하이테크 산업, 조란 등 글로벌 기업에서 다양한 직무를 맡아오며 경험을 키워오던 필자는 2008년 자신이 설립한 회사에서 마케팅 및 비즈니스 개발 팀을 관리했다. 이후 그녀는 내셔널에 합류해 에너지 효율적 기술에서 가진 내셔널의 강점을 활용해 태양광 산업에 스마트 패널의 상용화를 달성한다는 목표로 파트너지원 환경 및 차별화된 고유 프로세스를 개발하고 있다. 페퍼다인대학교 경영학 학사 및 석사학위를 소지하고 있다.

지난 30년간 태양광 시장이 급격히 발전하는 동안 시스템 솔루션 공급업체들은 고효율과 고품질의 모듈 설계, 그리고 사용기간 동안 환경의 영향을 견디는 어레이를 제작하기위해 노력했다. 어레이는 20년 이상 안정적이고 안전하게 작동해야 하기 때문에 업계 공급업체들은 이러한 엄격한 요구를 충족시키는 어레이를 제작해야 하는 부담이 있었다.

그러나 지난 수년 동안 기술력을 앞세운 일부 업체들이 시장에 활력을 불어넣으면서 시스템 설치 업체와 설계 업체 및 소유자들은 최상의 투자 수익(ROI)을 얻고 있다. 내셔널세미컨덕터 역시 태양광 분야에서 기술을 주도한 기업 중 하나이다.

내셔널세미컨덕터(이하 내셔널)는 지난 50년간 아날로그 부분에서 전문성을 확보하고 이후 안정적이면서도 높은 에너지 효율을 확보하는 전력 관리 제품을 내놓으면서 널리 알려졌다. 내셔널은 이러한 지식과 경험 및 생산능력을 바탕으로 보다 개선된 태양광 시스템 설계를 구현할 수 있도록 지속적인 노력을 기울이고 있다.

내셔널은 DC/DC 전력 옵티마이저, DC/AC 마이크로인버터, MPPT(Maximum Power Point Tracking) 기반 배터리 충전 컨트롤러와 같은 모듈 수준의 전자 부품부터, 안전 및 통신 솔루션을 포함한 스마트 컴바이너 박스, 인버터에 이르기까지 전체 PC 체인을 지원하는 SolarMagic(솔라매직) 집적회로(IC)를 개발했다.

태양광발전 시스템의 에너지 효율을 높이고자 내셔널이 선보인 솔라매직 IC 제품은 고성능 아날로그 및 전원 관리 솔루션을 결합시켜 더욱 지능적인 태양광 시스템을 구현한다. 이는 복잡한 기술을 단순화하고 안정성과 안전을 높이는 동시에 시장 출시 시간과 비용을 줄여야 하는 태양광 시장의 핵심적 필요성을 충족시키고 있다.

태양광 어레이의 효율성 문제

태양광 시스템에서는 다양한 불일치 요인이 생성되는 에너지의 양에 영향을 미칠 수 있다. 나무에 의한 그림자, 건물 요소, 상이한 모듈 기울기, 방향 및 스트링 길이 등의 몇 가지 요인들은 전력 출력에 직접적이고 상당한 영향을 미칠 수 있다. 모듈 간 불일치, 모듈 노화 및 먼지 등의 다른 요인들도 시스템의 사용 기간 동안 태양광 PC 시스템의 전체적 성능을 천천히 떨어트린다. 예를 들어 어레이의 10%에 음영이 지는 경우 시스템의 에너지 생산량은 50%까지 줄어들 수 있다. 이 때문에 일반적인 태양광발전 설비의 에너지 출력, 설계 및 위치가 크게 제한된다.

수년 동안 설치 업자들은 이러한 불일치를 어쩔 수 없는 현실로 받아들이고 최적화되지 못한 설계에 매달려야 했다. 내셔널의 전력 옵티마이저 및 마이크로인버터용 IC 솔루션은 이러한 손실을 줄이고자 개발되었다.

DC/DC 전력 옵티마이저 기술

전력 옵티마이저 기술은 2009년에 도입되었으며, 이후 효율성과 크기에서 개선이 이루어졌다. 2010년 6월 내셔널은 SM3320 칩셋을 출시해 350W 모듈 전력 처리 성능, 최대 99.5%의 최고 수준의 효율, 넓은 작동 온도 범위(-40°C~+90°C) 및 시스템 효율성을 극대화하는 3중 모드 벅-부스트(Buck-Boost) 구조 등의 강화된 기능을 구현하면서 사용자로 하여금 유연성을 확보할 수 있도록 했다.

솔라매직 SM3320 칩셋 기술은 더욱 높은 태양광발전 시스템 효율, kWh당 낮은 비용, 유연한 설계 및 시스템 비용 절감 등의 이점을 실현시킨다. 주거 건물과 상업 건물의 옥상에서 태양광발전 설비를 운영할 경우 옥상 활용도를 최대화하고, 손실 에너지를 회수하며, 에너지 생산량을 높임으로써 궁극적으로 수익을 높일 수 있다. 솔라매직 기술은 모든 인버터에 대응하며 전체 어레이에서 모듈 레이아웃, 경사, 방향 및 스트링 길이가 동일해야 하는 등 설계상의 한계를 줄이거나 없애준다.

DC/AC 마이크로인버터 기술

마이크로인버터는 모듈 수준에서 DC/AC 변환 기능을 제공하며 전력 옵티마이저와 상보적인 구조를 이루고 있다. 이 기술은 또한 높은 DC 전압 레벨 제거(아크 발생 문제 해소), 스트링 크기의 복잡성 해소(설치 시간 단축), 어레이 크기의 확장 용이성, 및 배선 비용 절감 등 고유한 이점을 제공한다. 내셔널은 높은 에너지 효율의 아날로그 및 전원 관리 기술력을 기반으로 모듈 수준의 마이크로인버터를 도입하는 등 솔라매직 IC 제품 포트폴리오를 확장하고 있다.

오늘날의 마이크로인버터 환경은 정류된 사인 곡선과 펼침 브리지의 전해질 커패시터(Capacitor)를 사용하는 기존의 토폴로지부터 전해질 커패시터와 리플 상쇄 없이 중간 고전압, 고효율 DC 버스를 제공하는 첨단 마이크로인버터 설계까지 다양한 구조와 제품으로 세분된다. 기존 마이크로인버터와 첨단 마이크로인버터 설계에는 모두 PLC(Power Line Communications) 및 무선 RF 통신 등의 통신 옵션이 포함될 수 있다.

솔라매직 SM72295 태양전지 풀-브리지 드라이버는 100V 미만의 DC 전압을 지원하는 액티브 클램프 회로를 포함한 인터리브 방식의 플라이백 마이크로인버터 설계에 좋은 시작점이다. SM72295 드라이버는 4개의 독립된 3A 게이트 드라이브, 2개의 전류 감지 증폭기와 버퍼, 및 Power Good 표시기를 이용한 과대 및 과소 전압 제어와 같은 내장된 보호 기능 등 고도로 집적된 기능을 제공한다.

독립 태양광 솔루션 및 충전 컨트롤러

초기의 태양광 시스템은 작고 독립된 용도로 응용되었는데, 집이나 건물에서 배터리를 충전하는 데 많이 사용되었다. 그러나 시간이 흐르면서 시스템은 크기가 증가하고 그리드로 연결된 구조로 전환되었다. 내셔널의 MPPT 디지털 컨트롤러 및 풀-브리지 드라이버 IC는 태양광발전, 자동차, 해양 및 거리 조명 등의 독립된 충전 컨트롤러 응용에 일반적으로 사용되는 고효율 DC/DC 컨버터를 제어하도록 설계되었다. 내셔널의 혁신적인 충전 컨트롤러 제품들을 통해 시스템 원가를 절감하고, 안정성을 개선하며, 설계를 단순화해 제품 출시 시간을 단축할 수 있을 것이다.

솔라매직 SM72242 강화 MPPT 컨트롤러 및 SM72295 풀-브리지 드라이버는 다양한 태양광 배터리 기반 충전 설계를 시작할 수 있는 확고한 기반을 제공한다. 충전 컨트롤러 참조 설계는 대부분의 상용 태양광발전 패널과 호환되는 넓은 입력 전압 범위, 최대 100A의 전류 구동 성능, 다중 성분 배터리 지원(리튬-이온, 납 축전지 등), 첨단 보호 및 배터리 관리 기능 및 I2C(호환) 프로그램 기능 등 고도로 집적된 기능을 제공한다.

안전 및 아크 감지

지난 5년 동안 태양광 시스템의 설치 수가 크게 증가했지만 패널 자체와 관련되거나 이와 무관한 화재들도 잇따르고 있다. 태양광 시스템 안전에 대한 관심은 에너지를 흡수한 태양광발전 패널 주변에서 화재를 진압하는 소방관들의 안전에서 비롯되었다. 이러한 상황에 따라 옥상 태양광 시스템 문제를 구체적으로 규정하는 새로운 요건을 담아 2011년 미국 NEC(National Electrical Code)가 개정되었다. 표준 재정으로 보급이 확산될 것이라는 예견에 따라 내셔널은 PV 모듈 차단, 아크 감지 및 도난 억제를 해결하는 포괄적 안전 솔루션을 개발했다.

솔라매직 SM4110 PV 안전 시스템은 태양광 어레이의 규모에 관계없이 설계 유연성과 확장성을 높이도록 설계되었다. 이 시스템은 중앙 어레이 차단 및 제어 장치(SM4110-CTX), 스트링 수준 송신기(SM4110-STX) 및 접속함 내로 들어가는 수신기(SM3010-1A1)의 세 가지 주요 요소로 구성되어있다.

솔라매직 SM4110 PV 안전 시스템 외에도 내셔널은 태양광발전 시스템 내에서 전기 아크의 발생 문제를 해결하기 위한 솔라매직 SM73201-ARC-EV 참조 설계도 개발했다. 아크 감지의 어려움을 해결하고자 내셔널은 첨단 추상화 패턴 인식 방식을 사용하는 고유한 신호 처리 방식(특허 출원 중)을 개발했다. 이 방식에서는 아크 시그네처가 사전 규정되어 유연성이 없는 절대적 형태와 일치할 필요가 없다.

이 아크 솔루션은 -40°C~+125°C의 범위에서 작동한다. 최대 100m까지 아크를 감지할 수 있으며, 모든 상용 모듈 기술과 작동하고, 모든 형태의 아크(시리즈, 병렬 및 그라운드)를 감지할 수 있다. 내셔널의 파트너들은 스마트 컴바이너 박스 또는 인버터 내에서 SM73201-ARC-EV를 통합함으로써 이 솔루션의 효율적 설계와 작은 크기를 활용하고 있다.

태양광 시장 성공을 위한 열쇠 ‘효율’과 ‘안전’

오늘날 경쟁이 치열한 태양광 시장에서 성공을 거두기 위해 시스템 설계자와 OEM은 높은 에너지 효율의 아날로그 IC, 툴, 평가 보드 및 참조 설계를 포함할 수 있는 종합적 시스템 솔루션을 개발해야 한다. 제품과 시스템에 대한 수요가 계속해서 증가함에 따라 품질 및 안정성과 더불어 효율성과 안전은 태양광 시장에서 성공을 거두기 위한 열쇠이다. 내셔널세미컨덕터는 태양광 업계의 전체 가치 체인에 적합한 제품을 제공하기 위해 포트폴리오를 다양화하는 동시에 고효율 제품과 설계를 제공하고 있는 기업 중 하나이다.

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