KR20160072930A

KR20160072930A - 테슬러 코일을 이용한 미세먼지 차단 시스템

Info

Publication number: KR20160072930A
Application number: KR1020140180638A
Authority: KR
Inventors: 장홍영; 배인식
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2016-06-24
Also published as: KR101675491B1

Abstract

본 개시는, 풍력발전기에 테슬러 코일 원리를 이용한 미세먼지 차단시스템에 관한 것으로서, 타워, 타워의 상부에 설치된 나셀 및 날개를 포함하는 풍력발전기; 메인전원, 제1 캐패시터, 상기 타워의 하부에 설치된 1차 코일 및 스파크 갭을 포함한 1차LC회로; 및 상기 1차 코일과 자기적으로 결합하며, 타워의 상부까지 타워를 권취하도록 설치된 2차 코일, 상기 2차 코일로부터 소정 간격 이격되어 그 상부에 설치된 제2 캐패시터를 포함하는 2차LC회로로 이루어진 미세먼지 차단시스템을 제공한다.

Description

테슬러 코일을 이용한 미세먼지 차단 시스템{Ultra-fine Particulate Matter Barrier System using Tesla Coil}

본 개시는 테슬러 코일을 이용한 미세먼지 차단 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

미세먼지는 지름 2.5 μm 이하의 초미세먼지, 지름 10 μm 이하의 미세먼지 및 지름 50 ~ 70 μm의 머리카락 정도 굵기의 먼지로 나눌 수 있다. 미세먼지의 성분은 황사, 자동차 가스, 산업단지 배출가스 등 발생 원인에 따라 다르다. 그러나 대부분 Ti, V, Ni, Cu와 같은 전이금속인 중금속류와 다환방향족 탄화수소류를 포함하고 있어 기관지염, 후두염, 피부염 등 피부 질환의 원인이 되며, 안구 염증을 가져오고 태아의 성장을 저하시키는 등 인체에 매우 해롭다. 미세먼지에 대처하기 위해서는 마스크를 착용하거나, 세안을 자주 하거나 물 또는 녹차를 자주 마셔 인체에 수분 공급을 늘리는 것이 좋다.

수도권의 연간 10 μm 이하의 미세먼지 배출량은 6만톤에 달하며, 이 중 초미세먼지는 2만톤이며, 초미세먼지의 하루 배출량은 약 27톤이다. 수도권의 초미세먼지 질량농도는 시기에 따라 다르나 황사가 심한 봄철은 30~50 μg/m³, 심지어 50 μg/m³을 초과하는 경우도 있다.평균적으로 하루 동안 수도권에 있는 초미세먼지는 2.6×10¹⁸개 정도이다.

미세먼지를 제거하는 장치로는, 필터 또는 공기의 흐름을 이용한 기계장치부터 정전기를 이용하여 부유 먼지를 흡착하는 전기장치까지 다양하다. 반도체 공정 분야등 특수 분야로는, 반도체 유동성 미세먼지 제거를 위한 기계 표준 인터페이스나 전기 방사법으로 제조한 폴리우레탄에 있는 미세먼지를 제거하는 것에 이르기까지 다양하다.

이러한 종래기술과 대비할 때, 본 개시는 미세먼지를 차단하기 위한 시스템이 채용하는 전기 장치로 테슬러 코일의 원리를 적용한다.

테슬러 코일의 작동 원리를 도 1을 참조로 간단히 설명한다.

테슬러 코일 장치는 전원(100), 고전압 변환기(102), 제1 캐패시터(C₁₀), 1차 코일(L₁₀), 스파크 갭(104), 2차 코일(L₂₀) 및 제2 캐패시터(C₂₀)로 이루어진다. 전원을 공급한 초기에는 스파크 갭(104)에 의해 도 1a의 점선으로 표시한 회로가 형성되어 제1 캐패시터(C₁₀)에 충전이 시작되고 시간이 흐름에 따라 제1 캐패시터(C₁₀)의 유전체에 전하가 축적된다. 제1 캐패시터(C₁₀)가 충분히 충전되면, 스파크 갭(104)의 저항을 이긴 스파크가 발생하여 전하의 흐름을 만들고, 도 1(b)에 점선으로 표시한 것과 같은 제1 LC회로를 형성한다. 제1 캐패시터(C₁₀)는 1차 코일(L₁₀)에 댐핑된 고진동 주파수의 형태로 에너지를 전달한다. 캐패시터(C₁₀)의 전압과 1차 코일(L₁₀)의 전류 간에 교대하여 에너지 충방전 과정이 반복된다.

2차 코일(L₂₀)은 1차 코일(L₁₀)과 자기적으로 결합되어 있으므로, 1차 코일(L₁₀)에 흐르는 고진폭 진동 전류는 2차 코일(L₂₀)에 유사한 진동 전류를 유도한다. 2차 코일(L₂₀)은 자체 기생 캐패시턴스(C_s)를 가짐과 동시에 그 상부에 제2 캐패시터(C₂₀)를 구비하므로, 2차 코일(L₂₀) 및 제2 캐패시터(C₂₀)를 포함하는 제2 LC회로가 형성된다. 제2 캐패시터(C₂₀)는 보통 토로이드(toroid) 또는 토러스(torus)형으로 2차 코일(L₂₀)의 상부에 위치하며, 접지점과의 사이에 정전 용량을 형성한다. 2차 LC회로의 공진 주파수는 2차 코일(L₂₀)의 인덕턴스와 제2 캐패시터(C₂₀)의 정전 용량값에 의하여 결정되며, 1차 LC회로의 공진 주파수가 2차 LC회로의 공진주파수와 같도록 1차 LC회로의 인덕턴스와 정전 용량이 결정된다. 그러면, 2차 LC회로는 1차 LC회로의 진동 자기장에 의하여 여기되어 1차 LC회로의 에너지가 2차 LC회로로 전달된다.

2차 LC회로에 충전된 에너지는 점점 상승하여 제2 캐패시터(C₂₀)를 통하여 외부로 방출된다. 에너지의 소진에 따라 1차 LC회로를 형성한 스파크 갭(104)의 스파크가 사라지고 다시 회로가 오픈되어 처음의 과정으로 돌아간다. 상술한 사이클은 보통 1초에 수 백 번 반복되며, 토로이드에서 방출되는 에너지는 코로나 또는 아크 방전과 같은 형태를 띤다. 토로이드의 전압은 스파크 갭(104) 사이의 전압의 10~30배이다.

일례로, 15 KV의 전원, 30 mA의 전류, 9 nF의 용량을 가지는 캐패시터 및 약 0.6 cm직경의 동튜브를 0.6 cm 간격으로 배열하여 제작한 1차LC회로와, 마그넷 와이어를 사용하여 높이:폭 비율이 4:1이 되도록 권선한 2차 코일과, 40cm 직경의 토로이드로 이루어진 2차LC회로로 테슬러 코일 장치를 이용하여 실험하는 경우, 약 70cm의 아크가 형성된다.

토로이드가 고전압에 도달하기 전에 주위 공기의 절연이 파괴(break down)되는 것을 막기 위하여 토로이드의 직경은 큰 것이 바람직하다.

본 개시는 테슬러 코일의 원리를 이용한 전기적 방법으로 미세먼지를 차단하는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 개시는 풍력발전기를 이용한 테슬러 코일 장치를 통하여 미세먼지를 차단하는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 개시는 풍력발전기를 이용한 테슬러 코일 장치를 통하여 미세먼지를 대전시켜 대기의 전기장에 의하여 미세먼지를 상승시켜 미세먼지를 차단하는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이상의 목적을 달성하기 위하여 본 개시는, 제1 메인전원, 제1 캐패시터, 1차 코일 및 스파크 갭을 포함하는 1차 LC회로와, 상기 1차 코일과 자기적으로 결합하는 2차 코일 및 제2 캐패시터를 포함하는 2차 LC회로를 포함하는 제1 테슬러 코일장치; 및 상기 제1 메인전원과 반대의 극성을 가지는 제2 메인전원, 제1 캐패시터, 1차 코일 및 스파크 갭을 포함한 1차 LC회로와, 상기 1차 코일과 자기적으로 결합한 2차 코일 및 제2 캐패시터를 포함하는 2차 LC회로를 포함하는 제2 테슬러 코일장치를 포함하되, 상기 제1 테슬러 코일장치의 상기 제2 캐패시터의 전위는 상기 제2 테슬러 코일장치의 상기 제2 캐패시터보다 전위가 높아 상기 제1 테슬러 코일장치의 상기 제2 캐패시터와 상기 제2 테슬러 코일장치의 상기 제2 캐패시터 사이에 플라즈마 영역이 형성되고, 상기 플라즈마에 의하여 미세먼지가 음전하로 대전되도록 하는 미세먼지 차단시스템을 제공한다.

또한 본 개시는, 각각의 테슬러 코일장치가, 메인전원, 제1 캐패시터, 1차 코일 및 스파크 갭을 포함하는 1차 LC회로와, 상기 1차 코일과 자기적으로 결합하는 2차 코일 및 제2 캐패시터를 포함하는 2차 LC회로를 포함하여 이루어지는 각각의 테슬러 코일장치를 복수 포함하며, 각각의 테슬러 코일장치의 상기 메인전원은 극성이 반대가 되도록 차례대로 교대로 설치하여 각각의 테슬러 코일장치의 고전위의 제2 캐패시터와 인접한 저전위의 제2 캐패시터 사이에 플라즈마 영역이 형성되고, 상기 플라즈마에 의하여 미세먼지가 음전하로 대전되도록 하는 미세먼지 차단시스템을 제공한다.

또한, 본 개시는 타워; 타워의 상부에 설치된 나셀 및 날개를 포함하는 풍력발전기; 메인전원, 제1 캐패시터, 상기 타워의 하부에 설치된 1차 코일 및 스파크 갭을 포함한 1차 LC회로; 및 상기 1차 코일과 자기적으로 결합하며, 상기 타워의 상부까지 상기 타워를 권취하도록 설치된 2차 코일, 상기 2차 코일로부터 소정 간격 이격되어 상기 2차 코일의 상부에 설치된 제2 캐패시터를 포함하는 2차 LC회로로 이루어진 풍력발전기에 테슬러 코일을 이용한 미세먼지 차단시스템을 제공한다.

또한, 본 개시는 타워, 상기 타워의 상부에 설치된 나셀 및 날개를 포함하는 각각의 풍력발전기가 상호 이격되어 배열된 복수의 풍력발전기; 및 메인전원, 제1 캐패시터, 각각의 타워의 하부에 설치된 1차 코일, 스파크갭을 포함한 1차 LC회로와, 상기 1차 코일과 자기적으로 결합하며 상기 타워의 상부까지 상기 타워에 권취되도록 설치된 2차 코일, 상기 2차 코일로부터 소정 간격 이격되어 상기 2차 코일의 상부에 설치된 제2 캐패시터를 포함한 2차 LC회로를 포함하는 각각의 테슬러 코일장치를 복수 포함하며, 상기 각각의 풍력발전기에 상기 각각의 테슬러 코일장치가 설치되되, 상기 메인전원은 극성이 반대가 되도록 차례대로 교대로 설치하여 각각의 테슬러 코일장치의 고전위 캐패시터와 주위의 저전위 캐패시터 사이에 플라즈마 영역이 형성되도록 하는 풍력발전기에 테슬러 코일을 이용한 미세먼지 차단시스템을 제공한다.

또한, 본 개시는 풍력발전기에 테슬러 코일을 이용한 미세먼지 차단시스템을 이용한 미세먼지 차단 방법을 제공한다.

본 개시에 의하면 테슬러 코일을 이용한 플라즈마(번개) 영역의 형성으로 미세먼지를 상승시켜 미세먼지를 차단하는 미세먼지 차단시스템을 제공한다.

도 1은 테슬러 코일의 작동 원리를 도시한 회로도로서, 도 1(a)는 스파크 갭이 오픈된 상태, 도 1(b)는 스파크 갭에서 방전이 일어나는 상태를 도시한다
도 2(a) 및 도 2(b)는 음전하로 대전된 미세먼지의 움직임을 보이는 도면이다.
도 3은 테슬러 코일의 원리를 적용한 본 개시의 미세먼지 차단시스템의 회로도이다.
도 4는 도 3의 테슬러 코일 장치를 복수개 일렬로 배열한 구성도이다.
도 5는 도 4의 시스템을 이용하여, 미세먼지를 음전하로 대전시켜 상승시키는 원리를 보인 도면이다.
도 6은 본 개시의 테슬러 코일을 풍력 발전기에 적용한 구성도로서 도 6(a)는 공급부를 풍력발전기의 옆에 배치한 도면, 도 6(b)는 공급부를 타워와 동축으로 배치한 도면이다.
도 7은 도 6의 본 개시의 테슬러 코일을 구비한 복수의 풍력발전기의 구성도이다.

이하, 본 발명의 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, 제1, 제2, A, B, (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. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

본 개시는 미세먼지를 플라즈마를 이용하여 음전하로 대전시켜 대기 중으로 상승시킴으로써 미세먼지를 차단하는 발명의 실시예를 개시한다. 본 개시에서의 “미세먼지”는 여러 그리고 광범위한 의미에도 불구하고 주로 초미세먼지를 대상으로 하나, 직경 10μm 이하의 모든 미립자 먼지를 포함한다.

본 개시에서의 “번개”는 고전위와 저전위 사이의 방전을 포함하는 용어이다. 본 개시에서의 “플라즈마” 상태는 상기 번개에 의하여 고온 상태의 기체가 전자와 원자핵으로 분리된 또는 분리 가능한 상태를 말한다. 플라즈마 영역과 번개가 발생하는 영역은 완전히 일치하지는 않으나, 번개가 형성되는 경로를 중심으로 그 부근의 기체도 플라즈마 상태인 것이 일반적이다.

전기적으로 중성의 미세먼지 입자는 중력에 의하여 지상으로 낙하하려는 힘을 받는다. 그런데, 이 먼지 입자가 플라즈마와 만나면, (+)와 (-)의 공기 이온과 충돌한다. 전자가 (+)이온에 비해 가벼우므로 미세먼지와 더 많이 부딪혀 결과적으로 미세먼지는 음전하로 대전된다. “Physics of Plasmas 7(2000) 4418”에 개시된 “Sheath modification in the presence of dust particles” 제하의 C.Arnas등의 논문에서는, 플라즈마에 놓인 먼지 입자는 전자와 이온의 포획, 양전자 방사 및 2차 전자 방사 등의 결과로 음전하로 대전됨을 설명하고 있다. 먼지 입자에 가해지는 음전하의 정전기력은 많은 경우 중력과 평형을 미세입자를 공기중에 부유하도록 만든다.

도 2a 및 도 2b는 음전하로 대전된 미세먼지의 움직임을 보이는 동영상의 화면을 캡춰한 도면이다. 도 2a에서 보이는 미세먼지의 굽이부는 도 2b에서와 같이 위로 이동하여 옆으로 전개된다. 도 2a및 도2b의 운동이 반복되면서 미세먼지는 물결처럼 흔들리며 부유한다.

그런데, 대기 중에는 전기장이 존재하고, 대기는 대체로 양전기를 가진다. 대기중의 전기장에는 대략 1m 당 100V의 전위차가 존재한다. 따라서, 음전하로 대전되어 중력과 밸런스를 이룬 미세먼지는 대기에서의 전기장으로 인하여 위로 올라가는 상승력을 받게 된다. 상승한 미세먼지, 특히 초미세먼지의 입자는 구름의 응결핵 내지 빙정핵의 직경 범위에 속한다. 예컨데, 맑은 날 해양의 대류운의 응결핵 지름은 1 ~ 20 μm, 대륙의 대류운의 응결핵 지름은 1 ~ 10 μm이다. 따라서, 음전하로 대전되어 상승한 미세먼지 입자가 응결핵으로 작용하면, 가령 인공 강우와 같은 친환경 효과를 기대할 수 있다.

본 개시는 미세먼지를 플라즈마에 노출시키는 방법의 일례로서 테슬러 코일을 사용한 방법을 개시한다. 테슬러 코일에서 발생하는 번개는 플라즈마를 형성한다.

도 3은 테슬러 코일의 원리를 적용한 본 개시의 미세먼지 차단시스템의 회로도이다.

미세먼지 차단시스템(1)은 둘 이상의 테슬러 코일 장치(Ts₁, Ts₂)로 이루어진다.

제1 테슬러 코일 장치(Ts₁)는 교류인 메인 전원(M₁)이 고전압 변환기와 스파크 갭(Sg₁)을 통하여 캐패시터(C₁₁) 및 1차 코일(L₁₁)에 연결되어 있다. 캐패시터(C₁₁) 및 1차 코일(L₁₁)이 형성하는 1차 LC회로에 대응하도록 캐패시터(C₁₂) 및 2차 코일(L₁₂)로 형성된 2차 LC회로가 배치된다. 스파크 갭(Sg₁)이 절연과 방전을 반복하면서 캐패시터(C₁₁)는 1차 코일(L₁₁)에 고진동 주파수의 형태로 에너지를 전달한다. 1차 코일(L₁₁)과 자기적으로 결합한 2차 코일(L₁₂)에는 진동 전류가 유도된다. 캐패시터(C₁₂)는 접지점과의 사이에 정전 용량을 형성한다. 2차 LC회로의 공진 주파수가 1차 LC회로의 공진 주파수와 같도록 하면, 1차 코일(L₁₁)보다 권선수가 큰 2차 코일(L₁₂)에는 고전류가 유도되고, 에너지는 캐패시터(C₁₂)의 높이에 따라 급격히 상승하여 캐패시터(C₁₂)를 통하여 외부로 방출된다. 접지점과 캐패시터(C₁₂) 사이에는 전위차(V₁)가 형성된다. 캐패시터(C₁₂)에서 방출되는 전하는 아크 방전 또는 코로나 방전과 같은 번개 형태를 띠며, 방전 형성 영역의 공기는 양전하와 음전하가 섞여있는 플라즈마 상태가 된다. 플라즈마 상태는 테슬러 코일이 제공하는 자기장에 의하여 지속될 수 있다.

제2 테슬러 코일 장치(Ts₂)는 전원으로서 메인 전원(M₁)과 180도의 위상차가 나는 반대극의 교류 전원(M₂)을 사용하는 점을 제외하면 전술한 제1 테슬러 코일 장치(Ts₁)와 동일한 구성을 가진다. 따라서, 캐패시터(C₂₂)와 접지점 사이에는 테슬러 코일 장치(Ts₁)과 반대의 극성을 가진 전위차(-V₁)가 유도된다. 캐패시터(C₁₂, C₂₂)사이의 공기를 통한 연결로 제1 테슬러 코일 장치(Ts₁)의 2차 코일(L₁₂), 제2 테슬러 코일 장치(Ts₂)의 2차 코일(L₂₂) 및 각 접지점 사이의 연결을 통하여 가상의 회로가 형성되며, 캐패시터(C₁₂,C₂₂) 사이에는 전위차(2V₁)가 존재한다. 따라서, 가령 양극성(고전위)을 가지는 캐패시터(C₁₂)에서 방출되는 다량의 전하는 음극성(저전위)을 가지는 캐패시터(C₂₂)를 향하여 흐르게 된다. 이는 방전 또는 번개와 같은 형태로 시각적으로 인식된다. 이 현상은, 기본적인 원리 면에서, 전술한 스파크 갭에서 스파크 방전에 의하여 공기가 전류 흐름 통로를 제공하는 것과 유사하다고 할 수 있다.

캐패시터(C₁₂)의 전하가 다른 캐패시터(C₂₂)로 향하기 위해서는, 각 테슬러 코일의 캐패시터에 축적된 에너지가 클수록 좋으며, 이 점에서 제2 코일의 권선수가 크도록 하기 위해 캐패시터가 위치하는 고도가 높은 것이 바람직하다.

도 4는 도 3의 테슬러 코일 장치(Ts)를 복수개 일렬로 배열한 구성도이다. 고전위(V+)의 테슬러 코일에서 저전위(V-)의 테슬러 코일로 전하가 흐르는 플라즈마 영역이 형성된다. 이 플라즈마 영역에 미세먼지가 들어오면, 미세먼지는 음전하로 대전되고, 중력과 밸런스를 이루어 부유하다가, 대기장에 의하여 플라즈마 영역 위로 상승하게 된다. 이 구성은 본 개시의 미세먼지 차단을 위한 기본 시스템의 원리를 이룬다.

도 5는 도 4의 시스템을 이용하여, 번개로 미세먼지를 음전하로 대전시켜 상승시키는 원리를 보인 도면이다.

미세먼지 직경이 2.5 μm인 때 질량(m)을 3.1×10^-14kg이라고 하면, 중력(Fg)은 질량(m)에 가속도(9.8 N)를 곱한 결과인 약 3×10^-13N가 된다.

반경(r)이 1.25 μm인 구체(유전체 또는 전도체)의 표면 전하량(Q)은

Q = CV = 4πεrV (C:구체의 유전용량, ε: 공간투과율, 8.854 × 10^-12 Farads/m)로 표현되고, 표면 전위(V)는 가령, “Physics Letters A 191(1994) 301 - 308”에 개시된 “Experimental determination of the charge on dust particles forming Coulomb lattice” 제하의 A.Melzer등이 행한 쿨롱 결정 및 공진 진폭 실험에서 반경 10μm의 먼지 입자에 대하여 30V의 전위를 예측하고, 실제25 ~ 35V의 값을 확인한 점을 참조로 하고, 또 대기 중의 전기장에 의한 영향을 고려하여 최소값으로 20V를 가정한다. 그러면,

Q = 5.6 × 10^-15 coulomb이 된다.

전자의 전하량(e) = 1.62 × 10^-19coulom이므로, 하나의 미세먼지의 표면에는 약 35,000개의 전자가 포집됨을 의미한다. 공기의 전기저항 10²⁷Ωm을 구체의 유전 용량에 곱하여 시정수(RC time constant)를 구하면 10¹²sec 보다 크므로, 미세먼지 표면의 전하는 거의 무한의 시간에 걸쳐 외부(공기)로 빠져 나가지 못하고 대전 상태가 유지된다.

한편, 미세먼지에 가해지는 전기력(Fe)

Fe = Q × E(V/m)에서, 대기에서의 전기장은 100 V/m이므로

Fe = 5.6 × 10^-13N이다.

Fe > Fg이므로, 음전하로 대전된 미세먼지는 위로 상승한다. 번개(플라즈마)영역은 대전 영역임과 동시에 미세입자를 외부로부터 차단하는 역할을 하게 된다. 따라서, 본 개시의 테슬러 코일 원리를 이용한 미세먼지 차단시스템은 대기의 전기장을 이용할 수 있는 필드의 어느 장치나 구조물에도 적용할 수 있다.

다음에, 본 개시의 미세먼지 차단 시스템을 실제 적용 가능한 모델로 풍력발전기를 예를 들어 설명한다.

본 개시에서 풍력발전기를 실시예로 제안하는 이유는 대부분의 미세먼지가 중국에서 생성되어 이동성 고기압을 타고 국내로 흘러 들어오는 한편, 한반도 주변 대기가 안정되면서 서해에 위치한 이동성 고기압이 느리게 동쪽으로 이동하므로 서해안에 풍력 발전기를 이용한 미세먼지 차단 시스템을 구축하는 것이 효율적이기 때문이다.

2009년 한국에너지기술연구원의 “한반도해역 고해상도 풍력자원지도 및 단지개발적합성 평가시스템 개발(김현구 외)” 논문에 의하면, 행정구역별 풍력자원 부존 잠재량에 있어 경기도 해상 잠재량이 10,719Gwh에 이르며, 경기도 해상 지역에 설치된 풍력발전소(대부도의 시화방조제 및 안산)의 에너지가 2008년 기준 최소 3MW로 운용되고 있음을 개시하였다. 더불어, 경기도 서해안 지역을 풍력발전기를 설치할 수 있는 적지 장소 중의 하나로 개시하였다.

수도권의 하루 미세먼지 개수 평균은 2.6×10¹⁸이므로, Q = 5.6 × 10^-15 coulomb 을 곱하면, 모든 미세먼지를 대전하기 위하여 필요한 전하는 약 16,000 coulomb이다. 이 전하량은 번개 500번, 250 GJ의 에너지에 해당하며, 이 에너지의 공급원으로서는 3 MW를 공급하는 발전기면 충분하다. 3 MW의 발전기이면, 3 MJ/sec × 1 day로서 하루에 약 2.6 ×10¹¹J, 즉 260 GJ의 에너지를 생성할 수 있다. 풍력발전기의 산출전력을 보면, 풍력발전 점유율 1위국인 중국의 “Gansu Wind Farm”은 6,000 MW, 2위인 미국의 “Alta”발전소는 1,320 MW이며, 우리나라의 경우 “한경1단계” 발전소는 6 MW, “성산”발전소는 12 MW로서 대부분의 풍력 발전은 3 MW를 초과하는 에너지를 생성할 수 있어, 미세먼지를 제거하기 위한 에너지원으로서 충분함을 알 수 있다. 이상은 수도권의 미세먼지 전체를 차단하기 위한 하한치를 3 MW로 설정한 것이므로, 실제 황사에 의한 미세먼지 점유비를 고려하면 3 MW보다 훨씬 작은 용량의 발전기로도 효율이 좋은 미세먼지 차단 시스템을 구축할 수 있음을 예상할 수 있다.

도 6은 테슬러 코일을 풍력 발전기(30)에 적용한 구성도로서 도 6(a)는 공급부를 풍력발전기의 옆에 배치한 도면, 도 6(b)는 공급부를 타워와 동축으로 배치한 도면이다. 풍력발전기(30)의 예는 바다에 설치한 수평축형 풍력터빈이다. 현재, 상용의 풍력발전기의 전체 높이는 100 m이상으로서 150m에 도달할 수도 있다. 도 6a에 도시한 나셀(32) 외부에는 풍향계 및 피뢰침이, 내부에는 저속축, 허브, 가속기어, 고속축 및 교류발전기가 차례로 배치되어 있다. 바람에 의하여 날개가 회전하면, 저속축과 허브의 회전이 고속 회전으로 전환되어 교류발전기에서 교류 전력을 생성한다. 생성된 각 교류 전력은 1차 및 2차 승압을 거쳐 전송되고, 다른 발전기의 송전 경로에 통합되어 필요한 설비로 공급된다.

도 6에서 테슬러 코일과 풍력발전기(30)의 구성 사이에는 전기적 절연을 위하여 유전체(36)를 배치한다.

공급부(10)는 메인 전원, 고전압 변환기, 제1 캐패시터, 스파크 갭 등의 기본 구성을 포함한다. 공급부(10)는 복수의 풍력발전기에 동일한 사양으로 설치되므로 셋트로 모듈화하는 것이 좋다. 공급부(10)는 풍력발전기에서 연장 설치한 베이스(미도시)에 설치하거나 바다에 잠기게 만들 수 있다. 공급부는 풍력발전기의 옆에 배치하거나 타워와 동축으로 배치할 수 있다.

메인 전원은 첫째 자체적인 방법으로, 교류 전력의 승압 또는 전송 과정 중 이를 피드백시킨 교류 전력을 사용할 수 있다. 복수의 풍력 발전기를 사용하기 위해서는 풍력 발전기 전체의 전력을 중앙부에 집중시킨 후, 각각의 풍력 발전기에 분산 공급하는 것이 바람직하다.

둘째는 풍력발전기가 발전하는 자체의 전원에 더하여 또는 이와 무관하게 외부의 전원으로부터 전원을 공급받는 것이다. 풍력발전기는 미세먼지 차단시스템을 위한 하드웨어로 사용된다는 점이 중요하므로, 전원 공급원은 외부에서 제공되거나 풍력 발전에 추가할 수 있다.

1차 코일(L₁)은 풍력발전기(30)의 타워(34)의 하부에 장착한다. 1차 코일(L₁)은 타워의 하단에서 위로 갈수록 직경이 커지도록 장착된다. 1차 코일(L₁)의 전체 높이는 10 ~ 30m 범위에서 선택될 수 있다. 1차 코일(L₁)과 자기적으로 결합하는 2차 코일(L₂)은 해수면을 기준으로 예컨데 약 70m의 높이까지 설치한다. 제2 캐패시터(C₂)에 해당하는 토로이드 또는 토러스는 2차 코일(L₂)의 선단으로부터 예컨데 10m의 간격을 두고 설치한다. 이러한 구조에 의하여, 타워(34)를 이용하는 한 토로이드가 지상 또는 수상에서 가능한 한 높은 위치에 설치되므로, 토로이드에 최대한 높은 전위를 유도할 수 있으며 토로이드에서 방출되는 번개가 아래로 향하는 현상에도 불구하고 그 영향 및 위험을 최대로 방지할 수 있다. 더욱, 2차 코일(L₂) 자체 및 타워(34)의 유전체 역할로 인하여 최선단의 제2 캐패시터(C₂)에는 더욱 많은 에너지가 집중된다.

공급부(10)가 구비한 메인전원 및 제1 캐패시터, 타워의 하부에 설치된 1차 코일(L₁)은 1차 LC회로를 이루며, 1차 코일과 자기적으로 결합하며, 타워의 상부까지 타워를 권취하도록 설치된 2차 코일(L₂)과, 2차 코일(L₂)로부터 소정 간격 이격되어 그 상부에 설치된 제2 캐패시터(C₂)는 2차 LC회로를 이룬다.

도 6과 같은 하나의 풍력발전기에서 토로이드를 통해서 방출되는 번개도 미세먼지 차단 영역을 형성한다. 그러나, 이것으로는 미세먼지 차단 영역이 협소하고 번개의 방향이 일관성을 유지하기 어려우므로 도 4를 응용하여 복수의 풍력발전기를 이용한 미세먼지 차단시스템을 구축하는 것이 바람직하다. 도 7은 이 실시예에 따른 구성도를 보이고 있다.

도 7에서 본 개시의 테슬러 코일을 구비한 풍력발전기(Pt₁,Pt_2,…,Pt_n)는 해안의 바다에 복수 개 설치되어 있다. 각 풍력발전기의 기본 구성은 도 6과 동일하다. 그러나, 인접하는 테슬러 코일 장치의 각 메인전원은 차례대로 교대하여 서로 180도의 위상차를 가지도록 배열된다. 이 상태에서 전원을 공급하여 테슬러 코일을 작동시키면, 각 토로이드, 즉 각 2차캐패시터의 전위는 인접하는 토로이드의 전위와 반대의 극성을 가지도록 +,-,+…순으로 배열된다. 따라서, 각각의 토로이드 간의 전압 차이에 의하여 (+)극에서 (-)극 사이에서 번개가 발생한다. 번개 영역은 미세먼지를 차단하는 플라즈마 영역을 생성한다.

각 풍력발전기 간의 이격 거리는 여러 변수를 고려하여 결정되어야 하나, 각 풍력발전기에 3MW의 교류 전력이 인가되는 경우는 1km의 간격으로 배치할 수 있다.

서해안을 향하여 날라오는 미세먼지는 번개에 의하여 음전하로 대전되며, 중력과 평형을 이루어 부유하면서 대기의 전기장에 의하여 대기 중으로 상승한다. 상승된 미세먼지는 고기압을 타고 느리게 동쪽으로 이동하면서 응결핵으로 작용하여 인공강우처럼 비를 내리게 하는 요인이 될 수 있다.

본 개시는 인공강우를 통한 지구 온난화 문제의 해결, 가령 사막화의 해결에 기여할 수 있을 것이다. 가령, 고비사막 주위에 풍력발전기를 배치하면 미세먼지의 응결핵 원리를 이용하여 고비사막에 비를 내리게 하는 글로벌 그린 효과를 기대할 수 있다.

이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

테슬러 코일을 이용한 미세먼지 차단시스템에 있어서,
제1 메인전원(M₁), 제1 캐패시터(C₁₁), 1차 코일(L₁₁) 및 스파크갭(Sg₁)을 포함하는 1차 LC회로와, 상기 1차 코일(L₁₁)과 자기적으로 결합하는 2차 코일(L₁₂) 및 제2 캐패시터(C₁₂)를 포함하는 2차 LC회로를 포함하는 제1 테슬러 코일장치(Ts₁); 및
상기 제1 메인전원(M₁)과 반대의 극성을 가지는 제2 메인전원(M₂), 제1 캐패시터(C₂₁), 1차 코일(L₂₁) 및 스파크갭을(Sg₂) 포함한 1차 LC회로와, 상기 1차 코일(L₂₁)과 자기적으로 결합한 2차 코일(L₂₂) 및 제2 캐패시터(C₂₂)를 포함한 2차 LC회로를 포함하는 제2 테슬러 코일장치(Ts₂)를 포함하되,
상기 제1 테슬러 코일장치(Ts₁)의 상기 제2 캐패시터(C₁₂)의 전위는 상기 제2 테슬러 코일장치(Ts₂)의 상기 제2 캐패시터(C₂₂)보다 전위가 높아 상기 제1 테슬러 코일장치(Ts₁)의 상기 제2 캐패시터(C₁₂)와 상기 제2테슬러 코일장치(Ts₂)의 상기 제2 캐패시터(C₂₂) 사이에 플라즈마 영역이 형성되고, 상기 플라즈마에 의하여 미세먼지가 음전하로 대전되도록 하는 미세먼지 차단시스템.
테슬러 코일을 이용한 미세먼지 차단시스템에 있어서, 상기 미세먼지 차단시스템은
각각의 테슬러 코일장치(Ts₁,…,Ts_n)가, 메인전원, 제1 캐패시터, 1차 코일 및 스파크갭을 포함하는 1차 LC회로와, 상기 1차 코일과 자기적으로 결합하는 2차 코일 및 제2 캐패시터를 포함하는 2차 LC회로를 포함하여 이루어지는, 각각의 테슬러 코일장치(Ts₁,…,Ts_n)를 복수 포함하며,
각각의 테슬러 코일장치(Ts₁,…,Ts_n)의 상기 메인전원은 극성이 반대가 되도록 차례대로 교대로 설치하여 각각의 테슬러 코일장치(Ts₁,…,Ts_n)의 고전위의 제2 캐패시터와 인접한 저전위의 제2 캐패시터 사이에 플라즈마 영역이 형성되고, 상기 플라즈마에 의하여 미세먼지가 음전하로 대전되도록 하는 미세먼지 차단시스템.
풍력발전기에 테슬러 코일을 이용한 미세먼지 차단시스템에 있어서, 상기 미세먼지 차단시스템은
타워(34);
상기 타워(34)의 상부에 설치된 나셀 및 날개를 포함하는 풍력발전기(30);
메인전원, 제1 캐패시터, 상기 타워(34)의 하부에 설치된 1차 코일(L₁) 및 스파크 갭을 포함한 1차 LC회로; 및
상기 1차 코일(L₁)과 자기적으로 결합하며, 상기 타워(34)의 상부까지 상기 타워(34)를 권취하도록 설치된 2차 코일(L₂), 상기 2차 코일(L₂)로부터 소정 간격 이격되어 상기 2차 코일(L₂)의 상부에 설치된 제2 캐패시터(C₂)를 포함하는 2차 LC회로를 포함하는 미세먼지 차단시스템.
풍력발전기에 테슬러 코일을 이용한 미세먼지 차단시스템에 있어서,
타워, 상기 타워의 상부에 설치된 나셀 및 날개를 포함하는 각각의 풍력발전기(Pt1,…,Ptn)가 상호 이격되어 배열된 복수의 풍력발전기; 및
메인전원, 제1 캐패시터, 각각의 타워의 하부에 설치된 1차 코일, 스파크갭을 포함한 1차 LC회로와, 상기 1차 코일과 자기적으로 결합하며 상기 타워의 상부까지 상기 타워에 권취되도록 설치된 2차 코일, 상기 2차 코일로부터 소정 간격 이격되어 상기 2차 코일의 상부에 설치된 제2 캐패시터를 포함한 2차 LC회로를 포함하는 각각의 테슬러 코일장치(T1,…,Tn)를 복수 포함하며,
상기 각각의 풍력발전기(Pt1,…,Ptn)에 상기 각각의 테슬러 코일장치(T1,…,Tn)가 설치되되,
상기 메인전원은 극성이 반대가 되도록 차례대로 교대로 설치하여 각각의 테슬러 코일장치(T1,…,Tn)의 고전위 캐패시터와 주위의 저전위 캐패시터 사이에 플라즈마 영역이 형성되도록 하는 미세먼지 차단시스템.
제 4항에 있어서, 상기 플라즈마 영역은 상기 고전위 캐패시터와 상기 저전위 캐패시터 사이에 발생하는 번개에 의하여 형성되는 미세먼지 차단시스템.
제 5항에 있어서, 상기 미세먼지는 부유하면서 대기의 전기장에 의하여 상기 플라즈마 영역 위로 상승하는 미세먼지 차단시스템.
제 4항에 있어서, 상기 메인전원은 풍력발전기로부터 또는 외부에서 공급되는 교류 전원인 미세먼지 차단시스템.
제 4항 또는 제 7항에 있어서, 상기 메인전원, 상기 제1 캐패시터 및 상기 스파크 갭은 공급부를 이루어 모듈 단위로 각각의 테슬러 코일장치로 제공되는 미세먼지 차단시스템.
풍력발전기에 테슬러 코일을 이용한 미세먼지 차단방법에 있어서,
각각의 풍력발전기에 설치되는 테슬러 코일장치로서, 메인전원, 제1 캐패시터, 각각의 타워의 하부에 설치된 1차 코일, 스파크갭을 포함한 1차 LC회로와, 상기 1차 코일과 자기적으로 결합하며 타워의 상부까지 타워를 권취하도록 설치된 2차 코일, 상기 2차 코일로부터 소정 간격 이격되어 그 상부에 설치된 제2 캐패시터를 포함한 2차 LC회로로 이루어지는 각각의 테슬러 코일장치의 메인전원에 교류전원을 극성이 반대가 되도록 교대로 인가하는 과정; 및
각각의 테슬러 코일장치의 각각의 제2 캐패시터에 전위를 유도하여, 각각의 테슬러 코일장치의 고전위의 제2 캐패시터와 인접한 저전위의 제2 캐패시터 사이에 플라즈마 영역을 형성하는 과정
을 포함하는 미세먼지 차단 방법.
제 9항에 있어서, 상기 미세먼지 차단 방법은 상기 번개로 미세먼지를 음전하로 대전하는 플라즈마 영역을 형성하는 과정을 더 포함하여, 상기 미세먼지는 부유하면서 대기의 전기장에 의하여 상기 플라즈마 영역 위로 상승하도록 한 미세먼지 차단 방법.