KR20050056369A - 축전기를 이용한 발전 시스템 - Google Patents

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Abstract

본 발명은 축전기를 이용한 발전 시스템에 관한 것으로, 각종 전원전압을 입력하기 위한 전원 입력부와, 축전기의 전극판 사이의 간격을 조절하기 위한 전극판 간격 조절부와, 상기 전극판 간격 조절부에 의해 전극판 사이의 간격이 조절되어 정전용량이 변화하는 축전기와, 상기 축전기의 정전용량 변화 비율 만큼 증가된 전기 에너지를 출력하는 출력부로 구성되는 것을 특징으로 하며, 축전기의 정전용량이 전극판 사이의 간격에 반비례하는 특성에 따라 상기 전극판 사이의 간격을 조절하여 정전용량을 변화시켜 줌으로써 축전기의 입력 전기적 에너지에 대해 정전용량의 변화 비율 만큼 증가된 전기적 에너지를 생성 및 출력할 수 있게 되는 효과가 있다.

Description

축전기를 이용한 발전 시스템{GENERATOR USING CAPACITOR}
본 발명은 축전기를 이용한 발전 시스템에 관한 것으로, 특히 축전기(Capacitor) 전극판 사이의 간격을 조절하여 정전용량의 변화에 따른 전기적 에너지를 생성시킬 수 있도록 한 축전기를 이용한 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전기는 전자기 유도라는 물리적 현상을 이용하고 있는데, 전자기 유도 작용으로 기전력을 발생시키는 점에서는 기계의 대, 소, 직류, 교류 발전기 등 모두 공통된 원리에 기초를 두고 있다.
이러한 발전기는 자기장을 만들기 위한 강력한 자석과 기전력을 발생시키는 도체를 필요로 하며, 작은 발전기의 경우 영구자석에 의해 발생된 자기장 안에서 코일이 회전됨에 따라 기전력이 유도되게 되고, 발전소에서 사용되는 큰 발전기의 경우 상기 코일을 회전시키는 동력을 어떻게 얻느냐에 따라, 수력, 화력, 원자력 발전으로 발전방식이 구분된다.
상기와 같이 전자기 유도 작용으로 기전력을 발생시키는 발전기의 경우 코일을 회전시키기 위한 별도의 동력 구동 장치 등 추가적인 제반 요소를 필요로 하게 된다.
한편, 정전용량을 얻기 위한 축전기는 보통 2장의 서로 절연된 금속 또는 전기 전도도가 큰 도체를 전극판으로 하고, 그 사이에 유전체를 넣어 이 사이에서 생긴 정전용량을 이용하며, 정전용량(C)은 아래 수식과 같다.
여기서, C : 정전용량, ε: 유전율, s : 전극판의 단면적, d : 전극판 사이의 간격이다.
상기 전극판의 단면적(s)과 절연된 전극판 사이 유전체의 유전율(ε)이 일정할 때, 축전기의 정전용량(C)은 전극판 사이의 간격(d)에 반비례함을 알 수 있다.
그리고, 정전용량(C)을 가진 축전기에 전압(V)을 가하면 아래 수식과 같이 전하(Q)가 축적되고, 전기 에너지(E)도 구할 수 있다.
여기서, Q : 전기량, C : 정전용량, V : 전압, E : 전기 에너지이다.
최근, 상기와 같은 발전기를 이용하여 전기적 에너지를 생성시킴에도 불구하고, 경제적 및 환경적 측면에서 보다 더 발전의 효율을 높일 수 있는 새로운 발전 시스템이 요구됨에 따라 많은 연구들이 진행되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 새로운 발전 시스템의 요구에 따라 안출된 것으로서, 그 목적은 축전기의 정전용량이 전극판 사이의 간격에 반비례하는 특성에 따라 상기 전극판 사이의 간격을 조절하여 정전용량을 변화시켜 줌으로써 축전기의 입력 전기적 에너지에 대해 정전용량의 변화 비율 만큼 증가된 전기적 에너지를 생성 및 출력할 수 있도록 한 축전기를 이용한 발전 시스템을 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 축전기를 이용한 발전 시스템은, 각종 전원전압을 입력하기 위한 전원 입력부와, 축전기의 전극판 사이의 간격을 조절하기 위한 전극판 간격 조절부와, 상기 전극판 간격 조절부에 의해 전극판 사이의 간격이 조절되어 정전용량이 변화하는 축전기와, 상기 축전기의 정전용량 변화 비율 만큼 증가된 전기 에너지를 출력하는 출력부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 축전기를 이용한 발전 시스템의 구성 및 동작을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 축전기를 이용한 발전 시스템의 블록 구성도로서, 각종 전원전압을 입력하기 위한 전원 입력부(10)와, 후술될 축전기(30)의 전극판 사이의 간격을 조절하기 위한 전극판 간격 조절부(20)와, 이 전극판 간격 조절부(20)에 의해 전극판 사이의 간격이 조절되어 정전용량이 변화하는 축전기(30)와, 이 축전기(30)의 정전용량 변화 비율 만큼 증가된 전기 에너지를 출력하는 출력부(40)로 구성된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 축전기를 이용한 발전 시스템의 회로 구성도로서, 입력전압(VB)을 공급하기 위한 배터리(BAT)와, 제1, 제2 스프링(SP1,SP2)을 포함 구성하여 회전운동을 상하운동으로 전환하기 위한 캠(CAM)(11)과, 이 캠(11)의 운동에 따라 상하로 움직이는 활차(12)와, 캠(11)의 회전운동에 따른 활차(12)의 상하운동으로 상판(PU : Upper Plate)과 밑판(PD : unDer Plate) 사이의 간격이 조절되어 정전용량이 변화하는 가변 축전기(CM)와, 배터리(BAT)의 (+)단자에 애노드단자가 연결되고 가변 축전기(CM)의 일단에 캐소드단자가 연결되어 가변 축전기(CM)에서 발생되는 전류가 역방향으로 흐르는 것을 방지하기 위한 제1다이오드(Diode)(D1)와, 가변 축전기(CM)의 일단에 애노드단자가 연결되어 가변 축전기(CM)에서 발생되는 전류를 순방향으로 출력시키기 위한 제2다이오드(D2)와, 이 제2다이오드(D2)를 통해 출력되는 전압에 따라 구동하는 부하(Load)(13)로 구성된다.
여기서, 상기 배터리(BAT) 및 제1다이오드(D1)는 도 1에 도시된 전원 입력부(10)에 해당되고, 이때 배터리(BAT) 이외에도 전기적 에너지를 발생하는 태양전지, 타 발전기 등, 다른 전원공급장치를 사용할 수 있다.
상기 제1,제2 스프링(SP1,SP2), 캠(11) 및 활차(12)는 도 1에 도시된 전극판 간격 조절부(20)에 해당되며, 제2다이오드(D2) 및 부하(13)는 도 1에 도시된 출력부(40)에 해당된다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 축전기를 이용한 발전 시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 전원 입력부(10)의 전원전압, 즉 배터리(BAT)의 입력전압(VB)이 제1다이오드(D1)를 통해 가변 축전기(CM)에 가해진 상태에서 전극판 간격 조절부(20)내 캠(11)을 회전시킨다.
그러면, 상기 제1, 제2 스프링(SP1,SP2)을 포함한 캠(11)의 회전운동이 상하운동으로 전환됨에 따라 활차(12)가 위로 움직이게 되고, 이러한 활차(12)의 움직임에 따라 가변 축전기(CM)의 밑판(PD)은 최상위 위치에 도달하게 된다.
이때, 가변 축전기(CM)의 정전용량은 최대(CMH)가 되고, 충전된 전기량(Q) 및 입력된 전기 에너지(E)는 아래 수식과 같다.
여기서, GCM : 가변 축전기(CM) 상판(PU)과 밑판(PD) 사이의 간격, CMH : GCM이 최소일 때 나타나는 가변 축전기(CM)의 정전용량 최대값, VB : 입력전압, VC : 가변 축전기(CM)의 양단전압, VCL : 가변 축전기(CM) 양단의 최소전압이다.
상기와 같은 수식들은 축전기에 있어서, 정전용량, 전기량, 전기 에너지 관계식을 통해 성립된다.
상기와 같은 상태에서 캠(11)을 회전시키면, 상기 제1, 제2 스프링(SP1,SP2)을 포함한 캠(11)의 회전운동이 상하운동으로 전환됨에 따라 활차(12)가 아래로 움직이게 되고, 이러한 활차(12)의 움직임에 따라 가변 축전기(CM)의 밑판(PD)은 최하위 위치에 도달하게 된다.
이때, 전기량(Q)의 변화가 없으므로 아래와 같은 수식이 성립된다.
여기서, GCM : 가변 축전기(CM) 상판(PU)과 밑판(PD) 사이의 간격, CMH : GCM이 최소일 때 나타나는 가변 축전기(CM)의 정전용량 최대값, CML : GCM이 최대일 때 나타나는 가변 축전기(CM)의 정전용량 최소값, VB : 입력전압, VC : 가변 축전기(CM)의 양단전압, VCH : 가변 축전기(CM) 양단의 최대전압, K : 정전용량의 변화 비율이다.
상기 수학식 4를 통해 가변 축전기(CM)의 양단전압이 가변 축전기(CM)의 정전용량 변화에 반비례하는 것을 알 수 있다. 즉 정전용량이 감소하면 가변 축전기(CM)의 양단전압이 상승하고, 정전용량이 증가하면 가변 축전기(CM)의 양단전압이 하강하는 것을 확인할 수 있으며, 이때의 출력되는 전기 에너지(EH)는 아래 수식과 같다.
여기서, 전기 에너지의 증가비율을 구해 보면, 아래 수식과 같다.
상기 수학식 6에서 볼 수 있듯이 전기 에너지의 증가비율은 가변 축전기(CM)의 정전용량 변화 비율과 동일함을 알 수 있다.
그러므로, 상기 가변 축전기(CM)를 통해 생성되는 전기 에너지 역시 가변 축전기(CM)의 정전용량 변화에 반비례하는 것을 알 수 있으며, 즉 정전용량이 감소하면 정전용량의 감소 비율 만큼 출력 에너지가 증가하고, 정전용량이 증가하면 정전용량의 증가 비율 만큼 출력 에너지가 감소함을 알 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 가변 축전기(CM)를 이용한 발전 시스템에서는, 가변 축전기(CM)의 정전용량이 가변 축전기(CM)의 상판(PU)과 밑판(PD) 사이의 간격에 반비례하여 전극판 간격이 최소인 경우 정전용량이 최대가 되고, 전극판 간격이 최대인 경우 정전용량이 최소가 된다.
따라서, 전극판 간격의 증가로 가변 축전기(CM)의 정전용량이 감소하면 정전용량의 감소 비율 만큼 가변 축전기(CM)의 양단 전압이 상승함은 물론 가변 축전기(CM)를 통해 생성되는 전기 에너지 역시 정전용량의 감소 비율 만큼 증가되어 생성되게 된다.
상기와 같이 본 발명에서는 축전기의 전극판 사이의 간격을 조절하여 입력된 전기적 에너지에 대해 축전기의 정전용량 변화 비율만큼 증가된 전기적 에너지를 효과적으로 생성 및 출력시킬 수 있게 되는 것이다.
이상, 상기에서 설명한 바와 같이 본 발명의 축전기를 이용한 발전 시스템은, 축전기의 정전용량이 전극판 사이의 간격에 반비례하는 특성에 따라 상기 전극판 사이의 간격을 조절하여 정전용량을 변화시켜 줌으로써 축전기의 입력 에너지에 대해 정전용량의 변화 비율 만큼 증가된 전기적 에너지를 생성 및 출력할 수 있게 되는 효과가 있다.
즉, 전자기 유도 현상을 이용한 구조 설계없이 축전기 전극판 사이의 간격을 조절해 주는 조절 수단만을 이용하여 발전 시스템을 설계함에 따라 그 전체적인 구조가 간단하고 비용면에 있어서도 경제적인 효과가 있는 등, 종래 다른 발전기에 비해 보다 더 효율적인 발전 작용을 통해 기타 다른 발전기와의 대체 가능성을 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 축전기를 이용한 발전 시스템의 블록 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 축전기를 이용한 발전 시스템의 회로 구성도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 전원 입력부 20 : 전극판 간격 조절부
30 : 축전기 40 : 출력부
11 : 캠 12 : 활차
13 : 부하 BAT : 배터리
CM : 가변 축전기 D1, D2 : 제1, 제2다이오드
PU : 가변 축전기의 상판 PD : 가변 축전기의 밑판
SP1, SP2 : 제1, 제2 스프링

Claims (5)

  1. 각종 전원전압을 입력하기 위한 전원 입력부와,
    축전기의 전극판 사이의 간격을 조절하기 위한 전극판 간격 조절부와,
    상기 전극판 간격 조절부에 의해 전극판 사이의 간격이 조절되어 정전용량이 변화하는 축전기와,
    상기 축전기의 정전용량 변화 비율 만큼 증가된 전기 에너지를 출력하는 출력부로 구성되는 것을 특징으로 하는 축전기를 이용한 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전원 입력부가,
    입력전압을 공급하기 위한 배터리와,
    상기 축전기에서 발생되는 전류가 역방향으로 흐르는 것을 방지하기 위한 다이오드로 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 축전기를 이용한 발전 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전원 입력부에서 입력전압을 공급하기 위한 수단으로 태양전지를 사용하는 것을 특징으로 하는 축전기를 이용한 발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극판 간격 조절부가,
    스프링을 포함 구성하여 회전운동을 상하운동으로 전환하기 위한 캠과,
    상기 캠의 운동에 따라 상하로 움직이는 활차로 구성되는 것을 특징으로 하는 축전기를 이용한 발전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 출력부가,
    상기 축전기의 일단에 애노드단자가 연결되어 축전기에서 발생되는 전류를 순방향으로 출력시키기 위한 다이오드와,
    상기 다이오드를 통해 출력되는 전압에 따라 구동하는 부하로 구성되는 것을 특징으로 하는 축전기를 이용한 발전 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180062652A (ko) * 2016-12-01 2018-06-11 성균관대학교산학협력단 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자
KR101881666B1 (ko) * 2016-12-01 2018-07-24 성균관대학교산학협력단 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자

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