KR102158087B1 - 압전소자를 이용한 역률 개선 및 발전 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 역률 보상용 콘덴서 대신에 압전소자가 가지고 있는 고유의 콘덴서 성분을 이용하여 전력선의 역률을 개선할 수 있고, 발전도 가능한 압전소자를 이용한 역률 개선 및 발전 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 압전부재를 이용한 역률 개선 및 발전 장치는 제 1 및 제 2 전극을 구비하며, 전력선으로부터 전압을 인가하면 진동을 하는 제 1 압전소자; 및 제 1 및 제 2 전극을 구비하며, 상기 제 1 압전소자의 진동에 따라 발전하는 제 2 압전소자를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압전부재를 이용한 역률 개선 및 발전 장치는 제 1 및 제 2 전극을 구비하며, 전력선으로부터 전압을 인가하면 진동을 하는 제 1 압전소자; 및 제 1 및 제 2 전극을 구비하며, 상기 제 1 압전소자의 진동에 따라 발전하는 제 2 압전소자를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 압전소자를 이용한 역률 개선 및 발전 장치에 관한 것으로서, 특히, 역률 보상용 콘덴서 대신에 압전소자가 가지고 있는 고유의 콘덴서 성분을 이용하여 전력선의 역률을 개선할 수 있고, 발전도 가능한 압전소자를 이용한 역률 개선 및 발전 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 역률이란 피상전력에 대한 유효전력의 비율을 말한다. 즉, 전체 입력되는 전력 중에 실제로 일하는 전력의 비이다. 이러한 역률은 전력 제어나 소비 전력 낭비를 방지하는 기술을 요하는 곳에서 주요한 제어인자로 활용된다.
역률 제어는 목표로 하는 역률만큼 부하의 역률을 높이는 것으로, 전력 설비에서 주로 이용되는 역률 제어 방법은 피상전력을 낮추어 역률을 높인다. 피상전력은 무효전력과 관계가 있으며, 무효전력이 클수록 피상전력이 높아지고 무효전력이 작을수록 피상전력이 낮아진다. 그러므로, 무효전력을 낮게 하여 피상전력을 낮추는 것으로 역률 보상한다.
같은 전력을 수송할 때 다른 조건은 그대로 두고 역률만을 개선하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
① 변압기, 배전선의 손실 저감
② 설비용량의 여유 증가
③ 전압강하의 경감
배전선로의 역률개선은 전력용 콘덴서를 부하에 병렬로 접속시켜서 하고 있는데, 일반적으로 채용하고 있는 방법으로는 다음과 같은 3가지를 들 수 있다.
① 콘덴서뱅크를 변전소에 집중설치하거나 배전선로의 주상에 설치한다.
② 콘덴서뱅크를 수용가의 수전실에 설치한다.
③ 콘덴서뱅크를 부하에 직접 설치한다.
이상의 3가지 중 ①은 전력공급자 측에서, ②, ③은 수용가 측에서 설치하는 것이 보통이다. 콘덴서뱅크는 부하에 근접해서 설치되므로 역률개선효과가 직접적이고 또 그 효과도 전 계통에 미치게 된다는 좋은 점은 있으나, 그 반면에 가동률이 낮기 때문에 ①의 설치 또한 필수적이다.
또한, 한국전력 기본공급약관(2019.07.01) 제41조(역률의 유지), 제43조(역률에 따른 요금의 추가 또는 감액)에 규정하여 역률 개선을 위해 많은 노력을 하고 있다.
배전선로는 부하가 유도성 부하인 경우 역률이 낮은 문제점이 있다. 이에, 배전선로의 역률개선을 위한 전력용 콘덴서를 부하와 병렬로 접속시킨다.
배전선로의 역률개선은 전력용 콘덴서뱅크를 부하에 병렬로 접속시켜서 사용하고 있는데, 이 콘덴서뱅크는 역률을 개선하기 위한 목적 이외에는 다른 용도로 사용이 불가능하며, 어떠한 다른 부수적인 효과가 없다.
이에, 배전선로나 전력선에서 전력용 콘덴서를 사용하지 않고도 역률을 개선할 수 있고 발전도 가능하면서도, 무효전력을 유용하게 이용하여 인클로저 내부 공간의 온도를 조절할 수 있는 개선된 장치가 요구된다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명의 목적은, 역률 보상용 콘덴서 대신에 압전소자가 가지고 있는 고유의 콘덴서 성분을 이용하여 전력선의 역률을 개선할 수 있고, 발전도 가능한 압전소자를 이용한 역률 개선 및 발전 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 제 1 압전소자와 제 2 압전소자 사이에 배치되는 멤브레인 부재가 지지부재에 고정되어 발생되는 벤딩 운동으로 인한 기계적 변위가, 인클로저 내부의 열을 냉각시키는 냉각팬으로 사용되도록 함으로써, 별도의 전력을 사용하지 않고 무효전력을 유용하게 이용할 수 있는 압전소자를 이용한 역률 개선 및 발전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 상기에서 언급된 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 압전부재를 이용한 역률 개선 및 발전 장치는 제 1 및 제 2 전극을 구비하며, 전력선으로부터 전압을 인가하면 진동을 하는 제 1 압전소자; 및 제 1 및 제 2 전극을 구비하며, 상기 제 1 압전소자의 진동에 따라 발전하는 제 2 압전소자를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압전부재를 이용한 역률 개선 및 발전 장치는 상기 제 1 압전소자와 상기 제 2 압전소자 사이에 배치되는 절연체를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 압전소자는 횡진동, 종진동, 또는 전단진동을 하는 구조를 갖고, 상기 제 2 압전소자는 상기 제 1 압전소자의 진동에 따라 횡진동, 종진동, 또는 전단진동을 하는 구조를 갖고 전기를 발생할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압전부재를 이용한 역률 개선 및 발전 장치는 상기 제 1 압전 소자 및 상기 제 2 압전소자 사이에 위치하는 멤브레인 부재; 및 상기 멤브레인 부재를 지지하는 지지부재를 더 포함하고, 상기 멤브레인 부재는 상기 지지부재에 고정되어 발생하는 벤딩 운동으로 기계적 변위를 발생시키고, 상기 벤딩 운동으로 인해 상기 제 2 압전소자는 진동되어 발전할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 압전소자는 복수개이며, 상기 멤브레인 부재의 상면, 하면, 또는 이들의 조합에 상기 제 1 압전소자와 상기 제 2 압전소자가 배치되고, 상기 멤브레인 부재의 상면 및 하면 각각에 적어도 하나의 상기 제 2 압전소가가 배치되도록 할 수 있다.
상기 제 1 압전소자는 상기 전력선의 역률 보상용 콘덴서의 재료로서 사용되고, 상기 제 1 압전소자는 복수개이고, 상기 전력선에 병렬로 연결되며, 부하가 필요로 하는 양만큼 상기 병렬로 연결된 제 1 압전소자에 선택적으로 제어하는 자동 역률 제어 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 자동 역률 제어 장치는 전류계와 전압계에 의해 측정된 전류 및 전압을 통해 역률을 자동으로 제어하는 자동 역률 제어기와, 상기 자동 역률 제어기와 전기적으로 연결되어 상기 자동 역률 제어기의 제어에 따라 상기 제 1 압전소자와의 연결을 스위칭하기 위한 스위칭부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압전부재를 이용한 역률 개선 및 발전 장치는 상기 멤브레인 부재 끝부분에 부착된 추를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 역률 보상용 콘덴서 대신에 압전소자가 가지고 있는 고유의 콘덴서 성분을 이용하여 전력선의 역률을 개선할 수 있고, 발전도 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 제 1 압전소자와 제 2 압전소자 사이에 배치되는 멤브레인 부재가 지지부재에 고정되어 발생되는 벤딩 운동으로 인한 기계적 변위가, 인틀로저 내부의 열을 냉각시키는 냉각팬으로 사용되도록 함으로써, 별도의 전력을 사용하지 않고 무효전력을 유용하게 이용할 수 있다.
특히, 인클로저 칸막이 벽면에 별도의 냉각팬을 설치하지 않고도 외부의 찬공기가 유입되고 내부의 더운 공기를 유출되어 인클로저 내부의 주위 온도를 국제표준 IEX60831-2 및 동일한 국내 표준 규격인 KSC4801 등에서 규정된 온도로 조절할 수 있다.
또한, 본 발명은 지지부재에 고정되어 벤딩 운동을 하는 멤브레인 부재의 상면 및 하면 각각에 적어도 하나의 제 2 압전소자가 배치되도록 함으로써, 벤딩 운동 중에 항상 제 2 압전 소자를 통해 발전할 수 있다. 이에, 전기를 필요로 하는 장비, 영역(area) 등에 전력을 원활하게 공급할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 복수의 제 1 압전소자가 전력선에 병렬로 연결되어, 역률개선이 필요한 콘덴서의 용량만큼 제 1 압전 소자를 선택적으로 제어함으로써, 전력의 역률을 높일 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 이용한 역률 개선 및 발전 장치를 설명하기 위한 도면을 도시한다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전소자를 이용한 역률 개선 및 발전 장치를 설명하기 위한 도면을 도시한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전소자를 이용한 역률 개선 및 발전 장치를 설명하기 위한 도면을 도시한다.
도 9는 도 8에 도시된 자동 역률 개선 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 10a는 멤브레인 부재의 상면 및 하면에 제 1 및 제 2 압전소자가 설치된 액츄에이터를 설명하기 위한 사시도이다.
도 10b는 도 10에 도시된 액츄에이터의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전소자를 이용한 역률 개선 및 발전 장치를 설명하기 위한 도면을 도시한다.
도 12는 바이모프식 액츄에이터 소자의 단면도를 도시한다.
도 13은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 외팔보형태의 휨운동 도해도를 도시한다.
도 14a 내지 도 14b는 멤브레인 부재의 끝부분에 추가 설치된 액츄에이터의 단면도를 도시한다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전소자를 이용한 역률 개선 및 발전 장치를 설명하기 위한 도면을 도시한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전소자를 이용한 역률 개선 및 발전 장치를 설명하기 위한 도면을 도시한다.
도 9는 도 8에 도시된 자동 역률 개선 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 10a는 멤브레인 부재의 상면 및 하면에 제 1 및 제 2 압전소자가 설치된 액츄에이터를 설명하기 위한 사시도이다.
도 10b는 도 10에 도시된 액츄에이터의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전소자를 이용한 역률 개선 및 발전 장치를 설명하기 위한 도면을 도시한다.
도 12는 바이모프식 액츄에이터 소자의 단면도를 도시한다.
도 13은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 외팔보형태의 휨운동 도해도를 도시한다.
도 14a 내지 도 14b는 멤브레인 부재의 끝부분에 추가 설치된 액츄에이터의 단면도를 도시한다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '유닛' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위 회로를 의미한다.
본 발명의 실시예에 따른 압전소자를 이용한 역률 개선 장치 및 발전 장치를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 이용한 역률 개선 및 발전 장치를 설명하기 위한 도면을 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전부재를 이용한 역률 개선 및 발전 장치는 역률 개선을 위한 소자로, 제 1 및 제 2 전극(101, 102)를 구비한 제 1 압전소자(100)와, 제 1 및 제 2 전극(151, 152)를 구비하고 제 1 압전소자(100)의 진동에 따라 발전하는 제 2 압전소자(150)를 포함하여 구성된다.
제 1 압전소자(100)는 전력선으로부터 전압을 인가받고, 진동을 한다. 보다 구체적으로 제 1 압전소자(100)는 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 일단에 제 1 전극(101)을 구비하고, 타단에 제 2 전극(102)를 구비한다.
이러한 제 1 압전소자(100)는 역률 보상용 콘덴서 대신에 해당 제 1 압전소자(100)가 가지고 있는 고유의 콘덴서 성분을 이용하여 전력선의 역률을 개선할 수 있다.
제 2 압전소자(150)는 제 1 압전소자(100)와 병렬 연결되도록 배치된다. 제 2 압전소자(150)도 마찬가지로 일단(151)에 제 1 전극(151)을 구비하고, 타단에 제 2 전극(152)를 구비한다. 도 1에서는 제 2 압전소자(150)가 제 1 압전소자(100)와 병렬 연결되도록 배치되었지만, 도 2에 도시된 바와 같이 제 2 압전소자(150)가 제 1 압전소자(100)와 직결 연결되도록 배치될 수도 있다.
제 1 및 제 2 압전소자(100, 150)는 예컨대 접착제에 의해 상호 접착 고정될 수 있다.
이와 같이 길이방향으로 전극들이 배치된 제 1 및 제 2 압전소자(100, 150)가 병렬 결합된 경우, 제 1 압전소자(100)에 전력선으로부터 전압이 인가되면 종방향 진동을 하고, 그 진동의 영향을 받은 제 2 압전소자(150)는 전기를 발생시킨다.
더 설명하면, 제 1 압전소자(100)의 제 1 및 제 2 전극(101, 102)에 전위차가 없으면 도 1의 (a)에 도시된 바와 같은 원래의 형태인 제 1 및 제 2 압전소자(100, 150)의 길이를 유지한다.
그러나, 제 1 압전소자(100)의 제 1 전극(101)에 비해 낮은 (-) 전압이 제 2 전극(102)에 인가되면, 제 1 압전소자(100)의 전극들에 전위차가 생겨, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 제 1 압전소자(100)의 길이가 줄어든다. 길이가 줄어든 제 1 압전소자(100)와 결합된 제 2 압전소자(150)도 길이가 제 1 압전소자(100)와 같게 줄어들어, 결국 제 2 압전소자(150)의 제 2 전극(152)이 제 1 전극(151)보다 낮은 (-) 전압을 발생시킨다.
반대로, 제 1 압전소자(100)의 제 1 전극(101)에 비해 높은 (+) 전압이 제 2 전극(102)에 인가되면, 제 1 압전소자(100)의 전극들에 전위차가 생겨, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이 제 1 압전소자(100)의 길이가 늘어난다. 길이가 늘어난 제 1 압전소자(100)와 결합된 제 2 압전소자(150)도 길이가 제 1 압전소자(100)와 같게 늘어나, 결국 제 2 압전소자(150)의 제 2 전극(152)이 제 1 전극(151)보다 높은 (+) 전압을 발생시킨다.
상술한 바와 같이 제 1 압전소자(100)의 전극에 전위차가 있으면, 제 1 압전소자(100)와 결합된 제 2 압전소자(150)가 진동됨에 따라 전기를 발생시킨다.
도 1의 (a)에 도시된 바와 같은 형상을 갖는 제 1 압전소자(100)의 종방향 진동은 해당 압전체가 길이방향으로 분극된 상태에서, 제 1 및 제 2 전극(101, 102) 사이의 길이방향으로 외부에서 전기신호가 입력되면, 그에 따라 해당 압전체가 길이방향으로 우세하게 진동하는 형태이다. 이에, 제 1 압전소자(100)의 길이가 가로/세로/직경 보다 2.5배 이상일 경우, 외부 전기신호에 대해 길이방향의 진동이 가로/세로/직경 방향의 진동보다 우세하게 관찰된다.
따라서, 도 1의 (b) 또는 (c)에 도시된 바와 같이 양단부에 제 1 및 제 2 전극(101, 102)을 구비한 제 1 압전소자(100)에 (-) 전압 또는 (+) 전압이 인가되면, 해당 제 1 압전소자(100)의 길이가 길이방향으로 진동되고, 제 1 압전소자(100)와 병렬로 결합된 제 2 압전소자(150)도 함께 같은 길이방향으로 진동되어 전기를 발생시킨다.
본 실시예에서는 제 1 압전소자(100)가 길이방향으로 진동을 하는, 즉 종진동을 하는 구조를 갖고, 제 2 압전소자(150)도 제 1 압전소자(100)의 진동에 따라 종진동을 하는 구조를 갖는 경우를 설명하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이 종진동, 횡진동, 전단진동, 또는 이들간의 조합을 갖는 구조를 통해 전력선의 역률 개선 뿐만 아니라, 발전이 가능한 장치를 구현할 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전소자를 이용한 역률 개선 및 발전장치를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 2에 도시된 압전소자를 이용한 역률 개선 및 발전 장치는 앞선 실시예에서 상술된 제 1 압전소자(100) 및 제 2 압전소자(150) 외에도 제 1 압전소자(100) 및 제 2 압전소자(150) 사이에 위치하는 절연체(170)를 포함하여 구성된다.
나아가, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전소자를 이용한 역률 개선 및 발전 장치는 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 압전소자(100, 150)의 양단부가 결합될 물체(예를 들면, 지지부재, 멤브레인 부재 등)를 더 포함하여, 제 1 및 제 2 압전소자(100, 150)의 각 단부, 보다 구체적으로 제 1 압전소자(100)의 제 1 전극(101) 부근과, 제 2 압전소자(150)의 제 2 전극(152) 부근이 외부 물체의 가장자리에 각각 결합되어 고정된 구조를 갖는다.
제 1 및 제 2 압전소자(100, 150)는 앞선 실시예에서 설명한 바와 같이, 제 1 및 제 2 전극(101, 102, 151, 152)을 각각 구비한다. 앞선 실시예와 달리, 본 실시예에서 제 1 압전소자(100)와 제 2 압전소자(150)는 직렬 연결되도록 배치되어, 제 1 압전소자(100)의 제 2 전극(102)과, 제 2 압전소자(150)의 제 1 전극(151) 사이에는 절연체(170)가 배치된다.
외부 물체의 가장자리(M, N)에 결합된 제 1 및 제 2 압전소자(100, 150)는 제 1 압전소자(100)의 전극에 전위차가 없으면, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 제 1 및 제 2 압전소자(100, 150)의 길이가 같은 길이를 유지한다.
그러나, 제 1 압전소자(100)의 제 1 전극(101)에 비해 낮은 (-) 전압이 제 2 전극(102)에 인가되면, 제 1 압전소자(100)의 전극들에 전위차가 생겨, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 제 1 압전소자(100)의 길이가 줄어든다. 길이가 줄어든 제 1 압전소자(100)와 길이방향으로 결합된 제 2 압전소자(150)는 길이가 늘어나, 결국 제 2 압전소자(150)의 제 2 전극(152)이 제 1 전극(151)보다 높은 (+) 전압을 발생시킨다.
반대로, 제 1 압전소자(100)의 제 1 전극(101)에 비해 높은 (+) 전압이 제 2 전극(102)에 인가되면, 제 1 압전소자(100)의 전극들에 전위차가 생겨, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이 제 1 압전소자(100)의 길이가 늘어난다. 길이가 늘어난 제 1 압전소자(100)와 길이방향으로 결합된 제 2 압전소자(150)의 길이가 줄어들어, 결국 제 2 압전소자(150)의 제 2 전극(152)이 제 1 전극(151)보다 낮은 (-) 전압을 발생시킨다.
이와 같이, 제 1 압전소자(100)의 전극에 전위차가 있으면, 제 1 압전소자(100)와 직렬로 결합된 제 2 압전소자(150)가 진동됨에 따라 전기를 발생시킨다.
따라서, 도 2의 (b) 또는 (c)에 도시된 바와 같이 제 1 압전소자(100)에 (-) 전압 또는 (+) 전압이 인가되면 해당 제 1 압전소자(100)의 길이가 길이방향으로 진동되고, 제 1 압전소자(100)와 직렬로 결합된 제 2 압전소자(150)도 함께 같은 길이방향으로 진동되어 전기를 발생시킨다.
도 3은 길이방향으로 진동하는, 즉 종진동을 하는 구조를 갖는 제 1 압전소자(100)와, 그 제 1 압전소자(100) 위에 폭방향으로 진동하는, 즉 횡진동을 하는 구조를 갖는 제 2 압전소자(150)를 도시하고 있다.
도 3에 도시된 구조와 달리, 횡진동을 하는 구조를 갖는 제 1 압전소자(100) 위에 종진동을 하는 구조를 갖는 제 2 압전소자(150)가 배치될 수도 있으며, 진동의 영향으로 인해 제 2 압전소자(150)가 전기를 발생시키는 것은 동일하다.
제 1 압전소자(100)와 제 2 압전소자(150)는 예컨대 접착제에 의해 상호 접착 고정되며, 제 1 압전소자(100)의 제 1 전극(101)에 비해 낮은 (-) 전압이 제 2 전극(102)에 인가되면, 제 1 압전소자(100)의 전극들에 전위차가 생겨, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 제 1 압전소자(100)의 길이가 줄어든다. 길이가 줄어든 제 1 압전소자(100)와 결합된 제 2 압전소자(150)도 길이가 제 1 압전소자(100)와 같게 줄어들어, 결국 제 2 압전소자(150)의 제 2 전극(152)이 제 1 전극(151)보다 낮은 (-) 전압을 발생시킨다.
반대로, 제 1 압전소자(100)의 제 1 전극(101)에 비해 높은 (+) 전압이 제 2 전극(102)에 인가되면, 제 1 압전소자(100)의 전극들에 전위차가 생겨, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이 제 1 압전소자(100)의 길이가 늘어난다. 길이가 늘어난 제 1 압전소자(100)와 결합된 제 2 압전소자(150)도 길이가 제 1 압전소자(100)와 같게 늘어나, 결국 제 2 압전소자(150)의 제 2 전극(152)이 제 1 전극(151)보다 높은 (+) 전압을 발생시킨다.
여기서, 횡방향 진동은 압전체가 두께 방향으로 분극된 상태에서, 역시 두께 방향으로 외부에서 전기신호가 입력되면, 그에 따라 압전체가 횡방향(폭방향)으로만 진동하는 형태이다. 실제 상황에서 이렇게 외부 전기신호에 대해 횡방향만의 진동이 우세하게 관찰되려면 압전체의 폭방향 규격이 길이나 두께에 비해 10배 이상일 경우, 외부 전기신호에 비해 폭방향의 진동이 길이/높이 방향의 진동보다 우세하게 관찰된다.
따라서, 종진동을 하는 구조를 갖는 제 1 압전소자(100)에 (-) 전압 또는 (+) 전압이 인가되면 해당 제 1 압전소자(100)의 길이가 길이방향으로 진동되고, 도 3의 (b) 또는 (c)에 도시된 바와 같이 제 1 압전소자(100) 위에 적층된 제 2 압전소자(150)가 폭방향으로 진동되어 전기를 발생시킨다.
도 3와 같이 적층된 구조를 갖되, 폭진동을 하는 구조를 갖는 제 1 압전소자에 (-) 전압 또는 (+) 전압이 인가되면 해당 제 1 압전소자(100)가 폭방향으로 진동되고, 제 1 압전소자의 아래에 적층되어 종진동을 하는 구조를 갖는 제 2 압전소자가 길이방향으로 진동되어 전기를 발생시키는 구조로도 구현 가능하다.
도 4는 횡방향으로 진동하는, 즉 횡진동을 하는 제 1 압전소자(100)와, 그 제 1 압전소자(100) 위에 횡진동을 하는 제 2 압전소자(150)를 도시하고 있다. 이와 같이 제 1 및 제 2 압전소자(100, 150)가 적층된 구조에서는 제 1 및 제 2 압전소자(100, 150) 사이에 절연체(170)가 위치한다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이 제 1 및 제 2 압전소자(100, 150)를 지지하는 지지부재(300)가 설치될 수도 있다. 지지부재(300)는 제 1 및 제 2 압전소자(100, 150)의 제 1 전극(101, 151) 부근에 배치되는 것으로 설명하고 있지만, 반드시 그 위치에 한정되는 것은 아니다.
도 4의 (b) 또는 (c)에 도시된 바와 같이, 횡진동을 하는 구조를 갖는 제 1 압전소자(100)에 (-) 전압 또는 (+) 전압이 인가됨에 따라 해당 제 1 압전소자(100)가 폭방향으로 진동되고, 제 1 압전소자(100) 위에 적층된 제 2 압전소자(150)도 폭방향으로 진동되어 전기를 발생시킨다.
도 5는 종진동을 하는 제 1 압전소자(100)와, 제 1 압전소자(100)의 아래에 배치되고 전단방향으로 진동을 하는 제 2 압전소자(150)를 도시하고 있다.
도 5에 잘 도시된 바와 같이, 제 1 압전소자(100)의 전극면이 아닌 면에 제 2 압전소자(150)의 전극면이 결합되고, 제 1 압전소자(100)의 한면, 구체적으로 제 1 전극(101)이 위치한 면과, 제 2 압전소자(150)의 하부면, 구체적으로 제 1 전극(151)이 위치한 면은 지지부재(300)에 의해 지지된다. 여기서 지지부재(300)는 L자 형상일 수 있으나, 그 형상이 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
지지부재(300)의 수직인 수직면(301)은 제 1 압전소자(100)의 제 1 전극면(101)을 지지하고, 지지부재(300)의 수평인 수평면(302)는 제 2 압전소자(150)의 제 1 전극면(151)을 지지하며, 제 1 압전소자(100)의 아래에 배치된 제 2 압전소자(150)와 수직면(301)은 이격되어 있다. 앞선 실시예들과 달리, 제 1 압전소자(100)의 길이는 제 2 압전소자(150)의 길이보다 긴 길이를 갖는다.
이와 같은 구조를 갖는 제 1 압전소자(100)의 제 1 전극(101)에 비해 높은 (+) 전압이 제 2 전극(102)에 인가되면, 제 1 압전소자(100)의 전극들에 전위차가 생겨, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 제 1 압전소자(100)의 길이가 늘어난다. 길이가 늘어난 제 1 압전소자(100)와 결합된 전단방향으로 진동하는 제 2 압전소자(150)가 변형이 이루어져, 제 2 압전소자(150)의 제 2 전극(152)이 제 1 전극(151)보다 높은 (+) 전압을 발생시킨다. 이와 같이 (+) 전압이 제 1 압전소자(100)의 제 2 전극(102)에 인가되었을때 위쪽이 오른쪽으로 기울어진 형상을 갖도록 변형되며, 이는 도 6의 (b)에 잘 도시되어 있다.
반대로, 제 1 압전소자(100)의 제 1 전극(101)에 비해 낮은 (-) 전압이 제 2 전극(102)에 인가되면, 제 1 압전소자(100)의 전극들에 전위차가 생겨, 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 제 1 압전소자(100)의 길이가 줄어든다. 길이가 줄어든 제 1 압전소자(100)와 결합된 제 2 압전소자(150)가 변형이 이루어지되, 도 5의 (b)와 반대방향으로의 변형이 이루어져, 제 2 압전소자(150)의 제 2 전극(152)이 제 1 전극(151)보다 낮은 (-) 전압을 발생시킨다. 이와 같이 (-) 전압이 제 1 압전소자(100)의 제 2 전극(102)에 인가되었을때 위쪽이 왼쪽으로 기울어진 형상을 갖도록 변형되며, 이는 도 6의 (c)에 잘 도시되어 있다.
따라서, 종진동을 하는 구조를 갖는 제 1 압전소자(100)에 (-) 전압 또는 (+) 전압이 인가되면 해당 제 1 압전소자(100)의 길이가 길이방향으로 진동되고, 제 1 압전소자(100)의 아래에 배치되고 전단방향으로 진동을 하는 제 2 압전소자(150)가 전단방향으로 진동되어 전기를 발생시킨다.
마찬가지로, 도 6와 같이 적층된 구조를 갖되, 전단진동을 하는 구조를 갖는 제 1 압전소자에 (-) 전압 또는 (+) 전압이 인가되면 해당 제 1 압전소자가 전단방향으로 진동되고, 제 1 압전소자의 위에 배치되고 길이방향으로 진동을 하는 제 2 압전소자가 길이방향으로 진동되어 전기를 발생시키는 구조로도 구현 가능하다.
여기서, 전단방향 진동(두께 미끄럼 진동)은 압전체가 길이방향으로 분극된 상태에서, 두께방향으로 외부에서 전기 신호가 입력되면, 그에 따라 압전체의 두께방향 상면 및 하면이 각각 반대방향으로 진동하는 형태이다.
도 7은 횡진동을 하는 제 1 압전소자(100)와, 제 1 압전소자(100)의 아래에 배치되고 전단방향으로 진동을 하는 제 2 압전소자(150)를 도시하고 있다.
도 7에 잘 도시된 바와 같이, 제 1 압전소자(100)의 전극면과 제 2 압전소자(150)의 전극면 사이에는 절연체(170)를 배치한다. 그리고, 제 1 압전소자(100)의 제 1 및 제 2 전극(101, 102)이 위치하지 않은 면과, 제 2 압전소자(150)의 제 1 전극(151)이 위치한 면은 도 6과 같은 지지부재(300)에 의해 지지된다.
지지부재(300)의 수직인 수직면(301)은 제 1 압전소자(100)를 지지하고, 지지부재(300)의 수평인 수평면(302)는 제 2 압전소자(150)를 지지하며, 제 1 압전소자(100)의 아래에 배치된 제 2 압전소자(150)와 수직면(301)은 이격되어 있다. 이때, 제 1 압전소자(100)의 길이는 제 2 압전소자(150)의 길이보다 긴 길이를 갖는다.
이와 같은 구조를 갖는 제 1 압전소자(100)의 제 1 전극(101)에 비해 높은 (+) 전압이 제 2 전극(102)에 인가되면, 제 1 압전소자(100)의 전극들에 전위차가 생겨, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 제 1 압전소자(100)의 길이가 늘어난다. 길이가 늘어난 제 1 압전소자(100)와 결합된 전단방향으로 진동하는 제 2 압전소자(150)가 변형이 이루어져, 제 2 압전소자(150)의 제 2 전극(152)이 제 1 전극(151)보다 높은 (+) 전압을 발생시킨다.
반대로, 제 1 압전소자(100)의 제 1 전극(101)에 비해 낮은 (-) 전압이 제 2 전극(102)에 인가되면, 제 1 압전소자(100)의 전극들에 전위차가 생겨, 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이 제 1 압전소자(100)의 길이가 줄어든다. 길이가 줄어든 제 1 압전소자(100)와 결합된 제 2 압전소자(150)가 변형이 이루어지되, 도 7의 (b)와 반대방향으로의 변형이 이루어져, 제 2 압전소자(150)의 제 2 전극(152)이 제 1 전극(151)보다 낮은 (-) 전압을 발생시킨다.
따라서, 횡진동을 하는 구조를 갖는 제 1 압전소자(100)에 (-) 전압 또는 (+) 전압이 인가되면 해당 제 1 압전소자(100)가 횡방향으로 진동되고, 제 1 압전소자(100)의 아래에 배치되고 전단방향으로 진동을 하는 제 2 압전소자(150)가 전단방향으로 진동되어 전기를 발생시킨다.
마찬가지로, 도 7과 같이 적층된 구조를 갖되, 전단진동을 하는 구조를 갖는 제 1 압전소자에 (-) 전압 또는 (+) 전압이 인가되면 해당 제 1 압전소자이 전단방향으로 진동되고, 제 1 압전소자의 위에 배치되고 횡방향으로 진동을 하는 제 2 압전소자가 횡방향으로 진동되어 전기를 발생시키는 구조로도 구현 가능하다.
도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 압전소자를 이용한 역률 개선 및 발전 장치를 도시하고 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 압전소자를 이용한 역률 개선 및 발전 장치는 제 1 압전소자(100)와, 제 2 압전소자(150)와, 제 1 압전소자(100)와 제 2 압전소자(150)사이에 위치하는 멤브레인 부재(200)와, 그 멤브레인 부재(200)를 지지하는 지지부재(300)를 포함하는 액츄에이터(A)와, 제 1 압전소자에 전원을 공급하는 자동 역률 제어 장치(B)를 포함하여 구성된다.
제 1 및 제 2 압전소자(100, 150)는 횡진동을 하는 구조를 가질 수 있다.
제 1 압전소자(100)는 전력선으로부터 전원을 공급받는다. 보다 구체적으로, 제 1 압전소자(100)는 자동 역률 제어 장치(B)의 제어에 따라 전원단의 전압을 공급받아 횡진동을 한다.
제 1 압전소자(100)의 진동에 따라 지지부재(300)에 고정된 멤브레인 부재(200)는 기계적 변위를 발생시키는 벤딩 운동을 하게 된다. 멤브레인 부재(200)의 벤딩 운동으로 인해 제 2 압전소자(150)는 발전한다. 이때, 멤브레인 부재(200)의 벤딩 운동으로 인해 발생하는 기계적 변위가 냉각팬으로 사용될 수 있다. 나아가, 멤브레인 부재(200)의 끝단에 추(292)가 설치되어, 벤딩운동(휨운동)의 진폭을 더욱 증가시켜 발전량을 증가시킬 수 있다.
도 9는 도 8의 제 1 압전소자(100)에 전력을 공급하기 위한 전력선과 연결된 자동 역률 제어장치를 도시하고 있다.
도 9를 참조하여 자동 역률 제어 장치(B)를 설명하면, 자동 역률 제어 장치(B)는 제 1 압전소자(100)(Cpz-1, Cpz-2, Cpz-3..., Cpz-(n))와, 전원단의 일측 전력선(P, Q)에 설치되어 전력선(P, Q)에 흐르는 전류에 비례하는 출력신호를 제공하는 전류계(CT)와, 전원단의 전압을 이에 비례하는 낮은 전압으로 변환하며, 그 전압을 측정하는 전압계(PT)를 구비하여, 이들 전류계(CT)와 전압계(PT)에 의해 측정된 전류 및 전압을 통해 역률을 자동으로 제어하는 자동 역률 제어기(400)와, 자동 역률 제어기(400)와 전기적으로 연결되어 해당 자동 역률 제어기(400)의 제어에 따라 병렬로 연결된 제 1 압전소자(100)(Cpz-1, Cpz-2, Cpz-3..., Cpz-(n))와의 선택적 연결을 스위칭하기 위한 스위칭부(410)를 포함하여 구성된다.
자동 역률 제어 장치(B)는 도 9에 도시된 단선 결선도에서 보는 바와 같이 전력선의 실제 역률을 계측, 다수의 제 1 압전소자(100)의 제어를 통해 역률개선이 필요로 하는 콘덴서의 용량만큼 병렬로 연결된 다수의 제 1 압전소자(100)에 선택적으로 공급하게 한다. 이에, 전력의 역률을 높일 수 있다.
다시 도 8에서, 제 1 압전소자(100)는 콘덴서로서의 전기적 특성으로 역률을 개선할 수 있고, 제 1 및 제 2 압전소자(100, 150) 사이에 위치하는 멤브레인 부재(200)는 전기적 특성에서 발생하는 역압전효과로 기계적 변위가 생성된다. 역압전 효과라고 하는 것은 외부로부터 전압을 제 1 압전소자(100)에 걸어주면, 제 1 압접소자(100)가 부착된 멤브레인 부재(200)가 기계적 변위를 일으키는 현상(여기서는, 벤딩 운동 또는 웨이브 운동이라 한다)을 말한다. 이러한 벤딩 운동 또는 웨이브 운동으로 인해 멤브레인 부재(200)에 부착된 제 2 압전소자(150)는 발전한다.
콘덴서 용량은 제 1 압전소자(100)의 병렬 연결이 많을 수록 증가되므로, 자동 역률 제어 장치(B)는 역률 개선이 필요한 양만큼 후술하는 스위칭부(410)를 조절하여 전력선(P, Q)에 전기적으로 연결된 제 1 압전소자(100)에만 전력이 공급되도록 제어할 수 있다. 이에, 유동성 부하인 경우, 무효전력을 스위칭부(410)에 의해 스위칭되어 전기적으로 연결된 제 1 압전소자(100)에 공급되도록 하여 전력의 역률을 개선할 수 있다.
스위칭부(410)는 자동 역률 제어기(400)의 출력에 접속되고, 병렬 연결된 제 1 압전소자(100)(Cpz-1, Cpz-2, Cpz-3..., Cpz-(n))에 각각 대응하게 구비되어, 각 제 1 압전소자(100)(Cpz-1, Cpz-2, Cpz-3..., Cpz-(n))로의 전로를 개폐하도록 상태 절환 가능한 스위치들(SW-1, SW-2, SW-3..., SW-(n))로 구성되고, 자동 역률 제어기(400)의 제어신호에 따라 해당 스위치(SW-1, SW-2, SW-3..., SW-(n) 중 적어도 하나의 스위치)가 스위칭되어 해당 제 1 압전소자(100)(Cpz-1, Cpz-2, Cpz-3..., Cpz-(n))로의 전로를 개폐하도록 상태가 전환된다.
또한, 스위칭부(410)는 해당 스위치의 전환상태에 따라서 해당하는 제 1 압전소자(100)(Cpz-1, Cpz-2, Cpz-3..., Cpz-(n))로의 전로를 동시에 개방 또는 투입하도록 전로를 개폐하는 릴레이 또는 전자개폐기와 그 접점으로 구성되는 릴레이부를 포함할 수 있다.
이와 같은 스위칭부(410)와 연결된 자동 역률 제어기(400)는 전압계(PT)와 전류계(CT)로부터의 출력신호를 이용하여 산출된 무효전력과 미리 설정된 콘덴서 용량을 비교하여 목표 역률을 만족시키는 콘덴서 용량을 찾아 동시에 해당 콘덴서로의 전로를 개폐 제어하는 제어신호를 출력한다.
이와 같이 무효전력과 콘덴서 용량을 비교하여 여러개의 제 1 압전소자(100)(Cpz-1, Cpz-2, Cpz-3..., Cpz-(n))를 동시에 제어할 수 있도록 함으로써, 역률을 목표한 범위내에서 유지할 수 있다. 나아가, 여러개의 제 1 압전소자(100)(Cpz-1, Cpz-2, Cpz-3..., Cpz-(n))가 가지고 있는 콘덴서로서의 전기적 특성으로 전력의 역률을 더욱 개선할 수 있다.
이하에서는 자동 역률 제어 장치(B)와 연결된 액츄에이터(A)에 대해 상세하게 설명하기로 한다.
도 10a 및 도 10b는 도 8에 도시된 액츄에이터를 도시한 도면으로, 보다 구체적으로는 도 10a는 도 8에 도시된 액츄에이터를 설명하기 위한 사시도이고, 도 10b는 도 10a에 도시된 액츄에이터를 설명하기 위한 단면도이다.
도 10a를 참조하면, 액츄에이터(A)는 멤브레인 부재(200)와, 멤브레인 부재(200)의 상면과 하면에 각각 부착되는 제 1 및 제 2 압전소자(100, 150)를 포함한다.
도 10a에 도시된 바와 같이, 멤브레인 부재(200)의 상면 및 하면에 제 1 및 제 2 압전소자(100, 150)가 복수개 부착될 수 있다. 이와 같이 멤브레인 부재(200)의 상면 및 하면에 제 2 압전소자(150)가 부착됨에 따라 멤브레인 부재(200)의 벤딩 운동으로 인해 항상 발전할 수 있는 환경을 제공할 수 있다.
그러나, 필요에 따라 멤브레인 부재(200)의 상면 또는 하면에만 제한적으로 제 2 압전소자(150)가 부착되도록 구현할 수도 있다.
또한, 본 실시예에서 멤브레인 부재(200)를 기준으로 상면과 하면에 각각 대응되는 수만큼의 제 1 및 제 2 압전소자(100, 150)가 부착되는 것으로 설명하고 있지만, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 멤브레인 부재(200)의 상면과 하면에 부착되는 제 1 및 제 2 압전소자(100, 150)의 수가 서로 상이할 수도 있다.
멤브레인 부재(200)에 부착되는 제 1 및 제 2 압전소자(100, 150)의 개수는 인클로져 내부 환경(예컨대, 내부 공간의 크기)을 고려하여 정해짐이 바람직하다.
액츄에이터(A)는 지지부재(300)를 기준으로 멤브레인 부재(200) 끝부분에 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이 멤브레인 부재(200) 끝부분에 무게 증가를 위한 추(292)를 포함하여 벤딩운동(휨운동)의 진폭을 더욱 증가시킬 수 있다. 이와 같이, 진폭이 증가되면 발전량도 증가된다.
도 10a 및 도 10b는 추(292)가 멤브레인 부재(200)의 상면과 하면에 각각 설치된 것으로 설명하고 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 추(292)가 멤브레인 부재(200)의 상면 또는 하면에만 설치될 수도 있다. 멤브레인 부재(200)의 끝부분에 무게 증가를 위한 추(292)를 포함하여 벤딩운동(휨운동)의 진폭을 더욱 증가시킬 수 있다.
제 2 압전소자(150)에서 생성된 전압은 전압조절기(500)에 전달된다(도 11 참조). 전압조절기(500)는 사용 목적에 따라 제 2 압전소자(150)에서 생성된 교류전압을 외부에 공급되도록 하거나, 미도시된 정류장치를 통하여 직류로 교환하여 외부에 공급되도록 할 수 있다. 이에, 사용처에서 필요로 하는 전압을 공급할 수 있다.
도 12는 멤브레인 부재(200)의 한쪽 면에 부착된 제 1 압전소자(100)와 동일한 제 2 압전소자(150)를 멤브레인 부재(200)의 다른 한쪽 면에 부착한 바이모프식 액츄에이터 소자의 단면도를 도시하고 있다.
제 1 압전소자(100)와 멤브레인 부재(200)의 전류팽창률이 동일한 경우로 제 1 압전소자(100)가 팽창하더라도 동일한 비율로 멤브레인 부재(200)도 팽창하게 되므로 제 1 압전소자(100)와 멤브레인 부재(200)는 벤딩 운동을 하지 않지만, 제 1 압전소자(100)는 팽창하거나 수축하지만 멤브레인 부재(200)는 팽창하거나 수축하는 비율이 매우 낮아 제 1 압전소자(100)에 접착된 멤브레인 부재(200)의 끝부분이 상하로 벤딩 운동을 하게 된다. 이는 바이메탈의 원리와 유사하다.
멤브레인 부재(200)와 제 1 압전소자(100)는 접착제(201)에 의해 접착되고, 접착제(201)는 통상적으로 압전부저(Piezoelectric Buzzer)에 사용되는 접착제를 사용한다.
공진주파수는 하기 비례식(1)에서 알 수 있듯이, 멤브레인 부재(200)의 두께(t)가 얇을수록, 멤브레인 부재(200)의 길이(L)가 길수록 공진주파수(
)가 낮아진다. 하기 비례식(1)에서, 
는 공진주파수, k는 비례상수, t는 멤브레인 부재(200)의 두께, L은 지지부재(300)로부터 멤브레인 부재(200) 끝단까지의 길이, E는 영률(Young’s Modulus), 
는 멤브레인 부재(200)의 밀도, 
는 포아송비(Poisson’s Ratio)를 의미한다.
제 1 압전소자(100)에 전기적 신호가 입력되는 경우에는 제 1 압전소자(100)가 수축 또는 팽창을 하게 되고, 제 1 압전부재(100)의 수축 또는 팽창 운동에 의해 제 1 압전소자(100)와 멤브레인 부재(200)가 위아래로 벤딩 운동을 하게 된다.
이러한 벤딩 운동으로 인해 발생되는 기계적 변위는 인클로저 내부에서 공기가 유입되어 내부의 더운공기를 유출시키는 냉각팬(Cooling fan) 역할을 한다. 이에, 별도로 냉각팬을 구비하지 않아도 될 뿐만 아니라, 별도의 전력을 사용하지 않고도 무효전력을 유용하게 이용하 수 있다. 특히, 인클로저 내부의 주위 온도를 예컨대 국제표준 IEX 60831-2 및 동일한 국내 표준 규격인 KSC 4801에서의 규정온도로 조절할 수 있다.
| 기호 | 주위 온도(℃) | ||
| 최고온도 | 24시간 평균 | ||
| A | 40 | 30 | 20 |
| B | 45 | 35 | 25 |
| C | 50 | 40 | 30 |
| D | 55 | 45 | 35 |
이는 하기 비례식(2)에서 알 수 있다. 하기 비례식(2)에서 δmax 는 멤브레인 부재(200) 끝단의 최대 진폭, P는 제 1 압전소자(100)의 휨강도, E는 영률(Young’s Modulus), w는 멤브레인 부재(200)의 폭, L은 멤브레인 부재(200)의 길이, t는 멤브레인 부재(200)의 두께를 의미한다.
본 발명에 따른 실시예에서는 도 12에 도시된 바와 같이, 멤브레인 부재(200)의 상면 뿐만 아니라 하면에도 제 2 압전소자(150)를 접착할 수 있는데, 이와 같이 멤브레인 부재(200)의 상, 하면 모두에 제 1 압전소자(100) 및 제 2 압전소자(150)를 부착하는 경우를 바이모프(Bimorph)식이라 한다.
멤브레인 부재(200)는 황동판, 니켈합금판, 백청동, 인청동, 스테인레스강과 같이 도전성 물질이 효율적이다.
제 1 압전소자(100)는 압전체(110)와 외부의 구동회로로부터 인가되는 전기적 신호를 수신하기 위한 제 1 및 제 2 전극(101, 102)을 포함하고, 제 2 압전소자(150)도 압전체(153)와 외부의 구동회로로부터 인가되는 전기적 신호를 수신하기 위한 제 1 및 제 2 전극(151, 152)를 포함하고 있는데, 제 1 및 제 2 압전소자(100, 150)의 전극들(101, 102, 151, 152)은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 납(Pb) 등 혹은 이것들의 합금이 사용될 수 있다
상기 전극들(101, 102, 151, 152)은 외부로부터 전기적 신호가 인가됨으로써 기계적 진동을 발생시키는데, 멤브레인 부재(200)는 반드시 도전성 물질일 필요는 없으나, 멤브레인 부재(200)가 도전성이라면 멤브레인 부재(200)를 전극으로 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서의 압전체(110, 153)는 PZT, PVDF 등의 통상의 압전 물질로 이루어진다.
또한, 멤브레인 부재(200)는 탄성 및 전기 도전성이 높은 소재로서 제 1 압전 소자(100)의 벤딩 운동에 의해 진동할 수 있는 모든 부재가 사용될 수 있으나, 멤브레인 부재(200)를 전극으로 사용하고자 하는 경우에는 동합금판, 니켈합금판, 스테인레스강판, 티타늄판 중 하나 이상으로 이루어진다.
또한, 지지부재(300) 사이에는 고무, 발포폴리우레탄, 에라스토머, 실리콘 등의 탄력부재(360)가 부착될 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 지지부재(300)인 볼트와 너트(351,352)에 제 1 압전소자(100)와 멤브레인 부재(200)가 결합된 형태를 나타낸 것이고, 상기 비례식(1)과 비례식(2)가 그대로 적용된다. 즉, 공진주파수는 멤브레인 부재(200)의 길이 및 두께와 관계된다.
이에, 멤브레인 부재(200)의 길이는 전원주파수(대한민국인 경우, 예컨대 60Hz)가 공진주파수가 되도록 설계함이 바람직하다.
이하에서는 본 발명에 따른 멤브레인 부재(200)의 진동에 대하여 살펴본다.
압전체(110)의 상하면에 도포된 전극에 각각 (+) 전압, (-) 전압을 인가하면 압전체(110)가 수축 또는 팽창을 하게 된다.
만약, 제 1 압전소자(100)가 팽창을 하게 되면 제 1 압전소자(100)에 접착된 멤브레인 부재(200)는 거의 팽창하지 않으나, 압전체(110)의 전류팽창률이 멤브레인 부재(200)의 전류팽창률보다는 훨씬 커 멤브레인 부재(200)의 팽창이 거의 무시되어 바이메탈(Bimetal)과 유사한 원리로 멤브레인 부재(200)의 양 끝단이 아래로 휘는 벤딩 운동(bending motion)을 하게 된다.
이때, 전극에 인가하는 전기 신호를 반대로 인가해주면 반대의 현상이 발생된다. 따라서, 전극에 교류 전기를 인가해주면 반복적으로 교번하면서 제 1 압전소자(100)와 멤브레인 부재(200)가 상하로 벤딩 운동을 하게 된다. 이에, 멤브레인 부재(200)의 한쪽을 도 13처럼 외팔보 형태의 휨운동을 하게 되면 그 반대쪽에 휨운동으로 인한 진폭은 훨씬 증가한다
본 발명에 따른 실시예에서는 도 14a에 도시된 바와 같이, 제 1 압전소자(100) 및 제 2 압전소자(150)가 지지부재(300)와 밀착형성되고, 지지부재(300)에 의해 제 1 압전소자(100) 및 제 2 압전소자(150) 사이에 있는 멤브레인 부재(200)를 지지하도록 구성될 수 있고, 도 14b에 도시된 바와 같이 제 1 압전소자(100) 및 제 2 압전소자(150)가 지지부재(300)와 소정의 간격만큼 이격 설치되고, 지지부재(300)에 의해 제 1 압전소자(100)와 제 2 압전소조(150) 사이에 있는 멤브레인 부재(200)를 지지하도록 구성될 수 있다.
볼트와 너트(351, 352)는 지지부재(300)의 일예이다.
나아가, 멤브레인 부재(200) 끝부분에 부착된 추(292)를 포함하여 구성될 수 있다. 추(292)는 무게 증가를 위한 것으로서, 휨 운동의 진폭을 더욱 증가시킬 수 있다.
이에 따라, 멤브레인 부재(200)의 진폭을 크게 하여 냉각팬으로의 역할을 증대시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 제 1 압전소자 101, 102 : 제 1 및 제 2 전극
150 : 제 2 압전소자 151, 152 : 제 1 및 제 2 전극
170 : 절연체 200 : 멤브레인 부재
292 : 추 300 : 지지부재
400 : 자동 역률 제어기 410 : 스위칭부
A : 액츄에이터 B : 자동 역률 제어 장치
150 : 제 2 압전소자 151, 152 : 제 1 및 제 2 전극
170 : 절연체 200 : 멤브레인 부재
292 : 추 300 : 지지부재
400 : 자동 역률 제어기 410 : 스위칭부
A : 액츄에이터 B : 자동 역률 제어 장치
Claims (8)
- 제 1 및 제 2 전극을 구비하며, 전력선으로부터 전압을 인가하면 진동을 하는 제 1 압전소자;
제 1 및 제 2 전극을 구비하며, 상기 제 1 압전소자의 진동에 따라 발전하는 제 2 압전소자; 및
상기 제 1 압전소자에 전원을 공급하는 자동 역률 제어 장치를 포함하고,
상기 제 1 압전소자는 외부 진동이 아닌 외부 전기신호에 의하여 진동을 하고, 상기 진동으로 인해 상기 제2 압전소자는 발전을 하고,
상기 제 1 압전소자는 횡진동, 종진동, 또는 전단진동을 하는 구조를 갖고, 상기 제 2 압전소자는 상기 제 1 압전소자의 진동에 따라 횡진동, 종진동, 또는 전단진동을 하는 구조를 갖고 전기를 발생하고,
상기 제 1 압전소자는 상기 전력선의 역률 보상용 콘덴서의 재료로서 사용되고,
상기 제 1 압전소자는 복수개이고, 상기 전력선에 병렬로 연결되며,
상기 자동 역률 제어 장치는 부하가 필요로 하는 양만큼 상기 병렬로 연결된 제 1 압전소자를 선택적으로 제어하는, 장치, - 제1항에 있어서,
상기 제 1 압전소자와 상기 제 2 압전소자 사이에 배치되는 절연체를 더 포함하는, 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제 1 압전 소자 및 상기 제 2 압전소자 사이에 위치하는 멤브레인 부재; 및
상기 멤브레인 부재를 지지하는 지지부재를 더 포함하고,
상기 멤브레인 부재는 상기 지지부재에 고정되어 발생하는 벤딩 운동으로 기계적 변위를 발생시키고,
상기 벤딩 운동으로 인해 상기 제 2 압전소자는 진동되어 발전하는, 장치 - 제4항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 압전소자는 복수개이며,
상기 멤브레인 부재의 상면, 하면, 또는 이들의 조합에 상기 제 1 압전소자와 상기 제 2 압전소자가 배치되고, 상기 멤브레인 부재의 상면 및 하면 각각에 적어도 하나의 상기 제 2 압전소자가 배치되도록 하는, 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 자동 역률 제어 장치는
전류계와 전압계에 의해 측정된 전류 및 전압을 통해 역률을 자동으로 제어하는 자동 역률 제어기와, 상기 자동 역률 제어기와 전기적으로 연결되어 상기 자동 역률 제어기의 제어에 따라 상기 제 1 압전소자와의 연결을 스위칭하기 위한 스위칭부를 포함하는, 장치. - 제4항에 있어서,
상기 멤브레인 부재 끝부분에 부착된 추를 더 포함하는, 장치.
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| WO2021125769A1 (ko) * | 2019-12-17 | 2021-06-24 | 백승현 | 압전소자를 이용한 역률 개선 및 발전 장치 |
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