BMW와 클렘슨대학교가 공동 개발한 태양광 자동차 프로토타입 ‘딥 오렌지 17’. (BMW·클렘슨대학교)

[오토헤럴드 김흥식 기자] 전기차가 전기를 소비하는 대신 스스로 전기를 만들어낸다면 어떨까. 태양광을 차체에 통합해 달리는데 필요한 에너지보다 더 많은 전력을 생산하는 전기차를 만들 수 있다면 인류의 미래는 어떻게 달라질까.

무한에 가까운 태양 에너지를 자동차의 동력원으로 활용하려는 연구와 시도는 오래전부터 이어져 왔다. 하지만 태양광 발전 면적이 제한적인 자동차의 구조적 한계와 낮은 발전 효율, 날씨와 일사량에 따른 발전량 변화 등으로 대부분 시험적인 의미를 넘어서지 못했다.

BMW와 미국 클렘슨대학교가 공동 개발한 연구용 프로토타입 ‘딥 오렌지 17(Deep Orange 17)’, 별칭 ‘루미네타(Luminetta)’는 지금까지 인간이 극복하려고 했던 이런 한계를 넘어설 수 있다는 새로운 가능성을 보여준다.

루미네타는 지붕에 태양광 패널을 얹는 기존 방식과 다르게 차체 외관 전체를 발전 면적으로 활용하고 무게와 공기저항을 크게 줄였다. 1700개 이상의 태양광 셀을 외장 패널 곳곳에 통합해 주행 중은 물론 그늘에 주차된 상태에서도 전력을 생산할 수 있도록 했다.

차체가 태양광 발전소…핵심은 ‘많이 만들고 적게 쓰는 것’

차체 외장 전체를 발전 면적으로 활용하기 위해 외장 패널에 통합된 1,700여 개의 태양광 셀 디테일. (BMW·클렘슨대학교)

태양광 자동차의 원리는 단순하다. 태양전지가 햇빛을 전기로 바꾸고 생산된 전력은 전력변환장치를 거쳐 배터리에 저장된다. 이후 배터리 전력이 인버터를 거쳐 전기모터로 전달돼 바퀴를 움직인다.

하지만 자동차는 구조의 특성상 태양광 발전에 불리한 구조를 갖고 있다는 점이 문제다. 태양광 셀을 설치할 수 있는 면적이 제한적이고 달리는 방향에 따라 태양을 제대로 받기 어렵다. 건물이나 나무 그늘에 가려지면 발전량도 떨어진다.

루미네타는 이런 한계를 극복하기 위해 새로운 시도를 했다. 독일 프라운호퍼 태양에너지시스템연구소(Fraunhofer ISE)와 개발한 태양광 패널은 일부가 그늘에 들어가도 발전을 이어갈 수 있도록 설계됐다. 외부에는 내구성 필름을 적용하고 레이저 제조 공정으로 차체와 어울리는 색상도 구현했다.

태양광 자동차에서는 발전량만큼 차량 자체의 에너지 소비를 줄이는 것도 중요하다. 루미네타의 무게는 550kg에 불과하다. 일반적인 크기의 자동차 무게와 비교하면 4분의 1수준에 불과하다. 강철과 알루미늄, 탄소섬유, 3D 프린팅 금속 접합부를 조합해 무게를 크게 줄였다. 

딥 오렌지 17 디자인의 영감이 된 노랑거북복(Yellow boxfish). 뭉툭해 보이지만 물의 저항을 최소화하는 뛰어난 유체역학적 형태를 가졌다. (오토헤럴드)

공기저항도 낮췄다. 차체는 공기역학적 형태의 박스피시(Boxfish, 거북복)에서 영감을 얻었다. 박스피시는 네모나고 뭉툭해서 저항을 많이 받을 것 같지만 실제로는 물속에서 헤엄칠 때 물의 저항을 엄청나게 적게 받는 기적적인 형태를 띠고 있다.

여기에 회생제동과 지능형 토크 배분, 구동계 제어 기술을 적용해 감속 과정에서 발생하는 에너지를 다시 회수한다. 이를 통해 태양광을 이용한 전력 생산을 극대화하면서 소비를 줄였다. 

클렘슨대 연구팀이 미국 그린빌, 독일 프랑크푸르트, 스페인 마드리드, 인도 뭄바이의 기후와 일사량을 바탕으로 차량의 에너지 흐름을 시뮬레이션한 결과는 놀라웠다. 하루 20km를 주행하는 조건에서 출퇴근에 사용하고 남은 태양광 에너지로 평균 약 50km의 추가 주행거리를 확보할 수 있는 것으로 나타났다.

시뮬레이션 결과지만 주목할 부분은 태양전지 자체보다 차량 효율에 있다. 같은 1kWh의 전력을 생산하더라도 100km 주행에 20kWh를 소비하는 전기차와 10kWh를 소비하는 전기차의 효율은 두 배나 차이가 난다. 태양광 발전 면적이 제한된 자동차에서는 이 차이가 더욱 커진다.

태양광 자동차의 미래…차체 전체가 발전소로

공기역학적 효율을 극대화하기 위해 설계된 루미네타의 리어 디자인과 차체 일체형 태양광 패널. (BMW·클렘슨대학교)

태양광 자동차가 당장 일반 전기차를 대체하기는 어렵다. 밤에는 발전할 수 없고 흐린 날에는 발전량이 줄어든다. 지하주차장이나 건물 그늘에서도 발전이 제한된다. 특히 대형 SUV처럼 무겁고 전력 소비가 큰 차량은 차체 전체에 태양전지를 적용해도 필요한 에너지를 모두 충당하기 어렵다.

따라서 태양광 자동차의 상용화를 위해서는 태양전지의 효율뿐 아니라 자동차 외장과 발전 시스템의 통합 기술도 중요하다. 자동차용 태양전지는 일반 태양광 패널과 달리 진동과 충격, 온도 변화, 자외선, 세차와 돌 튀김 등을 견뎌야 한다. 동시에 곡면 차체에 적용할 수 있을 만큼 가볍고 유연해야 한다.

루미네타의 차체 일체형 태양광 시스템은 이런 기술을 실제 자동차 형태로 시험했다는 데 의미가 있다. 루미네타는 BMW가 양산을 준비하는 모델은 아니다. 클렘슨대학교가 BMW 연구개발팀과 함께 진행한 연구 프로젝트로 2024년 가을 시작됐으며 16명의 자동차공학 대학원생이 개발에 참여했다.

그럼에도 의미는 작지 않다. 지금까지 전기차 경쟁은 더 큰 배터리와 빠른 충전, 긴 주행거리에 집중됐다. 루미네타는 얼마나 적은 에너지로 움직이고 제한된 차체 면적에서 얼마나 많은 전력을 만들어내느냐가 미래 태양광 자동차의 핵심이라는 것을 보여준 결과물이다.

고효율 태양전지와 초경량 차체, 낮은 공기저항, 차체 일체형 태양광 기술이 하나로 결합하면 전기차가 전기를 소비하는 이동수단에서 스스로 에너지를 만들어내는 ‘에너지 플러스카’로 진화할 수 있다는 가능성을 루미네타가 보여주고 있다.

김흥식 기자/reporter@autoherald.co.kr

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