축전지 용량 산정

왜 배우는가: 축전지 용량 산정은 정전 시 소방·비상조명·UPS 부하가 정해진 시간 동안 꺼지지 않도록 전기를 저장하는 설비의 크기를 정하는 일이다. 용량이 부족하면 피난·소화 설비가 작동하지 않고, 과하면 공사비와 설치 공간이 낭비된다. 그래서 1교시 계산 문제와 2~4교시 논술 문제에 반복해 출제된다.

출제 이력: 제137회 3교시 2번, 제132회 3교시 2번, 제124회 4교시 1번, 제120회 1교시 6번, 제112회 3교시 2번, 제101회 2교시 5번, 제100회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

축전지 용량 산정은 정전 시 부하에 필요한 전력량과 방전시간을 바탕으로 축전지의 Ah 용량을 정하는 과정이다. 축전지 용량은 부하 전력량, 방전시간, 허용최저전압, 보수율, 온도·노화 보정계수를 반영해 Ah 단위로 산정한다.

핵심 키워드

• 축전지 용량(Battery Capacity)
• 용량환산시간 K
• 보수율
• 허용최저전압
• 온도보정계수
• 경년(노화)보정계수
• 방전심도(DOD)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 정전이 났을 때 부하가 쓸 전기를 미리 담아 두는 물통의 크기를 정하는 일이다. 물통이 작으면 중간에 비고, 크면 돈과 공간이 더 든다. 축전지도 같아서 필요한 만큼의 전기량을 정확히 정해야 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 축전지 용량은 완전 충전된 축전지를 일정 전류로 방전시켜 단자 전압이 방전 종지전압에 도달할 때까지 꺼낼 수 있는 총 전기량이다. 단위는 Ah로 쓰며, 방전 전류와 방전시간의 곱으로 나타낸다.

축전지 용량 산정에서 쓰는 핵심 용어는 다음과 같다.

용량환산시간(K) 은 방전시간과 허용최저전압에 따라 정해지는 계수다. 같은 방전시간이라도 허용최저전압이 낮을수록 K가 작아지는 것이 일반적인 경향이다. 이 값은 축전지 제조사 표나 설계 기준의 표에서 찾아 쓴다.

보수율 은 노화, 온도, 설계 여유 등 실제 운전 조건에서 용량이 떨어지는 비율을 반영한 계수다. 보수율을 곱하면 그만큼 용량을 크게 잡게 된다.

허용최저전압 은 부하가 안전하게 동작할 수 있는 최저 단자 전압이다. 이 값 이하로 떨어지면 방전을 멈춰야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

비상전원은 상용전원이 끊겼을 때 소방펌프, 제연설비, 비상조명, 피난유도등, UPS 부하에 짧은 시간 동안 전기를 공급한다. 이 시간 동안 전기를 공급하는 장치가 축전지다. 축전지는 발전기보다 빠르게 전환되므로 무정전 공급이 필요한 부하에 필수다.

축전지 용량이 충분하지 않으면 피난과 소화 활동이 중단되어 인명과 재산 피해가 커진다. 반대로 지나치게 크게 잡으면 설치 면적, 충전기 용량, 초기 투자비가 모두 늘어난다. 따라서 법정 기준과 설계 기준에 따라 적정한 용량을 계산하는 것이 필요하다.

또한 축전지는 온도, 방전율, 사용 연수에 따라 실제 용량이 달라지는 전기화학 소자다. 설계 때 이런 변화를 보정계수로 미리 반영해야 준공 후 실제 운전 시간이 설계 시간을 만족한다.

소방용 비상전원은 법정 유효시간 이상 작동해야 한다 그러므로 용량 산정은 법정 시간 요구를 맞추는 출발점이다.

[계산 예] 1교시 문제의 방식처럼 부하 전력 P[W]와 정격전압 V[V]로 전류를 구하고, 방전시간과 K, 보수율을 곱해 용량 C = (K × I) / L 형태로 정리한다. 세부 절차는 8절에서 다룬다.

4. 구성요소·원리·절차

축전지 용량 산정은 정전 때 부하가 요구하는 전류를 정전보상시간 동안 허용최저전압 이상으로 공급할 수 있는 셀 용량을 구하는 일이다. 구성요소별 역할을 먼저 구분해야 산정 인자를 빠뜨리지 않는다.