태양광 기반 HBLED 조명 솔루션 - Technology

LED 조명 기술은 정량화 가능하며 에너지 및 비용을 절감할 수 있는 획기적인 대체 조명으로, 광범위한 조명 분야에서 저유지보수 솔루션을 제공한다. LED는 또한 기존 조명 방식보다 훨씬 적은 전력을 사용하므로, 전력 생산과 관련 온실 가스 배출을 줄임으로써 환경 보호에도 기여할 수 있는 기술이다.

태양광 기반 HBLED 조명 솔루션

글│Raghavan Sampath,

현장 애플리케이션 엔지니어,

프리스케일 반도체

최근 15년간 에너지 수요는 10배, 에너지 비용은 4배가 증가했다. 미국을 비롯한 여러 국가에서 정전 및 전력 차단 사태가 발생했으며, 에너지 수요가 꾸준히 증가하고 에너지 생산이 이를 따르지 못할 경우 이러한 사태는 계속될 것이다. 북미 전력안정성 회사(North American Electric Reliability Corp.)에 따르면 미국 한 국가의 전력 수요만 해도 향후 10년 내에 141,000 메가와트(MW) 증가할 것으로 예상되지만, 파악된 신규 자원은 57,000MW에 불과하다. 따라서 84,000MW의 부족분이 발생하며, 이는 대규모 발전소 160개에 달하는 규모이다.

미국 에너지 정보 관리국(EIA)에 따르면 온실 가스 발생량 중 37%가 전력 생산(그 중 다수는 조명 분야에 공급됨)에 기인한다. 따라서 친환경 기술이며 수력 발전, 지열 발전, 원자력 발전처럼 막대한 비용이 소요되지 않는 태양열 발전과 같은 대체 자원을 찾아야만 하게 되었다. 21세기 현재에도 저개발 국가의 최대 3억 가정이 적절한 조명 없이 지내고 있다.

그 이유는 다양하겠지만 대부분은 경제적 여유(비용이 너무 높음), 인프라 부족, 수요와 공급의 부조화 등에 따른 것이다. 다수의 가정에서 직접 만든 석유등 또는 촛불을 조명으로 사용하고 있다. 이 침침하고 연기가 많이 나며 누런 광원은 위험성이 있으며 환경 친화적이지 못하다. 또한 장기적으로 볼 때 밝고 흰 태양광 구동 방식의 고휘도 LED(HBLED)보다 비용이 많이 드는 광원이다.

그림 1. Light Source Comparative Study

HBLED를 조명에 사용하는 이유

긴 수명

LED는 대부분의 용도에서 10년을 넘는 수명을 제공하므로 다른 어떤 광원보다 오래 사용할 수 있다. LED에는 첨단 마이크로 프로세서에 사용되는 것과 유사한 반도체 기술이 적용된다. 이 반도체 디바이스는 움직이는 부분이 없으며, 깨지기 쉬운 유리도 없고, 수은이나 유독 가스, 필라멘트도 사용하지 않는다. 따라서 부서지거나, 터지거나, 깨지거나, 새거나, 오염될 일이 없다.

그림 2. LED Efficiency(Lumen/watt)

일반적인 재래식 광원과 달리 LED는 갑작스러운 고장 또는 단선이 발생하지 않는다. 또한 결코 광원의 작동이 중단되는 일이 없다. 대신 LED는 시간이 지남에 따라 성능이 점진적으로 떨어진다. 대부분의 LED는 5만 시간 작동 후에 초기 광도의 평균 70%라는 예상 성능을 가진다.

광원이 1년 365일 중 매일 12시간 사용되는 환경이라면, 이는 시스템 수명이 초기 광도에서 불과 30% 저하된 성능(70%의 루멘 유지율)으로 11년 이상 지속됨을 의미한다.

낮은 유지보수 비용

LED 방식 광원은 일반 광원보다 최고 10배 이상의 내구성을 가지므로 자주 교체할 필요가 없으며, 지속적인 유지보수 비용과 주기적인 램프 교체 비용을 절감 또는 완전히 없앨 수 있다. 이는 특히 일반적으로 일정에 따른 주기적인 벌브 교체가 필요한 부표, 등대, 비상 출구 표시등, 예비 조명, 보안 조명 등과 같이 핵심적인 정전압 방식 조명 분야에서 중요한 요소이다.

뛰어난 에너지 효율

LED 광원은 백열등과 대부분의 할로겐 광원보다 효율성이 뛰어나다. 현재 백색 LED는 와트당 20 루멘 이상의 효율을 제공하며 차후 와트당 50 루멘 이상의 효율을 달성할 것으로 예측된다. 반도체 조명을 대체 솔루션으로 선택할 때는 전체 시스템 차원의 장점을 검토하는 것이 중요하다.

예를 들어, 탁월한 와트당 루멘 성능의 LED를 건물 조명 시스템에 사용할 경우 경쟁이 되는 광원보다 낮은 시간당 에너지 소비량을 제공하므로 훨씬 환경 친화적이며 비용 효율 높은 솔루션을 구축할 수 있다.

LED의 장점

·신뢰성(10만 시간) - 낮은 유지보수 비용
·높은 에너지 효율 - 친환경적, 비용 효율적 솔루션
·즉시 작동되며 색상 변화 없이 전범위 출력 조정 가능 - 펄스 폭 변조(PWM) 제어 방식
·무수은 제품 - 환경 규제 준수
·저전압 DC 작동 방식 - 고전압 연결 불필요

태양광 LED 조명의 작동 원리

그림 3에 태양광 기반 LED 조명의 구현 원리를 보여주는 블록도가 나와있다. 태양 전지판이 태양광 에너지를 전기 전압으로 변환하여 배터리에 저장한다. 배터리 충전과 LED 모니터링 및 구동에 2채널 16비트 타이머가 포함된 프리스케일 8비트 HCS08QG4/8 마이크로 컨트롤러(MCU)가 사용된다. 배터리 충전에는 PWM 기술이 사용되며, 배터리 전압 모니터링에는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)가 사용된다.

그림 3. Solar-based LED Lighting

전압이 최대 충전 상태의 50% 미만으로 떨어지면 2차 PWM 채널의 작동 주기를 변화시키는 방법을 통해 LED 밝기가 자동으로 50%까지 낮아진다. 이는 밝기를 낮추더라도 더 오랜 시간 동안 조명을 제공하기 위한 조치이다. 배터리 전압이 10%까지 떨어지면 배터리가 완전히 방전되지 않도록 MCU에서 LED의 전원을 차단한다.

적절한 마이크로 컨트롤러 선택

태양광 구동 LED용으로 MCU를 선택할 때 다양한 대안이 존재하지만, HCS-08QG4/8 디바이스는 매우 경쟁력 높은 가격으로 탁월한 필수 기능의 조합을 제공한다.

MC9S08QG8/4는 프리스케일 HCS08 코어의 장점을 핀 수가 적은 소형 패키지 옵션으로 확대 적용한 제품이다. QG 디바이스는 온칩 인서킷 플래시 메모리를 최저 1.8V로 프로그래밍할 수 있는 저전압 제품이다. 위 제품들에는 대기 모드 및 복수 정지 모드, 강력한 아날로그 기능, 완벽한 직렬 모듈 세트, 온도 센서, 견실한 메모리 옵션 등 HCS08 MCU의 표준 기능이 모두 포함되어 있다.

적용 분야

태양광 구동 HBLED 조명은 가로등, 가정용 조명, 비상등, 농업용 조명으로 사용할 수 있다. 신호등은 대부분의 도시에서 하루 종일 가동되며, 가로등도 하루 중 많은 시간 가동된다. 기존 할로겐 또는 컴팩트 형광 램프(CFL) 솔루션을 HBLED 기술로 대체하면 에너지 소비량 감소와 유지보수 비용 절감을 통해 막대한 비용 절감을 달성할 수 있다.

세계은행그룹의 민간부문 투자 조직으로 ‘Lighting the Bottom of the Pyramid’ 프로젝트를 관할하는 국제 금융공사(IFC)는 전력망에 연결되지 않은 전세계의 16억 인구에게 태양광 구동 LED 조명 시스템을 판매할 계획이다. 전기 조명을 사용할 수 없는 이 인구 중 대부분은 조명용으로 석유 등과 같은 탄소 연료에 의존하고 있다. 이러한 지역에서 태양 에너지와 LED 조명을 사용하면 화석 연료의 연소와 관련된 건강 위험과 온실 가스 배출을 줄일 수 있다.

그림 4. MC9S08QG8/4 Features

일례로 중국은 2006년 기준으로 세계 2위의 전기 소비 국가로서 2조 4,750억 kWh의 전력을 생산했다. 그 중 12%가 조명용으로 사용되었다. 2020년까지 LED의 효율이 150lm/W에 도달하고 중국 시장의 30%만 점유할 수 있다면 에너지 절감 효과가 년간 2,000억 kWh에 달할 것이다.

결론