태양광을 이용한 자율주행 자동차의 능동적 자가 충전 및 운행 제안

Proposal on Active Self Charging and Operation of Autonomous Vehicle Using Solar Energy

Abstract

현대 시대는 환경 및 에너지 문제로 인해 자동차를 친환경 에너지로 대체하는 움직임이 생겨났다. 내연기관 자동차는 석유 에너지를 사용하여 미세먼지, 오존과 같은 환경 문제로 지구 오염에 영향을 주는 요인 중 하나이다. 또한 자동차의 에너지원으로 사용되는 자원이 고갈되고 있다. 이 한정된 에너지를 대체함으로 문제 해결방법을 찾는다. 문제를 해결하기 위해 대체 에너지로써 친환경 에너지를 사용하는 방법 및 전기 에너지를 사용하는 방법 등을 해결책으로 내놓고 있다. 본 논문은 친환경 에너지 중 태양광 에너지를 이용한 자율주행 자동차의 자가 충전 및 운행을 제안하여 환경오염 및 자동차의 대체 에너지로의 사용 가능성을 연구하였다. 발표된 문헌 자료들과 국토교통부 및 자동차 회사들의 연구자료들을 고찰하였으며, 전기자동차 및 태양광 에너지를 이용한 프로토타입 자동차 사례 또는 근 미래의 기술들의 이론을 바탕으로 연구하였다. 현재 많은 자동차 회사들은 전기 자동차를 대체 에너지로 사용하고 있다. 또한 태양광 에너지로 전기를 보완하는 방식으로 사용하고 있으며, 태양광 에너지를 대체 에너지로 사용하고자 하는 노력을 하고 있다. 연구 결과 태양광 에너지만을 사용하여 자율주행 자동차를 운전이 아닌 운행할 수 있는 실현성이 있다고 보인다. 더 나아가 자동차를 능동적으로 사용하며 태양광 에너지의 사용 및 공급 가능할 것이며 자동차 산업의 미래에 기여할 수 있는 가능성을 제시하고자 한다.

In modern society, environmental and energy problems have caused to replace cars with environment friendly energy. Vehicles with internal combustion engine which use petroleum are one of the factors that influence global pollution due to environment problems such as fine dust and ozone layer destruction. In addition use of energies for automobile making resources to become depleted. To solve this limited oil energy problem by using other energy sources. To the problem using electric energy and green energy as alternative for a solution. Among environment friendly energies this paper studies the possibility of drive service for autonomous vehicles that self-charges using only solar energy and whether they can be used as pollution free and alternative energy for automobiles. Studies was researched based on published literature review, data from ministry of transportation and automobile companies. Also case of electric vehicle and prototype automobile using only solar energy and the theory of near future technologies. Many automakers are using electric cars as alternative energy. Also making efforts to use solar energy as an substitute energy source and as a way to supplement electricity. Results show that there is a potential on operating autonomous vehicle using only solar energy. Furthermore, it will be possible to use automobiles actively, also use and supply solar energy. This paper suggest the possibility of contributing to the future of the automotive industry.

I. 서론

1. 배경 및 목적

현대 바쁘게 움직이는 현대인들에게 편하고 빠르게 이동이 가능한 자동차는 필수 조건 중 하나이다. 국토교통부의 보도 자료에 의하면 한국 자동차 등록 대수는 2018년 12월 기준으로 2,300만 대를 넘어섰다고 한다 [1]. 반면 차량의 증가로 인해, 화석 연료 에너지의 사용에서 생기는 환경 문제와 한정된 자원이 고갈되는 문제가 증가하고 있어 해결이 시급하다. 국제 에너지 기구의 연구자료에 의하면 환경오염의 원인인 CO²의 42% 는 화석 연료를 사용하는 발전소에서 발생하며 24%는 자동차에서 배출된다고 ‘전기차 시대가 온다’의 김유진 외는 이야기한다[2]. 최회균의 자료에서 Auto oil 산업결과로도 나와 있듯이 화석 연료 에너지를 사용하는 차량의 연료 생산 과정에서부터 자동차에서 나오는 온실가스 배출량이 친환경 자동차의 2배로 나타났다[3]. 이 문제를 해결하기 위해 국내뿐 아니라 해외에서는 자동차의 석유 에너지를 전기 등 친환경 에너지로 대체시키고 있으며, 전기차의 사회적 관심과 보급이 확대되고 있다.

최근에는 전기 자동차만이 아닌 신재생 에너지를 사용하는 방법이 관심을 받고 있으며 그중에서도 친환경으로 무한의 자원을 가지는 태양광 에너지에 관한 연구가 이루어지고 있다. 또한 과학의 발달로 자율주행 자동차가 빠르게 발전하고 있다. 본 논문은 완전 자율주행으로 인간의 주의 없이 모든 시스템을 자동차 스스로 통제할 수 있는 수준을 중심으로 이야기하고자 한다. 본 논문은 해외에서도 이미 상품화를 위해 개발이 되는 것을 바탕으로, 태양광만으로 충전이 가능한 자동차와 자율주행을 결합하여, 자동차가 자율주행을 통하여 능동적으로 운행하며 태양광 에너지를 충전 및 사용을 제시하여 앞으로의 현대인들의 편리함 뿐 아니라 환경을 보존시킬 수 있는 자동차 산업의 미래에 기여할 수 있도록 가능성을 제시하고자 한다.

2. 연구의 목적 및 방법

본 연구는 환경오염에 영향을 미치는 석유 에너지 대신 친환경 에너지인 태양광 에너지를 활용하고자 하였다. 또한 현재 자율주행 자동차의 기술과 접목해 자가 충전 가능성과 그에 따른 자율운행에 대하여 제시하고자 하였다. 2장에서는 태양광 에너지와 자동차의 결합 가능성을 파악하기 위하여 자동차 활용도의 연구자료를 바탕으로 자동차의 운행에 필요한 에너지를 파악하고자 하였다. 또한 에너지를 사용하는 현재 기술의 전기 자동차와 태양광 자동차를 조사하여 태양광 에너지와 자동차의 접목 가능성을 조사하였다. 3장에서는 자율운행 가능성을 확인하기 위하여 자율주행과 내비게이션 및 태양광 추적시스템을 조사하였으며 자율성을 가능하게 하는 통합 시스템으로 시스템들의 연동 방안을 찾고자 하였다. 4장에서는 스스로 태양광 에너지를 충전 및 활용하는 자율운행의 개념들을 제시하였다. 본 연구의 연구 방법은 발표된 국내 외 문헌 자료를 중심으로 고찰하고, 도서 및 국토교통부, 자동차 회사 정보 사이트 등의 인터넷 자료들을 참고하였다.

Ⅱ. 태양광 에너지와 자동차의 결합 가능성

1. 자동차의 활용과 이용성

태양광 에너지를 사용한 자율주행 자동차의 운행 가능성을 파악하기 위해서 사람들의 자동차 활용도를 살펴보고자 하였다. [표 1]과 같이 먼저 자동차의 이용 목적을 파악하고 어떤 용도로 이용을 하는지와 선호하는 이유를 알아보았다.

표 1. 자가용 이용 목적

국토교통부의 연구자료에 의하면 자동차의 이용 목적으로는 출근 90%, 귀가 77%로 출퇴근 시간대가 가장 높으며 쇼핑, 개인 일상 및 레저와 여행의 목적이 그 뒤를 잇는 것으로 나타났다. 자동차를 선호하는 이유로는 편리함 84%, 이동성과 이동시간의 축소 47%로 선호한다고 한다[4].

[표 2]와 같이 현재 1일 1대당 자동차 이용자들의 평균 및 목적별 통행 당 주행거리와 시간을 조사하였다.

표 2. 목적별 통행 당 평균 주행거리

국토교통부의 자료에 의하면 목적별 평균 주행거리로 출근 15km, 귀가 17km, 개인 일상 25km, 레저 및 여행 44km 등으로 한번 운전할 시의 주행거리를 알 수 있다[4]. 또한 [표 3]과 같이 자동차의 평균 주행거리를 알 수 있고, 평균 주행시간을 알 수 있다. 아침에 자동차를 사용하고 집에 귀가하는 것에 평균 30km를 사용하는 것이다.

표 3. 평균 주행거리, 시간

국토교통부의 자료에 의하면 통행 당 평균 주행시간으로는 26.8분으로 조사됐으며 1일 평균 주행시간으로는 56.5분으로[5] 조사되는 것으로 자동차 안에서 약 1 시간의 시간을 보내는 것이다.

[표 4]와 같이 태양광 에너지의 충전과 자율운행의 활용을 위해 자동차 사용자가 많이 이용, 소비하는 시간대로 교통량이 가장 많은 시간대를 파악하고자 하였다.

표 4. 자동차 이용시간

국토교통부의 2014년 자료에 의하면 교통량이 가장 많은 시간대는 출근 시간으로 오전 7시~9시(77.1%) 사이이며 다음으로는 퇴근 시간대로 오후 6시~8시 (68.3%) 사이로 높게 나타났다[4].

교통량이 가장 많은 시간대를 제외하고 오전 9시부터 오후 6시까지 태양광 에너지를 충전하고 능동적 운행이 가능한 시간은 평균 9시간으로 예상된다. 출퇴근 사용 후 자동차를 사용하지 않을 시, 자율운행을 20시간 사용할 수 있는 것으로 유추할 수 있다.

2. 전기 자동차의 에너지 사용 및 충전

현재 자동차는 내연기관 자동차에서 전기자동차 시대로 변천되고 있는데, ‘What’s 전기자동차 속이 보인다‘ 의 김관권 외에 의하면 이미 전기 자동차는 1886년부터 상업화가 이루어졌다. 그러나 배터리의 성능과 석유 문명의 시대에 의해 전기자동차(EV)는 시장으로부터 일단 모습을 감추게 되었다. 1970년대에 환경 문제와 석유 에너지의 부족에 대한 난점을 고려하여 전기자동차의 기술이 향상하기 시작하였다[6]. 전기 자동차의 지속적인 발전으로 전기 차량의 수는 계속 증가하였고 18년도 기준으로 5500대를 넘어서며 전년도보다 2배 이상 상승한 것으로 조사되었다[7]. [그림 1]과 같이 전기자동차의 기본 구성은 모터와 배터리 및 그것을 조절하는 시스템으로 컨버터, 인버터와 충전기 및 전기 에너지의 충전을 위한 충전부 등으로 이루어져 있다.

그림 1. 전기 자동차의 구조 및 구성

전기차 에너지의 사용 요소 중 배터리는 가장 중요한 부품 중 하나이며 kwh라는 에너지 단위를 사용한다. 김관권 외의 저서에 의하면 배터리를 충전하기 위해 전기 자동차에는 2개의 충전 위치가 존재한다. 그중 하나는 220V로 가정에서 쓰이며 충전 전력으로 2kw 정도로 측정된다. 다른 하나는 충전소에서 급속 충전하는 방법으로 10kw 이상의 전용 케이블을 연결해 10~20 분 내외로 충전이 완료된다[6]. 이 방법은 접촉 충전에 해당하는 것으로 전선을 연결하여 전기를 공급받는 방 법이다. 비접촉 충전은 플러그와 직접 연결하지 않고 전기 에너지를 공급하며 감전 위험이 적어 안전하다.

현재의 전기 자동차는 1kwh로 대략 10km를 운행할 수 있다고 김관권 외는 이야기한다[6]. 김유진 외의 저서에 의하면 매일 30~40km를 운전 및 주말에 여가 활동을 위한 운행을 포함하여, 한 달에 1000~2000km로 측정할 경우 전기를 약 200~300kwh를 사용한다. 자동차 사용자가 출퇴근용으로 하루 평균 40km를 주행할 경우 전기 자동차는 1회 충전으로 평균 3~4일 정도 운행이 가능하다[2]. 또한 주행 중 사용되는 에너지는 회생 브레이크 시스템을 사용하여 에너지를 회수할 수 있을 것이다. 김관권 외에 의하면 회생 브레이크는 에너지의 상당 부분을 회수하는 시스템으로 브레이크 사용 시 모터를 발전기로 작동시키며 발전할 시 회전 저항을 멈추는 힘을 사용하여 회전 에너지를 전기 에너지로 전환하여 회수하는 시스템이다[6]. 비록 많은 에너지가 회수되기 어려움이 있지만 멈추는 힘으로 에너지가 충전되는 것에 의미가 있을 것이다. 추후 에너지 회수량이 증가하면 에너지의 사용에 도움이 될 수 있을 것이며 자동차 운행에 있어 사용시간이 늘어날 것이다.

[표 5][2][8-12]와 같이 전기차 사례를 통해 전기 자동차의 에너지양과 이에 따른 주행 가능한 거리 및 현 상황과 특징을 알 수 있다. 추후 어떤 특징을 부과해야 하는지 알 수 있을 것이며, 태양광 자율주행 자동차의 운행 가능성을 파악할 수 있을 것이다. 또한 필요한 에너지양과 디자인 및 충전 방법 등을 고려할 수 있다.

표 5. 전기 자동차 사례 조사

3. 태양광 자동차를 위한 에너지 조건

유의선의 자료에 의하면 태양 에너지가 지구에 들어오는 양은 전 세계에서 공급하는 에너지양의 8천 배 이상임을 알 수 있다[13]. 태양 에너지의 사용은 환경 문제는 물론 자원 감소에 대한 문제의 해결 방안이 될 수 있다. 이를 위하여 태양광 에너지를 사용 가능하게 하는 태양광 발전 장치가 필요하다. 최회균에 의하면 태양광 발전 장치는 태양전지로 구성된 모듈을 배열하고, 역변환 장치인 인버터, 축전장치, 통제장치, 계통연계장치 등으로 구성된 것을 알 수 있다[3]. 태양광 에너지를 전기 자동차에 사용하는데 필요한 태양전지는 태양광을 전기 에너지로 변환시키는 장치로, 에너지양은 태양광을 받는 면적에 비례한다는 것을 최필공의 자료를 통해 알 수 있다[14]. 태양광 발전 장소로는 기온, 일사량, 일조시간 등에 대해 고려해야 하며 최회균에 의하면 태양전지 모듈은 30도 범위 안의 경사각으로 정남향 방향에 놓는 것이 가장 효과적으로 에너지를 충전할 수 있다. 또한 1kwh 태양광 에너지를 획득하기 위한 표면은 평면 기준으로 대략 8∼12m²이다[3].

[표 6][15-17] 태양광 자동차 사례를 통해 태양광 에너지를 사용한 자동차의 현재 상황과 태양광 에너지만으로 충전 및 자율운행 가능 여부를 파악할 수 있다.

표 6. 태양광 자동차 사례

자연 에너지만으로 운전하는 것은 중요한 연구 분야로 볼 수 있다. 현재 태양광 에너지를 사용하여 운전할 수 있게 하는 프로토타입을 볼 수 있듯, 태양광 에너지만을 사용하여 자율운행이 가능한 것으로 보인다.

Ⅲ. 자율주행 시스템과 자동차의 연동

1. 자율주행 자동차의 구조와 원리

빈미영 외의 자료에서 자동차 관리법에 따르면 자율주행 자동차는 사용자가 운전하지 않고 자동차 스스로 운전이 가능한 것으로 정의되며 환경 문제와 교통수단의 접근성 및 편리함과 안전성을 위한 해결 방도가 된다[18].

김경석의 자료를 보면 자율주행 자동차의 구성은 위치를 확인하는 GPS 시스템과 사물 등을 인식하는 센서 (Sensor), 연산 제어 장치인 프로세서(Processor), 시스템을 관리하는 제어 알고리즘(Algorithm), 전기 에너지를 운동에너지로 변환하는 액추에이터(Actuator) 등으로 형성되어 있다. 자율주행 자동차의 분류는 미국 도로교통안전청(NHTSA)에서 주행 능력에 따라서 0~4 단계로 분류한 시스템이 가장 상용화되고 있으며 자율주행 기술의 0단계는 완전 수동 운전으로 운전자가 모든 주행을 직접 수행한다. 1단계는 운전자가 주행하고 정해진 기능만이 자동으로 작동하는 단계이며 2단계는 2가지 이상의 자동주행 성능이 연합하여 수행하는 단계이며 3단계는 특별히 정해져 있는 환경이나 여건에서 자동화가 실현되는 제한적 자율주행 단계이다. 마지막 4단계는 자동차 스스로 운전자의 제어 없이 목적지까지의 이동 및 주차까지 가능한 완전 자율주행 단계로 차량 호출 등도 가능한 정도를 뜻한다[19]. 현재 많은 기술의 개발로 완전 자율주행의 단계에 도달의 가능성이 커지고 있다. 추후 자율주행이라는 수동적 주행에서 자율운행의 개념으로 더욱 발전할 것으로 보인다.

2. 태양광 에너지 추적 방안

태양광 에너지를 능률적으로 활용하기 위해서는 스스로 태양광에 따라 위치를 조절하는 태양광 추적시스템이 적합하다고 할 수 있다. 우은경에 의하면 태양광의 추적 방식은 태양광의 설치 장소에 따른 태양의 위치와 시간대를 통해 태양광의 위치를 컴퓨터로 계산하는 프로그램 방식, 광센서를 사용한 감지 방식, 두 가지를 혼합하여 사용하는 방식으로 각 결점을 보완하는 방법으로 사용할 수 있다[20]. 태양이 가려졌을 경우 혹은 태양광의 지점에서 벗어났을 때 시간에 따른 계산된 태양광의 대략적인 위치를 결정하여 추적하고 최적의 에너지를 충전할 수 있게 감지기가 조절할 수 있을 것이다.

태양광 추적시스템을 자율주행과 사용하기 위해서는 내비게이션을 통한 시스템 정보가 필요하다. 내비게이션은 목적지까지의 길 안내와 이동에 따른 도로의 교통 정보 등 다양한 주변 상황과 주변 환경을 알려주는 역할을 한다. 태양광을 추적하는 시스템과 내비게이션 시스템을 결합하여 태양광의 평균적인 위치가 내비게이션과 연동되며 복잡한 도로와 태양광을 가리는 공간을 피하여 최적의 장소를 제공한다. 이는 실시간으로 내비게이션에서 제공 및 공유하게 된다. 더 나아가 공공시설 혹은 건축 등 전기 에너지를 공급 가능한 장소와도 연결될 수 있으며 실시간 교통 상황과 주변 환경 정보를 제공하여 교통 체증에 대비할 수 있고 에너지를 능률적으로 이용할 수 있을 것이다. 이 시스템을 SETN(Solar Energy Tracking Navigation)이라고 할 수 있다.

3. 시스템의 통합 및 에너지 활용

에너지 자원을 절약하고 활용의 효율을 높이기 위해 태양광을 통합하여 운영할 수 있는 시스템이 필요하며 이를 위하여 스마트 그리드와 같이 서로 연결이 되는 시스템의 활용이 필요하다. 김관권 외에 의하면 스마트 그리드는 IT 기술을 사용하여 송전망을 통해 전력을 공장이나 가정 등 필요한 장소에 수요와 공급을 최적화하는 목적으로 가정마다 스마트 미터를 설치하여 태양광 발전의 전력 관리를 한다. 스마트 그리드는 문제 발생 시 빠르게 해결이 가능하며, 전력 수요가 최고조일 때 원격으로 수요 억제를 통하여 가정의 전력 소비를 줄일 수 있다[6]. 또한 한국 스마트 그리드 사업단의 정보에 따르면 이 시스템은 기존 전력 시스템에 정보와 통신 기술이 보완되어 수요, 공급 대상자들이 서로 정보를 교환할 수 있고 전기 자동차 충전 등도 가능한 시스템의 개념이다[21]. 이 시스템을 통하여 자율주행 자동차들의 운행이 이루어질 수 있을 것으로 전망된다. 또한 다양한 장소 및 제품과 연동이 되어 다양하게 에너지를 활용할 수 있을 것이다. 이러한 활용은 전기 자동차의 배터리 한 개의 에너지보다 여러 개의 에너지가 주는 효과는 더욱 클 것이다. 시스템의 연동으로 에너지가 필요한 건축물이나 물건 혹은 자동차 등이 있을 경우 에너지를 공급해 줄 수 있는 자율주행 차량이 해당 장소로 이동하여 에너지를 제공해 줄 수 있을 것이다.

Ⅳ. 능동적 자가 충전 및 운행 제시

1. 유의 행동적 시스템

자동차의 에너지 공급원으로 태양광만을 사용하는 방법으로는 표 5의 태양광 자동차 사례와 같이 프로토타입으로 제작이 이루어지고 있다. 세계적으로 친환경 에너지 활용을 위하여 지속적인 연구가 진행되고 있어 가까운 미래에는 태양광 에너지가 더욱 발전할 것으로 예상된다. 필자는 자율주행 자동차에 유의 행동적 시스템을 도입하여 충전뿐 아니라 자율운행의 방향성을 제시하고자 한다. 자율주행 시스템의 기능을 활용하여 능동적인 자가 충전이 가능하며 자동차가 유의적으로 스스로 운행하도록 한다. 이를 위하여 태양 에너지 충전 및 이용, 자율주행 시스템, 스마트 그리드의 방식을 활용한 통합 시스템을 사용하였다.

유의 행동적 시스템은 또한 자율운행이라는 개념으로 운전자가 이용하지 않는 시간을 스스로 활용하는 것으로 에너지 충전, 공급과 유지점검 등 그것으로 생기는 지출 및 창출을 관리하는 것을 말한다. 자동차가 스스로 점검하며 필요시에 정비소에 가서 수리를 받고 비용의 지출은 스마트 시스템의 연동으로 스스로 결제가 이루어진다. 운행 경비는 스스로 비용을 마련할 수 있는 운반 행위의 운행을 시행함으로써 경제적인 활동을 하여 운행 및 사용자를 위한 이익을 만들 수 있다.

현재 도로교통의 환경과 기존의 주차시설 현황 및 자율주행으로 인한 주차 공간 변화를 파악하여 유의 행동적 시스템의 가능성을 파악하였다.

앞서 언급한 연구자료들을 통해 교통환경을 고려하여 능동적으로 차량을 사용하지 않는 시간대를 파악 후 스스로 에너지 충전 장소를 찾아 자가 충전을 할 수 있으며 무인 택시나 택배 시스템과 같은 운행이 이루어진다.

현재 주차시설의 상황 또한 변화될 것으로 보고 문제점들의 해결 방안이 될 것으로 예상한다.

박치영에 의하면 2020년 기준으로 서울시와 각 행정구에서 운영 중인 12,484개의 공영주차시설이 있으며, 11,407개의 노상, 1,077개의 노외 주차장으로 183,441개의 주차면이 구획되어 있다. 그러나 각 주차시설에 따른 주차장 법령이 각각 다르게 적용되어 주차장 운영이 어려우며 늘어나는 차량으로 주차난이 심각 하다[22].

이용자들의 자동차 사용이 끝나면 자율운행으로 자동차가 스스로 필요한 곳으로 움직여 주차 공간이 불필요해질 것이며 주차를 희망할 시 사용료가 낮은 주차장, 개인 간 공유하는 등 주차가 가능할 것이다. 또한 차량이 차지하는 공간 요구가 감소하여 법정 주차대수를 확보할 필요가 없어져 주차난을 해결할 수 있을 것으로 보인다. 또한 박치영에 의하면 자율주행 자동차로 인하여 주차 공간의 규모나 기존 주차면적의 최소 40% 에서 87%까지 수요가 줄어들어 효율적인 공간 운영을 할 수 있을 것이며 주차장법이 명확해질 것이다[22].

현재 운전자가 사용하지 않을 시 대부분 주차 공간에 주차된 것이 아닌 카플, 택시 등과 같은 어플 시스템과 자율주행 자동차가 연동되어 지정된 허용 거리 범위 (km) 안에서 이용자를 찾아 출발지에서 목적지까지 운전이 가능해진다. 또한 택배 시스템과 같이 원하는 장소에서 장소로 물건을 운반하는 형식으로 사용 가능하며 이에 따른 수익을 마련할 수 있다. 이것을 아래의 [그림 2]와 같이 나타낼 수 있다.

그림 2. 유의 행동 패턴

인간이 운용하는 것이 아니기에 사용 및 비용 면에서유리하며 시간 제약 또한 없다는 장점이 생긴다.

사용자는 자동차로 인해 얻는 편리함, 시간 절약 등의 장단점이었던 유지비용, 주차 문제, 활용도, 환경 문제 등을 보완할 수 있으며 이 운행 시스템으로 새로운 직업군이 생길 것으로 예상할 수 있다.

2. 필요 에너지 공급 방법

태양광 에너지를 사용할 경우 일상 주행에 필요한 에너지를 공급할 수 있으나 상황에 따라 어려운 경우가 있다. 자동차가 장거리를 운행할 경우 충전 시간이 길고 잦을 것이다. 또한 낮 시간대는 태양광 충전이 가능하지만 해가 없을 시 충전이 힘들며 기후의 변화에 따라서도 영향을 많이 받게 되고 특히 우리나라 대부분의 빌딩, 아파트 등에서는 지하 주차장이 보편적으로 활용되고 있어 태양광 에너지 공급의 어려움이 있을 것이다.

따라서 [그림 3]과 같이 요구되는 필요 에너지를 공급하여 줄 방법이 필요할 것이다. 건축 또는 공공시설물 등에서 자동차 운행에 필요한 에너지를 제공받을 수 있을 것이다.

그림 3. 필요 에너지 공급

이재조 외에 의하면 전기 자동차의 충전을 위해 한국의 경우 2025년까지 50만대의 완속 충전기를 구축시킬 계획이며 2034년에 충전 전력을 전체 시간대에 확보할 수 있을 것으로 예상된다는 정부의 발표자료가 있다[23]. 이처럼 현재 많은 연구가 이루어져 자율운행에 필요한 에너지 공급의 어려움은 사라질 것으로 보인다.

해외의 경우에는 이를 대비하기 위하여 기존의 충전하는 방법과는 다르게 도로 바닥에 전력을 공급하여 필요한 에너지양을 충전할 수 있도록 하는 방식을 실험하고 있다. 이 방식을 도입하면 도로에서 주행 중에도 무선으로 충전이 가능할 수 있게 하여 더욱 편리하고 신속한 전력 공급이 가능할 것이다. 또한 주행 중 사용되는 충전량에 따른 비용은 바로 지급하지 않고 청구되는 방식으로 이용하기에 편리하며 하이패스와 같은 무선 통신 기능을 사용하면 주행 중 생기는 비용들이 편리하게 처리되며 자유로운 자율운행이 이루어질 수 있다.

다른 방안으로는 기후 변화와 같은 예측하기 힘든 변수의 상황에 대비하여 탈부착 기능을 이용한 배터리를 제안하고자 하였다. 부착하고 분리 가능한 방식의 기능을 배터리에 적용해 쉽게 교체할 수 있는 구조로 이루어진다. 여분의 배터리를 보관하기 위한 장소도 생기게 될 것이며 충전할 장소를 찾아다니거나 충전 시간에 대한 부담을 감소시킬 수 있다. 또한 표7과 같이 기존의 배터리 충전 시스템과는 차별성을 볼 수 있는데, 배터리 보관소는 기존의 충전소와 같이 충전할 자리가 필요 없으므로 공간 활용에 있어 효율적일 것이다. 배터리 사용 시 보증금 지급 후 배터리 보관 장소에서 배터리를 교환할 수 있는 서비스로 운영이 될 것이다.

표 7. 배터리 교환 시스템

3. 에너지 활용 가능성

자동차의 에너지를 활용하여 자원의 소비를 줄이고 효율적으로 에너지 공급이 되는 방법의 하나로 에너지를 공유하는 것이다.

먼저 이재조 외의 연구자료에서 자동차의 사용량을 확인하면 운행되지 않는 자동차는 전체 자동차의 75% 정도이며 실제로 운행되는 차량 수는 대략 10% 안팎이다[23]. 현재 사용되지 않는 75%의 자동차를 유동적인 자율운행으로 사용하여 에너지를 활용하면, 현재 공간 면적만 차지하는 상황에서 에너지 전력 부족 현상 및 부족 장소 등에 에너지를 제공할 수 있어 다양한 에너지 문제를 해결하는 방안이 될 수 있을 것이다.

또한 전력의 사용성으로 날씨나 시간대, 장소 등에 따라 요금제가 적용되어 출퇴근 시간에는 에너지를 높은 비용에 제공하고 그 외에는 저렴한 비용으로 제공하는 방식을 사용할 수 있을 것이다. 에너지 사용시간이 많은 시간에 자원을 제공해 주는 방안으로 에너지의 과부화 현상을 줄이는 방안이 될 수 있다.

전기로 활용 가능한 에너지인 태양광은 무한적인 친환경 에너지로 전기 충전이 가능하다. 운전자가 태양광 에너지로 자동차를 충전 후 사용하는 필요 전력량 외의 여분을 다른 차량에 충전할 수 있게 되면 더욱 사용이 용이해질 것이다. 현재 V2G(Vehicle to grid)라는 전력 공급시스템이 연구 중이다. 김유진 외의 자료에 의하면 V2G는 전기차 배터리에 저장된 에너지가 요구되는 가정에 제공해 주는 방법을 말한다[2].

V2G 시스템 중 현재 단일 방향만이 아닌 양방향 충전으로 충전과 방전이 가능한 기술이 발전하고 있다.

오토데일리에 의하면 2017년 현대 모비스는 차량장착형 양방향 충전기 개발을 완성하였고 현대 전기자동차 ‘아이오닉 5’에 이 충전기를 장착하여 2021년에 출시하였다[24]. V2G 시스템 사용을 위해 현재도 사용되고 있는 회사와 개인의 거래 방식으로 차량 간 연동이 이루어질 것으로 예상한다. 개인 간의 거래 시 발생할 수 있는 문제점들을 고려하여 운영센터가 존재하며 전력거래를 APP 등을 통하여 이용할 수 있게 될 것으로 본다.

태양광 에너지를 활용한 자율주행 자동차에 [그림 4]와 같이 V2G 방식에 더 나아가 ACV(All connect with vehicle)를 활용하여 에너지가 필요한 장소에 공급해 줄 수 있을 것이다. 태양광 에너지 사용으로 자원 문제 해결뿐만 아니라 전력 공급의 해결이 급하게 필요할 때 감당할 수 있을 것이다.

그림 4. 에너지의 사용

또한 [그림 5]와 같이 거대한 이동형 발전소로 사용이 가능해질 것이다. 자동차 여러 대가 집합하여 전력을 만들 수 있게 되어 발전기와 같이 전력이 필요한 곳과 전기가 공급되기 힘든 지역에 전기를 공급할 수 있게 될 것이다. 자동차들이 서로 연동되어 자동차 수가 많을수록 더욱더 많은 에너지를 공급할 수 있다.

그림 5. 자율운행 자동차의 이동형 발전

에너지의 공급 및 이동형 발전소 등의 사용을 위해서는 V2G 방식을 활용해야 한다. 오재성 외의 연구자료에 의하면 최근 Energy storage system, Vehicle to grid, 전기자동차 충⋅방전시스템 등 다양한 분야에 양방향 충전기가 요구되고 있으며 [그림 6]과 같이 양방향 직류/직류(DC/DC) 컨버터를 제안하고 있다[25].

양방향 충전은 한 방향으로 에너지 충전이 아닌 충전된 곳에서 충전한 곳으로의 에너지 방향 또한 가능하게 된다고 할 수 있다.

그림 6. 양방향 DC/DC 컨버터

기존의 도로에 무선 충전이 가능한 것에 더 나아가 자동차 에너지를 주행 중 도로에서 자동차로의 이동만이 아닌 자동차에서 도로로 충전이 가능할 수 있고 충전된 도로를 통해 충전이 필요한 차량에 공급이 가능할 것이다. 또한 이 방법을 통해 전력이 필요한 장소에 직접 찾아가서 에너지 제공을 하지 않고도 도로에 충전된 전력을 이용하여 에너지를 공급할 수 있게 된다.

도시계획 등에 있어 공간 구획의 형태가 변할 것이다. 주차장이 필요 없게 되겠지만 자동차가 정차 시에 동내에 전력을 공급하는 장치로 작동할 수 있을 것이다.

Ⅴ. 결론 및 제안

본 논문에서는 태양광 에너지를 사용하여 자율주행 자동차가 유의적으로 에너지를 충전하는 것과 사용 및 운행을 제시하고자 하였다. 현재 완전 자율주행으로 계속 발전하고 있으며 태양광 에너지만을 이용한 자동차는 프로토타입 등으로 제작되고 있어 근 미래에는 상용화될 것으로 예상한다. 따라서 이 연구의 가능성 역시 크다고 본다.

연구한 교통량의 조사 자료를 통해 자동차 이용자들이 현재 자동차의 이용 목적 및 사용하는 시간, 거리, 에너지양 등을 분석하여 태양광 에너지만으로 운행할 수 있는지에 대하여 파악하였다. 또한 기존의 전기 자동차의 전력 소비량과 충전 방식을 가지고 기후 변화와 다양한 상황에 따른 태양광 에너지의 자가 충전 가능성과 방법에 대해 알아보고자 하였다.

자동차의 에너지를 태양광 패널에서만 충전하는 방식이 아닌 서로 연동되는 시스템을 적용하여 차량뿐만 아니라 공공시설 또는 건축 등의 전력을 통해 에너지를 공급받을 방법들을 고안하고자 하였다. 또한 탈부착 가능한 배터리로 오래 걸리는 충전 대신 간편하게 배터리를 교환하는 서비스를 사용할 수 있을 것이다.

자동차의 활용도가 높아짐에 따라 자동차를 이용하지 않을 시에는 무인 택시와 같은 형태로 운행이 가능할 것이다. 설정된 허용 범위의 거리 안에서 이용객들을 목적지로 이동시켜 주는 형태 또는 물건만을 운반하는 무인 택배 형식으로 이용이 가능할 것이다. 인간이 운전하는 것이 아니므로 편리하며 안전하고 실용적일 것이며 더 나아가 개인 소유의 자동차를 대중교통의 개념으로 이용하여 자동차들의 수요 또한 줄어들 수 있으며 환경 문제도 개선될 것이다.

자동차가 에너지를 필요로 하는 건물이나 공간으로 이동하여 충전해 주는 방식을 통해 이동형 발전기와 같은 형식의 충전 방법으로 전력이 필요한 장소에 공급할 가능성을 제시하였다.

또한 연결선 없이 자동차 에너지를 도로에 충전하고도로에 충전된 에너지를 필요한 자동차 및 장소에 충전가능한 방법을 구상하였다. 본 논문을 통하여 자율주행자동차가 태양광 에너지를 활용하여 에너지의 폭넓은 사용과 환경 문제의 해결에 기여할 것으로 예상한다.