오프그리드 영상 감시타워 전원 예산·저장 용량 설계

Summary

재난·원격 현장 무인 감시타워의 전원 예산과 저장 용량을 정밀 설계하는 가이드입니다. 카메라·5G·PTZ 구동 포함 80~~250W 부하, 24·48V DC 버스, 3~~7일 자율 운전(>72시간) 목표로, kWh/day 계산·배터리 DoD 70~~80%·태양광 1.2~~1.5 안전계수 등 수치 기반 설계 방법을 제시합니다.

Key Takeaways

하루 부하 전력(kWh/day)을 계산하고 1.2~1.3 안전계수를 곱해 최소 설계 부하를 산정하라 (예: 1.8kWh×1.25=2.25kWh/day)
배터리 용량은 목표 자율 운전일수×일일 소비량÷허용 DoD(0.7~0.8)로 계산하라 (예: 3일, 2kWh/day, DoD 0.7 → 8.6kWh)
24V/48V DC 버스를 선택해 케이블 손실을 2~3% 이하로 유지하고, 48V는 100m 이상 거리에서 전압 강하를 50% 이상 절감한다
태양광 어레이는 일일 소비량÷유효 일사량(피크선시간)×1.2~~1.5로 산정하라 (예: 2kWh/day, 3.5h → 685~~855W)
NVR·스위치·5G 라우터 등 IT 부하의 유휴/피크 전력 차이를 30~50% 반영해 평균 소비전력을 산정하라
리튬 인산철(LFP) 배터리는 4,000~~6,000사이클, 80% DoD 기준으로, 납축 대비 수명 비용(LCOS)을 30~~50% 절감할 수 있다
계절별 최소 일사량 기준으로 설계해 겨울철에도 SOC 20% 이하로 떨어지지 않도록 20~30% 여유 용량을 확보하라
PoE 카메라 4~~8대(각 8~~12W) 구성 시 PoE 스위치 효율 85~~90%를 반영해 시스템 전력 예산을 10~~15% 상향하라

오프그리드 영상 감시타워 전원 설계의 중요성

원격 공사현장, 송전선로, 태양광·풍력 발전소, 국경·해안 감시 등에서는 상용 전원이 없거나, 신뢰성이 낮아 오프그리드(Off-Grid) 영상 감시타워가 필수 인프라로 자리 잡고 있습니다. 이때 전원 예산(Power Budgeting)과 저장 용량(Storage Sizing)을 잘못 설계하면, 카메라 리부팅, 야간 녹화 중단, 5G 링크 다운 등 치명적 장애가 반복됩니다.

B2B 조달·엔지니어링 관점에서 감시타워는 보안 장비이자 전력 시스템입니다. 카메라·조명·통신뿐 아니라, 태양광 모듈, 배터리, 충·방전 제어기, 인버터, DC 배전반까지 하나의 통합 전력 아키텍처로 설계해야 합니다. 본 글은 오프그리드 감시타워를 기획·조달·설계하는 담당자를 위해, 실제 수치 기반의 전원 예산 수립과 저장 용량 산정 절차를 단계별로 정리합니다.

전원 예산(Power Budgeting)과 저장 용량(Storage Sizing) 기본 개념

전원 예산과 저장 용량 산정은 서로 연결된 두 단계입니다.

전원 예산(Power Budgeting):
- 어떤 장비가
- 하루에 몇 시간
- 얼마만큼의 전력을 소비하는지 계산해, 하루 총 에너지 소비량(Wh/day, kWh/day)을 산출하는 과정입니다.
저장 용량(Storage Sizing):
- 산출된 하루 소비량을 기준으로
- 목표 자율 운전일수(backup days)
- 배터리 종류·허용 방전 깊이(DoD)
- 계절·기상 리스크를 반영해
- 필요한 배터리(kWh)와 발전원(태양광, 연료전지, 소형 풍력 등) 용량을 결정하는 과정입니다.

설계 목표 정의

설계를 시작하기 전에 최소한 다음 5가지를 수치로 명확히 해야 합니다.

목표 자율 운전일수: 3일(72시간), 5일(120시간) 등
시스템 가용성: 연간 99%, 99.5% 등(다운타임 허용 시간)
지역 일사량/기상 조건: 최저 피크선시간(PSH) 기준
운영 온도 범위: -20~+50℃ 등(배터리 유효 용량에 영향)
유지보수 주기: 6개월, 1년 등(현장 방문 비용 포함 TCO 관점)

이 목표값이 명확해야 이후 계산에서 안전계수와 여유 용량을 합리적으로 설정할 수 있습니다.

전원 예산 수립: 부하 분석과 kWh/day 계산

1. 부하(Load) 인벤토리 작성

먼저 감시타워에 탑재될 모든 전기·전자 장비를 목록화합니다.

일반적인 오프그리드 감시타워 구성 예:

IP 카메라(고정/돔/PTZ): 2~~8대, 각 6~~30W
NVR 또는 엣지 서버: 10~60W
4G/5G 라우터·무선 브리지: 8~25W
PoE 스위치: 10~40W(포트 수, PoE 예산에 따라)
적외선(IR) 조명·화이트 조명: 10~100W
환경 센서(온도, 풍속, 진동 등): 1~5W
컨트롤러/PLC/게이트웨이: 3~15W
팬/히터(혹한·혹서 대응): 10~150W(간헐 동작)
보조 장비(경광등, 스피커, 경보 사이렌): 5~30W(이벤트 시)

각 장비에 대해 다음 항목을 표로 정리합니다.

정격 소비전력(W)
평균 소비전력(W, 듀티 비 반영)
하루 평균 동작 시간(h)
피크 동작 시간대(주간/야간)

2. 듀티 사이클과 평균 전력 계산

모든 장비가 24시간 풀로드로 동작하는 것은 아닙니다. 예를 들어:

PTZ 카메라: 패트롤 시 15W, 대기 시 8W → 평균 10W
IR 조명: 야간(12시간 중 8시간)만 20W 동작 → 하루 평균 6.7W
히터: 겨울철에만, 하루 3시간, 80W → 연평균 6.6W 수준

각 장비별로 “평균 소비전력(Wavg)”을 계산합니다.

Wavg = (피크전력×동작시간 + 대기전력×대기시간) / 24h

3. 일일 에너지 소비량(Wh/day, kWh/day) 산정

각 장비에 대해 다음을 계산합니다.

E_device (Wh/day) = Wavg × 24h

예시 구성(단일 타워 기준):

IP 카메라 4대: 각 평균 10W → 40W → 960Wh/day
PTZ 카메라 1대: 평균 15W → 360Wh/day
NVR: 25W → 600Wh/day
5G 라우터: 15W → 360Wh/day
PoE 스위치: 15W → 360Wh/day
IR 조명: 평균 7W → 168Wh/day

총합:

E_total = 960 + 360 + 600 + 360 + 360 + 168 = 2,808Wh/day ≈ 2.8kWh/day

4. 시스템 효율과 안전계수 반영

실제 시스템에서는 다음 손실이 발생합니다.

DC-DC 변환 손실: 3~8%
인버터(AC 부하 사용 시): 8~15%
케이블 전압 강하: 1~3%
배터리 충·방전 효율: 90~95%

따라서 전원 예산에 1.2~1.3 정도의 안전계수를 곱해 설계 부하를 정합니다.

E_design = E_total × 1.25 (예: 2.8kWh/day × 1.25 ≈ 3.5kWh/day)

이 값이 이후 배터리·태양광·발전기 용량 산정의 기준이 됩니다.

저장 용량(Storage) 및 발전원(Supply) 설계

1. 배터리 용량 산정 절차

배터리 용량은 다음 요소를 반영해 계산합니다.

E_design: 설계 일일 소비량(kWh/day)
N_days: 목표 자율 운전일수(일)
DoD_allow: 허용 방전 깊이(0~1)
η_batt: 배터리 충·방전 효율(0.9~0.95)

배터리 유효 용량(필요 kWh)은:

E_batt_req = E_design × N_days / (DoD_allow × η_batt)

예시:

E_design = 3.5kWh/day
N_days = 3일
DoD_allow = 0.8 (LFP 기준)
η_batt = 0.93

→ E_batt_req ≈ 3.5×3 / (0.8×0.93) ≈ 14.1kWh

2. 배터리 종류 선택: 납축 vs 리튬 인산철(LFP)

납축(AGM/GEL):
- 초기 CAPEX 낮음
- 권장 DoD: 50% 이하
- 사이클 수: 500~1,500사이클(50% DoD 기준)
- 온도·깊은 방전에 민감, 무게·부피 큼
리튬 인산철(LFP):
- 초기 CAPEX 높으나
- 권장 DoD: 70~80%
- 사이클 수: 4,000~6,000사이클(80% DoD 기준)
- 에너지 밀도 높고, 수명 비용(LCOS) 유리

오프그리드 감시타워처럼 24/7 운전·장기 프로젝트(3년 이상)에는 LFP가 총소유비용(TCO) 측면에서 유리한 경우가 많습니다.

3. 시스템 전압(24V vs 48V) 결정

24V 시스템:
- 소형(≤500W) 부하, 짧은 배선 길이(≤20m)에 적합
- 부품 수급 용이, 설치 간편
48V 시스템:
- 중·대형(>500W) 부하, 긴 배선 길이(≥50m)에 유리
- 같은 전력에서 전류가 절반 → 케이블 단면적·전압 강하 감소

예: 500W 부하, 50m 거리 기준

24V: I ≈ 21A
48V: I ≈ 10.4A → 전압 강하 및 케이블 손실 약 50% 감소

영상 감시타워는 200~400W 연속 부하가 일반적이므로, 확장성·손실을 고려하면 48V DC 버스가 권장됩니다.

4. 태양광 어레이(PV) 용량 산정

태양광만으로 충전하는 경우, 지역별 피크선시간(PSH, kWh/m²/day)을 기준으로 설계합니다.

P_PV = E_design / (PSH_min × η_sys) × SF

여기서

PSH_min: 연중 최소 피크선시간(겨울 기준, 예: 2.5~3.5h)
η_sys: PV→배터리→부하 시스템 효율(0.7~0.8)
SF: 안전계수(1.2~1.5)

예시(중위도, 겨울 PSH=3.0h 가정):

E_design = 3.5kWh/day
η_sys = 0.75
SF = 1.3

→ P_PV ≈ 3.5 / (3.0×0.75) × 1.3 ≈ 2.07kW

즉, 400W 모듈 5~~6장(2.0~~2.4kW) 수준이 필요합니다.

5. 하이브리드 구성(발전기·연료전지 등)

혹한·장마·폭설 지역에서는 태양광 단독으로 3~5일 자율 운전을 보장하기 어렵습니다. 이때는 다음과 같은 하이브리드 구성을 검토합니다.

디젤/가솔린 발전기 + 자동 시동 제어
수소 연료전지(장기 프로젝트, 친환경 요구 시)
인근 설비(예: 변전소, 통신기지국)의 보조 전원 연계

발전기는 연간 1~5% 수준의 ‘비상 백업’으로 설계해, 연료·유지보수 비용을 최소화하는 것이 바람직합니다.

적용 사례 및 ROI 관점 분석

1. 예시 설계: 중형 오프그리드 감시타워

조건:

카메라 5대(고정 4, PTZ 1), NVR 1대, 5G 라우터, PoE 스위치, IR 조명
평균 부하: 120W, 피크 180W
목표 자율 운전일수: 3일
위치: 겨울 PSH=3.0h 지역

전원 예산

E_total ≈ 120W × 24h = 2.88kWh/day
안전계수 1.25 적용 → E_design ≈ 3.6kWh/day

배터리(LFP, 48V)

E_batt_req = 3.6×3 / (0.8×0.93) ≈ 14.5kWh
48V 기준 용량: 약 300Ah (48V×300Ah=14.4kWh)

태양광

P_PV ≈ 3.6 / (3.0×0.75) × 1.3 ≈ 2.08kW
440W 모듈 5장(2.2kW) 구성

2. ROI(투자 회수) 관점

오프그리드 감시타워는 다음 비용을 절감합니다.

상용 전원 인입 공사비: 수백 m~~수 km 구간에서 수천만~~수억 원
경비 인력 상주 비용: 1인 기준 연 4,000만~6,000만 원
도난·사고로 인한 손실: 중대 사고 1건당 수천만 원 이상

태양광+배터리 시스템 CAPEX가 타워당 1,500만~~3,000만 원 수준이라면, 2~~3년 내 투자 회수(ROI 30~50%/년)를 기대할 수 있습니다. 특히 건설·발전 프로젝트처럼 기간이 명확한 경우, 프로젝트 기간 동안의 TCO와 리스/임대 옵션까지 포함해 재무 모델을 구성하는 것이 좋습니다.

비교 및 선택 가이드

1. 주요 설계 옵션 비교 표

항목	24V 시스템	48V 시스템
권장 부하 범위	≤500W	200~2,000W
배선 길이	짧은 거리(≤20m)	중·장거리(≥50m)
전류(동일 전력)	2배	기준
케이블 단면적	큼	작음
전압 강하	상대적으로 큼	상대적으로 작음
확장성	제한적	우수
전기 안전 규제	상대적으로 완화	통신·ESS 규격 준수 필요

항목	납축(AGM/GEL)	리튬 인산철(LFP)
초기 CAPEX	낮음	높음
권장 DoD	≤50%	70~80%
사이클 수	500~1,500	4,000~6,000
에너지 밀도	낮음	높음
무게·부피	큼	작음
온도 민감도	높음	상대적으로 낮음
TCO/LCOS	장기 운전 시 불리	장기 운전 시 유리

2. 제품·솔루션 선정 체크리스트

조달·설계 단계에서 다음 항목을 반드시 확인해야 합니다.

카메라·NVR·라우터의 실제 소비전력(데이터시트 vs 실측)
PoE 스위치 PoE 예산(W)과 효율(%)
배터리의 유효 용량(DoD, 온도 조건 포함)
태양광 모듈의 공인 인증(IEC 61215, IEC 61730 등)
PCS/인버터의 효율, 대기전력, 야간 소비전력
전체 시스템의 설계 자율 운전일수와 계절별 시뮬레이션 결과
원격 모니터링(BMS, PV, 부하) 기능 지원 여부

FAQ

Q: 오프그리드 영상 감시타워란 무엇이며 언제 필요한가요? A: 오프그리드 영상 감시타워는 상용 전원 없이 태양광·배터리 등 독립 전원으로 운영되는 무인 감시 시스템입니다. 원격 공사현장, 송전선로, 태양광·풍력 발전소, 국경·해안, 산불 감시 등 전원 인입이 어렵거나 비용이 큰 위치에서 사용됩니다. 24/7 녹화와 실시간 모니터링이 필요하지만 인력 상주가 불가능한 환경에서, 신뢰성 높은 전원 설계가 핵심 경쟁력이 됩니다.

Q: 전원 예산(Power Budgeting)은 어떻게 계산하나요? A: 먼저 카메라, NVR, 5G 라우터, PoE 스위치, 조명 등 모든 장비의 소비전력을 목록화합니다. 각 장비별로 하루 평균 동작 시간과 듀티 사이클을 반영해 평균 소비전력(W)을 계산한 뒤, 24시간을 곱해 Wh/day를 구합니다. 모든 장비의 Wh/day를 합산해 총 일일 소비량(kWh/day)을 산출하고, 변환·배선·배터리 손실을 고려해 1.2~1.3의 안전계수를 곱해 설계 부하를 결정합니다. 이 값이 이후 배터리·태양광 용량 산정의 기준입니다.

Q: 저장 용량(Storage Sizing)은 어떤 공식으로 산정하나요? A: 저장 용량은 설계 일일 소비량(E_design), 목표 자율 운전일수(N_days), 허용 방전 깊이(DoD), 배터리 효율(η_batt)을 기반으로 합니다. 일반적으로 E_batt_req = E_design × N_days / (DoD × η_batt) 공식을 사용합니다. 예를 들어 하루 3.5kWh를 소비하고, 3일 자율 운전, DoD 80%, 효율 93%라면 약 14.5kWh의 배터리가 필요합니다. 여기에 혹한·노화·제조 오차를 고려해 10~20% 여유를 두면 현장 신뢰성이 크게 향상됩니다.

Q: 리튬 인산철(LFP) 배터리가 납축 대비 어떤 장점이 있나요? A: LFP 배터리는 동일 용량 기준으로 납축보다 무게·부피가 작고, 권장 방전 깊이가 70~~80%로 커서 유효 사용 용량이 큽니다. 또한 4,000~~6,000사이클(80% DoD 기준)의 긴 수명을 제공해, 500~~1,500사이클 수준인 납축 대비 교체 주기가 훨씬 깁니다. 초기 비용은 높지만, 장기 프로젝트나 24/7 운전 환경에서는 kWh당 수명 비용(LCOS)이 30~~50%까지 낮아질 수 있어 TCO 관점에서 유리합니다.

Q: 시스템 전압은 24V와 48V 중 무엇을 선택해야 하나요? A: 200W 이하의 소형 시스템이거나 배선 길이가 짧은 경우(20m 이하)에는 24V도 충분할 수 있습니다. 그러나 감시타워처럼 200~400W 이상의 연속 부하와 50m 이상 배선이 필요한 경우, 48V 시스템이 전류를 절반으로 줄여 케이블 손실과 전압 강하를 크게 낮춥니다. 또한 향후 카메라 증설, 조명 추가 등 확장을 고려하면 48V DC 버스가 더 유연합니다. 다만 48V 시스템은 관련 규격과 안전 설계를 준수해야 합니다.

Q: 태양광 용량은 어떻게 결정하며 계절 변화는 어떻게 반영하나요? A: 태양광 용량은 지역별 최소 피크선시간(PSH, 특히 겨울)을 기준으로 설계해야 합니다. 일반적으로 P_PV = E_design / (PSH_min × η_sys) × 1.21.5 공식을 사용합니다. 예를 들어 겨울 PSH가 3h, 일일 소비량 3.5kWh, 시스템 효율 75%라면 약 2.0kW의 태양광이 필요합니다. 여기에 폭설·장마 등 연속 악천후를 고려해 1020% 추가 여유를 두면, 겨울철에도 SOC가 20% 이하로 떨어지는 상황을 줄일 수 있습니다.

Q: 설치 시 어떤 기술적 사항을 가장 주의해야 하나요? A: 첫째, 태양광 모듈의 방향·경사각을 현지 위도와 겨울 일사량에 맞게 최적화해야 합니다. 둘째, 배터리 캐비닛의 온도 관리가 중요하며, -10~+35℃ 범위를 유지하면 수명을 크게 연장할 수 있습니다. 셋째, DC 케이블 단면적을 충분히 확보해 전압 강하를 2~3% 이하로 제한해야 합니다. 넷째, 서지 보호(SPD), 접지, 과전류 보호(MCB/퓨즈)를 IEC·IEEE 규격에 맞게 설계해 낙뢰·서지로 인한 장비 손상을 방지해야 합니다.

Q: 유지보수는 어느 정도 주기로 무엇을 점검해야 하나요? A: 일반적으로 6~12개월 주기의 정기 점검을 권장합니다. 점검 항목에는 태양광 모듈 오염·그늘·파손 여부, 배터리 SOC·전압 밸런스, 단자부 부식·토크, 케이블 피복 손상, 접지 저항, 인버터·충전기의 알람 로그 등이 포함됩니다. 원격 모니터링이 가능한 시스템이라면, 일일/주간 에너지 생산·소비 패턴을 분석해 이상 징후를 사전에 파악할 수 있습니다. 혹한·혹서 지역에서는 계절 전·후 추가 점검이 바람직합니다.

Q: 상용 전원이 있는 지역에서도 오프그리드 감시타워가 유리한 경우가 있나요? A: 네, 상용 전원 인입 공사비가 높거나, 전원 품질이 불안정한 지역에서는 오프그리드 또는 하이브리드 구성이 유리할 수 있습니다. 예를 들어 산악지대, 해안 방파제, 장거리 배관·송전선로 구간에서는 전력선·통신선 매설 비용이 매우 높습니다. 또한 재난·정전 시에도 감시 기능을 유지해야 하는 중요 인프라의 경우, 상용 전원과 태양광·배터리를 병행한 하이브리드 구성이 보안 리스크를 크게 줄입니다.

Q: 이런 시스템을 구축할 때 예상 ROI는 어떻게 계산하나요? A: ROI는 전원 인입 공사비, 경비 인력 대체 비용, 사고·도난 방지로 인한 손실 절감액을 기반으로 산정합니다. 예를 들어 상용 전원 인입에 8,000만 원이 필요한 현장에서, 태양광+배터리 감시타워 CAPEX가 2,500만 원이라면 초기 투자만으로도 5,500만 원을 절감합니다. 여기에 연 1명의 경비 인력(연 5,000만 원)을 대체하고, 연 1건의 도난 사고(3,000만 원)를 예방한다면, 1년 차에만 1억 3,500만 원의 효과가 발생합니다. 이런 방식으로 2~3년 내 투자 회수 가능성을 평가합니다.

Q: 관련 인증·규격은 무엇을 확인해야 하나요? A: 태양광 모듈은 IEC 61215(설계·형식 승인), IEC 61730(안전) 인증 여부를 확인해야 합니다. 배터리와 BMS는 UN 38.3(운송 안전), IEC/UL 62619 등 ESS 관련 안전 규격을 따르는 것이 바람직합니다. 계통 연계형이 아니더라도, 인버터·PCS는 IEEE 1547, UL 1741 등 분산전원 인터커넥션 표준을 참고해 설계 품질을 판단할 수 있습니다. 또한 전체 시스템은 현지 전기설비 규정과 접지·낙뢰 보호 기준을 충족해야 합니다.

References

NREL (2024): Solar resource data and PVWatts calculator methodology
IEC 61215 (2021): Crystalline silicon terrestrial PV modules design qualification and type approval
IEC 61730 (2017): Photovoltaic module safety qualification
IEEE 1547 (2018): Standard for interconnection of distributed energy resources with electric power systems
UL 1741 (2021): Inverters, converters, controllers and interconnection system equipment for use with distributed energy resources
IEA PVPS (2024): Trends in photovoltaic applications and global market statistics

SOLARTODO 소개

SOLARTODO는 태양광 발전 시스템, 에너지 저장 제품, 스마트 가로등 및 태양광 가로등, 지능형 보안 및 IoT 연동 시스템, 송전탑, 통신 타워, 스마트 농업 솔루션을 전 세계 B2B 고객에게 제공하는 글로벌 통합 솔루션 공급업체입니다.