KR101226255B1 - 태양열 집열기용 집열 금속판의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 금속 특히 알루미늄 또는 알루미늄 합금 스트립으로 제조된 태양열 집열기용 집열판의 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 태양열 집열기용 집열판뿐 아니라 집열판의 유리한 용도에도 관한 것이다. 태양열 집열기용 집열판의 제조를 위한 공정을 제공하는 목적에서, 매우 고 선택 흡수막을 구비한 집열판이 경제적으로 제조되고, 상기 목적은 고 선택 흡수막을 구비하도록, 코일 코팅 공정을 사용하여 스트립에 태양광의 흡수성이 매우 우수하고 열 방출이 매우 적은 고 선택 흡수막을 도포하는 것으로 달성된다.

태양열 집열기, 집열판, 코팅, 스트립

Description

태양열 집열기용 집열 금속판의 제조 방법{METHOD FOR THE PRODUCTION OF AN ABSORBER SHEET METAL PLATE FOR SOLAR COLLECTORS}

본 발명은 금속, 특히 알루미늄 또는 알루미늄 합금 스트립으로 제조된 태양열 집열기(solar collector)용 집열판(absorber plate)의 제조 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 태양열 집열기용 집열판에 관한 것일 뿐 아니라 집열판의 유리한 사용 방법에 관한 것이다.

태양열 집열기는 태양 복사로부터 열을 회수하는 장치이다. 태양열 집열기는 태양광에 포함되어 있는 에너지를 추출 및 흡수하고, 이에 따라 광전지 시스템들과는 대조적으로 거의 모든 태양광의 복사 스펙트럼을 높은 효율로 이용한다. 패널의 가장 중요한 구성요소는 집열기인데, 상기 집열기는 태양광 에너지를 열로 변환하고, 이 열은 집열기를 통하여 흐르는 열 운반 매체로 전도된다. 집열기로서 보통 집열판이 사용되며, 상기 집열판은 가능한 태양 복사를 직접 포획하고 확산하며 태양 복사를 열로 변환하도록 설계된다. 구리 합금 또는 알루미늄 합금으로 구성된 집열판은 종종 흡수된 열이 열 방사의 형태로 다시 방출되지 않도록 하여야 한다. 집열판에 의한 방사열의 방출을 통한 에너지 손실을 최소화하기 위하여, 집열판은 소위 "고 선택 흡수막(highly selective coating)"을 구비한다. 일반적으로 고 선 택 흡수막의 경우 태양광의 흡수량은 대략 94% 이고, 방출량은 6% 미만이다. 고 선택 흡수막은 통상적으로 "물리적 기상 증착(PVD: physical vapour deposition)" 공정 또는 "화학 기상 증착(CVD: chemical vapour deposition)" 공정으로 제조되는 초박막으로 이루어진다. PVD 공정에서는, 스트립이 기밀장치(air-lock system)를 통하여 진공 코팅 장치에 공급되고, 그 진공 코팅 장치에서 스트립은, 코팅 소재가 타깃으로서 부착되어 있으며 하나가 다른 하나의 뒤에 연결되어 있는 복수의 음극들을 통과한다. 가속된 아르곤 이온들에 의해 타깃으로부터 입자들이 튀어나와 코팅 소재로 구성된 금속 스트립 표면에 부착되어 스트립과 영구적 결합을 이루게 된다. 이어서, 스트립을 진공에서 취출하여 권선한다. 비록 종래 기술의 공정으로도 얇은 두께가 얻어질 수 있지만, PVD 또는 CVD 증착에서는 생산 비용이 많이 든다. 이것이 집열판의 단가에 반영되게 된다.

상기 사항을 기초로 하여, 본 발명의 목적은 고 선택 흡수막이 부착된 태양열 집열기용 집열판을 경제적으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 경제적으로 제조될 수 있는 집열판을 제공하는 것이다.

본 발명의 제1의 교시에 따르면, 상기 목적은, 방법과 관련해서는, 코일 코팅 공정을 이용하여 스트립에 태양광의 흡수성이 매우 우수하고 열 방출이 매우 적은 고 선택 흡수막을 도포하는 것을 특징으로 하는 것에 의해 달성된다.

코일 코팅 공정(coil coating process)을 사용함으로써 초박피막이 스트립에 균일하게 부착될 수 있고, 그에 따라 그에 대응하는 얇은 피막을 구비하는 고 선택 흡수막이 집열판 제조용 스트립에 부착될 수 있음이 판명되었다. 지금까지 사용된 방법과는 대조적으로, 본 발명의 방법에 따르면, 특히 스트립을 코팅함에 있어서 진공실을 출입하는 기밀 시스템이 필요하지 않기 때문에 높은 생산 비용이 필요하지 않게 된다. 그 다음에 스트립을 예를 들면 우선 코일로 권취하고 나중에 소정 길이로 절단한다. 그러나 코일 코팅 후에 바로 종방향으로 스트립을 절단하는 것도 또한 생각해 볼 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 바람직한 제1 실시예에 따르면, 흡수막을 적어도 하나의 롤러 코터(roller coater)를 사용하여 부착시킨다. 흡수막의 두께는 롤러 코터 위의 그라비어(gravure)로, 예를 들면 스트립에 대한 롤러 코터의 상대 속도에 의해 매우 정확하게 조절될 수 있다. 게다가, 스트립에 도포하는 또 다른 방법으로는, 예를 들면 스트립 표면에 파우더 코팅(powder coating) 또는 분사(spraying)가 있다.

바람직하기로는, 코일 코팅 공정에서 복수의 기능성 피막(functional coat)을 부착시킬 수 있고, 이에 의하면 다양한 기능성 피막들을 선택함으로써 고 선택 흡수막 특성들을 조정할 수 있다.

기능성 피막 각각의 두께는 0.0005 내지 0.02 mm 이다.

본 발명에 따른 집열판 제조 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 접착 증진 피막(adhesion promoter coat) 또는 프라이머 피막(primer coat)이 스트립 표면에 부착되며, 상기 표면은 사전에 미리 도포되는 것이 바람직하다. 개별적인 접착 증진 피막 또는 프라이머 피막에 의하여 후속하는 기능성 피막을 위한 스트립 표면의 접착성 물성이 실질적으로 개선된다. 고 선택 흡수막의 부착이 접착 증진 피막 또는 프라이머 피막의 부착에 의하여 방해되지 않기 위해, 접착 증진 피막뿐 아니라 프라이머 피막이 사전에 미리 도포되는 것이 바람직하다. 게다가, 스트립 표면의 개선된 접착 물성은 또 다른 피막이 부착될 때에도 이용될 수 있다. 접착 증진 피막은 또한, 이미 이 단계에서, 기능적(높은 선택도의) 피막으로서 해석될 수도 있다.

만일 부착된 피막이, 특히 나노-입자, 금속 입자, 금속 산화물 입자 및/또는 안료(pigment)와 같은 기능성 입자들을 포함하면, 부착된 각각의 피막들에 의하여 다양한 기능들이 구현될 수 있다. 예를 들면, 이러한 방법으로 피막의 반사 방지성(anti-reflective characteristic) 또는 흡수성이 기능성 입자들의 선택에 의하여 결정될 수 있다.

하나 또는 그 이상의 피막이 졸-갤(sol-gel) 원리로 적용되는 경우에는 특히 얇은 두께가 얻어질 수 있다. 만일 졸-겔 상태에서 코팅이 적용되면, 우선 액체 졸-필름이 부착되고, 상기 필름은 짧은 건조 시간 후에 고체 겔-필름으로 변환한다. 예를 들면 금속 산화물 필름이 표면 위에 남아 있도록 하기위해, 금속-유기 중합체(metal-organic polymer)의 유기 성분들이 추가적인 열처리에 의하여 제거된다. 예를 들면, 이것은 스트립 표면 위의 이산화 티타늄 증착에 의한 흡수성 피막의 제조 또는 스트립 위에 이산화 규소 증착에 의한 반사 방지성 피막의 적용에 사용될 수 있다. 이 경우에 피막의 두께가 매우 얇은 피막을 얻을 수 있다. 동시에, 입자들의 기능성은 오직 건조 공정에 의하여 제조될 수 있다.

마지막으로, 적어도 부분적으로 가요성을 갖는 코팅의 적용으로 인해 추가적인 이점들이 생긴다. 이 경우에, 코팅시에 갈라짐(tear)이 형성되지 않게 하면서 흡수 표면을 증가시키기 위해, 엠보싱(embossing)을 갖는 집열판을 제조하는 것도 또한 가능하다.

본 발명에 따른 제2 교시에 따르면, 상기 목적은 흡수성을 향상시키기 위해, 코일 코팅 공정을 사용하여, 고 선택 흡수막을 갖는 집열판을 통하여 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같이, 코일 코팅 공정을 사용하여 적용되는 코팅이 종래에 필수적인 PVD 또는 CVD 공정에 비하여 실질적으로 더 경제적으로 제조될 수 있는데, 이는 비용 집약적인 진공 기술이 생략되고 상당히 높은 코팅 속도가 달성될 수 있어서 지출 비용이 감소하기 때문이다.

본 발명에 따른 또 다른 실시예에 따르면, 집열판을 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성하는 것으로 인하여 비용과 무게 면에서의 또 다른 장점들이 얻어질 수 있다. 알루미늄은 유사한 열 전도성을 갖는 구리에 비하여 실질적으로 더 가볍다. 또한, 알루미늄은 재료로서도 구리에 비하여 실질적으로 더 경제적이다.

흡수성을 최적화한 집열판도 역시 여러 기능성 피막들로 이루어진 고 선택 흡수막으로 인해 이용 가능할 수 있고, 여기서 상기 기능성 피막은 적어도 부분적으로 기능성 입자들, 특히 나노-입자, 금속 입자, 금속 산화물 입자 및/또는 안료와 같은 기능성 입자들을 구비한다. 그 결과 각각의 피막들은 이들의 기능을 고려한 기능성 입자들을 선택함으로써 그 최적화가 가능하다. 예를 들면, 기능성 피막은 단파(short-wave) 태양 복사를 흡수하고 동시에 장파(long-wave) 복사열을 투과하는 특성을 구비할 수 있다. 결과적으로, 집열판이 적절히 가열되도록, 장파 복사열로 변환되는 단파 태양 복사의 전도가 이뤄진다. 동시에, 외부 피막은 복사열을 반사시킬 수 있고, 그 결과 흡수 피막은 좀처럼 어떤 복사열도 외부로 방출하지 않는다. 또한 추가적인 기능들, 예를 들면 습기 및 온도 저항성 또는 접착 증진 기능들을 통하여, 부식에 대한 표면 보호 기능을 하고, 상기 특성은 금속 기판의 박막을 실질적으로 향상시킨다.

집열판 위의 상기 기능성피막의 두께는 0.0005 내지 0.02 mm 인 것이 바람직하다.

앞에서 설명한 바와 같이, 기능성 피막을 위한 향상된 접착 특성들을 구비시킨 집열판은 접착 증진 피막 또는 프라이머 피막을 제공함으로써 활용 가능하게 된다.

본 발명에 따른 집열판의 또 다른 실시예에서는 졸-겔 원리로 적어도 하나의 기능성 피막을 마련하게 되므로 특히 얇은 두께가 만들어질 수 있다.

또한, 본 발명의 집열판의 열 흡수 물성은 코팅 전 또는 후에 집열판에 엠보싱을 마련하는 경우에 더욱 개선될 수 있다. 상기 판의 표면의 흡수 가능성은 엠보싱에 의하여 증가된다.

마지막으로 상기 제시된 목적은 본 발명에 따른 태양열 집열기, 특히 평판식 태양열 집열기(flat plate collector) 집열판의 사용 방법에 의하여 달성된다. 경제적으로 제조된 집열판은, 이미 설명한 바와 같이, 동일한 효율성을 유지하는 태양 전지판(solar panel) 또는 태양열 집열기 각각의 실질적인 비용의 감소에 공헌할 수 있다.

본 발명에 따른 집열판과 그 용도뿐만 아니라 태양열 집열기용 집열판의 제조를 위한 본 발명에 따른 방법을 개선하고 구성하는 수많은 가능성들이 있다. 이러한 목적에서 한편으로는 청구범위 제1항 및 제9항에 종속되는 특허 청구항들과, 다른 한편으로는 도면과 관련된 모범적인 실시예에 대한 상세한 설명을 참고할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 집열판의 대표적인 실시예의 표면 개략적인 단면이 도이다.

도 1은 총 세 개의 기능성 피막(2, 3, 4)들을 포함하는 코팅을 구비하는 집열판(1)의 표면을 나타낸다. 본 경우에 있어서. 기능성 피막(2)은 접촉 증진 피막 또는 프라이머 피막으로서 구성되며, 사전 공정에서 스트립 표면에 미리 부착되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 집열판의 도 1에 도시한 대표적 실시예의 경우의 기능성 피막(3)은 졸-겔 상태의 흡수 피막으로 구성되고, 상기 흡수 피막은 나노-입자들, 예를 들면 질산 티타늄 또는 이산화 티타늄과 같은 입자들을 구비한다. 흡수 피막(3)은 장파 복사열을 위해 투명한 것이 바람직하고, 그에 따라 단파 태양 복사열을 장파 태양 복사로 변환시켜서 집열판(1)의 표면에서 열에너지가 전도되는 것을 가능하게 한다. 졸-겔 원리에 기초하는 반사 방지 피막(4)은, 코일 코팅 공정을 통하여 부착된 것과 유사하게, 도포된 집열판의 반사 계수(reflective coefficient)를 매우 낮게 하는데, 반사 방지 코팅에 의하여 굴절률(refractive index)이 조정되기 때문이다. 그 결과 태양광의 흡수는 마찬가지로 증가한다. 상기 기능성 피막(2, 3, 4) 모두는 본 발명에 따른 코일 코팅 공정에 의해 적용되고, 이경우 롤러 코터를 사용한는 것이 바람직하다. 졸-겔 피막은 이러한 롤러 코터들에 의하여 단순한 방식으로 적용될 수 있다. 그러나 코일 코팅 공정에서 다른 적용 방법 또한 생각해 볼 수 있는데, 그 예를 들면 분사 장비 또는 파우더 코팅의 사용이 있다.

Claims (16)

1. 금속으로 제조된 스트립을 가지고 제조되며, 상기 스트립에, 코일 코팅 공정을 사용하여, 태양광 흡수성을 가지며 열 방출이 적은 고 선택 흡수막을 부착시키는 태양열 집열기용 집열판의 제조 방법에 있어서,

   적어도 하나의 롤러 코터를 사용하여 상기 고 선택 흡수막을 부착시키고, 롤러 코터를 사용하여 복수의 기능성 피막을 부착시키는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기용 집열판의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 기능성 피막 각각의 두께가 0.0005 내지 0.02 mm 인 것을 특징으로 하는 태양열 집열기용 집열판의 제조 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   전처리 공정에서 코팅되는 것이 바람직한 접착 증진 피막 또는 프라이머 피막이 부착되는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기용 집열판의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 부착된 피막들이 기능성 입자들, 나노-입자, 금속 입자, 금속 산화물 입자 및/또는 안료를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기용 집열판의 제조 방법.
5. 제1항에 있어서,

   하나의 피막 또는 복수의 피막들이 졸-겔 원리로 부착되는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기용 집열판의 제조 방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 적용된 코팅이 적어도 부분적으로 가요성을 갖는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기용 집열판의 제조 방법.
7. 금속 스트립을 가지고 제1항에 따른 방법을 이용하여 제조된 것으로서, 코일 코팅 공정을 이용하여서 태양광 흡수성을 향상시키기 위해 부착시킨 고 선택 흡수막을 구비하는 태양열 집열기용 집열판에 있어서,

   상기 고 선택 흡수막은 적어도 하나의 롤러 코터를 사용하여 부착시킨 다수의 기능성 피막들로 구성된 것을 특징으로 하는 태양열 집열기 집열판.
8. 제7항에 있어서,

   상기 집열판이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기용 집열판.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서,

   상기 기능성 피막은 적어도 부분적으로 기능성 입자를 구비하며,

   상기 입자는 나노-입자, 금속 입자, 금속 산화물 입자 및/또는 안료인 것을 특징으로 하는 태양열 집열기용 집열판.
10. 제7항에 있어서,

    기능성 피막의 두께가 0.0005 내지 0.02 mm 인 것을 특징으로 하는 태양열 집열기용 집열판.
11. 제7항에 있어서,

    접착 증진 피막 또는 프라이머 피막이 제공되는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기용 집열판.
12. 제7항에 있어서,

    적어도 하나의 기능성 피막이 졸-겔 원리로 마련된 것을 특징으로 하는 태양열 집열기용 집열판.
13. 제7항에 있어서,

    상기 집열판에는 코팅 전 또는 후에 엠보싱이 마련된 것을 특징으로 하는 태양열 집열기용 집열판.
14. 제7항에 따른 집열판을, 태양열 집열기 또는 평판식 태양열 집열기를 제작 하기 위해 사용하는 사용 방법.
15. 제1항에 있어서,

    상기 스트립은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 것을 특징으로 하는 태양열 집열기용 집열판의 제조 방법.
16. 삭제

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