영농형 태양광 발전 시설 하부의 일사량 분포 모델 개발

정영준 ( Youngjoon Jeong ),이상익 ( Sangik Lee ),이종혁 ( Jonghyuk Lee ),서병훈 ( Byunghun Seo ),김동수 ( Dongsu Kim ),최원 ( Won Choi ) 한국농공학회 2020 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2020 No.-

작물 생산과 태양광 발전을 동시에 수행하는 영농형 태양광 발전 시설은 지표면에 도달하는 태양광의 일부를 차단하여 시설 하부에 도달하는 일사량을 감소시키며, 이는 태양광 발전 시설 하부의 작물 생장을 저해할 수 있다. 또한 패널설치 조건에 따라 일반 노지에 비해 지표면에서의 일사량 분포가 시간적·공간적으로 복잡하게 변동한다. 따라서 본 연구에서는 광 시뮬레이션 모형을 이용하여 영농형 태양광 발전 시설 하부 농지의 일사량 분포를 예측하는 모델을 개발하고, 다양한 패널 설치 조건에 따라 하부 농지에서의 일사량 분포를 모의하고자 하였다. 먼저 특정 시각에서의 태양의 고도각 및 방위각을 계산하고 천공적분법과 광선추적법을 활용하여 특정 지점에서 태양광선이 패널과 교차하는지 검토한 뒤 해당 지점에 최종적으로 도달하는 일사량을 추정하였다. 이때 작물의 광합성 과정에 사용되는 파장대의 복사인 PAR (Photosynthetically Active Radiation)만을 고려하기 위하여 단파복사량으로부터 PAR을 추출하는 모델을 적용하였으며, 직달일사와 산란일사를 별개로 고려하기 위하여 직산분리 모델을 적용하였다. 직달 일사량은 그림자가 드리우는 위치에는 전혀 도달하지 못했으며, 산란 일사량은 패널 어레이 가장자리에 중심부보다 많이 도달하는 것을 확인하였다. 또한 월별 일사량 분포를 살펴보면 월별로 태양 고도가 변화함에 따라 일사량의 분포가 크게 변화하였다. 패널 설치 높이에 따라서는 하부 일사량의 총합에는 큰 변화가 없었으나 높이가 높아질수록 하부 일사량이 더 균일하게 분포하였다. 패널 각도에 따라서는 월별로 최적의 각도가 달랐으나 일사량 총합에 큰 차이가 없었다.

지도학습 알고리즘을 이용한 3차원 점군 데이터에서의 작물 인식 모델 개발

정영준 ( Youngjoon Jeong ),이상익 ( Sangik Lee ),이종혁 ( Jonghyuk Lee ),서병훈 ( Byunghun Seo ),김동수 ( Dongsu Kim ),서예진 ( Yejin Seo ),이드아함드파지 ( Ahmed Fawzy Eid ),최원 ( Won Choi ) 한국농공학회 2021 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2021 No.-

반강결 프레임 구조물의 시스템 신뢰성 해석 - 비닐하우스를 중심으로 -

이상익,이종혁,정영준,김동수,서병훈,서예진,최원,Lee, Sangik,Lee, Jonghyuk,Jeong, Youngjoon,Kim, Dongsu,Seo, Byunghun,Seo, Yejin,Choi, Won 한국농공학회 2022 한국농공학회논문집 Vol.64 No.5

Recently, the trend in structural analysis and design is moving towards the development of reliable system. The reliability-based method defines various limit states related to usability and failure, thereby enabling multiple levels of design according to the importance of a structure. Meanwhile, an actual structure is composed of a set of several elements, and particularly, a frame type is composed of a system in which the members are connected each other. At this time, the actual connection between members is in a semi-rigid condition, not in complete rigid or hinged. This semi-rigid is found in several structures, especially in agricultural facilities designed with lightweight materials. In this study, a system reliability analysis technique for frame structure was established, and applied to an analysis of the semi-rigid connection. Various conditions of correlation were applied to reflect the connectivity between members, and through this, the limitations of existing structural analysis method and the behavioral characteristics of structure were analyzed. The failure probability of the frame member component and the overall structure system was significantly different in consideration of the semi-rigid connection. In addition, it was evaluated that the behavior of structure can be more accurately analyzed if the correlation according to the position of members in a system is further investigated.

미세먼지로 인한 온실 피복재 투과율 저하 실험모델 개발

이종혁 ( Jonghyuk Lee ),정영준 ( Youngjoon Jeong ),이상익 ( Sangik Lee ),서병훈 ( Byunghun Seo ),김동수 ( Dongsu Kim ),홍은미 ( Eunmi Hong ),이승재 ( Seungjae Lee ),이재한 ( Jaehan Lee ),최원 ( Won Choi ) 한국농공학회 2020 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2020 No.-

최근 국내외로 급속한 산업화로 인해 황사 및 미세먼지 발생 횟수가 증가하고 있으며, 이러한 미세먼지는 비닐온실의 투과율을 저하시켜 시설 작물의 생육 환경을 저해한다. 본 연구에서는 미세먼지 발생으로 인한 온실 피복재 투과율 저하도를 구명하고, 온습도 환경에 따른 미세먼지 흡착율을 평가하기 위해 축소실험모델을 개발하였다. 모델은 1개의 미세먼지 발생환경 재현 챔버와 미세먼지 발생장치, 온습도 및 미세먼지 측정 모니터링 센서를 포함한 컨트롤러로 구성되었다. 미세먼지 발생장치의 시료 투입구에 공압펌프를 활용하여 일정 간격으로 미세입자가 주입되며, 정량 투입을 위한 물리적 장치가 고안되었다. 또한 미세먼지 발생장치 내 싸이클론 발생기와 필터를 설치하여 챔버 내 미세먼지의 입경별 투입을 고려하였다. 미세먼지 시료는 입경 분포가 0.97 - 22.00 ㎛로 이루어진 Arizona test dust (A1 Ultrafine)을 사용하였으며, 온실 설계 시 가장 많이 활용되는 폴리에틸렌 (PE) 피복재를 대상으로 투과율 저하도를 분석하였다. 챔버내 온·습도 환경을 조절하며 미세먼지 흡착율에 따른 비닐시편의 투과율 저하도를 비교하였다.

비닐온실 폭설 방재 예·경보 시스템을 위한 설하중 센서 개발과 적설 경보 기준 분석

김동수 ( Kim Dongsu ),정영준 ( Jeong Youngjoon ),이상익 ( Lee Sang-ik ),이종혁 ( Lee Jonghyuk ),황규홍 ( Hwang Kyuhong ),최원 ( Choi Won ) 한국농공학회 2021 한국농공학회논문집 Vol.63 No.2

As the weather changes become frequent, weather disasters are increasing, causing more damage to plastic greenhouses. Among the damage caused by various disasters, damage by snow to the greenhouse takes a relatively long time, so if an alarm system is properly prepared, the damage can be reduced. Existing greenhouse design standards and snow warning systems are based on snow depth. However, even in the same depth, the load on the greenhouse varies depending on meteorological characteristics and snow density. Therefore, this study aims to secure the structural safety of greenhouses by developing sensors that can directly measure snow loads, and analysing the warning criteria for load using a stochastic model. Markov chain was applied to estimate the failure probability of various types of greenhouses in various regions, which let users actively cope with heavy snowfall by selecting an appropriate time to respond. Although it was hard to predict the precise snow depth or amounts, it could successfully assess the risk of structures by directly detecting the snow load using the developed sensor.

목재-콘크리트 합성슬래브의 구조 안정성 평가

김동수 ( Dongsu Kim ),정영준 ( Youngjoon Jeong ),이상익 ( Sangik Lee ),이종혁 ( Jonghyuk Lee ),서병훈 ( Byunghun Seo ),오정권 ( Jungkwon Oh ),최원 ( Won Choi ) 한국농공학회 2020 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2020 No.-

기후변화와 같은 환경 문제가 대두되며 건설 분야에서도 친환경 재료의 중요성이 주목받고 있다. 특히, 우리나라는 국토의 63%가 산림으로 이루어져 풍부한 산림자원을 보유하고 있기에 목재를 이용한 목조건축 산업에 대한 투자와 목구조 부재의 개발을 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그러나 설계기준이 정립되어있는 철근콘크리트 구조물과 달리, 목재와 함께 다른 재료가 결합한 합성보·합성슬래브에는 구조기준을 적용할 수 없어 구조설계에 어려움이 따른다. 따라서, 본 연구에서는 국산 낙엽송을 이용한 목재-콘크리트 합성슬래브를 설계하고 이에 대한 구조 안정성 평가를 수행하고자 하였다. 연구 대상으로는 목재, 콘크리트, 구조용 합판으로 구성된 합성보를 여러 겹 접합하여 제작한 정사각형 합성슬래브를 사용하였다. 슬래브의 하중 분담률을 고려하여 2방향 슬래브로 구조해석을 수행하였으며, 두 방향 모두 인장·압축 응력, 전단응력, 처짐량 허용기준을 만족하는 것으로 나타났다. 한편, 본 연구에서 사용한 합성슬래브는 콘크리트-합판 접합부에 스크류 (Screw)를 사용하지 않는 대신 합판에 천공 작업을 하여 목재 활용을 극대화하고 프리패브 (Pre-fab) 공법이 용이하도록 설계되었으며, 이를 위해 콘크리트-합판 접합 구멍 주위 절점에서의 인장·압축 응력 및 전단응력을 유한요소 해석 프로그램을 통해 검토하고 천공 개수 및 직경을 최적화하였다.

저수지 붕괴 홍수파 해석 모델 평가

이종혁 ( Jonghyuk Lee ),이상익 ( Sangik Lee ),정영준 ( Youngjoon Jeong ),서병훈 ( Byunghun Seo ),김동수 ( Dongsu Kim ),서예진 ( Yejin Seo ),최원 ( Won Choi ) 한국농공학회 2021 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2021 No.-

Cascade 유전이동(DEP) 기술을 이용한 식용수의 박테리아 제거

이종혁 ( Jonghyuk Lee ),이상익 ( Sangik Lee ),정영준 ( Youngjoon Jeong ),( Byeonghoon Seo ),김정윤 ( Jeongyun Kim ),최원 ( Won Choi ) 한국농공학회 2019 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2019 No.-

세계적으로 물 부족에 대한 우려와 더불어 세계보건기구 (World Health Organization, WHO)에 따르면 11억 명의 인구가 정수된 식수를 이용할 수 없으며, 26억 명이 적절한 위생 시설을 이용할 수 없는 것으로 나타났다. 이와 같은 현상은 개발도상국에 집중되어 나타나고 있으며, 이에 따라 저렴하면서도 효과적인 물 정화 시스템이 시급히 요구된다. 식수의 정수는 박테리아와 같은 생물학적 위해성을 가진 물질의 제거를 위해 일반적으로 증류 및 여과와 같은 물리적 공정이 사용되고 있으나, 이와 같은 기존의 정수방법은 고비용, 낮은 생산성, 에너지 소비 측면에서 한계점을 가지며 특히 여과의 경우 지속적인 필터의 교체가 필요하다. Dielectrophoresis (DEP)는 비균일 전기장에 의해 비전하입자에 유도된 분극을 통해 입자에 전달 되는 병진 운동으로써, 이를 유체의 흐름에 있는 입자를 이동시키는 데 사용할 수 있다. 본 연구에서는 오염된 물에서 박테리아를 효과적으로 제거하여 지속 가능한 물의 정수와 공급을 위해 거시 규모의 (macro-scale) DEP 장치를 설계 및 제작하고자 한다. 이를 위해 다중 유전이동 장치 (Cascade DEP y-junction)를 설계, 제작 및 최적화하여 오염된 물의 세균을 효과적으로 제거해 지속 가능한 물의 공급을 목표로 한다. 이번 연구에서는 단일 유전이동 장치를 설계 및 제작하고 수치해석 기법을 이용한 최적화를 통해, 최종적으로 다중 유전이동 정수 시스템을 개발하고자 하였다. 소수성의 특성 및 접촉각 이력 현상과 유체와의 마찰을 최소화하는 특성을 가진 폴리디메틸실록산을 이용하여 예비실험을 위한 단일 DEP 장치를 개발하고 효모 용액을 주입하고 pin electrode의 개수 조절 및 전기와 주파수의 조절을 통한 환경조건별 DEP 효율에 따른 효모 세포 분리 반응 분석을 수행하였다. 이를 통해 비균일 전기장 해석 (electric currents)과 유체 흐름 해석 (creeping flow)을 통한 DEP 및 유체 흐름 하에서의 입자 이동을 수치해석 기반 시뮬레이션을 개발하여 DEP y-junction의 형상 특성과 비균일 전기장의 크기를 고려한 Multiphysics 최적화 시뮬레이션 모델을 구축하고 평가하였다. 또한 분리 대상 시료 크기에 따른 최적 조건 검색용 DEP 미세유체회로를 설계하고 제작하였다. 전극은 e-beam metal evaporator를 이용하여 50nm 두께의 Au를 슬라이드 글라스에 증착 후 패터닝, 하나의 미세유체회로에 다른 구조를 갖는 3쌍의 전극을 주입하여 효율성을 증진시켰다.

극성 유도를 이용한 온실 피복재 표면 미세먼지 부착 특성 연구

서병훈 ( Byunghun Seo ),이종혁 ( Jonghyuk Lee ),이상익 ( Sangik Lee ),정영준 ( Youngjoon Jeong ),김동수 ( Dongsu Kim ),최원 ( Won Choi ),이승재 ( Seungjae Lee ),이재한 ( Jaehan Lee ),홍은미 ( Eunmi Hong ) 한국농공학회 2020 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2020 No.-

본 연구에서는 농업용 비닐하우스(온실) 피복재에 부착된 대기 중 미세먼지를 제거하는 최적의 방법을 도출하기 위해 해당 현상의 상사 실험을 재현하였다. 실제 현장에서 실험을 통해 제작한 피복재의 광 투과율과 피복재 표면 미세먼지의 부착력을 상사 실험을 통해 공학적으로 재현해내기 위해 피복재에 극성을 유도하여 부착력을 조절하였다. 상사 실험은 황사 미세먼지와 가장 유사한 Arizona test dust를 사용하였으며, 온·습도를 실제 실험과 동일하게 통제시킨 환경의 밀폐된 챔버에서 상사 실험을 진행하여 미세먼지 부착 피복재를 제작하였다. 먼저, 미세먼지 농도(PM_2.5, PM₁₀)를 조절하여 상사 실험과 실제 실험을 통해 제작된 미세먼지 부착 피복재의 광 투과율이 같아지는 농도를 비교하였다. 또한, 같은 온·습도, 광 투과율을 만족하는 각각의 시편이 세척제에 의해 감소하는 광 투과율이 같아지도록 하기 위해 피복재에 극성을 유도하고 미세먼지와의 전기적 힘을 조절하였다. 실험 결과, 본 연구에서 전기적인 힘이 비닐하우스(온실) 피복재의 미세먼지 부착 특성에 영향을 미치는 것을 파악하였으며 이를 조절할 수 있었다. 또한, 음전하를 주로 띄는 황사 미세먼지의 세척에 양이온 계면활성제 계열의 세척제의 효과가 더 큰 경향을 나타내는 것을 확인하였다.

한국형 영농형 태양광 시스템 구축을 위한 표준모델 및 설계 가이드라인 개발

이상익 ( Sangik Lee ),이종혁 ( Jonghyuk Lee ),이드아함드파지 ( Ahmed Fawzy Eid ),정영준 ( Youngjoon Jeong ),서병훈 ( Byunghun Seo ),김동수 ( Dongsu Kim ),서예진 ( Yejin Seo ),최원 ( Won Choi ) 한국농공학회 2022 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2022 No.-

영농형 태양광 시스템은 작물 재배지 상부에 태양광 모듈을 설치하여 농업과 태양광 발전에 태양에너지를 공유함으로써 토지의 이용효율을 높이고 농업 재생에너지를 생산하는 차세대 스마트팜 기술이다. 그러나 현재 국내에서는 이와 관련된 체계적인 설계기준과 실증재배지의 운영이 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 영농형 태양광의 작물 재배조건을 반영한 설계 고려사항을 분석하여, 이를 바탕으로 시스템 보급을 위한 표준모델을 개발하고, 현장 구축을 위한 설계 가이드라인을 구축하였다. 설계 고려사항으로는 차광률, 토지등가비율, 작물 재식간격, 시스템 하부 영농작업, 기초 및 구조물 형태에 관한 검토를 수행하였으며, 이를 바탕으로 기본설계안을 작성하였다. 또한 농업 시설물에 특화된 설계법을 정립하여 구조해석을 통한 안전성 검토를 수행하고, 다양한 설치 조건에 따른 안전기준을 제시하였다. 구조해석 결과, 풍하중에 의해서는 하부 기둥에서, 적설하중에 의해서는 상부 보에서 각각 큰 응력이 발생하였으며, 내진설계를 통해 지진하중에 대한 안전성을 확보하였다. 또한 기둥의 다양한 규격과 간격에 따른 안전적설심 및 안전풍속을 분석하여, 시스템 보급을 위한 안전설계기준을 도출하였다. 뿐만 아니라 영농형 태양광 시스템의 주요한 설계요소인 차광률, 발전량, 부재 물량 간의 관계를 분석하고, 토지 이용효율의 극대화 및 경제성 확보를 위한 최적화 설계를 수행하였다. 이를 바탕으로 시스템의 현장 시공과 적용성 평가를 수행하고, 인허가 및 시공 프로세스를 정립하여 설계 가이드라인을 구축하였다.