KIEAE Journal

국내 관련연구로 김성모 외(2012)는 국외의 태양광발전 시스템의 도로 적용사례를 분석하고 국내 도로방음벽에 태양발전의 도입으로 전국 전력유통량의 약 10.7%를 공급할 수 있다고 경제적 효과를 제시하고 있다. 이에 따른 이산화탄소 감축효과는 약 500톤에 이를 것으로 예측하고 있다[4]. 안호상 외(2012)는 국내외 방음벽 기술현황 분석에서 발전방음벽의 개발 및 연구동향을 분석하고 국외 시공사례를 분석하였다. 또한 먼지 및 소음진동 등으로 인한 발전효율 저하 등을 고려한 발전방음벽의 개발방향을 제시하고 있다[9]. 이상진 외(2013)는 도시차량소음 차단 방음모듈 개발 연구를 통해 일본의 개발 및 시공사례를 분석하고 구상형 태양전지¹⁾를 활용한 방음벽 일체형 방음모듈을 제안하고 있다. 특히 옥외 기후환경에 대한 내구성과 수밀성, 진동 또는 외부 타격으로 발생할 수 있는 파손에 저항할 수 있는 구조적 안전성, 도시경관 요소로서의 투시성과 높은 태양광 획득율을 방음모듈이 갖추어야 할 특성으로 제시하고 있다[10].

투명 발전방음 모듈개발 연구로 이건창호가 주요 연구기관으로 컨소시엄을 구성하여 진행된 ‘고투과도 염료감응태양전지를 이용한 칼라 방음벽 개발 및 실증화 연구(2012 12.∼2015 11.)’가 있다[7]. 연구는 뛰어난 개방성과 채광성을 지니며 도로변에 설치 가능한 발전방음벽을 개발을 목표로 고투과율, 고내구성 및 실용화를 개발목표로 설정하였다. 연구는 설치에 따른 성능 및 안전성 평가 등 실증화 연구까지 모두 수행되었으나 실제 도로변에는 적용되고 있지 못한 실정이다. 이는 고가의 염료감응전지에 따른 경제성과 외부 충격 등에 따른 파손 등 상용화에 어려움이 있는 것으로 판단된다.

Fig. 1. 
Color PV Soundproof Wall Installation Concept¹³⁾

발전방음벽과 관련하여 등록된 주요 국내 특허현황은 Table 1.과 같다. 제안된 특허는 주로 콘크리트 반사형 또는 흡음형 방음벽에 적용되는 발전방음 모듈로 외부 충격으로 태양전지를 보호하기 위해 방음벽 상단 또는 배면에 설치하고 있다. 특허의 주안점으로 설치의 용이성, 모듈설치 각도 제어 그리고 전력효율 향상 등이 있다. 투명 발전방음 모듈은 한건으로 모듈 하단부에 태양전지를 설치하여 충격에 대한 안전성 및 개방성을 제안하고 있다[11].

Fig. 2. 
Patent Sample Figures

발전방음벽의 국내 설치사례로 서울 노원구(2015)는 기존 투명 방음벽 상단(길이 105m, 높이 3.5m)에 기존 방음모듈을 발전방음모듈로 대치하여 설치하였다[5]. 연간 예측 발전량은 약 36KWh로 공공 가로물에 전력을 공급하고 있다. 경기도 안산시(2016)는 상록수역 고가형 방음벽(길이 124m) 배면에 흡음형 발전방음 모듈을 설치하였다[6]. 이 시스템은 한국철도연구원에서 개발되어 향후 노후 또는 신축 철도방음벽에 확대 설치될 예정이다. 또한 동부간선도로에 태양광발전 방음터널을 계획하고 있다[12].

Fig. 3. 
Domestic Installation Cases

국외 발전방음벽 설치는 1989년 스위스 A13 도로를 시작으로 유럽 및 일본 등을 중심으로 다양한 사례가 보고되고 있다. 독일 프라이징(Freising) 시의 A92 고속도로는 길이 1,200m 방음벽에 면적이 6,000m²인 발전방음 모듈을 설치하여 연간 약 620KWh의 전력을 생산하고 있다. 이탈리아 브레너(Brenner)시 고속도로는 모두 3,944개의 모듈로 구성된 730(KW)급 발전방음벽 설치사례가 있다[13].

Fig. 4. 
Foreign Installation Cases

일본의 설치사례로 제2 게이한 고속도로(2010) 방음벽에 발전방음 모듈을 설치하였다. 모듈은 1.98mX0.51m 크기로 68개의 태양전지로 구성되었으며 면적 2,400m²에 모두 2,370장을 설치하였다. 발전용량은 120KWh로 4개의 고속도로 톨게이트에 필요한 전력의 15∼20(%)를 제공하고 있다[13].

Fig. 5. 
Japan PV soundproof wall Installation Cases

투명 발전방음벽 설치사례로 2013년 독일 뮌헨(Munchen) 근교 파징(Pasing)의 북부 우회도로에 설치(면적 66m², 발전량 7.6KWh) 사례가 있다. 또한 네덜란드에서 개발된 ‘Solar Noise Barriers (SONOB)’ 시스템 그리고 독일 TNC 사에서 개발된 양면 발전방음 투명 모듈이 있다. 이 시스템은 스위스 취리히(Zùrich) 고속도로와 철도변에 설치되었다[8].

Fig. 6. 
Foreign Transparent PV Soundproof Wall Cases

폴리카보네이트를 활용한 투명 발전방음 모듈제작을 위해서는 소재의 특성을 반영하여 기존 공정의 수정이 필요하다. 발전모듈의 개방성을 확보하고 제작과정에서의 비틀림을 방지하기 위해서 두 장의 폴리카보네이트 사이에 태양전지를 설치하였다. 전면 태양전지 보호용 폴리카보네이트는 태양광 가시성 확보를 위해 1.5mm 두께를 그리고 백시트용 후면 폴리카보네이트는 안전한 제작을 위해 2.0mm 두께를 사용하였다.

Fig. 7. 
Japan Installation Cases

발전방음 모듈 내 태양전지의 배열은 투명 발전방음벽의 개방성을 고려하여 방음판 면적대비 50%(태양전지 36개)로 배치하였다. 발전방음벽의 제작은 먼저 기존 공정과 같이 불량여부와 균일도 선정과정을 통하여 선정된 셀에 전극리본을 직렬로 연결하는 스트링 공정을 진행하였다. 레이 업(lay-up) 공정을 통해 정선박스(junction box) 연결 및 부싱(busing ribbon)공정을 수행하였다.

재료의 특성을 반영한 공정개선 내용은 다음과 같다. 라미네이션(lamination) 공정을 통한 모듈의 열봉합 온도는 폴리카보네이트의 변형을 방지하기 위해 섭씨 135℃로 조정하였다. 또한 모듈의 휘어짐 및 공기층 발생을 방지하기 위해 펌프타임(pump time은) 12분으로 그리고 홀드 타임(hold time)은 15분으로 공정시간을 연장하여 모듈 내 헤이즈 발생을 방지하였다.

Fig. 8. 
Transparent PV soundproof module by polycarbonate

Fig. 9. 
Process of transparent polycarbonate PV module

기존 연구의 분석을 통하여 도시형 투명 발전방음벽의 중요한 물성으로 구조적 안전성과 개방성 유지율을 선정하고 이를 최적화할 수 있는 재료를 분석하였다. 이 때, 투명 방음벽의 주요 재료인 폴리카보네이트와 강화유리를 선정하여 구조성능평가 실험을 실시하였다.

폴리카보네이트는 내열성, 투명성, 구조적 강도 및 개방성이 우수하나 내마모성과 자외선에 의한 변색 등 장기간 사용에 따른 개방성 유지에 한계가 있다. 강화유리는 광 투과율 및 우수한 강도를 지니나 외부 충격과 같은 집중하중에는 파손의 우려가 있다. 투명 방음벽이 지녀야 할 주요 구조적 안전성은 Table 2.와 같다[14].

구조적 안전성을 평가하기 위해 허용변위량 평가와 충격강도 평가를 실시하였다. 허용변위량 평가는 KS F 4770-3에 따라 내하중 등급(1호)을 적용하여 4.4KPa로 하중을 선정하였다. 실험체에 설치된 허용변위계(100mm)를 시험하중으로 2점 가력 한 후 변위량을 측정하였다. 측정결과 폴리카보네이트와 강화유리를 적용한 투명 발전방음 모듈 모두에서 탄성변위량 허용기준(50mm 이하)을 만족시키는 것으로 분석되었다.

Fig. 10. 
Permission displacement test

충격강도 평가는 KS F 4770-1에 따라 실험용 낙구의 강철재질량을 3kg으로 설정하고 100cm 높이에서 수직으로 자유낙하 시켰을 때의 내구성을 평가하였다. 실험체 위 평가기점은 모서리, 중앙 및 임이 위치로 모두 3개 지점으로 선정하여 파괴성향을 평가하였다. 충격강도 평가결과 폴리카보네이트 발전방음 모듈은 내충격성 기준을 만족시키고 있으나 강화유리의 경우에 완전파괴 형상을 보여 발전방음 모듈로 사용하기에는 부적합 것으로 분석되었다.

Fig. 11. 
Impact Performance test

구조적 안전성 평가결과를 바탕으로 개발하고자 하는 투명 발전방음벽에 적합한 재료로 폴리카보네이트를 선정하였다. 이는 충격강도 실험을 반영한 결과이나 폴리카보네이트는 표면의 경도 및 내마모성이 부족하여 이를 보완하기 위하여 적합한 표면코팅을 필요로 한다. 이를 위해 폴리카보네이트 경량발전 모듈을 개발하기 위해 다양한 코팅재료를 비교/평가한 이전 연구(정유근, 2015) 결과를 활용하였다. 연구는 폴리카보네이트에 적합한 자외선 차단 및 긁힘 방지 표면 코팅재료로 폴리비닐 계열의 코팅재를 제안하고 있다[15].

제작된 투명 발전방음벽의 발전성능을 평가하기 위한 현장실험은 외부 방해물의 영향이 없는 K대학 옥상(위도 36^o58', 경도 127^o52' )에서 실시하였다. 실험은 정남향을 기준으로 9월 4일부터 11일까지 오전 9시부터 오후 5시까지 8시간 동안 10분 간격으로 전압, 전류, 발전량 및 일사량을 측정하였다. 발전량 측정을 위해 K730 Cell Efficiency Measurement System을 그리고 일사량 측정을 위해 TES-1333R을 사용하였다.

발전성능 분석은 측정일 중 청천공인 5일간의 자료를 사용하였다. Table 5.는 각 측정일의 평균 및 누적발전량을 나타내고 있다. 측정일의 평균발전량은 29.1(Wh)로 일 누적발전량은 1,396W로 분석되었다. 시간별 전격출력에 대한 발전량을 비교한 발전효율은 Table 6.과 같다. 분석결과 오전 12시에서 13시 사이의 발전효율이 35.1%로 가장 높으며 이후 지속적으로 감소되는 것으로 분석되었다. 시간당 평균발전량은 32.4Wh 발전효율은 22.3%로 분석되었다.

제안된 발전방음벽의 연간 누적발전량을 예측하기 위해 Solar Pro에 의한 시뮬레이션 분석을 실시하였다. 이 때, 시뮬레이션의 신뢰도를 검증하기 위해 9월 10일의 시뮬레이션 결과를 현장측정 결과와 비교하였다. 시뮬레이션에 따른 평균 발전량은 31.7Wh로 나타났으며 두 측정값 사이의 차이는 약 8.9%인 것으로 분석되었다. 발전방음벽의 월간 그리고 연간 누적 예측 발전량은 Fig. 12.와 같다. 연간 누적 발전량은 127.8KWh로 예측되었으며 월별 누적 발전량은 청천공이 많은 1월에 13.8KWh로 가장 높으며 장마철이 있는 7월에 7.2KWh로 가장 낮은 것으로 분석되었다.

Fig. 12. 
Expected cumulative power of PV soundproof wall

제작된 투명 발전방음벽의 차음성능을 평가하기 위하여 투과손실 측정실험을 실시하였다. 실험은 한국건설기술연구원에 의뢰하여 KS F 2808 평가실험 방법에 따라 진행하였고 방음벽의 투과손실 기준(500Hz에서 25dB, 1,000Hz에서 20dB)에 따라 적합성을 평가하였다. 실험결과 제작된 투명 발전방음벽의 투과손실은 500Hz에서 26.9dB 그리고 1,000Hz에서 34.2dB로 방음벽 기준을 만족시키는 것으로 분석되었다.

Fig. 13. 
Sound transmission loss test

투명 발전방음벽의 설치에 따른 차음성능을 예측하기 위해 C시에 위치한 P 아파트단지를 대상으로 시뮬레이션을 실시하였다. 평가는 ODEON combined(v. 12.10) 프로그램을 활용하여 기존 방음벽과 투명 발전방음벽으로 대치한 경우의 차음성능을 비교분석하였다. 아파트단지의 방음벽은 높이 10m으로 도로를 따라 총 길이 262m로 설치되었다. 방음벽 하단은 불투명한 시트로 마감되어있다.

Fig. 14. 
Site view and soundproof wall

시뮬레이션을 위한 음원(선음원으로 105dB)의 위치는 방음벽 전면에서 20m, 지면으로부터 0.9m 높이로 설정하였다. 수음점은 높이 1.6m로 방음벽 후면으로 1m, 2.5m, 5m, 10m, 20m에서 각각 음압레벨을 측정하여 삽입손실을 예측하였다. 평가모델은 방음벽 중 20m를 추출하여 이루어졌으며 회절음에 대한 영향을 방지하기 위해 추출된 방음벽 길이를 바탕으로 실을 구획하여 시뮬레이션을 실시하였다.

Fig. 15. 
Simulation conditions

분석결과 500Hz 이하의 주파수에서는 기존 방음벽의 삽입손실이 제안된 발전방음벽 보다 0.2dB 낮으나 2,000Hz 이상의 고주파대에서는 0.2∼0.4dB 증가하고 있으며 종합 삽입손실은 0.1dB 높은 것으로 분석되었다. 그러나 이 차이는 매우 작어 제안된 투명 발전방음벽을 실제 아파트 단지에 적용하여도 차음성능에 문제가 없을 것으로 사료된다.