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스마트 태양광 하이브리드 LED 가로등 시스템

기사승인 2018.08.27  14:54:28

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[EPNC=양대규 기자] 이 글에서 소개할 솔루션은 스마트 태양광 하이브리드 LED(Light Emitting Diode) 가로등 시스템이다. 이 LED 가로등 시스템은 파일럿 프로젝트로 개발돼 ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics, ST) 사내 주차장에 설치됐다. 독립형 태양광 시스템으로서 배터리를 사용할 수 없을 경우에는 AC-DC LED 드라이버를 백업 전원으로 사용한다. 배터리가 연결되지 않거나 충전 상태가 낮으면 자동으로 정전류 AC-DC LED 드라이버로 전환된다. 이 AC-DC LED 드라이버는 단일 스테이지 단일 스위치에 일차측 독점 검출 제어를 통해 준공진 모드(QR) 기반의 역률 교정(PFC)을 진행한다.

LED 구동을 위해서는 상용 LED 드라이버인 HVLED001A를 사용한다. 에너지 저장 요소인 배터리는 LED 드라이버의 메인 전원 입력으로 사용한다. 배터리는 낮 시간동안 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 기능을 사용해 충전한다. 문헌들을 살펴보면 이 MPPT 방식은 태양 복사를 이용해 배터리를 충전하는 효율적인 기법으로 알려져 있다. MPPT 스테이지 전원 컨버터의 효율은 97% 이상으로 측정된다.

이 글에서 제안하는 DC LED 드라이버는 2상 부스트 DC-DC 컨버터이다. 2상 DC-DC 컨버터는 DC 벌크 커패시터의 크기를 줄이는 데 도움이 되며, 이는 필터링 용도로 부하 측에 사용하도록 권장되고 있다. 문헌에 따르면 노화의 측면에서 전원 컨버터가 망가진다고 보기는 어려우며 결과적으로는 LED 드라이버 시스템의 수명을 늘려준다.

DC-DC LED 드라이버 스테이지의 효율도 95% 이상이다. 이처럼 전력 변환이 고효율을 달성하는 이유는 효율적인 MOSFET과 게이트 드라이버 IC를 사용하기 때문이다. 이 LED 드라이버는 정전류로 동작하며, 이는 LED 수명을 강화하는 또 다른 파라미터이다. 측정과 연산은 고도로 효율적인 디지털 전력 변환 마이크로컨트롤러(STM32F3)를 사용해 이뤄졌다.

[그림 1] 스마트 태양광 하이브리드 가로등 관리 시스템

SPIRIT1로 불리는 상용 Sub-GHz 디바이스를 사용해 구현된 6LoWPAN 메시 네트워크를 통해 가로등이 서로 연결된다. 가로등들은 비인가 ISM(Industrial, Scientific and Medical) 무선 대역(868MHz)으로 6LoWPAN 메시 기술을 통해 서로 통신한다. 태양광 패널을 적용한 가로등 노드들은 6LoWPAN 메시 기술을 통해 DCU(Data Concentrator Unit)와 통신한다. LCU(Light Conditioning Unit)는 메인 전원과 태양광 패널 모두로 구동될 수 있으며 주변 빛과 동작을 감지해 조명의 자동 스위치 온·오프·디밍을 제공한다. 이 시스템은 기본적인 명령과 제어 센터를 제공하기 때문에 사용자는 어디에서나 개별 조명 노드 또는 조명 노드 그룹을 제어할 수 있다. [그림 1]은 스마트 태양광 하이브리드 조명 관리 시스템을 보여준다.

▲[그림 2] 스마트 태양광 하이브리드 LED 가로등 시스템. 왼쪽은 설치된 LED 가로등, 오른쪽은 개발 보드(LCU)

[그림 2]는 ST가 개발한 전자 보드로 주차장에 설치한 가로등을 보여준다. DCU는 GSM(Global System for Mobile Communications) 모듈을 포함하고 있어, GPRS(General Packet Radio Service)·3G·4G 모바일 네트워크 기술을 사용해 클라우드 애플리케이션과 통신한다. [그림 3]은 LCU 간 거리가 있는 DCU를 보여준다. 사용자는 개별 가로등 노드를 제어하거나 모든 가로등 노드에 명령을 브로드캐스팅할 수 있다. 천문 시계에 기반해 가로등 노드 스위치 온·오프·디밍 일정을 관리할 수 있다.

[그림 3] (a) DCU까지의 거리, 아래는 DCU 보드

클라우드 플랫폼은 마이크로소프트 애저(Microsoft Azure)로 테스트하고, DCU로 수신된 데이터를 마이크로소프트 애저에서 제공하는 툴을 통해 분석한다. [그림 4]는 클라우드 웹 애플리케이션을 보여준다. 이 LED 드라이버의 프로토타입을 ST 부지의 30개 기둥에 설치했으며, 그 설치 면적은 100x150m²이다. 각 스테이지의 변환 효율은 90% 이상이고, 우수한 전력 품질과 함께 안정적인 작동을 보여준다.

[그림 4] 클라우드 웹 애플리케이션

글: 아만 자(Aman Jha), 지텐드라 자인(Jitendra Jain), 프라샨트 판데이(Prashant Pandey),

인다르 프라카쉬 싱할(Indar Prakash Singhal), 카말딥 반살(Kamaldeep Bansal)

AMS 중앙연구소, ST마이크로일렉트로닉스 인도

자료제공: ST마이크로일렉트로닉스

양대규 기자 yangdae@epnc.co.kr

<저작권자 © EP&C News 무단전재 및 재배포금지>
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