1. 개요
□ 연구목적
이 연구는 과학과 학교와의 만남이다. 우리 학생들은 하루 일과 중 대부분을 학교에서 보내고 있다. 학교에서 발생하는 문제점들을 과학을 공부하는 사람으로서 원인을 분석하고 그에 대한 해결책을 제시해야겠다고 생각했다. 그래서 이번 연구를 통해서 우리 학생들이 학교생활을 하는데 어려움이 없이 건강하게 학교생활을 할 수 있도록 하는 것이 목적이다.
□ 연구범위
학교에서 발견되는 모든 문제점에 대해 해결 가능성을 생각해보았다. 그 결과, 우리는 총 6개의 소주제를 선정한 후에 각각 심도 있는 연구를 진행하였다. 연구는 크게 에너지, 인문사회, 구조 설계 분야로 나뉘어졌다. 최종적으로, 분야별 주제들은 “개선된 학교”
로 종합되었다. 이를 보여주기 위해 학교 모형을 제작하고 각 연구를 이것에 적용시켰다.
□ 연구주제의 선정
학생들은 학교에서 생활을 대부분 하기 때문에 학교 시설의 문제점이 잘 보이고, 개선이 시급하다고 느낀다. 학생의 관점에서 학교 시설에 대한 개선을 융합과 통섭적인 관점에서 연구를 진행하게 되었다. 따라서 ‘STEAM 이론을 접목한 학교시설의 효율적인 개선 방안에 대한 연구’라는 연구 주제를 정했고, 학생들이 서로 협동하여 세부적인 여러 문제점들을 각각 개선하는 연구를 진행하게 되었다.
2. 연구 수행 내용
가. 태양광 발전 시설의 효율 개선에 관한 연구
□ 연구 방법
○ 교내에 설치된 태양광 발전시설의 효율을 개선할 수 있는 모델
- 본교 보평고등학교 옥상에 설치되어있는 태양광 발전설비는 이미 설치가 끝난 완제품이다. 또한 현재 지속적으로 가동되고 있다. 따라서 본교의 태양광 발전설 비에 적합한 모델은 기존의 태양광 발전설비에 손을 대지 않으면서 효율을 개선시킬 수 있어야한다.
- 반사판을 이용한 효율 향상 모델
교내 태양광발전 시설 효율개선 모형 교내 태양광발전 시설 효율개선 모형
○ 교내뿐만 아니라 우리 주변의 소규모 태양광시설에도 적용될 수 있는 모델 - 기존의 연구와 차별성을 띄고 또한 공간을 효율적으로 이용하는 2중 반사판을
사용한다. 기존의 연구가 반사판을 1중으로 이용하는 것이었다면 이 연구는 태양광 모듈 뒤에 음지가 생기는 것을 고려하여 그 부분에 두 번째 반사판을 설치하여 공간의 효율을 높였다. 태양광 모듈 단위의 반사판을 2단계로 설치하 여 기존의 태양광을 모두 흡수하고 +의 태양광을 흡수하는 모델을 연구한다.
- 2중 반사판을 이용한 효율 향상 모델
포물선형 2중 반사판 조감도 2중 반사판 설치 모습
○ 태양 전지의 설치방법을 응용하는 모델
- 한옥의 처마구조를 이용한 가변 태양광 모듈 설치 모델
- 기존건물에서는 햇빛을 막으려면 블라인드를 내리고 창문은 열면 안 되었고, 햇빛을 통과하게 하는 대신 바람을 얻으려면 블라인드를 걷고 창문을 열어야했다. 블라인드를 내리고 창문을 열면 바람에 블라인드가 펄럭거리며 소음을 발생시키기 때문이다. 특히 학교나 사무실 등에서는 이런 소음은 곤란하다. 하지만 가변 태양광 모듈을 설치하면 햇빛은 전기 로 변환시키고 창문을 열면 바람은 그대로 확보할 수 있다.
여름 겨울 태양
태양
한옥의 처마구조를 이용한 태양광 발전의
유용성 슬라이드 방식
블라인드 방식 롤 방식
□ 연구 활동 및 과정
○ 교내에 설치된 태양광 발전시설의 효율을 개선할 수 있는 모델
- 태양광, 알루미늄 호일 버전 (실외 측정 온도 섭씨 30도, 12시 20분~1시의 직사광선)에서 태양광 모듈의 Pmax가 1.177X 향상
- 태양광, 알루미늄 광판 (실외 측정 온도 섭씨 30도, 12시 20분~1시의 직사광선)에서 태양광 모듈의 Pmax가 1.340X 향상
- 백열등, 알루미늄 호일 버전 (실내 측정 온도 섭씨 26도, 백열등 – 220V - 100W 1m 거리)에서 태양광 모듈의 Pmax가 1.285X 향상
- 백열등, 알루미늄 광판 (실내 측정 온도 섭씨 26도, 백열등 – 220V-100W 1m 거리)에서 태양광 모듈의 Pmax가 1.477X 향상
광원 반사판 알루미늄 호일 알루미늄 광판
태양광 1.177X 향상 1.34X 향상
백열등 1.285X 향상 1.477X 향상
교내에 설치된 태양광 발전시설의 효율을 개선할 수 있는 모델 실험 결과
○ 교내뿐만 아니라 우리 주변의 소규모 태양광시설에도 적용될 수 있는 모델
태양광 조건
백열등 조건
1.직선형 반사판 실험 2.로그형 반사판 실험 3.곡선형 반사판 실험 4.원형 반사판 실험 5.포물면형 반사판 실험
5.포물면형 반사판 실험 4.원형 반사판 실험
3.곡선형 반사판 실험 1.직선형 반사판 실험 2.로그형 반사판 실험
풍동 실험 장치
반사판 광원 태양광 백열등
직선형 1.33X 향상 1.42X 향상
로그형 1.22X 향상 1.36X 향상
곡선형 1.06X 향상 1.26X 향상
원형 1.12X 향상 1.15X 향상
포물면형 1.07X 향상 1.1X 향상
교내뿐만 아니라 우리 주변의 소규모 태양광시설에도 적용될 수 있는 모델
○ 태양 전지의 설치방법을 응용하는 모델
- 슬라이드 방식 – 고층 건물, 저층 건물 등 다양한 건물에 적합하다. 그러나 가격 대비 효율은 블라인드 방식에 비해 떨어진다.
- 블라인드 방식 - 저층 건물에 적합하다. 60도의 태양광에서 가장 적절.
- 롤 방식 – 지상 층에 적합하다. flexible 태양전지를 사용해야하기 때문에 단가 상승.
슬라이드 방식 블라인드 방식 롤 방식
나. 교실 통풍에 최적화된 창문 구조 개발
□ 연구 방법
○ 교실 모형 제작
- 학교 교실을 20:1로 축소하여 모형을 주문 제작한다.
- 각 교실 모형에 새로 고안한 환기 모델을 설치한다.
○ 풍동실험장치 제작
- 드라이아이스에 뜨거운 물을 부어서 공기의 흐름을 가시화하는 방법을 사용했다.
○ 환기 모델 고안
- 환기에 효율적이라고 생각하는 여러 가지 환
기모델들을 생각해본 뒤에 총 5개의 환기모델을 만들어 냈다.
온도에 따른 환기 측정 왼쪽부터 순서대로 대조실험, 환기모델 A, B, C, D, E 사진이다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 제 1회 실험 (2012.7.16.~7.23)
- 대조 실험 : 일반 교실의 환기 실태를 보기 위해서 대조실험을 진행한다.
- 환기 모델 A, B 실험 : 환기모델 A는 전체적인 흐름이 밑에서오는 바람을 제외한 대부분의 바람을 받아들이는 형태를 보였고, 전체적인 흐름이 위에서 아래로 흐르는 모습을 보여주었고, 환기 모델 B는 환기 모델 A에 비해서 규칙적으로 운동하고 많은 공기가 더 빠른 속력을 보여주었다.
환기 모델 A의 공기의 흐름 환기 모델 B의 공기의 흐름
- 온도에 따른 환기 정도 측정 실험 : 처음에는 실험방법 으로서 적외선 촬영하는 방법을 채택했는데, 실험 방법이 어렵고 바람의 흐름을 정확하게 측정할 수 있기가 어렵고 효율적이지 않기 때문에 실험을 취 소하기로 하였다.
○ 제 2회 실험 (2012.7.31.~8.1)
- 실험 방법 변경 : 기존의 풍동실험장치를 변경했다. 드라이아이스를 아주 잘게 갈아서 표면적을 넓혀 풍동실험장치의 효율을 높이기 위해서 여러 방법을 제시했다.
드라이아이스 그라인딩 새로운 풍동실험
왼쪽부터 순서대로 풍동실험 진행중인 대조실험, 환기모델 A, B, C, D, E 사진이다.
○ 제 3회 실험 (2012.8.8)
- 내부구조 변화 실험 : 내부구조를 바꾸는 것은 학교 교실에 적용되기 매우 힘들기 때문에 더 이상 실험을 진행하지 않기로 한다.
○ 제 4, 5회 실험 (2012.10.8)
정면 속도
(cm/s)
공기층의 너비(cm)
바람 지속
길이(cm) 바람의 세기 비교 대조 24.07 5.25 5.25 P = Q = R = S
A 22.41 2.67 5.73 P = S > Q = R
B 27.08 1.91 7.64 Q = R > P = S
C 24.07 5.73 5.73 P = S > Q = R
D 26 5.73 7.64 P = S > Q = R
E 29.5 3.82 8.78 P = S > Q = R
제 5회 실험 정면 관찰 결과
정면 속도
(cm/s)
공기층의 너비(cm)
바람 지속
길이(cm) 바람의 세기 비교
대조 26 3.25 8.45 P = Q = R = S
A(닫힌) 27.08 0 10.73 P > R > Q = S
A(열린) 29.55 3.25 8.13 P > S > Q = R B 43.33 2.91 9.75 P = S > Q = R C 16.61 4.55 6.18 P > Q > R > S D 24.07 2.28 11.05 P = Q = R = S
E 25 3.25 9.60 P = S > Q = R
제 5회 실험 측면 관찰 결과
다. 배수관 내부의 빗물 흐름을 이용한 친환경적 발전 가능성 제시에 관한 연구
□ 연구 방법
○ 발전 방식 계획 및 연구 방향
- 발전 방식은 관 내벽면에 물레방아를 설치하여 진행하는 것이다. 즉, 관을 타고 흐르는 빗물이 물레방아를 돌려서 발전하는 방식인 것이다.
각 발전장치의 위치 및 거리(개별적으로 설치)
○ 연구 장치 준비
실험을 위해 배수관을 아크릴관으로 대응시켰 다. 발전장치는 그림과 같이 설치되었다. 배수 구로부터 각각 40cm, 80cm, 100cm에 위치하여 있다. 이 기준에 따라 아래의 “2차 실험”,
“3차 실험”을 진행하였다.
○ 배수관에 흐르는 유체의 유속 설정
- 수도꼭지에서 나오는 물로 실험을 진행할 계획이기 때문에 그것을 얼마나 열어서 실험할지 ①~⑤까지 기준을 정하였다. 기준을 설명하자면, 가장 조금만 수도꼭지를 연 것, 즉, 유속이 가장 느린 것을 ①로 하고 가장 유속이 빠른 것을 ⑤로 하였다.
□ 연구 활동 및 과정
○ “1차 실험” 발전 가능성 확인 및 단일 발전량 측정
전압
기준 ① 0.000V
기준 ② 0.096V
기준 ③ 0.131V
기준 ④ 0.160V
기준 ⑤ 0.206V
최대 전압 측정
(기준 벗어남) 0.232V
표 7 1차 실험_단일발전장치 전압 측정 그림 33 발전장치 설치 모습
- 빗물을 이용한 발전이 가능한지 알아보는 것을 목적으로 하였다.
○ “2차 실험” 발전장치의 설치 높이에 따른 발전량 차이 비교
배수구와의 거리 100cm
배수구와의 거리 80cm
배수구와의 거리 40cm 기준① 0.000V 0.000V 0.006V 기준② 0.096V 0.078V 0.073V 기준③ 0.131V 0.128V 0.109V 기준④ 0.160V 0.144V 0.134V 기준⑤ 0.206V 0.168V 0.163V
표 8 2차 실험_배수구와 발전장치 사이의 거리에 따른 전압 측정 그림 34 2차 실험 차트화
- 발전장치의 설치 높이에 따른 발전량 차이를 비교하였다.
○ “3차 실험” 발전장치의 일렬 배열 위치에 따른 발전량
- 이 실험에서는 발전장치의 일렬 배열 위치에 따른 발전량을 알아보았다. 한 배수관 에 여러 개의 발전장치를 설치할 때, 발전이 원활히 이루어질 수 있을지 확인한다.
그림 35 3차 실험_차트화 그림 36 3차 실험_차트화
라. 급식시간 학생 이동에 따른 혼잡을 줄이기 위한 연구
□ 연구주제의 선정
○ 학교 급식시간에 많은 혼잡이 일어나 학생들 대부분이 큰 불편을 겪고 있는 상황이다. 설문조사 결과에 따르면, 약 90%의 학생이 “급식 대기로 인해 많은 시간을 낭비하고 있다.”고 생각하고 있었다. 그러나 약간의 변화만 준다면 상황이 개선될 수 있을 것이라는 생각에 연구를 시작하였다.
□ 연구 방법
○ 급식실 내부, 입구 쪽에 캠코더를 설치한 후 그 자료를 분석한다.
- 시간대별 급식실 내․외부 혼잡도 조사 - 학생이 비교적 적어지는 시간대 조사 ○ 혼잡도 기준 설정
- 급식실 외부
급 식 실
강
1 2 3 4 5 6 당
<급식실 입구 경로 조사 및 혼잡도의 기준 모식도>
위의 모식도와 같이 위치기준(①~⑥)을 설정하고, 대기열의 마지막 학생 이 서있는 위치기준이 줄어들거나 커질 때마다 그 시간을 기록하였다.
- 급식실 내부
급식실 내부에서는 촬영된 영상을 기준으로 1분 간격마다 자리에 앉지 못하고 있는 학생 수를 조사하여 그 혼잡도를 나타내었다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 급식실 외부
<급식실 앞 대기열의 길이 (7월 16일~19일 총 4일간)>
- 전체적으로 비슷한 경향을 보이는 부분이 있다. 우선, 점심시간이 시작되 는 30~40분 사이에 학생들이 가장 많이 몰린다.
- 주목해야할 점은 45분 근처와 50분 근처의 시간대이다. 그래프의 직선이 급격히 감소하는 것을 볼 수 있다.
○ 급식실 내부
<급식실 내 혼잡도 (7월 16일~19일 총 4일간)>
- 41~42분 근처에서 급격한 증가가 이루어지는 것과, 약 48분 근처에서 각 그래프들이 최고점을 기록한다.
마. 학교의 불편함 개선을 위한 학교 건물의 외형 변화에 대한 고찰
□ 연구 방법
○ 실험 절차
- 학교 건물 시설, 모양으로 생기는 문제점을 조사하고 실험을 통하여 검증한다. 또 다른 문제점인 여러 시설의 공간 부족 문제를 해결하고, 공간의 효율성을 증가 시킬 수 있는 새로운 학교 모형을 개발한다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 실험과정
-
학교에 존재하는 건물 구조적인 불편함 조사학교의 공간적으로 불편한 점이나 아쉬운 점을 조사하였다. 불편한 점 은 첫째, 건물의 일조량이 부족하다는 것이다. 보평고의 건물은 두 개가 서로 마주보고 있어서 마주보고 있는 두 건물이 서로 다른 건물에 그림 자를 지게 된다. 둘째, 다목적 강당, 급식실, 운동장의 공간이 부족하다.
그림 40 보평고등학교 위성사진 - 학교의 일조량 개선을 위한 실험
학교 건물은 모두 지붕모양이 직각 모양으로 획일화 되어있다. 만약 지붕의 모양을 변형시켜 깎아준다면 그림자 지는 면적을 줄여 일조 량을 늘릴 수 있다고 생각해서 새로운 지붕모양을 고안했다.
새로 만든 직각삼각형, 사분원 지붕 모형
그림자 길이 측정 실험
그림자 길이가 작을수록 건물의 일조량이 증가한다고 판단되어 빛을 모형에 비추고 그림자 길이를 측정하는 실험을 하게 되었다. 광원이 비 추는 각도를 바꿈에 따라 나타나는 모형의 그림자 길이를 측정하였다.
- 새로운 학교모형 만들기
일조량 외에 문제를 해결하기 위해 새로운 학교 모형을 만들기로 했다. 운 동장, 다목적 강당, 급식실의 넓이를 넓히는 것과 공간을 좀 더 효율적으 로 이용할 수 있는 방안을 고안하는 것 이였다. 공간의 효율성 개선시켰다.
바. 소음의 전기에너지로의 전환 및 활용 방안에 관한 연구
□ 연구 방법 ○ 사전 조사
실험에 필요한 기본적인 지식 및 현재의 발전 방식의 원리에 대한 조사.
○ 1차 실험
마이크 한 개를 이용해서 실험 한 후 발생한 전류, 전압 측정.
○ 2차 실험
마이크 두 개를 이용하여 마이크 한 개를 이용해서 실험했을 때와의 전압 비교.
○ 3차 실험
키트 제작 및 구체적인 실용화 방안 모색.
□ 연구 활동 및 과정
○ 1차 실험
- 마이크케이블을 잘라서 스트리퍼로 피복을 벗긴다.
- 전기 회로 테스터로 확인한 후 같은 전선끼리 묶는다.
- 마이크와 마이크 케이블을 연결하고 그 끝에 전기 회로 테스터를 연결한다.
- 교류전압 및 교류전류를 측정한다.
○ 2차 실험
- 마이크케이블을 잘라서 스트리퍼로 피복을 벗긴다.
- 전기 회로 테스터로 확인한 후 같은 전선끼리 묶는다.
- 마이크 케이블과 브레드보드 점퍼 케이블을 납땜해서 연결한다.
- 마이크와 마이크 케이블을 연결한다(1개씩).
- 마이크 케이블과 다이오드를 브레드보드에 연결하고, 집개 전선으로 전기 회로 테스터에 연결한다.
- 전기 회로 테스터로 전압을 측정한다.
- 마이크를 2 개 직렬로 연결한 후 같은 방법으로 실험한다.
○ 3차 실험
- 스트리퍼로 마이크 케이블 9개의 피복을 모두 벗긴다.
- 전기 회로 테스터로 확인한 후 같은 전선끼리 묶는다.
- 마이크 케이블 9개와 마이크 9개를 각각 연결한다.
- 마이크 케이블 9개를 만능기판 위에 직렬로 연결해서 납땜한다.
- 폼보드와 자와 공구용 칼을 이용해서 마이크 9개가 들어갈 직육면체 모양의 키트를 제작한다.
- 키트 안에 마이크를 넣어 보고 실용화가 가능할지에 대해 검토한다.
○ 4차 실험
- 제작된 키트를 가지고 지하철역과 찻길로 간다.
- 지하철이 들어올 때 키트에서 발생하는 전압을 측정한다.
3. 연구 결과 및 시사점
가. 태양광 발전 시설의 효율 개선에 관한 연구
□ 연구 결과
○ 교내에 설치된 태양광 발전시설의 효율을 개선할 수 있는 모델
○ 교내뿐만 아니라 우리 주변의 소규모 태양광시설에도 적용될 수 있는 모델
○ 한옥의 처마구조를 이용한 가변 태양광 모듈 설치 모델
- 가격대비 성능이 가장 뛰어난 방식은 60도의 태양광 아래에서 블라인드 방식이다. 블라인드 방식은 슬라이드 방식에 비해 가격대비 효율이 1.57 배 뛰어나고 저층 건물에서의 설계가 용이하다. 롤 방식은 설치, 운용 보수 면에서 가장 뛰어나지만 flexible 태양전지를 사용해야하기에 가격 이 지나치게 비싸지는 경향이 있다. 따라서 블라인드 방식이 한옥의 처마 구조를 이용한 가변 태양광 모듈 설치 모델로서 가장 적합하다.
□ 결론
교내 태양광 모듈 효율 개선모델은 알루미늄 광판을 이용하여 효율을 종전의 134%로 향상 시켰습니다. 광범위한 영역에 적용 가능한 모델은 직선형 제1반사판을 사용하여 효율을 종전의 133%로 향상시켰습니다.
마지막으로 한옥의 처마구조를 이용한 가변 태양광 모듈은 블라인드 방 식이 가장 적합할 것으로 예상됩니다.
□ 시사점
반사판을 이용하여 태양광 발전시설의 효율을 개선하려 했는데, 보다 정밀하 고 성능이 뛰어난 반사판을 사용하고 싶었다. 그러나 주문제작은 대량생산만 가능하였다. 알루미늄을 광판을 구입하여 실험하다보니, 알루미늄 광판의 반사율이 예상보다 높지 않았다. 또한 Pmax를 측정하는 기계가 고가이다 보니, 전류와 전압을 직접 측정하여 실험을 진행하였다. Pmax를 보다 정밀하 게 측정할 수 있었다면 더 정밀한 실험 데이터를 얻었을 것이다.
나. 교실 통풍에 최적화된 창문 구조 개발
□ 연구 결과
○ 모델별 특성
- 환기모델 A : 아래에서 올라오는 바람을 모아주지 못하고, 바람의 방향에 따라 창문을 여닫을 수 없는 구조이면서, 환기에 문제가 생길 수도 있는 구조이다.
- 환기모델 B : 바람이 통과하는 단면적을 달리함으로써 상대적으로 압력을 다르게 하면서 바람이 더 효율적으로 들어오고, 공기의 속도 를 빠르게 할 수 있다.
- 환기모델 C : 모델 옆에 뚫려있는 작은 틈 사이로 바람이 새서 바람의 세기가 상대적으로 약해졌고 바람의 지속 길이가 매우 짧았다.
- 환기모델 D : 옆에서 오는 바람도 받아서 안쪽으로 넣어주고 다양한 방향에서 오는 바람도 받아줄 수 있는 과학적인 구조라고 생각한다.
- 환기모델 E : 바람이 부드럽게 통과하게 하기 위해서 곡선을 따라서 부드럽게 내부로 이동하는 모습을 볼 수 있었다. 따라서 바람이 고르게 흐르는 모습을 볼 수 있었다.
□ 시사점
○ 환기 모델 A, C는 현재 창문과 비슷하거나 그 이하의 성능을 가졌다 는 결과가 나왔다. 환기 모델 B, D. E는 바람의 세기나 속력에서 근소한 차이를 보이고 있기 때문에 다른 사람이 받아들일 수 있는 모델로 선정되는 것이 제일 낫다고 생각한다.
다. 배수관 내부의 빗물 흐름을 이용한 친환경적 발전 가능성 제시에 관한 연구
□ 연구 결과
○ 유수의 세기와 양이 많아질수록 발생하는 전압의 크기가 커진다. 이는 발전량이 유속에 크게 영향 받는다는 것을 설명한다.
○ 유속이 매우 빨라지면 발생하는 전압이 오히려 감소하는 현상이 발견된다.
○ 실험을 통해 발전장치가 나타내는 전압은 0.000V~0.232V로 다양하며 이 연구의 발전방식의 효용성을 보여준다.
○ 유체는 발전장치를 지나면서 매우 불안정해진다. 이는 발전장치의 존재가 배수관에 가해지는 압력이 커질 수 있음을 의미한다.
○ 이 실험에서처럼 짧은 높이에서는 배수구와 발전장치 사이의 거리가 발생하는 전압 크기에 큰 영향을 미치지 않는다. 그러나 실제 상황 으로 가면 이 높이 차이가 큰 전압 차이를 발생시킬 수 있다.
○ ‘배수관의 끝에 위치하였는가 아니면 중간에 위치하였는가‘도 전 압 차이를 가져오는 요인이다. 배수관의 끝에 위치하였을 때 발전이 더 원활하게 이루어지는 경향을 보인다.
○ 대체적으로 발전장치를 지나치면서 불안정해진 유체는 다음 발전장 치에 힘을 제대로 전해주지 못한다. 즉, 발전효율이 떨어지게 된다.
○ 위의 결과와 반대되는 현상이 발견되는데 이것을 “발전 효율 역전 현상”이라고 정의하였다. 이 현상은 유체의 속도가 충분히 빠르고, 발전장치 사이의 거리가 적당히 짧을 때 발견된다. 이 현상으로 인 해 불안정해진 유체가 지나가는 발전장치의 효율이 급격히 증가하는 시점이 생기게 된다.
○ 일렬로 배열된 발전장치가 많으면 많을수록, 아래에 위치한 발전장 치는 점차 전압을 갖기 어려워진다.
□ 연구 결과
○ 이 연구의 목적은 ‘배수관을 통해 친환경적인 발전을 할 수 있다’는 가능성을 시사하는 것이었다. 연구 결과, 그 가능성이 충분함을 확신할 수 있다. 단일발전장치 로도 최대 0.232V까지 발전이 이루어진다는 사실이 이러한 가능성을 뒷받침해주고 있다. 이 연구를 통해 실제 설비 시 고려해볼 사항도 알 수 있다. 예를 들어, ‘우선적으 로 배수관 끝에 발전장치를 설치하는 것이 경제적이라는 사실, 비가 약하게 꾸준히 오는 지역에는 발전장치 사이의 간격을 좁히고 비가 한 번에 강하게 오는 지역은 역전 현상을 이용할 수 있는 위치에 발전 장치를 배열하는 것이 좋을 것이라는 사실‘ 등 이 연구에서 얻어낸 결론을 기초로 배수관 발전을 시작할 수 있다.
□ 시사점
○ 에너지 부족 문제와 환경 파괴 문제는 늘 우리를 위협하고 있다. 시대가 지나면 지날수록 그것들은 우리를 더욱 압박해올 것이다. 이러한 문제들 은 비단 원자력 발전과 같은 대규모 발전뿐만 아니라 이 연구와 같은 소규모 발전이 병행되어야 해결할 수 있을 것이다.
라. 급식시간 학생 이동에 따른 혼잡을 줄이기 위한 연구
□ 급식실 외부
○ 30~40분대의 시간에 가장 많은 학생이 몰리게 된다.
○ 45분 근처, 50분 근처에서 급격하게 대기열의 길이가 짧아지는 시간대가 있다. 이 시간대를 잘 활용할 수 있도록 특정 학생들에게 권고하였다.
□ 급식실 내부
○ 급식실 내부에서의 혼잡도는 주기적인 특성을 가진다. 따라서, 내부가 혼잡해진 후 약 1~2분 사이에 충돌이 사라지는 시간이 생기게 된다.
○ 약 48분 근처에는 내부가 매우 복잡하므로 되도록 급식실 출입을 피하길 권하였다. 급식실 안에 있던 학생들은 혼잡을 조성하지 않기 위해 조금 더 늦게, 또는 빨리 급식실을 나가도록 하는 것이 전체적인 흐름에 도움이 될 것이다.
□ 시사점
○ 특정 학생들에게 대기 시간이 적은 시간대를 알려주어서 높은 만족도를 얻어내었다. 학생들의 급식시간 이용 시간대가 분산됨으로써 다른 학생들 도 시간을 절약할 수 있었다.
○ 권고안을 만드는 방안을 기록함으로서 후에 모범적 사례로서 이용 가능한 자료를 제시하였다.
마. 학교의 불편함 개선을 위한 학교 건물의 외형 변화에 대한 고찰
□ 연구 결과
○학교의 일조량 개선을 위한 실험
- 사분원 지붕에서 그림자 길이가 가장 짧게 나타난다. 즉, 사분원 지붕은
고안한 세 지붕 중에 가장 일조량을 크게 해줄 것으로 예상되었다.
기존 지붕모양
직각 삼각형
지붕 사분원 지붕
30도 27.6cm 23cm 21.7cm
45도 19cm 17.4cm 16cm
60도 14cm 14cm 14cm
표 9 그림자 길이 측정 결과
○ 새로운 학교모형 만들기
새로 만든 학교모형과 개선한 점은 다음과 같다.
그림 47 새롭게 만들어낸 학교 모형
새롭게 바꾼 것 전 후
지붕모양 직각기둥 지붕 사분원 지붕
천장 밖을 볼 수 없는
구조
유리로 천장을 만듬
급식실 300m 360m
다목적 강당 637.5m 765m
운동장 가로 73m 세로
50m
가로 80m 세로 55m
공간적 효율성 떨어짐 다리 지역을
없앰으로써 증가 표 10 새로 만든 학교 모형의 개선점
□ 시사점
○개선점
- 새로운 학교 모형을 만들 때 공간적인 측면에서 다루었지만, 한편 배수시설, 전기시설 등 다른 요인들에 대해서는 고려하지 못하였 다.
○사후 활용 방안 제시
- 이번 연구에서 탐구한 사분원 지붕은 일조량 감소의 주요원인 건물그림자 길이를 감소 시켜주어 학교 건축 할 때 적용되면 많은 도움이 될 것이다.
- 새로 만든 학교모형은 최대한 학교의 공간을 잘 활용하기 위해 고안된 것이므로 이 연구를 통해서 보평고등학교와 비슷한 환경에 학교를 지을 때 참고하면 공간을 효율적으로 이용하는 학교를 지을 수 있을 것이다.
바. 소음의 전기에너지로의 전환 및 활용 방안에 관한 연구
□ 연구 결과
○ 1차 실험
1차 측정 2차 측정 3차 측정 4차 측정 5차 측정 평균 전압(V) 0.627 0.615 0.621 0.618 0.617 0.623
전류(A) - - - - - -
교류전압 및 교류전류 측정
- 마이크 한 대당 평균 0.623V의 전압을 얻음.
- 전류는 측정되지 않음 값이 너무 작기 때문인 것을 추정됨.
- 현재로서 가능성은 충분하지만 아직 실용화시키기에는 부족함.
○ 2차 실험
전압 (V)
1차 측정 2차 측정 3차 측정 4차 측정 5차 측정 평균 마이크 1개 0.677 0.627 0.698 0.614 0.629 0.643 마이크 2개 1.229 1.237 1.258 1.233 1.302 1.252
마이크 한 개일 때와 마이크 두 개일 때 직류전압 측정
- 다이오드의 연결 여부와 전압은 별로 상관관계가 없음.
- 마이크 두 개에서 출력되는 전압이 마이크 한 개에서 출력되는 전압의 약 두 배.
○ 3차 실험
- 마이크를 모두 효과적으로 수용하고 단순한 구조를 가진 키트 제작.
- 너무 무겁고 크기가 크다는 단점.
- 디자인이 아름답지 못하다는 단점.
○ 4차 실험
- 지하철역에서 지하철이 들어올 때 약 0.153V정도의 전압이 발생.
- 찻길에서는 약 0.02V정도의 전압이 발생.
□ 시사점
이번 연구에서는 소음의 에너지를 포집해서 우리가 사용 가능한 에너지로 변환한 후 활용할 방법을 알아내었다. 이 발전 방식이 아직은 미흡한 점이 많고 에너지
효율 적인 측면에서도 개선되어야 할 부분이 많겠지만 이 발전 방식이 실생활에 응용된다면 대규모 발전은 불가능할지라도 소규모로 전력을 생산하여 화석 연료 사용의 절감과 에너지 부족 문제의 해결에 작게나마 도움을 줄 수 있을 것이다.
4. 홍보 및 사후 활용
□ 사후 연구 계획
○ 본 연구 이후에는 각각의 소주제들이 좀 더 깊이 있고 다양한 측면에 서 연구가 진행 될 것이며 학교 건축 사업단인 BTL 사업단에 연구결 과를 제시하는 형식으로 연계활동이 진행될 예정이다.
□ 연구 논문 홍보 계획
○ 본 연구는 더욱 진행되서 매우 큰 가치를 가진 논문으로 인정받는다 면 제본해서 단행본으로 출판했으면 하는 바람이다. 또한, 학교 건축 사업단인 BTL 사업단에 제출하고 추가적으로 더 진보된 연구를 해서 이 연구를 필요로 하는 집단 혹은 개인에게 공유할 것이다.
5. 연구결론
□ 현재 우리학교에는 아주 많은 문제점들이 존재한다. 이번 연구에서 각각의 연구는 그러한 문제점들을 지적하고 해결책을 제시하고 있다.
STEAM 이론을 토대로 이 연구에 대한 결과를 종합해볼 때, 크게 에너지 분야와 구조 분야로 나눌 수 있다. 각각의 분야에서 여러 결과 들을 종합해보기로 한다.
□ 첫째, 에너지 분야에서는 크게 소리에너지, 태양광에너지, 수력에너지에 대한 개선이 나타난다. 먼저, 학교 주변에서 생기는 소리에너지를 재활용하는 방법, 학교 태양광 시설에 대한 효율을 개선해서 버려지는 에너지를 재활용하고, 빗물이 밑으로 떨어지면서 생기는 에너지를 다시 이용하게 된다. 중요한 점은, 버려지는 에너지를 우리가 전기에 너지로 다시 활용할 수 있는 대안을 제시한다.
□ 둘째, 학교 구조 분야에서는 크게 교실의 구조를 바꾸는 방법으로 학교에서 환기가 잘 되지 않는 부분을 개선하면서, 통풍의 효율을
개선하는 방법을 제시하고, 전체 학교 외부 구조를 바꾸어 학생들의 동선에 대한 비효율성을 개선하고, 채광에 대한 문제들이 개선하면서 학교에서 생기는 문제점들을 바꿀 수 있게 되었다.
□ 이렇게 학교에서 생기는 문제점들을 STEAM이론을 접목하여 개선하 였다. 이 이론을 접목했다는 의미는 우리가 사회의 문제를 과학 (Science), 기술(Technology), 공학(Engineering), 예술(Art), 수학 (Mathematics)를 이용해서 개선한다. 예를 들어, 베르누이 방정식 같은 과학적인 이론들을 언급하고, 태양광 집열판과 태양전지 같은 최첨단 기술을 이용하면서, 소음에서 전기에너지를 얻는 방법에서 전기 전자 공학을 접목시키며, 환기 효율이 높은 것 뿐만아니라 학교에 접목되 기에 가장 이상적이고 어울리는 환기 모델을 선정하는 예술적인 안목, 또한 학교 구조의 이동 동선상의 비효율성을 수학적으로 계산하는 수학적인 사고를 통해서 이번 연구를 진행한데에 다른 연구와 차별되는 아주 큰 장점이라고 할 수 있다.
6. 참고문헌
□ Frank M. White, Fluid Mechanics(유체역학), McGraw-Hill, 2012, pp.8,46-47,49
□ 유주식, 알기 쉽게 설명한 핵심 기초 유체 역학(Fundamentals of Fluid Mechanics), 홍릉과학출판사, 2012, pp.21-22
□ 張容星, "學校敎室의 室內環境改善을 위한 換氣시스템 最適化 方案 硏究", 인하대학교 대학원 박사 학위논문, pp.22, 2006.8
□ 구와노 유키노리, 태양 전지란 무엇인가, 아카데미서적 □ 이현화, 유권종, 태양광 발전 시스템 설계 및 시공
□ 박병우, 배관설비공학(실무자 공학도를 위한 지침서), 일진사, 2011
