SAS

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 배전선로의 조류 퇴치 장치 영문 : Birds repelling apparatus of distribution line

과제 팀명

SAS

지도교수

홍완식 교수님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학부·과 20164500** 김** (팀장)

서울시립대학교 신소재공학부·과 20164500** 김**

서울시립대학교 신소재공학부·과 20164500** 박**

서울시립대학교 신소재공학부·과 20164500** 서**

서울시립대학교 신소재공학부·과 20164500** 장**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 후술할 모델을 통해 까마귀를 퇴치하는 방법은 다음과 같다.
1. 까마귀가 전선에 착지 시, 진동 센서와 모션감지 센서를 이용하여 전선의 진동과 까마귀를 감지한다.
2. 태양광 패널로부터 생산한 전력을 이용하여 모터와 회로부를 구동한다.
3. 모터와 연결된 바퀴가 구동되며 위 장치가 전선 상에서 이동한다.
4. 전선 상에서 직선 운동을 하며, 까마귀를 쫓아낸다.
5. 적외선 센서를 이용하여 장치가 이동 중에 전봇대와 충돌하는 것을 방지한다.
6. 태양광 발전을 통해 전력을 생산하고, 까마귀 개체수가 많을 경우 지속해서 전선위에서 이동하면서 효과적으로 까마귀를 퇴치할 수 있도록 한다.

개발 과제의 배경

◇ 전선 위에 앉은 조류가 발생시키는 배설물로 인한 부식 및 도로의 오염 또는 전선이 끊어지는 등의 전기사고를 방지하려 한다. 그린 레이저와 참매의 소리를 이용한 기존의 퇴치법은 까마귀 떼를 쫓아 이동해야하는 번거로움이 존재한다. 본 개발 과제는 진동 감지센서와 PIR 모션 감지센서를 사용하여 조류가 전선 위에 앉는 것을 인식하고 해당 위치로 장비가 이동하여 조류를 퇴치하는 것을 목표로 한다. 또한 추가적인 에너지 공급원 없이 태양광을 이용한 자가 발전으로 작동함을 목표로 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 전선 위에 조류가 안착함으로 인해 배설물로 인한 부식이 발생할 수 있고, 도로의 오염 및 전선이 끊어지는 등의 전기사고로 이어질 가능성이 있다. 
◇ 본 개발 과제의 목표는 조류의 학습으로 인해 실효를 거두기 어려운 종래의 조류의 천적 모형을 만들거나 기계적 장치를 이용하여 조류를 퇴치하는 방식의 기술들과는 달리 전선 위를 이동하는 방식의 장치를 개발하는 것이다. 
◇ 본 개발 과제는 진동 센서와 모션 감지 센서를 사용하여 까마귀가 전선 위에 앉는 것을 인식하고, 태양광 패널을 이용한 에너지 생산을 통해 까마귀가 전선에 앉는 것을 방지하여 전선의 끊어짐 및 배설물로 인한 부식 등에 대한 사고를 방지하는 장치의 개발을 목표로 한다. 본 과제를 통해 개발하고자 하는 장치는 종래의 까마귀 퇴치법과 달리 전선의 진동과 까마귀의 움직음을 감지하고 전선 위를 직접 제품이 이동함으로써 효과적으로 까마귀를 퇴치하여 큰 효과를 기대할 수 있다.

한계점:한 지점에 고정되어 있으므로 효과가 미치지 않는 영역의 조류를 퇴치하는데는 효과가 떨어지며 운용을 위해서는 단위면적 당 많은 제품을 설치해야한다.

특허 전략

◇ 진동 센서와 모션감지 센서 이용
기존의 모델들과 달리, 진동 센서와 모션감지 센서를 이용해서 전선에 까마귀가 앉는 것을 인지하고 필요시에만 운용하도록 하여 전력 에너지를 효율적으로 사용할 수 있으며 전선 상에서의 이동하는 시간을 최소화하여 전선의 마모 또한 최소화 할 수 있다. 까마귀가 앉음으로써 발생하는 배전선의 흔들림을 진동 센서가 감지하며, 이를 모션감지 센서를 통해 이중으로 확인함으로써 바람 등에 의한 오작동을 방지한다.

◇ 전선 상에서의 직접적인 이동 및 태양광 모듈의 사용
기존의 모델을 분석해보았을 때 대부분 고정형 제품이다. 본 개발은 제품이 직접적으로 전선 위를 운행하며 효과적으로 까마귀를 퇴치할 수 있고, 태양광 모듈을 통해 장치 내부의 배터리를 충전함으로써 친환경적이며 배터리를 교체할 때 발생하는 유지, 보수의 번거로움을 방지한다.

◇ 전선 위에서 원활한 이동을 위한 격자 무늬 알루미늄 바퀴
 기존의 모델/특허와 달리 직접적인 이동이 필요한 본 발명품은 전선 위에서 원활하게 이동하는 것이 필수적인 기술 요소이다. 바퀴의 무게를 줄이기 위해서 알루미늄 소재를 사용하고, 전선과 맞닿는 부분을 격자 무늬로 세밀한 패턴을 만들어 전선에서 효율적으로 이동할 수 있도록 한다.

◇ 강풍 시에도 안정적인 구조의 적용
바퀴와 외장재 하단 사이의 거리가 10mm로 설계하였고, 그 사이에 추가적인 받침대를 사용하여 탈선을 방지 할 수 있도록 하였다. 이와 같은 구조를 통해 강풍 시, 장치가 전선 상에서 뒤집어지더라도 탈선의 문제를 방지 할 수 있으며 안정적인 운용이 가능하도록 한다.

◇ 전선위에서의 발명품의 간편한 설치
본 발명품의 기둥은 볼트와 너트를 이용하는 조립식 구조를 가짐으로써, 상기 받침대를 삽입 및 탈착하여 빠른 시간내에 전선 상에 설치 및 철거가 가능하다.

기술 로드맵

사람들은 먼 옛날 까마귀와 같은 새를 쫓기 위하여 허수아비를 이용했다. 그러나 그 효과는 미비했고 전선 위의 까마귀를 쫓기 위해 현재는 초록빛 레이저를 이용하고 있다. 그러나 초록빛 레이저는 사람이 계속해서 까마귀를 찾아다니며 쫓아야 한다는 단점이 있고 이조차 일시적이어서 까마귀가 다시 돌아올 수 있다. 이를 해결하기 위해 전선 위에서 지속적으로, 또한 윤리적인 방법으로 까마귀를 쫓는 장치를 개발하고자 한다.

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

마케팅 전략 제시

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 본 제품은 전선 위를 직접 운행하며 효과적으로 까마귀 떼를 제거하여, 까마귀 떼의 배설물로 인해 발생하는 행인 및 주정차된 차들이 입는 피해를 방지한다.

◇ 본 제품은 간단한 구조와 값싼 재료비로 기존에 설치되어 있는 배전선에 위치하도록 하여 추가적인 인프라 구축이 필요 없다.

◇ 본 제품은 차후 자기장을 이용하는 고효율 에너지 하베스팅 소자의 상용화가 이루어진다면 유도 전자기장을 이용하여 더욱 효율적인 자가 발전 및 운용이 가능하다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 한전은 조류에 의해 발생하는 정전사고의 대부분이 까치와 까마귀에 의한 것으로 확인되고 있음에 따라 피해 방지단을 구성하고 거제시 환경과로부터 허가를 득해 포획작업을 실시하고 있다. 포획된 까치와 까마귀는 마리당 6000원의 포상금이 주어진다. 이와 같이 전봇대 상의 까마귀 까치는 주변 주민들을 불편하게 함과 동시에 전선을 망가뜨려 위험한 정전사고 등을 일으키는 주범이기 때문에, 본 제품이 전국적으로 상용화 된다면 주민민원 감소 및 정전사고 예방에 큰 도움이 될 것이다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 김두홍: 아이디어 구체화 및 설계 서류 작성 및 전체적인 흐름 조율
◇ 김주성: 데이터 수집 및 보고서 작성
◇ 박승재: 설계 디자인 담당 및 구조 구체화
◇ 서성민: 회로 설계 및 센서 성능 실험
◇ 장유하: 아이디어 구체화 및 데이터 분석

설계

설계사양

제품의 요구사항

제품의 평가내용

◇ QFD

아래 그림은 QFD(Quality Function Deployment)를 이용하여 설계 사양을 객관적으로 평가한 것이다. 기술적인 중요도는 까마귀 떼의 전선 앉음에 센서가 반응하는지와, 장치의 이동이 전선의 마모를 발생시키지 않는지가 각각 9점, 12점으로 기술적 우선순위에 고려되어야 한다고 판단되었다. 또한, 고객 요구사항 중요도로서는 장치의 유지, 보수, 관리가 편리한지와 까마귀가 실제로 퇴치되는지가 각 18점, 15점으로 높게 나왔다. 기존 전력공급시스템에 피해를 주지 않는 것 역시 12점으로 높게 나왔다고 판단된다.

설계 사양

◇ 진동센서에 의해 전선상의 까마귀에 의한 진동을 감지되어야 한다.

◇ 본체 좌우에 위치한 PIR 모션센서에 의해 까마귀의 움직임이 감지되어야 한다.

◇ 적외선센서에 의해 양측 전봇대가 감지되어야 한다.(충돌방지, 약 33cm 감지거리)

◇ 배전선로 상에서 바퀴가 굴러가기 위해서 모터는 충분한 토크 값이 필요하다.(Gear ratio 20:1 이상)

◇ 본 발명품이 항상 배전선로의 중앙에 위치하도록 관련된 코드가 입력되어야 한다.(W-time;1초마다 갱신되어 적외선센서가 전봇대를 감지할 때까지의 시간을 계산한다. 이후, 해당시간만큼 중앙을 향해 후진)

개념설계안

◇ 상기 설계의 외형은 각종 모듈 및 솔라 패널이 자리 잡을 하부 판과 이에 연결되는 4개의 기둥, 2개의 바퀴가 설치 되고, 내부는 모터, PIR 모션 센서 진동 센서, 적외선 센서, 솔라 패널, 리튬 이온 이차 전지로 구성되어 있다. 모터는 외부 습기와의 접촉을 방지하기 위해, 기둥 안에 고정된 형태로 존재하며, 작동 시 고정된 축에 힘을 전달하여 바퀴를 회전시킨다. 솔라 패널는 빛을 받기위해 외부에 노출되어 있지만, 틈새가 없도록 마감처리가 되어있다. 하부 판 내부는 아두이노 보드와 센서들이 자리 잡고 있으며, 적외선 센서와 PIR 모션 센서는 전후로 두 개가 노출되어 작동한다. 알루미늄 바퀴는 전선위에서 적절한 마찰력을 가지고 회전 하기 위하여 격자 무늬의 패턴으로 설계하였으며 무늬는 아래 사진과 같다.

◇ 위 사진은 최종 프로토 타입 설계안으로 176*176*183.88의 부피를 가지는 형태이다. 전선상에서 탈부착의 용이함과 탈선을 방지하기 위해 4개의 기둥 중, 2개의 기둥에 탈부착이 가능한 조립식 부품으로 설계하였고 최상단부는 태양광 패널이 장착될 수 있도록 크기를 맞추어 설계하였다.

◇ 본 3D도면은 발명품 본체이다. (100) 상단부에는 2개의 솔라 패널과 2개의 PIR센서를 포함하고 있다. (200)은 모터를 지탱해주는 4개의 기둥으로서, 2개의 모터당 하나의 알루미늄 바퀴가 장착된다. (300)은 탈선방지 조립식 부품으로서, 바퀴로부터 전선이 탈선되지 않도록 해준다. (400)은 회로와 2차전지 그리고 2개의 적외선 센서를 포함하고 있다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 전선과 바퀴의 마찰계수 : 기대 하중에 대한 마찰력 계산
 바퀴가 전선 위에서 회전하지 않고 미끄러진다면, 안정적인 운행이 어렵고 전선을 마모시켜 예상치 못한 피해를 줄 수 있으며, 바퀴가 완경사를 따라 오르지 못한다면 제품의 실행이 제한된다. 따라서 전선의 소재(고무 또는 합성수지)와 바퀴에 부착할 소재(고무 또는 마찰력이 큰 물질)간의 정지 마찰력을 계산할 필요가 있다.

- 일반적인 평탄면에서의 고무의 마찰계수(μ) = 0.7 ~ 1.0
- 고무-고무 계면에서의 마찰계수(μ) = 1.15
- 따라서, 알루미늄 바퀴와 전선이 맞닿는 부분에 고무로 처리를 하고 전선 피복을 고무라 가정, 제작하는 장치의 무게가 1800g 이므로 전선 위에서 위 발명품의 최대 정지 마찰력을 계산하면, Fs = μs*N = (1.15)(1.8kg)(9.8m/s²) =20.3kg*m/s² 의 
  값이다. 또한, 까마귀 떼가 전선에 앉아 30° 기울어졌다고 가정하면, 이때의 정지 마찰력 Fs= (1.15)(1.8kg)(9.8m/s²)cos30°=17.6kg*m/s² 이고, 이는 운동 마찰력보다 작은 값을 가지므로 바퀴가 전선 위에서 미끄러지지 않고 정지 상태를 유지하 
  거나 혹은 바퀴에 의한 회전으로 운행할 수 있다.

◇ 발명품의 태양광 발전으로 구동 가능한 모터 및 생산 전력 평가

<솔라 판넬의 제품 개요도>

- 우리나라 전국 평균 일조량은 기상청에 의하면 3.6 시간이다.

- 부하 소비 전력은 하루 중 1시간 동안 연속 동작한다는 가정하에 아래와 같이 구하였다.

- 손실계수 = 파워 컨디셔너의 변환 효율 (5%) * 온도에 의한 영향 (5%) * 기타 손실 (5%)로 구할 수 있다.

그러나 시스템 출력 계수라고하는 것은 계절과 지역에 따라 차이가 있기 때문에 연중 손실 계수는 “0.85”가 사용되는 것이 일반적이다.

 (1) 진동 센서 = 2.4mWh  
 (2) 적외선 센서 = 500*2 = 1,000mWh  
 (3) DC 감속기어모터 2개 + 모터드라이버 = 10,000mWh
 (4) 릴레이 모듈 = 350mWh
 (5) 총 사용 전력량 = 11.4Wh

- 1일 실제 발전량 : 0.935W(최대 출력) * 0.85(손실계수) * 3.6(h/day) = 2.861Wh/day - 충전에 필요한 발전량 : 3.5Ah * 충전전압(4.2V) = 14.7Wh - 충전에 필요한 일수 : 14.7 (Wh) / 2.914 (Wh/day) = 5.04일 - 사용 가능한 배터리의 전력량 : 3.5Ah * 3.6V = 12.6Wh - 즉, 위 계산에 따르면, 하루 총 부하 전력이 배터리 전력량에 비해 적기에, 효율적인 운행이 가능하다

상세설계 내용

조립도

   <정면도>

   <전체적인 구조>

부품도

   <부품도1>

   <부품도2>

조립순서

1. 전선 위에서 회전할 바퀴와 DC감속기어 모터를 연결해준다.
2. 외장재 하부에 회로 및 아두이노 센서를 설치 한 후, 덮개를 나사를 통해 연결하여 고정시켜준다.
3. 모터가 장착될 기둥은 받침대로 받쳐진다. 받침대를 기둥과 고정시키고 보조 모터를 기둥에 고정시킨 후 바퀴와 연결시켜준다.
4. DC모터 선을 기둥 내 공간으로 빼내어 하단의 아두이노에 연결하고 기둥과 하부를 나사를 통해 고정시켜 준다.
5. 태양광 패널의 선과 PIR 모션 센서를 외장재 상부에 장착시킨다.
6. 외장재 상부의 태양광 패널과 PIR 모션 센서를 하부의 회로와 연결시킨 후, 천장을 고정시킨다.

제어부 및 회로설계

                                                                                                     <회로도>

소프트웨어 설계

                      <작동 알고리즘>

<아두이노 센서에 사용한 코드>

자재소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

◇ 프로토타입 제작 후, 전선이 들어가는 바퀴홈과 하단부의 거리가 충분히 좁기 때문에 강풍의 상황에서도 전선에서의 탈선 문제가 없음을 확인하였다. 또한 무게중심을 하단부에 좌우로 균일하게 배치하여 전선상에서 안정적인 운용이 가능한 것을 확인하였다.

◇ 무게중심이 프로토타입의 아래에 있기 때문에, 조류가 발명품 위에 착지하더라도, 발명품이 잠시 기울어졌다가 오뚜기처럼 원상태로 복구되는 것을 확인하였다.

◇ 모션감지센서가 6m 이상 감지, 적외선 센서가 약 30cm정도를 감지하여 전선 상의 넓은 범위에서 조류 착지를 방지 할 수 있고, 회로도의 Delay time을 고려하여 적외선 센서가 적절할 때 동작하도록 함으로써 전신주(전봇대)에 충돌을 방지하도록 하였다.

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

◇ 천장부를 장착하기 전, 감속기어드모터와 알루미늄 바퀴가 결합 된 모습

◇ 태양광 패널을 연결 후, 천장부 장착 및 전선에 설치하였을 때 모습

◇ 예상 실제 구동 모습

포스터

완료작품의 평가

향후계획

◇ 진동 센서와 모션 감지 센서를 이용해 까마귀의 전선 앉음을 감지할 수 있게 설계하였다. 전후 2개의 모션 감지 센서를 통해 약 12m 이상의 넓은 거리를 탐지할 수 있고, 적외선 센서를 통해 전신주에 충돌하는 것을 방지하여 안정적인 운용이 가능하다. 별도의 관리 및 유지보수가 필요 없기 때문에 기존에 사람이 쫓아다니면서 직접 퇴치하는 방법에 비해 효율적이다.

◇ 본 제품을 이용하여 까마귀에게 해를 가하지 않는 윤리적인 방법을 통해 전선 밑을 지나는 행인들 및 주차된 차들이 까마귀의 배설물로 인해 피해를 입는 것을 방지할 수 있다.

특허 출원 내용

내용

SAS

목차