도로와 태양광 패널의 융합

도로와 태양광 패널의 융합

1. 대한민국의 태양광 산업

 

[사진 1. 산림을 파괴하여 설립된 태양광 발전소]

출처 : MBC

 

[표 1. 올해 설립된 태양광 발전소]

출처 : 조선일보

 국내의 여러 태양광 사업자들은 "최대 20년까지 한국전력이 고정된 가격에 태양광 발전으로 생산된 전기를 구매하기 때문에 안정적인 수익이 보장된다"라며 투기성 태양광 설치를 권장하고 있다. 그 결과, 전국에 우후죽순으로 태양광 발전소가 세워지고 있다. 산을 밀고, 나무를 베어 설치되는 태양광 발전소는 식물의 광합성에 의한 탄소 고정 능력을 떨어트리고, 지반을 약화시켜 산사태 등 재해를 유발하며 자연경관을 훼손한다. 이러한 ‘친환경의 역설’을 막기 위해 앞으로 경사가 15도 이상인 산지, 백두대간, 보호생물종 서식지 등에는 태양광 발전소를 지을 수 없는 지침을 시행하였다. 정부는 이러한 지침으로 건물 옥상이나, 폐농지를 태양광 발전 부지로 적극 활용할 계획이라고 밝혔다.

 태양광 발전은 태양빛의 에너지 밀도가 낮아 넓은 부지의 확보가 필수적이다. 하지만 대한민국은 국토 면적이 좁을 뿐 아니라 일조량이 미국의 70%에 그쳐 태양광 발전에서 큰 한계를 가진다. 따라서 우리나라는 국토를 효율적으로 사용할 수 있는 태양광 기술이 필요하다.

 

2. 도로 위에 깔리는 태양광 발전소

 세계 각국에서 태양광 발전 패널을 도로에 적용하는 기술의 연구가 진행 중이다. 단지 교통 통로로만 사용되어 국토의 활용도를 떨어트리는 ‘도로’에 태양광 발전을 접목하여 국토 활용성 높이기 위해서이다.

 도로가 태양광 발전소가 되는 것은 몇 가지 의의가 있다. 첫째로 전력 생산의 분권화이다. 일반적인 국가에서는 중앙시스템으로 전력을 생산한 이후 사용처로 공급해주는 과정이지만, 도로의 태양광 발전시스템에서는 각 지역의 도로에서 생산된 전력이 근방의 사용처로 공급되는 방식으로 분권화를 이룰 수 있다. 전력 시스템의 분권화는 중앙에 집중된 전력시스템이 붕괴하여 발생할 수 있는 블랙아웃과 같은 재앙으로부터 자유로워진다. 또한, 장거리 송전이 줄어들어 송전 케이블의 소모를 줄일 수 있으며 동시에 케이블 자체 저항에 의한 송전 시 전력손실을 줄일 수 있다.

 

[그림 1. OCED 국가 별 도로 보급률]

출처 : 한국교통연구원 블로그

 둘째로는 광활한 태양광 발전 부지의 확보이다. 우리나라의 경우 유휴지, 건물 옥상, 해양/산림 등 생산성의 여지가 남아있거나 자연환경을 태양광 발전 부지로 활용하고 있다. 이러한 경우 가용면적 자체가 넓지 않기 때문에 생산되는 전력량이 적을뿐더러 환경과 경관을 훼손하게 된다. 반면 도로를 활용한다면 환경과 경관을 해치지 않는 동시에 넓은 부지를 확보할 수 있다. 안전행정부 자료에 따르면 한국의 전국 도로 총 연장은 2015년 기준 107,527km이고 이를 면적으로 환산하면 100,284km²이다. 물론 OECD 30개 국가의 평균 도로보급률이 2.47인데 반해 우리나라의 도로보급률은 1.45로 최하위 수준으로 다른 국가에 비하여 보유한 도로의 면적이 넓은 것은 아니다. 하지만 낮은 도로보급률은 도로의 태양광 설비화 측면에서 오히려 기회가 될 수 있다. 새로운 도로의 포장에서는 이미 포장된 아스팔트를 허무는 과정이 없기 때문이다. 우리나라의 도로 총연장은 2006년 대비 2015년은 5%, 2014년 대비 2016년은 3%가 증가하였으며, 지속적으로 증가하는 추세이다. 따라서 도로의 최초 보급 과정에서 태양광 패널을 바로 도입하는 것은 인적, 물적 소모를 최소화하면서 에너지 대체를 이룰 수 있는 효과적인 방법이 될 것이다.

 마지막으로 도로에 태양광 발전의 도입은 여러 기능을 수행하는 미래형 도로로 나아갈 수 있다. 반도체 기술인 태양광 패널의 도입에는 여러 기술이 융합될 수 있다. LED 기술이 도로에 적용된다면 도로 위의 디스플레이로 표지판이나 도로 상황을 직접 전달할 수 있고, 도로 신호체계를 적용할 수도 있으며, 차선을 유동적으로 변형하는 것 또한 가능해진다. 발열 기능이 적용된다면 겨울철 도로의 결빙을 방지하여 도로 안전성을 높일 수 있고, 무선 충전 기능의 도입으로 도로상에서 전기자동차의 무선 충전이 가능해진다. 이처럼 태양광 발전이 적용된 도로는 여러 기능을 가진 미래형 도로로 연결될 것이다.

 

[사진 2. LED 기술이 도입된 육각 태양광타일]

출처 : Solar Roadways

 

3. 네덜란드의 SolarRoad

 

[사진 3. 배선 등 마무리 작업(좌), 네덜란드 노르트홀란드주의 태양광 자전거 도로(우)]

출처 : SolaRoad

 네덜란드의 SolarRoad는 도로에 태양광 패널을 도입함에 있어 두 가지 기능에 초점을 맞추었다. 첫 번째는 기존의 도로가 가진 내구성, 강성, 마찰 표면 등 기능을 그대로 수행하는 것이고, 두 번째는 태양광 패널의 발전 성능에 집중하였다. 

 반면, 미국의 Solar Roadways는 도로에 여러 기능을 부여하는 시도를 하고 있기에 SolarRoad는 보다 빠르게 기술의 적용이 가능하였다. 트랙터와 같은 중장비의 무게를 충분히 견디는 설계를 위하여 반투명한 강화유리를 사용하였고, 이로 인해 기존 태양광 패널의 70% 수준의 발전 효율을 얻을 수 있었다. SolarRoad는 태양광 도로의 기술 단계를 나눠 목표를 설정하였는데, 1단계는 자전거도로 및 산책로, 2단계는 시내 도로, 3단계는 고속도로로 나누었다. 네덜란드의 도로는 대부분이 출퇴근용 시내 도로이다. (고속도로는 전체 도로 면적의 5%) 따라서 SolarRoad는 고속도로용 패널보다는 2단계를 달성하는데 집중하고 있다. 네덜란드의 국토 면적은 우리나라의 절반에도 못 미치는데 반해 도로 총 연장은 보다 많은 140,000km 정도이며, 도로보급률은 5.2에 달한다. 네덜란드 도로의 전체 면적은 모든 주택의 옥상 면접의 합보다 많아 도로의 태양광 발전소화는 효과가 매우 클 것으로 예상된다. 더불어 SolarRoad는 아스팔트의 열에서 에너지를 얻는 기술을 보유하고 있는데, 이를 이용하여 도로 표면에서 태양열에너지, 그 아래에서는 태양광 에너지를 복합 발전하는 도로의 구현을 목표하고 있다.

 

 

4. 미국의 Solar Roadways

 

[사진 4. Solar roadway의 상상도]

출처 : Solar Roadways

 

[그림 2. Solar Roadways’ Applications]

출처 : Solar Roadways

 미국의 Solar Roadways는 육각 타일 모양의 태양광 패널로 도로를 만드는 기술을 개발하고 있는데, 미국 전역에 이 시스템을 적용한다면 미국의 에너지 수요보다 더 많은 에너지의 생산할 수 있다고 밝혔다. 육각형 모양으로 제작되어 구조적 내구성을 향상시켜 유지 보수 측면의 효율을 향상하였다. 또한, 특수 유리 표면은 아스팔트 이상의 강성을 지니고, 고속과 저속 그리고 젖음 표면 조건에서 타이어가 정지할 수 있는 충분한 마찰을 제공하여 미끄럼을 방지할 수 있다. 이처럼 기존의 도로의 기능을 그대로 수행하기에 인도, 차도에 모두 적용 가능하다. Solar Roadways는 LED, 무선 충전, 발열 등 많은 기능을 모두 도로에 구현하기 위해 연구를 진행 중이다.

 

 

5. 중국의 태양광 고속도로

[사진 5. 중국 산둥성 지난시 남부 순환도로의 태양광 고속도로]

출처 : encarmagazine

 중국 산둥성 지난시 남부 순환 고속도로에 1120m 구간에 5875m2 면적의 태양광 패널이 포설 되었다. 이 태양광 패널을 3중 구조로 아스팔트보다 긴 설계수명을 갖는다. 상부에는 아스팔트와 비슷한 질감의 신소재로 투광률이 높아 태양광 발전의 효율을 유지하면서 마찰계수가 높아 타이어가 정지할 수 있는 충분한 노면을 제공한다. 그리고 중간에는 태양광 패널이 연간 100만 kW의 전력을 생산하고, 하부에는 식물이나 곤충의 침입을 방지하는 보호재로 구성되어 있다. 노면 하부에 설치된 전자감응장치는 향후 전기차의 충전 기술과 결합된 주행 중 무선 충전을 실현하고, 차량 및 교통정보를 얻어 스마트 도시로 나아갈 것이다.

 

 

6. 프랑스의 태양광 도로

[사진 6. 프랑스 투루브르 마을의 태양광 도로 (1km 구간)]

출처 : 전자신문

 프랑스에서는 63억 투자하여 1km 구간의 태양광 도로를 2016년 개통하였다. 설치된 태양광 패널은 특수 플라스틱을 다중을 입혀 내구성 강화하였고, 감전, 누전, 눈비 등 악천후에 견딜 수 있도록 설계되었다. 해당 태양광 도로의 설치 효과는 미비하였는데, 지붕형 태양광 발전에 비하여 발전량이 적고 건설비가 높아 단위당 발전 비용이 13배로 비경제적이었다.

 

 

7. 해결과제

 태양광 도로는 경제적, 기술적인 해결과제를 가진다. 태양광 도로는 기존의 도로의 역할과 태양광 발전의 역할이 융합된 것으로 기존의 도로 기능의 기능 측면에서는 어느 정도 성취하였지만, 태양광 발전 기능이 아직 완성되지 못하였다. 도로의 강성을 유지하기 위해 사용된 포장재에 의해 태양광 투과율과 발전효율이 저하되고, 도로의 오염에 따라 발전효율이 위협받을 수도 있다. 또한, 아스팔트 포장과 비교하여 50~300% 이상 높은 건설 비용과 유지 보수 측면의 효율 또한 검증이 미비한 상황이다. 이러한 난관에도 불구하고 도로가 태양광 발전 기능을 수행하는 것은 경제, 국토 사용. 에너지 생산, 환경 등 측면에서 큰 이점이 있다고 판단되어, 현재 각 나라와 업체에서 기술 개발에 몰두하고 있다.

 

 

8. 참고문헌

1) 안준호 기자, 『여의도 4.6배 면적 태양광 발전소 세워야 原電 1기 대체』, 조선일보, 2018.06.20

http://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2018/06/20/2018062000238.html

2) Jasonhbae, 『전기를 생산하는 도로』, 2014.06.11

http://newspeppermint.com/2014/06/10/solarroadways/?utm_source=related_news&utm_medium=inner&utm_campaign=yarpp

3) Solar roadway 홈페이지 (http://www.solarroadways.com/)

4) 곽노필 기자, 『‘길 위의 발전소’ 태양광 도로 선봬』, 한겨레, 2014.11.11

http://www.hani.co.kr/arti/economy/it/663937.html

5) 권건호 전자산업 전문기자, 『프랑스, 세계 최초 태양광 전지판 도로 개통』, 전자신문, 2016.12.22

6) 김이제, 『중국, 태양광 발전 고속도로 건설... 전기차 공급 늘릴까』, encarmagazine, 2018.01.01

7) 김동호 주임전문원 외 1명,  『우리나라 도로 보급 현황』, 국가교통DB, 2017.01.02

https://www.ktdb.go.kr/www/selectBbsNttView.do?key=42&bbsNo=7&nttNo=3103

8) 『우리나라 도로 보급률은 적정할까?』, 한국교통연구원, 2018.07.06

https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=16198835&memberNo=25154814

9) 조성구 기자, 『中, ‘달리면서 충전’ 태양광 고속도로 2022년 개통』, 한국에너지, 2017.02.28

http://www.koenergy.co.kr/news/articleView.html?idxno=95318