우주 에너지하베스팅 기술 따라하기(심화 과정)

2차시에서 보드게임을 통하여 4종의 체험 기술 중 선정된 체험 기술 하나를 동영상을 보고 체험 따라하기(기본) 를 해보았다. 심화 과정은 선택 과정으로 태양을 따라다니며 태양 전지 충전을 효율적으로 하는 태양트랙커를 만드 는 체험을 따라해보자.

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[체험동영상] https://youtu.be/L-DFNIHSqq8 [태양트랙커]

[그림 34] 태양전지의 원리

장점 • 대기 오염이나 폐기물 발생의 염려가 없고, 연료비가 필요 없다.

• 수명이 20년 이상으로 오랜 기간 사용할 수 있고, 유지 보수가 쉽다.

단점 • 가격이 높고, 흐린 날과 밤에는 전기를 생산할 수 없다.

• 에너지 효율이 낮고, 초기 투자 비용이 많이 든다.

이용 •태양 전지 자동차, 태양 전지 계산기, 태양 전지 비행기, 태양 전지 휴대 전화, 태양 전지 가로등 등

▶박막형 태양 전지와 염료 감응형 태양 전지

① 박막형 태양 전지: 플라스틱 판 등에 광흡수 물질을 얇게 발라 만든다. 얇게 만들 수 있어 굴곡이 있는 곳에 도 설치할 수 있다.

② 염료 감응형 태양 전지: 태양광이 반도체 표면에 부착된 염료 분자와 반응하며 흡수되어 전류를 발생시킨 다. 투명하게 만들거나 다양한 색을 넣을 수 있어 창문 등에 활용할 수 있다.

▶ 수소 - 산소 연료 전지의 구조와 원리

- 수소와 산소의 산화 - 환원 반응에 의해 생기는 연소 에너지를 열로 바꾸지 않고 직접 전기 에너지로 변환 하는 장치이다.

① 전해질을 사이에 두고 (-)극에는 수소를, (+)극에는 산소를 공급 → ② (-)극의 수소는 전자를 내놓고 전해 질을 통해 (+)극으로 이동하여 산소 분자와 만나 물과 열을 생성 → ③ 수소가 내놓은 전자가 외부 회로를 따라 (+)극으로 이동하여 전류가 흐른다.

(-)극 H₂ → 2H⁺ + 2e^- (수소의 산화 반응) (+)극 ¹₂O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂O(산소의 환원 반응)

전체 H₂ + ¹₂O₂ → H₂O + 에너지(전기, 열) 전기 부하

재결합

전자

정공 전자 전류

태양광

금속 전극 n형 반도체

금속 전극 p-n접합 p형 반도체

[그림 35] 연료전지 원리

장점 • 에너지 효율이 40 ~ 60%이며, 반응 과정에서 나오는 열을 이용하면 80% 정도로 높일 수 있다.

• 물이 유일한 생성물로 환경 오염 문제가 없다.

• 연료가 되는 수소를 재생 에너지, 원자력 등 다양한 에너지원으로부터 생산할 수 있다.

단점

• 수소를 생산하는 데 비용이 많이 들며, 폭발 위험이 있다.

• 수소 충전소 등 새로운 기반 시설을 설치해야 한다.

• 수소와 산소를 계속해서 공급해 주어야 하며, 생성물인 물을 연료 전지로부터 제거해야 한다.

이용 • 휴대용 전자 기기, 수소 연료 전지 자동차, 대형 발전 장치, 우주 왕복선 등

• 아두이노를 활용한 태양전지 트랙커 기술 체험하기

▶ 태양을 따라다는 태양전지 트랙커 제어하기

준비물: 아두이노 우노, 조도센서 4개, 서보모터 2개, MDF, 태양전지, 브레드보드

[그림 36] 태양 트랙커 외형

-동작방식: 태양을 따라 태양전지판을 트래킹할 수 있는 제어회로를 만든다. 조도센서로 태양의 강도를 측정 하고 강도하고 강한 면을 따라 태양전지가 부착된 모터가 동작한다.

- 기본회로

[그림 37] 태양 트랙커 회로도

• 소스코드 설명

#include <Servo.h>

Servo servohori; //수평 동작 서보모터로 아래에 위치 int servoh = 0;

int servohLimitHigh = 160;

int servohLimitLow = 20;

Servo servoverti; //수직 동작 서보모터로 위에 위치 int servov = 0;

int servovLimitHigh = 160;

int servovLimitLow = 20;

int ldrtopl = 2; //위 왼쪽에 위치한 CDS int ldrtopr = 1; //위 오른쪽에 위치한 CDS int ldrbotl = 3; //아래 왼쪽에 위치한 CDS int ldrbotr = 0; //아래 오른쪽에 위치한 CDS void setup ()

{

servohori.attach(10); // 아래 서보모터를 아두이노 10번에 연결 servohori.write(0);

servoverti.attach(9); // 위 서보모터를 아두이노 9번에 연결 servoverti.write(0);

delay(500);

}

void loop() {

servoh = servohori.read();

servov = servoverti.read();

//4개의 CDS 값 읽어오기 int topl = analogRead(ldrtopl);

int topr = analogRead(ldrtopr);

int botl = analogRead(ldrbotl);

int botr = analogRead(ldrbotr);

// 읽은 CDS값의 평균값 가져오기 int avgtop = (topl + topr) / 2;

int avgbot = (botl + botr) / 2;

int avgleft = (topl + botl) / 2;

int avgright = (topr + botr) / 2;

if (avgtop < avgbot) {

servoverti.write(servov +1);

if (servov > servovLimitHigh) {

servov = servovLimitHigh;

}

delay(10);

}

else if (avgbot < avgtop) {

servoverti.write(servov -1);

if (servov < servovLimitLow) {

servov = servovLimitLow;

}

delay(10);

} else {

servoverti.write(servov);

}

if (avgleft > avgright) {

servohori.write(servoh +1);

if (servoh > servohLimitHigh) {

servoh = servohLimitHigh;

}

delay(10);

}

else if (avgright > avgleft) {

servohori.write(servoh -1);

if (servoh < servohLimitLow) {

servoh = servohLimitLow;

}

delay(10);

} else {

servohori.write(servoh);

}

delay(50);

}

[그림 38] 솔라트랙커 시제품 완성