가축분뇨 처리시설에 적용 가능한 폐열회수 시스템 성능 분석

임류갑(Ryu Gap Lim),장재경(Jae Kyung Jang),백이(Yee Paek),이태석(Tae Seok Lee) 한국신재생에너지학회 2020 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2020 No.8

50 ㎾ 급 트랙터의 쟁기작업 주변속 기어 강도 분석

김택진(Taek Jin Kim),임류갑(Ryu Gap Lim),최창현(Chang Hyun Choi),김용주(Yong Joo Kim) 대한기계학회 2019 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2019 No.4

작업부하를 고려한 전기구동 트랙터 출력 및 SOC 시뮬레이션

백승윤 ( Seung-yun Baek ),임류갑 ( Ryu-gap Lim ),최창현 ( Chang-hyun Choi ),김용주 ( Yong-joo Kim ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.1

전 세계적으로 배출가스 규제가 강화됨에 따라, 농업기계에서도 친환경기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 특히 트랙터의 친환경 동력전달시스템에 대한 연구가 대두되고 있다. 본 연구는 전기구동 트랙터의 동력전달시스템 개발을 위한 기초연구로써, 시뮬레이션 모델을 이용하여 트랙터의 구동 및 농작업 가능시간에 대해 분석하는 것을 목적으로 수행되었다. 본 연구에서는 필드시험을 통해 측정한 작업 부하를 입력 조건으로 하여 전기구동 트랙터의 시뮬레이션 모델을 구성하였으며, 이를 통해 주요 결과 값인 전기 모터 출력과 시간에 따른 배터리의 SOC Level을 해석하였다. 시뮬레이션 결과, 작업 부하데이터 및 기어비를 적용한 모터의 구동 영역은 선정한 모터의 성능 곡선 영역을 만족하는 것으로 나타났으며, 배터리 SOC Level은 50% ~ 80%의 범위에서 충·방전 됨과 동시에 최소 농작업 가능시간을 만족하였다. 따라서, 전기 구동 트랙터는 기존 엔진 구동 트랙터를 대체 가능할 것으로 판단되며, 향후 전기 구동 트랙터의 실차 시험을 통하여 시뮬레이션 모델 검증에 관한 연구를 수행할 예정이다.

무 수확기의 횡전도각 분석

정연준 ( Yeon-jun Jung ),임류갑 ( Ryu-gap Lim ),최창현 ( Chang-hyun Choi ),김용주 ( Yong-joo Kim ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.1

본 연구는 무 수확기의 농작업시 전도각 분석을 위하여 동역학 프로그램을 이용하여 횡전도 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에 사용된 모델은 크기 3,500(L) x 2,250(W) x 2,000(H) mm인 무 수확기 시제품을 사용하였으며, 시뮬레이션 프로그램으로 펑션베이(FunctionBay)社의 RecurDyn V9R1을 이용하여 수행하였다. 횡전도 시뮬레이션 조건은 지면 경사도 1°부터 90°까지 증가, 주행 방향은 전방을 기준으로 반시계 방향으로 15°씩 360°까지 변화시켰다. 하중은 농업기술실용화재단에서 수행하는 농업기계의 안정성 시험 조건과 동일하게 공차 조건을 입력하였다. 동적마찰 계수는 일반노면-바퀴 조건인 0.8을 입력하였으며 강성 계수는 105, 댐핑 계수는 10으로 입력하였다. 시뮬레이션 종료 시간은 90초로 설정하였으며 전도되는 시점은 바퀴와 지그의 접촉면에서 발생하는 힘이 0 N일 때를 기준으로 하였다. 시뮬레이션 결과 최대 전도각은 주행 방향이 45°일 때 63.27°로 나타났으며, 최저 전도각은 주행 방향이 180°일 때 28.56°로 나타났다. 전도각 30°이상을 적합 조건으로 하고 있는 농업기술실용화재단 실험에는 부적합으로 나타났다. 전도각의 증대를 위하여 시제품 후방에 100 kg의 웨이트를 추가하여 시뮬레이션 재수행한 결과 최대 전도각은 주행 방향이 315°일 때 61.1°로 나타났으며, 최저 전도각은 주행 방향이 165°일 때 30.38°로 나타났다. 후방에 웨이트 장착을 통하여 전도각 시험 기준 30°이상을 만족함으로 나타났다. 향후 실제 횡전도각 시험을 통하여 비교 분석 예정이다.

트랙터 농작업에 따른 3점히치 시뮬레이션 모델 개발

전현호 ( Hyeon-ho Jeon ),임류갑 ( Ryu-gap Lim ),최창현 ( Chang-hyun Choi ),김용주 ( Yong-joo Kim ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.1

농업용 트랙터는 후방 3점히치에 작업기를 부착하여 작업을 수행한다. 작업에 따른 3점히치에 대한 해석을 진행하기 위해서는 정적하중 해석으로는 한계가 있기 때문에 동적하중을 고려한 모델의 설계가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 MBD(Multi-Body Dynamics) 소프트웨어를 활용하여 동적하중을 고려한 시뮬레이션 모델을 개발 및 검증하였다. 3점히치 모델은 105마력 트랙터의 3점히치를 실측하여 구성하였다. 해석을 진행하기 위해 입력데이터는 견인력과 리프트암 회전축의 회전값을 선정하였으며, 검증데이터로는 링크 포인트에서의 부하를 선정하였다. 견인력은 작업기와 3점히치 사이에 육분력계를 장착하여, 리프트암 회전축의 회전각도는 포텐셜 미터를 부착하여 계측하였으며, 링크 포인트의 부하는 링크 포인트에 로드셀을 부착하여 계측하였다. 시뮬레이션 모델은 Recurdyn(V9R2, Functionbay)를 활용하여 구성하였으며, 구속조건은 Revolute, Bushing 및 Spherical 조건을 활용하여 실제 움직임을 구현하였다. 시뮬레이션 모델의 검증은 실제 육분력계의 로드셀 위치에 SOLID를 생성하여 부하를 입력하는 방법으로 수행하였으며, 이때 해석 시간은 101.62초간 진행하였다. 트랙터 3점히치 시뮬레이션 모델은 실제 계측한 데이터를 이용하여 검증하였으며, 시뮬레이션 결과와의 오차는 약 5%로 향후 3점히치 설계 및 구조해석에 사용 가능할 것으로 판단된다.

플라우 및 로터리 작업 시 농업용 관리기의 엔진 부하율 분석

이시언(Si-Eon Lee),김택진(Taek-Jin Kim),김용주(Yong-Joo Kim),임류갑(Ryu-Gap Lim),김완수(Wan-Soo Kim) 유공압건설기계학회 2023 드라이브·컨트롤 Vol.20 No.2

The aim of this study was to measure and analyze engine load factor (LF) according to working conditions (operation type and gear stage) of small agricultural multi-purpose cultivator to estimate the emission of air pollutants. To calculate LF, a torque sensor capable of collecting torque and rotational speed was installed on the engine output shaft and DAQ was used to collect data. A field test was conducted with major operation of a cultivator and tillage operations (plow tillage and rotary tillage). Engine power was calculated using engine torque and rotational speed and LF was calculated using real-time power and rated power. In addition, unified LF was calculated using the weight for each operation and the average LF for each operation. As a result, average LF values at 1.87 and 3.10 km/h by plow tillage were 0.50 and 0.69, respectively. Average LF values at 1.87 and 3.10 km/h by rotary tillage were 0.70 and 0.78, respectively. Furthermore, unified LF calculated in consideration of the weight factor showed a value of 0.65, which was 135% higher than the conventional LF (0.48). Results of this study could be used as basic information for realizing LF values in the field of agricultural machinery.

농업용 트랙터 최대출력에서 연료소모량 분석

김형권 ( Hyung-kweon Kim ),윤남규 ( Nam-kyu Yun ),권진경 ( Jin-kyung Kwon ),오성식 ( Sung-sik Oh ),임류갑 ( Ryu-gap Lim ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2

비도로 차량에는 농업기계, 건설기계, 기관차 등이 있으며, 이러한 비도로 차량에서 배출되는 배출가스는 증가추세에 있는 것으로 알려지고 있다. 이러한 비도로 차량 중 트랙터와 콤바인은 환경부 대기환경보존법에 따라 배출가스를 규제하고 있으며, 자동차와 달리 실차상태가 아닌 엔진상태에서 배출가스 허용기준을 관리하고 있다. 이러한 배출가스 등 환경규제는 새로운 무역규제 방안의 하나로 볼 수 있으며, 농업기계 배출가스 저감을 위한 연료소모량 절감 및 친환경 고효율화가 중요한 문제가 되고 있다. 반면, 농업용 트랙터는 여러 가지 농작업의 동력원으로 설계되었고, 수십 단의 기어단수를 채택하고 있으며, 농업인의 경험에 의존하는 기어 사용으로 연료 이용효율 및 온실가스 감축에서 불리하고 관심이 낮은 편이다. 최근, 농업용 트랙터는 점차 대형화되고 있으며, 전자제어장치(ECU, electronic control unit) 기반 자동변속기술 적용방식으로 개발 및 보급되고 있다. 이로 인해 전자제어장치 기반 자동변속 농업용 트랙터를 대상으로 온실가스 감축을 위한 연료 소모량 절감 및 친환경 고효율화가 필요한 실정이다. 따라서 본 연구는 자동변속 대형 트랙터를 대상으로 PEMS 장비를 적용하여 실차 및 전개성능 상태에서 엔진회전속도에 따른 연료소모량을 분석하고 향후 친환경 고효율 트랙터 개발을 위한 기초자료로 활용하고자 수행되었다. 본 연구에서는 엔진출력이 100 kW급인 자동변속 농업용 트랙터를 대상으로 하였다. 이동식 배출가스 측정장치(PEMS, portable emission measurement system)를 적용하여 실차 및 전개성능 상태에서 엔진회전 속도에 따른 연료소모량을 분석하였다. 엔진회전속도에 따른 연료소모량 분석 결과 엔진회전속도 2000 rpm에서 연료소모량이 23.2 kg/h로 가장 높게 나타났다. 엔진회전속도 1500 rpm에서는 16.7 kg/h로 가장 낮게 나타났고, 이후, 엔진회전속도가 2000 rpm으로 빨라짐에 따라 연료소모량이 증가하는 것으로 분석되었다. 반면, 엔진회전속도가 가장 빠른 2200rpm에서는 22.4 kg/h로 분석되었다.

가축분뇨 내 대장균 제거와 부유물질 저감 효율 향상을 통한 추비 생산용 미세기포 부상분리와 마이크로 필터 연계 시스템 개발

장재경(Jae Kyung Jang),이동관(Donggwan Lee),백이(Yee Paek),이태석(Taeseok Lee),임류갑(Ryu Gap Lim),김태영(Taeyoung Kim) 한국산학기술학회 2021 한국산학기술학회논문지 Vol.22 No.2

가축분뇨는 고액분리 후 액상 가축분뇨를 호기생물반응조에서 충분히 부숙시켜 화학비료를 대체한 유기질비료(액비)로 이용하고 있다. 그러나 액비는 작물 생장 중인 여름철에는 토양 살포가 제한되기 때문에 액비 처분 문제가 반복 발생되고 있다. 액비를 추비(웃거름)로 이용하기 위해서는 액비 내 슬러지 저감, 병원성 미생물에 대한 안정성 문제가 확보되어야 한다. 본 연구에서는 가축분뇨 액비의 추비 이용을 위해 부유물질(SS) 제거와 살균 효과가 있다고 알려져 있는 마이크로버블 장치(FeMgO 촉매 삽입)의 액비 내 부유물질과 대장균군의 저감효과를 알아보고 마이크로 필터 장치를 연계한 시스템의 부유물질 제거 효율 향상 여부를 확인하였다. 마이크로버블 장치의 부상분리 과정을 거치면서 액비내 부유물질은 57.9% 제거되었으며, 대장균군은 검출되지 않았다(16,200 MPN/100mL → 0 MPN/100mL). 마이크로 버블 장치와 마이크로 필터 연계 시스템의 수리학적 체류시간 최적화을 통해 액비 내 부유물질 제거 효율은 수리학적 체류시간이 0.1h 조건에서 92.9%까지 향상된 것을 확인하였다. 같은 조건에서 처리수의 성상을 확인한 결과 유기오염물질은 64.5%(TCOD), 70.1%(SCOD) 제거되었으며 인산염인(PO4-P)과 총질소(TN)의 농도도 각각 54.9%와 51.5%까지 감소되었다. 이러한 연계 시스템으로부터 처리된 유출수는 기존 액비의 조성보다 부유물질 및 오염물질 농도 감소, 대장균군이 포함되지 않아 추비로 직접 이용이 가능할 것으로 판단된다. Livestock manure is used as an organic fertilizer to replace chemical fertilizers after sufficient fermentation in an aerobic bioreactor. On the other hand, liquid manure disposal problems occur repeatedly because soil spraying is restricted during the summer when the crops are growing. To use liquid fertilizer (LF) as an additional nutrient source for crops, it is necessary to reduce the amount of suspended solids (SS) in the liquid fertilizer and secure stability problems against pathogenic microorganisms. This study examined the effects of the simultaneous SS removal and E.coli sterilization in the LF using the microbubble (MB) generator (FeMgO catalyst insertion). The remaining SS were further removed using the integrated microbubble and microfilter system. During the floating process in the MB device, the SS were removed by 57.9%, and the coliform group was not detected (16,200→0 MPN/100 mL). By optimizing the HRT of the integrated system, the removal efficiency of the SS was improved by 92.9% under the 0.1h of HRT condition. After checking the properties of the treated LF, 64.5%, 70.1%, 54.9%, and 51.5% of the TCOD, SCOD, PO4-P, and TN, respectively, were removed. The treated effluent from such an integrated system has a lower SS content than that of the existing LF and does not contain coliforms; therefore, it can be used directly as an additional fertilizer.

농업용 트랙터 배출가스 평가방법 기초연구

김형권 ( Hyung-kweon Kim ),윤남규 ( Nam-kyu Yun ),권진경 ( Jin-kyung Kwon ),오성식 ( Sung-sik Oh ),임류갑 ( Ryu-gap Lim ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2

오늘날 세계 각국은 급변하는 기후변화에 대응하여 에너지 소비효율 향상, 온실가스 배출 감축을 국가적 과제로 추진하고 있다. 이와 관련하여 우리나라 농림축산식품부에서는 농업부분 온실가스 배출권거래제를 적극 추진하고 있으며, 2015년에 ‘온실가스 배출권거래시장’이 도입되어 농가에서 온실가스를 감축한 경우 판매할 수 있어 농업인의 추가적인 소득증대가 기대된다. 반면에, 농업기계 사용으로 인한 온실가스 배출량은 기타부문으로 처리되고 있어 농업기계별 에너지 사용으로 인한 배출량 산정이 필요한 실정이다. 특히, 농업용 트랙터는 보급대수가 많고, 농업용 난방기 다음으로 많은 에너지를 소비하는 농업기계임에도 불구하고 온실가스 배출 저감에 대한 생산자와 소비자의 인식이 낮은 실정이다. 지금까지 화석연료를 사용하는 내연기관의 배출가스저감 연구는 주로 자동차와 같은 도로주행 차량을 중심으로 이루어져왔다. 따라서 본 연구에서는 비도로 차량인 농업용 트랙터의 온실가스 배출량 산정 및 저감기술개발을 위한 기초연구로 배출가스 평가방안을 검토하였다. 도로 및 비도로 차량의 배출가스 규제는 유럽의 경우 Stage 기준으로 설정하고 있으며, Stage-V 기준에 따라 2020년 이후 판매되는 모든 엔진에 배출가스 규제를 적용하도록 하였다. 미국은 Tier 규제를 적용하고 있다. 이러한 배출가스 저감 규정은 향후 트랙터 등 농업기계 수출에 필수적인 기준이 될 것으로 판단된다. 배출가스 측정장치의 경우 이동식 배출가스 측정장치(PEMS, portable emission measurement system)를 이용하여 실 작업차량에서 측정하도록 하고 있다. 특히, 2015년 폭스바겐 자동차의 배출가스 임의설정 사례에서 알 수 있듯이 측정장치 및 평가방법에 대한 기준 마련이 매우 중요하다고 할 수 있다. 이에 따라 우리나라 농업용 트랙터 배출가스 평가 기준은 Tier-4, Stage-V에 따라 PEMS를 이용한 실차상태에서 플라우 경운, 로타리 경운, 주행 등 농작업에 대한 기준 설정이 필요한 것으로 판단된다(Ministry of environment, 2017, 2018).

고형배지 재배에서 배액 재사용을 위한 마이크로버블 시스템 적용 연구

이동관 ( Donggwan Lee ),장재경 ( Jae Kyung Jang ),심영호 ( Young Ho Sim ),백이 ( Yee Paek ),이태석 ( Taeseok Lee ),임류갑 ( Ryu Gap Lim ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2

순환식 양액재배를 위해서는 배액 내 양액 성분을 센싱하여 작물에 필요한 성분을 유지시켜주어야 하며 또한 세균에 의한 영향이 없어야 한다. 작물에 필요한 양액 성분은 다량원소와 미량원소로 구성되어 있는데 이중 N, P와 배액에 포함될 수 있는 유기오염물질(COD)과 부유물질(SS)의 농도를 알아보고, 마이크로버블 시스템을 이용하여 이들 성분의 저감효과를 파악하고자 하였다. 또한 N, P, 그리고 유기오염물질이 포함되는 경우, 녹조 및 세균이 번식할 수 있어 이들 성분의 변화를 알아보고자 하였다. 본 연구를 통해 국내 양액재배 시설원예 단지의 대표 작물인 파프리카 농가에서 배출되는 배액을 이용하여 마이크로버블 시스템을 적용하여 N, P, 유기오염물질, 부유물질 성분의 저감 효과를 알아보았다. 본 연구에서는 강원도 P시에 위치한 Cupra(빨강), Coletti(노랑) 파프리카 품종을 재배하는 온실을 대상지로 선정하였으며, 작기 말기 시점에 배액을 샘플링하여 이용하였다. 마이크로버블 시스템에서 4시간 반응시켰으며, 일정시간 간격으로 샘플링하여 분석에 이용하였다. 이 결과 SS, COD, PO4-P, NO3-N 제거율은 4시간 반응 후 각각 91.7%, 39.0%, 31.3%, 13.7%를 나타내었다. PO4-P, NO3-N의 경우, 저감율이 낮게 나타났으나 이는 재순환시 재이용이 가능하여 필요한 영양염류의 손실을 최소화할 수 있는 것으로 나타났다. 마이크로버블 산화반응에 의한 각 성분의 감소되는데 성분별 반응 시간 차이가 크게 나타났으나, N, P의 농도를 최대한 재이용하는 수준에서 시간을 선택하는 것이 필요할 것으로 판단되며, 추후 박테리아와 곰팡이류 저감 효과를 분석하여 지속 가능한 농업을 위한 순환식 양액재배를 위한 배액 재이용 기술을 개발하는데 기초자료로 이용할 수 있다.