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문제 정의
- 따라서 본 실험은 식물공장과 같은 폐쇄형 생산시스템에서 태양광을 활용하여 작물을 생산하고자 할 때 태양광을 집광할 수 있는 기술과 가시광선의 파장대역을 선택적으로 분리하는 기술, 광섬유를 활용한 채광효율 상승 기술을 개발하고자 하였다.
- 본 실험은 폐쇄형식물공장과 같이 자연광을 이용할 수 없는 시설에서 작물을 생산하는 기술을 개발하기 위해 태양광을 집광하고 전송하는 광공급시스템을 개발하고자 실시하였다. 집광을 위하여 비구면 볼록렌즈 형태로 제작하였고, 광 효율을 높이기 위하여 광원 추적 액추에이터를 설치하여 일출부터 일몰까지 집광을 많이 할 수 있도록 설계되었다.
제안 방법
- 자연광 파장 대역별 분리 실험장치는 광학 분리장치와 암실 프레임으로 구성하였다. 광학 분리장치의 필터부는 외부 자연광을 실내로 전송하는 역할을 하는 광섬유(optical fiber)의 고정부, 광학필터의 고정 역할을 하는 교체형 광학필터 고정부, 자연광을 청색, 적색, 녹색 파장 및 근적외선 제거 파장영역을 선택적으로 분리하는 필터부로 나누어서 실험하였다(Fig. 5). 필터는 THORLABS사의 렌즈(Thorlabs Inc.
- 광섬유는 실리카소재로 된 코어와 저굴절 레진 소재의 클래드 및 버퍼로 구성된 SOF (Silica Optical Fiber) 7가닥을 1개의 번들로 구성하였다. 대구경 단일모드 광섬유로 감쇄율이 0.2 - 2.5 dB/km로 낮고, 균일한 광학특성을 손실을 줄이면서 장거리 전송이 가능하며 인장력이 좋은 재질로 만들었다.
- 렌즈는 450 nm, 550 ± 8 nm, 650 ± 8 nm, 750 nm 를 서로 교체할 수 있도록 제작하였다. 분광측정 및 방법은 분광 분석기(ASD Inc, FieldSpec4)를 사용하였고 (Table 1), 렌즈와 동일한 파장대역별로 측정하였다. 파장 대역별 광학필터를 교체하면서 스펙트럼을 분석한 결 과, 청색(420 - 480 nm), 녹색(520 - 580 nm), 적색(630 - 690 nm) 및 근적외선 제거(360 - 750 nm)가 파장대역별로 선택적 분리가 되는 것을 확인할 수 있었다 (Fig.
- 전면부는 시험시 개폐가 가능하도록 도어 형태로 제작하였고, 암실 프레임은 상부에는 광섬유의 인입이 가능하도록 홀을 뚫었으며 좌측 면에는 시험기기의 케이블이 인입되도록 제작하였다. 암실 프레임 상단에 각 광학필터를 고정시켜서 필요에 따라 교체가 용이하도록 제작하였다.
- 자연광 파장 대역별 분리 실험장치는 광학 분리장치와 암실 프레임으로 구성하였다. 광학 분리장치의 필터부는 외부 자연광을 실내로 전송하는 역할을 하는 광섬유(optical fiber)의 고정부, 광학필터의 고정 역할을 하는 교체형 광학필터 고정부, 자연광을 청색, 적색, 녹색 파장 및 근적외선 제거 파장영역을 선택적으로 분리하는 필터부로 나누어서 실험하였다(Fig.
- 2). 전면부는 시험시 개폐가 가능하도록 도어 형태로 제작하였고, 암실 프레임은 상부에는 광섬유의 인입이 가능하도록 홀을 뚫었으며 좌측 면에는 시험기기의 케이블이 인입되도록 제작하였다. 암실 프레임 상단에 각 광학필터를 고정시켜서 필요에 따라 교체가 용이하도록 제작하였다.
- 4). 집광렌즈는 프레넬필름(Jeong et al., 2017), 파라볼릭 반사경(Lee etal., 2013) 등 연구가 되어 있지만 본 연구에서는 비구면 볼록렌즈 형태로 제작하여 집광 및 도광 효율을 높이도록 하였으며 광센서는 일출부터 일몰까지 광을 감지하여 반응하도록 하였다. 태양광 추적장치는 동일한 시간대에 가장 많은 양의 태양광을 집광할 수 있는 광센서 방식을 사용하였다(Jeong et al.
- 본 실험은 폐쇄형식물공장과 같이 자연광을 이용할 수 없는 시설에서 작물을 생산하는 기술을 개발하기 위해 태양광을 집광하고 전송하는 광공급시스템을 개발하고자 실시하였다. 집광을 위하여 비구면 볼록렌즈 형태로 제작하였고, 광 효율을 높이기 위하여 광원 추적 액추에이터를 설치하여 일출부터 일몰까지 집광을 많이 할 수 있도록 설계되었다. 광섬유는 시공성이 다소 떨어지지만 전송율이 우수한 유리 광섬유로 제작하였다.
- 자연광 추적형 집광 시스템은 차세대 스마트팜 광공급 시스템 장치 개발을 위한 핵심장치로 광센서에 의해 태양을 추적하고, 볼록렌즈를 통해 태양광을 집광한다. 집광을 위해 집광렌즈, 광센서, 광원 추적 액추에이터 및 광섬유 등으로 시스템을 구성하였다(Fig. 4). 집광렌즈는 프레넬필름(Jeong et al.
- 집광장치는 자연광 추적형 집광 시스템으로 설계(Fig. 1)하였으며 차세대 스마트팜 광공급 시스템 장치 개발을 위한 핵심장치로 광센서에 의해 자연광을 추적하고, 비구면 볼록렌즈를 통해 집광하고 광섬유(optical fiber)로 전송이 가능하게 설계하였다.
- 파장대역별 분리여부를 확인하기 위해서 암실 프레임을 별도로 제작하였다. 암실 프레임의 크기는 1,000 mm(L) × 600 mm(W) × 600 mm(H) 이고, 흑색으로 착색된 알루미늄 프로파일을 사용하여 바닥면 및 6면을 흑색으로 제작하였다(Fig.
대상 데이터
- 집광을 위하여 비구면 볼록렌즈 형태로 제작하였고, 광 효율을 높이기 위하여 광원 추적 액추에이터를 설치하여 일출부터 일몰까지 집광을 많이 할 수 있도록 설계되었다. 광섬유는 시공성이 다소 떨어지지만 전송율이 우수한 유리 광섬유로 제작하였다. 집광된 광이 전송 fiber를 통해 암실 프레임이 들어 왔을 때 거리별로 광도를 pyranometer 센서로 측정한 결과는 가장 근접한 5 cm 거리에서 측정한 값은 태양광보다 114% 정도 높게 들어오는 것을 확인하였고, 10 cm 거리에서는 61% 정도로 태양광보다 낮았지만 본 장치는 자연광을 집광하여 광 fiber를 통해 15 cm 정도까지는 22% 이상 들어오는 것을 확인할 수 있었다.
- 본 실험에서는 광섬유 방식을 사용하였는데, 태양광이 집광된 후 필요로 하는 광 영역을 분리시키고, 광섬유(optical fiber)를 통해서 암실 프레임으로 전송하는 방식이다. 광섬유는 시공성이 다소 떨어지지만 전송율이 좋은 유리 광섬유와 시공성이 우수하지만 유리에 비해 전송율이 약간 떨어지는 플라스틱 광섬유가 있는데 본 실험에서 GOF (Whilkorea, WDG 1500)로 제작하였다. 광섬유는 실리카소재로 된 코어와 저굴절 레진 소재의 클래드 및 버퍼로 구성된 SOF (Silica Optical Fiber) 7가닥을 1개의 번들로 구성하였다.
- 광섬유는 시공성이 다소 떨어지지만 전송율이 좋은 유리 광섬유와 시공성이 우수하지만 유리에 비해 전송율이 약간 떨어지는 플라스틱 광섬유가 있는데 본 실험에서 GOF (Whilkorea, WDG 1500)로 제작하였다. 광섬유는 실리카소재로 된 코어와 저굴절 레진 소재의 클래드 및 버퍼로 구성된 SOF (Silica Optical Fiber) 7가닥을 1개의 번들로 구성하였다. 대구경 단일모드 광섬유로 감쇄율이 0.
- 렌즈는 450 nm, 550 ± 8 nm, 650 ± 8 nm, 750 nm 를 서로 교체할 수 있도록 제작하였다.
- 암실 프레임의 크기는 1,000 mm(L) × 600 mm(W) × 600 mm(H) 이고, 흑색으로 착색된 알루미늄 프로파일을 사용하여 바닥면 및 6면을 흑색으로 제작하였다(Fig. 2).
이론/모형
- , 2013) 등 연구가 되어 있지만 본 연구에서는 비구면 볼록렌즈 형태로 제작하여 집광 및 도광 효율을 높이도록 하였으며 광센서는 일출부터 일몰까지 광을 감지하여 반응하도록 하였다. 태양광 추적장치는 동일한 시간대에 가장 많은 양의 태양광을 집광할 수 있는 광센서 방식을 사용하였다(Jeong et al., 2017).
성능/효과
- 7과 같다. Quantum 센서로 측정한 결과, 가장 근접한 5 cm 거리의 경우 야외의 조도가 1,415 lx 일 때 광 fiver를 통해 전송된 광도는 1,849 lx로 최대 130% 정도로 높았으나 평균값은 92% 정도이었다. 또한 10 cm 거리에서 평균값은 36% 정도로 태양광보다 많이 낮았으며 15 cm와 20 cm 거리에서는 13% 정도로 낮아졌고, 25 cm 거리에서는 10% 정도이었다.
- 30 cm 거리에서는 6% 정도로 광이 거의 들어오지 않았다. 또한 pyranometer 센서로 측정한 결과는 가장 근접한 5 cm 거리의 경우, 야외의 조도가 969 lx일 때 광 fiver를 통해 전송된 광도는 1,350 lx로 최대값은 139% 정도이었고, 평균값은 114% 정도이었다. 그러나 10 cm 거리에서 평균값은 61% 정도로 태양광보다 많이 낮았으며 15 cm 거리에서는 더 낮아져 22% 정도이었고, 20 cm 거리에서는 9% 정도이었다.
- 광섬유는 시공성이 다소 떨어지지만 전송율이 우수한 유리 광섬유로 제작하였다. 집광된 광이 전송 fiber를 통해 암실 프레임이 들어 왔을 때 거리별로 광도를 pyranometer 센서로 측정한 결과는 가장 근접한 5 cm 거리에서 측정한 값은 태양광보다 114% 정도 높게 들어오는 것을 확인하였고, 10 cm 거리에서는 61% 정도로 태양광보다 낮았지만 본 장치는 자연광을 집광하여 광 fiber를 통해 15 cm 정도까지는 22% 이상 들어오는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 장치는 광량이 많이 필요하지 않는 엽채류 재배용 폐쇄형 식물공장이나 접목 활착실과 같은 시설에서 인공광을 대신할 수 있고, 아울러 보다 광범위하게 활용을 하기 위해서는 채광효율을 증가시킬 수 있는 새로운 재질의 집광장치와 전송 시스템 개발에 관한 연구가 추후 필요하다.
- 분광측정 및 방법은 분광 분석기(ASD Inc, FieldSpec4)를 사용하였고 (Table 1), 렌즈와 동일한 파장대역별로 측정하였다. 파장 대역별 광학필터를 교체하면서 스펙트럼을 분석한 결 과, 청색(420 - 480 nm), 녹색(520 - 580 nm), 적색(630 - 690 nm) 및 근적외선 제거(360 - 750 nm)가 파장대역별로 선택적 분리가 되는 것을 확인할 수 있었다 (Fig. 6). 따라서 본 장치는 파장을 선택적으로 분리하는 장치로 사용할 수 있을 것으로 본다.
후속연구
- 집광된 광이 전송 fiber를 통해 암실 프레임이 들어 왔을 때 거리별로 광도를 pyranometer 센서로 측정한 결과는 가장 근접한 5 cm 거리에서 측정한 값은 태양광보다 114% 정도 높게 들어오는 것을 확인하였고, 10 cm 거리에서는 61% 정도로 태양광보다 낮았지만 본 장치는 자연광을 집광하여 광 fiber를 통해 15 cm 정도까지는 22% 이상 들어오는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 장치는 광량이 많이 필요하지 않는 엽채류 재배용 폐쇄형 식물공장이나 접목 활착실과 같은 시설에서 인공광을 대신할 수 있고, 아울러 보다 광범위하게 활용을 하기 위해서는 채광효율을 증가시킬 수 있는 새로운 재질의 집광장치와 전송 시스템 개발에 관한 연구가 추후 필요하다.
- 6). 따라서 본 장치는 파장을 선택적으로 분리하는 장치로 사용할 수 있을 것으로 본다.
- 이것은 본 장치가 자연광을 집광하여 광 fiber를 통해 15 cm정도까지는 효율이 22% 이상으로 신재생에너지 설비 심사세부기준-태양광집광 채광기 기준(KEMC, 2007) 을 만족시키는 것을 확인시켰다. 따라서 본 장치는 폐쇄형 식물공장이나 접목 활착실 같은 시설에서 화석연료를 사용하는 인공광을 대신하여 많은 광량이 필요하지 않은 엽채류 재배나 육묘시에 활용이 가능하다. 아울러 보다 더 많은 활용을 위해서는 채광 효율을 증가시킬 수 있는 새로운 재질의 집광장치와 전송 시스템 개발에 관한 연구가 추후 필요하다.
- 따라서 본 장치는 폐쇄형 식물공장이나 접목 활착실 같은 시설에서 화석연료를 사용하는 인공광을 대신하여 많은 광량이 필요하지 않은 엽채류 재배나 육묘시에 활용이 가능하다. 아울러 보다 더 많은 활용을 위해서는 채광 효율을 증가시킬 수 있는 새로운 재질의 집광장치와 전송 시스템 개발에 관한 연구가 추후 필요하다.
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