수는 각각 약 130만 명, 79만 명, 75만 명이었으며, 세 정류장의 1일 평균 이용객 수는 (2,879,302명/26일)/12개소 = 9,228.53, 약 9,230명이다. 본 통계자료는 대략적인 쓰레기 발생량 추정, 압전 발전을 통한 필요 전력 생산량 예측, 추후 상용화를 위한 실제 제품의 크기 선정 등에 참고할 예정이다.

개발 과제의 목표 및 내용

우리 조는 설계물에 사람들이 발을 구를 때 나오는 순간의 힘을 압전 소자를 이용해 에너지화하는 ‘압전 하베스팅(Piezoelectric Energy Harvesting)’을 적용하려 한다. 이는 결정판에 일정한 방향으로 가해지는 진동이나 압력 등의 힘에 비례해 양 또는 음의 전하가 발생하고 이를 통해 전기에너지를 발생시키는 압전효과를 기본 원리로 한다. 본 과제에서는 압전 발전을 이용해 전기에너지를 생산하고, 생산된 전기에너지로 압축 시스템을 작동하여 부피가 큰 쓰레기를 압축할 수 있는 압축 쓰레기통 ‘Piezo-Can’을 설계하고자 한다. 개발 과제의 목표를 요약하자면 다음과 같다.
◆ 보행자의 하중을 압전 소자를 이용해 에너지화하는 압전 에너지 하베스팅 시스템 적용
◆ 압전 발전으로 생산된 전기 에너지를 활용한 일반쓰레기 전용 압축 쓰레기통 ‘Piezo-Can’ 설계, 프로토타입 제작 및 시연
◆ 압축 쓰레기통 설치 시 예상되는 기대효과 및 경제성 계산

Piezo-Can 사업의 초기 투자 비용은 사업 초기년도에만 해당되는 비용으로 크게 제작 비용과 설치 비용으로 나뉜다.

● Piezo-Can 제작 비용

Piezo-Can 제작 비용에 고려할 부분은 크게 본체, 부품(압축기, 초음파센서, 배터리)가 있다. Piezo-Can 본체의 소재는 현재 가로쓰레기통에 대중적으로 사용되는 재료인 아연도금강판과 스테인리스판을 이용하여 제작하는 것으로 한다. 「서울시 가로쓰레기통 설치 지원 사업 예산 내역(2022)」에 따르면 쓰레기통 1대당 사업비 20만 원을 할당하였다. 여기에 부품{압축기(12V 리니어 액추에이터, 15만 원) + 산업용 초음파 센서(20만 원) + 배터리(12V 18650 리튬배터리팩 5만 원)} × 1.1(예비비) = 44만 원을 합한 64만 원을 초기년도 제작비용으로 설정한다.

● Piezo-Can 설치 비용

Piezo-Can의 설치 비용의 대부분을 차지하는 것은 압전발판 설치 비용이다. 앞서 언급한 논문에 따르면 300*300*40(mm)크기의 압전모듈은 개당 90만 원의 비용을 요구한다. 따라서 초기년도 설치 비용으로서 압전모듈 5개로 구성된 1645*385*43(mm)의 프레임을 30cm 간격으로 3개를 설치하는, 총 15개의 압전모듈을 설치하는 비용은 90만 원 × 15개 × 1.1(예비비) = 14,850,000원이다.

② 운영 비용

운영 비용으로서 Piezo-Can에 대한 연간 유지ㆍ관리 비용으로는 서울시 내 7개 구에 210개 설치된 IoT 쓰레기통의 경우 매달 구청마다 5~60만 원의 유지비가 들어간다는 기사를 참고해 매달 2만 원씩, 24만 원으로 설정한다. 
따라서 초기 투자비용은 15,490,000원, 연간 운영 비용은 240,000원으로 산정되며, 사회적 할인율 5.5%를 고려하여 계산한 Piezo-Can의 10년간 총 비용은 17,400,000원이다. 자세한 연도별 비용은 다음 표와 같다.

3) 편익-비용비

따라서 10년간 Piezo-Can 사업의 총 편익인 57.64(백만원)과 총 비용인 17.40(백만원)으로 계산한 편익-비용비는 57.64 / 17.40 = 약 3.3의 값을 나타낸다. 분석값이 1이상이므로 Piezo-Can 사업은 경제성이 있다고 판단할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 개별분담

- 윤영조: 압축부 설계 및 제작, 경쟁력분석보고서, 포스터·최종설계보고서 발표
- 문건영: 센서부 설계 및 제작, 개념설계보고서 발표
- 김시원: 압축부 설계 및 제작, 상세설계보고서, 최종설계보고서 발표
- 김다원: 센서부 설계 및 제작, 상세설계보고서 발표
- 김채영: 압축부 설계 및 제작, 과제제안서 발표

◇ 공통분담

- 자료조사 및 기술현황 조사, 상세 설계 및 모형 제작, 환경적·경제적 가치 분석, 최종 모형 제작 및 검토, 보고서 작성

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 제품의 요구를 D, 희망사항을 W로 두고, 목록별 중요도를 대·중·소로 판단한다.

설계 사양

1. 발전부

- 압전소자를 통한 압전 발전으로 전력 생산 및 이를 설계물 가동에 활용

2. 센서부

- 초음파센서: 폐기물 적재 높이 인식 후 특정 거리 이하 도달 시 구동모터 가동 지시
- Led 센서, 투입구 개폐 센서: 시민들의 편리한 이용을 위한 시각적·직접적 안내 구현

3. 압축부

- 목표 폐기물 압축량에 맞는 사양으로 설계

목적 계통도

개념설계안

본 설계에서 제작할 설계물에 대한 정보는 다음과 같다.

● 설계물 정보

- 이름: Piezo-Can(피에조캔)
- 규격: 20cm(가로)×30cm(세로)×40cm(높이)
- 추가 설명: 투입구는 Piezo-Can 전면, 위에서부터 높이 10cm 사이에 위치하도록 설계.

Piezo-Can은 크게 발전부, 센서부, 압축부로 나뉜다. 각각에 대한 설명은 다음과 같다. ● 발전부

발전부에서는 압전 발전 원리를 이용해 전력을 생산하여 충전지에 저장하고, 이를 Piezo-Can 가동에 사용한다. 압전소자에 분당 일정 횟수의 압력을 가하며 생산되는 전력량을 확인하는 것을 우선적으로 진행하고, 이후 생산된 전력량으로 압전 발전으로 Piezo-Can의 압축시스템이 충분히 작동하는지를 확인한다.

● 센서부

센서부는 크게 초음파 센서, LED 센서, 투입부 개폐센서로 구성된다. 센서부의 전체 구성과 압축기 작동으로 이어지는 흐름을 표현한 그림 다음과 같다.

- 초음파센서

쓰레기 범람 방지 및 효율적인 수거공간 확보를 위해 수거부 내 쓰레기가 일정 높이 이상 쌓일 시, 압축기가 내려와 쌓인 쓰레기를 압축하도록 한다. 수거부의 천장 구석 끝에 거리 인식을 위한 초음파센서를 설치한다. 쓰레기가 투입구 높이 이상으로 적재될 경우, 쓰레기 투입에 어려움이 생기므로 기준 적재 높이를 투입구에서 10cm 하단으로 설정한다. 초음파 거리 측정 기준을 센서로부터 기준 적재 높이까지의 거리로 하며, 그 이상 적재되었을 때 메인보드로 신호를 보내 압축부가 작동하고, 램프가 점등되며, 투입구가 폐쇄되도록 설정한다.

- LED센서

압축기 작동 시 쓰레기가 투입되는 경로를 방해하므로 시민들의 이용을 잠시 중단한다. 중단의 시각적인 안내를 위해 led 센서를 이용해 이용 가능 여부를 표현하고자 한다. 초음파 센서로부터 쓰레기 적재 높이까지의 거리가 10cm 이하일 때 압축부가 작동하며 투입구가 폐쇄되어 시민들의 이용 중단을 안내한다. 이때 LED 전구는 적색과 녹색으로 표현하며, 적색이 표시될 경우 쓰레기통 입구가 막혀있음을 안내하고, 녹색이 표시될 경우 정상작동되어 시민들에게 이용할 수 있음을 안내한다.

- 투입부 개폐센서

투입부의 개폐방식은 일반 도어 형식의 투입부 안에 고리를 걸어서 막는 방식을 사용한다.

● 압축부

 효율적인 공간 확보를 위해 일정한 높이 이상 쌓였을 시 압축기가 가동되도록 설계한다. 쓰레기가 일정 높이 이상 쌓이면 초음파센서가 감지해 압축기가 내려와 쓰레기를 압축한다. 위에서부터 10cm에서 쓰레기가 차면 압축기가 작동하는 것을 목표로 한다. 압축을 적절하게 하기 위해 Piezo-can 단면의 모든 부분이 압축될 수 있어야 한다. 따라서 압축기가 상하로 가동하여 쓰레기를 위에서 아래로 압축시킨다. 압축판은 적재량을 파악하는 초음파센서가 방해받지 않고, 압축이 잘 될 수 있도록 적당한 크기로 설계한다. 또한 쓰레기를 충분히 압축할 수 있을 만큼의 강도를 가지는 재질을 선정한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

압전소자에서 생산된 전기에너지로 충전되는 배터리의 전력을 확인하기 위해, 압전소자와 배터리를 연결 후 압전소자를 누르기 전후의 전압, 전류 측정값을 비교하였다. 전압, 전류는 멀티테스터기에 직접 연결해서 측정하였고, 측정된 전압과 전류를 곱하여 전력을 구하였다.

-압전소자 전압, 전류 측정값 (각각 5회 측정)

하지만 해당 방법으로 전압과 전류를 측정하는 데 한계가 있어서 압전소자의 전압, 전류값만 측정하였다. 압전소자 4개를 손가락으로 누를 때마다 약 100~200uW (10-4~2*10-4W) 크기의 전력이 생산되는 것으로 측정되었다.

-시연물과 실제 설계물 ‘발전마루’의 성능 비교

발전마루는 크기 30×60 cm (0.18m2)의 판이며, 발전마루 위를 체중 60kg인 사람이 걸을 때마다 평균 약 0.3W의 전력이 생성된다. 또한 발전마루는 지름 3cm 크기의 압전소자가 빼곡히 채워진 구조이며, 발전마루 하나 당 압전소자 200개로 구성되어 있다. 압전소자 개수, 압전소자에 가해지는 압축력, 진동판 유무 등 여러가지 요인으로 인해 최종적으로 생산되는 전력은 발전마루가 시연물의 약 1500~3000배 정도 된다.

상세설계 내용

조립도

조립순서는 다음과 같다.

① 몸체 내부 중앙 상단에 쓰레기를 압축하는 압축기를 부착한다.
② 몸체 내부 우측 상단 모서리에 초음파 센서를 부착한다.
③ 몸체 겉면 중앙에는 쓰레기를 투입하기 위한 구멍을 낸다.
④ 투입부 하단 뒷면에는 개폐장치를 설치한다.
⑤ 몸체 겉면 상단에는 제품의 이용 가능 여부를 표현하기 위한 LED센서등을 부착한다.

부품도

-투입부

투입부는 몸체 상단의 30mm 아래 위치에 100*50(mm)의 크기로 제작한다. 투입부 상단에는 제품의 이용 가능 여부를 표현하기 위한 LED 센서를 부착한다. 투입부 하단 뒷면에는 개폐장치를 설치한다.

-압축부

압축부는 압축봉(랙, 피니언 기어, 아크릴 봉)과 압축판으로 이루어져 있으며 압축봉은 지름 20mm, 압축판은 200*150(단위 mm)로 제작한다. 몸체 윗부분에 압축판 작동에 방해받지 않는 위치에 초음파센서를 부착한다.

제어부 및 회로설계

-발전부 회로도

Piezo-Can을 가동하기 위한 전력을 생산하고 충전지에 전력을 저장하기 위해 다음 그림과 같이 발전부를 설계한다. 압전소자의 양극, 음극에 전선을 설계도와 같이 연결한 후 다이오드에 연결한다. 밑에 있는 표와 같이 다이오드에서 건전지소켓까지 전선을 연결하여 회로도를 완성한다.

-압축부 및 센서부 회로도

Piezo-Can 설계 시 초음파센서, LED, 서보모터, 스텝모터를 작동하도록 한다. 필요한 설계에 대하여 아래 회로도와 같이 설명한다.

초음파센서는 전원을 주는 VCC핀과 GND핀 외에 초음파를 발신하는 TRIG핀과 초음파가 다시 돌아오는 ECHO핀 등 4가지 핀으로 구성된다. 4가지 핀을 브레드보드를 통해 VCC는 아두이노 5V에, 그라운드핀은 GND, TRIG핀과 ECHO핀은 각각 아두이노의 디지털 7, 6번에 연결한다. 스텝모터를 작동하게 하는 모터드라이브의 IN1, IN2, IN3, IN4핀은 각각 아두이노의 디지털 11, 10, 9, 8번과 연결하여 회로도를 설계한다. 또한 적색과 녹색 전구는 각각 디지털 13, 12번에 연결하여 회로도를 설계한다. 서보모터(SG90)의 SIG핀은 아두이노의 디지털 4번과 연결하여 회로도를 설계한다.

소프트웨어 설계

초음파센서가 Piezo-can의 쓰레기 단면과의 거리를 10cm 이하로 인식했을 때 시민들의 이용 중단을 안내하기 위해 적색 LED로 송출한다. 압축기가 원위치로 이동했을 때 녹색 LED를 송출하여 시민들에게 정상 작동됨을 알려 이용할 수 있음을 안내한다. 압축기 가동을 위해 아두이노 스텝모터를 이용하여 쓰레기 단면까지의 거리가 10cm 이하일 때 작동하도록 설계한다. 압축기 작동 시 시민들의 이용 중단을 위해 투입부에 개폐장치를 설치한다. 이때 아두이노 서보모터를 이용하여 압축기 가동 시 입구를 고리로 걸어 막는 방식으로 설계한다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

◇ Piezo-Can 설치 후 버스정류장 주변 조감도

◇ 시연 작품 사진

포스터

완료작품의 평가

향후계획

- 압축 과정에서 끼임 등의 오류로 압축기가 정상 작동이 되지 않을 때 대체할 수 있는 전원 버튼과 같은 스위치 및 비상 배출구의 설치를 할 수 있다.
- 태양광 발전 패널을 함께 설치하여 전력 생산의 효율성을 높일 수 있다.
- 적재량 데이터를 파악하여 관리자에게 전송하는 기술을 추가한다면 더 효율적인 수거 시스템을 구축할 수 있다.
- 이용하는 시민들에게 인센티브를 제공하는 방식을 활용해 더 많은 참여를 유도할 수 있다.
- 광고 패널 부착 등을 통해 투자 비용을 회수할 수 있다.

부록

[참고문헌]

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9) 김영대, [마이더스] 걸을 때마다 전기 생산? ‘에너지 하베스팅’, 연합뉴스, 2020. 01. 05.  https://www.yna.co.kr/view/AKR20200102163600980
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11) 조민규. 「압전소자를 이용한 에너지 발생 장치에 관한 연구」, 中央大學校 大學院, 2014. 서울
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18) 센서텍, 초음파센서, 10-2003-0044333,(2003.07.01.)
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23) 서울시 가로쓰레기통 설치 지원 사업 예산. 2022년
24) 윤희탁, [서포터즈] 넘치는 쓰레기, ‘클린큐브’로 해결한다. 디지털투데이, 2019. 03. 03. http://www.digitaltoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=207618

[소프트웨어 설계 참고자료]

- “아두이노 초음파센서에 대해” <https://3dplife.tistory.com/216?category=911327>
- “[아두이노] 초음파센서로 거리 측정하여 LED 제어하기”<https://blog.naver.com/codinglab_usdd/221867085364>
- “초음파 센서로 스텝모터 제어하여 회전문을 만들어보자!”<https://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=icbanq&logNo=222350492223&redirect=Dlog&widgetTypeCall=true&directAccess=false>
- ‘걷기만 하면 배터리가 충전된다고?! 무한동력 충전기를 만들어봤습니다.’<https://youtu.be/_EE4NFTaWek>