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앰비언트 에너지로 세상을 작동한다

미활용 열에너지로 세상을 작동한다

제로 에너지 장치로 사회를 완전히 연결시키는 방법

미활용 열에너지로 세상을 작동한다

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각각 쌀알보다도 작을 수 있는 수천 개의 장치가 농부의 밭, 공장 바닥 또는 옷에 흩어져 생명을 구하거나 비즈니스를 변화시키는 데이터를 전송한다고 상상해 보십시오.

이런 애플리케이션은 산업 전반에 적용될 수 있습니다. 수천 에이커에 이르는 농장을 운영하고 있다고 상상해 보십시오. 농작물이나 소의 건강을 어떻게 확인할까요? 제로 에너지 장치로 모바일 또는 태블릿의 버튼을 클릭하여 이러한 데이터에 쉽게 획득할 수 있습니다.

과일과 채소가 언제 손질이 필요한지, 수확을 위해 완벽하게 익었는지, 심지어 토양에 문제가 있는지도 알려주는 것을 상상해 보십시오.

앞으로 연결이 필요한 장치의 수는 수십억 개에서 수조 개로 증가할 것입니다. 이 크기와 규모에서 저비용 및 저전력 연결 센서는 없으면 안 될 것입니다.

이를 실현하기 위해서는 업계가 무엇이 가능한지를 이해하기 위한 시간, 자원 및 연구가 필요합니다. 다양한 센서의 방대한 양의 데이터를 사용할 수 있게 되며, 달성할 수 있는 것에 대한 유일한 제한은 우리의 상상력입니다.

 

앞으로 연결이 필요한 장치의 수는 수십억 개에서 수조 개로 증가할 것입니다.
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제로 에너지 장치란 무엇일까요?

제로 에너지 장치는 배터리나 수동 충전이 필요하지 않습니다. 전력을 생산하기 위해, 이 장치들은 주변 세계로부터 에너지를 획득할 수 있습니다. 미래의 장치는 쌀알 크기와 같이 매우 작을 수 있으며 센서 (판독 및 측정에서 얻은 데이터를 보고함), 추적기(물체 또는 생물의 위치를 보고함) 또는 작동기 (다른 기계가 작동하도록 유도함)의 형태로 보게 될 수 있습니다.

제로 에너지 장치의 가치는 무엇일까요?

제로 에너지 장치를 채택하면 장치를 실행하고 유지 데 필요한 비용과 전력을 모두 크게 절감하여 장치를 더욱 확장할 수 있습니다. 또한, 이러한 장치에서 데이터를 수집하면 추가 에너지 필요없이 생산성을 높이고 오염을 줄이며 생활 방식을 개선할 수 있습니다. 더구나 배터리가 없는 장치가 환경에 더 좋고 제조에서 폐기까지 쉽고 간단한 프로세스로 관리할 수 있다는 것입니다.

제로 에너지 장치는 각 물리적 세계와 디지털 세계를 더 가깝게 병합하는 데 있어 서로 학습, 적응, 및 반응하는 데 도움이 될 수 있습니다. 디지털 트윈은 이러한 발전의 핵심이며 제로 에너지 장치는 실제 세계의 디지털 표현을 구축하는 데 필요한 센서 데이터를 제공할 수 있습니다. 제로 에너지 장치의 수가 증가함에 따라, 새로운 통찰력과 세부 사항이 나타날 것입니다.

제로 에너지 장치는 어떻게 살아날까요?

장치의 제작자는 비용 효율적인 방식으로 최대의 전력을 생산하기 위해 최대의 에너지를 얻는 방법을 찾아내야 합니다. 네트워크는 무제한 연결, 인지 기능 및 다양한 조건에서 실시간으로 확장, 적응 및 작업할 수 있는 기능을 통해 수백만 대의 장치를 지속적으로 처리할 수 있어야 합니다.

이것은 꽤나 힘든 일인듯 합니다. 하지만 불가능은 없습니다. 에릭슨은 이점을 최대한 실현하기 위해 협력하고 노력하고 있습니다.

수확할 시간

이 에너지는 작고 단순한 제로 에너지 사물인터넷(IoT) 장치와 그 통신에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있습니다. 이제 다양한 에너지 수집 옵션에 대해 알아볼까요?

여러분이 손을 비비면, 마찰은 열에너지를 발생시킵니다.
수확할 시간

에너지 하베스팅 방법에 대한 4가지 핵심 영역:

                  진동

                    열

                광발전

           무선 주파수

진동 에너지 수확기

이런 종류의 에너지는 도로, 세탁기, 심지어 지진의 교통 측정에서 나올 수 있습니다.

전자기 – 코일에서 진동하는 자석이 코일 내부에 전류를 유도하는 것은 전자기의 좋은 예입니다.

압전 – 재료가 수축하거나 팽창할 때, 예를 들어 환경의 진동으로 인해, 특정 고체 재료에서 발생하는 전하입니다. 예를 들어 나무가 움직이는데서 수확 할 수 있는 에너지, 주행 중 타이어의 가속 에너지 또는 철도 선로의 진동 에너지 등이 있습니다.

이것이 어떻게 현실 세계에서 사용될 수 있을까요?
리바이브 에너지는 진동 분석 분야의 전문 지식을 보유하고 있습니다. 자체 동력 모니터링 시스템은 기계나 채굴 시 수집되는 다양한 암석과 광물과 같은 물질을 분리하는 "스크린"에서 데이터를 수집하도록 설계되었습니다.

리바이브 에너지는 다른 형식의 진동을 에너지로 변환하는 시스템을 개발하고 있습니다. 예를 들어, 선로 위의 열차는 진동 에너지를 생성할 수 있습니다. 그런 후에 이 에너지는 실시간으로 열차의 위치를 파악하고 유지보수가 필요한지 여부를 평가하기 위해 센서 시스템에 사용됩니다.

열에너지 수확기

커피 머그잔의 열, 라디에이터의 온기 또는몸의 열을 사용하는 것도 포함됩니다.

열전기 – 두 영역 사이의 온도 구배를 활용하여 에너지를 생성합니다

초전기 – 위와 유사하게 온도 변동이 전기 에너지로 변환됩니다. 차이점은 초전기는 시간에 따른 온도 변화를 사용하는 반면, 열전 효과는 거리에 따른 온도 변화를 사용한다는 것입니다. 이것은 토르말린과 같은 미네랄에서 발견되었고 우리의 뼈와 힘줄에 존재합니다.

태양광 에너지 수확기

이것은 태양이나 전기의 빛을 변환하는 것에서 비롯되며 가장 강력한 미활용 열에너지 중 하나입니다.

태양광 에너지는 태양 전지에서 나오는데, 이는 태양 전지 모듈과 연결되어 태양열 패널을 구성합니다. 햇빛에서 나오는 에너지는 패널 내의 태양광 전지에 의해 흡수되며, 이것은 셀 내의 내부 전기장으로 이동하는 전기적 변화를 만듭니다.

어떻게 현실 세계에서 사용될 수 있을까요?
도이치 텔레콤은 에릭슨과 협업하여 세계 최초로 상용 모바일 광대역 사이트에 태양광을 활용해 재생에너지를 포함한 하이브리드 전력 관리를 위한 단일 관리 시스템을 활용한 솔루션을 구현했습니다. 2021년 7월, 독일 디텐하임에 위치한 모바일 사이트의 전체 전력 공급에 평균 14%를 기여했습니다.

무선 주파수 에너지 수확기

Wi-Fi 신호, Bluetooth, 위성 통신 및 라디오 방송 신호와 같은 무선 주파수와 함께 제공되는 모든 것.

무선 주파수 에너지 수집 또는 RF 수집은 RF 신호를 수신하여 전기로 변환하는 무선 전력 전송입니다. 이러한 에너지는 종종 다른 미활용 열에너지에 비해 낮은 반면, 유비쿼터스에 가깝습니다. 신호는 안테나에 통해 캡처되고 정류기 다이오드를 통해 DC 전압으로 변환됩니다. 실제로 에너지는 종종 너무 낮아서 나중에 사용하기 위해 저장하기가 어렵습니다.

어떻게 현실 세계에서 사용될 수 있을까요?
에릭슨은 미국의 최고 대학들과 협력하여 무선 신호에서 직접 에너지를 수집하고 사용하여 네트워크에 연결할 수 있는 하드웨어 발전을 위해 노력하고 있습니다.

제로 에너지 장치는 어떻게 작동할까요?

유지보수 및 환경 요구사항이 최소화된 초저가 센서 또는 액추에이터와 같은 기능에 대한 연결을 제공합니다.

각 장치는 미활용 열에너지로 구동되어야 합니다. 예를 들어, 태양 전지에서 발생하는 전압은 유용하려면 특정 임계값 이상이어야 합니다. 그러나 핵심 과제는 생성되는 전압이 충분히 높지 않은 경우가 많기 때문에 생깁니다. 축적된 미활용 열에너지는 두 가지 유형에 사용할 수 있습니다:

  • 후방 산란 기능이 있는 패시브 제로 에너지 IoT 장치 - 배터리가 필요 없는 장치이지만 에너지 저장 기능은 없습니다.

  • 에너지 수집 기능이 있는 능동형 제로 에너지 IoT 장치 - 이러한 장치는 에너지 저장 기능이 제한적이지만 수동으로 충전하거나 교체할 필요는 없습니다. 또한 짧은 시간 동안 미활용 열에너지를 사용할 수 없도록 관리합니다. 액티브 장치의 또 다른 이점은 패시브 장치에 비해 커버리지가 훨씬 좋다는 것입니다.

제로 에너지 장치와 네트워크 기술의 수준을 높이는 것은 연결된 수많은 가능성을 열어주고 있습니다.

현재 상황은 어떨까요?

무선 센서가 있는 지속 가능하고 배터리가 없는 세상이 항상 목표였지만, 주요 플레이어들과 협업 덕분에 이미 놀라운 발전이 이루어졌습니다.

제로 에너지 장치의 잠재력을 완전히 실현하기 위해서는 전체론적 접근 방식이 필요합니다. 장치 자체에 대해서는 에너지 수집 기술뿐만 아니라 패키징 및 저전력 집적 회로 설계가 발전해야 합니다. 에릭슨은 매사추세츠 공과대학교(MIT)와 협업하여 무선 신호 자체를 수집하기 위해 새로운 재료와 초저에너지 설계를 연구하고 있습니다.

에너지 수확 회사가 기술 발전을 위해 조치를 취하는 한 예로 IoT 시스템 개발업체 에버액티브가 있습니다. 공동 설립자인 데이비드 원츠로프는 제로 에너지 장치의 이점에 대해 이야기하셨습니다. "우리는 제로 에너지 장치가 현재의 4G IoT 셀룰러 제품에 비해 10,000배 이상의 전력 절감을 가능하게 할 것으로 기대합니다. 또한 이는 주로 최대 다운링크 지연 시간 측면에서 기능의 손실 없이 수행됩니다. 제로 에너지 무선 하드웨어는 훨씬 더 많은 시간을 'ON' 상태로 유지할 수 있습니다. 즉, 연결이 개선되고 대기 시간이 단축되며 장치의 프로비저닝 및 배치가 단순해집니다."

현재 상황은 어떨까요?
인용
"우리는 제로 에너지 장치가 현재의 4G IoT 셀룰러 제품에 비해 10,000배 이상의 전력 절감을 가능하게 할 것으로 기대합니다.”

데이비드 원츠로프, 에버액티브 공동 설립자

에버액티브는 15,000개 이상의 배터리 없는 센서를 공장과 산업 시설에 배치했습니다. 이전에는 커넥티드 제품의 개발자가 장치의 수명과 데이터 품질(측정 빈도로 측정) 중 하나를 선택해야 했지만, 에버액티브는 무한히 보충 가능한 수집 소스를 사용하여 고품질 데이터를 제공함으로써 전자 제품의 전력 요구량을 낮출 수 있었습니다.

이전의 3GPP 셀룰러 기술은 제로 에너지 장치를 위해 직접 설계되진 않았습니다. 6G가 임박한 상황에서 표준 기준은 에너지 효율성과 연결을 최적화하기 위해 네트워크 설계에 영향을 미칠 것입니다.

수십억 개의 장치를 관리해야 하는 미래의 네트워크 아키텍처는 에너지 효율성과 커넥티비티를 최적화하도록 설계되어야 합니다. 이제 6G 및 그 이상의 혁신적인 IoT 기술의 기반을 마련할 6G 셀룰러 제로 에너지 장치 기술의 시장 조건이 무르익었습니다.

인공지능은 제로 에너지 장치의 사용을 더욱 활용할 것입니다. AI 기능을 사용하면 각 센서가 자체적으로는 성능이 상대적으로 낮을 수 있지만 단순하고 저렴한 센서에서 수집한 정보에서 복잡하고 정확한 결론을 도출할 수 있습니다.

예를 들어, 건물 내 다수의 저해상도 습도 센서에서 AI로 해석된 정보를 결합하면 잠재적으로 위험한 환경에 사람을 보낼 필요 없이 심각한 구조적 손상을 일어나기 전에 물이나 지붕 누출 위치를 빠르고 정확하게 찾을 수 있습니다.

이러한 부분에서 에릭슨이 변화를 일이키고 있습니다.

제로 에너지는 우리가 배치할 수 있는 연결된 장치의 수를 1000배 증가시킬 수 있습니다. 에너지가 감소됨에 따라 더 많은 장치를 배치할 수 있습니다.

무한한 가능성

제로 에너지 장치가 다양한 산업을 변화시킬 수 있는 몇 가지 잠재적인 예는 다음과 같습니다:

산불방지제

무인 항공기의 술찰에 연결함으로써, 작은 입자 형태의 제로 에너지 장치는 잠재적인 산불에 대한 경고를 주고 예방 조치를 촉발할 수 있습니다. 기술이 충분히 발전하면, 이 생분해성 장치들은 그들의 목적을 달성한 후에 완전히 분해되어 흔적을 남기지 않을 수 있습니다.

산불방지제

건강 챙기기

스마트 의류는 자동으로 자세를 교정하거나 꾸준한 움직임을 유도해 줄 수 있으며, 의료 산업을 변화시킬 수 있습니다. 의류 섬유에 내장된 센서는 제로 에너지 장치에 중요한 정보를 전송하여 사람에게 자세를 조정하거나 교정하도록 경고합니다.

건강 및 마인드

건강 관리 애플리케이션은 모니터링 및 질병 진단에서 웨어러블 및 이식형 제로 에너지 장치 또는 센서에 이르기까지 다양합니다. 이러한 센서와 장치는 인간이 생산한 에너지만으로 작동할 수 있기 때문에 수동 충전이 필요하지 않을 것입니다.

농업

농업

농부들은 기지국에 연결되는 센서를 사용하여 가축과 농작물의 복지를 추적할 수 있습니다. 농부는 모바일이나 태블릿을 연결하여 이를 통해 중요한 정보를 받을 수 있었습니다. 이것은 복지 목적으로 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 소떼에서 길을 잃었거나 몸이 좋지 않아 의료적인 치료가 필요한 소를 찾는 것입니다.

창고 보관의 미래

재고 배송에 대한 정보를 스캔하여 재고 번호를 수동으로 변경할 필요 없이 정확하고 신속한 자동 재고 검사를 수행할 수 있습니다. 미활용 IoT 장치는 창고 내 5G 네트워크에 재고 정보를 전달할 수 있습니다. 이 정보는 재고 수준을 자동으로 업데이트하는 컴퓨터 또는 태블릿을 통해 액세스됩니다.

제조 및 채굴

리바이브 에너지는 진동 분석 분야에 대한 전문 지식을 보유하고 있습니다. 진동 스크린을 위한 자체 동력 모니터링 시스템은 채굴 시 수집된 다른 암석과 광물과 같은 물질을 분리하는 기계나 '스크린'에서 데이터를 수집하도록 설계되었습니다. 사용자가 화면 상태를 파악하고 잠재적인 유지 관리 문제에 대처할 수 있는 클라우드 서비스로 데이터는 무선으로 전송됩니다.

진동 기계는 강한 진동으로 인해 케이블이 느슨해질 수 있기 때문에 케이블이나 와이어에서는 잘 작동하지 않습니다. 동시에 진동은 에너지 수확 기회를 창출하며, 그렇지 않으면 낭비되는 부산물이 될 수 있습니다.

제로 에너지 장치를 도입하면 리바이브 에너지의 센서 내에 배터리가 없어 최종 사용자에게 막대한 양의 귀중한 데이터를 생성하므로 센서에 "영구 배터리"를 제공합니다.

미래의 건물

건물 및 사무실을 모니터링하여 향후 발생할 문제를 자동으로 발견할 수 있으며, 심지어 벽에 균열이 발생하는 경우와 같은 예방 정비도 수행할 수 있습니다. 건물의 수명이 연장되고, 벽돌과 시멘트 안에 묻혀 있는 센서의 데이터에 접근하여 거주자나 직원들이 건물 안에서 안전하고 편안하게 거주할 수 있습니다.

NCC의 전략, 연구 및 혁신 책임자인 프레더릭 베르네슨은 다음과 같이 설명합니다. "저희는 건물 또는 인프라 항목을 생산할 때, 건설 단계 동안의 프로세스 성능은 물론, 사용된 객체의 성능도 측정하고자 합니다. 전자의 예로는 콘크리트 건조 과정을 제어하는 데 사용할 수 있는 수분 및 온도 센서가 있습니다. 후자의 예로는 온도 및 CO2 센서와 교량, 도로 및 터널의 장기 거동을 측정하는 센서가 있으며 파괴 테스트가 필요하지 않은 하중 변동으로 인해 발생합니다."

이 모든 데이터를 사용하여 실시간으로 적응, 응답 및 모니터링하는 디지털 복제본을 만들 수 있습니다. 이를 통해 사용자는 가상 설정에서 데이터를 조작하고 조정하여 물리적으로 동일한 데이터에 영향을 주지 않고 영향이나 복잡성을 강조할 수 있습니다. 이러한 디지털 트윈은 생산 과정에서 낭비와 비용을 줄이는 동시에 효율성을 높일 수 있습니다.

 미래의 건물

2030년 이후

2030년까지 재고 관리 및 산업 모니터링은 제로 에너지 장치의 핵심 시장이 될 것입니다. 자동 재고 검사를 사용하면 수동 검사의 필요성이 없어지고 재고 불일치를 방지하여 궁극적으로 비용을 절감하고 창고 산업 내 근로자의 스트레스를 완화할 수 있습니다.

하지만 이것은 하나의 예에 불과합니다. 우리가 아직 상상하지 못한 사용법이 많기 때문이죠.

제로 에너지 장치는 인간과 기계의 연결성에 혁명을 일으킬 것입니다. 이를 통해 보다 지속 가능하고 지능적인 미래를 실현할 수 있을 것이며, 네트워크가 발전함에 따라 이러한 장치의 확산은 더 많은 기회의 문을 열 것입니다.

이것은 건축 분야에서 농업 산업에 이르기까지 시간과 비용을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 기술 개발을 더욱 발전시키는 데 집중할 수 있게 해줄 것입니다.

앰비언트 에너지로 세상을 작동한다
제로 에너지 장치를 통해 미래에 개선 및 변화될 수 있는 삶의 영역은 무엇일까요?