#16. USB 전기를 자급자족 해본다.
꾸는 꿈이 아닌, 이루는 꿈!
5V USB 전원은 최근 캠핑에서 아주 중요한 역할을 차지하고 있다.
[사진출처 : www.getaddictedto.com]저전력 USB 가전제품들을 폭넓게 사용하게 되면, 에너지 자급자족을 현실화 하는데 큰 도움이 된다. 먼저 필요한 장비와 필요한 에너지 양을 계산해 보자.
1. 아이폰6플러스 : 총 배터리용량 11Wh 이다. 하루에 2번을 완충해서 쓴다고 가정하면, 총 22Wh 가 필요하다.
2. 아이패드프로 : 38.5Wh 이다. 하루에 2번을 쓰면, 총 77Wh 가 필요하다.
3. 맥북 12인치 : 39.7Wh 이다. 하루에 1번만 쓰는 것으로 가정한다. 맥북을 많이 쓰면 아이패드 프로의 사용량이 줄어들 것이다.
4. 선풍기, 가습기, 조명 : 하루 약 20Wh 정도로 일단 추산했다. 선풍기와 가습기는 동시에 사용할 일이 없다고 보면 된다.
5. 기타 : 모바일 핫스팟과 핸드폰 신호 부스터 (신호가 약한 지역에서 신호를 부스트 하는 장비) 가 필요할 듯 하지만, 위에서 용량을 넉넉히 잡았기 때문에 일단 이것들은 무시한다.
6. 하루에 필요한 5V 전력량은 총 160Wh 가 된다. 계산을 간단하게 하기 위해서, 필요한 에너지 양을 150Wh 로 하겠다. (위에서 계산을 넉넉하게 했기 때문에 문제가 없다.) 그럼, 150Wh 를 담을 수 있는 배터리와 이것을 충전할 수 있는 태양열 패널이 있으면 되는 것이다.
[사진출처 : www.wearechampionmag.com]우리가 보통 사용하는 핸드폰용 외장 배터리의 경우 용량을 mAh 로 표기한다. 요즘 제일 많이 쓰는게 5,000mAh 이고, 최근에 10,000mAh 로 상향되고 있고, 간혹 20,000mAh 짜리를 볼 수 있다. 이것은, 보통 3.7V 로 계산하기 때문에 (배터리마다 조금씩 다르며, 배터리 박스에 써 있다.) 20,000mAh 짜리의 전력량은 20Ah x 3.7V = 74Wh 가 된다. 결론적으로 20,000mAh 짜리 2개만 있으면, 약 150Wh 가 되니까 5V 전기는 커버가 되는 것이다.
[사진출처 : www.4iam.net]여기서 약간의 지식이 필요하다. 중학교때 배운 물리지식만 있으면 된다. 그 중에서도 다음 2개의 공식만 알면 된다.
1. 전력(W) = 전압(V) x 전류(A) (W=VI 라고도 배웠다.)
2. 전력량(Wh) = 전력(W) x 사용시간(h)
여기서 가장 중요한 것이 전력과 전력량이다. 가전제품이 동작할때 순간적으로 필요한 전기의 양을 전력(W)이라고 한다. 예를들어서, 전기히터의 경우 보통 1.5KW 이고, TV 는 50W 이다. 1.5KW 짜리 전기히터를 1시간 동안 사용하면 그때 사용한 전력량은 1.5KWh 가 된다. 이 전력량이, 우리가 생각하는 '사용한 전기의 양' 이 된다.
쉽게 예를 들어보자. 30kg 짜리 짐을 하루종을 날라야 하는 일자리가 있다고 하자. 일단 30kg 짐을 들 수 없는 할머니나 갓난아기는 이 일을 할 능력이 없으니 바로 탈락이다. (이 30kg 이 전력에 해당된다.) 그래서, 그 커트라인을 통과하고 채용된 남자가 있다고 하자. 만약 30kg 짜리 짐을 한번만 나르고 일이 끝이라면 이 남자의 에너지는 그닥 소모되지 않을 것이다. 그냥 피식~하고 딴 일하러 갈 수도 있다. 하지만, 이걸 1000개를 날랐다면? 모르긴 몰라도 에너지가 다 소진되고 쓰러질 가능성이 크다. 이때, 30kg 짜리 짐을 1000개 나르는데 소모한 총 에너지의 양이 전력량이 된다.
이걸 전기얘기로 바꿔보자. 보통 전기히터는 1.5KW 의 용량을 갖는다. 다시말해서, 1.5kW 의 전력이 지속적으로 공급되지 않으면 아예 켜지지도 않는다. 따라서, 우리가 주변에서 흔히 보는 외장형 배터리로는 단 1초도 동작시킬 수 없다. (이건 출력이 최대 12W 밖에 안된다.) 하지만, 실제로 소모된 에너지를 정확히 계산하려면, 이 전기히터를 얼마동안 켜 놨느냐에 의해서 결정될 것이다. 한시간만 켜 놨다면 1.5KWh 밖에 소모되지 않았겠지만, 10시간을 켜 놨다면 1.5KW x 10h = 15KWh 가 소모된 것이다. 전기요금은 바로 이 전력량으로 계산된다.
그렇다고, 전기히터를 하루에 굴리는데 필요한 전력량이 1.5KW x 24h = 36KWh 는 아니다. (계산상으로는 맞지만) 24시간 동안 쓰는 것도 아니며, 쓰는 동안에도 1.5KW 라는 최대 전력을 다 안쓰는 경우가 많기 때문에 실제로는 훨씬 적은 전력량이 필요하게 된다. 따라서, 전기제품의 정확한 사용량 (전력량) 을 알기 위해서는 스펙보다는 직접 사용하면서 측정한 데이터가 있어야 한다.
사실, 전력과 전력량만 있으면 대부분의 계산이 가능한데 (전압은 그냥 단순 기계적으로 쓰면 된다.) 문제는 위에서 보다시피 전류(A) 와 전류량(Ah) 단위가 시장에서 사용되고 있다는 것이다.
전류(A) 에 전압(V) 을 곱하면 전력(W)이 되듯이, 전류(A)에 시간을 곱하면 전류량(Ah) 이 되고, 여기에 전압(V) 을 곱하면 전력량(Wh)가 된다. 즉, 전류와 전류량은 전압과 전압량에서 전압이라는 변수에 의해서 계산된 숫자이다. 따라서, 전류나 전류량을 표기할때는 전압이 따라다녀야지만 정확한 전력량이 나올 수 밖에 없는데, 그럼에도 불구하고, 참 이상하게도 배터리의 용량을 표기할때 전력량 보다는 전류량을 더 많이 쓰고 있다. 아마도 마케팅적인 꽁수가 아닌가 싶다.
결론적으로, 위에서 계산한대로 다시 계산해보면, 시중에 판매되는 20,000mAh 배터리는 20Ah 랑 같은 말이고, 배터리 케이스에 표기된 사용전압을 확인해야겠지만 보통 3.7V 기준으로 계산하기 때문에, (위 사진에 있는 제품의 경우, 3.75V 이다.) 이 배터리의 실제 전력량은 20Ah x 3.7V = 74Wh 가 되는 것이다. 74Wh 용량의 배터리란 건 말이 되지만, 20,000mAh 용량의 배터리란 건 말이 사실 되지 않는다. 다만, 외장형 배터리의 경우 3.7V 기준이 관례화되어 있기 때문에 편법으로 통용되는 단위라고 이해하면 되겠다.
W 와 Wh 의 관계, 그리고 A 와 Ah 의 관계가 아직도 헤깔리는가? 전류(A)는 순간적으로 흐르는 전류의 양이다. 물로 치면 쫄쫄쫄 나오는지, 펑펑 나오는지를 말한다. 이 전류를 한시간 동안 흐르게 하면 그동안 흘러간 물의 양이 있을 것이다. 이게 Ah (전류량) 이 된다. 각각에 전압(V) 을 곱하면, 전력과 전력량이 되기 때문에 유사하게 이해하면 된다. 결국, 우리가 사용한 총 전기의 양은 전력량 (Wh) 이라는 것만 기억하면 된다. 전기 고지서에 과금의 기준이 되는 것도 바로 이 전력량이 된다.
또 한가지 이상한 점이 있다. 배터리에서 사용된 3.7V 는 뭔가? USB 는 5V 가 아닌가? 이건 리튬이온 배터리의 특성에 의한 것이다. 일반적으로, 리튬이온 배터리는 3.7V의 배터리 셀들을 조합해서 만든다. 따라서 용량계산은 3.7V 기준으로 계산이 되지만, 실제 배터리의 출력은 5V 로 출력되고 그걸로 충전되도록 되어 있다.
그럼 사기 아닌가? 출력되는 5V 를 기준으로 하면 전류량은 줄어들텐데? 예를들어서, 20,000mAh 짜리 배터리의 실제 출력인 5V 기준으로 계산하면, 20,000 x 3.7 나누기 5 = 14,800mAh 밖에 되지 않는다. 사기라고 하면 사기일 수 있다. 하지만, 이 배터리로 충전하는 대부분의 핸드폰이나 모바일 단말속에 있는 배터리들도 동일한 3.7~3.8V 로 mAh 를 표기하기 때문에 그렇게 억울해 하지 않아도 된다. 아래 사진을 보면 아이폰 6S 에 3.8V / 2750mAh 배터리가 사용된 것을 알 수 있다.
따라서, 전력량 계산은 전류나 전류량이 아닌, 전력이나 전력량으로 환산해서 계산하는 것이 좋다.
[아이폰6S 배터리, 사진출처 : www.9to5mac.com]자, 어쨌던 결론적으로, 시중에 판매되는 20,000mAh 짜리 2개만 있으면 5V 배터리는 해결이 된다. (20Ah x 3.7V x 2개 = 148Wh) 최근에 샤오미에서 20,000mAh 배터리를 2만7천원 (중국 현지가격) 에 출시해서 화제가 되고 있는데, 이걸 기준으로 계산하면 5만원 남짓이면 된다는 얘기가 된다.
이제 40,000mAh 를 하루에 충전할 수 있는 태양광 패널이 필요한데, 이걸 계산해보자. 정확히 말하면, 148Wh 이지만, 계산을 편하게 하기 위해서 150Wh 로 한다.
먼저, 시중에 판매되는 대부분의 태양광 패널은 W 로 그 용량을 표기한다. (이건 맞다. 제대로 쓰고 있다.) 150Wh 란 얘기는 150W 짜리 태양광 패널로 1시간 동안 충전했을 때 얻을 수 있는 전력량이다. 따라서, 하루에 평균 5시간 정도 충전한다고 가정하면, 150Wh 나누기 5시간 = 30W 가 되기 때문에, 30W 짜리 패널이 한개만 있으면 된다는 계산이 나온다.
태양광 패널의 하루 충전 시간을 5시간으로 잡은 이유는 몇가지가 있는데, 먼저 태양열은 11시에서 2시 사이에 최대치를 보이지만, 오전과 저녁에는 매우 약하고, 밤이나 새벽에는 아예 충전이 안된다는 변수가 있고, 또한 날씨에 따라서 태양열이 줄어드는 변수도 있다. 따라서, 태양열 패널로 하루에 평균적으로 얻을 수 있는 전력량을 계산하는 것은 사실상 불가능하기 때문에, 자신의 경험과 지역에 따른 적당한 변수를 대입해서 숫자를 산출해야 한다. 일단, 개략적으로 하루 평균 5시간 풀로 충전하는 것으로 계산을 시작하기로 한다. 실제로는 훨씬 더 많은 변수들을 적용해야 한다.
