시너지
신소재공학과 캡스톤위키
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 자가동력 태양광 트래킹 기능을 갖춘 스마트 햇빛 그늘막
영문 : Smart Parasol Sun Shade with Self-Powered Solar Tracking System
과제 팀명
시너지
지도교수
홍완식 교수님
개발기간
2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 신소재공학과 20164500** 김*윤(팀장)
서울시립대학교 신소재공학과 20164500** 김*후
서울시립대학교 신소재공학과 20194500** 강*비
서울시립대학교 중국어문화학과 20186500** 배*영
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
최근 지구 온난화의 영향으로 더위가 심해지고 폭염의 빈도가 증가하고 있다. 이에 여러 지자체들은 시민들의 편의를 위해 교차로 부근 횡단보도, 교통섬 등 주로 유동인구가 많고 보행 대기 시간이 필요한 지점에 햇빛 그늘막을 설치하고 있다. 최근에는 태양광 기술이 접목된 스마트 그늘막도 설치되고 있는데, 센서가 바람과 온도를 감지하여 자동으로 접고 펴지게 되는 시스템으로 인해 편의를 더해주고 있다. 하지만 지금까지의 햇빛 그늘막들은 펴진 상태로 고정되어 있기 때문에 태양이 측면으로 기울게 되면 그림자도 함께 이동하게 되어 도로 쪽으로 가는 경우가 발생할 수 있고, 그늘막과 태양광의 방향이 달라지게 되어 일치할 때보다 그림자의 크기가 줄어들게 된다. 따라서 우리는 사람의 어깨 높이에서 그림자의 위치가 변하지 않도록 하고, 그늘막과 태양광의 방향을 일치시켜 그림자의 크기를 최대로 유지하여 햇빛 그늘막의 효율성을 높이고자 한다.
개발 과제의 배경
해가 갈수록 심해지는 더위로 인해 폭염이 증가함에 따라 필요 지점에 햇빛을 피할 수 있는 그늘막이 설치되고 있는 추세다. 최근에는 태양광 기술이 접목된 센서를 이용하여 자동 개폐 시스템을 구축한 스마트 그늘막 또한 등장하였다. 하지만 지금까지의 햇빛 그늘막들은 태양이 옆으로 기울었을 때 그림자가 도로 쪽으로 이동하는 경우가 존재하고, 그늘막과 태양광의 방향이 달라져 그림자가 최대로 생성되지 않는 문제가 발생한다. 따라서 본 개발 과제는 사람의 어깨 높이에서 그림자의 위치를 유지할 수 있게 하고, 그늘막과 태양광의 방향을 일치시켜 그림자 크기를 최대로 유지하여 기존 햇빛 그늘막이 가지고 있는 문제의 해결을 목표로 한다.
개발 과제의 목표 및 내용
햇빛 그늘막의 위치를 변화시켜 특정 높이에서 그림자가 일정하게 생성될 수 있도록 한다. 또한 태양광을 트래킹하여 그늘막과 태양광의 방향을 일치시켜 그림자의 크기를 최대로 생성한다. 이때, 그늘막 윗부분의 좌우에 각각 솔라 패널을 붙여 같은 양의 태양광에 노출되면 정지하고, 한쪽 패널이 다른 쪽 패널보다 많이 노출되었을 때 그 방향으로 기울어지도록 하는 트래킹 시스템을 이용한다. 트래킹 시스템에 사용한 솔라 패널을 전력원으로 사용하여 모터를 회전시킬 수 있도록 한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
◇ 햇빛 그늘막
최근 이상기후의 영향으로 유례없는 무더위가 지속되고 있다. ‘행정안전부’는 폭염으로 인한 피해가 7월 말부터 8월 중순에 집중되기 때문에 폭염주의보 경보가 울리면 야외활동을 자제하도록 당부하였다. 그와 동시에 폭염으로 인한 피해를 줄이는 방안으로 3요소(물, 그늘, 휴식)를 공표하였다. 이는 2012년부터 현재까지 꾸준히 증가한 ‘온열 질환자’의 증가를 보면 그 심각성을 인지할 수 있다. 이에 따라 전국의 지자체에서는 횡단보도 그늘막을 설치하여 보행자들이 신호를 기다리는 동안 햇빛을 피할 수 있도록 편의를 제공하고 있다.[1] 현재 햇빛 그늘막은 보행자의 사용이 많은 도로의 교통섬 등을 비롯해, 가로수와 같이 그늘을 만들어 줄 수 없어 직사광선에 노출된 횡단보도에 설치되고 있다. 횡단보도에서 확인할 수 있는 그늘막은 ‘우산형’ 과 ‘천막형’으로 나뉘며 각 지자체의 예산과 횡단보도 대기 장소에 따라 배치된다. 우산형의 경우 천막형과는 다르게, 기후의 변화에 따라 접을 수 있지만 많은 사람들을 수용할 수 없다는 단점이 있다. 또한, 현재 햇빛 그늘막은 고정식 설치이기 때문에, 햇빛의 위치에 따라 햇빛 가림막에 의해 만들어진 그늘막이 보행자의 위치가 아닌, 더 멀리 떨어진 곳이나, 차도 쪽으로 생성되는 경우가 빈번히 일어난다. 실제 햇빛 가림막이 여름철 그늘막의 안과 밖의 온도가 2~4°C 정도 차이가 나기 때문에, 이러한 단점은 보행자의 입장에서 상당한 피해를 제공한다.
◇ 햇빛 그늘막 관련 기술 조사
1) 우산형 그늘막 현재 횡단보도나 유동인구가 많은 거리에서 가장 많이 사용되는 그늘막이다. 사각형 베이스 부분의 고정 프레임을 설치하고 그 위에 기둥과 그늘막 지지부를 연결하여 수동으로 그늘막을 개폐하는 고정형 방식이다.
2) 천막형 그늘막 우산형 그늘막과 함께 도로에서 확인할 수 있는 천막형 그늘막이다. 천막형 그늘막은 설치 후 비 혹은 바람에 의해 피해를 받지 않도록 하기 위해 모래와 돌을 통해 지지대를 고정한다. 하지만 강풍과 폭우에 취약하기 때문에 안전상의 문제점이 꾸준히 제기되었다.
3) 스마트 그늘막 스마트 그늘막은 기존 고정형 접이식 햇빛 가림막의 단점을 개선한 그늘막이다. 태풍과 같은 기후가 발생되면 기존 그늘막은 현장에 직접 인력을 투입해서 접어야 했지만, 스마트 그늘막은 자체적으로 기온과 풍속을 인식하여 자동으로 개폐하게 된다. 또한 태양광 기술을 접목하여 야간에는 LED 조명을 통해 보안의 기능도 제공한다.
◇ 솔라 트래킹 시스템
전 세계적으로 환경오염에 대한 우려로 인해 신재생 에너지의 활용에 대한 관심도가 커지고 있다. 우리나라의 경우 중·장기적인 정책의 사업들이 시행되고 있으며, 신재생 에너지를 더욱 다양하게 활용될 수 있도록 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중, 태양광 발전은 태양광 모듈에 태양광이 조사되면 빛에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술로, 단순한 구조와 긴 수명을 가지고 있으며 안전하고 친환경적인 장점을 가지고 있다. 하지만 낮은 에너지 밀도로 인해 설치 면적이 커야 하므로 에너지 효율을 증가시키기 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 기존 고정식 태양광 시스템은 사계절, 시간차에 따른 발전량의 편차가 심하다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 개발된 태양광 추적 시스템은 태양광 모듈이 태양이 이동하는 궤적을 쫓으며 움직이게 하는 기술이다. 추적식 발전 시스템은 고정식 발전 시스템과 달리 일조량에 따른 발전량의 편차를 줄이고 안정적인 발전량을 유지하게 하여 발전 효율을 극대화하는 기술이다. 현재 개발된 추적식 발전 시스템의 경우 양축 추적식과 단축 추적식이 있다. 단축 추적식은 햇빛의 이동을 하나의 축, 즉 동-서 혹은 남-북 방향으로 이어진 하나의 축만을 이용하여 태양광을 추적하는 기술이다. 그리고 양축 추적식은 동-서, 남-북 방향의 두 가지 축을 모두 사용하여 햇빛의 모든 방향을 추적하는 기술이다.
◇ 솔라 트래킹 시스템 관련 기술 조사
1) 고정식 솔라 트래킹 고정식 태양광 발전 장치는 현재까지 가장 많이 사용된 방식이다. 기본적으로 태양광 설치 시 정남향 방향으로 약 25~30° 각도로 기울여 경사지게 하여 모듈을 고정한 후 설치하는 형식이다. 다른 태양광 발전 기술들에 비해 시공 비용이 낮으며, 건물 위와 지붕 위에 가장 많이 설치된다.
2) 고정식 가변형 솔라 트래킹 고정 가변형 태양광 발전은 기존 고정식 태양광 발전 장치와 달리 사계절에 따른 태양의 남중고도에 맞추어 각도조절이 가능하다는 특징이 있다. 또한 고정식 태양광 발전에 비해 약 8% 정도의 높은 효율을 가지며 액츄에이터를 이용하여 수동형보다 더욱 손쉽게 조절 가능하다는 특징이 있다.
3) 단축식 솔라 트래킹 단축 추적 방식은 고정식 태양광 발전과 달리, 태양의 남중고도에 따라 상하 각도조절 중 한 가지를 선택하여 일출부터 일몰에 이르기까지 태양의 위치를 연속적으로 추적하는 기술이다. 단축 시스템의 경우 2개의 광트랜지스터를 사용하여 추적이 단순하고 고정식과 비교하여 약 15%의 발전량 증대 효과를 가지고 있으며 비용이 저렴하다는 특징을 가지고 있다. [2]
4) 양축식 솔라 트래킹 기존 단축식 솔라 트래킹의 문제점인 계절에 따른 태양의 고도각 변화를 추적하지 못하는 것을 양축식 솔라 트래킹으로 해결 가능하다. 양축식 솔라 트래킹은 단축식 솔라 트래킹과 달리 4개의 광트랜지스터를 각각 90°가 되도록 평면에 부착하여 사용한다. 이를 통해 태양의 고도각과 방위각을 동시에 추적하여 4계절 내내 변하는 태양의 위치를 정밀하게 추적할 수 있는 장점이 있으며, 고정식과 비교하여 약 25%의 발전량 증대 효과를 지니고 있다. [2]
- 특허조사 및 특허 전략 분석
◇ 스마트 횡단보도 그늘막
특허 번호 및 일자 대표 도면 기술 내용 및 한계 - 등록번호: 10-1871202 - 등록일자: 2018.06.20 - 기술 내용: 태양 에너지를 이용하고 온도, 바람에 반응하여 자동으로 차양막을 개폐시켜 그늘막을 관리한다. - 한계점: 햇빛이 이동함에 따라 그늘막이 멀리 이동하는 문제를 해결할 수 없다.
◇ 횡단보도용 복엽 그늘막
특허 번호 및 일자 대표 도면 기술 내용 및 한계 - 등록번호: 10-1945176 - 등록일자: 2019.01.29 - 기술 내용: 하나의 기둥에 복수의 그늘막이 설치되어 설치 공사 소요 비용을 최소화하면서 보행자에게 최대한의 그늘막 공간을 제공할 수 있다. - 한계점: 복수의 그늘막이 설치될 경우 보행자의 통행과 시야가 방해될 수 있다.
◇ 횡단보도용 접이식 그늘막
특허 번호 및 일자 대표 도면 기술 내용 및 한계 - 등록번호: 10-2178362 - 등록일자: 2020.11.06 - 기술 내용: 기둥을 회전시켜가며 고정시킬 수 있게 구성되어 횡단보도 여건에 따라 그늘막의 위치를 자유롭게 변경할 수 있다. - 한계점: 그늘막의 기둥 회전을 사람이 직접 조절해야한다.
◇ 아암부의 회전이 용이한 그늘막
특허 번호 및 일자 대표 도면 기술 내용 및 한계 - 등록번호: 10-1944066 - 등록일자: 2019.01.25 - 기술 내용: 아암부를 회전 및 이동시켜 차양막의 위치를 간단하게 변경할 수 있으며 사용하지 않을 때 아암부가 접히도록 하여 전체 공간을 줄일 수 있다. - 한계점: 회전을 통해 위치 이동이 가능하지만 햇빛의 입사 각도에 따라 각도 조절이 불가능하다.
◇ 태양 추적 그늘막 및 그 구동 방법
특허 번호 및 일자 대표 도면 기술 내용 및 한계 - 등록번호: 10-1697287 - 등록일자: 2017.01.11 - 기술 내용: 입사되는 태양광의 강도를 광 센서가 감지하여 스스로 구동한다. - 한계점: 태양광을 감지하기 위해 광 센서를 따로 사용해야한다.
특허전략
◇ 하나의 회전 축만을 활용한 솔라 트래킹 시스템
본 시스템은 하나의 회전 축만을 이용하여 태양광을 추적할 수 있다. 종래 기술에서는 사계절 360도의 모든 방향으로 태양의 위치를 추적해야 하는 태양광 발전 패널에 맞게 대부분 dual axis solar tracker 기능 위주로 제시되어 있다. 하지만 태양 발전 패널과는 다르게 햇빛그늘막은 여름철에만 주로 사용한다. 그렇기 때문에 여름철 태양의 이동 반경만을 고려하여 Single axis solar tracker 만으로도 시스템을 설계하기에 충분하다. 이때 기존 햇빛 그늘막과 같이 그늘막 끝의 연결부가 수직으로 연결되어 있는 경우 그늘막을 기울이기 위해 복잡한 설계가 필요하다. 하지만 그늘막과 연결부 사이를 비스듬하게 연결하고, 기둥을 회전시키는 하나의 회전축을 추가하는 것만으로 그늘막을 기울이는 시스템을 구현할 수 있다. 이러한 구조 변경만으로 동일한 솔라 트래킹 기능을 더 단순하게 구현할 수 있다는 점에서 진보성을 확보할 수 있다.
◇ 기어 시스템을 활용한 수직 및 수평 방향의 위치 변화 구조
본 시스템에서는 기어 시스템을 활용하여 회전축과 그늘막 연결 기둥 자체가 상/하, 좌/우로 이동하는 설계를 포함하고 있다. 단순히 그늘막의 끝이 기울어지기만 할 경우 생겨나는 그림자의 위치가 기존보다 훨씬 멀어져 도로 쪽으로 향하게 되는 등의 문제가 발생할 수 있다. 또한 회전축과 별도로 이동을 위한 장치를 추가할 경우 시스템이 복잡해질 우려가 있다. 하지만 유성 기어 시스템을 통해 하나의 선 기어 회전축만을 돌리면서도 축이 이동할 수 있도록 설계하는 것이 가능하다. 또한 전체적인 박스를 기울일 경우 그늘막이 이동하면서 자연스럽게 축의 위치가 지면으로부터 멀어지도록 설계할 수 있다.
◇ 솔라 패널을 활용한 자가동력 태양광 트래킹 기능을 하는 회로 설계
솔라 패널은 별도의 동력원 없이 전력을 얻기 위한 역할을 함과 동시에 선택적으로 회전 모터를 구동하기 위한 장치이기도 하다. 솔라 패널을 기울여 설치한 경우 태양광과 그늘막이 일직선에 놓이게 될 때는 각 패널에 조사되는 태양광이 동일하기 때문에 모터가 작동하지 않는다. 반대로 태양이 이동하며 그늘막과 태양광이 나란하지 않을 때는 한 쪽 솔라 패널에 더 많은 태양광이 조사되므로 선택적으로 회전 모터를 구동시켜 자체적으로 솔라 트래킹 시스템을 구현할 수 있다. 이때 TDA 2822 IC 칩셋을 활용하여 증폭된 전압 차이를 통해 모터의 회전 방향을 바꿀 수 있다. 추가적으로 바이패스 다이오드와 블로킹 다이오드를 활용해 회로의 누설 전류를 감소시키고, 회로의 내구성을 높이고자 하였다.
- 기술 로드맵
◇ 햇빛 그늘막
1) 발전 과정 교차로 부근 횡단보도나 교통섬 등 유동인구가 많고 대기 시간이 긴 장소에 설치하여 더위를 피할 수 있게 하였다. 최근에는 태양광 기술을 이용하여 바람과 온도를 감지하는 센서로 자동 개폐 시스템을 갖춘 스마트 그늘막이 등장하였다. 2) 문제점 햇빛의 고도와 방향에 따라 그림자의 생성 위치가 달라지기 때문에 특정 시간대에는 그림자가 도로에 생길 수 있다. 또한 햇빛의 방향과 그늘막의 방향이 일치하지 않아 일치할 때의 그림자보다 크기가 왜곡되어 효율성이 감소하게 된다. 3) 발전 방향 정오를 기준으로 그늘막의 방향을 태양의 남중 고도와 일치시킨 후 회전하도록 하여 태양광을 트래킹할 수 있도록 한다. 또한 태양광의 방향에 맞추어 좌우로 이동시켜 그림자가 일정한 위치에 생성될 수 있도록 한다.
◇ 유성 기어 시스템(Planetary Gear System)
1) 발전 과정 유성 기어 시스템(Planetary Gear System)은 선 기어(Sun gear)를 중심으로 복수의 유성 기어(Planetay Gear)가 자전하면서 공전하는(유성 캐리어, Planetary Carrier) 구조를 가진 기어 체계이다. 또한 유성 기어는 적은 단수로 큰 감속비를 얻을 수 있고, 토크(회전력)를 전달할 수 있으며, 입력축과 출력축을 동축선상에서 배치할 수 있다. 또한 복수의 유성 기어에 부하를 분산하므로 톱니의 마모와 손상이 적다는 특징이 있다. 2) 문제점 일반 기어 시스템과 비교했을 때 크기와 무게가 커지기 때문에 공간이 충분해야 설치할 수 있다. 3) 적용 방향 그늘막을 기울여야 하는 각도를 미리 설정하여, 그 크기만큼만 유성 기어 시스템이 이동할 수 있도록 제작한다. 또한, 선 기어의 크기를 줄임과 동시에 고정되지 않고 함께 움직이게 하여 전체적인 크기와 무게를 줄일 수 있도록 한다.
◇ DC Motor
1) 발전 과정 DC 모터는 고정자에 영구자석을 배치하고 회전자에 코일을 감은 구조로, 회전자에 흐르는 전류의 방향을 조절하여 자력의 반발과 흡인력으로 회전력을 생성하는 모터이다. 이는 기동 토크가 크고 속도 제어와 회전 방향의 변경이 용이하다는 특징을 가지고 있다. 2) 적용 방향 기어 시스템을 동작시킬 수 있을 만큼의 토크와 각가속도, 각속도를 가진 제품을 선택하여 본 발명에 적용한다. 이때 관성 모멘트는 실험을 통해 측정하여 정밀한 근사치를 계산할 수 있도록 한다.
◇ 솔라 패널
1) 발전 과정 솔라셀은 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력원으로 사용할 수 있는 장치이며, 광전 효과에 의해 방출된 전자가 PN 접합을 통해 전류를 생성하는 원리를 이용한다. 솔라 패널은 여러 개의 솔라 셀이 직렬 또는 병렬로 연결된 구조를 가지고 있다. 2) 적용 방향 솔라 패널을 그늘막에 적용하여, 햇빛의 움직임을 감지하고 모터 구동에 필요한 전력을 생성하여 태양광을 트래킹할 수 있는 시스템을 구성한다. 선정한 DC 모터에 필요한 전력을 생성할 수 있을 만큼의 솔라 패널을 선택하여 적용한다. 또한 솔라 패널이 태양광을 잘 받을 수 있도록 적절한 각도로 설치할 수 있도록 한다.
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
- 마케팅 전략 제시
◇ 햇빛 그늘막 설치 빈도 수 증가
해를 거듭할수록 여름철 폭염이 심화됨에 따라 햇빛 그늘막의 중요성이 높아지고 있다. 따라서 유동인구와 대기 시간을 고려하여 교차로 부근 횡단보도나 교통섬 등 곳곳에 햇빛을 피할 수 있는 그늘막이 설치되고 있는 추세이다. 중앙일보의 기사에 따르면, 2019년 5월 17일 기준 전국에 모두 5662개의 그늘막이 설치되었으며, 서울 25개 구청에서 설치해 운영중인 그늘막은 그 중 1505개이었다는 것을 알 수 있다. 또한 이는 18년 대비 387개 늘어난 수준이었으며, 17년 대비 두 배 가까이 늘어났음을 명시하였다.[6] <그림 11>은 22년도 2월 기준 전국의 햇빛 그늘막 설치 현황을 나타낸 것으로 전국 기준 스마트형과 고정형을 모두 합하여 2만 1373개의 그늘막이 설치되어 있음을 알 수 있다. 햇빛 그늘막은 과거부터 현재까지 매년 설치 수가 증가하고 있는 필수 행정으로 자리 잡았다. 이에 따라, 점차 사람 중심 행정을 맞이할 것이라는 기대감을 키우고 있다. 지방 자치의 도시 철학 속에서 사람 중심의 행정 운영의 중요성에 대한 시각이 확대될수록 햇빛 그늘막의 필요성과 동시에 본 기술의 효용성이 증가하게 된다. 또한 한국에서는 유독 횡단보도에 설치된 햇빛 그늘막이 하나의 산업으로 자리잡아 활성화되어 있다는 점에서 본 제품의 시장성을 확보할 수 있다. 앞으로도 전국적으로 그늘막의 설치 빈도 수가 증가하는 추세이기 때문에 본 시스템을 필요로 할 수 있는 다양한 지자체와 관련 산업 담당자들을 마케팅 대상으로 지정하고자 한다.
◇ 수도권 등의 유동인구가 많은 지역에서의 필요성 제시
<그림 12>은 국내의 100대 지역 상권 중 시간대별 가장 유동인구가 많은 지역을 나타낸 자료이다. 다음 자료를 통해 여름철 더위가 급증하는 오전 11시부터 오후 2-3시 경 종각역 부근과 부산 자갈치, 국제시장 인근에서 유동인구가 138,052명 정도 되는 것을 알 수 있다. 이러한 지역 외에도 무더위가 지속되는 점심 시간대 유동인구가 많은 광화문역, 시청역, 강남역 등 곳곳의 횡단보도나 광장 부근에서 본 시스템의 효용성이 높을 수 있음을 강조한다.
◇ 솔라 패널을 활용한 Free Resource
본 설계는 솔라 패널을 통해 전력을 얻기 때문에 별도의 동력원은 필요하지 않아 설치 시 추가적인 설비나 에너지 소모가 필요하지 않다는 점을 강조한다. 특히 여름철과 같이 태양광이 강할 때는 충분한 전력을 얻을 수 있고, 겨울철에는 사용하지 않기 때문에 에너지 소비와 설비 측면에서 경제성 및 기술적 타당성을 갖는다.
◇ SWOT 분석
- SWOT 분석
- SWOT 전략 분석
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ 설치 위치에서의 동-서 방향만을 고려하면 되기 때문에 설치하고자 하는 방향을 특정하기에 편리하다.
◇ 기어 시스템을 이용해 하나의 축만으로 그늘막에 이동성과 각도 변화를 구현할 수 있다.
◇ 솔라 패널을 활용해 별도의 동력원 없이도 구동에 필요한 전력을 얻어낼 수 있다.
◇ 링 기어와 선 기어 사이 지름 및 닛수를 조절하여 토크량과 그늘막 변위 조절에 있어 자유도가 높다.
◇ 수직 방향으로의 그늘막 이동에 의해 높이를 조정할 수 있기 때문에 보행자의 시야 방해 문제까지 해결할 수 있다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
◇ 여름철 유동인구가 많은 지역에 설치 시 신호를 기다리는 더 많은 사람들에게 더위를 피할 수 있는 그늘을 제공할 수 있다.
◇ 한번 설치 시 솔라 패널에 의해 전력을 얻기 때문에 따로 구동하기 위한 비용이 들지 않는다.
◇ 종로구, 강남구 등의 일부 수도권 지역 내 기존 햇빛 그늘막으로는 모든 유동인구를 수용할 수 없는 위치마다 설치할 수 있기 때문에 효용성과 공공 산업에 대한 시장성을 확보할 수 있다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
◇ 강*비: 이론 분석 및 아이디어 구체화 (선행 기술 조사, 특허 진행) -->PATENT
◇ 김*후: 실험 데이터 수집 및 분석 (설계, 부품 배치) --> DESIGN
◇ 김*윤: 설계 디자인 구체화 (총괄, 성능 평가 설계) -->MANAGE
◇ 배*영: 자체 평가 실험 (재료 구매, 예산 관리)-->BUYING
설계
설계사양
설계 사양
◇ 모터
- 모터의 회전 속도 : 5 RPM, 평균적인 신호 대기 시간인 150 sec 당 한번씩 반응하여 회전한다. - 모터의 토크 : 3Kgfm, 솔라 패널과 그늘막, 각 연결 기둥 부의 무게를 충분히 견디며 회전한다.
◇ 회전 축의 이동
- 호 기어(유성 기어)와 선 기어의 닛수 비는 200:4로 선 기어가 5 RPM으로 회전하므로 이때 호 기어는 0.04745 RPM으로 회전하며 축을 호의 자취로 이동시키게 된다.
◇ 솔라 패널 스펙
- 모터를 회전시키기 위해 필요한 시작 전류는 약 30mA 정도이며, 태양광 조사 기준 각 패널에서 생성할 수 있는 최대 전류는 180mA이다.
◇ 커패시터 및 저항
- 커패시터 용량은 0.1, 저항은 10로 설정하여 솔라 패널에서 생성된 전하를 커패시터에 충분히 모으고, RC delay 시정수는 0.001s가 되도록 한다.
◇ 무게
- 그늘막의 무게 : 솔라 패널과 연결 기둥 부 등을 연결될 것을 고려하여 100g이 넘지 않도록 한다. - 솔라 패널의 무게 : 각각 50g 총 100g이 넘지 않도록 한다.
개념설계안
◇ 본 설계의 입체 모식도
본 설계인 ‘자가동력 태양광 트래킹 기능을 갖춘 스마트 햇빛 그늘막’의 전체 모식도는 <그림 15>에서 보이는 바와 같다. <그림 15>은 수도권의 하짓날 기준 태양의 남중고도를 고려하여 나타냈으며, 설계를 간단하게 하기 위해 그늘막의 초기 설계 기준으로 하짓날 정오 때 태양이 떠있는 남중고도 기준으로 그늘막의 꼭지 부분이 천정으로부터 13.5 기울어져 태양을 바라보도록 설정하였다. 크게 두 가지의 기어 시스템이 독립적으로 존재하며, 그 사이에는 볼 조인트 부가 연결되어 두 각지 시스템을 연동해주는 역할을 한다. 그 상태에서 솔라 패널은 그늘막 방향과 수직한 축 위에 동서쪽 방향으로 45 기울인 채로 설치하였다. 이는 각 패널에 전달되는 태양광의 차이를 명확히 하여 선택적으로 모터의 방향을 바꾸기 위함이다. 하지만 당장은 반사광의 영향을 무시한 설계이므로 차후 실험을 통해 태양광만을 선택적으로 받아들일 수 있는지 확인해 보아야 한다.
◇ 구동 원리
1) 햇빛(LED 광원)의 이동
본 설계는 사계절 중 여름철에 가장 사용 효용성이 클 것이므로, 여름철 태양의 고도만을 고려한다. <그림 16>에서 보이는 바와 같이 수도권의 하짓날 태양의 남중 고도는 76.5°이고 오전 9:00~ 오후 16:00 시를 기준으로 태양의 고도는 41.5°~76.5°, 방위각은 90°~270°로 나타난다. <그림 16, 17>을 바탕으로 본 설계는 정오를 기준으로 하였을 때, 그늘막의 끝이 해가 떠 있는 남중 고도를 바라보도록 설계한다. 따라서 정오 기준으로 그늘막의 각도는 천정을 기준으로 남쪽으로 13.5° 기울이고자 하며, 모터와 연결된 선 기어의 총 회전 각도는 99.8°, 그늘막을 기울이기 위해 피니언 기어를 회전시켜 줄 역할을 하는 랙 기어는 지면으로부터 25° 기울어진 상태로 설계하였다. 이렇듯 정확한 각도의 설정 이유는 태양의 고도와 방위각을 고려하여 그늘막의 거동을 결정하여 구동되는 시각을 제한하기 위함이었으며, 이에 대해서는 이후 이론적 계산에서 더 구체적으로 다루고자 한다. 또한 기울임 각도에 따른 보행자의 시야 방해 요소를 해결하기 위해 이후 그늘막의 좌우, 높이 보상 값을 설정하여 그늘막츨 회전시키는 축을 이동하도록 설계하고자 한다. 마지막으로, 제작한 완성품의 반복적인 성능 테스트를 위해 햇빛 대신 LED 광원을 설치하여 이를 대체한다.
2) 솔라 패널을 통한 전력 공급
햇빛의 광원이 솔라 패널에 조사되면, 솔라 패널은 태양 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 솔라 패널에 연결된 회로부를 통해 전류와 전압이 공급되어 전력 공급이 필요한 DC 모터에 전달되도록 설계한다. 따라서 실제 사용할 솔라 패널의 경우 DC 모터를 구동시키는 전력 공급원으로 사용되기 때문에 DC 모터의 전압과 전력을 고려하여 선정해야 한다. <그림 18-a>는 본 설계에서 실제 사용할 솔라 패널 시제품을 보이고 있다. 이 솔라 패널은 단결정 솔라 패널이며, 전압 5.5V, 최대 전류 180mA, 실측 크기는 135mm x 75mm x 3mm 정도를 보인다. <그림 18-b>는 본 설계에서 그늘막 연결 부에 솔라 패널이 설치되었을 때의 간략한 모식도를 보이고 있다. 이는 실제 그늘막 구동 시, 솔라 패널에 좌우에 전달되는 태양광의 차이를 통해 선택적으로 모터의 회전 방향을 결정하고, 기어 시스템이 작동을 할 수 있도록 동서쪽으로 45° 기울여 설치하였다.
3) DC 모터
본 설계에서 사용할 DC 모터는 다른 모터에 비해 회전 제어가 쉽고, 제어용 모터로서 우수한 특성을 지니고 있다. 또한 출력이 크고 효율이 높으며, 정/역회전의 변경이 용이하다. <그림 19-a>는 본 설계에서 실제 사용할 DC 모터이다. 전압은 4.8~6V, 전류는 90mA 이고, 소비전력은 0.43W~0.54W이며 32.9mm x 31.8mm x 12.5mm의 규격을 가지고 있다. 솔라 패널에서 전력을 공급 받으면, 회로 제어부를 통해 모터가 회전하기 시작하여 기어를 회전하도록 설계한다. 그리고 <그림 19-b>는 실제 모터를 선 기어에 부착하였을 때를 나타낸 모식도이다.
4) 그늘막 회전 원리
<그림 20-a>는 기어 시스템 없이 모터만으로 그늘막을 회전시켜 그늘막을 기울이는 설계이다. 그늘막 연결 기둥 끝 부분에 지면으로부터 25° 기울어진 모터의 회전에 의해 그늘막이 동서쪽으로 기울어지게 된다. <그림 20-b>는 기어 시스템을 추가하여 그늘막 기울임 축을 호의 자취대로 이동시키는 역할을 한다. DC geared 모터의 구동으로 인해 DC 모터 연결 기어인 선 기어가 회전하고, 유성 기어 역할의 호 기어가 회전하며 L자 봉이 동서 방향으로 회전하게 된다. 이후 볼 조인트와 연결된 부분 앞부분에서 랙 기어 받침에 대해 피니언 기어가 회전하면서 그늘막을 회전시키게 된다. 이때 랙 기어 받침은 지면으로부터 25° 기울어진 상태로 설치된다. 앞서 언급한 바와 같이, 그늘막은 하짓날 정오 기준으로 천정으로부터 남쪽 방향으로 13.5°의 각도로 기울어져 있도록 설계하였다. <그림 20-c>는 개조하기 전의 그늘막 시제품의 모습이며, 이를 개조하여 <그림 20-d>와 같이 불필요한 살 부분을 잘라내고, 검정색 천으로 둘러싸 가벼우면서도 scaling에 잘 맞는 지름 30cm의 그늘막을 제작하고자 한다.
이론적 계산 및 시뮬레이션
◇ 태양의 일주 운동
태양은 하지 기준으로 방위각 90°일 때 고도 41.5°, 180°일 때 남중 고도 76.5°, 270°일 때 다시 41.5°의 고도로 돌아온다. 남중 고도일 때 그늘막과 태양의 방향을 일치시키기 위하여 그늘막을 13.5° 기울이고, 하나의 회전축만을 이용하여 태양의 일주 운동을 따라갈 수 있도록 하는 연결 각도를 <그림 21>과 같이 계산하였을 때 천정과 회전축의 각도(x)는 65°로 도출된다. 즉 그늘막과 천정의 각도는 13.5°, 회전축과 천정의 각도는 65°로 연결하여 회전시키면 그늘막이 태양의 일주 운동을 따라갈 수 있다.
◇ 기어 시스템의 크기 및 Scaling
기울어진 그늘막으로 인해 보행자의 시야를 방해할 수 있으므로, 그늘막을 기울이는 각도에 대한 임계점을 계산하였다. 그늘막이 기울어졌을 때 보이는 시야를 가림판으로 대체하여 실험한 결과, 지면과의 거리가 약 2m일 때 신호등을 가리지 않고 시야에 확보되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 <그림 22>과 같이 계산을 진행한 결과, 기존 그늘막을 기울인 각도에 따라 그늘막이 내려간 길이와 2m까지 올려야 하는 길이는 내려간 길이(m) = ( 1.5 - 0.7 * tan(0.5Θ) ) * sin(Θ) 올려야 하는 길이(m) = ( 1.5 - 0.7 * tan(0.5Θ) ) * sin(Θ) - 0.2 이다. 즉 하지 때를 기준으로 9~16시에 기존의 그늘막을 기울인다고 가정하였을 때, 기울어진 각도가 41.5°에서 내려간 길이는 0.69m, 남중 고도인 76.5°에서 내려간 길이는 0.13m이다. 기존 햇빛 그늘막에서의 높이가 2.2m, 시야가 방해되지 않는 높이가 2m인 것을 감안하였을 때, 남중 고도에서 내려간 길이는 영향을 주지 않으므로 기어 시스템을 이용하여 보상해야 하는 높이는 0.56m로 예측할 수 있다. 또한 방위각과 고도에 따라 달라지는 그림자를 1.5m 위에서 일정하게 유지하기 위해서 기어 시스템의 좌우 이동 거리 또한 중요하다. <그림 23>은 방위각 90°일 때와 180°일 때의 그림자를 나타낸 것이다. 이때 두 그림자가 겹치는 면적을 가장 크게 하려면 두 타원의 중심을 가깝게 해야 하기 때문에, 방위각 90°일 때의 그림자를 180°일 때의 그림자 기준 왼쪽으로 3.53m 이동시켜야 한다. 그늘막과 지면의 높이가 2m인 점을 감안하였을 때, 1.5m에서 그림자를 유지하려면 각 길이의 1/4인 0.85m만큼 기어 시스템을 이용하여 보상해야 한다.
실제 햇빛 그늘막은 지름 3m의 크기이나 본 발명에서는 본래 그늘막의 10%인 지름 30cm의 그늘막을 이용하여 제작할 에정이므로, 위 과정에서 도출한 거리 보상값에 대해 아래와 같이 Scaling을 진행하였다.
그늘막의 크기 : 3m X 10% = 30cm 좌우 거리 보상값 : 0.85m X 10% X 2= 8.5cm X 2
◇ 피니언 기어와 유성 기어의 회전 각도
본 설계에서는 태양의 일주 운동을 따라가기 위한 피니언 기어의 회전, 좌우 거리의 보상을 위한 유성 기어의 회전을 필요로 한다. 피니언 기어는 결국 그늘막과 연결된 회전축과 같으므로, 이를 고려하여 <그림 24>과 같이 계산을 진행하였다. 이때 오전 9시부터 오후 4시까지 피니언 기어가 회전해야 하는 각도는 약 100°로 도출되었다. 또한 유성 기어의 회전은 L자 봉의 회전과 같으므로 이를 이용하여 <그림 25>과 같이 계산을 진행하였고, 이때 L자 봉이 회전해야 하는 총 각도는 52.4°, 길이는 19.2cm이다.
◇ 구동에 필요한 토크와 전력량
본 발명에서 햇빛 그늘막이 기울어져야 하는 각도는 41.5°~76.5°~41.5°로, 총 70°를 움직이는 것으로 한다. 따라서 30min 동안 솔라 패널을 충전하여 5°를 움직이도록 가정한다. 또한 DC 모터는 5s 동안 5°를 움직이고 <그림 26>에서 가속 시간(t1)과 감속 시간(t3)을 1s, 등속 시간(t2)을 3s로 가정한다. 이때 그래프의 넓이, 즉 회전해야 하는 각도가 5°이므로
(w : 각속도, ɑ : 각가속도)
로 계산할 수 있고, 이때의 각가속도를 이용하여 가속 토크(T1), 등속 토크(T2), 감속 토크(T3)를 아래와 같이 계산할 수 있다.
(T : kgf * mm, I : kgf * mm * s2) (마찰력이 0이라 가정)
앞서 계산한 여러 토크를 이용하여 그림 10의 식과 같이 평균 유효 토크(Trms)를 계산하면 아래와 같다.
이때 관성 모멘트 I는 실험을 통해 측정하도록 한다. 계산한 토크를 이용하여 DC 모터의 Output Power는 아래의 식과 같이 각속도와 평균 유효 토크를 이용하여 계산할 수 있다.
DC 모터의 Po(W) = Pi(W) x DC 모터의 효율(%) = w x Trms = w x ɑ x I
이때 DC 모터의 효율은 일반적인 수치인 70%를 사용한다. 따라서 관성 모멘트의 값을 측정하게 되면 DC 모터의 Output Power를 예측할 수 있다.
본 설계에서는 공급 전력원으로 솔라 패널을 사용하는데, 이를 그늘막 위에 수직으로 연결해야 하기 때문에 크기와 무게 등을 고려하여 선정하였다. 솔라 패널의 공급 전력을 계산하는 식은 다음과 같다.
솔라 패널의 공급 전력 Pi = V x I x 솔라 패널의 효율
이때 솔라 패널의 효율은 일반적인 수치인 10%를 사용한다. 위 식을 이용하여 실제 공급할 수 있는 전력량을 계산한 후, 그에 따라 전류를 증폭시킬 수 있는 Transistor를 선정하여 DC 모터를 구동시킬 수 있도록 한다.
상세설계 내용
가. 조립도
◇ 본체
본 설계의 본체는 <그림 27> 본체 측면도를 통해 확인할 수 있다. 조립은 ‘기둥 지지대 - 기어부 - 회로부 – 그늘막’ 로 나뉠 수 있다. 먼저 랙 기어 부분과 철제 스탠드에 고정 할 본체 기둥부를 접합한다. 이후 볼 조인트 연결부 기둥을 랙 기어 위에 연결한 후 호 기어 부분을 붙여준다. 그리고 모터 연결부에 모터와 선 기어를 접합한 뒤 모터를 고정시켜주고 선 기어와 호 기어가 맞물리게 연결한다. 마지막으로 볼 조인트와 피니언 기어를 연결하여 본체 구동부 연결을 완료한다. 이후 제작해 둔 그늘막의 윗부분에 솔라 패널을 설치하고 솔라 패널 아래에 회로부를 부착해준다. 따라서 전체 부품을 조립하면 <그림 28>과 같은 모습을 보인다.
◇ 솔라 트래킹 및 기어 시스템
본 설계는 기존 솔라 트래킹 기술과는 달리, 솔라 패널에 빛이 조사될 때 생기는 전력으로 모터를 구동시켜 회전하는 것이다. 솔라 패널에 빛이 조사된 이후부터 태양과 그늘막이 일직선상에 놓일 때까지 그늘막이 회전하기 시작한다. 일직선상에 놓이게 되면, 양쪽 솔라 패널에 조사되는 햇빛의 양이 동일해지며 그늘막은 회전을 멈추게 된다. 따라서 이와 같은 시스템이 원활하게 작동되게 하려면, 솔라 패널이 기어에 의해 가려지지 않도록 설치되어야 하며 양쪽 솔라 패널이 그늘막의 중심으로부터 같은 위치, 같은 기울기로 설치되어야 한다. 햇빛과 그늘막이 일직선상에 놓이면 그늘막은 움직임을 멈추게 되고, 햇빛의 이동에 따라 양쪽 솔라 패널에 조사되는 햇빛의 양이 달라지면 움직이도록 한다.
나. 조립 순서
2 .5 부품도
◇ 지지 기둥 부
그림 29. 각 구성 요소의 연결 기둥 부
◇ 핵심 기어 시스템
그림 30. 핵심 기어 시스템 부
◇ 모터부
◇ 그늘막
그림 32. 그늘막 부품도
◇ 솔라 패널
그림 33. 솔라 패널 및 솔라 패널 부착 부
2 .6 제어부 및 회로설계
◇ 회로 구성품
◇ 회로 설계
- TDA2822 IC 칩 8번에 왼쪽 솔라 패널의 (-), 6번에 오른쪽 솔라 패널의 (+)와 연결한다. - 2개의 10kΩ 저항을 TDA2822 IC칩 5,7번에 연결하고 왼쪽 저항은 2번, 오른쪽 저항은 4번에 연결한다. - 솔라 패널와 1uF 커패시터를 연결하여 솔라 패널에서 생성된 전기를 커패시터에 충전하고 커패시터의 (+)를 TDA2822 IC 칩 2번, (-)를 4번에 연결하여 전원을 공급한다. - TDA2822 IC 칩 1,3번에 DC 모터를 연결한다. - TDA 2822 IC칩을 이용하여 양쪽 패널에서 생성되는 전류의 양에 따라 DC모터의 동작을 제어한다. - 솔라 패널에 각각 바이패스 다이오드를 역방향으로 병렬 연결하여 전류 누설을 방지한다. - 솔라 패널과 커패시터 사이 쇼트키 다이오드를 연결하여 커패시터에서 솔라 패널로 전류가 흐르는 것을 방지한다.
그림 34. 회로도
◇ 회로 구동
(1) 전원 공급 - 솔라 패널에서 생성된 전기를 커패시터에 충전하여 전원을 공급한다. (2) 부품의 입/출력 - 솔라 패널이 태양광 에너지를 받으면 전류가 생성되고 TDA 2822 IC 칩 6,7번에 입력된다. - TDA2822 IC 칩에서 입력 단자 간 전압 차이를 증폭시켜 1,3번으로 출력한다. (3) 제어 - 양쪽 솔라 패널에서 생성되는 전류의 양에 따라 TDA 2822 IC칩에서 전압을 증폭시켜 모터의 작동 및 회전 방향을 제어한다.
◇ 회로 구동 알고리즘
그림 35. 회로 작동 알고리즘
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
포스터
관련사업비 내역서
완료작품의 평가
향후계획
◇ 본 제품은 크기 10%로 Scaling을 진행한 후 제작하였기 때문에 실제 크기로 제작한다면 부품의 여러 규격에서 오차가 커질 수 있다. 향후 실제 제품 제작 시 여러 부품의 규격을 다시 정확히 설계한다면 더욱 정교한 태양광 트래킹이 가능할 것이다.
◇ 본 제품은 어떠한 틀 없이 직접 수제로 제작하였기 때문에 마감 면에서 정교하지 못 하다는 문제가 있다. 보다 정확한 3D Printing과 정교한 제작을 위한 틀을 이용한 외관 완성, 외부와의 노출을 차단시키는 회로도의 패키징 등의 과정을 거친다면 정교한 마감과 외관을 완성할 수 있을 것이다.
◇ 본 제품은 시연 시 LED 광원을 사용하여 진행하였는데, 이로 인해 솔라 패널의 효율은 감소하고 무게가 증가하는 한계가 있었다. 따라서 실제 제품에서는 태양광을 이용하므로 LED 광원을 사용할 때보다 더 높은 전류를 생성할 수 있을 것이다. 따라서 실제 제품에 맞는 솔라 패널의 효율과 무게를 고려한다면 성능이나 비용 측면에서 더욱 효율적으로 제작할 수 있을 것이다.
