주택과 빌딩이 얼마나 더 지능화 될 수 있을까?

집에서 1000 마일 이상 떨어진 곳에서 손끝 하나로 집이나 사무실의 전력을 하나하나 관찰하고 제어할 수 있다고 상상해보자. 그 능력으로 얼마나 많은 것들을 할 수 있을까? 온도조절장치를 원격으로 변경하거나 전등을 켜고 커피메이커를 작동할 수도 있다.

전력망 용량과 비용을 바로 확인한 후 이를 바탕으로 전력 사용량을 실시간으로 결정할 수 있다고 가정해보자. 최적의 에너지 사용과 절전으로 지갑을 두둑하게 만들거나 회사의 수익을 늘릴 수 있는 정보와 통제력을 가지고 있다고 상상해보자. 이는 손끝으로 매일 매 분마다 돈을 벌 수 있는 도구를 가지게 된 것이며 이 모든 것은 스마트폰으로 이뤄지는 것이다.

이런 시나리오는 몇 년 전만해도 상상 속에서나 가능한 일이었다. 하지만 이것이 점점 현실화되면서 집주인과 임대인은 어느 곳에서든 에너지 소비에 대해 통제권을 어느 정도 갖게 됐다.
이것은 예전에는 불가능했던 일이다. 집 혹은 직장에서 사용하는 전력은 이동 중에 사용하는 전기장치를 통해 점점 스마트해 지면서 스마트 주택과 스마트 빌딩을 실현시킨다.

전력 모니터링, 연결, 제어 등을 통틀어 스마트 전력이라고 하는데 이것은 첨단 반도체 기술을 통해 이뤄진다. 텍사스인스트루먼트(이하, TI)는 스마트 전력 발전에 매진하는 기술혁신기업 중 하나다.

더 스마트해진 발전

발전과 송전은 지속적으로 스마트하고 정교한 공급으로 진화를 거듭하고 있다. 산업 차원에서 서비스 공급자들은 태양광발전 및 풍력발전 단지 같은 대체 에너지에 투자하고 있으며 중앙 발전소를 보다 효율적으로 활용하기 위해 노력하고 있다. 전력장비 또한 점점 지능화되면서  송전, 연결, 변전 등에서의 전력 손실을 최소화하기 위해 데이터 네트워크로 발전되고 있다.

에너지 공급은 더 이상 서비스 공급자만의 일이 아니다. 주거빌딩 및 상업빌딩은 풍력 기술과  태양광 기술로 이뤄진 소규모 설비를 구축해 직접 에너지 발전소로 활용할 수 있다. 소규모 생산자의 경우 스마트 파워가 전기의 생산, 저장, 사용을 관리하고 초과 발전시에는 그리드로 전기를 보낼 수 있다.

더욱 스마트한 주택과 빌딩

지능적인 전력 사용은 주택과 사무용 빌딩을 더욱 이롭게 할 것이다. 공간에 사람이 있는지 여부에 따라 센서가 명령을 내려 전등의 불빛을 조절하고 전원을 켜거나 끄기도 하고 통풍을 늘리거나 줄이기도 한다.
에너지 네트워크에는 구역별, 애플리케이션별, 장비별로 전력사용량을 분석하는 소프트웨어와 같은 기능도 포함될 수 있다. 이러한 프로그램들은 장비의 오작동과 고장, 교체 여부를 판단하는데 도움 된다. 또 빌딩이 태양광 에너지나 풍력 에너지를 모아 전기를 발전하는 경우에도 에너지 네트워크는 필수적이다.
우리는 빌딩을 쾌적하게 유지했을 때의 생산성 증가로 설비투자비를 회수할 수 있을 만큼 비용이 절약된다는 점을 잘 알고 있다. 구조 모니터, 보안시스템, 연기 감지기, 모션 및 유인 감지 같은 애플리케이션들이 연결된 네트워크는 전체 빌딩 관리에 정통한 신경계 역할을 한다.

더욱 스마트한 전력 기술

건물의 에너지 관리를 향상시키기 위해서 여러 가지 기술들이 사용된다. 긴밀하게 결합된 다양한 형태의 건물 모니터링은 말할 것도 없다. 센서는 주위온도, 체열, 광 수준, 이산화탄소 수준을 감지하고 통풍 여부, 연기와 유해 화학물질 등 여러 가지 조건들은 감지한다.

구역 제어장치는 여러 센서의 데이터를 모니터링 한 후 광을 조절한다거나 통풍 방향을 바꾼다거나 온도조절장치 설정과 그 밖의 인자들을 변경하는 등의 동작을 개시한다. 마스터 제어장치는 복잡한 소프트웨어를 구동해 전체 네트워크의 활동을 분석한 후 운영 평가, 장비 경고, 비용 분류, 기타 출력 등의 작업을 한다.

이러한 시스템은 유선매체이든 무선매체이든 모두 통신에 의존하며 여러 지점들에서 신호변환, 마이크로컨트롤러(MCU), 기타 로직, 메모리와 여러 가지 형태의 인터페이스 회로 등을 사용한다. 전력관리 회로는 모든 장치에서 사용되며 이것은 대체 에너지원과 그것의 배터리 저장을 통해 전기 발전을 조절, 변환, 제어하는데 특히 중요하다.

반도체 요건의 이해

스마트 파워 시스템은 다양하기 때문에 반도체 기술에서 요구되는 조건들도 다양하다. 센서는 대체로 작고 독립적으로 작동하는 시스템으로 많은 수로 존재하며 때로는 접근하기 어려운 장소에 있기도 하다.

센서는 감지 요소라는 것 외에도 아날로그 신호 입력을 디지털 데이터로 바꾸는 신호변환 회로, 약간의 메모리와 로직, 통신 인터페이스, 유무선 링크를 통해 데이터를 보고하기 위한 트랜스미터 등을 필요로 한다. 이러한 장치에서 핵심 요건은 보통, 작은 크기와 저렴한 가격, 그리고 배터리로 장시간 구동해야 하기 때문에 매우 낮은 전력소비다.

구역 제어 장치는 스위치, 온도조절장치, 회로 등과 함께 제공될 수 있는데 여기에는 더불어 추가로 컨트롤 로직과 메모리, 제어 및 재프로그래밍을 위한 데이터 송수신 기능이 필요하다.
첨단 스마트 전력 네트워크가 설비된 상업빌딩이나 주택에는 여러 개의 구역 제어 장치들이 마스터 제어 장치로 보고한다. 그 이후 이 장치는 다시 인터넷, 지역 전력망, 기타 건물 레벨의 네트워크 및 외부 네트워크와 망으로 연결될 수 있다.

네트워크 통신 문제 극복

시스템들의 통신표준과 접속표준은 다양하다. 대량의 데이터로 분석과 계획을 하는 중앙 유선 시스템은 대부분의 데이터 교환 형태에 인터넷 프로토콜(IP)을 사용하고 일부의 경우 이보다 작은 장치들이 IP 패킷 데이터를 유무선 접속 링크를 통해 송수신하기도 한다. 그러나 무선 센서는 근거리 전송에서 전력소비를 최소화하도록 고안된 지그비(ZigBee) 같은 프로토콜을 사용하기도 한다.

무선 접속 시스템은 유선 인프라에 거의 변화를 주지 않아도 되기 때문에 설비비용이 절약된다. 또 더 많은 장치를 배치해 정교하게 데이터를 수집할 수 있고 더 작은 공간을 제어할 수 있다는 점에서 상당한 장점이다. 이러한 이유로 유선 구동 장치조차 따로 네트워크 선을 설치하지 않고 일부 형태의 무선 접속에 의존하거나 전력선통신(PLC)에 의존하기도 한다. 건물 밖에서 PLC를 사용해 전등, 액세스 포인트, 알람, 기타 기능에까지 네트워크 감지 및 제어를 확장할 수도 있다.

외부 소스와 통신을 하는 모든 네트워크는 어떤 형태로든 우연한 침입이나 악의적 침입을 방지할 수 있는 보안이 필요하다. 스마트 빌딩의 전력 네트워크의 하드웨어와 소프트웨어에는 둘 다 보안 조치가 포함돼 있어야 한다.

도시 규모 네트워크의 경우 가로등과 교통 인프라 같은 장치들과 전력망의 트랜스포머와 그 밖의 장치들에서도 비슷한 기술 문제가 적용된다. 스마트 빌딩은 민간사용 및 공공사용의 모든 단계에서 일어나고 있는 스마트 전력 패턴에 잘 맞는다.

 스마트 전력 솔루션의 추구

스마트 전력 기술은 지속적으로 개선되고 있고 새롭고 혁신적인 방식으로 응용되고 있다. 소형 크기, 최저 전력소비, 다양한 등급의 성능에 대한 요구를 충족하는 것 외에  IC 솔루션은 여러 가지 종류의 프로토콜이 사용되는 통신에서 탄력적인 구성이 가능해야 한다. 데이터 컨버터 같은 아날로그 신호 체인 기능들 또한 시스템 파워를 위한 관리, 조절, 제어 기능들처럼 핵심적인 구성요소다.

시스템 개발자는 단일 IC 공급업체의 컴포넌트들을 최대한 많이 알아내 디자인 및 조달 프로세스를 간소화하고 각 컴포넌트가 제공하는 복잡한 여러 기능간의 호환성을 확인했을 때의 이점들을 반드시 고려해야 한다. 통합 및 다양한 기능들은 차세대 제품에 관한 장기 로드맵을 지원하는데 도움이 될 수 있다. 또 여러 가지 패키징 옵션들을 사용한다면 다양한 보드 요건에 맞춰 탄력적인 운용이 가능하다.

이 외에도 스마트 전력 공급에서 중요한 기술력은 절연이다. 이것은 고전압 및 고전류 써지로부터 회로를 보호하고 고주파수 신호가 저주파수 회로에 들어와 데이터를 손상시키는 일이 없도록 작동 무결성이 유지되게 한다.

본래 스마트 전력 시스템은 서로 다른 종류의 회로를 결합하기 때문에 제대로 기능하게 하려면 믿을 만한 절연 기법이 필요하다. 절연에 관해서는 TI의 관련 백서를 참고하면 된다.

더 스마트한 미래를 위한 스마트 전력

앞으로 수 년 내에 직면하게 될 문제는 발전된 에너지로부터 최대한 유용한 성능을 어떻게 확보하는 가에 달렸다. 그것이 옥상 태양광 패널이든, 뒷마당 풍차든, 거대 발전소든 상관없다. 

스마트 주택과 사무용 빌딩은 효율적이고 책임감 있는 에너지 사용을 크게 늘려 자금을 절약하고 환경 영향을 최소화하면서, 소비자와 기업 관리자에게 건물 인프라에 대해 더 많은 통제권을 줄 수 있다.

스마트 전력은 센서, 무선 접속, 통신, 제어 장치, 소프트웨어 등의 인텔리전트 기술에 의존하고 있다. 더욱 친환경적인 세상을 일구기 위해 TI는 주택, 사무실, 공장, 자동차 등이 미래에 더욱 스마트해질 수 있도록 우리의 삶을 개선하는 기술들을 개발하고 있다.

스마트 전력 시스템을 위한 IC 솔루션을 찾고 있는 개발자라면 TI의 제품 구성이 상기 요건들을 해결하고 있는지 알 수 있을 것이다. 전력 IC 공급업체로서 TI는 전 범위에 걸친 전력관리 디바이스들을 보유하고 있을 뿐만 아니라 스마트 전력 네트워크의 혁신 솔루션을 만드는데 필요한 전문지식까지 보유하고 있다.

이러한 전문지식은 전력 입력의 품질을 보장해주고 미래의 복잡한 전력망에서 점점 더 중요해질 역률보정(PFC) 등의 기능에도 미치고 있다. 또 TI는 MCU에서의 초저전력 기술과 무선 접속 제품, 첨단 아날로그 신호 체인 솔루션, 다양한 네트워킹 포트폴리오, 접속 인터페이스, 통신 디바이스 등에서도 인정받고 있다.

이 외에도, 고속 스위칭 전원 공급 장치를 위한 질화갈륨(GaN) 등 TI의 첨단 아날로그 제조 프로세스는 절연 기법을 크게 발전시키며 제품 라인 전체에 걸쳐 유용함을 입증하고 있다.

글 : 에진더 싱(Ajinder Singh) TI 빌딩 자동화, 조명 디스플레이 총괄 매니저/
크리파  뱅캇(Kripa Venkat) TI 그리드 인프라 총괄 매니저
자료제공 : 텍사스인스트루먼트(www.ti.com)