콜린 리핀코트(Colin Lippincott)

필자는 프리웨이브 테크놀로지 (www.freewave.com)사의 신재생에너지시장 사업 본부장이다.

태양광 개발업체들과 생산업체들은 공공기관과 일반 고객들에게 고정 혹은 가변적 에너지 요금율(혹은 에너지의 양)을 제공할 의무를 규정하는 전력매매계약(PPA : Power Purchase Agreements)을 이행한다. 이러한 장기 계약들은 태양광 소유주들과 운영자들로 하여금 투자 수익 증대를 위해 운영비용을 줄여야 하는 추가 부담을 주게 된다. 태양광발전소의 전반적인 운영비용은 운영자의 균등화된 전력비용(LCOE : Levelized Cost Of Electricity)에 직접적으로 영향을 받는다. 균등화된 전력비용은 초기의 투자비용, 운영 관리 비용, 자본비용과 발전소 운영에 필요한 에너지 비용을 포함한 에너지 생산 시설에서 소요되는 모든 비용에 대한 평가를 의미한다.

무선 네트워크를 통한 원격측정기

태양광발전소는 광범위한 위치를 점하면서 대규모로 공간을 점유한다. 따라서 운영자들은 개인적 자산과 시스템 전반의 건전성, 현황 및 실적을 간편하면서도 신속하게 평가할 수 있어야 한다.

원격센서는 문제가 발생할 때 운영자에게 사전에 경보로 알려주며 필요한 조치나 사전 예방 차원의 관리방법을 지시해 준다(그림 1). 원격측정기(혹은 컴퓨터 통신 이용 시스템)는 원거리의 장치들로부터 오는 중요한 데이터를 보고하고 측정하는 과정을 담당한다. 태양전지의 출력전력 및 전류, 모듈의 온도, 경사각도(PV 추적용)를 포함한 자료 수집을 위해 센서들이 사용된다. 이러한 정보들은 원격 시스템을 통해 중앙 통제실로 다시 전송된다.

원격측정기는 무선, 광섬유 혹은 유선 인프라를 사용할 수 있고 네트워크 관리, 농업, 다른 산업들 중에서도 특히 정유 및 가스 산업에서 수십 년 동안 널리 이용되어 왔다. 대형 태양광 설치물에 있어서 관리 소프트웨어는 흔히 수천 개의 센서를 사용해 미리 정해진 값보다 조건이 나빠질 경우 운영자에게 이를 경보로 알리는 기능을 한다. 오디오·비디오 경보 표시기, 문자 메시지·음성 알림, 이메일이나 자동화 전화벨 소리를 통해 경보가 전송된다. 경보는 또한 오작동 되는 조건의 자동 수정에도 사용할 수 있다.

이러한 개별적인 기능들뿐만 아니라 날씨관리센터나 기상탑을 통해 태양광발전소의 전반적인 기후 조건 감시가 가능하다. 직사광선 방사조도(DNI : Direct Normal Irradiance), 세계 정상 방사조도 (GNI : Global Normal Irradi ance), 주위온도, 풍속 및 풍향, 강우량과 전기장(잠재적인 번개에 대한 경고를 제공하는 미터) 등을 감시할 수 있는 것이다.

무선 네트워크는 또한 태양광발전소의 주변부 보안 감시에도 사용 가능하다. 태양광발전소 네트워크에서는 일반적으로 이더넷(TCP/IP 프로토콜)이 문제들의 감시를 비롯해 이 문제들을 중앙통제실과 관리사무소에 보고하기 위해 사용된다. 운영자들은 감원이 필요할 경우 무선 네트워크가 필요하며(오작동 지점을 제거하고 발전소 보안을 강화하기 위해서) 감시 신호와 관리 신호가 동일 네트워크에서 혼동되는 것을 원치 않을 때 무선 네트워크가 필요하다.

일부의 경우들에서는 운영 네트워크의 중단이나 교체에 대해 정부 규정이 있는 경우도 있다. 하나의 예로 미국의 연방 에너지 규제 위원회(FERC : Federal Energy Regulatory Commission)를 들 수 있다.

시굴, 필요한 광섬유 케이블, 필요한 전선관뿐만 아니라 네트워크상의 수천 개의 연결지점을 고려하면 광섬유 네트워크의 설치비용은 실로 엄청나서 믿기 어려운 수준이다. 이동이나 추가 혹은 변경은 비용이 엄청나서 엄두도 못 낼 정도여서 태양광발전소의 운영과 전력 생산에 지장을 초래할 정도이다.

무선 기술과 네트워크 토폴로지

군대나 잡음·방해가 많은 환경에서도 무선 기술은 이미 안전한 네트워크로 입증을 받았다. 그리고 현재 공익사업 규모의 태양광발전소에서도 사용 중에 있다. 이 무선 기술은 주파수 도약 방식(FHSS : Frequency-Hopping Spread Spectrum)을 사용하고 있다. 주파수 도약 방식은 많은 주파수 채널들 간에 급속한 전환을 통해 무선 시그널을 전송·수신한다. 또한 이 방식은 송신기와 수신기에만 알려진 무작위 추출의 시퀀스를 사용한다.

주파수 도약 방식 및 필터 기능과 부호의 사용을 통해 무선 제조업체들은 태양광발전소 운영자들에게 무선 네트워크의 최대 가동시간을 제공할 수 있고, 동시에 높은 수준의 보안과 탄력성을 제공한다. 이 방식을 사용한다면 급속히 변화하는 채널을 통해 데이터가 전송되기 때문에 무선 송신을 방해하거나 차단하는 것은 실질적으로 불가능하다.

이러한 태양광 애플리케이션에서는 한 지점에서 여러 지점으로 송신하는 무선 네트워크 방식이 특히 선호된다. 한 지점에서 여러 지점으로 송신한다는 의미는 ‘마스터’ 무선이 다양한 원거리의 무선 라디오에 송신과 수신을 담당한다는 의미이다. 원격측정 애플리케이션은 일반적으로 이 토폴로지를 사용할 것이다. 왜냐하면 네트워크 대역폭이 극대화되고 센서 데이터 확보 가능성을 미리 예측할 수 있기 때문이다.

메쉬 네트워크에서 메쉬 라디오의 대역폭 또한 데이터 재전송에 있어서 주변 라디오에 의해 사용된다. 이로써 메쉬 라디오의 이용 가능한 대역폭은 줄어들게 된다. 뿐만 아니라 센서에서 관리사무실까지의 경로가 실시간으로 생성되기 때문에(잡음, 간섭, 기타 네트워크의 ‘비용’을 감안하면) 메쉬 네트워크는 원거리의 센서 데이터를 얻는 데 있어서 예측 불가능한 지연이 발생한다. 이런 상황은 네트워크 내의 데이터 통합성을 저해한다.

태양광발전소 운영자에게 있어서 주파수 스펙트럼에는 많은 선택들이 존재한다. 가장 일반적인 선택은 902~928 MHz 범위이다. 이는 900MHz 대 주파수로 흔히 부른다. 미국에서는 이 900MHz 대역폭에서는 운영자가 현재의 FCC 면허증을 취득하지 않아도 된다. 900MHz 주파수는 잡음이 많고 방해가 많은 환경에서도 주파수 도약 방식과 함께 잘 작동한다. 이 대역폭은 또한 장거리용 송수신에서 선호되고 있다. 많은 경우 운영 관리 사무소는 가장 먼 센서 지점에서 1mile 이상에 위치할 것이다.

미국과 다른 국가들에서 이용 가능한 면허증이 필요 없는 또 다른 한 가지 선택은 2.4GHz 주파수이다. 이 주파수는 주파수 전파 차이 때문에 900MHz 주파수에는 없는 수많은 한계점들을 가지고 있다. 또한 2.4GHz 주파수에는 두 개의 특징적인 프로토콜이 있다. 한 프로토콜은 견고하여 실외용 애플리케이션에 적합하게 설계되었다. 그러나 900MHz와 비교하면 이것은 훨씬 더 짧은 범위이며 네트워크 설계에서 훨씬 더 세밀하고 정교한 노력이 요구된다.

상업적으로 인기가 좋은 프로토콜은 2.4GHz 주파수이다. 이는 면허증이 필요 없으며, 와이 파이(Wi-Fi)와 블루투스 애플리케이션에서 사용된다. 그러나 태양광발전소 환경에서는 그다지 견고하다고 할 수 없다. 잡음과 방해 차단 기능이 저조하기 때문이다.

데이터의 의미 이해

센서들이 지속적으로 데이터를 수집하기 때문에 개별적인 라디오는 마스터 라디오에 데이터 흐름을 송신한다. 마스터 라디오는 일반적으로 통제실이나 운영 관리 사무소에 위치하게 된다(그림 2). 무선 네트워크 기사들은 측정되는 것이 무엇인지 반드시 계산해야 한다. 그리고 얼마나 자주 센서가 작동하고 필요한 무선 접속의 수와 이를 매치하는지, 그리고 이용 가능한 대역폭은 무엇인지 무선 네트워크 기사들은 반드시 체크해야 한다. 또한 운영자들은 향후 이용을 위해 전체 데이터 흐름을 저장·보관해야 한다. 이러한 총체적인 관점에서 일반적으로 명세서에 따라 자동으로 조정되거나 수동 조작도 가능한 데이터를 운영자들이 다루는 두 가지의 각기 다른 방법이 있다.

장치 컨트롤러의 자동 조정

‘스마트’ 무선 시스템에는 장치의 컨트롤을 자동화하는 피드백 시스템이 포함된다. 예를 들면 제 위치를 벗어난 태양광 모듈의 위치가 탐지되어 무선으로 통제실에 이 상황이 전송된다. 이 시점부터 통제실에 있는 프로그램 가능 논리 컨트롤러(PLC : Programmable Logic Controller)에서 결정이 내려지고 위치배정 모터에 다시 수정 신호를 보내는 프로그램이 작동한다. 프로그램 가능 논리 컨트롤러는 태양을 추적하고 집광기들을 조정하며 센서 데이터에 기초해 실시간으로 조정하는 데 필요한 태양광 전기장에 원격 정보를 추가한다. 이 시스템 토폴로지는 분산된 지능 정보 배치라고도 한다. 여기에서 프로그램 가능 논리 컨트롤러가 원거리의 통제지점에 배치되고 호스트 서버와의 통신이 없이도 그 지점에서 필요한 결정이 내려진다.

추적 장치는 시각 중심일 수도 있고 혹은 알고리즘 중심일 수도 있다. 무선 네트워크는 집광기를 정확하게 배치하는 데 도움을 주는 피드백 시스템이 핵심 요소이다. 알고리즘 중심의 추적 시스템은 어디에 전지판·집광기를 위치시킬지 알기 위해 프로그램 가능 논리 컨트롤러 내부에 소프트웨어 모델을 사용한다(태양광 추적을 위한 기후학적 태양광 복사(CSR : Climatological Solar Radiation) 모델이라고 하는 일반적인 알고리즘은 미국의 에너지부를 위해 NREL에 의해 개발되었다).

문제의 사전 예방과 사후 관리

관리 소프트웨어를 통해 운영자는 태양광발전소의 실적과 효율성을 신속하게 판단할 수 있다. 이러한 소프트웨어 도구들은 일반적으로 네트워크와 대역폭 문제들을 탐지, 진단, 해결하기 위한 감시 도구들이다. ‘계기판’에 있는 전체 센서 데이터를 그래픽으로 나타내는 데 사용되는 많은 소프트웨어 애플리케이션이 있다(기성품과 대기 중인 제품들).

대부분의 관리 소프트웨어는 운영자로 하여금 개별적인 센서 판독을 세부적으로 해독할 수 있게 한다. 핵심적인 지표는 효율성이다. 이는 측정된 태양광 복사열에 대해 생성된 전력을 비교한 결과이다. 혹은 측정된 태양광 복사열에 대한 열 집광 결과를 효율성이라 한다. 이 결과가 사전에 정한 범위를 벗어나면 태양광 모듈이나 설치 과정에 문제가 있다고 판단한다(먼지가 쌓이는 경우와 같이).

이러한 문제들은 예방 차원의 관리 서비스에 지장을 초래한다. 이러한 유지 관리상 서비스를 초래하는 문제들에는 저전력, 저전압, 저전류, 모듈의 낮은 온도, 방위각, 경사, 높이가 있다. 이는 모듈의 냉각과 가열에 영향을 미치는 요소들이다.

운영 관리 사무소에서 나오는 데이터는 안전한 가상 개인 네트워크(VPN : Virtual Private Network)를 통해 본사 사무실과 같은 다른 장소에 전송이 가능하다(그림 2). 가상 개인 네트워크는 수집된 정보의 인증과 암호를 제공하는 인터넷 프로토콜 보안(IPSec)이라고 하는 프로토콜 형식을 사용한다. 그래픽 중심의 관리 도구는 데이터를 신속하게 분석하기 위해 본사에서 사용이 가능하다. 운영자뿐만 아니라 안전한 웹 접속을 통해 이용 가능한 실적 데이터를 만들면 마케팅 비용을 절약하고 지역사회에 태양광 시스템을 홍보할 수 있어 실수요자(전력 구매자)에게 많은 혜택이 돌아간다.

잡음, 전파 방해, 보안 문제 해결

무선이든 유선이든 모든 시스템은 보안이 유지되고 신뢰성이 있어야 한다. 모든 무선 프로토콜은 특성상 잡음, 전파 방해, 보안 문제에 매우 취약하다. 그러나 앞서 설명한 무선 시스템은 적합하게 설계되고 설치되어 잡음이나 전파방해, 보안 문제 등을 성공적으로 해결한다. 더불어 경제적인 효과와 유연성 덕분에 많은 산업 및 군 지역에서 무선 시스템의 도입이 촉진되었다. 무선 시스템은 오랜 세월에 걸쳐 많은 원거리 지역들을 연결하는 유일한 수단이 되어왔다.

태양광 설치물들을 추적함에 있어 움직이는 많은 물체들과 금속 표면이 나타난다. 태양광발전소가 어디에 건설되는가에 따라서 지방 자치제 당국, 관개 시스템, 파이프라인, 무선 미터, 휴대폰, 기타 무선 장치들로부터 오는 라디오 주파수가 다양하게 존재한다. 이러한 움직임이 있는 표면, 금속성 부품, 라디오 주파수 신호들은 무선 장치에 전파 방해를 줄 수 있다. 이러한 전파 방해를 효과적으로 차단하도록 적절한 설계가 이루어지지 않으면 네트워크의 성능은 급격히 떨어지거나 접속이 불량해진다. 적절하게 설계되어 있다면 네트워크에 시스템을 적절하게 조정하는 문제는 일반적으로 그다지 어렵지 않다.

무선 보안 시스템으로 수익 증대에 기여

태양광 시스템 운영자들 또한 보안상 무선 시스템을 이용할 수 있다. 태양광 모듈의 전력이 제로로 측정되면(즉 기물파괴나 도난에 의해 접속이 끊어지면) 특별한 경보가 유발된다. 움직임 탐지 및 비디오카메라를 이용해 주변부 침입자 탐지 시스템을 설치할 수 있다. 대역폭 요건은 비디오의 해상도, 컬러 수준, 비디오의 프레임율에 따라 달라질 수 있다. 일부 낮은 대역폭 시스템은 적외선 센서를 사용해 움직임을 탐지하고 움직임이 있을 때는 감시 하에 있는 구역에 대해 흑백의 영상 이미지가 연출된다. 그 후에 이 영상 이미지는 후속 조치나 분석을 위해 운영 사무소(중앙 통제실)로 무선으로 전송된다. 이러한 종류의 무선 시스템은 높은 수준의 유연성을 제공하며 새로운 설치, 신설 전선관과 유선 장치 비용이 필요 없다. 무선 보안 시스템은 공항, 공익사업 변전소, 전력 생산 발전소, 공공시설과 창고 등에서 오랫동안 사용되어 왔다.

공익사업 규모의 태양광발전소의 운영비용 감소와 효율성 증대에 대한 압력이 점점 커지고 있는 상황에서 운영자들은 실시간 데이터 송수신, 발전소 보안을 제공하는 무선 기술에 큰 기대를 걸고 있다. 이러한 데이터 덕분에 문제 발생 이전에 문제가 무엇인지 식별이 가능하며 문제의 진단을 돕고 사건 발생 후의 조치가 아닌 사전 예방 차원의 유지 관리가 가능해진다.

전력 생산 기능을 극대화하면서도 전력 발전소의 가동시간을 최대한으로 유지하는 것은 투자 수익 증대에 큰 기여를 한다고 할 수 있다.

본 기사는 미디어그룹 인포더에서 발행하는 글로벌 PV 매거진 Monthly INTER PV(영문) 내용을 게재한 것입니다.