[디지키 테크리포트] 무선 통신이 태양광 산업 혁신에 미치는 영향
[테크월드뉴스=이광재 기자] 라디오크래프트(Radiocrafts)는 태양광 추적, 인버터 모니터링, 에너지 저장 프로젝트 등에서 전세계 고객에게 서비스를 제공하면서 태양광 산업에서 수십년간 경험을 축적해 왔다.
라디오크래프트는 IoT 내 다양한 분야에서 무선 통신 솔루션을 제공하고 있지만 몇 년 전부터 눈에 띄는 추세가 있다. 태양광 응용 분야 관련 솔루션을 문의하는 고객이 점점 더 많아지고 있다. 라디오크래프트는 이러한 추세의 중요성을 인식하고 태양광 산업에 대한 이해를 더욱 심화하기로 했다.
이에 따라 인터솔라 유럽(Intersolar Europe), 인터솔라 US(Intersolar US), RE+ 및 기타 태양광 관련 전시회에 참가해 태양광 산업 혁신에 적극적으로 동참하기로 했다. 이러한 행사를 통해 태양광 부문의 기존 고객 및 새로운 잠재 고객과 교류할 수 있는 소중한 기회를 얻었다.
태양광 산업을 이해하려는 노력에 따라 앞으로 소개할 통찰력과 정보의 대부분은 이 한 부문에 대해 심층적으로 탐구하기 위한 노력을 통해 얻은 것이다.
따라서 이번 글에서 태양광 산업에 대해 자세히 알아보자. 태양광 산업에 포함되는 요소를 정의하고 업계 동향을 살펴보고 태양광 설치를 구동하는 데 필요한 다양한 장치를 조사하고 각 장치가 시스템 내에서 수행하는 역할을 확장하는 것으로 시작한다.
또 케이블 솔루션과 무선 대안을 비교하고 태양광 부문에 맞춤화된 무선 솔루션에 대해 논의하고 태양광 산업의 요구에 최적화된 여러 시장 선도적인 기능을 지원하는 라디오크래프트의 RIIM 메시 솔루션을 강조하는 것으로 마무리하겠다.
태양광 산업이란?
태양광 산업은 서로 다르지만 똑같이 중요한 3가지 부문을 포괄한다.
첫 번째로 강조할 부문은 방대하고 광범위한 유틸리티 규모의 설치다. 이러한 설치는 광범위한 태양광 패널 어레이로 구성되며 보통 수천개가 설치된다. 이 태양광 패널에는 태양광 추적기가 포함돼 하루종일 최적의 각도로 태양을 정밀하게 추적할 수 있다. 일반적으로 탁 트인 들판이나 사막 환경에 설치된다.
두 번째 부문은 사막 지역에서 볼 수 있는 것만큼 넓지는 않지만 상당한 면적의 중간 규모 설치로 구성된다. 이러한 시스템은 흔히 루프톱에서 볼 수 있으며 루프톱 및 산업 부문으로 분류된다.
마지막으로 일반적으로 루프톱에 태양광 패널을 설치한 단독 가구 또는 여러 가구로 구성되는 주거 부문이 있다. 일부 구성에는 에너지 저장 시스템과 전기 자동차 충전 시스템이 포함되기도 한다.
흥미롭게도 이러한 시스템간에 차이는 공공 전력망과의 상호작용을 지시하는 그리드 코드의 영향을 받는다. 대규모 설치일수록 그리드 과부하를 방지하기 위해 그리드에 에너지를 공급하고 출력을 조절하는 방법을 정의하는 엄격한 요구사항을 준수해야 한다. 이러한 다양한 시스템을 비교할 때 이러한 차이점을 이해하는 것이 중요하다.
또 특정 EU 규정에 따라 특정 신축 건물 건설 프로젝트에 태양광 설치를 통합해야 한다는 점도 언급할 필요가 있다. 이 요구 사항으로 인해 특히 루프톱 및 주거 부문에서 설치 건수가 크게 증가할 것으로 예상된다.
현재의 태양광 업계 동향
태양광 업계 내에서 눈에 띄는 동향이 있을까? 주거용 및 소규모 설치로의 전환이 이뤄지고 있을까? 아니면 언급된 모든 부문에서 성장이 일어나고 있을까? 물론 이러한 모든 부문에서 성장이 일어나고 있다.
무선 통신 사양을 충족하기 위한 요구사항과 시스템 구성에는 약간의 차이가 있지만 전반적으로 각 부문에서 꾸준한 활용을 확인할 수 있다.
태양광 설치에 필요한 장치 유형과 시스템에서의 역할
태양광 설치에는 일반적으로 많은 장치가 포함되며 부문에 따라 구성되는 부품에 차이가 있다.
태양광 설치의 핵심은 태양광 패널이며 주로 직렬로 연결돼 DC 결합기라는 장치를 통해 DC 전압을 전달한다. DC 결합기는 상호 연결된 태양광 패널의 DC 전압을 축적해 높은 수준으로 증폭한 후 인버터에 공급한다.
유틸리티 규모의 설치에서 DC 결합기는 시간 경과에 따른 잠재적인 물리적 성능 저하를 감지해 태양광 패널을 모니터링하는 데 중요한 역할을 한다.
특정 구성에서는 태양광 패널이 인버터에 직접 DC 전압을 공급해 아키텍처 유연성을 확보할 수 있다.
그 후 인버터는 DC 전압을 AC 주전압으로 변환한 다음 전기 계량기를 통해 전력망으로 전송한다.
태양광 설치의 또 다른 중요한 부품은 발전소 컨트롤러 또는 데이터 로거다. 수많은 인버터와 DC 결합기가 있는 대규모 설치에서는 이 장치를 발전소 컨트롤러라고 한다. 이 장치의 주요 기능은 인버터에 제어 명령을 전송해 전력망의 요구사항에 따라 출력을 조정할 수 있도록 하는 것이다.
소규모 설치에서는 이 장치를 데이터 로거라고 하며 주로 인버터에서 생성되는 에너지 데이터를 기록하고 인버터 내의 오작동을 감지하는 데 중점을 둔다.
대규모 설치의 경우 보통 그리드 오퍼레이터와 발전소 컨트롤러를 연결하는 연결 또는 API가 존재한다. 이를 통해 공공 유틸리티 그리드 오퍼레이터는 발전소 컨트롤러에 명령을 전송해 그리드의 요구 사항에 따라 인버터의 출력을 조정할 수 있다.
예를 들어 전기가 과도하게 생산되는 경우 그리드 오퍼레이터는 발전소 컨트롤러에 인버터의 출력을 줄이도록 지시할 수 있다. 이 통신에서는 일반적으로 인버터의 실시간 적응을 보장하고 과도한 전기 흐름으로 인한 잠재적인 그리드 과부하를 방지하기 위해 매우 짧은 대기 시간이 요구된다.
기상 관측기, 태양을 향한 패널 각도를 최적화하기 위한 태양광 추적기, 추적기가 실제로 적절하게 움직이는지 확인하기 위해 추적기 각도를 모니터링하는 장치, 들어오는 햇빛 강도를 측정하는 토양수분측정기 등 다양한 기타 장치를 대규모 설치에서 흔히 볼 수 있다.
에너지 저장은 또한 모든 규모의 설치에서 통합되는 배터리 뱅크와 함께 태양광 설치에서 중요한 역할을 한다.
주거 및 루프톱 구성에서 EV 충전소를 채택해 전기차 충전을 지원할 수 있다. 주거용 구성에서는 지역 에너지 생산량과 그리드 에너지 가격을 기반으로 소비량을 모니터링하는 에너지 관리자가 필수 부품이다.
에너지 관리자는 하루 중 태양 에너지가 가장 많이 생성되는 시간대와 같이 에너지 비용이 가장 낮은 시간에 맞춰서 로컬 부하의 작동을 최적화한다. 요약하면 태양광 설치는 광범위한 통신 기능을 갖춘 정교한 IoT 시스템을 형성한다.
유선 솔루션 대 무선 솔루션
오늘날의 대규모 설치에서는 복잡한 광섬유 루프 네트워크와 수 킬로미터에 이르는 케이블(지하에 매설된 전기, RS485 및 광섬유 케이블 포함)을 포함하는 유선 솔루션이 일반적이다. 하지만 무선 기술은 이러한 구성에 다양한 이점을 제공하면서 주목을 받고 있다.
유선 연결은 낙뢰 및 접지 루프에 취약해 여러 장치를 연결하는 케이블에 장애가 발생하면 통신이 중단될 수 있는 등의 문제를 안고 있다. 또 케이블 교체 및 수리 공정이 노동 집약적이고 상당한 비용이 발생한다.
이러한 문제가 대두되며 비용 절감과 설치 유연성이 뛰어난 무선 솔루션에 대한 관심이 증가하고 있다. 기존의 유선 방식은 일반적으로 완성하는 데 며칠이 걸리고 많은 인력이 필요하지만 무선 대체 솔루션은 빠르고 쉬운 설치와 적응성을 자랑한다.
특히 원활하고 효율적인 시스템 배포에 대한 요구가 증가함에 따라 이러한 장점으로 인해 무선 솔루션의 채택이 증가하고 있다.
태양광 설치에 적합한 무선 기술
앞서 설명한 3가지 태양광 부문의 특정 요구사항과 각 부문에서 효율적인 설치를 운영하는 데 필요한 다양한 장치에 각각 맞춤화된 수많은 무선 기술을 사용할 수 있으며 이에 따라 요구사항도 다양하다.
한 가지 중요한 요구사항은 장거리의 필요성이다. 예를 들어 주택 지붕의 태양광 패널에 직접 연결된 마이크로 인버터가 시스템에 포함될 수 있는 주거용 부문을 생각해 보자.
주택에서는 컨트롤러가 집 내부에 위치할 가능성이 높고 따라서 콘크리트 벽으로 인한 전파 방해가 생겨 통신 문제가 발생할 수 있다. 마찬가지로 비주거용 루프톱 설치의 경우 컨트롤러가 건물 몇 층 아래에 위치하기 때문에 루프톱 인버터와 효과적으로 통신하는 데 범위 문제가 발생한다.
수 킬로미터에 걸친 대규모 유틸리티 설치에서는 모든 추적기 및 DC 결합기와 장거리 통신이 가능해야 한다.
서브 GHz 무선 통신은 향상된 침투 특성과 전자파 내성을 가지므로 2.4GHz 기술에 비해 우수한 솔루션을 제공해 이러한 범위 문제를 해결할 수 있다. 또 태양광 패널 또는 인버터가 단일 네트워크 내의 여러 루프톱에 분산돼 있는 경우 확장성을 보장하기 위해 다중 홉 메시 솔루션이 필요하다.
서브 GHz 기술과 메시 기술의 조합은 3가지 유형의 태양광 설치에 모두 매우 효과적인 것으로 입증됐다.
서브 GHz 메시 기술의 또 다른 장점은 다음 그림에 나와 있다. 그림을 보면 발전소 컨트롤러는 루프톱 인버터와 통신하고 루프톱 인버터는 라우터 역할을 해 다른 인버터로 통신을 확장한다. 이러한 종류의 태양광 구성에서는 긴 범위가 중요하다.
하지만 대기 시간 요구사항은 범위와 상충한다는 점을 유의해야 한다. 대기 시간에 민감한 장비를 다룰 때는 통신 장비에 세심한 주의를 기울여야 한다.
예를 들어 기상 관측을 모니터링할 경우 보통 기상 조건이 그렇게 빠르게 변동하지 않으므로 밀리초마다 데이터를 수집할 필요가 없다. 하지만 그리드로 유입되는 전압을 줄이는 등 신속한 조정이 필요한 상황, 특히 여러 인버터를 동시에 관리하는 경우에는 실시간에 가까운 통신이 필요하다.
태양광 설치를 위한 라디오크래프트 RIIM 메시 기술
라디오크래프트는 위에서 언급한 3가지 태양광 설치 부문 모두에 매우 적합한 장거리, 저지연, 서브 GHz 메시 솔루션인 RIIM을 제공한다.
RIIM을 사용하면 여러가지 기능을 다양한 태양광 설치 시스템에 맞도록 유연하게 조정할 수 있다. 예를 들어 사용자에 따라 빠른 네트워크 연결 시간을 우선시할 수도 있고 짧은 대기 시간이나 단일 네트워크 내에서 여러 장치를 사용할 수 있는 기능을 우선시할 수도 있다.
네트워크 설정 내에서 이러한 요구사항을 미세 조정하고 우선순위를 지정할 수 있다. 또 고객 맞춤 개발을 광범위하게 지원하므로 고객이 표준 제품 이외에 추가 기능을 원할 경우 이러한 요청을 지원할 수 있다.
앞서 언급한 범위와 대기 시간 문제 이외에 신뢰성도 중요한 고려 사항이다. 케이블은 일반적으로 신뢰성이 높지만 마모되고 손상되기 쉬우므로 케이블 파손 및 이물질 축적과 같은 문제가 발생할 수 있다.
반면 무선 통신은 데이터 패킷 손실의 가능성이 있다. 이러한 문제를 완화하기 위해 RIIM은 ‘TSCH(Time-Slotted Channel Hopping)’와 같은 고급 기술을 사용한다.
TSCH는 서로 다른 주파수와 시간대에 걸쳐 데이터 패킷을 동기화된 일정에 따라 전송할 수 있는 프로토콜이다. TSCH는 시스템 내에서 99.99% 이상의 데이터 전송 신뢰성을 확보하는 데 탁월한 주파수 호핑 시스템으로 세계적으로 잘 알려져 있다.
데이터 처리량도 태양광 시스템 설계에서 중요한 고려 사항이다. 각 장치에서 생성되는 데이터의 양에는 큰 차이가 있다.
예를 들어 기상 관측에서는 상대적으로 적은 양의 데이터를 생성하지만 태양광 인버터에서는 상당한 양의 데이터를 생성할 수 있다. 시스템 설계를 결정할 때 인버터 또는 태양광 패널의 로컬 처리 기능, 데이터 필터링 및 압축을 고려해야 한다.
궁극적으로 장치간에 일정량의 데이터를 효율적으로 전송하는 것이 목표다. 예를 들어 네트워크가 주로 경보를 전송하는 경우 짧은 대기 시간이 중요하지만 트래픽 양은 적게 유지된다.
하지만 각 장치에서 초당 수백 비트의 데이터를 생성하는 경우 트래픽이 많아져서 정체가 발생할 수 있다.
특히 처리량이 많은 네트워킹에서 이러한 대기 시간 문제를 해결하는 것이 RIIM 네트워크 설계의 주요 측면이다. EU에서는 듀티 사이클 제한이 문제가 된다.
참고로 RED 지침에 따라 데이터를 전송할 수 있는 시간은 1%에 불과하다. 이 제한은 처리량이 많은 시스템에 큰 영향을 미친다. 예를 들어 LoRaWAN 네트워크를 사용해 장거리 데이터 패킷을 전송할 경우 듀티 사이클 규칙을 준수하기 위해 패킷 간에 10분의 대기 시간이 필요하다.
RIIM은 주파수 호핑을 활용해 여러 무선 통신 채널을 사용, 데이터를 전송할 수 있도록 함으로써 이 문제를 해결한다. 또 RIIM은 주파수 호핑 목록에서 잡음이 많은 채널을 식별한 후 제외해 시스템이 최적의 무선 통신 채널만 사용, 데이터를 전송하도록 하는 적응형 주파수 민첩성 기능을 지원한다.
또 RIIM은 데이터 패킷을 전송할 때 LBT(Listen-Before-Talk)를 활용한다. 이러한 기능의 조합을 PSA(Polite Spectrum Access)라고 하며 RED 지침 및 EU 표준에 따라 데이터 전송에 최대 37%의 시간을 허용한다. 이 조합은 트래픽 혼잡과 패킷 손실을 최소화하면서 높은 처리량의 네트워킹을 가능하게 한다.
또 RIIM의 강력한 기능으로 시그폭스(Sigfox) 또는 로라(LoRa) 기지국 등 단일 무선 통신 채널 내에서 작동하는 다른 프로토콜의 잡음 전파 방해를 효과적으로 관리할 수 있다. 특정 채널에서 큰 잡음이 감지되면 해당 채널을 사용하지 않도록 선택할 수 있는 유연성을 갖추고 있다.
더불어 RIIM 아키텍처는 유틸리티 규모의 설치에서 여러 병렬 네트워크를 포함하는 확장 가능한 시나리오에 매우 적합하다. 예를 들어 최대 1만개의 태양광 패널이 있는 대규모 설치에서 모든 패널을 단일 네트워크에 연결할 수는 없다.
대신 여러 네트워크가 주로 가까운 거리에서 병렬로 작동하는 솔루션이 필요하다. 이러한 모든 네트워크가 동일한 무선 통신 채널에서 작동한다면 서로 간에 상당한 전파 방해가 발생할 수 있다.
단일 채널 시스템을 사용하는 고객이 네트워크를 확장할 때 상당한 전파 방해 문제에 직면한 사례가 있었다. 하지만 RIIM은 주파수 호핑과 고유한 동기화 방법을 지원해 네트워크가 자동으로 전파 방해를 피할 수 있도록 한다. 이 내장된 기능은 고객의 개입 없이도 확장성 문제를 완화한다.
기억해야 할 사항
우리 모두가 지구 온난화의 영향에 맞서기 위해 노력함에 따라 재생에너지에 대한 수요가 급증하고 있다. 태양광 산업은 지속 가능한 전력 생산과 생활 방식을 발전시키며 이러한 노력을 주도하고 있다.
사막 지역의 수십만 개의 태양광 패널과 인버터로 구성된 대규모 배치부터 지역 사회의 개별 가정에 이르기까지 사회의 모든 부문이 태양광 운동을 발전시키는 데 중요한 역할을 하고 있다.
태양광 산업의 각 부문은 효율적인 태양광 설치를 구현하기 위해 다양한 장비와 장치에 의존하고 있다. 이러한 장치에는 발전소 컨트롤러, 인버터, 에너지 계측기, EV 충전소, 에너지 저장 시스템 등이 있다.
또 태양광 산업이 발전함에 따라 유선 솔루션의 비용 효율적인 대안인 무선 솔루션으로의 점진적인 전환이 이루어지고 있다. 유선 솔루션은 주로 유지보수, 설치 및 노동과 관련하여 상당한 비용이 발생한다.
태양광 부문에 맞춤화된 선도적인 무선 솔루션에는 라디오크래프트의 서브 GHz 메시 기술인 RIIM이 있다. RIIM은 다중 홉 메시 아키텍처를 통한 장거리 통신, 짧은 대기 시간, 채널 호핑 기능을 통한 매우 높은 신뢰성 등 다양한 이점을 제공한다.
또 RIIM은 적응형 주파수 민첩성 및 Listen-Before-Talk 기능 덕분에 높은 데이터 처리량을 지원하므로 잡음이 많은 환경에서 작동하는 데 적합하다.