- 방음벽에서 전기도 나오고 열도 나온다

- 방음벽에서 전기와 열을 복합 생산해 활용하는 다기능성 PVT 방음벽 기술 개발

- 기존의 교통 소음 저감용 방음벽 대체 → 방음 성능도 높아져

■ 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 열변환시스템연구실 강은철 박사 연구진이 새롭게 건설하는 도로철로의 방음벽과 기존에 설치된 노후한 방음벽에 대체 적용이 가능한 다기능(흡음·차음, 전기·열 생산) PVT* 방음벽 기술을 개발했다.

* PVT(Photovoltaic-Thermal): 태양광패널·태양열 집열기가 융합되어, PVT에서 전력과 온열을 복합 생산. PVT 내부에 공기유동을 발생시켜, PV 패널의 온도를 낮춰줌으로써 발전량을 증가시키는 동시에 온열을 생산 활용하는 기술

□ 자동차나 고속철과 같은 교통수단들이 고속화되고 차량보유대수가 늘어나면서 교통소음도 덩달아 늘어남으로 인해 정온한 주거환경을 해치는 주요 인자로 대두되고 있다. 따라서 이러한 교통소음을 효과적으로 차단하는 다양한 방음벽 기술개발이 시도되고 있다.

□ 한편, 국가 온실가스 감축 목표 및 재생에너지 3030 정책 등의 실현을 위한 국가 정책에 맞물려 태양광 시장은 매년 10%씩 성장하고 있다. 그러나 최근에는 설치 공간 부족으로 건물 지붕, 외벽체 뿐만 아니라 산과 논밭에 설치되는 등 국토가 좁은 대한민국에서 한계를 보여주고 있다.

□ 이러한 가운데 다기능성 융복합화로 진화하고 있는 방음벽 활용은 일석이조 이상의 효과를 낼 수 있다.

■ 여기에 착안한 강은철 박사 연구진은 PVT 기술과 방음벽을 결합한 형태의 다기능성 방음벽 기술을 개발했다. 이 기술은 종래의 방음벽 대체 기술로 태양광 패널과 태양열 집열기, 흡음재 등을 활용해 차음과 흡음에 의한 방음 성능 향상은 물론 태양광 패널의 온도를 낮춰 발전량을 증가시키는 동시에 온열을 생산해 활용하는 기술이다. 즉 하나의 PVT에서 방음(차음+흡음) 기능과 전력·온열 생산 기능을 동시에 구현하는 기술이다.

□ 다기능성 PVT 방음 모듈은 단순한 요소기술의 조합이 아닌 여러 요소기술들이 융합됐다. 태양광 패널의 온도 상승에 따른 발전량 저하를 막기 위해 PVT 내부에 공기유동을 발생시켜 패널의 온도를 낮춤과 동시에 열을 회수하도록 설계했으며 PVT의 외부 열손실을 최소화하기 위해 흡음재를 단열재로 활용해 흡음과 단열 역할을 한다.

□ 또한 PVT 방음벽 기술의 완성도를 높이기 위해 최적의 방음 기능을 위한 PVT 방음벽 구조체의 형상과 온열을 효율적으로 생산할 수 있는 최적의 전열구조를 적용했으며 시스템이 안정적으로 운전될 수 있도록 자동화된 운전 제어 기술을 개발했다.

■ 즉, 태양광 패널은 전력생산과 차음기능, 흡음재는 단열과 흡음기능, 태양열 집열기 전열구조는 열 회수와 구조 강도를 잡아주는 역할을 하며, 이러한 요소기술들을 하나의 컴팩트형 모듈로 탄생시킨 것이 다기능성 PVT 방음 모듈이다. 아울러, 기존의 노후화된 방음벽을 다기능성 PVT 방음벽 시스템으로 용이하게 교체할 수 있도록 현장 시공 기법을 개발했다.

□ 연구진은 시스템 설계 및 현장 설치가 용이한 직렬 연계 방식의 시공 기법을 바탕으로 현재 충청남도 계룡시에 3 kWe급의 다기능성 PVT 방음벽 시스템을 실증 적용해 2021년 12월부터 운영 중에 있다.

■ 연구진이 개발한 방음벽은 도로 방음시설의 음향성능 기준에서 차음성능은 1000Hz에서 37.1dB(기준 30dB 이상), 흡음성능은 0.83(기준 0.7 이상)으로 기준 대비 높은 성능을 나타냈다.

* 차음성능: KS F ISO 10140-2에 근거하여 성능 평가를 수행. 1000Hz에서 투과손실 기준은 30dB 이상이어야 함.

* 흡음성능: KS F 2805에 근거하여 성능 평가를 수행. 250Hz, 500Hz, 1,000Hz, 2,000Hz에서의 흡음성능을 구하여 4개의 평균한 값을 흡음성능 기준 값으로 함.

■ PVT 방음 모듈의 발전효율은 동일한 외기환경 설치조건에서 기존 태양광 패널 발전효율보다 6% 이상 높았다. 일반 태양광 패널은 온도가 증가할수록 발전량이 감소하는데 PVT 방음 모듈은 공기유동으로 인해 기존 태양광 패널 온도보다 약 15℃ 이상 낮아 발전량이 향상되는 것을 확인했다. 아울러 PVT 방음 모듈에서 생산되는 온열은 단위면적(m²) 당 400Wt 이상 확보하는 것을 확인했으며, 생산된 온열은 대합실, 공중화장실, 휴게실, 흡연실 등 공공장소에 난방 및 환기, 온수 예열로 활용이 가능하다.

■ 연구책임자인 강은철 박사는 “국내 방음벽의 총 설치 길이는 약 3,200 km로, 신도시 발전 및 교통소음으로 민원이 많아져 방음벽의 수요는 증가할 것으로 보인다. 다기능성 PVT 방음벽 시스템 시장은 이 중 음영을 고려하더라도 약 1,000 km 이상 적용 가능할 것으로 보인다.”며, “국가 에너지 정책 실현을 위해 기존 설비를 활용한 다양한 재생에너지 융합 기술이 개발되어야 하며, 다기능성 PVT 방음벽 기술이 좋은 대안이 될 수 있을 것으로 본다.”고 말했다.

□ 한편, 이번 연구는 국토교통과학기술진흥원 국토교통기술촉진연구사업의 일환으로 ㈜화랑월드와 공동으로 연구를 수행했다. 기술개발과 관련해 3건의 특허출원과 1건의 특허등록 성과를 보유하고 있으며, 현재 사업화를 추진 중에 있다.