| 2차년도 |
- 주관연구개발기관(우리기술 주식회사) : IoT 기반 에너지 하베스팅 열공급 시스템 및 모니터링 설계- 공동연구개발기관(한양대학교 산학협력단) : 열전도성 콘크리트 품질성능검증- 공동연구기관(동서건설): 열전도성 콘크리트 생산 및 현장시공 체계 구축- 공동연구기관(한국도로협회): 결빙사고 분석 및 공청회
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- 주관연구개발기관(우리기술 주식회사) :● Power Supply System 구성 설계● * -10℃이하, 25℃이상 에서 작동 가능한 태양전지 적용 및 여유전력(3일)유지가 가능한 축전시스템 설계 (단위면적당 배터리 축전량 90Wh/㎡ 이상) * 발열콘크리트 제어시스템 설계 * 3일 사용량 기준 배터리 설계(발열 콘크리트의 예상 소비 전력을 산정하여 배터리 축전량을 계획하였으며, 필요 발전량에 따라 태양광 패널 정격 출력 전압 조정과 제어하기 위한 컨트롤러를 개발) * 태양열 및 외부전력 하이브리드 충전 시스템 설계 * 발열콘크리트 제어가 가능한 설계보고서 1건 * 국토교통부령 제706호 도로의 구조ㆍ시설 기준에 관한 규칙 제 10조(차로)에 따르면 설계기준자동차 및 경제성을 고려하여 필요한 경우는 3미터로 규정하고 있으며, 설계속도 및 지역에 따라 도로는 최소 2.75미터~최대 3.5m를 적용 중임. 본 과제에서는 다양한 폭의 도로에 적용하기 위한 최소 기준인 단위면적(1m2)당 배터리 축전량에 대한 성과목표치를 설정하였으며, 블랙아이스 취약 시간(23시~07시) 기후조건 분석(강수/강우/온도 등)을 통하여 최적의 배터리 축전량 산정 및 성과목표치 달성할 계획임 - 공동연구개발기관(한양대학교 산학협력단) :● 열전도도 최소 7 W/m·K 이상급 열전도성 콘크리트 개발 * 현재 한양대학교 콘크리트 연구실은 탄소소재인 흑연과 실리콘 카바이드를 기반으로 하는 아치형 강섬유 보강 열전도성 콘크리트를 개발하여 열전도율 7 W/m·K 급 열전도성 콘크리트 개발. * 개발된 열전도성 콘크리트에 외부환경 및 열화인자에 영향을 받는 도로포장재료로서 기계적 성질 및 내구성능 분석, 이를 통한 공인인증서류 구축 - 공동연구기관(동서건설):● 열전도성 콘크리트 생산기술 및 설치/제작 기술 개발 * 개발되는 열전도성 콘크리트 사용형태에 따른 생산기술 정립 * 현장조건에 따라 적용방법을 고려한 열전도성 콘크리트 제작방법 도출 (프리케스트 기반의 패널형태 및 현장직접타설방법) - 공동연구기관(한국도로협회):● 지역별(강원, 세종) 도로 결빙구간 및 겨울철 사고다발 구간 등 사전조사 ● 지자체(공공)/지역주민 참여 자문단 구성 * 연구개발 단계부터 지속적인 시민들과의 소통을 통해 다양한 시민의 의견이 반영될 수 있는 기회를 만들어 사업성을 강화하고 사업에 대한 시민의 관심과 만족도 향상 도모 * 자격조건, 주요활동, 인원, 추진일정 등● 지역주민 대상 공청회ㆍ설명회 * 지역주민 공청회를 통한 지역의견수렴 및 지역적 특성을 감안한 대책기술 적용방안 마련 (지역주민 공청회 및 설명회를 통한 지역의견수렴 및 향후 연구방향 설정)
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| 연구성과 |
기술적 기대성과 |
○ 친환경 발열콘크리트 복합재료 선정 및 개발● 7 W/m·K 이상 열전도율을 가진 자기발열 시멘트 복합체의 개발, 폴리실리콘 슬러지 및 흑연의 경우 재료 자체가 가지고 있는 물리적 특성이 우수하여 열안정성이 우수하고 부식, 파괴 등이 발생하지 않아 복합체 내에서 물리적 특성을 향상시킬 수 있음● 에너지하베스팅을 통해 전력 공급이 가능한 발열체가 임베디드 된 도로 융설 콘크리트 개발, 기존의 열전도성 재료들은 발열성능 면에서는 우수하지만 시멘트복합체로 사용하게 되면 강도가 저하되거나, 내부의 공극을 발생시키게 된다. 반면 본 개발재료는 자기발열 성능은 비슷한 성능을 보이면서 시멘트 복합체 내부의 강도, 기계적인 성질 까지 향상시킬 수 있는 재료로서 도로포장 용 콘크리트로 적용하기에 매우 적합한 재료임. ○ IoT기반 Power Supply 및 Smart Control System 개발● 친환경에너지로 태양광발전이 주목받고 있으며, 이를 제어할 수 있는 센서 네트워크 기반 환경인식 프로세스가 적용된 사례는 있지만, 도로결빙에 대한 유지관리를 위한 센서 네트워크가 적용된 사례는 없는 실정임.● 친환경에너지(태양전지)를 이용한 축전시스템을 개발하고, 여유전력 유지가 가능하도록 총 소비전력에 대한 축전가능 설비를 구축하고, 일조량 및 기온에 따른 환경 분석을 통해 친환경 복합재료 발열콘크리트의 전력을 공급함으로써 도로결빙 스마트 제어시스템개발로 능동형 도로관리시스템을 구축이 가능함. ○ 통합 Smart Controller 응용프로그램 개발(Hybrid Web)● 기존 도로포장 유지관리는 실시간 현장파악과 응급조치의 기술이 결여되어 각각 기술에 과도한 비용이 투자되었으며, 태양광 및 풍력 발전 등의 친환경에너지를 활용한 시설물 유지관리기술이 부족하여, 경제적이고 지속가능한 운용이 어려웠음.● 열전도 콘크리트 및 스마트 제어시스템의 사용성 분석을 통해 현장적용을 위한 고도화를 수행함으로써 기존의 도로？교통 유지관리기술의 단점을 대체할 수 있는 친환경적이고, 능동적인 도로결빙 스마트 제어시스템을 개발함.
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| 사회 경제적 파급효과 |
○ 목표시장 정의● 어는비, 눈 등에 의해 도로결빙, 블랙아이스가 발생 되어 사고발생이 우려되는 지역으로, 가능한 분야는 도로포장, 철도, 인도, 골목길, 전력공급이 수월하지 않은 산간지역 등이 해당됨. ○ 목표시장 규모 및 성장 가능성● 우리나라 유지관리 시장측면에서 보면 2020년 예산안을 세부적으로 살펴보면 노후SOC 유지보수와 재난대응 투자가 강화됐음. 먼저 기반시설 노후화에 대비해 유지보수 예산이 3조1,058억원에서 3조9,131억원으로 8,000억원 가까이 늘어났음. ● 특히 포트홀과 불량포장, 상습 결빙노면 정비를 2,501억원에서 3,080억원으로 확대하고 좁은도로 등 위험한 도로를 안전하게 개량하기로 했음.● 또한 시설물을 안전하게 관리하고 장애시보다 신속히 대처할 수 있도록 4차 산업기술을 활용한 '스마트 유지관리'도 확대할 예정.● 국토교통부는 올해 예산 2조 1359억원을 투입해 안전한 도로를 만들기 위한 도로보수 및 포장사업을 실시한다고 공고함. ● 도로 관리 예산은 최근 3년간 꾸준히 증가하여 올해 지난해 보다 약 3% 이상 증가된 예산을 배정함. ● 도로 재료로서 보수 및 포장 후 재료의 품질 등에 의한 하자로 인해 재 보수기간이 짧아지는 문제가 발생되고 있어 경제적 손실 및 민원이 발생하고 있음. ● 따라서 본 사업화 연구를 통해 고속도로, 국도, 지방도 등 도로결빙이 발생되는 구간에 적용 가능한 열전도 콘크리트 포장 및 에너지 하베스팅 시스템을 개발하여, 정부의 시책에 부응하는 도로구조물의 재료로서 유지관리 편의성이 향상된 기술 도로구조물 재료로서 시장 점유율을 선점할 수 있음.
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| 활용방안 |
● 본 연구 과제의 결과물을 활용하면 어는비, 눈 등에 의해 발생되는 도로결빙, 블랙아이스로 인한 교통사고, 인명피해 등을 예방할 수 있음.● 에너지 하베스팅을 통해 기존 융설 및 융빙 시스템의 단점인 환경오염을 유발하지 않고 보다 체계적인 유지관리로 추가적인 비용을 줄일 수 있음.● 활용 가능한 분야는 도로포장, 철도, 인도, 골목길, 전력공급이 수월하지 않은 산간지역 등 다양하게 확장이 가능함.● 프리캐스트 형식으로 패널 제작이 가능하여 현장 타설이 아닌 사전 공장제작을 통해 현장에서 공사기간을 줄임으로써 신속한 교통 개방이 가능하고, 기존 유지보수공법에 비해 시공성이 우수하며 외부환경 조건에 따른 영향을 크게 줄여 일률적인 포장품질 관리가 쉽고 전단면 보수가 가능해 포장수명을 늘릴 수 있음.● 최종적으로 열전도 콘크리트 기술 및 에너지 하베스팅 시스템을 개발하여 타 분야와의 융합연구로 지속적인 성장을 주도할 수 있을 뿐만 아니라 블랙아이스 예방에 대한 국가적 차원의 관심을 가져올 것으로 예상됨.
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