빌딩풍이란 넓은 공간에서 불던 바람이 고층빌딩 사이의 좁은 공간으로 들어오면서 속도가 더 빨라지는 현상이다. 빌딩풍을 발생시키는 원리로 벤투리 효과 라는 물리적 현상이 있다. 굵기가 다른관에 유체를 통과시킬때 넓은 관을 통과한 유체가 다시 좁은 관을 통과하게 되면 낮은 압력을 가지게 되 빠른 유속을 갖게 된다. 이러한 현상으로 넓은 지역에서 발생한 바람이 빌딩에 막혀 부딫히면서 빌딩풍이 발생한다.

빌딩풍은 도시의 높은 건물에 큰 풍하중을 줘

건물의 안정성에 부담을 가하지만 건물의 에너지원으로써 사용 될 수 있다. 대표적인 예로 높은 빌딩 사이에 틈을 둬 빌딩풍이 지나갈 공간을 만들고 그 공간에 풍력 발전기를 설치 하여 에너지를 생산 할 수 있다.

그렇다면 풍력 발전기는 어떻게 전기 에너지를 생산 할 수 있을까?

풍력 발전기의 구조는 블레이드-증속기-발전기의 구조체를 가진다. 여기서 풍력 발전기의 블레이드 즉 거대한 펜이 풍력에 의해서 회전하고 운동 에너지를 발전기를 통해 전기 에너지로 변환하여 생산한다. 발전기에서는 우리가 물리 1,2에서 배웠던 전자기 유도 현상을 이용하는데 앞선 설명처럼 풍력을 통해 얻은 회전 운동 에너지가 발전기 내 자석을 돌려 자기선속을 변화 시켜 전류를 흐르게 한다.

선정 이유: 최근 지진 발생이 점점 잦아지며 이에 대비하기 위해 내진설계의 중요성이 커지고 있고 물리적 개념과 내진설계 원리가 연관성이 있기 때문에 건물의 내진설계에 대해 탐구해 보기 위해 정했다.

내진설계란 지진이 발생하였을 때 건물이 무너지지 않게 충격을 흡수하고 최소화시키도록 설계하는 것으로 뉴턴의 제 2법칙이 가장 기본적인 내진설계의 원리이다. 건물이 지진파를 만났을 때 속도의 변화가 생겨 건물이 흔들리는데 이를 막기 위해 댐핑을 설치하여 건물이 지진의 영향을 받아 진동을 줄인다. 내진설계 구조의 종류로는 내진구조, 제진구조, 면진구조가 있다.

내진 구조는 지진이 발생해도 전체적인 구조나 내부 시설물이 파손되지 않도록 건축물 내부에 철큰 콘크리트의 내진벽과 같은 부재를 설치해 강한 흔들림에도 붕괴되지 않게 한다.

제진 구조는 다양한 종류의 제진 장치를 통해 지진 에너지를 낮추는 방법이다. 제진 장치가 건물의 강성, 감쇠등을 제어한다.

주로 트러스트 구조라고 하는 강재나 목재를 삼각형으로 조립해 하중을 지탱하는 구조를 이용한다.

면진 구조는 지진으로 발생하는 진동의 주기를 길게 변화시켜 건물이 받는 에너지를 줄이는 원리로 지반과 건물을 분리해 지진력의 전달을 감소하는 방법이다. 보통 적층 고무 베어링, 고무 블럭과 같은 면진 장치를 지면과 건물 사이에 배치한다. 지반의 흔들림이 면진 장치를 통해 완화돼 전달되기 때문에 비교적 안전하다. 세 구조의 흔들림 정도와 손상 정도는 내진>제진>면진 순이고 공사 비용은 반대이다.

느낀점: 지진에 대비한 건축의 중요성과 물리학적 원리가 내진설계에 어떻게 적용되는지 알아볼 수 있었고 이런 설계로 인해 건물의 안정성이 보장되며 사람들을 자연재해로부터 보호해 줄 수 있다는 점이 흥미로웠다.

선정 이유:건축물의 미적 가치와 기능성을 동시에 만족시키기 위해 조명 설계는 필수적이다. 건축가는 빛의 반사, 굴절, 확산 등의 광학 원리를 이해하고 이를 설계에 적용함으로써 건물의 아름다움을 극대화할 수 있다. 또한, 적절한 조명은 공간의 기능성을 높여 사용자의 편의를 도모하기도 하여 광학과 건축 조명 설계를 통해 지속 가능한 건축 설계를 위한 종합적 사고를 기르는 데 큰 도움이 될 거 같아 선정하게됨.

설:광전 효과를 활용한 스마트 유리나 창문 필름이 외부 빛의 강도에 따라 투명도를 자동으로 조절합니다. 이는 에너지 효율성을 높이고 프라이버시를 제공하는 동시에 실내의 밝기를 조절할 수 있습니다. 스마트 유리가 실내로 들어오는 빛의 양을 감지하고, 자동으로 투명도를 변화시켜 빛의 투과량을 조절한다고 합니다. 강한 햇빛이 비칠 때는 유리가 자동으로 어두워지고, 햇빛이 약할 때는 유리가 투명해져 실내로 자연광이 들어오도록 합니다. 광전 효과를 활용한 조명 소재로는 빛을 흡수하고 재방출하는 특성을 가진 소재로, 특정 조건에서 발광할 수 있는 기능을 제공합니다. 이 기술은 디스플레이 패널이나 장식 조명 등에 사용됩니다.

(예:발광 벽면 패널, 조명 장식 소재 등등)

결:이 시스템과 조명 소재를 통해 스마트 유리 및 창문 필름은 현대 건축에서 필수적인 요소로 자리 잡으며, 에너지 절감과 사용자 편의성을 동시에 실현하는 뛰어난 해결책이라고 생각함

선정 이유 : 웨어러블 로봇과 같은 장치들이 점점 더 복잡해지고 기능이 확장됨에 따라 전력 소모가 증가하는 경향이 있습니다 이에 대한 새로운 에너지 솔루션에 대한 연구와 개발이 필요하다 생각하던 중 배터리 용량의 한계와 충전의 불편함을 해결할 에너지 하베스팅 기술을 ‘에너지마이닝, 체내 의료기기 충전 장벽 투과 기술 개발’이라는 신문기사로 접함으로써 흥미가 생겨 탐구하게 되었습니다

에너지 하베스팅이란?

에너지 하베스팅은 주변 환경에서 자연적으로 발생하는 여러 형태의 에너지를 수집하고 이를 전기 에너지로 변환하여 활용하는 기술입니다 주로 태양광, 진동 및 충격, 열 등의 에너지를 이용하여 작은 전자 기기나 센서들이 자가 전원을 공급받을 수 있게 합니다 먼저 태양광 에너지 하베스팅은 태양 전지를 사용하여 태양 빛을 전기로 변환합니다 이는 광전효과에 기반한 기술로, 전자기적 장치들이 태양 에너지를 활용하여 작동할 수 있습니다 두번째로는 진동 및 충격 에너지 하베스팅입니다 이 기술은 기계적 진동이나 충격 에너지를 전기로 변환합니다 이는 피에조 전자기 효과 등의 기계적 에너지 변환 원리를 활용하여 작동합니다 마지막 열 에너지 하베스팅은 온도 차이나 열 변화를 이용하여 열 전지를 통해 전기를 생성합니다 열전기 효과를 이용하는 기술이 주로 사용됩니다

에너지 하베스팅 기술은 주로 작고 저전력 소모의 장치들에 적용되며 배터리 교체 또는 충전의 필요성을 줄여줍니다 이 기술은 IoT 장치, 웨어러블 기기, 센서 네트워크 등에 큰 잠재력을 가지고 있습니다

태양광 하베스팅 vs 진동 및 충격 에너지 하베스팅

태양광 하베스팅

특징-에너지 원천: 태양광 하베스팅은 태양의 광선을 이용하여 에너지를 수집합니다 작동 조건: 햇볕이 비치는 환경에서 가장 효과적으로 작동합니다.

장점:장기적으로 안정적인 에너지 공급 가능 기존의 광전효과 기술이 잘 개발되어 있어 효율이 높음

단점: 날씨 변화에 따라 성능이 변동될 수 있음 야외 사용에 최적화되어 있어 실내에서는 성능이 저하될 수 있음

진동 에너지 하베스팅

특징-에너지 원천: 기계적 진동이나 충격을 이용하여 에너지를 수집합니다

작동 조건: 구조물이나 기계에서 발생하는 진동을 활용합니다

장점:다양한 환경에서 사용 가능 (예: 자동차나 기계 장치 등) 광선이 없는 환경에서도 작동 가능 지속적으로 변동하는 에너지 원천을 활용하여 에너지를 공급할 수 있음

단점:효율적인 진동 수집을 위해 복잡한 기술이 필요할 수 있음 특정 환경에서의 성능 차이가 크게 나타날 수 있음

비교 및 결론

성능과 효율성: 태양광 하베스팅은 햇볕이 있는 환경에서 안정적이고 높은 효율을 보이지만 날씨에 따라 성능이 크게 변동될 수 있습니다 반면 진동 에너지 하베스팅은 다양한 환경에서 사용 가능하며 지속적인 에너지 공급이 가능하나 특정한 진동 수집 기술에 의존할 수 있습니다

적용 분야: 태양광 하베스팅은 주로 야외 환경에서의 장기적인 에너지 공급이 필요한 경우에 적합하며 진동 에너지 하베스팅은 자동차나 기계 장치 등 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있습니다

따라서 적용하고자 하는 환경과 필요한 에너지 특성에 따라 태양광 하베스팅과 진동 에너지 하베스팅 중 적합한 기술을 선택할 수 있습니다

물리학2와의 연관성?

진동 및 충격 에너지 하베스팅에서는 기계적 에너지를 전기로 변환하는 과정이 중요합니다 이는 물리학2에서 다루는 역학적 및 역학적 에너지 전환 원리와 관련이 있습니다

열 에너지 하베스팅은 열전기 효과를 기반으로 하며 물리학2에서 열전기 물리학과 관련된 원리들을 다룹니다 두 개의 다른 소재 사이의 온도 차이를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 과정을 설명할 수 있습니다

느낀점 : 에너지 하베스팅을 통한 웨어러블 로봇의 자가 전원 공급은 기술적으로 도전적이지만 그만큼 중요한 연구 분야같습니다  다양한 과학적 원리와 물리학적 법칙을 기반으로 하며 특히 광전효과, 기계적 에너지 변환, 열 전지 등의 기술이 핵심임을 알았고 니중에 관련 직업을 얻어 이를 통해 더 나은 웨어러블 기기의 성능과 지속 가능한 에너지 소스를 개발이라는 목표가 생기는 계기가 되었습니다

열기관의 종류와 활용

선정 이유 :
물리II에서 배운 열과 일의 전환이 우리 생활에 어떻게 활용되는지 알아보고싶어 선정하였다.

조사 내용 :

열기관은 고열원에서 저열원 사이의 온도 차이를 이용하여 열에너지를 일로 변환하는 장치이다. 열은 고열원으로부터 저열원으로 이동하며, 이러한 과정에서 열은 일로 변환된다.

증기기관 - 수증기의 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 장치이다. 물을 끓여서 생성된 증기의 압력을 이용해 피스톤이나 터빈을 움직여 동력을 만든다. 증기기관은 산업혁명 시대에 중요한 역할을 했으며, 현재도 일부 분야에서 사용되고 있다.

가솔린 기관 - 가솔린(휘발유)을 연료로 사용하는 내연기관의 일종이다. 실린더로 흡입한 가솔린과 공기의 혼합가스를 피스톤으로 압축하여 불을 붙여 연소시키면 열에 의해 팽창한 가스가 피스톤을 누른다. 이때 피스톤을 누르는 가스의 '팽창력'으로 작동된다. 가솔린 기관은 자동차, 오토바이, 소형 기계 등에서 널리 사용된다.

디젤 기관 - 가솔린(휘발유)에서 구동되도록 설계된 스파크 점화 및 연료와 유사한 휘발성을 가진 내연 기관이다

스털링 기관 - 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 외연기관으로, 주로 두 개의 실린더와 피스톤을 사용하여 작동한다. 열에 의해 가스가 압축되고 팽창하는 과정에서 기계적 에너지를 생성한다. 고온뿐만아니라 저온까지 이용하고 소음이 적다.

활용 - 대형화를 통한 대출력과 연료비 절감이 더 중요한 대형 선박, 화력발전소나 원자력 발전소, 태양광 발전 등에서 오늘날에도 외연기관이 쓰인다. 내연기관은 자동차, 선박, 비향기 등 다양한 운송 수단에 널리 사용되고 있으나, 연료를 연소시키는 과정에서 다량의 공해물질을 배출해 환경오염 우려가 나오고 있다.

코제너레이션 시스템은 전기와 열을 동시에 생산하는 에너지 효율이 높은 시스템으로, 연료를 연소하여 전기를 생산하고 그 과정에서 발생하는 폐열을 회수하여 난방이나 공정용 열로 사용한다. 가스터빈, 디젤터빈 등 용도와 특징에 따라 원동기를 선정한다. 에너지 효율을 80% 이상으로 높일 수 있으며, 연료 소비와 온실가스 배출을 줄여 비용 절감과 환경 보호에 기여한다. 에너지 공급의 안정성을 강화하고, 산업 공정 및 건물 난방 등에 효율적으로 활용할 수 있다. 

결론 :

열기관에 대해 알아보면서 증기기관, 가솔린 기관, 디젤 기관, 스털링 기관 등 열기관의 종류에 대해 조사함. 열기관이 활용되는 사례에 대해 조사하면서 코제너레이션 시스템의 작동원리와 구조에 대해 알게 됨. 마이크로 터빈이 나오면서 원동기 효율이 상승하고 연료전지의 실용화로 점점 더 많이 개발되어 실용화되어 코제너레이션 시스템이 지속 가능한 에너지 사용과 환경 보호 실현에 큰 역할을 할 것이라는 생각이 듦.

선정 이유: 최근 전기차 배터리의 화재 사고가 잇달아 발생하며 이에 대해 관심을 가지게 되었다. 전기차 배터리의 화재에는 덴드라이트의 성장, 외부 충격 등 다양한 요인들이 있지만 그 중에서도 전기차 배터리의 발열을 줄이는 것이 전기차의 성능을 끌어올림과 동시에 화재를 예방하는 가장 큰 예방책이라고 생각하게 되었다. 따라서 발열을 줄일 수 있는 방법이 없을까 고민하던 중 수동주간복사냉각을 이용한 천으로 만든 옷을 입으면 주변 온도보다 온도를 몇 도 낮춰준다는 기사를 보고 수동주간복사냉각에 대해 관심을 가지게 되었다. 그리고 이것을 비슷하게 배터리에도 적용하면 배터리의 발열을 잡을 수 있을 것 같다는 생각이 들어 이에 대해 조사해보고자 주제를 선정하게 되었다.

조사 내용: 복사 냉각은 들어오는 복사 에너지보다 나가는 복사 에너지가 많게 해 그 차이만큼 열이 빠져나가 온도가 낮아지는 현상이다. 여기서 복사(radiation)는 빛 같은 전자기파의 흐름을 뜻한다. 그런데 낮에는 복사 냉각의 효과를 기대하기 어렵다. 태양에서 들어오는 복사 에너지가 워낙 많기 때문이다. 수동주간복사냉각은 이런 조건에서도 외부 에너지를 쓰지 않고 복사만으로 냉각 효과를 볼 수 있는 기술이다. 이게 가능할까? 우주의 온도는 3K(캘빈. 절대온도로 영하 270℃ 내외다)로 우주배경복사라고 불리는 마이크로파를 미약하게 내보내므로 복사 에너지로 지구에 미치는 영향은 미미하다. 물론 별에서 오는 가시광선 또는 적외선 영역의 전자기파도 있지만 역시 무시할 수준이다. 사실상 우주는 지구에서 일방적으로 복사 에너지를 받기만 할 뿐이다. 반면 중심에서 46억 년째 핵융합반응을 일으키고 있는 태양은 엄청난 복사에너지를 지구로 보내고 있다. 여름 한낮에는 평방미터 당 1000W(와트)에 이른다. 태양에서 지표에 도달하는 전자기파는 파장 0.3~4㎛(마이크로미터. 1㎛는 100만분의 1m)로 자외선과 가시광선, 근적외선 영역이다. 따라서 낮에도 복사냉각효과를 보려면 일단 이 영역의 전자기파를 최대한 흡수하지 않아야 한다. 그러나 실제 햇빛의 열에너지 절반은 눈에 안 보이는 근적외선 영역이 차지하므로 이 부분까지 효과적으로 차단해야 햇빛으로 인해 뜨거워지는 것을 막을 수 있다. 따라서 햇빛을 완전히 차단하더라도 이 자체만으로 냉각효과를 기대하기는 어렵다. 그러나 햇빛 영역의 전자기파를 차단할 뿐 아니라 그보다 긴 파장인 중적외선, 특히 8~13㎛ 영역의 전자기파를 많이 내보내는 물질이 있다면 얘기가 달라진다. 파장 8~13㎛의 적외선은 대기가 흡수하지 않는 영역으로 ‘대기의 창(atmospheric window)’이라고 부른다. 따라서 지표에서 복사되는 이 영역의 적외선은 대기를 통과해 저 멀리 우주로 빠져나간다. 그리고 태양이나 대기, 우주에서 들어오는 이 영역의 전자기파는 거의 없으므로 에너지의 관점에서는 늘 밑지는 장사다. 햇빛은 막고 중적외선은 내보내는 물질은 낮에도 열을 빼앗기므로 주변보다 온도가 낮다. 이것이 바로 수동주간복사냉각이다. 그리고 이것을 실현하기 위한 신소재가 많이 개발되고 있는데, 연구자들은 고분자를 아세톤과 물로 된 용매에 녹인 용액을 말려 다공성 고분자 막으로 만드는 방법을 개발했다. 묵을 굳힐 때처럼 투명한 용액을 평평한 용기에 부으면 먼저 휘발성이 큰 아세톤이 증발한다. 그 결과 용해도가 떨어져 고분자와 물이 분리되며 미세한 물방울이 생기고 고분자는 굳는다. 지름 2~10㎛인 마이크로 물방울 주위에 지름 0.2㎛ 내외인 나노 물방울 여러 개가 있는 형상이다. 물이 다 증발하면 빈 공간이 있는 다공성 고분자 막이 된다. 일종의 고체 거품인 셈이다. 다공성 고분자는 두께 300㎛만 돼도 햇빛의 96%를 차단할 수 있다. 다공성 구조가 들어오는 빛을 산란시켜 내보내기 때문이다. 큰 구멍은 긴 파장의 빛을, 작은 구멍은 짧은 파장의 빛을 효과적으로 산란시킨다. 다공성 고분자가 불투명한 흰색으로 보이는 이유다. 고분자가 아세톤과 물에 녹아 있는 용액 상태를 페인트처럼 표면에 칠하거나 스프레이하면 아세톤과 물이 차례로 증발하며 다공성 구조를 지닌 고분자 막이 형성되므로 사용이 간편하다. 연구자들은 애리조나주의 피닉스(고온 건조)와 뉴욕시(온화한 날씨), 방글라데시의 치타공(고온 다습)에서 다공성 고분자 막의 수동주간복사냉각 효과를 비교했다. 그 결과 피닉스에서는 주변보다 6℃나 낮았고 그리 덥지 않은 뉴욕에서도 5℃나 낮았다. 습도가 높아 대기에서 중적외선의 상당 부분이 흡수되고 다시 방출돼 지표로 되돌아오는 치타공에서도 주변보다 3℃가 낮았다.

느낀점: 이 기술을 스프레이식으로 자동차의 겉면에 도장하거나 자동차 바닥면에 처리하면 전기차의 발열 뿐만 아니라 전기차 탑승 공간의 온도도 낮춰주어 화재도 예방하면서 동시에 탑승자가 좀 더 쾌적한 환경에서 운전할 수 있도록 하는 효과를 낼 거라고 유추해볼 수 있었다. 또한 발열 또는 온도를 낮추는 방식이 꼭 직접적인 냉각 만이 있는 것이 아닌 전자기파의 방출을 통한 열 발산도 하나의 방법이 될 수 있음을 깨달으며 전기차 배터리 냉각 기술에 대해 다양하게 생각해볼 수 있었다.