KR101444243B1 - 전해 장치에 있어서 전기에너지의 효율적 제어를 위한 직류 전압 또는 전류를 중첩한 장치 - Google Patents

전해 장치에 있어서 전기에너지의 효율적 제어를 위한 직류 전압 또는 전류를 중첩한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전해 장치에 있어서 전기에너지의 효율적 제어를 위한 직류 전압 또는 전류를 중첩한 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일면에 따른 전해 장치에 있어서 전기에너지의 효율적 제어를 위한 직류 전압 또는 전류를 중첩한 장치는 전원으로 동작하는 제1 전원부(110) 및 제2 전원부(120)와, 제1 전원부(110) 및 제2 전원부(120)를 서로 직렬 또는 병렬로 연결하기 위한 내부 스위치(115, 125) 및 외부 스위치(130, 140)와, 전류의 도통 방향을 기설정된 방향으로 유지하기 위한 외부 다이오드(119, 129, 139, 149)와, 제1 전원부(110) 및 제2 전원부(120)로부터 전기적으로 연결되는 부하(LOAD)를 포함하는 중첩회로(10) 및 내부 스위치(115, 125) 및 외부 스위치(130, 140)를 각각 개폐하도록 제어하여, 제1 전원부(110) 및 제2 전원부(120)가 직렬 연결 또는 병렬 연결되도록 제어하는 제어부(20)를 포함한다.

Description

전해 장치에 있어서 전기에너지의 효율적 제어를 위한 직류 전압 또는 전류를 중첩한 장치{Apparatus for the efficient management of electrical energy by the superposition of DC voltage or current for electrolysis apparatus}
본 발명은 전해 장치에 있어서 전기에너지의 효율적 제어를 위한 직류 전압 또는 전류를 중첩한 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전력수요관리를 능동적 에너지 효율 관리를 통한 에너지의 낭비 또는 비효율적 사용을 줄이고, 아울러 전기에너지를 절감하여 생산 효율을 높이기 위하여, 전기중첩 원리(electrical superposition principle)에 의하여 직류 전원장치(이하 전원장치라 함)의 전압 또는 전류를 중첩하여 적절히 전력을 제어함으로써 전기에너지를 능동적으로 관리할 수 있는 전해 장치에 있어서 전기에너지의 효율적 제어를 위한 직류 전압 또는 전류를 중첩한 장치에 관한 것이다.
다수의 전원장치를 사용할 경우 부하에 미치는 전기적 힘인 합성 전기력은 중첩원리를 적용하여 산출할 수 있다. 전기적인 힘(
Figure 112013020535913-pat00001
)은 벡터장으로써 아래와 같이 백터적 합으로 계산된다.
(수학식 1)
Figure 112013020535913-pat00002
=
Figure 112013020535913-pat00003
또한 전기적인 힘
Figure 112013020535913-pat00004
=
Figure 112013020535913-pat00005
(
Figure 112013020535913-pat00006
: 전하량,
Figure 112013020535913-pat00007
: 전기장)으로 나타내어 진다. 이는
Figure 112013020535913-pat00008
x sec로 나타낼 수 있으며, 전기장 E=
Figure 112013020535913-pat00009
로 정의된다. 따라서
Figure 112013020535913-pat00010
= (
Figure 112013020535913-pat00011
)(
Figure 112013020535913-pat00012
)와 같으며, 이의 단위를 살펴보면 (Ampere x sec)(
Figure 112013020535913-pat00013
)=(전류 x 전위차)와 같이 된다. 여기에서 전위차(electric potential)는
Figure 112013020535913-pat00014
로 나타내어지나 일반적으로 전압
Figure 112013020535913-pat00015
로 나타낸다. 따라서 전기적인 힘
Figure 112013020535913-pat00016
는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
(수학식 2)
Figure 112013020535913-pat00017
= P =
Figure 112013020535913-pat00018
Figure 112013020535913-pat00019
=
Figure 112013020535913-pat00020
Figure 112013020535913-pat00021
(P : 전력,
Figure 112013020535913-pat00022
: 전압,
Figure 112013020535913-pat00023
: 전류)
회로내에 다수의 전원들이 연결되어 있을 때, 벡터 합인 하나의 등가회로 전원장치로 생각할 수 있다.
복수개의 전원이 직렬로 연결되는 경우 모든 전원은 같은 전하량
Figure 112013020535913-pat00024
를 가지게 된다. 즉,
Figure 112013020535913-pat00025
Figure 112013020535913-pat00026
으로 나타낼 수 있다.
따라서 (수학식 2)에 의한 전기적인 힘은 다음과 같다.
(수학식 3)
Figure 112013020535913-pat00027
즉, 전기적인 힘은 벡터량인 각 전원장치의 전압의 합과 같고, 전류는 전하량
Figure 112013020535913-pat00028
가 동일하기 때문에 전원장치의 전류와 같게 된다.
복수개의 전원이 병렬로 연결되는 경우 직렬회로와는 달리 전체 전원장치의 총 전하량
Figure 112013020535913-pat00029
이므로 전류는 각 전원로부터 출력되는 전류의 합계와 같고, 전압은 각각의 전원의 전압과 같게 된다.
따라서 (수학식 2)에 의한 전기적인 힘은 다음과 같다.
(수학식 4)
Figure 112013020535913-pat00030
이상의 (수학식 3)에서와 같이 전원을 직렬연결할 경우 전류는 일정하게 전원의 전류와 같으나, 전압은 각 전원의 합계로써 나타난다. 그러나 전원을 병렬연결할 경우는 (수학식 4)에서와 같이 전압은 전원의 전압과 동일하나, 전류는 각 전원의 합계로 나타난다.
한편, 복수개의 전원을 병렬 연결하여 부하에 전원을 공급하기 위한 전원 장치에 관한 종래기술로는 "충전기 어셈블리 및 이를 이용한 전원 시스템(대한민국 공개특허공보 10-2010-0040804)", "배터리 충전기들의 병렬 작동을 위한 회로장치(대한민국 공개특허공보 10-2010-0017324)" 등이 있다.
하지만, 종래기술에 따르면, 복수개의 전원의 연결상태를 직렬연결 또는 병렬연결로 변경하여 높은 전압의 출력 또는 각 전원의 전하량을 합산한 출력을 선택적으로 가지는 전원 회로를 개시하지는 않고 있다.
전력은 국내 전체 에너지소비의 약30%이상을 차지하고 있으며, 사용의 편리함으로 인해 소비량이 계속 증가되고 있으며, 이에 따른 발전설비 확충이 필요하나 여기에는 막대한 비용 및 환경문제를 일으킨다. 따라서 전력수요관리를 통한 전력수요의 저감 및 부하 평준화를 통해 사용설비의 이용효율을 높이고 경제적인 관리방법을 모색함이 필요하다.
이러한 전력수요관리를 위하여 본 발명의 목적은 능동적 에너지 효율 관리를 통한 에너지의 낭비 또는 비효율적 사용을 줄이고, 아울러 전기에너지를 절감하여 생산 효율을 높이기 위하여, 전기중첩 원리(electrical superposition principle)에 의하여 직류 전원장치(이하 전원장치라 함)의 전압 또는 전류를 중첩하여 적절히 전력을 제어함으로써 전기에너지를 능동적으로 관리할 수 있는 전해 장치에 있어서 전기에너지의 효율적 제어를 위한 직류 전압 또는 전류를 중첩한 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일면에 따른 전해 장치에 있어서 전기에너지의 효율적 제어를 위한 직류 전압 또는 전류를 중첩한 장치는 전원으로 동작하는 제1 전원부(110) 및 제2 전원부(120)와, 제1 전원부(110) 및 제2 전원부(120)를 서로 직렬 또는 병렬로 연결하기 위한 내부 스위치(115, 125) 및 외부 스위치(130, 140)와, 전류의 도통 방향을 기설정된 방향으로 유지하기 위한 외부 다이오드(119, 129, 139, 149)와, 제1 전원부(110) 및 제2 전원부(120)로부터 전기적으로 연결되는 부하(LOAD)를 포함하는 중첩회로(10) 및 내부 스위치(115, 125) 및 외부 스위치(130, 140)를 각각 개폐하도록 제어하여, 제1 전원부(110) 및 제2 전원부(120)가 직렬 연결 또는 병렬 연결되도록 제어하는 제어부(20)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 스위치의 개폐를 제어하여 복수개의 전원의 연결상태를 직렬연결 또는 병렬연결로 쉽게 변경할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 복수개의 전원의 연결상태를 직렬연결 또는 병렬연결로 변경함에 있어서 전류의 역류 현상이 일어나지 않는다.
또한, 복수개의 전원을 추가적으로 연결하기 용이하여 잉여 전원장치 시스템(redundant system:
Figure 112013020535913-pat00031
)을 구현할 수 있으며 이에 따라 전원장치 고장시 조업의 방해를 받지 않으면서 수리가 가능하다.
또한, 직렬연결에 의하여 고전압 발생이 용이하여 각종 고전압 방전장치인 전기집진, 플라즈마 발생 장비 등에 적용할 수 있다.
또한, 병렬연결에 의하여 대전류의 생성이 용이하여 각종 전해공업, 도금 및 각종 분해 설비 등에 적용할 수 있다.
또한, 직병렬연결에 의하여 고전압대전류를 용이하게 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해 장치에 있어서 전기에너지의 효율적 제어를 위한 직류 전압 또는 전류를 중첩한 장치를 나타내는 도면.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전해 장치에 있어서 전기에너지의 효율적 제어를 위한 직류 전압 또는 전류를 중첩한 장치를 설명한다.
먼저, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해 장치에 있어서 전기에너지의 효율적 제어를 위한 직류 전압 또는 전류를 중첩한 장치를 나타내는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전해 장치에 있어서 전기에너지의 효율적 제어를 위한 직류 전압 또는 전류를 중첩한 장치는 전원의 직병렬 연결을 위한 중첩회로(10) 및 전원의 직병렬 연결을 제어하기 위한 제어부(20)를 포함한다.
중첩회로(10)는 전원으로 동작하는 제1 전원부(110) 및 제2 전원부(120)를 포함하며, 이들을 직렬 또는 병렬로 연결하기 위한 내부 스위치(115, 125) 및 외부 스위치(130, 140), 전류의 도통 방향을 기설정된 방향으로 유지하기 위한 외부 다이오드(119, 129, 139, 149)를 포함하고, 제1 전원부(110) 및 제2 전원부(120)로부터 전기적으로 연결되는 부하(LOAD)를 포함한다.
더욱 상세하게는, 제1 전원부(110)는 전원(111)과, 일단이 전원(111)의 양극과 연결되며 타단이 일단이 전원(111)의 음극과 연결되는 내부 스위치(115)의 타단과 연결되는 내부 다이오드(113)를 포함한다.
여기서, 내부 다이오드(113)는 전원(111)의 양극으로부터 음극 방향의 전류 도통을 차단한다.
제2 전원부(120)는 전원(121)과, 일단이 전원(121)의 양극과 연결되며 타단이 일단이 전원(121)의 음극과 연결되는 내부 스위치(125)의 타단과 연결되는 내부 다이오드(123)를 포함한다.
여기서, 내부 다이오드(123)는 전원(121)의 양극으로부터 음극 방향의 전류 도통을 차단한다.
한편, 전원(111)의 양극은 제2 전원부(120)의 내부 다이오드(123)의 타단 및 내부 스위치(125)의 타단이 연결된 노드와 연결된다.
제1 외부 스위치(130)의 일단은 전원(121)의 음극과 연결되며 타단은 일단이 전원(111)의 음극 및 부하(LOAD)와 연결되는 외부 다이오드(139)의 타단과 연결된다. 여기서, 외부 다이오드(139)는 제1 외부 스위치(130)가 닫히는 경우에 있어서 제2 전원부(120)로부터 제1 전원부(110)로의 전류 도통을 차단한다.
제2 외부 스위치(140)의 일단은 전원(111)의 양극과 일단이 연결된 외부 다이오드(119)의 타단과 연결되며, 타단은 일단이 부하(LOAD)와 연결되는 외부 다이오드(149)의 타단과 연결된다.
여기서, 외부 다이오드들(119, 149)은 제2 외부 스위치(140)가 닫히는 경우에 있어서 부하로부터 제1 전원부(110) 방향의 전류 도통을 차단한다.
외부 다이오드(129)는 일단이 전원(121)의 양극과 연결되며 타단이 부하(LOAD) 및 외부 다이오드(149)의 일단과 연결되어 부하로부터 제2 전원부(120) 방향의 전류 도통을 차단한다.
전술한 연결관계 및 회로에 따라 제1 전원부(110) 및 제2 전원부(120)가 부하(LOAD)에 전원을 공급함에 있어서, 내부 스위치(115, 125), 제1 외부 스위치(130), 제2 외부 스위치(140)가 각각 개폐됨에 따라 전원(111) 및 전원(121)은 서로 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
제어부(20)는 내부 스위치(115, 125), 제1 외부 스위치(130), 제2 외부 스위치(140) 각각을 개폐하도록 제어하여, 제1 전원부(110) 및 제2 전원부(120)가 직렬 연결 또는 병렬 연결되도록 제어한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전해 장치에 있어서 전기에너지의 효율적 제어를 위한 직류 전압 또는 전류를 중첩한 장치에 있어서 중첩회로(10)가 직렬연결로 동작하는 경우와 병렬연결로 동작하는 경우로 나누어 설명하도록한다.
1) 직렬연결로 동작하는 경우(제1 외부 스위치(130) - 열림, 제2 스위치(140) - 열림, 내부 스위치들(115, 125) - 닫힘)
제1 전원부(110)와 제2 전원부(120)가 직렬연결되는 경우를 살펴보면, 제어부(20)는 제1 외부 스위치(130) 및 제2 외부 스위치(140)가 열리도록 하여 전류가 차단되도록 제어하고, 내부 스위치들(115, 125)는 닫히도록 하여 전류가 도통되도록 제어한다.
이 때, 제1 전원부(110)의 전류는 양극 단자①에서부터 노드⑧을 거쳐 노드⑨로 흘러 제2 전원부(120)의 내부 다이오드(123)를 거쳐 노드⑤에서 제2 전원부(120)의 전압과 중첩되어 전류가 흐르게 된다. 이의 전류는 노드⑥을 거쳐 부하(LOAD)로 흐르게 된다. 부하(LOAD)를 거친 전류는 음극 단자⑦로 흐르게 된다.
이에 따라 전원부(110,120)가 각각 일 단위V, 일 단위A라면 부하(LOAD)에 걸리는 전압과 전류는 이 단위V와 일 단위A가 된다.
2) 병렬연결로 동작하는 경우(제1 외부 스위치(130) - 닫힘, 제2 스위치(140) - 닫힘, 내부 스위치들(115, 125) - 열림)
제1 전원부(110)와 제2 전원부(120)가 병렬연결되는 경우를 살펴보면, 제어부(20)는 제1 외부 스위치(130) 및 제2 외부 스위치(140)가 닫히도록 하고, 내부 스위치들(115, 125)는 열리도록 제어한다.
병렬연결에 대하여 살펴보면, 제1 전원부(110)전류는 양극 단자①에서부터 외부 다이오드(119)와 노드②를 거쳐 노드⑥에서 제2 전원부(120)의 전류와 중첩된다. 동시에 제2 전원부(120)전류는 양극⑤에서부터 외부 다이오드(129)를 거쳐 노드⑥에서 제1 전원부(110)의 전류와 중첩된다. 중첩된 전류는 부하(LOAD)로 흐르게 된다. 부하(LOAD)를 거친 전류는 음극 단자⑦로 흐르게 된다.
이에 따라 전원부(110,120)가 각각 일 단위V, 일 단위A라면 부하에 걸리는 전압과 전류는 일 단위V와 이 단위A가 된다.
3) 실험예
이하, 부하(LOAD)는 물분해를 위한 전해 장치이고 전원부(110, 120)를 병렬로 연결하고, 전류를 30A 및 40A로 고정하고 1대의 전원부와 2대의 전원부를 비교 실험하여 1차 입력측의 전력 절감효과를 측정하였다. 이의 측정은 아래 표 1 및 2와 같다.
(표 1 - 전류를 30A로 고정하여 실험)
항 목 출력 2차측 입력 1차측(220V)
전압 전류 전압 평균 소모
전력량		 비고
전원 1개 연결 7.8V 30A 220V 900Wh 100%
전원 2개 병렬 연결 5.35V 각15A 220V 800Wh 88.9%
입력 1차측
절감%		 11.1%
(표 2 - 전류를 40A로 고정하여 실험)
항목 출력 2차측 입력 1차측(220V)
전압 전류 전압 평균 소모
전력량		 비고
전원 1개 연결 12.1V 40A 220V 1,200Wh 100%
전원 2개 병렬 연결 7V 각20A 220V 1,100Wh 91.7%
입력 1차측
절감%		 8.3%
위의 실험값에서 보는 바와 같이 부하(전해장치)와 연결되는 경우 전원의 병렬연결에 의하여 출력 2차측의 전해 전압을 낮추어 줌으로써 입력 1차측 전력에서 절감효과가 나타남을 확인 할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 중첩회로,
110: 제1 전원부,
120: 제2 전원부,
111, 121: 전원,
115, 125: 내부 스위치,
130: 제1 외부 스위치,
140: 제2 외부 스위치,
113, 123: 내부 다이오드,
119, 129, 139, 149: 외부 다이오드,
20: 제어부.

Claims (5)

  1. 일단은 전원(111)의 양극과 연결되며 타단은 일단이 상기 전원(111)의 음극과 연결되는 내부 스위치(115)의 타단과 연결되는 내부 다이오드(113)를 포함하는 제1 전원부(110)와, 일단은 전원(121)의 양극과 연결되며 타단은 일단이 상기 전원(121)의 음극과 연결되는 내부 스위치(125)의 타단과 연결되는 내부 다이오드(123)를 포함하는 제2 전원부(120)와, 일단은 상기 전원(121)의 음극과 연결되며 타단은 일단이 상기 전원(111)의 음극 및 전해장치인 부하(LOAD)와 연결되는 외부 다이오드(139)의 타단과 연결되는 제1 외부 스위치(130)와, 일단은 상기 전원(111)의 양극과 일단이 연결된 외부 다이오드(119)의 타단과 연결되며, 타단은 일단이 상기 부하(LOAD)와 연결되는 외부 다이오드(149)의 타단과 연결되는 제2 외부 스위치(140)와, 일단이 상기 전원(121)의 양극과 연결되며 타단이 상기 부하(LOAD) 및 상기 외부 다이오드(149)의 일단과 연결되는 외부 다이오드(129)를 포함하되, 상기 전원(111)의 양극은 상기 내부 다이오드(123)의 타단 및 상기 내부 스위치(125)의 타단이 연결된 노드와 연결되는 것인 중첩회로(10); 및
    상기 내부 스위치(115, 125) 및 외부 스위치(130, 140)를 각각 개폐하도록 제어하여, 상기 제1 전원부(110) 및 상기 제2 전원부(120)가 직렬 연결 또는 병렬 연결되도록 제어하는 제어부(20);를 포함하되,
    상기 제어부(20)는,
    상기 중첩회로(10)의 상기 제1 전원부(110) 및 상기 제2 전원부(120)가 직렬연결로 동작하기 위하여 상기 제1 외부 스위치(130) 및 상기 제2 외부 스위치(140)가 열리도록 제어하고 상기 내부 스위치들(115, 125)은 닫히도록 제어하는 것이고, 상기 중첩회로(10)의 상기 제1 전원부(110) 및 상기 제2 전원부(120)가 병렬연결로 동작하기 위하여, 상기 제1 외부 스위치(130) 및 상기 제2 외부 스위치(140)가 닫히도록 제어하고 상기 내부 스위치들(115, 125)은 열리도록 제어하는 것
    인 전해 장치에 있어서 전기에너지의 효율적 제어를 위한 직류 전압 또는 전류를 중첩한 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 다이오드(113)는 상기 전원(111)의 양극으로부터 음극 방향의 전류 도통을 차단하는 것이며, 상기 내부 다이오드(123)는 상기 전원(121)의 양극으로부터 음극 방향의 전류 도통을 차단하는 것
    인 전해 장치에 있어서 전기에너지의 효율적 제어를 위한 직류 전압 또는 전류를 중첩한 장치.
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