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
내용
- 특허조사 및 특허 전략 분석
내용
- 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
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
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
제품의 요구사항
내용
설계 사양
내용
개념설계안
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
내용
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
내용
관련사업비 내역서
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완료작품의 평가
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향후계획
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특허 출원 내용
내용
