스마트 그리드에서의 에너지 수확

유럽 전역에서 더 많은 네트워크가 구축됨에 따라 스마트 그리드가 점점 현실로 다가오고 있습니다. 유럽 연합은 2020년까지 전기 계측기의 80% 이상을 스마트 계측기로 교체하여 방출량을 10% 가까이 줄이고 연간 가정용 에너지 소비량도 그와 비슷한 폭으로 줄이는 것을 목표로 하고 있습니다.

2020년까지는 유럽 전역에 2억 개에 가까운 전기 스마트 계측기와 4,500만 개의 가스 계측기를 설치하여 전체 소비자의 70% 이상이 이러한 계측기를 사용하도록 할 예정입니다. 스마트 계측기의 평균 설치 비용이 €200 ~ €250 사이인 것을 고려하면 투자액은 €450억에 이르지만, 이도 일부에 지나지 않습니다. 자본 비용(capex)도 높지만 스마트 그리드를 통해 중요한 정보를 모두 제공하게 하기 위한 운영 비용(opex)도 높습니다.

태양열 및 풍력과 같은 재생 가능한 자원을 더 효율적으로 사용하는 것도 스마트 그리드로 전환하는 과정의 일부입니다. 유럽 전역에 다양한 풍력 기반 및 태양열 발전소가 설치되는 상황에서, 이러한 재생 가능한 자원을 잘 활용하기 위해서 가정, 사무실, 공장에서의 전력 사용에 대해 더 정확한 데이터를 얻고자 하는 필요성이 높아지고 있습니다. 이로 인해 가정에서는 전력을 모니터링하는 스마트 계측기 네트워크뿐만 아니라 전력 사용에 대한 좀 더 자세한 데이터를 제공할 수 있는 무선 센서 네트워크를 구축하고 있습니다. 이와 더불어, 흔히 로컬 서브시스템에, 전력선 자체를 전력선 컨트롤러에 사용하여 데이터를 수집하고 실시간으로 전기 제공업체에 전송하는 게이트 장치를 구축하는 작업도 추진되고 있습니다.

이 모두가 그리드의 전기 시스템에서 에너지 수확을 이용할 기회를 나타냅니다. 스마트 그리드 네트워크의 주요 비용 중 하나는 네트워크에 있는 계측기와 센서의 배터리를 유지 관리하고 교체하는 비용입니다. 가정용 계측기와 산업적 성격이 강한 서브스테이션 모두에서 에너지 수확 기술을 사용하면 스마트 그리드의 지속적인 운영 비용을 대폭 줄일 수 있습니다.

이렇게 하면 무선 센서 네트워크에 전력을 공급하는 태양광 전지에서 온도 차이를 서브스테이션의 전력으로 변환하는 열 발전기까지 여러 가지 다양한 에너지 수확 기술을 이용할 수 있습니다.

태양광 전력은 개별 센서에 장착되는 작은 전지부터 네트워크 전체에서 데이터를 수집하기 위한 게이트웨이에 전력을 공급하는 대형 어레이까지 다양한 방식으로 사용할 수 있습니다.

Parallax의 태양광 패널 어레이는 루프톱 설치로 최대 34W의 전기 에너지를 생산하여 네트워크 장비에 전력을 공급할 수 있습니다. 또한 루프톱 시설을 포함하여 영구적으로 전력을 생산할 수 있을 정도로 내구성이 좋으며 다양한 휴대용 응용 제품에도 사용할 수 있습니다. 이 제품은 효율이 약 18.5%인 12개의 125mm(~5”), 2.85W 단결정 태양광 전지를 커버 패널이 있고 UV 안정화된 폴리카보네이트 베이스에 실장하여 실외 사용에 필요한 내구성을 제공합니다. 맞춤 가공된 베이스 패널로 설치를 간소화하고 태양광 전지를 보호하며, 최대 전력 출력이 6.3V_DC(5.4A 기준)이므로 센서 네트워크 게이트웨이의 필요에 따라 여러 장치를 데이지 체인 방식으로 연결하여 더 높은 전압, 전류 또는 전력을 제공할 수 있습니다.  

그림 1: Parallax의 태양광 패널 어레이로 34W의 전력을 제공할 수 있습니다.

네트워크 게이트웨이의 전력을 변환하기 위해 Texas Instruments의 eZ430-RF2500-SEH와 같은 태양광 에너지 수확 개발 키트를 사용할 수 있습니다. 이 시스템은 어둠 속에서도 400회 이상의 전송에 충분한 전력을 공급할 수 있는 박막 충전용 배터리 한 쌍을 통해 추가 에너지를 관리 및 저장합니다. 이 배터리는 응용 제품이 절전 모드이고 수확할 빛이 있는 경우 에너지를 저장하는 에너지 버퍼의 역할을 합니다. 이 배터리는 자체 방전이 매우 낮으므로 에너지 수확 시스템에 적합합니다. 이 기판은 USB 기반의 완전한 MSP430 무선 개발 도구로서 MSP430F2274 마이크로 컨트롤러 및 CC2500 2.4GHz 무선 트랜시버 사용에 필요한 하드웨어와 소프트웨어를 모두 제공합니다. 여기에는 시스템 내에서 실시간으로 16MHz 저전력 MSP430 마이크로 컨트롤러의 디버깅 및 프로그래밍을 지원하는 USB 디버깅 인터페이스가 포함되어 있으며 이 인터페이스는 무선 시스템에서 PC로 데이터를 전송하는 용도로도 사용됩니다. 통합된 온도 및 RF 신호 강도 표시기를 사용하여 환경을 모니터링할 수 있으며 여러 개의 외부 센서를 사용하여 추가 데이터를 수집할 수도 있습니다.

그림 2: TI eZ430 에너지 수확 개발 기판은 스마트 그리드에서 태양광 전지나 열전 발전기를 지원할 수 있습니다.

또한 이 기판은 6핀 커넥터를 통해 Laird Technologies의 WPG-1 열에너지 수확기와 쉽게 연결됩니다. WPG-1은 무선 센서 네트워크와 서브스테이션의 게이트웨이 모두에 사용할 수 있는 독립형 박막 열전력 발전기입니다. WPG-1은 최대 1.5mW의 사용 가능한 출력 전력을 생산하고 광범위한 부하 저항을 처리할 수 있습니다.

발전기에서는 초저전압 승압 컨버터를 사용하여 20°K 미만의 온도 차이에서 사용 가능한 출력 전력을 제공하므로 건물 내부와 외부의 온도 차이를 이용하려는 경우에 적합합니다. 3.3V, 4.1V 또는 5.0V의 세 가지 전압 설정값을 수용하도록 출력 전력을 조정할 수 있으며, 집적 회로 기판에는 출력 전력을 설정하는 DIP 스위치가 포함되어 있습니다. eZ430 개발 기판에 맞는 기판 실장형 2핀 또는 6핀 커넥터를 사용하여 전기를 연결할 수 있습니다.

그림 3: Laird Technologies의 WPG-1은 20°K의 작은 온도 차이로도 전력을 생산할 수 있습니다.

다른 방법은 다양한 에너지 수확 소스를 다룰 수 있는 전용 전력 관리 시스템을 구축하는 것입니다. Texas Instruments의 bq25570은 태양광 전지나 열전 발전기(TEG) 같이 출력 임피던스가 높은 DC 전원에 과도한 부담을 주지 않으면서 이러한 전원에서 생성되는 마이크로와트 ~ 밀리와트의 범위에서 효율적으로 작동하도록 특별히 설계되었습니다. 이 장치의 배터리 관리 기능을 사용하면 시스템 부하에 따라 전압이 안전 제한 이상으로 승압되거나 공핍되어 이 추출 전력으로 인해 충전용 배터리가 과충전되지 않도록 보장할 수 있습니다. bq25570에는 고효율의 부스팅 충전기 외에도 일관적인 전압원이 필요한 무선 센서 네트워크(WSN) 등의 시스템에 보조 전력 레일을 제공하는 고효율의 나노 전력 벅 컨버터가 통합되어 있습니다.

bq25570은 또한 프로그래밍 가능한 최대 전력 지점 추적(MPPT) 샘플링 네트워크를 구현하여 장치로의 전력 전송을 최적화합니다. 샘플링을 통해 유지된 개방 회로 전압의 일부는 핀을 High 또는 Low로 전환하거나(각각 80% 또는 50%) 외부 저항기를 사용하여 제어할 수 있습니다. 샘플링된 이 전압은 내부 샘플링 회로망을 통해 유지되며 외부 커패시터에 의해 지속됩니다. 예를 들어, 태양광 전지는 일반적으로 개방 회로 전압의 80%에 해당하는 최대 전력 지점(MPP)으로 작동하기 때문에 MPPT 임계값을 80%로 설정하면 장치를 통해 태양광 전지의 전압을 조정하여 VIN_DC 전압이 설정된 전압 아래로 떨어지지 않도록 보장할 수 있습니다. 외부 레퍼런스 전압을 사용하여 외부 마이크로 컨트롤러에서 더 복잡한 MPPT 알고리즘을 구현하도록 할 수도 있습니다.

그림 4: TI의 bq25570을 사용하여, 효율적인 전력 정합을 위해 최대 전력 지점 추적 알고리즘을 지원하는 최적화된 전력 관리 컨트롤러를 구축할 수 있습니다.

수확하는 에너지가 산발적으로 발생하거나 시간에 따라 변할 수 있으므로 bq25570은 다양한 에너지 저장 소자를 지원할 수 있도록 유연하게 설계되었습니다. 시스템에는 일반적으로 충전용 배터리나 슈퍼 커패시터와 같이 시스템에 안정적으로 전력을 제공할 수 있고 피크 전류도 처리할 수 있는 에너지 저장 소자 유형이 필요합니다. 저장 소자가 손상되지 않도록, 내부적으로 설정된 부족 전압 레벨과 사용자 프로그래밍이 가능한 과전압 레벨을 기준으로 최대 및 최저 전압이 모두 모니터링되며 에너지 저장 배터리나 커패시터의 전압이 사전 설정된 특정 레벨 아래로 떨어질 경우를 표시할 수 있습니다. 그럴 경우 부하 전류 감소가 트리거되어 시스템이 부족 전압 조건에 들어가지 않도록 합니다.

이 모든 기능이 소형 실장 면적의 20리드 3.5mm x 3.5mm QFN 패키지(RGR)에 패키징되어 있으므로 전력 관리 소자를 에너지 수확 소스와 함께 쉽게 설치할 수 있습니다.

결론

에너지 수확 소스를 사용하여 스마트 그리드의 여러 소자에 전력을 공급하면 시스템 공급업체와 전력 회사에 큰 이점을 제공할 수 있습니다. 무선 센서 네트워크에서 배터리를 교체할 필요성을 줄이거나 모두 제거할 수 있으므로 운영 비용이 크게 절감됩니다. 대규모 태양광 전지 어레이나 열전 발전기를 통한 에너지 수확을 적절한 전력 관리 및 에너지 저장 장치와 함께 결합하면 스마트 그리드의 중요 데이터를 수집하는 네트워크와 데이터를 수집하여 작업자에게 전달하는 게이트웨이 모두에 유지 관리 부담 없이 전력을 제공할 수 있습니다.