1. 서 론

2015년 무렵부터, 전세계적으로 신재생 에너지에 대한 관심이 고조되고 이와 관련해서 태양광 도로를 개발하려는 연구가 미국, 네덜란드, 프랑스를 중심으로 시작되었다. 특히, 프랑스는 정부가 직접 개입하여 이에 대한 실증연구를 수행하였다. 연구 내용을 살펴 보면, 프랑스 환경부는 Fig. 1과 같이 2016년 말 노르망디 내 작은 마을에 약 1 km 연장의 3000 m² 면적의 태양광 도로를 개통하여 2년의 시험개통기간 동안 매일 2천명의 운전자가 도로를 지날 것으로 추정하였다. 총 공사비는 약 63억원으로 시범도로에서 발전되는 에너지는 약 150,000 kWh로 인근 마을의 가로등 운영에 사용되도록 계획하였고 이 사례가 성공적으로 수행될 경우에 향후 5년간 고속도로 내 1,000 km 구간에 대해 태양광 패널 포장을 계획할 예정이었다. 그러나, 2년 후, 이 도로에 대한 성능평가 결과는 태양광 도로 개발을 멈추게 하였다. 운영기간동안 나타난 태양광 도로의 문제점은 미끄럼 저항성, 중차량에 의한 파손 등 도로시스템의 문제점도 있지만, 태양광 도로의 발전량이 약 50%수준인 약 80,000 kWh 수준인 점이 무엇보다도 이에 대한 개발을 중지하게 되는 원인을 제공한 것으로 알려져 있다. 발전량이 줄어든 원인은 태양광 도로를 덮는 이물질과 태양광 도로에 음영을 제공하는 요소로 인한 것으로 결론을 얻었다(Todayenergy, 2019).

Fig. 1.

Wattway (Normandy, France)

국내에서도 태양광 패널을 도로에 적용한 연구사례(Choi et al., 2017; Seo et al., 2019)가 있는데, 주로 발전효율보다는 도로로서의 품질기준이 적정한 지 여부에 대한 내용으로 발전효율에 대한 연구는 많이 부족한 실정이다. 국내외의 적용사례에서 시사하는 바와 같이 태양광 도로는 도로의 경제성 부분과 관계되어 향후 이 분야의 연구가 지속되기 위해서는 태양광 발전효율의 향상을 도모하는 연구가 필요하다.

이 연구에서는 태양광 도로의 위치를 선정할 경우, 태양광 발전효율에 큰 영향을 미치는 인접 구조물의 음영을 분석하는 기본틀을 제공함은 물론 주행차량에 의한 음영으로 발전효율이 저하되는 영향정도를 차종에 따라 속도별 음영시간을 산정하여 제공하였으며 인접 구조물의 영향과 주행차량의 영향에 대한 사례분석도 수행하였다.

2. 태양광 도로시스템의 위치 선정을 위한 일조권 분석

태양광 발전은 태양광의 직달일사량과 인접구조물의 음영, 그리고 태양광 패널표면의 오염정도에 따라 발전효율이 영향을 받게 된다. 이 연구대상인 태양광도로의 경우, 도로라는 시설특성 상 태양광 패널의 각도를 조절할 수 없기 때문에 직달일사량은 패널의 각도가 0도로 가정하여 산정할 수 있으며 인접구조물의 음영은 물론 자동차로 인한 음영 또한 고려해야 한다. 특히, 인접구조물 및 주행 자동차로 인한 음영은 태양광 도로의 위치를 선정시 고려될 필요가 있다.

2.1 태양의 수평면 직달일사량

태양광 도로시스템에 도달하는 태양에너지는 구름, 안개 및 미세먼지에 의해 반사 혹은 산란된 태양광을 제외한 직달일사량에 의해 영향을 받게 되며 설치경사가 일반적으로 0°부근인 도로의 특성에 따라 도달면은 수평면에 거의 근접하는 것으로 고려할 수 있다. 따라서 태양자원량에 따른 적용지역 선정 시 이용할 수 있는 일사량은 수평면 직달일사량으로 판단되며 이는 국가에서 제공하는 신재생에너지 자원지도시스템을 활용하여 이 자료를 수집할 수 있다. 특히, 적용대상 지역이 여러 곳일 경우 태양자원량이 많은 곳을 우선적으로 고려할 수 있으므로, 신재생에너지 자원지도시스템의 일사량 자원지도를 이용하여 적용 우선순위를 결정할 수 있으며 이상의 일사량 자원지도 활용방법은 다음과 같이 요약할 수 있다.

1) 신재생에너지 데이터센터 누리집 접속(https://www.kier-solar.org)

2) 자원지도시스템-WebGIS, 옵션 : 태양광/수평면 직달일사량 자원지도/연평균

3)태양광 자원지도를 활용한 태양광 도로시스템 적용 우선순위 검토

위와 같이 태양광 수평면 직달일사량 자원지도를 이용하는 경우에 대하여 실제 2018년 12월, 서울시 성북구 서경로124 위치에서의 태양광 수평면 직달일사량에 대한 정보를 요약하면 Fig. 2와 같다.

Fig. 2.

Solar power generation efficiency according to the installation angle of the solar panel (http://solarmap.seoul.go.kr)

Fig. 2를 보면 적색부분이 태양광 발전효율이 90을 넘는 경우이며 이때, 태양은 정남방향 부근(정오를 기준으로 ±2시간)이며 패널 설치각도는 30~50°이다. 태양광 도로시스템은 일반 태양광 발전시스템과 달리 설치경사 조절이 불가하다. 실제 도로 설계에 있어서 종횡단 경사에 따라 설치경사가 정해지며, 일반적으로 설치경사는 0°부근이므로 Fig. 1의 흑색으로 나타낸 설치경사는 0°인 경우의 발전효율을 보면, 태양의 위치에 영향을 받지 않고 거의 동일한 것으로 나타났다. 따라서, 태양광 도로시스템을 적용할 경우, 설치각도를 고려할 수 없기 때문에 태양광 수평면 직달일사량의 발전효율은 태양의 위치에 관계없이 패널 설치각도에 따른 태양광 발전효율 영향인자를 하나의 값으로 고려하는 것이 적절할 것으로 판단된다. 다만, 태양광 설치가능지역이 여러 곳인 경우에는 지역의 청명지수와 태양광 수평면 직달일사량 정보를 토대로 우선순위를 정할 필요가 있다고 판단된다.

2.2 인접구조물의 음영에 의한 영향

일반적인 태양광 시스템은 건물 옥상이나 캐노피와 같이 인접 구조물보다 고도가 높은 곳에 설치하게 되지만, 태양광 도로의 경우에는 인접 구조물의 영향을 피할 수 없는 것이 일반적이다. 따라서, 최대한 태양광 도로의 발전효율을 높이기 위해서는 인접 구조물에 의한 음영구간을 파악하여 사전에 설치여부를 결정하는 것이 필요하다. 이와 관련하여 음영 분석절차에 관한 연구(Jang, 2014)가 국내에서 수행된 바 있으며 이 내용을 요약하여 음영 분석절차를 나타내면 다음과 같다.

1) 설치위치 인근의 항공사진을 이용한 2차원 지형도 작성

2) 3D 스캐닝을 통한 3차원 모형도 제작

3) 주요 인접 구조물의 3차원 모델링 수행

4) 설치위치 기준 태양의 방위각 및 고도각 산정

5) 산정된 방위각, 고도각 및 기존 일조분석 툴을 이용한 음영분석 수행

6) 음영분석 수행결과를 이용하여 연간 발전효율 산정

7) 발전효율을 고려한 설치위치 상세조정

상세 내용 중 설치위치 기준에서의 태양의 방위각과 고도각이 입력자료로 이용되는데 태양의 방위각(ϕ)은 Eq. (1)을 이용하여 산정한다.

여기서, ω는 시각으로 예를 들면 1시간은 15°, 24시간은 360°와 같이 나타낼 수 있다. δ는 태양의 적위로 지구의 중심과 태양의 중심을 잇는 선이 지구의 적도와 이루는 각도로 Eq. (2)에 의해 구해지며 α는 태양의 고도각으로 Eq. (3)을 이용하여 산정한다.

여기서, n은 1월 1일을 기준으로 한 계산 대상일의 일수로 예를 들면 1월 1일은 1이고 12월 21일은 355로 산정된다.

여기서, φ는 대지의 위도이다.

이상과 같은 음영분석 절차에 대한 실제 적용사례는 Fig. 3과 같다.

Fig. 3.

Case of shadow analysis using 3D spatial informations (Jang, 2014)

2.3 서경대학교를 대상으로 한 음영분석 사례

인접 구조물에 의한 음영의 영향거리는 Fig. 4에 나타난 바와 같이 인접 구조물의 높이(h)와 태양의 고도각(α)에 의한 최소 확보거리(d)를 통해 분석하며 최소 확보거리는 Eq. (4)에 의해 산정할 수 있다.

Fig. 4.

Case of shadow analysis using 3D spatial informations (Jang, 2014)

여기서, 태양의 고도각은 변화가 있으며 하지시에 가장 높고 동지에 낮다. 따라서, 음영은 동지시 음영의 영향반경이 가장 넓게 나타나게 된다.

이상의 내용을 토대로 하여 서경대학교(북위 37.62°, 동경 127.01°)의 10 m 높이의 건물을 대상으로 최소 확보거리를 계산한 결과는 Table 1과 같다.

Table 1은 2018년 동지(12월 22일)를 기준하여 일반적으로 태양광 발전 가능시간으로 고려하는 10시~15시의 태양의 고도와 방위각, 그리고, Eq. (4)를 통해 산정한 최소 확보거리 결과이다. 이 결과를 토대로 건물높이가 10 m인 경우의 시간에 따른 음영구간의 길이와 방향의 일례를 도시하면 Fig. 5와 같다.

Fig. 5.

Result of calculating the minimum shading distance at Seokyeong University

이상과 같이 인접 구조물을 고려한 음영분석은 태양광 도로가 도심지에 설치될 경우나 산악지대에 설치하는 경우 등에 발전효율과 연계되어 태양광 도로의 선정위치 및 선정여부를 결정하는데 중요한 자료를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

3. 주행차량에 의한 태양광 발전효율 저하

태양광 도로는 인접 구조물 외에도 주행 차량에 의해서도 발전효율이 저하될 수 있다. 그러나, 이에 대한 고려는 최근까지 수행된 것이 없다. 이 연구에서는 개괄적으로 주행 차량에 의한 음영으로 인한 태양광 발전효율의 산정절차를 아래와 같이 제안하였다.

1) 차량 통행에 따른 발전효율 산정절차

1단계 : 시간별 교통량 수집 및 발전가능시간 내 교통량 분류

2단계 : 차종 분류 및 차종별 교통량을 이용한 음영시간 산정

3단계 : 시간대별 발전효율 산정

위에서 1단계는 교통량 자료를 수집하는 단계이고, 2단계에서는 차종별 분류(KICT, 2006) 후 각각의 음영시간을 산정하여 3단계에서 시간대별 발전효율을 산정하게 된다.

이 연구에서는 대표차종을 12종으로 구분하고 각 차종별 대표길이를 토대로 평균속도와 차량 주행에 의한 음영 시간을 산정하였으며, 그 결과는 Table 2와 같다.

Table 2의 내용을 보면, 승용차 등 1종 차량은 시속 60 km로 주행 시 차의 길이가 5m인 영향으로 교통량 1대 당 음영시간은 약 0.3초로 산정되었고, 이에 반해 대형 트레일러는 차의 길이가 승용차 대비 3.6배 긴 18 m로 이 영향으로 인해 시속 60 km 구간에서 주행 시 교통량 1대 당 음영 시간은 총 1.1초로 산정되었다.

이상의 내용을 토대로 1일 교통량이 승용차 2100대, 버스 700대가 주행하는 학교 운동장 앞에 위치한 도로에 태양광 도로를 설치했다고 가정할 경우, 이에 대한 발전효율 산정내용을 요약하면 다음과 같다. 우선, 학교 운동장 앞이므로 이는 어린이 보호구역에 해당되는 도로로 최대 시속은 30 km이다. 따라서, 태양광 발전시간은 10-17시로 가정하고 시간당 교통량은 일 교통량에서 주로 차량운행 빈도가 높은 시간대인 7-21시를 고려하여 14시간으로 일 교통량을 나누어 시간당 교통량을 산정하였다. 이상의 내용을 토대로 위 도로에 태양광 도로를 설치할 경우, 주행차량에 의한 발전효율을 계산하면 Table 3에 나타난 바와 같다.

Table 3에 나타난 바와 같이 1일 교통량이 승용차 2100대, 버스 700대가 주행하는 학교 운동장 앞에 위치한 도로에 태양광 도로를 설치할 경우, 주행차량에 의한 음영으로 인해 태양광 발전효율은 95.6%로 주행차량에 의한 음영으로 인해 발전효율이 4.4% 정도 저하될 것으로 판단된다.

4. 결 론

최근 태양광 도로에 대한 실증연구를 통해 발전효율이 크게 저하되어 이에 대한 관심이 크게 저하되어 있는 상황에서 이 연구에서는 우선적으로 태양광 도로에 도달하는 시간별 직달일사량 정보를 통해 태양광 발전시간 내 직달일사량의 변화 정도를 분석하였다. 또한, 태양광 도로의 발전효율에 영향을 미치는 음영효과를 효과적으로 분석하는 방법을 제시하고 이에 대한 사례분석을 수행하였다. 음영효과분석의 경우, 인접 구조물의 영향과 주행차량의 영향을 분석하였으며 인접 구조물의 영향은 태양의 고도각, 방위각, 그리고 인접 구조물의 높이를 통해 음영영역을 도시함으로써 태양광 도로의 위치선정에 중요한 정보를 제공하는 것으로 하였고, 주행차량의 영향에 대한 분석연구에 있어서는 주행차량을 12종의 차량으로 구분하여 차종별 차량의 길이를 고려하여 속도별 음영시간을 산정하고 이를 통해 발전효율을 산정하는 방법을 제시하였다. 이 연구결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) 음영분석에 앞서, 태양광 도로에서의 수평면 직달일사량 정보를 분석한 결과, 도로의 설치각도가 0°인 점을 고려할 때, 직달일사량의 시간적 변화는 거의 없는 것으로 나타나 설치각도에 따른 1일 시간에 따른 발전효율의 변화는 고려하지 않고 일률적으로 그 지역의 직달일사량이 0°시의 값을 적용하는 것이 적절할 것으로 판단된다.

2) 인접 구조물에 대한 음영분석에 대해 태양의 고도각, 방위각, 건물 높이를 고려하여 음영영역을 도시하는 기본틀을 제시하고 이에 대해 성북구 서경로124에 위치한 서경대학교의 10 m 건물을 대상으로 한 사례분석을 수행하였다. 사례분석을 통해 음영구역이 지도 상에 나타남으로 이를 고려한 태양광 도로의 선정위치 결정이 가능할 것으로 판단된다.

3) 주행차량으로 발생하는 음영으로 인한 발전효율을 산정하는 방법은 제시된 방법이 교통량 정보를 토대로 차종의 분류를 통해 차량의 길이를 고려한 주행차량의 속도별 음영시간의 도출을 기초로 하기 때문에 산정방법이 유효적절한 것으로 판단되며 사례분석을 통해 적용시 큰 문제가 없는 것으로 나타났다.

4) 태양광 도로는 일반적으로 교통의 기능만을 담당하고 있는 도로에 대해 에너지 창출의 기능을 추가하는 것으로 경제성 부분만 일정부분 해소되면 국가적 차원에서 즉시적용가능한 시도가 될 수 있으므로 경제성 저하에 영향을 미치는 태양광 도로의 발전효율 향상을 위한 연구는 계속될 필요가 있다고 판단된다.