성형 공정을 위한 신경망 기반 평판 온도 균일 MIMO 제어

오성식(S. S. Oh),박건웅(K. W. Park),김기환(G. H. Kim),김선경(S. K. Kim) 한국생산제조학회 2021 한국생산제조시스템학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.12

본 논문에서는 여러 영역이 개별 제어되는 MIMO 방식 가열 패널의 설계와 LSTM 딥러닝을 이용하여 평판의 온도를 균일하게 제어하는 연구를 진행하였다. 기존에 온도 균일 제어를 위해서는 히터의 형상, 구조 또는 배치를 변경하여 구현하였으나, 이 경우엔 주변 열적 상황 변화에 능동적인 제어가 어렵고 온도 균일도 향상에 한계가 존재한다. 따라서 이러한 문제 해결을 위해 LSTM 딥러닝을 이용한 제어 방법으로 다수의 히터를 동시 개별 제어하여 온도 균일성을 높이는 방법을 구현하였다. 기존 제어 방법 재현과 훈련 데이터 수집, 신경망 제어 연구를 위해 16개의 PI 필름히터가 개별 제어되며 평판을 가열하는 하드웨어를 설계하고 연구를 진행 하였다.

충적대수층 계간축열 냉난방 시스템의 온실 난방 효과

문종필,강금춘,김형권,이태석,오성식,진병옥,Moon, Jong Pil,Kang, Geum Choon,Kim, Hyung Gweon,Lee, Tae Seok,Oh, Sung Sik,Jin, Byung Ok 한국농공학회 2017 한국농공학회논문집 Vol.59 No.6

In this study, a cold well and a warm one with the distance of 100 m were installed in the alluvial aquifer. Groundwater used as the heat and the cold source of heat pump was designed to flow into the warm and the cold well with a diameter of 200 mm. In order to increase the heat and cold storage in aquifer, six auxiliary wells with the diameter of 50 mm and the depth of 30 m were installed at an interval of 5 m from the main well. Also, heat pump 50 RT, the thermal tank $40m^3$, and a remote control and monitoring system were installed in three single-span greenhouses ($2,100m^2$) for growing tomato in Buyeo, Chungcheongnam-do. According to the aquifer heat storage test which had been conducted from Aug. 31 to Sep. 22, 2016, warm water of $850m^3$ was found to flow into warm well. The temperature of the injected water was $30^{\circ}C$ (intake temperature : $15^{\circ}C$), and the heat of 12.8 Gcal was stored. The greenhouse heating test in winter had been conducted from Nov. 21, 2016 to Apr. 30, 2017. On Nov. 21, 2016 when heating greenhouse started, the aquifer temperature of the warm well was $18.5^{\circ}C$. The COP for heating with water source at $18.5^{\circ}C$ was 3.8. The intake water temperature of warm well was gradually lowered to the temperature of $15^{\circ}C$ on Jan. 2, 2017 and the heat pump COP was measured to be 3.2 at that time. As a result, the heat pump COP was improved by 18 %. and retrieval heat was 8 Gcal, the retrieval rate of heat stored in aquifer was estimated at 63 %.

우리나라 도시농업환경에 적합한 소형온실 모델 개발을 위한 인식 및 선호도 분석

김형권,유영선,김영화,이태석,오성식,강금춘,문종필,이원석,Kim, Hyung-Kweon,Ryou, Young-Sun,Kim, Young-Hwa,Lee, Tae-Seok,Oh, Sung-Sik,Kang, Geum-Choon,Moon, Jong-Pil,Lee, Won-Suk 한국농촌계획학회 2018 농촌계획 Vol.24 No.3

The aim of our study was to provide a basic data for the development of a small greenhouse model suitable for urban farmers. The study analyzed installation inclination, positive and negative reasons for installation, location of installation, preferred crops in small greenhouses, plans for use of products, and expected effects by using small greenhouse. Positive opinion on small greenhouse installation was 80.4% of the survey respondents. The most positive reason for the installation of small greenhouses was fresh and safe food supply, and the negative reason was maintenance difficulties. The results obtained in our survey indicated that small greenhouses were more likely to be installed near the house, and urban farmers tended to grow organic leafy vegetables in soil. The expected benefits of small greenhouse operation were largely divided into 'benefit for the improvement of the quality of life' and 'benefit for economic profits', and expectation for the improvement of the quality of life was higher than economic benefit. As a result of the Likert 5-point scale analysis, 'benefit for the improvement of the quality of life' by using a small greenhouse was graded as high as 4.17~4.60. On the other hand, the 'benefit to economic profits' was rated as low as 3.51~4.14.

기능성필름 유리온실 적용을 위한 광합성유효광량자속 투과율 분석 연구

김영화 ( Young Hwa Kim ),오경민 ( Kyung Min Oh ),김형권 ( Hyung Kweon Kim ),이태석 ( Tae Seok Lee ),오성식 ( Sung Sik Oh ),유영선 ( Young Sun Ryou ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.2

온실 내 온도 관리는 온실 환경관리 요소 중 매우 주요한 요소이다. 온실 내 온도는 작물재배환경에 적합하게 유지시키는 것이 중요하나 기술성 및 경제성 등에 대한 한계로 어려움이 있다. 기능성필름은 구조물 피복재에 부착하여 요구되는 기능을 강화하는 피복보조필름으로 주로 열차단을 목적으로 보급되어 있다. 농업용 기능성필름은 광합성에 관여하는 가시광선 영역을 확보하는 데에 중점을 두고 있으며 하절기 및 동절기 외부 온도교환을 최소화할 수 있는 단열성을 지니고 있는 피복재 개발이 진행 중이다. 농업시설 중 유리온실의 경우 기능성필름 적용 시 상당한 온도조절효과에 기여할 것으로 기대하나 적용사례가 미미하고 관련된 연구가 거의 없다. 본 연구는 유리온실에 기능성필름을 적용하기 위하여 가시광선영역 투과율이 높은 제품 선정 및 제작하여 선별하고 이에 따른 투광성능을 분석하였다. 기능성필름은 국내 제조사를 대상으로 제품 규격으로 가시광선영역 광 파장 투과율이 70% 이상인 것으로 4개사 10종의 샘플을 수집하였으며 30cm×30cm 크기로 제단한 뒤 동일 크기의 온실용 유리에 부착한 뒤 할로겐 램프(50W)를 이용하여 광원을 구비하고 PPF(Photo synthetic Photon Flux)센서를 이용하여 광합성유효광량자속을 측정하였다. PPF 광량에 따른 투과율의 차이는 거의 없었으며, 제품규격 상 투과율 70인 제품을 부착한 샘플들의 PPF 투과율은 66.5~68% 범위로 나타났으며 제품규격 상 투과율 80인 제품을 부착한 샘플들의 PPF 투과율은 71.0~77.7% 범위로 나타났다. 본 연구의 결과로 광투과율이 높은 기능성 필름의 유리온실 적용을 위한 기초자료로 활용할 수 있기를 기대한다.

온수배관을 이용한 시설딸기 부분난방기술 개발

문종필,강금춘,권진경,백이,이태석,오성식,남명현,Moon, Jongpil,Kang, Geum-Choon,Kwon, Jin-Kyung,Paek, Yee,Lee, Tae Seok,Oh, Sung-Sik,Nam, Myeong-Hyeon 한국농공학회 2016 한국농공학회논문집 Vol.58 No.5

The effects of spot heating for growing the strawberry cultivated in a plastic greenhouse during the winter that were estimated in Nonsan strawberry experiment station located in Chungnam. The temperature of water for heating was controlled by a electric hot water boiler and kept at the range of $22{\sim}24^{\circ}C$. Heating pipes were set up in root zone for root zone heating and very close to crown for crown heating. Spot heating effects were estimated by applying spot heating system in three test factors of heating root zone, crown only and crown plus root zone. The material for crown heating pipe was white low density polyethylene and the nominal diameter of that pipe was 16 mm. The material for root zone heating pipe was flexible stainless steel and the nominal diameter of that pipe was 15A. The flow rate of heating water circulation was 480 L/h and water circulation lasted for all day long. Temperatures, harvest yield by test beds were surveyed from Nov. 10, 2013 to Apr. 29, 2014. The temperature of crown spot for crown heating bed was at the range of $13.0{\sim}17.0^{\circ}C$ during the night and that of crown spot in control bed was at the range of $8.0{\sim}14.0^{\circ}C$. Also, the temperature of root zone for root zone heating bed was at the range of $18{\sim}21.0^{\circ}C$ and that of root zone in control bed was at the range of $13.0{\sim}15.0^{\circ}C$. The cumulative yield growth rate in earlier harvest period (from Dec. 20 to Mar. 15) of crown heating bed was 43% compared with that of control bed and the cumulative yield of crown plus root zone heating bed was 39 % and that of root zone heating bed was 39 %.

온실 내 수분 수집 및 과습 예방을 위한 차광망 표면성질 기초 연구

이태석 ( Taeseok Lee ),유영선 ( Youngsun Ryou ),김형권 ( Hyungkweon Kim ),김영화 ( Younghwa Kim ),오성식 ( Sungsik Oh ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2

우리나라 시설원예 재배면적은 약 53,000ha로써 그 중 70%가 무가온 재배 온실이다. 무가온 온실은 가온 온실에 비해 상대습도 조절이 용이하지 않아 과습으로 인한 병해 발생 예방이 어렵다. 무가온 온실에서 동절기 야간, 새벽에 상대습도가 100%를 초과하게 되면 안개 및 결로가 발생하고 작물체에 결로가 생기면 곰팡이병 등의 습해를 유발한다. 1970년대부터 물이 부족한 지역에서 안개바람으로부터 물을 수집하는 방법에 관한 연구가 제시되고 있는데, 이는 나미브 사막의 딱정벌레가 안개로부터 물을 수집하여 마시는 행동을 관찰하고 모사한 것이다. 현재 캐나다에서는 안개가 자주 발생하는 지역에 ‘Fog Cather’라는 그물망을 설치해 물을 수집하고 식수로 활용하고 있다. ‘Fog Cather’는 나일론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 그물로 농업시설에서 쉽게 볼 수 있는 차광망(shade cloth)이다. 따라서 차광망을 활용한 과습예방장치를 제작하여 과습한 온실 내 안개를 제거하고 작물체에 발생하는 결로를 줄이기 위한 방법 중 하나 이용할 수 있을 것 판단되며, 이러한 과습예방 장치 제작을 위해 차광망 표면성질에 따른 수분응축량 및 수분배출량을 조사하였다. 시험방법은 발수성 시험방법(KS K 0590)을 참고하여 응용하였다. 11cm×11cm 시편을 제작하고 시편에 전면 친수코팅, 가로패턴(1cm, 0.5cm 간격) 친수코팅, 세로패턴(1cm, 0.5cm 간격) 친수코팅, 격자패턴(1cm, 0.5cm 간격) 친수코팅을 하였다. 각 시편에 가습기(분무량 800cc/h)를 이용하여 2분간 물을 뿌려준 후 시편의 증가한 무게(수분응축량), 시편에서 떨어진 물의 양(수분배출량)을 측정하여 비교하였다. 수분응축 및 배출량이 1g 이하로 매우 작은 값이기 때문에 3반복 시험 후 분산분석(일원배치법)으로 시험 결과의 타당성을 분석하였다. 시험 결과 시편을 그대로 사용하였을 경우(소수성)수분응축량은 0.98g, 수분배출량은 0.31g 이었고, 전면 친수코팅 시에는 수분응축량 0.75g, 수분배출량 0.63g으로 시편에 맺히는 물의 양은 적었으나 배출량이 증가하였다. 격자패턴 간격에 따라서는 격자패턴 간격에 좁을수록 수분응축량 및 배출량이 증가하는 경향을 보였다.

기능성 필름의 광투과율에 따른 유리온실의 에너지절감 효과 추정

윤남규 ( Nam Kyu Yun ),김형권 ( Hyung Kweon Kim ),권진경 ( Jin Kyung Kwon ),오성식 ( Seong Sik Oh ),김영화 ( Young Hwa Kim ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2

유리온실에 부착하여 적외선 영역의 광을 선택적으로 차단함으로써 고온기 냉방부하 및 저온기 난방부하를 절감할 수 있는 기능성 필름을 선택하기 위해 70% 이상의 가시광 투과율을 가진 10종의 기능성 필름에 대한 파장대별 광투과율을 측정하였다. 실험에 사용된 10종의 기능성 필름 중 6종은 현재 시중에 판매되고 있는 제품으로 공시 광투과율이 70%로 낮으므로 제조업체와 협의하여 광투과율이 75%인 제품 1종과 80%인 제품3종을 추가로 제작하여 각각의 광투과율을 측정하였다. 또한 이들 필름을 부착한 유리온실의 냉방부하와 난방부하를 계산하고, 연간 에너지 소비량을 비교함으로써 에너지 절감 효과를 비교·분석하였다. 기능성 필름 종류별 광투과율 측정 결과, 가시광(400~700nm) 투과율은 67.2%~86.5%이고, 자외선(380~400nm) 및 근적외선(780~3,000nm) 투과율은 각각 4.7%~39.6% 및 8.3%~41.9%이었다. 동일한 실험에서 유리의 경우 영역별 광투과율은 가시광 92.1%, 자외선 86.3%, 근적외선 82.6%이었다. 이들 10종의 기능성필름을 투광성과 단열성을 기준으로 3가지 유형으로 구분하고 각각의 유형에 속한 샘플들 중 가장 우수한 특성을 가진 것을 선발하여 유형별 기능성 필름 3종을 선정하였다. 기능성 필름의 유형은 가시광 투과율이 높은 투광형(가시광 투과율 86.5%, 근적외선 차단율 72.5%), 근적외선 차단율이 높은 단열형(가시광 투과율 77.3%, 근적외선 차단율77.4%), 가시광 및 근적외선 투과율이 각각 투광형과 단열형의 중간 정도인 일반형(가시광 투과율 75.9%, 근적외선 차단율 78.0%)으로 구분하였다. 이 3가지 유형의 기능성 필름을 부착한 유리온실의 냉방부하와 난방부하를 계산하고, 필름을 부착하지 않은 일반 온실과 비교함으로써 각각의 에너지절감 효과를 추정하였다. 지역별 비교를 위해 2019년 수원, 춘천, 강릉, 대전, 전주, 광주, 대구, 부산, 제주 등 전국 9개 지역의 전천일 사량, 기온 등의 기상자료를 이용하여 측고 5m인 벤로형 유리온실 1ha의 냉방부하 및 난방부하, 연간 에너지 소비량을 계산하였다.

소형풍동을 이용한 단동 비닐온실의 열손실 분석

김영화(Young Hwa Kim),김형권(Hyung kow Kim),이태석(Tae suk Lee),오성식(Sung sik Oh),유영선(Young sun Ryou) (사)한국생물환경조절학회 2020 생물환경조절학회지 Vol.29 No.1

본 연구는 일정한 풍환경하에 온실 피복재 관류전열손실을 분석하기 위하여 온실 열손실 분석용 소형 풍동을 제작하고 그 성능을 분석하였으며 모형온실을 적용하였을 때의 관류전열손실을 분석하였다. 소형 풍동은 시험부 측 공기흐름이 정상상태를 유지하고 편차를 최소화하기 위하여 풍동의 각 요소를 반영하여 구성하였으며 송풍부, 확산부, 정류부, 축소부, 시험부로 구성하였다. 소형 풍동의 형태는 개방형, 토출식으로 결정하였고, 시험부 규격은 제작하고자 하는 모형온실의 규격과 상사비율, 시험부의 단면 폐쇄율을 감안하여 결정하였다. 상사비율을 풍동실험에 적용할 모형은 농업시설 중 가장 큰 비중을 차지하고 있는 단동 비닐온실을 대상으로 하였다. 소형풍동 내 풍속을 조절함에 따라 나타나는 모형온실 피복재의 관류전열계수는 피복재 면을 크게 지붕면과 측벽면, 앞뒷면으로 나누고 각 면별 계측 데이터를 평균 내어 산출하였다. 지붕면은 풍속이 증가함에 따라 전열계수도 증가하나 증가폭이 감소하는 구간은 배치각도에 따라 1-2ms<SUP>-1</SUP>과 2-3ms<SUP>-1</SUP>으로 구분되어지는 것으로 판단되었다. 측벽면의 전열계수가 증가하는 폭이 큰 구간은 0-1ms<SUP>-1</SUP> 구간인 것으로 판단된다. The objective of this study is to analyze the heat transfer loss of covering materials in a single-span plastic greenhouse under the steady-state wind environment. To achieve this objective, the following were conducted: (1) design of a small-scaled wind tunnel (SCWT) to analyze heat losses of the greenhouse and its performance; (2) determination of the overall heat transfer coefficient (OHTC) for the covering materials using a small-scaled greenhouse model. The SCWT consists of the blowing, dispersion, steady flow, reduction and testing areas. Each part of the SCWT was customized and designed to maintain air flow at steady state and to minimize the variances in the SCWT test. In this study, the OHTCs of the covering materials were calculated by separating each with the roof, side wall, front and back of the small-scaled greenhouse model. The results of this study show that the OHTC of the roof increases as wind speed increases but the zones in which the increase rate of the OHTC decreased, were distinguished by wind tunnel wing speed of 2 ms<SUP>-1</SUP>. For the side wall, the increase rate of the OHTC was particularly higher in the 0-1 ms<SUP>-1</SUP> zone.

농업시설용 기능성필름 성능기준 설정을 위한 기상정보 분석

김영화 ( Younghwa Kim ),김형권 ( Hyungkwon Kim ),이태석 ( Taesuk Lee ),오성식 ( Sungsik Oh ),유영선 ( Youngsun Ryou ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2

온실재배는 작물재배환경을 조절하여 기상환경에 영향 없이 작물재배가 가능하나 고온성 작물 재배시 발생되는 에너지 비용과 보온용 피복재로 인한 광투과성 저하가 우려될 수 있다. 시설원예 경영시 냉난방 에너지 절감방안은 에너지원 대체 방안과 보온성 향상 방안이 있으며 초기투자비용을 절감하기 위해서는 후자가 우선적으로 검토된다. 최근 피복재료 및 소재 발달로 인하여 보온과 광투과 목적을 위한 기능성 필름이 개발되고 있으며 일반 건축물에 적용할 경우 광투과를 제한해야하나 온실에 적용할 때에는 보온과 동시 광투과를 높여야하는 등 차이가 있어 농업분야 온실 환경에 맞는 성능 설정이 요구된다. 온실에 적용 가능한 기능성필름에 관한 연구는 전무한 실정이며 이에 따른 기능성 필름의 성능 설정을 위하여 우리나라 조도, 복사량 등의 일사정보 등의 기상자료 분석이 선행되어야한다. 본 연구에서는 최근 우리나라의 조도 및 복사량의 정보를 분석하였으며 농업시설 기능성필름의 요구 성능을 설정하는 기초자료로 활용될 것으로 기대한다.

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).