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문제 정의
- 또한 그 성능을 평가하고 이를 식물재배 장치에 적용한 결과를 기술하였다. 포물반사경을 사용하는 경우, 집광 효율 및 빛의 강도면에서 프레넬 렌즈 방식보다 비교우위의 장점이 있는 반면 포물 반사경의 제작 상 어려움과 그로 인한 비용 증대의 단점이 있으며 유지보수가 비교적 용이하지 않다는 특징을 갖고 있다.
- 프레넬 렌즈는 작고 좁은 원형의 돌기들로 이루어져 있으며 각각의 돌기들은 모두가 빛을 굴절시키는 프리즘 형태의 개별 렌즈들이라고 할 수 있다. 본 논문에서는 포물 반사경의 높은 제작 비용 및 과 중량으로 인한 문제를 해결 할 수 있는 경량의 프레넬 렌즈를 이용한 집광 시스템을제직하였다. 정육면체 형태의 500 X 500 X 500 mm 의 사각 프레임을 이용하여 플라스틱 판형태의 300 X 300 mm의 프레넬 렌즈를 고정하였다 프레넬 렌즈를 통해 한 점으로 모여진 태양광은 열 문제를 해결하기 위해서 광섬유 다발로 입력되기 전에 평오목 (plano-concave) 렌즈를 통과하게 함으로써 한 점으로 모였던 빛을 직경이 굵은 평행 광으로 변환시켰다.
- 위와 같은 태양광-LED 하이브리드 조명 기반의 식물공장의 구현 가능성을 타진하기 위하여 본 연구에서는 실제 식물공장 내에서 적용하고 있는 식물 재배 판을 제작하였다(그림 13). 식물 재배판의 상단에는 형광등과 특수 제작한 다양한 종류의 렌즈가 배치된 태양광 조명모듈을 장착하였다.
제안 방법
- 광섬유 다발(bundle)에 들어가는 광섬유의 개수는 빛의 전달 효율 특성을 측정 및 분석하여 총 54가닥으로 제작하였다. 또한 집광용 유리 광섬유를 통해 전달된 빛은 특수 제작된 결합 어셈블리에 의해 플라스틱 광섬유로 전달되어 빛을 전송하도록 함으로써 집광 효율은 최대로 하면서 가격적인 요소를 낮추었다.
- 또한 광섬유 다발을 금속 물질(알루미늄)로 감싸 열 방출이 원활하게 이루어지게 하였다. 그 결과 자외선 및 적외선 필터를 필요로 하지 않고도 집광 된 고온의 태양광을 방열할 수 있는 새로운 열 방출 구조의 태양광 집광 장치를 설계하였다. 그림 3은 구면경 형태의 2차 반사경에서 빛이 반사되어서 평행 광으로 광섬유 다.
- 식물 재배 판의 광원 역할을 하게 하였다. 또한 다수의 태양광 집광 장치를 설치하여 모든 재배판에 충분한 양의 태양광이 공급되도록 하였다. 식물공장의 옥상에 태양전지를 설치하여 낮 시간 동안 전기에너지를 생산하고 이를 축전지에 저장한 후, 저녁때 태양이 진후 LED 조명을 위한 전기에너지원으로 활용하는 방식이다.
- 효과가 발생 하도록 하였다. 또한 조명 장치에 렌즈를 고정시키기 위한 모듈을 제작하였다. 그림 9는 실제 제작 장치를 통해 집광 된 빛이 산란되는 모습(a)과 설계 및 제작된 다양한 종류의 렌즈(b), 그리고 산란 장치인 렌즈를 고정하는 조명 모듈(c)을 나타낸다.
- 제작하였다. 또한 집광용 유리 광섬유를 통해 전달된 빛은 특수 제작된 결합 어셈블리에 의해 플라스틱 광섬유로 전달되어 빛을 전송하도록 함으로써 집광 효율은 최대로 하면서 가격적인 요소를 낮추었다. 그림 8은 전송 부에 대한 개략도(a)와 플라스틱 광섬유 다발 간을 연결하는 연결자也) 및 광섬유 다발을 감싸는 금속 재질, 즉 결합 어셈블리 내부에서 유리 광섬유 다발과 플라스틱 광섬유 다발을 연결할 때 사용하는결합자에 관한 것(C)이다.
- 사용된다. 본 논문도 이러한 두 가지 방식을 이용한 집광장치를 각각 제작하였다.
- 본 논문에서는 포물반사경 및 프레넬 렌즈를 사용하는 집광 장치, 집광된 빛을 광섬유 다발을 통해 전송하는 전송장치, 및 전송된 빛을 다양한 형태의 산란 장치를 통해 빛을 발광하는 발광장치를 제작하였다. 또한 그 성능을 평가하고 이를 식물재배 장치에 적용한 결과를 기술하였다.
- 또한 태양광추적 장치는 태양 추적 신호의 방식에 따라 프로그램 방식, 센서 방식, 프로그램-센서복합 방식으로 나누어진다. 우리가 사용한 방식은 센서 방식으로 그림 6과같이 태양의 위치를 찾기 위해 그림자 막대를 세우고 주변에 다수의 광감지 센서를 설치하여 태양을 정밀하게 추적하였다. 각각의 광감지 센서는 태양으로부터 온 태양광의 조도를 감지한다.
- 또한 100% 인공광원에서 자란 채소에 대한 소비자들의 우려도 고려할 필요가 있다. 우리는 이러한 문제들을 완화하기 위해 기존의 LED 조명만으로 운영되는 식물공장에 자연광인 태양광 채광시스템을 접목함으로써 전력비 용을 감소시키고 100% 인공광원에 대한 거부감을 완화하는 방안을 제시하였다. 태양이 있을 때에는 태양광 집광 장치 및 산란 장치를 이용하여 태양광을 식물에 전달함으로써 전기에너지를 절약하며 친환경적으로 식물을 재배 하였다 태양이 없는 야간, 혹한 및 혹서 환경하에서는 인공조명을 가해 식물 생장을 지속시키는 효과를 얻었다.
- 65mm의 채광용 광섬유 52가닥을 다발bundle) 로묶어 구현하였다圆 집광 된 빛의 전송을 위해서는 유리 광섬유에 비해 손실은 떨어지지만 가격이 훨씬 저렴한 플라스틱 광섬유를 사용하였다. 유리 광섬유와 플라스틱 광섬유의 결합을 위해 특수 제작한 결합 장치(연결자)를 사용하였으며 두 종류의 광섬유 사이에는 굴절률 결합 젤(index matching gel)을 발라 광섬유 사이에서 발생할 수 있는 약 8%의 전달 손실을 제거하였다
- 이렇게 제작한 집광 시스템에 태양광 추적 장치 〔이를장착하였으며 전등형식으로 설계한 산란 장치를 식물 재배 판에 부착하여 세계적으로 이슈가 되고 있는 식물공장 시스템의 인공광 웬'이에 응용하였다 본 논문의 구성은 제 II 장에서 태양광 집광장치의 세부적인 구성에 대하여 소개하고 제 m장에서는 실제 식물공장 시스템에 응용방안에 대해 제시하고, 제 Ⅳ.장에서결론을 맺는다.
- 이에 우리는 1차 반사경에서 반사된 빛을 직경 10cm 가량의 2차 반사경을 이용하여 재반사, 광섬유의 개구수 한계를 극복함으로써 직경이 큰 포물경을제작 가능하게 하였다. 그로 인해 1차 반사경만을 사용했을 때보다 더 많은 양의 태양광을 집광하여 집광 효율을 극대화 하였다.
- 본 논문에서는 포물 반사경의 높은 제작 비용 및 과 중량으로 인한 문제를 해결 할 수 있는 경량의 프레넬 렌즈를 이용한 집광 시스템을제직하였다. 정육면체 형태의 500 X 500 X 500 mm 의 사각 프레임을 이용하여 플라스틱 판형태의 300 X 300 mm의 프레넬 렌즈를 고정하였다 프레넬 렌즈를 통해 한 점으로 모여진 태양광은 열 문제를 해결하기 위해서 광섬유 다발로 입력되기 전에 평오목 (plano-concave) 렌즈를 통과하게 함으로써 한 점으로 모였던 빛을 직경이 굵은 평행 광으로 변환시켰다. 이렇게 평행광으로 변환된 빛을 광섬유 다발로 들어가게 함으로써 열 발생 문제를 해결하였다.
- 이에 적외선 및 자외선을 차단시키는 필터를 사용하여 열 문제를 해결하는 방법이 사용되어왔다. 하지만 가격이 비싸며 단기적인 효과만 있을 뿐 결국은 열로 인해 필터의 코팅 부분이 노화되는 단점이 있다的 본 논문에서 반사경 및 프레넬 렌즈를 사용하는 집광 방식에 적용한 열문제 해결방안은 다음과 같다. 포물 반사경을 사용하는 경우에는 기존의 평면경 혹은 타 원경을 2차 반사경으로 적용한 경우廊μ]와는 달리 구면경을 장착하였다.
- 실제로도 이러한 고열 문제를 해결하기 위하여 태양광의 스펙트럼 상 고열 발생에 가장 큰 영향을 미치는 적외선 및 자외선을 반사시키는 필터를 이용하는 방법이 이용되어 왔다. 하지만 추가 비용이 발생하며 단기적으로 효과가 있을 뿐 열로 인한 필터의 코팅 부분의 노화를 막을' 순 이러한 문제를 해결하기 위해본 연구에서는 2차 반사경 방향으로 입사되는 빛을평행광으로 반사시키는 구면경의 특성을 이용하여 열전도율이 높은 반사경을 구면경으로 설계하였다. 또한 광섬유 다발을 금속 물질(알루미늄)로 감싸 열 방출이 원활하게 이루어지게 하였다.
- 집광된 빛을 좀 더 효율적으로 산란시키기 위해 우리는 다양한 종류의 산란용 렌즈를 적용하여 빛을 산란시킴으로써 최대의. 효과가 발생 하도록 하였다. 또한 조명 장치에 렌즈를 고정시키기 위한 모듈을 제작하였다.
대상 데이터
- 또한 식물 재배 판을 검은색의 부직포로 감싸 빛이 들어오는 것을 차단하였다. 그리하여 태양광 집광 장치를 통해 들어온 빛이 주변의 빛에 영향을 받지 않은 환경을 구현하였으며 실제 식물공장에서 재배되고 있는 상추를 재배 하였다. 그림 14는 우리가 제작한 식물 재배판과 실제적으로 식물이 자라고 있는 그림이다.
- 걸쳐 응용되고 있다. 본 연구에서는 이 가운데 최근 세계적으로 이슈가 되고 있는 식물공장 시스템의 핵심기술 가운데 하나인 인공광원 분야에 태양광 채광 시스템을 적용하였다. 식물공장 시스템은 농작물에 대하여 통제된 일정한 시설 내에서 빛 온.
- 본 연구에서는 제작한 채광 시스템을 식물재배 장치에 적용할 목적으로 인공조명과 힘께 혼합조명 (hybrid lighting system) 광원으로 사용하였다. 혼합조명 광원을 이용하여 채소를 재배한 결과, 100% 인공광원만을 사용하여 재배된 채소와 비교해 아무런 손색도 없었다.
- 실제 제작된 Fresnel Lens의 사양은 크기 : 310 x 310mm, 초점거리 : 330mn2]며 2차 반사경의 사양은 지름 : 25mm, 초점거리 25mm의 Piano-cave 형태의 Lens로 제작되었다.
- 집광 부에 사용되는 광섬유는 실리카 재질의 광섬유로서 코어 및 클래드 직경이 각각 1.45mm 및 1.65mm의 채광용 광섬유 52가닥을 다발bundle) 로묶어 구현하였다圆 집광 된 빛의 전송을 위해서는 유리 광섬유에 비해 손실은 떨어지지만 가격이 훨씬 저렴한 플라스틱 광섬유를 사용하였다. 유리 광섬유와 플라스틱 광섬유의 결합을 위해 특수 제작한 결합 장치(연결자)를 사용하였으며 두 종류의 광섬유 사이에는 굴절률 결합 젤(index matching gel)을 발라 광섬유 사이에서 발생할 수 있는 약 8%의 전달 손실을 제거하였다
- 2차 반사경의 위치는 1차 반사경의. 초점이 2차 반사경의 곡률반경의 1/2인 지점인 초점과 동일한 지점에 설치 되어야하며 실제 제작된 2차 반사경의 사양은 지름 = 25.0mm, 초점거리 = -7.75mm, 곡률반경(R) = 15.50mm 이다.
성능/효과
- 이를 위해 CDS 조도 센서가 부착된 LED 인공조명 장치와 본 연구에서 개발한 태양광 채광 시스템을 결합함으로써 태양광의 광량 변화에도 불구하고 항상 일정량의 빛이 식물에 전달되게 하였다. 그 결과 자연광인 태양광에 의한 재배라는 친환경성 부각과 전력소비량 감소의 두 가지 효과를 동시에 달성하였다. 그림 11은 CDS 센서 에 태양광이 들어왔을 때 빛의 세기에 따라 MCU(마이크로 컨트롤러 유닛)에 의해 전압이 컨트롤되어 LED의 조도를 제어하는 시스템의 기본 프로세스 블록도이다.
- 포물 반사경을 사용하는 경우에는 기존의 평면경 혹은 타 원경을 2차 반사경으로 적용한 경우廊μ]와는 달리 구면경을 장착하였다. 그 결과 포물경에서 1차 반사된 태양광을 평행광으로 만들어 다발형 광섬유로 입사시킴으로써 한 점으로 집광 되어 발생하는 열 문제를 구조적으로 해결하였다. 프레넬 렌즈 방식에서는 렌즈를 통해 집광 된 빛을 다발형광섬유로 입사시키기 전에 평오목(Plano-Concave)렌즈를 통과하게 함으로써 평행 광으로 만들어 광섬유에 입사 시키는 방법으로 열 문제를 해결하였다.
- 혼합조명 광원을 이용하여 채소를 재배한 결과, 100% 인공광원만을 사용하여 재배된 채소와 비교해 아무런 손색도 없었다. 또한 태양광을 접목했다는 점에서 인공적인 먹거리를 우려하는 소비자에게 친근하게 다가갈 수 있는 특성이 있음을 파악하였다. 100평 규모의 식물공장에 본연구에서 개발한 태양광 채광 시스템을 적용할 경우, 월 28, 080KWh의 전력 절감효과를 얻을 수 있어 향후 식물공장과 같이 새로운 먹거리 산업을 창출하는 데 있어서 본 태양광 채광시스템이 기여하는 바가 클 것으로 예상한다.
- 실험을 통해서 태양광과 인공광원을 접목 하였을 때 식물이 성장하는데 있어서 큰 문제가 발생하지 알않음을 알 수 있었다. 농업적인 측면에서 식물의 성장 속도나 발육 정도를 정확하게 실험할 수는 없었다.
- 태양이 있을 때에는 태양광 집광 장치 및 산란 장치를 이용하여 태양광을 식물에 전달함으로써 전기에너지를 절약하며 친환경적으로 식물을 재배 하였다 태양이 없는 야간, 혹한 및 혹서 환경하에서는 인공조명을 가해 식물 생장을 지속시키는 효과를 얻었다. 이를 위해 CDS 조도 센서가 부착된 LED 인공조명 장치와 본 연구에서 개발한 태양광 채광 시스템을 결합함으로써 태양광의 광량 변화에도 불구하고 항상 일정량의 빛이 식물에 전달되게 하였다. 그 결과 자연광인 태양광에 의한 재배라는 친환경성 부각과 전력소비량 감소의 두 가지 효과를 동시에 달성하였다.
- 480KWh에 달한다. 태양이 존재하는 오전부터 오후까지 10시간 동안 본 연구에서 제작한 태양광 집광 장치를 사용함으로써 LED 조명을 대치한다면 월 평균 70.2KWh 만큼의 에너지를 절감할 수 있다. 이를 5단의 식물 재배 판으로 구성되는 식물재배 장치 (가로 X세로X높이 : 1400mm x 400mm 乂 2000mm) 80기가 장착될 수 있는 100평 규모의 식물공장에 적용할 경우 월 28, 080KWh의 에너지 절감효과가 있다.
- 혼합조명 광원을 이용하여 채소를 재배한 결과, 100% 인공광원만을 사용하여 재배된 채소와 비교해 아무런 손색도 없었다. 또한 태양광을 접목했다는 점에서 인공적인 먹거리를 우려하는 소비자에게 친근하게 다가갈 수 있는 특성이 있음을 파악하였다.
후속연구
- 또한 태양광을 접목했다는 점에서 인공적인 먹거리를 우려하는 소비자에게 친근하게 다가갈 수 있는 특성이 있음을 파악하였다. 100평 규모의 식물공장에 본연구에서 개발한 태양광 채광 시스템을 적용할 경우, 월 28, 080KWh의 전력 절감효과를 얻을 수 있어 향후 식물공장과 같이 새로운 먹거리 산업을 창출하는 데 있어서 본 태양광 채광시스템이 기여하는 바가 클 것으로 예상한다.
- 즉, 농사용 전기요금 기준으로 월 1, 025, 322원을 절약할 수 있다. 이 정도의 절감이라면 초기 투자비争 1 비록 적지 않으나 본 연구에서 개발한 태양광 채광시스템의 식물공장으로의 적용은 경제적으로도 충분히 타당할 것으로 사료된다.
- 또한 프레넬 렌즈 방식의 경우에는 집광장치가 원천적으로 경량 제작되므로 모듈 단위로 만들 경우, 대용량의 집광 장치도 모듈 단위의 결합을 통해 쉽게 제작할 수 있는 특징이 있다. 이러한 장점으로 인해 향후 태양광 채광시스템은 프레넬 렌즈 방식으로 나아가야 할 것으로 사료된다.
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