내가슴속1공

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 실외 대기상태에 따라 자동 환기되는 태양광 발전 창문

영문 : Automatic ventilation window with solar power generation

과제 팀명

내 가슴속 1공

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2015890009 김**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2015890005 김**

서울시립대학교 환경공학부 2015890012 김**

서울시립대학교 환경공학부 2015890059 이**

서론

개발 과제 요약

미세먼지 농도에 따라 자동 환기가 가능한 자동개폐 창문을 만들고자 한다. 자동환기를 결정할 대기질데이터와 기상데이터는 기상청에서 받도록한다. 자동 개폐 시에 필요한 전력은 창문에 태양광 발전 모듈을 설치하여 자가생산이 가능하도록 설계하고자 한다

개발 과제의 배경 및 효과

1) 미세먼지와 자동 개폐 창문

 미세먼지에 관한 한국인의 인식조사에 따르면 미세먼지가 생활에 심각한 영향을 미치고 있음을 알 수 있다. 미세먼지는 우리의 생활에 큰 불편함을 주고 있다. 집에서 탁해진 공기를 환기시키기 위해 창문을 열고 닫을 때에 미세먼지에 대한 정보를 찾아 확인하고 혹시나 집 안 공기가 나빠지지 않을까 하여 짧은 환기를 시키고 창문을 닫게 되어 충분한 환기를 시키는데 어려움이 있다. 특히 소규모 가정이 많아진 현 상황에 집을 비워두는 시간이 많아 창문을 닫고 외출을 할 경우, 대기질이 좋아지더라도 환기를 시키지 못하는 경우가 발생한다.
이 점을 착안하여 실시간 미세먼지 데이터를 수렴하여 자체적으로 환기여부를 판단할 수 있는 시스템을 설계하여 쾌적한 실내 환경을 유지하고 적절한 환기를 통해 실내 공기질을 개선하여 삶의 질을 상승시키고 기관지 질병을 예방할 수 있도록 하였다.

2) 태양광 발전과 그린 뉴딜 정책

 최근 정부에서는 지속가능성에 기초한 에너지 정책을 지원하고 있다. 태양광 발전은 21세기 초부터 시작된 신재생 에너지 사업으로 현재 시장 규모가 크지 않지만 그린 뉴딜정책, 재생에너지 3020계획 등의 지원을 받아 사업 규모가 성장할 것으로 예상된다.

개발 과제의 목표와 내용

1) 외부에서 받은 미세먼지 데이터 정보를 기준으로 환기 가능 여부를 판별하여 창문 자동 개폐 시스템을 구축한다. 창문의 형태는 자동 개폐와 태양광 에너지 포집이 유리한 형태로 선정하고자 한다.

2) 시스템에서 사용되는 전력은 창문에 부착된 태양광 패널을 통해 자체 수급한다. 실내 온도 조절과 같은 이유로 외부의 창이 닫혀 있을 때도 일정량의 일조권을 보장하고 소비자가 원하는 투과율의 정도에 따른 차별을 두기 위해 초기설계 시에 투과율을 10%에서 30% 사이로 설정 가능하도록 한다.

관련 기술의 현황

State of art

1) 태양광 패널의 종류로는 다결정, 단결정, 박막형 등이 있는데 크게 창문에 사용할 수 있는 방법으로 창문 자체를 태양광 패널로 설계하고 투과성을 확보하는 방법과 박막형 패널을 부착하여 발전하는 방식이 있다.

2) 자동개폐기에 신호를 전달하는 방법으로는 외부의 서버에서 받은 미세농도와 날씨의 정보를 디바이스에서 사용자의 입력값에 맞춰 해석하여 on/off의 시그널을 전송하는 방법이 있다.

3) 태양광발전을 함에 있어 발전량이 예상 전기사용량을 초과할 경우 에너지 저장장치를 설치하여 전력 계통에 부하를 막고 잉여발전량을 저장 후 사용할 수 있다.

4) 사용자가 외부 미세먼지 농도상황에 따라 환기를 원하는 기준치를 설정할 수 있고 외부의 서버로부터 전달 받은 데이터를 해석하여 자동개폐기에 전달하고 사용자가 미세먼지 농도와 날씨 등을 확인할 수 있는 IoT 기술을 활용해야 한다.

5) 현재 별다른 부지 없이 개별 가정 혹은 빌딩의 창문 혹은 벽에 패널을 부착하는 형태의 기술 개발이 해외에서는 활발히 진행되고 있다. 독일의 경우 지붕, 창문 등 건물의 외벽을 활용하여 태양광 발전을 하는 세대가 늘어 친환경 발전의 비중이 2018년에는 총 발전 비중의 35%를 차지하였다.

6) 주택용 발전기술 개발들이 주목받으며 연구됨에 따라 국가에서도 관련정책들을 검토하고 있다. 유엔의 경우에도 ‘주거용 건물의 온실가스 표준베이스라인’을 8월 11일에 최종승인하여 주택들의 탄소배출권 가이드라인을 확연히 하여 소규모 발전설비의 기술 개발이 활발히 진행 중이다.

기술 로드맵

1) 최근 지어진 아파트 단지에는 각 세대마다 인터폰으로 연결되며 IoT 기술을 통해 여러 정보를 받을 수 있다. 따라서 이러한 아파트에 적용된 스마트 IoT 기술을 활용하여 미세먼지 농도에 대한 데이터를 받을 수 있다.

2) 실내환기 정도를 정함에 있어 사용자에게 수치적인 선택지는 직관적으로 이해함에 어려움이 있으므로 색상과 쾌적 보통 환기요망과 같은 직관적인 단어를 활용하여 디바이스를 조작하기 편리하도록 설계한다. 이는 어플, 또는 세대의 인터폰에 표시가 되도록 할 것이다.

3) 사용자가 미세먼지 농도에 대한 환기 기준값을 설정하여 외부 미세먼지 농도가 설정한 기준값 보다 낮은 경우, 환기가 이루어지도록 창문을 자동 개폐시켜준다.

4) 환기와 관련된 설정 사항들을 어플로 만들어 실외에서도 휴대기기로 조작할 수 있도록 한다.

특허조사

◇ 10-2018-0170425 집광형 태양광발전 스마트창문

집광형 태양광발전 스마트창문은 건축물의 창을 위한 개구부에 설치되는 창틀과, 창틀에 이동 가능하게 설치되는 창문 프레임과, 창문 프레임의 형상에 대응하여 결합됨으로써 창문을 형성하는 복수의 유리패널과, 복수의 유리패널 사이에 배치되며 입사된 태양광의 일부를 창문 프레임의 일측으로 굴절시키며 일부는 통과시키는 회절격자부 및 창문 프레임의 일측에 위치하며 회절격자부에 의해 굴절된 빛을 광원으로 사용하여 전기를 생산하는 태양전지를 포함하며, 배터리와 창문 구동부로 구성된다. 스마트창문은 창문에 입사되는 태양광을 사용하여 발전할 수 있고, 건물 설치와 관리가 용이하면서 발전 효율이 높다. 또한 축전된 전기로 창문 개폐할 수 있는 장점이 있다.

◇ 10-2018-0076250 개폐방식의 BIPV형 모듈이 적용된 태양광 발전시스템용 창문

본 발명은 프로젝트 개폐 가능한 태양광 발전 창문에 관한 것으로, 본 발명에 따른 프로젝트 개폐방식의 BIPV형 모듈이 적용된 태양광 발전시스템용 창문은 중앙에 개방구(12)가 형성되고 건물의 외부 창틀에 설치되는 제1 프레임(10); 중앙에 개방구(22)가 형성되고 상기 제1 프레임(10)의 상단에 힌지 결합되는 제2 프레임(20); 각각 틸트 가능한 복수 개의 태양전지 유닛(31, 32, 33, 34, 35)으로 구성되어 상기 제2 프레임(20)의 내곽에 설치되는 태양전지 모듈(30); 상기 복수 개의 태양전지 유닛(31, 32, 33, 34, 35)에 연결되는 각도 조절 링크(40) 및 상기 각도 조절 링크(40)에 연결되어 상기 복수 개의 태양전지 유닛(31, 32, 33, 34, 35)의 경사를 조절하는 구동모듈(50)을 포함하여 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

◇ 10-2018-0165005 태양광 발전 일체형 이중 창호 시스템

본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 일체형 이중 창호 시스템은, 창호 프레임; 상기 창호 프레임에서 실내 측에 설치되는 내측 창문; 상기 창호 프레임에서 상기 내측 창문로부터 실외 측으로 소정 간격 이격 설치되는 외측 창문; 상기 창호 프레임에서 상기 내측 창문과 상기 외측 창문 사이에 설치되는 반사형 블라인드; 및 상기 반사형 블라인드의 외측에 설치되며 양면 수광형 구조를 가지는 태양광 발전 모듈을 포함한다.

특허전략

◇ 미관을 해치지 않는 디자인

박막패널을 사용하여 기존의 태양광패널 창호보다 투명성을 높여 주거지에 적용하더라도 실내에서 창문을 통해 보는 미관을 해치지 않는다. (자세한 내용은 ‘개념설계안’에서 제시)

◇ 태양광 포집에 유리한 형태와 각도 설정

태양광 포집 효율을 높이기 위해 기존의 벽면일체형 패널을 사용한 창호가 아닌 여닫이 방식의 창문을 채택하여 창문을 열면서 태양광 포집이 더욱 유리하도록 설계하였다. 또한 태양의 위치가 시간에 따라 변화하므로 창문이 열리는 각도가 태양의 고도에 따라 발전효율이 높도록 자동으로  조절할 수 있도록 하였다. (자세한 내용은 ‘개념설계안’에서 제시)

◇ 미세먼지 데이터를 활용한 원격시스템

미세먼지 데이터는 주거지역 내 스마트 IoT 서비스를 활용하여 각 세대에 외부 미세먼지 농도 데이터를 받을 수 있다. 외부 미세먼지 농도 상태에 따라 사용자가 원하는 대로 창문 개폐 기준을 설정할 수 있다. 어플을 통해 환기 기준 설정 값을 입력함으로써 외출 중에도 원격으로 보다 편리하게 실내 환기를 실행할 수 있다. (자세한 내용은 ‘개념설계안’에서 제시)

◇ 환기량, 안정성을 고려한 창문의 열리는 각도

창문 자동개폐의 가장 큰 목적은 실내 환기이므로, 환기가 적당히 이루어질 수 있도록 열리는 최소 각도는 32, 무거운 태양광 패널이 부착된 창문의 구조적 안정성을 고려하여 열리는 최대 각도는 75로 설정하였다. (자세한 내용은 ‘이론적 계산’에서 제시)

◇ 친환경 소재를 활용한 창틀

일반적으로 사용되는 창틀 소재인 PVC, 알루미늄이 아닌 바이오플라스틱 중 하나인 발포폴리스티렌을 사용하여 환경에 부담을 덜 수 있다. (자세한 내용은 ‘개념설계안’에서 제시)

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 실내 활동의 비중이 높아지는 현대사회에서 실내 환경이 인체의 건강에 미치는 영향은 커지고 있다. 집에 사람이 없는 경우에도 원격시스템을 통해 원하는 실외 상태 기준에 따라 실내 대기환경을 자동 환기 시켜줌으로써 집안을 보다 쾌적하게 만들어 준다.

◇ 태양광을 받기 쉬운 구조인 여닫이 방식으로 설계하여 일반적인 벽면일체형 패널보다 태양광 에너지 포집이 유리하다.

◇ 일반적인 창문 샷시의 경우 PVC, 알루미늄 소재를 사용하며 이는 대부분 재사용이 아닌 폐기 처분된다. 샷시의 소재를 친환경적인 소재인 발포폴리스티렌(바이오플라스틱 중 하나)을 이용할 경우, 재활용도 용이하며 바이오플라스틱의 경우, 반감기도 짧으며 생분해가 가능하기 때문에 환경에 부담을 주지 않을 수 있다. 발포폴리스티렌 소재의 내구성과 단열성이 뛰어나 창틀로 사용하기에 적합하며, 가격 또한 기존의 알루미늄과 큰 차이가 없어서 부담이 없다.

경제적 및 사회적 파급효과

◇ 태양광 창문을 통한 발전으로 사용 전기를 일정 부분 자체 수급할 수 있어 전기세를 절감할 수 있다.

◇ 태양광 패널을 창문 외부에 부착할 경우. 겨울철 열에너지 보전에 용이하여 실내온도 유지 효율이 높아 가스 비를 절감할 수 있다.

◇ 친환경 에너지의 사용 비중을 높여 지구환경개선에 일조한다면 환경선진국으로서 위상이 높아질 수 있다. 현재 환경선진국으로 평가받는 유럽의 독일, 네덜란드의 경우에도 태양광 에너지 발전 기술에 과감하게 투자를 진행하고 있으며 사용량 또한 세계에서 가장 높은 수준이다.

◇ 2020년 8월 11일 유엔기후변화협약에서 ‘주거용 건물의 온실가스 표준베이스라인’이 최종승인 되며 기준에 비해 절감된 탄소배출량으로 발생한 탄소배출권을 주택 등에서도 판매할 수 있게 정책이 논의 중에 있으므로, 정책이 수립될 시에 부수적인 수익을 창출할 수 있다.

국내에서는 현재 발전용량 10kW 이하 일반용 발전설비에 대해 생산전력을 판매가 불가하지만, 소규모 발전설비에서 생산하는 발전량을 한국전력에 판매할 수 있는 근거를 담은 ‘전기사업법 일부 개정법률안’을 2020년 8월 26일 발의하여 추가적인 발전량에 대한 판매로 부수적인 수익을 창출할 수 있다.

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

조립도

내용

조립순서

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부품도

내용

제어부 및 회로설계

내용

소프트웨어 설계

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자재소요서

내용

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

내용

포스터

내용

특허출원번호 통지서

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개발사업비 내역서

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완료 작품의 평가

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향후평가

내용

부록

참고문헌 및 참고사이트

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소프트웨어 프로그램 소스

내용