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태양광자동차

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태양광자동차(solar car)는 태양에너지를 동력으로 움직이는 자동차이다. 태양에서 뿜어 나오는 빛에너지태양전지(PV cell)을 통해 흡수한 뒤 전기에너지로 바꿔 쓰는 원리로 움직인다. 지속가능하고 연료비가 들지 않는다는 장점이 있으나 기존 태양광패널의 낮은 효율로 인해 아직까지 보조동력을 제동하는 차원에서 개발되고 있다.

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개요

태양광자동차는 태양광패널을 통해 에너지를 충전하고 이를 배터리의 전력 자원으로 전환한 후 전기로 모터를 구동하여 움직인다. 따라서 전기자동차 산업의 가장 큰 애로점인 배터리 충전 걱정을 덜고, 전기자동차의 전력을 보완하며 주행거리를 더욱 늘려줄 것으로 기대된다.[1] 태양광자동차는 차체에 장착된 태양광패널로 주행 중에 배터리를 충전할 수 있어 따로 충전시설을 찾아갈 필요가 없다. 태양광 배터리 충전을 위한 인프라를 확충하거나, 충전으로 몇 킬로미터(km)을 달릴 수 있는지 등의 기술적 한계 등을 한꺼번에 극복할 수 있는 혁신적인 기술이라고 평가받고 있다.

역사

최초의 태양광자동차 썬모바일(Sunmobile)

세계 최초의 태양광자동차는 1955년 8월 31일 미국 시카고의 한 전시장에 처음 등장했다. 제너럴모터스(General motors)사의 윌리엄 코브(William Cobb)가 만든 첫 번째 태양광자동차는 썬모바일(Sunmobile)이라는 이름이 지어졌다. 12개의 셀레늄 PV에 전기모터를 단 썬모바일은 총 길이가 약 38㎝인 작은 자동차였다. 사람이 탈 수는 없지만 자동차가 태양빛으로만 움직일 수 있다는 것을 확인하기 위해 당시 전시장에는 200만명이 넘는 관중이 몰렸다.[2] 다만 이 태양광자동차는 프로토타입으로 제작된 것으로, 1958년이 되어서야 주행이 실제로 가능하다는 것을 보여주기 위해 운전할 수 있는 형태로 제작되기 시작했다. 썬모바일이 태양광자동차의 가능성을 처음으로 입증한 뒤, 사람이 직접 타고 운전할 수 있는 태양광자동차는 불과 7년 뒤인 1962년에 등장했다. 미국의 전력용 반도체 소자 생산 기업 인터내셔널 렉티파이어(International Rectifier)는 1912년 제작된 베이커 전기차에 1만 640개의 태양전지를 달아 자동차다운 자동차를 만드는데 성공했다. 하지만 이 마저도 실제 구동되는 것이 아닌 그저 공개한 것에 그쳤다. 이후 1977년 앨라배마 대학교의 에드워드 패서리니(Edward Passerini) 교수가 배터리 없이 태양광만으로 주행하는 3륜 태양광자동차 블루버드(Bluebud)를 제작하였고, 같은 해 도쿄전기대학의 후지타 마사하루 교수가 4륜 태양광자동차를 제작하여 1980년 공개했다. 최초의 상용 태양광자동차는 미운오리새끼(Ugly Duckling)라는 이름의 태양광자동차로 텔아비브 대학교 공과대학의 교수가 1976년 제작하였으며 충전식 배터리를 내장하고 있다. 자동차용 태양광 발전 기술은 2010년 이후 상용화되기 시작했으며 단순히 차량 내 전자기기에 전력을 공급하는 것에서 별도 배터리를 장착하지 않고 주행용 배터리에 저장하는 형태로까지 발전했다.[3]

작동 및 설계

태양광 전지판은 광자 또는 빛의 입자전자를 자극해 전기의 흐름을 이끌어 낸다. 이른바 광전효과다. 태양광 전지판은 서로 연결돼 있는 광전도셀로 불리는 작은 단위로 구성돼 있다. 각각의 광전도셀은 실리콘 같은 반도체 물질 두 조각으로 이뤄진 샌드위치라고 할 수 있다. 실리콘은 보통 , 붕소와 같은 다른 물질과 혼합돼 각각의 조각에 양전하음전하를 제공한다. 이것이 두 층 사이의 접합부에 전기장을 만든다. 햇빛의 광자가 전자를 자유자재로 때릴 때 전기장은 실리콘 접합부에서 그 전자를 밀어 내게 된다. 전지셀 측면에 있는 금속 전도성 판은 전자를 모아 전선으로 옮긴다. 이 지점에서 전자는 다른 전원처럼 전기를 흐르게 한다.[4] 태양광자동차는 기본적으로 전자효율을 최대로 끌어올려야 하지만, 무게 감소와 공기저항계수(CD값)를 줄이는 것이 핵심 설계 포인트이다. 우선 무게 감소는 구동스티어링, 서스펜션이 모두 안전하게 작동되면서도 최소한의 무게로 설계되어야 한다. 이상적인 포장도로를 아무런 요철 없이 완만한 구배로 달린다면 최소한의 안전계수로 설계를 진행해서 무게를 줄일 수 있다. 하지만 도심지에서는 안전을 위한 요철들과 군데군데 싱크홀들도 존재하다 보니 대부분의 차량들은 탄소섬유를 이용한 모노코크 방식으로 설계되어왔고, 최신의 경량화 기술들이 적용되고 있다. 무게를 줄이는 것보다 더욱 중요한 것은 고속대에서 급격하게 커지는 공기저항을 줄이는 설계이다. 공기저항을 줄이기 위해서는 자동차의 형태를 유선형으로 만들면서 또한 단면적을 최소화해야 하는데, 차의 구조가 단순히 물고기 모양으로 만들기에는 포함되는 구조들이 만만치 않다. 4개의 바퀴와 서스펜션, 사람이 앉는 캐노피, 태양광셀의 넓은 면적 등을 고려한 설계는 종합적인 설계기술이 필요한 부분이다.[5]

특징

효율성

태양광자동차의 가장 큰 장점은 영구적이고 친환경적이라는 것이다. 태양에너지휘발유 같은 화석에너지과 달리 고갈하지 않는다는 장점이 있다. 그리고 매연이 나오지 않기 때문에 친환경적이다. 미국 에너지부에 따르면, 태양광 전기자동차는 내연기관 자동차하이브리드 자동차에 비해 효율성이 높다. 코트라가 2021년 발표한 보고서에 따르면, 가솔린차의 경우 차량을 움직이기 위한 동력에 쓰이는 휘발유 연료는 12~30%에 불과하며 72% 정도의 나머지 에너지는 모두 엔진에서 소모된다. 25% 정도는 공기저항력, 구름 저항(rolling resistance)을 통해 에서 소모된다.[6] 하이브리드 자동차에서도 역사 21~40%의 연료만이 차량 동력 생산에 사용되며, 가솔린차와 비슷하게 대부분의 에너지(약 69%)는 엔진에서 열로서 소모된다.[7] 따라서 연료 손실과 열 손실을 최대한 줄이면서 연료동력에너지로 변환하는 면에서는 태양광자동차가 월등히 효율성이 높다.[8]

한계

각국을 대표하는 글로벌 자동차 회사들조차 완전한 태양열자동차를 개발하지 못하고 있는 몇 가지 이유가 있다. 첫 번째 이유는 태양에너지는 비오는 날이나 밤, 즉 해가 뜨지 않을 때에는 사용할 수 없어서다. 물론 자동차 내에 배터리가 내장되어 있어서 미리 저장해 둘 수는 있지만 장마와 같은 기상현상으로 일조량이 감소하면 직접 배터리를 충전하는 방식을 택해야 하는데, 아직 충전지의 충전시간은 주유 시간보다 느리기 때문에 이용에 많은 불편함이 있다. 이 때문에 태양광자동차 개발을 잠시 보류한 기업도 있다. 미국의 전기자동차 제조사 테슬라(Tesla)는 2016년 11얼 17일 솔라시티(Solarcity)를 인수한 후 태양광 산업 관련 첫 제품으로 솔라루프를 출시했다. 태양광 충전이 가능한 지붕 타일의 솔라루프는 태양광자동차의 시작을 알렸다. 그로부터 2년여 뒤인 2018년 테슬라는 사실상 솔라루프 옵션을 포기했다. 이유는 크게 두 가지다. 먼저 태양광의 효율이다. 날씨가 쨍쨍할 때 기준으로 태양광자동차는 하루 약 3.5km를 공짜로 달린다. 연비를 리터당 10km정도라고 가정해도 300cc 가량의 휘발유가 필요하다. 휘발유 1리터를 1700원이라고 해도 약 200만원선의 솔라패널 가격을 뽑아내는데 10만년 정도 걸린다. 디자인 측면에서도 한계가 있다. 아직 검은색이 아닌 태양광패널은 효율이 낮아 다양한 자동차 색상과 어우러지지 못하는 면이 있다. 또 사고가 났을 때 감전되는 경우와 유리로 된 패널이 깨져 생기는 2차 사고 위험까지 감안해 테슬라는 일찌감치 태양광 루프를 옵션에서 내려놨다.[9] 태양광자동차의 또 다른 한계는 태양 전지판 그 자체에 있다. 현재 보급되어 있는 상업용 태양전지판은 최고 광전 효율이 20~35% 정도에 불과하다. 따라서 태양광자동차에 동력을 공급하기 위해서는 태양전지를 위한 많은 여분의 공간이 필요하다. 하지만 그렇게 하는 것은 무게와 비용이라는 두 가지 다른 문제를 야기한다. 태양광 전지판은 싸지도 않고 가볍지도 않다. 자동차 차체에 태양광 전지판을 채운다는 것은 차량에 많은 무게와 비용을 더한다는 것을 의미한다. 태양광 필름은 효율이 떨어지기는 하지만 태양광패널보다 훨씬 가볍다. 여기에 배터리의 무게를 고려하면 태양광자동차는 실현하기에 효율이 매우 낮다. 가장 큰 문제는 태양광자동차가 100% 친환경적이지 않다는 것이다.[4] 태양 전지판의 주재료가 바로 화석연료이다. 태양전지는 반도체 소자로, 이 태양전지 소자를 만들기 위해 많은 화학물질을 사용하는데, 이 과정에서 환경오염이 되는 건 마찬가지이다.[10] 배터리와 태양전지가 만들어지는 공정, 특히 여기에 사용되는 원자재인 광물이 채굴되는 방법을 보면 각각의 자동차가 탄소발자국을 가지고 온다는 것이 명백해진다.

태양광자동차 장단점
장점 단점
  • 휘발유 같은 화석에너지처럼 고갈되지 않으므로 영구적임
  • 탄소배출 제로화를 실현해 친환경적임
  • 열효율성이 뛰어나 연료 손실이 거의 없음
  • 유지비가 내연기관 자동차에 비해 적다고 업계 관계자들은 주장하고 있음
  • 야간 시간 충전이 어려움
  • 가속성이 떨어짐
  • 공기저항 방지를 위해 낮은 차체로 설계되어 안전성 문제가 발생할 수 있음
  • 태양전지는 반도체 소자로, 이를 만들기 위해 사용되는 화학물질이 결국 환경오염을 유발할 수 있음

관련 기업

증가하는 태양광패널 수요에 따라 태양광을 동력으로 움직이는 태양광자동차 개발도 탄력을 받고 있다. 시장조사기관 알라이드마켓리서치(Allied market research)는 글로벌 태양광자동차 시장이 2023년까지 약 3억 2950만 달러 규모에서 2030년까지는 약 4조 876억 달러 규모로 증가할 것이라고 분석하며, 세계 시장에서 미국이 가장 크게 성장할 것이라고 전망했다.[11] 미국의 태양광자동차 시장은 2023년까지 1억 3850억 달러 규모에서 2030년 1조 8194억 달러 규모로 성장할 것으로 예상된다. 일찌감치 2016년 미국 최대의 태양광 발전 업체인 솔라시티를 인수하며 태양광패널과 지붕용 태양광 타일, 태양광패널로 생산한 전기 저장 배터리 파워월(Powerwall) 등의 개발에 힘써온 테슬라는 인수 당시부터 태양광자동차 개발 포부를 밝힌 바 있다. 테슬라는 모델3에 태양광패널을 설치하려다 포기했지만 트위터를 통해 사이버트럭 모델의 지붕에 태양열패널 설치 가능성에 대해 다시 밝혔다.[8]

앱테라 패러다임(Aptera Paradigm)
험블원(Humble One)
사이온(Sion)
라이트이어원(Lightyear One)
이모투스(Immotus)
언베일스 4(Unveils 4)

앱테라

앱테라(Aptera)는 2006년 캘리포니아주 샌디에이고에 설립된 태양광자동차 스타트업이다. 고대 그리스어로 날개 없는(wingless)이라는 뜻을 가진 앱테라는 2021년 태양광자동차의 첫 대량 생산에 들어갔다. 앱테라에 따르면, 2021년 안에 차량 인도를 목표로 2020년 12월부터 선주문을 받았으며 선주문 24시간만에 첫 목표 생산 대수였던 330대를 완판했다. 2021년 2월 기준 7,500명이 구매를 위한 디파짓을 지불한 상태이다. 가격은 2만 5900달러부터 시작한다. 앱테라가 출시한 태양광자동차는 바퀴가 3개인 삼륜차로 자동차 지붕의 태양광패널을 통해 충전된 태양열로 하루 45마일에서 최고 사양의 경우 1000마일까지 주행이 가능하다. 곡선 디자인으로 설계돼 공기저항을 적게 받는 장점이 있으며, 2021년 말 안전성 테스트를 진행했다. 앱테라의 공동창업자인 크리스 앤소니(Chris Anthony)와 스티브 팸브로(Steve Fambro)는 "가장 효율성이 좋은 자동차를 개발하는 것이 가장 큰 비전이었다. 지구가 주는 본연의 자원인 태양열을 통해 후세들이 안전하고 재미있게 운전할 수 있게 하는 것이 목표다"라고 웹사이트에 앱테라 출시 동기를 밝혔다. 또한 언론 인터뷰에서는 "미국에서 교통수단은 지구 온난화의 가장 큰 주범"이라며 "바이든 행정부가 가장 중점적으로 두는 현안 중 하나가 탄소 감축이라는 점을 고려하면 점차 내연기관 자동차들이 사라질 것을 확신한다"고 말했다.[8]

험블

험블(Humble)은 2020년 캘리포니아주에서 포드(Ford) 출신 연료전지 엔지니어, 페라리(Ferrari), 피아지오(Piaggio) 출신의 자동차 전문가들이 모여 창립한 자동차 회사이다. 험블은 태양광패널을 설치한 5인승 스포츠 유틸리티 차량(SUV) 험블원(Humble ONE)을 공개했다. 험블에 따르면 차량 지붕과 창문에 82.45평방피트의 태양광패널을 설치한 이 차량은 하루 최대 60마일의 주행이 가능하다. 생산 시작은 2024년이며 고객 인도 시점은 2025년으로 예정됐다. 가격은 10만 9000달러부터 시작한다. 일반 전기자동차보다도 높은 가격임에도 불구하고 선주문 디파짓이 2000만 달러를 넘었다고 험블 측은 밝혔다.[8]

소노모터스

소노모터스(Sono Motors)는 2016년 설립한 태양광자동차 제조사이다. 태양광 패널 기술을 판매할 뿐 아니라 패널을 이용한 전기차를 만들고 있다. 소노모터스는 태양광 전기차 시온(Sion)을 개발하고 있다. 회사에 따르면 2023년 본격 생산·판매를 앞두고 선결제 주문을 받은 결과 예약 1만 6000건이 들어왔으며, 아직은 전기차 판매와 관련한 매출이 없는 상태다.[12] 지붕, 범퍼 등 차체 표면에 330개의 작은 광전지를 단 시온의 가장 큰 장점은 가격이 저렴하다는 것이다. 배터리를 제외하고 약 2100만원에 불과하다. 배터리를 장착하면 최대 250킬로미터까지 달릴 수 있다. 배터리는 월 단위로 빌리거나 4000유로에 구입할 수 있다. 배터리는 일반 전기차와 마찬가지로 표준 콘센트로 별도의 충전을 해서 쓰면 된다. 5인승이어서 패밀리카로도 사용할 수 있는 넉넉한 크기이다. 시온의 가장 큰 특징은 양방향 충전 기능이 있다는 점이다. 따라서 필요할 땐 외부 전기기기나 전기차에도 전력을 공급해줄 수 있다.[13]

라이트이어

라이트이어(Lightyear)는 네덜란드의 신생 자동차 제조업체이다. 라이트이어는 태양광을 사용한 자체 충전 자동차 원(One)의 콘셉트 디자인을 선보였다. 1세대 라이트이어 원은 50평방피트 면적의 태양 전지와 함께 경량 전기모터바퀴에 하나씩 갖췄다.[14] 라이트이어는 이 같은 설계를 통해 모터에서 바퀴로 동력을 전달하는 기어를 생략함으로써 차량 무게를 줄이고 주행거리를 늘릴 수 있을 것으로 본다. 라이트이어는 실제 해당 모델의 주행거리가 약 708㎞을 넘고, 하루종일 태양광 아래서 충전할 경우 69㎞을 달릴 수 있도록 개발했다고 밝혔다. 라이트이어 원은 2022년부터 유럽에서 2억 725만원에 판매될 예정이다. 더불어 오는 2025년부터 미국에서 판매할 계획이다.[15] 한편 타임(TIME)지는 라이트이어 원을 2019년 100대 발명품 중 하나로 발표하기도 했다.[16]

이브이엑스벤처스

호주의 이브이엑스벤처스(EVX Ventures)는 2인승 태양광자동차 이모투스(Immotus)의 콘셉트 디자인을 내놓았다. 10kWh의 리튬이온 배터리가 동력원으로 장착됐지만 상단에 배터리 충전을 위한 태양광패널이 부착돼 태양광만으로도 시속 60km/h로 주행이 가능하다. 물론 시속 60km/h 이상으로 주행할 수도 있다. 단 속도를 높이면 주행거리가 줄어든다. 이브이엑스벤처스에 따르면 시속을 85km/h로 올릴 경우 최대 547km까지 주행이 가능하며, 태양광을 얻기 흐린 날이나 야간에는 400km 가량 달릴 수 있다.[17]

하너지

중국의 하너지(Hanergy)는 세계 최대 태양광패널 전문업체이다. 하너지는 앞으로 출시한 4개 모델 태양광자동차의 콘셉트카인 언베일스(Unveils)의 디자인을 발표했다. 4대의 자동차 지붕과 보닛에는 태양광패널이 부착돼 태양광만 사용할 경우 6시간 동안 주행이 가능하며, 잔여 에너지는 리튬이온 배터리에 저장된다.[17]

관련 대회

호주에서 열리는 월드솔라챌린지(World Solar Challenge)는 1987년부터 격년으로 진행되고 있는 세계 최고의 태양광자동차 경주대회이다. 혁신과 도전을 핵심 모토로 하여 전 세계 최고수준의 대학들이 경쟁과 협동, 그리고 호주의 사막이라는 배경이 합쳐져서 경험하기 힘든 융합적인 능력을 배양하게 해주는 대회이다. 단순히 차량 경주만 하는 것이 아니라 3,019km라는 긴 여정을 1주일간 함께 이동하면서 많은 것들을 공유하고 경험하게 되는데, 전 세계의 선진 대학들은 지속적으로 이 대회에 참가하고 있으며, 네덜란드의 델프트 공대는 수차례에 걸친 우승으로 국가적 자존심으로 여겨지는 팀인 투온태양광자동차(NUON solar car) 팀을 참가시키고 있다. 대한민국의 경우 국민대학교가 2011년 처음으로 출전한 이후로 2013년 2,019km, 2015년 3,019km 완주의 기록을 달성하고 있으며, 2018년에는 교통대학교와 함께 출전했다. 이 대회에 참가하기 위해 제작되는 태양광자동차는 최신의 고효율 태양광셀 장착을 기본으로 하고, 최고효율의 태양광자동차 전용 모터, 그리고 3차원 가공에 의한 유선형을 기본으로 하는 비정형의 탄소 차체로 인한 소재 및 제작기술이 필요한데 이를 제작하기 위해서는 최소 1억 원 이상 비용이 든다. 일반적으로 우승하는 팀들의 제작비용을 보면 수십 억 원 정도인 것으로 회자되고 있다. 이러한 높은 비용이 들어가는 대회참가 특성상 외부 기업에서 협찬을 받아서 참가하는 팀이 대부분이고, 태양광자동차 제작만이 아니라 홍보와 협찬을 위한 조직과 고가의 차량과 수십 명에 이르는 대규모 팀의 참가를 위해 전문적 수준의 운송을 위한 조직이 꾸려져야 가능하다.[5]

각주

  1. 매스웍스코리아 이종민 지사장, 〈(기고) 효율적인 전기 시스템으로 충전 걱정 없애는 태양광 자동차〉, 《지디넷코리아》, 2020-03-24
  2. 장은교 기자, 〈태양광 교통수단의 역사 - 인류를 위한 친환경 에너지〉, 《경향신문》, 2015-10-01
  3. 태양광 자동차〉, 《위키백과》
  4. 4.0 4.1 TECHPLUS, 〈태양광 자동차에 대한 모든 것···그 많던 차들은 다 어디에?〉, 《테크플러스》, 2021-08-31
  5. 5.0 5.1 국민대 기계시스템공학부 신동훈 교수, 〈태양광 자동차의 도전과 혁신〉, 《KAMA 웹저널》, 2017
  6. 라니최 칼럼니스트, 〈(분석과 전망) 주목받는 차세대 모빌리티...태양광 자동차가 달려온다〉, 《스마트시티투데이》, 2021-04-20
  7. 연선옥 기자, 〈'태양광'으로 달리는 차세대 모빌리티… 美 스타트업, 올해 대량 생산 계획〉, 《조선비즈》, 2021-04-11
  8. 8.0 8.1 8.2 8.3 디트로이트무역관 황주영, 〈미국, 태양광으로 달리는 차세대 모빌리티에 주목〉, 《코트라 해외시장뉴스》, 2021-04-07
  9. 박대웅 기자, 〈(모빌리티 세상읽기)⑧ 태양광 전기차 시대가 온다〉, 《오피니언뉴스》, 2021-11-14
  10. Depes, 〈태양광 자동차의 원리/장단점/문제점〉, 《네이버 블로그》, 2009-04-16
  11. 홍성환 기자, 〈태양광 전기차, 차세대 친환경차 주목..."2030년 시장 규모 4600조"〉, 《더구루》, 2021-04-10
  12. 김인오 기자, 〈리비안 말고 '태양광 전기차'…소노모터스 첫날 155% 폭등〉, 《매일경제》, 2021-11-18
  13. 곽노필 기자, 〈태양광전기차 2년 뒤 선보인다〉, 《한겨레》, 2017-10-19
  14. 김창욱 기자, 〈'태양광 자동차' 곧 나온다〉, 《전자신문》, 2019-07-10
  15. 최동훈 기자, 〈태양광 전기차 개발 움직임…진정한 ‘친환경 車’일까〉, 《이코노믹리뷰》, 2021-11-08
  16. 박란희 기자, 〈세계1위 타이어기업과 태양광 전기 스타트업의 결합... 세계 최초 장거리 태양광 전기차 나오나〉, 《임팩트온》, 2021-05-11
  17. 17.0 17.1 안혜선 기자, 〈밤에도 달릴 수 있다는 태양광 자동차〉, 《앱스토리》, 2019-08-22

참고자료

같이 보기


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