STEAM R&E 연구결과보고서

STEAM R&E 연구결과보고서

(에너지 자립 운동을 통한 지속가능한 학교 만들기)

2015. 11. 17.

문경여자고등학교

< 연구결과 요약 >

과 제 명 에너지 자립 운동을 통한 지속가능한 학교 만들기

연구목표

에너지 소비에 대한 경각심을 일깨우고 에너지 자립 운동에 대해 연구하는 과정에서 기술·공학적, 지구과학적, 예술적, 경제적 개념을 융·복합적으로 학습.

연구방법

○

–

○

○LED -

○

-

연구성과

○태양광 발전 - 태양광 패널의 각도가 45°인 경우 한 대당 하루 평균 1,824W(76W×24h)의 전기를 발전할 수 있다.

○빗물 재활용 – 빗물은 해염 성분과 유사함. 산성 성분은 초기 빗물에만 포함되어 있어 제거장치를 통해 제거 가능. 지상 설치 형 저류시설로 아연도금 강판과 플라스틱 탱크가 가장 적합.

○LED – 형광등은 월별 전력사용량이 1,244.16kWh. LED 는 월별 사용량이 655.2kWh. 1달에 588.96kWh만큼의 전력사 용을 줄일 수 있음.

○압전 에너지 활용 – 중앙현관계단의 유동인구가 하루 평균 약 1,456명으로 설치 장소로 적합. 하루 평균 전력생산량은 3.0855mW.

주요어

(Key words) 에너지 자립, 태양광 발전, 빗물 재활용, LED, 압전소자, 에너지 하베스팅

1. 개요

□ 연구 동기 및 목적 ○ 연구 동기 및 필요성

- 고등학생의 특성상 학생들은 하루 대부분의 시간을 학교에서 보 낸다. 학생들은 종일 학교에서의 생활을 위해 형광등, 컴퓨터, 냉·

난방 기기, 수도 시설 등을 통해 많은 양의 에너지를 소비한다. 특 히 문경여자고등학교에서는 저녁식사 후 자율학습까지 진행되기 때 문에 에너지 소비가 많은 실정이다. 그러나 야간 자율학습은 학생 들이 평소에 생활하는 본 건물이 아니라 별도로 마련된 자율학습을 위한 건물에서 공부를 하므로 이때 사용된 전력만큼은 따로 관리하 여 절약하거나 재생에너지를 이용하여 비용 절감을 실현할 수 있을 것으로 생각하였다. 그리고 때마침 우리 고장 문경의 정리 마을이 올해 에너지 자립 마을로 탈바꿈하였다는 기사를 보고, 에너지 자 립 마을에서 아이디어를 가지고 와서 학교 실정에 맞게 연구하여 에너지 자립 학교를 만들어 보면 좋겠다는 생각을 하였다.

그림 1 신재생 에너지 활용 사례

이 연구를 통하여 학생들은 에너지 자원의 유한성에 대해 깨닫고 에너지 자립 운동을 하는 과정에서 전기와 관련된 물리개념, 태양 광 발전 시설과 빗물 재활용 시설 등과 관련된 기술·공학개념, 태 양광 발전의 이론적 내용과 관련된 지구과학적 개념, 다양한 시설 이 학교의 특성에 맞춰 어떻게 어우러질 것인가에 대한 예술적 개

념, 지속 가능한 학교를 실천 하였을 때의 경제성에 대한 개념을 학습할 수 있을 것이 다. 더 나아가 지역사회와의 연계활동을 통해 소통의 장을 마련하고, 에너지 문제에 조 금이나마 이바지를 함으로써 학생들이 에너지에 대해 한 번 더 생각해 보는 계기가 될 것이다.

○ 연구목적

- 최근 많은 고등학생이 하루 대부분의 시간을 학교에서 보내고 있 다. 특히 학교에서 방과 후 수업과 야간 자율학습을 시행함에 따라 형광등, 컴퓨터, 냉·난방 기기 등을 통해 많은 전기에너지를 소비 한다. 전기에너지를 소모하는 과정에서 낭비되는 에너지 또한 있 다. 학교 내 일상생활에서 낭비되는 에너지는 쉽게 볼 수 있다. 이 동수업으로 빈 교실에 불이 켜져 있거나, 사용하지 않는 컴퓨터의 전원을 끄지 않는 것, 불필요한 물 사용 등이 그 예시가 될 수 있 다. 학생들의 노력뿐만 아니라 추가적인 에너지를 확보하여 낭비되 는 에너지의 양을 줄이는 방안이 필요하다. 혹은 에너지 효율이 뛰 어난 제품들을 학교에 적용하는 방안도 이용될 수 있다. 추가적인 에너지 확보 방법에는 연료전지, 수소에너지, 석탄 액화가스, 태양 열․광 에너지, 풍력에너지, 바이오에너지, 해양에너지, 조력에너지, 지열에너지 등이 있다. 하지만 이러한 발전 방식은 일상생활에서 쉽게 구하지 못하는 것이 대부분이다. 우리는 우리 고장 문경의 에너지 자립마을인 정리마을에 관한 기사를 읽고 학교에서의 에너 지 자립운동을 통해 학생들에게 에너지 소비에 대한 경각심을 일

그림 2 학생들이 자율학습을 하는 별도의 건물

깨워 주고 재생에너지 사용을 통해 에너지를 확보할 수 있지 않을 까 하는 생각을 하게 되었다. 우리가 생각해낸 에너지 자립을 위한 추가적인 에너지 확보 방법에는 태양열․광 에너지를 이용한 전기에 너지 확보, LED 전등 교체를 통한 장기적 전기에너지 확보, 빗물 을 활용한 물 절약이다. 전문적인 기술을 필요로 하지 않기 때문에 일상생활에서 쉽게 얻을 수 있을 것이라 예상된다. 이 프로젝트의 궁극적인 목적은 ‘에너지자립학교 만들기’이다. 학교 내에서 직 접 에너지를 확보하여 사용함으로써 경제성과 효율성 또한 확보할 수 있을 것이다.

□ 연구범위

- 본 연구는 범위를 크게 태양광 발전 시스템, 빗물 재활용 시스템, LED 활용 시스템 그리고 압전 에너지 활용 시스템으로 나누어 진 행하였다.

연구범위 상세내용

태양광 발전 시스템

최적 환경 조사 발전량이 가장 많은 발전기 각도 조사 발전량이 가장 많은 시간대 조사

발전 시설 설치 옥상면적을 조사하여 발전기 설치 가능 개수 계산

빗물 재활용 시스템

재료선정 적합성 검토

현재 사용되고 있는 저수조의 재료 조사 각 재료의 특성을 분석

재료의 적합성 검토 시설설계 시설의 배치와 규모 계산 LED 활용

시스템

조도측정 광원에 따른 자습실 자리의 조도 측정 전력량 계산 광원을 바꿨을 때 줄어드는 전력량 계산

압전 에너지 활용 시스템

유동인구 조사 및 장소 적합성

가장 많은 유동 인구를 가지고 있는 장소 조사 장소의 적합성 고려 및 검토

압전 블록 설계 회로도 구성

압전 블록 설계 및 시뮬레이션

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구 ○ 태양광 발전 시스템

- 문경시 마성면 정리마을은 신재생에너지 활용을 통해 전기를 생 산 소비하는 제로 에너지 마을로 조성되었다. 이 사업을 통해 정 리마을 주택 및 공동이용시설 36개소에 태양광(84.9kW), 태양열 (222.48㎡) 설비가 지원돼 연간 최대 5천만 원의 에너지 비용절감 이 기대된다고 한다.

- 태양광발전은 태양전지와 축전지, 전력변환장치로 구성되어 있 다. 태양 빛이 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시킨 태양전지에 쪼여지면 태양 빛이 가지고 있는 에너지에 의해 태양전지에 정공 (hole)과 전자(electron)가 발생한다. 이때 정공은 P형 반도체 쪽으 로, 전자는 N형 반도체 쪽으로 모이게 되어 전위차가 발생하면 전류가 흐르게 된다.

- 태양광 발전의 효율은 태양광의 주사시간과 비례한다. 따라서 태 양광 시설의 최적입지는 태양광의 주사시간을 최대로 확보할 수 있는 지역이라고 할 수 있다.

- 2014년 8월부터 2015년 7월까지의 학교 전력 월별 사용량을 분석 한 결과 평균적으로 57,667.12kWh를 사용하는 것으로 확인되었다.

- 경기도 용인에 있는 하수처리장을 대상으로 태양광발전시스템의 설치조건에 따른 에너지 자립률을 분석한 연구에 따르면 국내 하 수처리장 연평균 전력소비량을 기준으로 100kW급의 태양광발전 시스템을 설치할 경우 에너지 자립률은 약 2.74%로 나타났고 에 너지자립율의 기여도가 높은 설치조건은 남서향 및 남향인 것으 로 확인되었다.

- 에너지 자립률은 연간 전력 생산량÷연간 전력 소비량×100으로 계산한다.

○ 빗물 재활용 시스템

- 빗물이용시설이란 건축물의 지붕 면 등에 내린 빗물을 개별적으 로 모아서 이용할 수 있도록 처리하는 시설을 말한다.

- 학교에 빗물 재활용 시스템을 적용하기 위해서는 학교의 각종 시설에 영향을 주는 요인, 추가로 설치해야 할 시설과 그 규모 등에 대해 알아야 하였다.

- 문경지역의 연평균 강수량은 1259.8mm이며 여름철 평균 약 195mm, 겨울철 평균 약 25mm 정도의 많은 강수량 차이를 보였다(1981-2010, 기상청).

- 학교에 별도로 마련된 야간자율학습 건물은 평균적으로 하루에 약 0.3톤의 물을 사용하고 있는 것으로 확인하였다.

- 빗물의 주요 용해 성분은 Na와 Cl이고 Ca, Mg, K, SO4등 도 포 함되어 있다. 이는 해염의 조성과 유사하다.

- 빗물의 pH가 5.6 이하가 되면 산성비라 부르며 도시 지역에 내 린 빗물의 pH는 주로 3~6 정도로 나타나지만, 강우가 지속되면서 일정한 범위로 수렴된다. 집수면, 저류조 등에서 콘크리트로부터 알칼리 성분이 용출되어 pH는 7~8로 수렴된다.

- 저류시설(저수조)과 집수량은 집수면적과 유출계수를 고려하여 그 규모를 계산한다.

- 현재 빗물 저류조로 사용되고 있는 재료로는 아연 도금강판, 콘 크리트, 유리섬유, 플라스틱(폴리에틸렌) 등이 있다. 아연 도금강 판은 저수조에 가장 널리 사용되고 있는 재료로 부식이 일어날 수 있지만, 코팅을 통해 부식을 방지할 수 있다. 콘크리트는 알칼 리 성분이 용출되어 pH가 높아질 수 있다. 유리섬유는 규산염을 주성분으로 하는 유리를 용융·가공하여 섬유 모양으로 가공한 것으로 내구성이 강하고 부식이 일어나지 않는다는 장점이 있다.

우리나라 연평균 강수량의 연도별 변화(자료 : 기상청)

플라스틱(폴리에틸렌)은 충격에 강하고 부식이 일어나지 않는다.

가볍고 햇빛을 차단할 수 있다는 장점이 있다.

- １년 동안에 집수 가능한 빗물의 양은 다음과 같다

집수량（ｍ３）＝집수면적（ｍ２）×강수량（mｍ/년）×유출계수 × 10-3 - 유출계수란 강우량에 대한 하천이나 하수관거에 유입하는 우수

량의 비율을 말한다.

표면 유출계수 표면 유출계수

지붕 0.85 - 0.95 공지 1.10 - 0.30 도로 0.80 - 0.90 잔디 수목 많은

공원 0.05 - 0.25 기타 불투수 면 0.75 - 0.85 경사가 완만한 산지 0.20 - 0.40 수면 1.00 경사가 급한 산지 0.40 - 0.60

토지이용도별 기초유출계수의 표준값 (환경부, 2011)

- 빗물 탱크의 용량은 다음과 같이 계산한다

저류조의 용량（ｍ３）＝집수면적（ｍ２）×계수（0.1ｍ)

- 초기 유출수는 집수면 퇴적물의 세척 의해 COD, SS 등의 초기 오탁이 보이지만, 강우가 계속됨에 따라 점차 감소하여 2~4 NTU 정도의 빗물 수질에 가까워진다.

- 일반적으로 초기빗물은 대상 지역의 강우 량을 누적유출고로 환산하여 최소 5mm 이 상의 강우량으로 한다.

- 서울특별시에서 제시한 빗물이용시설의

수질 권고기준에 따르면 인체 비접촉 용수는 pH 5.8~ 8.5, 탁도 (NTU) 5 이하를 만족 시켜야 한다.

○ LED 활용 시스템

- 형광등은 진공으로 된 유리관에 수은과 아르곤 가스를 넣고 안 쪽 벽에 형광 도료를 칠하여, 수은의 방전으로 생긴 자외선을 가

시광선으로 바꾸어 조명하는 등이며, LED(Light Emitting Diode)는 발광다이오드라고도 불리며 갈륨비소 등의 화합물에 전류를 흘려 빛을 발산하는 반도체소자이다.

- 일반적으로 LED 등이 형광등을 사용했을 때보다 전력효율이 높 고 수명이 길다고 알려져 있다.

- 형광등의 광 효율은 60~80㏐/W이고, LED 등의 광 효율은 80~150

㏐/W로 최대 2배가량의 광 효율을 가지고 있어 이론적으로 같은 밝기라면 전력량도 형광등의 절반밖에 들지 않는다고 한다.

- 실제로 형광등의 수명은 평균적으로 8,000시간, LED 등은 평균 적으로 30,000시간 이상이라고 한다. 형광등은 필라멘트를 사용하 여 수명이 상대적으로 짧고, 유리를 사용하여 외부 충격에 약하 지만, LED는 P-N 접합 다이오드로 만들어진 발광소자로 정확한 전류와 전압이면 반영구적인 수명을 자랑할 정도로 수명이 길며 외부충격에도 강해 고장이 날 가능성이 작다고 한다.

- 조도(照度)란 어떤 면에 투사되는 광속을 면의 면적으로 나눈 것 을 말하며, 단위는 룩스(lux, 기호는 ㏓)이다. 조도는 광속에 비례 하고 떨어진 거리의 제곱에 반비례하기 때문에 떨어진 거리를 일 정하게 유지하여 측정하는 것은 중요하다.

- 조도 측정은 보통 조명 시설의 실태를 조사할 목적에서 시행된다.

○ 압전 에너지 활용 시스템

- 압전효과는 결정구조를 가진 재질에 힘을 가하면 결정 겉면에 전기적 분극이 일어나는 현상으로 피에조 저항효과라고도 한다.

- 압전 직접효과는 전압 발생 기능으로 압전 소자에 외부 응력, 진동 변위 등을 주면 그 출력 단에 전기 신호가 발생하는 현상을 말한다.

- 기계적 진동을 전기에너지로 전환할 수 있는 압전 재료를 활용 하는 압전 에너지 하베스팅의 경우 기존의 친환경 에너지와 달리 주변에 존재하는 미세진동이나 인체 활동 중 발생하는 미세한 움

직임으로부터 발생하는 소모성의 기계적 에너지를 전기에너지로 무한히 추출할 수 있는 새로운 에너지 개념으로 이러한 에너지 변환 방식은 변환 효율이 크고 소형, 경량화가 가능하다는 장점 을 가진다.

- 부산 도시철도 서면역은 국내 최초로 압전에너지 하베스팅 기술 을 도입하였다.

- 런던에 있는 학교에 압전 발판을 설치하여 1,100명의 학생들이 지 나다니는 복도에서 학생들이 수업을 위해 교실을 옮겨 다닐 때와 쉬는 시간에 발생하는 보행을 통해 에너지를 생산하는 장치를 설치 하였다. 생산된 에너지의 50%를 흥미 유발을 위한 조명장치에 사용 하고 나머지 50%는 저장되어 복도의 전등을 밝히는 데 사용되었다.

□ 연구주제의 선정

- 학교에서 생활하는 시간이 많은 고등학생은 학교생활에 익숙해 져 항상 사용하는 에너지의 소비에 대해 무감각해지는 경우가 대 부분이다. 특히 문경여자고등학교에서는 야간 자율학습, 방과 후 활동 및 동아리 활동 등으로 에너지 소비가 많은 실정이다. 그러 나 본교 학생들은 에너지 절약 교육에 대한 부족으로 에너지 소비 의 심각성을 깨닫지 못하고 있다. 이러한 문제에 대해 학생들은 교과서나 언론에서 습득한 에너지 문제에 대한 정보를 문경여자고 등학교의 현재 상황과 접목함으로써 교과서 안의 내용을 밖으로 가지고 나와 자기 주도적으로 활동하여 탐구능력과 지도력을 가지 게 되고 동시에 학교는 에너지 문제, 자원 문제를 해결하게 되는 일석이조의 효과를 얻을 것으로 기대된다.

이 연구를 실제로 진행하기 위해서는 많은 돈과 시간이 든다는 문제가 발생하기 때문에, 실제로 프로젝트를 실행할 수는 없지만, 이론적으로 계산하여 가상으로 프로젝트를 구현해봄으로써 시습관 의 에너지를 자립시켜보려고 한다.

□ 연구 방법

○ 태양에너지 활용 시스템

- 제로 에너지 마을인 문경 정리마을에 견학을 가서 신재생에너지 로 마을의 전기를 발전하는 모습을 직접 보고, 마을 주민의 인터 뷰를 통해 직접적인 효과를 느끼도록 한다.

- 직접 학교의 전기 계량기를 점검하여 실제로 어느 정도의 자원 이 소비되고 있는지 조사를 한다.

- 태양광 발전과 설비기기에 대한 이론적 지식을 교수님의 자문을 통해 학습한다.

- 학교 옥상에 태양광 패널을 설치하여 태양광 발전에 대한 최적 화된 조건에 대해 알아본다. 주변 건물 상황, 태양광 패널 각도 등 변인을 주어 실험을 하고 경제성에 대해 논의하여 어떠한 형 태(옥상 설치, 외벽 설치, 디자인 건축물로 도입 등)로 도입하는 것이 최적의 방법일지 연구를 한다.

○ 빗물 재활용 시스템

- 본 연구에서는 학교 건물을 대상으로 빗물 재활용 시스템을 화학적, 수학적으로 계산하고 설계하여 그 사용 적합성을 판단한 뒤 그것을 실제로 적용하였을 때의 경제성과 효율성을 판단하고자 하였다.

- 우선 빗물의 성분을 분석하여 수도관이나 저류조, 인체에 해로운 성분의 여부를 판단하여 재료를 선정하고 각 재료의 특성을 분석하 여 재료의 적합성을 검토한다.

- 집수 면의 면적과 강수량, 수도 사용량 등 여러 가지 요인들을 고려 하여 저수조의 용량을 계산하고 가장 효율적인 디자인을 설계한다.

○ LED 활용 시스템

- 교수님의 자문을 토대로 태양광 발전의 전기로 조명 사용 및 실 제 건물의 제품에 흐르고 있는 전력 계산 및 조명 기기 교체는 학생들의 기술적 한계로 인하여 LED 등이 설치되어있는 학교의 다른 자율학습실과의 비교를 통하여 실험을 하였다.

- 형광등이 설치된 자습실과 LED가 설치된 자습실의 자리별 조도를 측정하고, 최대조도, 최소조도, 평균조도 및 표준편차를 구한다.

- 평균조도를 비교해보고, 비슷하다면 단위면적당 광원의 개수와 전력량의 비교를 통해 줄어드는 전력사용량을 확인한다.

○ 압전 에너지 활용 시스템

-국내 최초로 압전 에너지 하베스팅이 도입된 부산 도시철도 서면 역 답사를 통해 어떻게 발전을 하고 있는지, 발전량이 얼마만큼 이 되는지 알아본다. 이를 토대로 압전 블록을 만들고, 문경여자 고등학교에 압전 에너지 블록을 어떻게 설치해볼지 탐구한다.

□ 연구 활동 및 과정

○ 태양에너지 활용 시스템

①패널 방향에 따른 발전 효율과 옥상 건 물 면적을 고려한 태양광 패널 수에 따 른 경제성을 고려하였을 때 패널 각도는 45°가 적절하다는 사실을 알아내었다.

②태양광 패널 각도에 따라 측정

- 어느 각도에서 가장 발전이 잘 되는지 확인하기 위해서 아침, 점 심, 저녁의 데이터를 측정해 평균값을 내서 비교한다.

- 날짜 사이의 간격을 최소화하고 평균적인 값을 얻기 위해 이틀간 같은 각도로 측정한다. 초반에 측정했던 데이터와 후반에 측정한 데 이터 사이에 날짜 차이가 크게 나서 발전량 측정을 다시 해야 했다.

(10/26 10/28 11/2 11/4)8시 13시 18시(10/27 10/29 11/3 11/5) 8시 13시

③발전량이 가장 많은 각도(45°)를 정해 1시간 간격으로 측정 - 하루의 평균 발전량을

알아보기 위해서 발전 량이 가장 많았던 각도 를 측정한 후 그 각도 인 45°로 8시 30분부 터 1시간 간격으로 17 시 30분까지 측정했다.

○ 빗물 재활용 시스템

①빗물의 성분분석과 재료선정

- 학교시설에 미치는 영향에 대해 알아보고자 빗물의 화학 성분을 조 사하여 그 유해성을 알아보고 이에 적합한 재료를 선정한다.

②시설 설계 및 디자인

- 기존의 학교건물에 빗물재활용을 시스템을 도입한다는 조건을 바탕 으로 어떤 집수방식과 저류시설이 적합한지에 대해 분석해 보았다.

- 집수면적과 수요량을 조사해 저수조의 용량을 계산하고 설계한다.

- 저류조, 집수면, 배관 등을 심미성과 효율성을 동시에 고려하여 디 자인한다.

○ LED 활용 시스템

①형광등과 LED로 인한 조도 측정하기

- LED와 형광등의 조도를 비교해 보기 위하여 조도계를 사용해 시습관의 형광등의 조도와 학 교건물 내 LED의 조도를 비교한다.

- 책상 내부의 조도도 위치별로 다르므로 위치를 일정하게 유지하여 측정한다.

-형광등 설치된 야간 자습실의 자리별 조도

조도 평균 : 574.715

- LED가 설치된 자습실의 자리별 조도

②야간 자습실과 LED가 설치된 자습실의 면적 측정하기

- 시습관의 면적을 측정하여 형광등 설치 조건과 비교해 LED 조명 을 몇 개를 설치해야 하는지, LED 사이의 간격을 얼마만큼 띄워 야 에너지 자립을 할 수 있는지 조사한다.

③줄어드는 전력소비량 조사

- 면적당 들어가는 에너지와 형광등과 LED의 전력량을 사용하여 1 달간 줄어드는 전력사용량을 조사한다.

형광등 사용 시 전력사용량 LED 사용 시 전력사용량

- 자습실 1층 내부 넓이 : 약 200㎡

- 설치된 형광등의 수: 108개

- LED가 설치된 자습실의 조도 평균:

572.917

○ 압전 에너지 활용 시스템

①학교 내 유동인구 조사하기

- 학교에서 통행량이 많은 곳을 몇 개 선정하여 조를 나누어 등교 시간, 점심시간, 쉬는 시간마다 유동인구를 조사한다. (단, 수업 종이 울리고 지나 간 인구는 무시한다) 유동인구가 가장 많은 장 소를 순서로 어느 장소가 조건에 적합한지를 토론해본다.

②압전 에너지 블록 만들기

- 만들기 순서 : 업 싸이클링에 활용하기 위해 폐교과서를 준비한 다. →교과서 위에 A4 용지를 깔고 실리콘으로 압전소자를 붙인 다. →압전소자에 전선을 연결하고 전선의 피복을 벗긴다. →전선 을 고정하기 위해서 납땜을 한다. →교류를 직류로 바꾸는 데 필 요한 다이오드를 연결한다. →축전기를 연결한다.

③가상 설계

- 기존의 논문의 내용을 바탕으로 압전 에너지 블록을 설치하였을 때 유동인구에 따른 발전량을 가상으로 설계한다.

- 형광등 1개당 소비전력: 32W - 총 소비전력: 108개*32W=3,456W - 면적당 소비전력: 3,456W/200㎡=18.28W - 한 달간 형광등 사용 시간:

4시간*30일=120시간 - 한 달간 전력사용량:

18.28(㎡)*200(h)*3

- (층)=1,244,160Wh=1,244.16kWh

- 설치된 LED의 수: 24개 - LED 1개당 소비전력:55W - 총 소비전력: 24개*55W=1,320W

- 면적당 소비전력: 1,320W/145㎡=9.10W - 한 달간 예상 전력사용량:

9.10*200*120*3=655,200Wh=655.2kWh

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

○ 태양에너지 활용 시스템

- 태양광 패널 각도에 따라 측정을 한 결과 45°에서 가장 높은 수치가 나왔다.

패널의 각도 25

°

°

전압(V) 216.2 216.5 216.35 217.8 218.5

218.15

패널의 각도 45

°

°

전압(V) 218.07 217.53 217.80 216.43 214.63 215.53 전류(A) 0.40 0.39

0.40

87.12

- 첫 번째 측정 결과에 따라 45°일 때 하루의 평균적인 전력량을 알아보기 위해서 한 시간 간격으로 측정한 결과 평균 76.377W 정 도를 발전하는 것으로 나타났다.

- 태양광 패널의 각도가 45°인 경우 한 대당 하루 평균 1,824W(76W×24h)의 전기를 발전할 수 있다.

측정시각 평균값

전압(V) 218.2

전류(A) 0.35

전력량(W) 76.377

○ 빗물 재활용 시스템

- 빗물의 화학 성분을 분석하여 빗물이 학교 시설물에 미치는 영 향에 대해 알아본 결과 빗물은 해염의 성분과 유사하여 시설물에 유해하지 않으며 산성 성분은 초기빗물에만 포함되어 있어 간단 한 초기빗물 제거장치를 통해 제거할 수 있다.

①옥상면적을 활용한 빗물수집 (화장실 세정용수로 활용)

- 한쪽 벽면에 저수조를 설치하고 건물 벽면에 설치된 지상으로 연결 되는 파이프를 이용하여 빗물을 한곳으로 모아 유출되는 우수의 양을

최소화한다. 저장된 빗물은 동력을 이용해 건물 내로 물을 공급한다.

- 집수면적, 유출계수, 학교의 일·월평균 상수도 사용량 등을 고 려하여 계산해 보았을 때 저수조의 용량은 2톤, 집수 방식은 지 상 설치형이 가장 적합하다는 결론을 얻을 수 있었다.

- 지상설치형 저류시설을 설치한다는 점을 고려하였을 때 아연 도금 강판, 또는 플라스틱 탱크가 가장 적합하다는 결론에 도달하였다.

②지상저수조 (공원 정원수)

- 디자인 측면에서는 본교의 특성을 최대한 활용 하는 데 중점을 두어 교화인 오얏꽃의 형상을 모티브로 잡아 지상저수조를 디자인하였다. 집 수 면을 오얏꽃의 꽃잎모양으로 디자인하였다.

- 지상저수조에 관한 정보는 수원시 환경정책과

에서 설치한 ‘빗물 저금통’에 문의하여 얻은 정보를 참고하였다.

- 꽃잎 부분의 제외한 집수 판의 지름을 3m~3.5m로 두고 면적을 꽃잎 부분으로 0.3m~0.8m 더 넓혀 빗물 수집을 최대화하여 높은 효율성을 얻을 수 있는 방향으로 디자인하였다.

○ LED 활용 시스템

-형광등을 사용할 때와 LED를 사용할 때의 조도평균은 비슷하지 만, 형광등을 사용했을 때보다 LED를 사용했을 때 자리별 조도의 표준편차가 낮은 것으로 보아, LED를 사용하면 자리별 조도가 비 교적 일정하게 유지된다는 것을 알 수 있다.

-형광등을 사용했을 때 월별 전력사용량이 1,244.16kWh지만 LED 를 사용했을 때 월별 사용량이 655.2kWh로 1달에 588.96kWh만큼 의 전력사용을 줄일 수 있다.

○ 압전 에너지 활용 시스템

- 본 연구에서는 학교 내에 가장 많은 유동 인구를 가지고 있는 장소를 대상으로 압전 에너지 하베스팅 시스템을 적용하였을 때 가장 효율적인 설치 방법을 분석해보았다.

- 통행량이 가장 많은 장소는 중앙현관계단이다. 중앙현관계단의 유동인구는 하루 평균 약 1,456명으로, 하루 평균 전력생산량은 3.0855mW이다.

○ 결론

□ 시사점

▷ 태양광 활용 시스템

- 최초 비용이 많이 들지만 에너지 자립에 가장 근접한 방법이다. 연구 를 계속 진행할 시 발전 환경과 기상상태를 고려한다면 더 정확한 연 구결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

▷ LED 활용 시스템

- 에너지 효율이 높은 제품들을 사용하는 것의 중요성을 알게 되 었다. 이후 연구를 진행한다면 다른 제품들도 효율성이 더 좋은 제품으로 바꿔서 줄어드는 전력량을 알아볼 것이다.

▷ 빗물 재활용 시스템

- 학교라는 기존 시설에 가장 효율적인 빗물 재이용 시설을 검토 함과 동시에 저수조가 외관상 심미성을 고려하여 학교 환경과 조 화를 이룰 수 있음을 보여주었다.

▷ 압전 에너지 활용 시스템

- 적은 양이지만 학생들에게 버려지는 에너지가 많다는 점을 깨닫 게 하였고, 사후 학교와 같은 건물의 압전 하베스팅 시스템 설치 에 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

▷ 본 연구는 참여 학생들이 직접 연구할 수 있는 주제들을 선정 하여 에너지 문제 해결이라는 큰 틀 안에서 물리, 화학, 지구과 학, 공학, 기술, 예술의 개념을 적용하여 문제 해결을 시도하였다.

각 소주제에서 각 팀원들의 개성에 맞는 탐구와 결론도출이 이루 어 졌고, 학생들과 직접적으로 연관된 에너지 문제를 구체적으로 수치화하여 개념화 시킨 것에서 교육적 효과가 있다고 볼 수 있 다. 또한, 우리가 평소 소비하는 에너지 및 자원의 규모는 매우 크고, 에너지 자립 운동으로 얻을 수 있는 자원의 규모는 매우 미미하다는 사실로 말미암아 대체 에너지 개발도 중요 하지만 더 욱 중요한 것은 에너지를 아끼는 생활 습관을 기르는 것임을 인 식하는 것이다.

4. 홍보 및 사후 활용

□ 홍보

- 지역의 에너지 자립 마을 탐방을 통한 학교와 지역사회의 태양광 발전 및 지속 가능한 네트워크 구축에 이바지한다.

- 우리 학교 에너지 자립 운동을 통한 지속 가능한 학교 만들기 구축으 로 에너지 자원 절약에 기여하고, 학교에 홍보 포스터를 만들어 게시함 으로써 학교 학생들의 직접적인 에너지 자립운동의 참여를 유도한다.

- 지역의 중학교를 방문하여 에너지 자립운동을 주제로 한 지식 기 부 및 홍보활동을 통해 에너지 문제에 대한 지역 구성원들의 관심 을 촉구한다.

그림 17 문경여자중학교 방문 및 홍보

□ 사후활용

- 본 연구를 통해 에너지 자립 학교 사업에 대한 자본과 환경 두 가지 분야의 경제성이 모두 적절하다고 판단될 경우 예산을 투입 하여 실제 사업이 진행될 것으로 기대된다.

- 에너지 자립 교실을 만들어 학교 구성원이 에너지에 대한 활동 을 직접 해 보고, 부가적인 이점을 직접 체득하면서 삶의 질을 향상한다.

- 지속 가능한 학교를 만들기 위해 본 연구에 포함된 에너지 자립 운동을 밑거름 삼아 다른 분야의 연구를 통한 지속 가능한 학교 만들기 연구가 이루어질 것으로 기대된다.

5. 참고문헌

- 건물 내 압전 발전 시스템 적용을 위한 계단 이용자의 통행 분 포도 분석에 관한 연구 (이미희, 나욱정, 전규엽, 홍원화) 2011. 7, 1294-1297 P. 1-2

- 압전효과를 이용한 기계적 하베스팅 (김미소-한국표준과학연구 원) 2012.10 603-610

- 안영섭, 김성태, 채규정, 강지훈, 양희정 (2011). 태양광발전시스 템 성능 시뮬레이션을 통한 하수처리장 에너지자립율 산정. 한국 태양에너지학회 학술대회논문집, 291-296.

- 김종남, 엄대용 (2015). 태양광 발전효율의 향상을 위한 태양광 발전시설 입지분석. 한국측량학회 학술대회자료집, 303-305.

- 장병민, 플라스틱 빗물 이용시설의 저장 빗물 수질 분석, 광운대 학교 박사학위논문, 2014

- 환경부제정 물 재이용 시설 설계 및 유지관리 가이드라인, 한국 상하수도협회, 2013