KR101605594B1 - 태양 에너지 흡수재 유닛 및 그것을 포함하는 태양 에너지 장치 - Google Patents

태양 에너지 흡수재 유닛 및 그것을 포함하는 태양 에너지 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양 에너지 흡수 장치에 사용되는 태양 에너지 흡수재 유닛, 및 그 제조 방법들에 관한 것이다. 유닛은 태양 에너지를 흡수하고 태양 에너지를 열로 변환하도록 적응되는 전면 표면, 및 전면 표면에 대향하는 후면 표면을 갖는 열전도성 재료로 제조되는 집전기 플레이트를 포함한다. 후면 패널은 내부 표면 및 외부 표면을 갖고, 내부 표면은 유체 타이트 본드를 통해 집전기 플레이트의 후면 표면의 영역들에 부착되며, 그것에 의해 패널의 내부 표면 및 집전기 플레이트의 후면 표면은 패널이 부착되는 플레이트의 후면 표면의 영역들 사이에 유체 운반 채널을 함께 정의한다. 유닛은 열 추출 유체를 채널로 도입하고 유체를 그것으로부터 제거하는 연결기들을 갖는다. 집전기 플레이트 및 바람직하게는 후면 패널은 유체 운반 채널에 직면하는 코어 층의 측면 상에 형성되는 클래딩 층이 제공되는 알루미늄 함금의 코어 층으로 각각 제조되고, 클래딩 층은 만약 있다면, 단지 0.5 wt.%의 합금 원소들 및 불순물들의 전체 함량을 갖는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된다.

Description

태양 에너지 흡수재 유닛 및 그것을 포함하는 태양 에너지 장치{SOLAR ENERGY ABSORBER UNIT AND SOLAR ENERGY DEVICE CONTAINING SAME}
본 발명은 태양 에너지 흡수재 장치들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 태양광에 의해 직접 가열되는 태양 에너지 집전기들을 이용하고, 차례로 장치로부터 열 에너지를 추출하기 위해 사용되는 유체를 가열하는 광발전 특성보다는 오히려 열 특성의 태양 에너지 흡수재 장치들에 관한 것이다.
이 종류의 태양 에너지 흡수재 장치들은 일반적으로 하루의 상당 부분 동안 직접 태양광을 수용하기 위해 선택되는 건물들의 지붕들 상에 또는 다른 편리한 위치들에 장착될 수 있는 비교적 얇은 패널들의 형태로 제조될 수 있다. 패널들은 일반적으로 유리 또는 투명 플라스틱 재료로 통상 제조되는 투명 벽과 나머지는 열 손실에 대해 바람직하게 단열되는 금속, 목재 또는 플라스틱로 제조되는 얇은 플랫 박스로 구성된다. 박스는 투명 벽으로부터 수 센티미터 뒤로 세트되고 검게 채색되거나 또는 입사 태양광을 흡수하고 그것을 열로 변환하는 특수 코팅으로 코팅되는 전면 표면을 갖는 플랫 플레이트의 형태로 태양 에너지 집전기를 포함한다. 그것에 의해 발생되는 열은 열 추출 유체, 통상 수성 액체, 예를 들어 물 또는 물 및 프로필렌 글리콜(부동액)의 혼합물이 흐르게 되는 사행 방식(serpentine fashion)으로 배열되는 금속 튜브(통상 구리로 제조됨)를 통해 집전기 플레이트의 후면 표면으로부터 추출된다. 정상 조건들 하에, 열 추출 유체는 집전기 플레이트로부터 금속 튜브들로의 열 에너지의 전달로 인해 100℃만큼 높은 온도들에 도달할 수 있다. 포획된 에너지량은 집전기 플레이트의 크기, 입사 태양광의 강도 및 장치의 전체 설계에 의존하고 있어, 주의깊게 기획되지 않으면 불필요한 열 손실을 초래한다. 집전기 크기들은 통상 특히 장치들이 지붕 장착되고 따라서 눈에 띄도록 의도될 때 취급 및 미학적 고려사항들에 의해 제한된다. 열 손실을 최소화하기 위해, 그러한 장치들은 일반적으로 상술한 바와 같이, 열적으로 단열되고, 박스는 통상 폐쇄 및 밀봉되어 대류 열 손실을 방지하고 기후의 역효과들로부터 흡수재의 외부 표면을 보호한다. 그러므로, 사용 시에, 여전히 공기는 열이 박스 내에서 증강되도록 차폐 효과를 제공한다.
집전기 플레이트 자체는 전면 표면에서 수집되는 열이 추출될 때 패널을 통해 후면 표면으로 용이하게 통과되도록 우수한 열전도도를 가져야 한다. 이 이유로, 패널은 열 전도성 금속, 예를 들어 알루미늄, 구리 또는 이 금속들의 합금들로 제조되는 것이 통상적이다. 서펜타인 금속 튜브는 일반적으로 집전기 플레이트의 후면 표면에 직접 부착되고 이것은 다양한 방법들, 예를 들어 물리적 성형, 레이저 또는 초음파 용접, 또는 납땜에 의해 수행될 수 있다. 레이저 용접(좋은 조인트들을 제조함)의 경우에, 레이저 용접가능 보호 층은 플레이트의 후면 측면 상에 제공될 수 있다. 이것은 플레이트에 보호를 제공하고 용접 처리를 더 용이하게 한다. 그러나, 불연속 웰드들(welds)(즉 소위, 스티치 웰드들)은 종종 비용을 감소시키기 위해 금속 튜브를 집전기 플레이트에 연결하는데 사용된다. 그러므로, 튜브는 이격된 간격들에서만 플레이트에 부착되고 웰드 비드는 금속 튜브의 전체 길이를 따라 움직이지 않는다. 이것은 열 에너지 전달 동안 효율 손실들을 생성하고, 실제로 튜브의 부착을 위해 용접의 사용은 용접된 비드가 금속 튜브를 따라 완전히 연장될 때에도 크게 에너지 효율적이지 않다. 접촉 영역은 집전기 플레이트의 전체 표면적에 비해 오히려 제한될 뿐만 아니라, 웰드를 형성하는 재료는 우수한 열전도도를 가질 수 없고, 열은 포함되는 열 추출 유체를 가열하기 전에 금속 튜브의 벽을 통과해야 한다.
이 종류의 태양 장치들은 가능한 한 정비가 필요 없고, 긴 작동 수명을 갖도록 설계되어야 한다. 장치들은 정기 보수를 필요로 하는 임의의 가동부들을 포함하지 않지만, 부식은 열 추출 유체의 역효과들로 인해 발생할 수 있다. 불행하게도, 태양 집전기들 또는 열 제거 튜브들로 제조하는 것이 용이한 좋은 강도 및 성질들을 갖는 재료들은 종종 부식에 대한 좋은 저항을 갖지 않는다. 이것을 극복하기 위해, 내부식 재료들, 예를 들어 열 추출 유체들을 운반하는데 사용되는 튜브들 또는 채널들의 내부 표면들을 금속 산화물들로 코팅하거나, 금속 표면들을 희생 합금들의 층들로 클래딩하는 시도들이 이루어져 왔다. 그러한 접근법들은 예를 들어 1979년 12월 18일에 James M. Popplewell에게 하여된 미국 특허 제4,178,990호에 개시되어 있다. 그러나, 금속 산화물들에 의한 코팅은 피팅 부식을 완전히 방지하는데 불만족스러운 것으로 발견되었고, 클래드 금속들(예를 들어 알루미늄 아연 합금으로 클래딩된 알루미늄)의 사용은 2개의 클래드 시트들이 함께 본딩되어야 한다는 사실로 인해 복잡하고 비용이 드는 것으로 발견되었다. 또한, 보호 클래딩들은 비보호된 코어 표면을 남기는 부식에 의해 신속히 소모되었기 때문에 제한된 보호만을 제공하였고, 부식은 본딩된 부분들에서 발생함으로써, 본딩된 계면을 따르는 침투 및 열 전달 유체의 누출을 야기하는 것으로 발견되었다. Popplewell은 열 교환 유체가 태양 집전기 장치를 통과하기 전에 부식 금속 이온들이 그러한 유체로부터 제거되도록 그러한 이온들에 대한 높은 친화도를 갖는 게터 물질의 제공을 선호했다.
1977년 12월 13일에 Gerald C. Reed에게 발행된 미국 특허 제4,062,350호에서, 태양 흡수재는 스테인레스강으로 제조되는 베이스 시트 및 구리로 코팅되는 적어도 하나의 표면을 갖는 스테인레스강으로 제조되는 흡수재 시트를 갖는 것으로 설명된다. 스테인레스강의 사용은 꽤 무거운 태양 집전기 장치들을 제공할 수 있다. 특허권자는 알루미늄이 전형적인 수돗물(city water)에 노출될 때 부식에 영향을 받고 수영장 물에 노출될 때 부식에 심지어 더 민감하기 때문에 그러한 장치들에 알루미늄의 사용을 단념시킨다. 구리는 그의 우수한 열전도도 및 부식 저항 때문에 이용되지만, 특허권자는 구리의 비용이 비교적 높고 구리가 장래에 부족해질 수 있는 금속인 것을 지적한다.
1981년 10월 6일에 Harold W. Smith에게 발생된 미국 특허 제4,292,955호는 태양 에너지 집전기를 개시하며 태양 에너지 집전기는 높은 부식 저항 및 열 전달 성질들을 갖는 금속, 예를 들어 구리로 제조된다고 한다.
2007년 7월 25일에 유럽 특허 공개 제EP 1811245호로 발행된 유럽 특허 출원 제EP 07100563.1호는 알루미늄의 2개의 시트들로부터 태양 집전기의 구성을 설명한다. 제 1 알루미늄 시트는 방사선 흡수 코팅으로 코팅되는 흡수재 플레이트이다. 제 2 알루미늄 시트, 즉 하부 시트는 냉각 유체가 흐르는 채널들을 형성하는데 도움이 되는 스탬핑들(stampings)을 포함한다. 흡수재 플레이트 및 사전 스탬핑된 하부 시트는 폐쇄된 채널을 형성하기 위해 납땜에 의해 결합된다. 알루미늄 협회 3XXX 시리즈의 합금들은 그 중에서도 특히 사용될 수 있는 것으로 제안된다.
구성 재료들의 부식을 최소화하면서 열 추출의 양호한 효율이 획득될 수 있도록 이 종류의 장치들의 개선된 설계에 대한 요구가 존재한다.
본 발명의 대표적인 실시예는 태양 에너지 흡수재 유닛을 제공한다. 유닛은 태양 에너지를 흡수하고 태양 에너지를 열로 변환하도록 적응되는 전면 표면, 및 전면 표면에 대향하는 후면 표면을 갖는 열전도성 재료로 제조되는 집전기 플레이트, 및 내부 표면 및 외부 표면을 갖는 후면 패널로서, 내부 표면이 유체 타이트 본드(fluid-tight bond)를 통해 집전기 플레이트의 후면 표면의 영역들에 부착되는 후면 패널을 포함하며, 그것에 의해 패널의 내부 표면 및 집전기 플레이트의 후면 표면은 패널이 부착되는 플레이트의 후면 표면의 영역들 사이에(경계들 내에) 적어도 하나의 유체 운반 채널을 함께 정의한다. 유닛은 또한 열 추출 유체를 적어도 하나의 채널로 도입하고 유체를 그것으로부터 제거하는 연결기들을 포함한다. 집전기 플레이트는 플레이트의 후면 표면을 형성하는 클래딩 층이 제공되는 알루미늄 합금의 코어 층을 포함하며, 클래딩 층은 만약 있다면, 단지 0.5 wt.%, 바람직하게는 단지 0.4 w.%, 및 더 바람직하게는 단지 0.35 wt.%의 합금 원소들 및 불순물들의 전체 함량을 갖는 알루미늄 또는 알루미늄 합금로 제조된다. 심지어 더 바람직하게는 전체 Fe 함량은 만약 있다면, 단지 0.25 wt.%(즉 0-0.25 wt.%)이다. 그러므로, 클래딩 층의 합금은 고순도이고 주로 알루미늄을 포함한다.
후면 패널은 금속으로 제조되거나, 대안적으로 플라스틱 또는 복합 재료와 같은 재료로 제조될 수 있으며, 그 경우에 후면 패널의 내부 표면은 후면 패널이 집전기 플레이트에 부착되기 전에 부착된 후에 유체 운반 채널에 대응하는 범위들에 오목부들을 형성하기 위해 성형될 수 있다. 플라스틱 또는 복합 재료의 후면 패널은 접착제의 사용에 의해 집전기 플레이트에 부착될 수 있다. 그러나, 후면 패널은 패널의 내부 표면을 형성하는 클래딩 층이 제공되는 알루미늄 합금의 코어 층을 갖는 금속 패널인 것이 바람직하며, 클래딩 층은 만약 있다면, 단지 0.5 wt.%, 바람직하게는 단지 0.4 w.%, 및 더 바람직하게는 단지 0.35 wt.%의 합금 원소들 및 불순물들의 전체 함량을 갖는 알루미늄 또는 알루미늄 합금로 제조된다. 심지어 더 바람직하게는 Fe의 전체 함량은 만약 있다면, 단지 0.25 wt.%이다.
패널이 상기 표시된 금속 패널일 때, 유체 타이트 본드는 바람직하게는 집전기 플레이트 및 후면 패널의 클래딩 층들을 결합되는 플레이트의 영역들에서 함께 롤 본딩함으로써 형성되는 것이다. 그 다음, 유체 운반 채널들은 압력 하에 유체를 도입함으로써 구속된 또는 약하게 본딩된 범위들을 플레이트와 패널 사이에서 팽창시켜 형성될 수 있다. 롤 본딩은 둘 사이에서 좋은 열 전달을 허용하는 금속 집전기 플레이트와 금속 후면 플레이트 사이의 직접 접촉을 야기한다. 후면 패널이 플라스틱 또는 복합 재료로 제조될 때, 유체 타이트 본드는 결합되는 영역들에 접착제의 도포에 의해 형성될 수 있고 유체 운반 채널은 후면 패널의 이전 성형된 범위들에 의해 형성될 수 있다.
집전기 플레이트는 플레이트의 전면 표면을 형성하는 코어 층의 대향면 상에 추가 클래딩 층을 가질 수 있으며, 추가 클래딩 층은 만약 있다면, 단지 0.5 wt.%, 바람직하게는 단지 0.4 w.%, 및 더 바람직하게는 단지 0.35 wt.%의 합금 원소들 및 불순물들의 전체 함량을 갖는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된다. 마찬가지로, 후면 패널은 바람직하게는 외부 표면을 형성하는 패널의 코어 층의 대향면 상에 추가 클래딩 층을 포함하며, 추가 클래딩 층은 만약 있다면, 단지 0.5 wt.%, 바람직하게는 단지 0.4 w.%, 및 더 바람직하게는 단지 0.35 wt.%의 합금 원소들 및 불순물들의 전체 함량을 갖는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된다.
집전기 플레이트의 전면 표면에는 태양 에너지의 흡수를 증대시키도록 적응되는 거친 또는 텍스처화된 표면이 제공되는 것이 유리하다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 전면 표면에는 태양 에너지의 흡수를 증대시키도록 적응되는 재료 층이 제공될 수 있다.
다른 대표적인 실시예는 투명 재료, 예를 들어 유리 또는 플라스틱으로 제조되는 전면 벽을 갖는 인클로저, 및 인클로저 내에 장착되는 상기 종류의 태양 에너지 흡수재 유닛을 포함하는 태양 에너지 흡수재 장치를 제공한다.
추가 대표적인 실시예는 태양 에너지 흡수재 유닛을 제조하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 태양 에너지를 흡수하고 태양 에너지를 열로 변환하도록 적응되는 전면 표면, 및 전면 표면에 대향하는 후면 표면을 갖는 열전도성 재료로 제조되는 집전기 플레이트, 및 내부 표면 및 외부 표면을 갖는 후면 패널을 제공하는 단계를 포함한다. 후면 패널의 내부 표면 또는 집전기 플레이트의 후면 표면은 일부들은 유체 운반 채널의 패턴으로 비접합 잉크에 의해 코팅되고, 패널의 내부 표면의 비코팅된 영역들은 롤 본딩에 의해 플레이트의 후면 표면의 대응하는 영역들에 부착되어 비구속된 또는 약하게 본딩된 영역들을 표시된 패턴으로 남기면서 유체 타이트 본드을 그 사이에 형성한다. 그 다음, 유체 운반 채널은 비구속된 영역들에서 플레이트와 패널 사이에 도입되는 압력 하에 유체로 팽창된다. 연결기들은 유체 운반 채널에 제공되어 열 추출 유체가 채널로 도입되고 그것으로부터 제거될 수 있다.
본 설명에서, AA 번호들에 의해 식별되는 합금들에 대한 참조가 이루어진다. 알루미늄 및 그의 합금들을 명명하고 식별하는데 가장 일반적으로 사용되는 번호 지정 체계의 이해를 위해 2009년 2월에 개정된 알루미늄 협회에 의해 발행되는 "international Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys"를 참조한다(그의 개시 내용은 본 명세서에 참조문헌으로 포함되어 있음).
"클래드" 및 "코어", 또는 "클래딩 층" 및 "코어 층"이라는 용어들은 본 명세서에서 꽤 느슨하게 사용되는 것이 설명되어야 한다. 예를 들어, 코어 층 및 클래딩 층이 3층 구조에서 식별되는 것이 용이할 수 있을지라도, 엄격히 말하면 2층 구조에서 그러한 것과 같은 코어 층(즉 내장된 층)이 존재하지 않을 수 있다. 그러나, 코어 층은 통상 그러한 2층 구조에서 더 두꺼운 층인 것으로 간주되고, 통상 벌크 물리적 성질들을 층 구조에 가하는 층이다. 본 발명의 맥락에서, 적어도 하나의 유체 운반 채널에 직면하는 다층 구조의 층은 클래딩 층(또는 클래드)인 것으로 간주된다.
집전기 플레이트 및 선택적으로 후면 패널의 클래딩 층(들)에 사용되는 고순도 알루미늄 합금들은 이하의 실험 부분에 도시된 바와 같이, 좋은 부식 저항을 갖지만, 그들은 모놀리식 층(단일 층)의 형태에서의 사용에 너무 약하고 손상되는 경향이 있다. 그러한 합금들을 클래딩 층으로서 더 강한 금속 코어 상의 부식에 민감한 표면들 상에 제공하는 것이 유리한 것으로 발견되어 왔다. 클래딩 층들은 부식에 민감한 표면들, 즉 유체 운반 채널(들) 내의 표면들 및 가능하게는 태양열 흡수재 유닛들을 위해 제공되는 인클로저 내의 대기와 접촉하는 표면들 상에 제공되는 것이 바람직하다.
도 1은 태양 에너지 흡수재 장치의 하나의 대표적인 실시예의 단면이다.
도 2는 도　1의 장치의 태양 에너지 흡수재 유닛의 부분 단면이다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 도 2의 유닛에 사용될 수 있는 대표적인 집전기 플레이트들의 부분 단면들이다.
도 4는 도　2의 유닛에 사용될 수 있는 후면 패널의 부분 단면이다.
도 5a 및 도 5b는 상호 부착의 지점들에서 집전기 플레이트들 및 후면 패널들의 대표적인 어셈블리들의 대안적 부분 단면들이며, 이들은 도 2의 유닛에 이용될 수 있는 종류이다.
도 6은 이하의 실험 부분에서 설명되는 바와 같은 결과들을 발생시키는데 사용되는 실험 셀의 단면이다.
도 7은 이하의 실험 부분에서 설명되는 실험의 결과들을 나타내는 그래프이다.
도 8은 이하의 표 1에 나타낸 다양한 합금들의 측정된 수동적 범위들을 나타내는 그래프이다.
본 발명이 관련되는 종류의 태양 에너지 흡수재 장치의 대표적인 실시예는 도 1에 도시되고 이하에 간단히 설명된다.
도면은 건물의 지붕 등 상에 장착하는데 적절한 플랫 패널 형태의 태양 에너지 흡수재 장치(10)의 부분 단면을 도시한다. 장치는 예를 들어 유리 또는 투명 플라스틱으로 제조되는 투명한 직사각형 전면 벽(11), 및 예를 들어 절연 재료(예를 들어 발포 폴리스티렌)로 제조되거나 또는 종래의 단열재(도시되지 않음), 예를 들어 유리 섬유 등의 내부 및/또는 외부 층이 제공되는 금속, 목재 또는 플라스틱으로 제조되는 후면 벽(12)을 갖는 외부 인클로저(10A)를 포함한다. 전면 및 후면 벽들은 후면 벽(11)과 동일한 구성으로 제조될 수 있는 짧은 측면 벽들(13)에 의해 그의 주변들에서 연결된다. 벽들은 밀봉 장치를 형성하기 위해 그의 각각의 에지들에서 상호 연결된다. 유체 연결기들(14)은, 열 추출 유체가 장치에 들어가고 장치를 떠나는 것을 허용하는데, 벽들 중 하나, 예를 들어 도시된 바와 같은 측면 벽(13)을 통과한다. 밀봉 인클로저(10A)는 투명 벽(11)을 통과하는 태양 에너지(20)를 흡수하는 태양 에너지 흡수재 유닛(15)을 포함하고, 그것을 열 에너지를 변환한 다음에, 열 추출 유체의 이용에 의해 열 에너지를 수집 및 제거한다. 유닛(15)은 검게 칠해진 전면 표면을 갖거나 또는 태양 에너지를 효율적으로 흡수함으로써 가열되는 재료 층(19)이 제공되는 집전기 플레이트(17)를 포함한다. 열은 후면 패널(25)과, 그의 전체 표면적, 또는 그의 선택된 부분이나 부분들에 걸쳐 커버되는 그의 후면 표면(16)으로의 전도에 의해 집전기 플레이트(17)를 통해 전달된다. 후면 패널은 후술되는 바와 같은 서펜타인 또는 다른 복합 경로, 또는 대안적으로 다수의 채널들에 이어 집전기 플레이트(17) 및 단일 채널(26)과 접촉하는 평면 부분들(18)을 제공하기 위해 윤곽을 이룬다. 채널(26)은 장치(10) 외부에 위치되는 유체 펌프(도시되지 않음)에 의해 열 추출 유체(22)(통상 부동/비등방지 첨가제로서의 물 또는 프로필렌 글리콜 또는 유사한 화학 물질을 포함하는 물임)가 연속적으로 공급될 수 있도록 그의 대향 단부들에서의 적절한 파이핑(도시되지 않음)을 통해 유체 연결기들(14)에 연결된다. 채널 내의 열 추출 유체(22)는 후면 표면(16)의 상당한 면적에 걸쳐 집전기 플레이트(17)의 후면 표면(16)과 직접 접촉하며, 이는 통상 이 목적을 위해 제공되는 종래의 서펜타인 금속 튜브보다 더 효율적인 수집을 허용하는 점에 주목될 것이다. 태양 에너지에 의해 발생되는 열은 열 추출 유체(22)에 의해 수집되고 열 추출 유체와 함께 장치로부터 제거된다. 이 방법으로 제거되는 가열된 유체는 다른 매체(예를 들어 건물 내에 사용되는 온수, 또는 건물 공간을 직접 가열하거나, 다른 처리들을 위한 공기 또는 물)를 가열하기 위해 예를 들어 종래의 열 교환에 의해 사용될 수 있다. 그 다음, 감소된 온도의 열 추출 유체는 추가 열 수집을 위해 태양 에너지 흡수재 장치(10)에 복귀되고 열 추출 유체의 일정하고 연속적인 재순환이 통상 수행된다.
도 2는 도 1과 유사하지만 태양 에너지 흡수재 유닛(15)만을 단독으로 도시하는 단면이다. 후면 패널(25)은 28과 같은 영역들 내의 집전기 플레이트(17)의 후면 표면(16)에 고정 부착되고 이 부착은 패널(25)의 전체 범위에 걸쳐 이루어져 채널(26) 내에 열 추출 유체를 한정하고 채널의 인접한 루프들 사이의 열 추출 유체의 교차 흐름을 방지한다. 집전기 플레이트(17)는 상이한 알루미늄 합금의 얇은 층을 갖는 일 측면 또는 양 측면들 상에 클래딩되는 알루미늄 합금 시트로 제조되는 것이 바람직하다. 이 종류의 클래드 시트는 예를 들어 2009년 1월 6일자로 허여된 Anderson 등의 미국 특허 제7,472,740호에 개시되어 있는 순차적 코-캐스팅 방법에 의해 제조되는 열간 및 냉간 압연 복합 잉곳에 의해 제조될 수 있다(그의 명세서는 특히 본 명세서에 참조문헌으로 포함되어 있음). 후면 패널(25)은 금속 또는 대안적으로 성형 플라스틱 재료 또는 복합 재료로 제조될 수 있으며, 그 경우에 영역들(28) 내의 본딩은 접착제의 사용에 의해 달성된다.
도 3a는 코어 층의 대향면들 상에 제공되는 코어 층(30) 및 클래딩 층들(31 및 32)로 구성되는 클래드 플레이트의 형태로 집전기 플레이트(17)의 대표적인 실시예를 도시한다. 코어 층(30)은 그의 좋은 기계적 성질들뿐만 아니라 좋은 열전도도를 위해 선택되는 합금이다. 바람직하게는, 코어의 합금은 열 처리가능(시효 경화) 합금이 아니므로, 코어 층의 합금의 기계적 강도를 발전시키는 열 처리에 대한 요구가 존재하지 않는다. 그러한 열 처리들은 합금 원소들의 이동을 코어 층(30)으로부터 클래딩 층들(31 및 32)로 바람직하게 않게 야기함으로써, 클래딩 층들의 부식 성능을 손상시킬 수 있다. AA3XXX, AA4XXX, AA5XXX 또는 AA8XXX 시리즈의 알루미늄 합금들은 코어 층에 적절하고, AA1XXX 시리즈의 합금들의 일부도 역시 그러하다. 코어 층(30)에 대한 합금 선택은 상술한 프로세스에 의한 코-캐스팅의 용이함에 영향을 받을 수 있다. 클래딩 층들(31 및 32)은 부식에 대해 높은 저항을 갖는 합금들이 되도록 선택된다. 부식은 집전기 플레이트(17)가 열 추출 유체(22)와 접촉하는 지점들에서 가장 많이 발생할 것 같으므로, 플레이트는 단지 일 측면, 즉 채널(26) 내의 열 추출 유체(22)와 직면하고 접촉하는 후면 표면(16)을 형성하는 측면 상에 클래딩될 수 있다. 클래딩을 위해 선택되는 바람직한 합금들은 만약 있다면, 단지 0.5 wt.%, 더 바람직하게는 단지 0.4 wt.% 및 가장 바람직하게는 단지 0.35 wt.%의 합금 원소들 및 불순물들의 전체 함량을 갖는 알루미늄 합금들이다. 따라서, 알루미늄 합금들은 고순도이다.
고온 열 처리의 오랜 기간들은 Fe와 같은 불순물 원소들을 용해시키는데 도움이 되도록 사용될 수 있다. 원칙적으로, 이것은 불순물들이 캐소드들의 역할을 하는 것을 방지함으로써, 주어진 불순물 베이스 레벨에 대한 부식 저항을 더 개선할 수 있었다. 실제로, 이것은 느리고 비싸기 때문에 덜 바람직하며 패널들을 약화시키고 찌그러뜨릴 가능성이 있다.
언급된 바와 같이, 집전기 플레이트(17)의 상부(즉 외부) 표면은 통상 태양 에너지를 강하게 흡수하는 재료 층(19)으로 코팅된다. 층(19)은 다년의 서비스 동안 대기 부식 형태들에 고접착되고 저항하는 것이 바람직하다. 층(19) 아래의 높은 내부식 금속의 추가 클래딩 층(31)의 선택적 사용은 또한 패널의 부식 저항 성질들 및 일반적 내후성을 증대시킨다. 이러한 층(31)은 하부 클래딩 층(32)의 것과 동일한 합금으로 제조될 수 있거나, 그것은 열 추출 유체보다는 오히려 인클로저(10A)에 존재하는 공기 또는 다른 가스들 또는 습기와 접촉할 때 부식을 감소시키도록 주로 의도되기 때문에 상이할 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 집전기 플레이트(17)의 상부 표면에는 추가적으로 태양 흡수를 개선하기 위해 거친 또는 텍스처화된 표면(40)이 제공될 수 있다. 상부 표면은 미국 특허 제7,516,637호의 교시에 따라 텍스처화될 수 있으며, 그의 개시 내용은 본 명세서에 참조로 포함되어 있다. 양 측면들 상에 클래드 층들이 제공되는 코어 층(30)의 경우에, 도 3b에 도시된 바와 같이, 거친 또는 텍스처화된 표면(40)은 코팅 층(19)과 접촉하는 클래딩 층(31)의 상부 표면일 것이다. 그러나, 클래딩 층(31)은 도 3c의 대안적 실시예에 도시된 바와 같이 생략될 수 있다(예를 들어 대기 부식이 심각한 우려가 아닌 경우에). 이 경우에, 거친 또는 텍스처화된 표면(40)은 코팅 층(19)과 접촉하는 코어 층(30)의 상부 표면이다.
후면 패널(25)이 상술한 바와 같이 플라스틱 또는 복합 재료로 제조될 수 있을지라도, 그것은 집전기 플레이트(17)와 동일한 방식으로 상이한 알루미늄 합금을 갖는 일 측면 또는 양 측면들 상에 바람직하게 클래딩되는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조되는 것이 바람직하다. 그러한 배치는 코어 층(35)이 클래딩 층들(36 및 37)을 갖는 그의 대향면들 상에 클래딩되는 도 4에 도시되어 있다(이는 도 2의 참조 번호 27에 의해 지시되는 범위 내의 패널의 부분을 나타냄). 또한, 코어(35)는 우수한 기계적 성질들을 갖는 합금들로부터 선택될 수 있다. 이상적으로, 열 처리가능 합금들은 기계적 강도를 발전시키는 열 처리에 대한 요구가 존재하지 않도록 코어 층(35)에 대해 회피된다. 그러한 열 처리들은 합금 원소들의 이동을 코어 층(35)으로부터 클래딩 층들(36 및 37)로 야기함으로써, 그들의 부식을 감소시키기 때문에 바람직하지 않다. 코어 층(35)에 대한 적절한 합금들은 AA3XXX 및 AA5XXX 시리즈로부터의 합금들을 포함한다. 열 추출 채널(26)의 내부 표면을 형성하는 후면 패널의 상부 표면은 만약 있다면, 단지 0.5 wt.%, 더 바람직하게는 단지 0.4 wt.% 및 가장 바람직하게는 단지 0.35 wt.%의 합금 원소들 및 불순물들의 전체 함량을 갖는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 클래딩된다. 그 결과, 이 합금들은 고순도이다. 집전기 플레이트(17)의 유체 직면 표면 상에 제공되는 클래딩 층(32)과 결합하여, 이것은 열 추출 유체(22)가 채널(26)을 형성하는 내부식 표면들 내에 전체적으로 둘러싸여지는 것을 보장한다. 후면 패널(만약 있다면)의 하부(즉 외부) 층(37)에 사용되는 클래딩은 태양 장치 내의 대기로부터 부식에 저항하는 높은 내부식 알루미늄 합금으로 될 수도 있다. 이것은 클래딩 층(36)의 합금 또는 상이한 내부식 합금과 동일할 수 있다. 이 종류의 클래드 패널들은 상술한 바와 같은 프로세스에 의해 생성되는 클래드 잉곳으로 제조될 수 있다.
도 5a는 집전기 플레이트 및 후면 패널이 서로 접촉되고 상호 부착되는 참조 번호 28에 의해 지시되는 도 2의 영역 내에 클래드 집전기 플레이트(17) 및 클래드 후면 패널(25)을 도시한다. 집전기 플레이트(17)의 내부 클래딩 층(32) 및 후면 패널(25)의 내부 클래딩 층(36)은 상기 지시된 바와 같이, 고 부식 저항을 열 추출 유체(22)에 제공하도록 선택된다. 또한, 이 클래딩 층들에 대한 고순도 합급들의 사용은 마이크로-갈바닉 작용을 최소화하는 것이 가능함으로써, 부식을 더 감소시키거나 지연시킨다.
도 5b는 클래드 집전기 플레이트(17) 및 클래드 후면 패널(25)을 포함하며 집전기 플레이트 및 후면 패널은 오직 하나의 클래딩 층을 각각 포함한다. 집전기 플레이트(17)의 클래딩 층(32) 및 후면 패널(25)의 내부 클래딩 층(36)은 상기 지시된 바와 같이, 높은 부식 저항을 열 추출 유체(22)에 제공하도록 선택되지만, 상술한 외부 클래딩 층들(31 및 37)은 존재하지 않는다. 그러한 배치는 대기 부식이 깊은 우려가 아닌 상황들에 사용될 것이다. 상술한 바와 같이, 도 5b의 실시예에서의 코어 층(30)의 외부 표면, 또는 도 5a의 실시예에서의 클래딩 층(31)의 외부 표면은 태양 흡수를 개선시키거나 증대시키기 위해 텍스처화되거나 거칠 수 있다.
클래딩 층들에 사용되는 고순도 합금들은 후면 패널(25)을 집전기 플레이트(17)에 부착하기 위해 사용될 수 있는 롤 본딩 프로세스를 용이하게 한다. 롤 본딩은 플레이트 및 패널이 결합되는 영역들 내의 힘-부하 롤러들 사이에 적층 플레이트 및 패널을 통과시킴으로써 상당한 힘을 플레이트 및 패널에 인가하는 것을 포함한다. 이것은 미리 채널들(26)을 형성하기 위해 후면 패널(25)이 성형되면 곤란해질 것이다. 따라서, 후면 패널(25)은 평평하게 유지될 수 있고 플레이트 또는 패널의 내부 표면은 채널(26)의 원하는 경로를 생성하기 위해 비접합 재료(종종 비접합 "잉크"로 지칭됨)의 분산으로 "인쇄"될 수 있다. 흑연 잉크들은 이 목적에 적절하다. 그 다음, 집전기 플레이트 및 후면 패널은 롤 본딩이 일어나도록 힘-부하 롤러들을 통해 통과된다. 비접합 잉크에 의해 분리되지 않는 접촉 범위들에서, 접합 강도는 비교적 높은 반면에, 비접합 잉크가 증착되는 접촉 범위들에서, 접합 강도는 비교적 낮거나 표면들은 결코 접합되지 않는다. 그 다음, 롤 본딩 후에 낮거나 제로 접합 강도를 갖는 범위들은 채널(26)을 형성하기 위해 "팽창"될 수 있으며, 즉 압력 하의 팽창 유체는 집전기 플레이트와 후면 패널 사이에 도입되고, 압력은 그들이 강하게 부착되지 않은 범위들에 집전기 플레이트 및 후면 패널을 개별적으로 밀어 넣기에 충분히 높고, 채널(26)을 형성하기 위해 채널을 영구적으로 찌그러뜨리기에 충분히 높다. 팽창 유체는 가스 또는 액체일 수 있다.
팽창 동안, 집전기 플레이트 및 후면 패널 중 하나만이 찌그러질 수 있거나(바람직하게는 후면 패널), 또는 채널(26)이 형성될 때 둘 다가 찌그러질 수 있다. 집전기 플레이트 및 후면 패널 둘 다의 팽창은 어느 하나의 신장 성형 요건들을 제한하면서 성형되는 채널의 단면적을 최대화하는 장점을 갖는다. 집전기 플레이트 및 후면 패널 중 하나만이 팽창되면, 그 구성요소는 모든 신장 성형을 제공해야 할 것이다. 집전기 플레이트 및 후면 패널 내의 상대 팽창의 양은 코어 층들(30 및 35)에 사용되는 합금들의 상대 강도들 및/또는 두께들에 영향을 받을 것이다. 찌그러지는 코어에 대해, 단지 대략 60MPa의 O-템퍼(O-temper) 내의 항복 강도 및 30% 이상의 신장[파괴(failure)까지의 단축 신장(uniaxial elongation)]을 갖는 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 클래딩 및 코어에 사용되는 금속의 항복 강도의 차이는 단지 대략 50MPa이어야 하는 것이 바람직하다. 클래딩의 신장(elongation)은 팽창이 일어날 때 코어의 신장이 지배되기 때문에 코어의 신장과 동일하거나 신장보다 높아야 하는 것이 바람직하다. 구체적인 바람직한 예들을 제공하기 위해, 종종 코어에 사용되는 O 템퍼 내의 합금 AA1100의 항복 강도는 34MPa이고 그의 신장은 대략 35%인 것이 언급된다. O 템퍼 내의 합금 AA3003에 대해, 대응하는 값들은 42MPa 및 30-40%이고, 합금 AA5005는 40+MPa의 O 템퍼 항복 강도를 갖는다. 대조적으로, 합금들 AA5082 및 AA5083는 100-200MPa의 항복 강도들을 가지며, 이는 채널 팽창 동안 찌그러짐에 견디도록 의도되는 코어 층들에서의 사용에 대해 매우 높다.
상기 실시예들의 논의에서, 채널(26)은 서펜타인 또는 다른 복합 패턴으로 집전기 플레이트(17)의 후면 표면에 걸쳐 신장되는 단일 채널일 수 있는 것이 제시되어 왔다. 그러나, 대안적 배치들이 가능하다. 예를 들어, 개별 채널들은 플레이트(17)의 후면 표면을 가로질러 평행하게 신장되고 장치 외부에 또는 집전기 플레이트의 대향면 에지들을 따라 신장되는 매니폴들을 통해 결합될 수 있다. 게다가, 상술한 부착 방법은 희망한다면 채널 길이를 따라 가변 단면들을 갖는 채널들을 제조하기 위해 사용될 수 있다. 방법은 부착 면적들을 변화시키기 위해 사용될 수도 있어, 집전기 플레이트의 하부 표면과 열 추출 유체의 접촉 면적은 채널 길이를 따라 변화될 수 있다. 채널들의 본질을 이 방법으로 변화시키는 능력은 주어진 채널 패턴들에 따라 다르게 발생할 수 있었던 열 추출 유체 유동률 또는 압력으로 변화들을 수용하는데 유용하다. 더욱이, 집전기 플레이트(17)는 일반적으로 평평하지만(바람직함), 대안적으로, 채널들(26)은 후면 패널이 평평한 상태에서 집전기 플레이트(17)에 형성되거나, 윤곽형 집전기 플레이트(17)와 함께 채널들의 일부를 형성하기 위해 부분적으로 윤곽을 이룰 수 있는 것이 제시되어 왔다.
선택적 태양 흡수재 층(19)에 사용되는 재료에 대한 다수의 선택권들이 존재한다. 층은 통상 높은 흡수율 및 낮은 방사율(예를 들어 흡수율:방사율에 대해 95:5만큼 높은 선택율)을 갖도록 공식화되는 얇은 블랙 필름이다. 산화 코발트, 또는 산화 구리와 같은 "진성 흡수재들(intrinsic absorbers)"의 얇은 필름들이 이용될 수 있다. 그러나, 높은 선택율은 유전체 및 얇은 금속들 필름들(광학적으로 투명함) 또는 반도체/금속 조합들의 교체 층들을 사용하는 것과 같은 다른 방법들로 유도될 수 있다. 다층 구조들은 일반적으로 고성능이지만, 제조에 보다 비용이 많이 들 수 있다.
대표적인 실시예들의 태양 에너지 흡수재 유닛들은 임의의 원하는 크기로 제조될 수 있다. 그러한 유닛들에 대한 종래의 크기는 1.2m x 2.4m(4ft x 8ft)이지만, 더 작은 유닛들이 바람직하며, 예를 들어 1m x 2m일 수도 있다.
본 발명의 바람직한 대표적인 실시예들은 이하의 실험 부분의 참조에 의해 더 이해될 것이다.
실험
태양 에너지 흡수재 유닛들의 채널들 내에서 부식을 최소화하기 위해 유효 클래딩 층들을 형성하는 알루미늄 합금들의 종류들을 결정하도록 테스트가 수행되었다. 이하의 표 1은 8개의 후보 합금들의 조성들을 나타낸다.
클래드 층들로 평가되는 알루미늄 합금들
양들은 전체 합금의 중량퍼센트이다
샘플
번호		 Cu Fe Mg Mn Si Ti Zn V 전체
1 0.004 <0.001 0.003 <0.001 0.005 <0.001 <0.001 <0.001 0.017
2 0.004 0.078 <0.001 0.001 0.046 0.005 0.002 0.008 0.145
3 0.004 0.129 <0.001 0.001 0.045 0.005 0.002 0.008 0.195
4 0.004 0.165 <0.001 0.002 0.045 0.005 0.002 0.008 0.232
5 <0.001 0.218 <0.001 <0.001 0.069 0.003 0.015 <0.001 0.309
6 <0.001 0.35 0.002 0.004 0.046 0.007 0.012 0.005 0.427
7 0.14 0.32 0.005 0.003 0.099 0.011 0.004 0.007 0.589
8 0.16 0.59 0.039 1.087 0.2 0.007 0.009 0.012 2.104
주석: 모든 다른 원소들 및 불순물들은 각각 0.005 wt.% 미만의 적은 양으로 존재하였다.
샘플 합금 8은 주요 합금 원소로서 Mn을 갖는 전형적인 3XXX 시리즈 합금이다.
모든 합금들은 거의 0.9~1.0 mm 게이지의 모놀리식(단일 층) 시트 형태로 평가되었다. 초기 시리즈의 테스트들은 거의 2분 동안 에탄올에서 초음파 탈지에 이어 압연 다듬질 표면들 상에 수행되었다.
전기 화학 실험들은 도 6에 도시된 바와 같은 표준 3전극 배치를 갖는 Princeton "플랫 셀"을 사용하여 수행되었다. 이 장치는 최소의 시료 준비를 갖는 알루미늄 합금의 작은 쿠폰들(60)의 테스팅을 허용했다. 테스트 쿠폰들(60)의 전면들은 셀(65)의 단부 플레이트(62)에 장착되는 O-링 시일(61)에 대해 클램핑되었다. 이 배치는 금속 쿠폰의 균일한 1cm2 디스크를 셀 내의 테스트 용액(64)에 노출시켰다. LPE(Linear Polarization Experiments)는 영국 컴브리아주에 소재하는 에이씨엠 인스트루먼츠 리미티드(ACM Instruments Ltd.)로부터 획득되는 프로그램가능한 전기 화학 인터페이스를 사용하여 수행되었다.
LPE 실험들은 테스트 쿠폰(60)과 표준 기준 전극(66)(예를 들어 SEC, 또는 Ag/AgCl로 지칭되는 칼로멜) 사이의 전위를 측정하는 것 및 퍼텐쇼스탯(potentiostat)(67)을 사용하여 전위를 제어하는 것을 포함했다. 쿠폰의 알루미늄이 양극적으로(anodically) 양극화되게 함으로써, 부동태 필름 파괴 및 순차적 피트 개시를 위한 점진적으로 증가하는 구동력을 제공하는 것이 가능했다. 이 양극화 동안 부동태 필름 저항의 범위는 알루미늄 샘플의 전위가 점진적으로 증가되었을 때(즉 보다 포지티브로 이루어짐) 샘플 쿠폰(60)과 비활성 카운터 전극(68) 사이의 전류를 감시함으로써 측정되었다. 알루미늄 합금에 대한 전형적인 LPE 결과는 특정 테스트 용액에서 합금의 부식 저항을 나타내는 3개의 특징들, 즉:
1. Efc - 합금의 자유 부식 전위;
2. Epit - 때때로 공식 전위(pitting potential)로 지칭되는 파괴 전위; 및
3. 패시베이션 범위 - Efc와 Epit 사이의 전위 차이의 측정값을 나타낸다. 이 범위는 통상 합금의 공식 저항의 측정값으로서 사용된다.
표 1의 합금들은 다양한 테스트 수용액들 사용하여 LPE 실험들에서 테스트되었다. 통상 태양열 장치들에서 열 추출에 사용되는 열 추출 용액들(즉 50% 물/50% 프로필렌 글리콜)은 일반적으로 매우 낮은 이온성 전도도를 갖고 합금들 중 아무 것도 그러한 용액들을 사용하는 LPE 실험들에 포함되는 짧은 기간들 동안 파괴 전위들(Epit)을 나타내지 않았으며 따라서 그러한 용액들은 후보 합금들의 부식 저항을 평가하는데 유용하지 않았다. 이 이유로, 보다 공격적인 테스트 용액들이 사용되고, 즉:
● 25℃(148 mg/L Na2SO4; 165 mg/L NaHCO3)에서의 ASTM 물
● 50% 물 + 50% 프로필렌 글리콜 + 250 ppm 염화물
25℃의 ASTM 물에서 합금 샘플들 1 및 7(표　1) 상에 수행되는 LPE 실험들의 결과들은 도 7에 도시되어 있다. 결과들은 샘플 7(~234 mV)에 대한 것보다 샘플 1(~1254 mV)에 대한 상당히 높은 수동적 범위를 나타낸다. 이 데이터는 샘플 7의 합금에 존재하는 철 및 실리콘과 같은 불순물들의 훨씬 더 높은 레벨들로 인해 발명자들에 의해 신뢰되었다. 불순물들은 노출된 표면들 상에서 캐소드들의 역할을 함으로써, 마이크로-갈바닉 작용 및 감소된 부동태를 촉진시키는 것으로 생각된다. 그러므로, 이 결과들은 샘플 7의 합금보다 샘플 1의 합금에 대한 피팅 부식에 훨씬 더 큰 저항을 예측한다.
다시 25℃의 ASTM 물을 사용하여 표 1의 모든 합금 샘플들 상에 수행되는 유사한 테스트들에 대한 데이터는 이하의 표 2에 나타낸다. 표는 합금 샘플들에 대한 자유 부식(Efc) 값들, 파괴 전위들(Epit) 및 수동적 범위들을 나타낸다.
샘플
번호		 Efc
mV 대 SCE		 Epit
mV 대 SCE		 수동적 범위
mV 대 SCE
1 -1396 -142 1254
2 -950 -251 698
3 -697 -251 447
4 -720 -284 436
5 -827 -251 575
6 -984 -610 374
7 -749 -515 234
8 -792 -580 213
표 2에 요약된 데이터는 표 1의 후보 합금들의 범위에 대한 피팅 저항의 표시를 제공한다. 전형적으로 좋은 강도 때문에 열 추출 유닛들을 제조하는데 사용되는 표준 합금들, 즉 샘플 7(AA1100 합금) 및 샘플 8(AA3003 합금)은 더 순수한 합금들(샘플들 1 내지 6)보다 상당히 낮은 수동적 범위들을 나타내는 것은 이 데이터로부터 알 수 있다. 그러므로, 이 단기 LPE 실험들에서의 샘플들 7 및 8에 대해 표시되는 부동태의 레벨은 이 합금들이 장기 서비스 동안 부적당한 것으로 추정될 수 있다.
도 8은 다양한 샘플들에 대한 표 2로부터의 수동적 범위들을 차트 형태로 도시한다. 합금 순도와 증가된 부동태 사이의 일반적 상관이 존재하는 것은 이 도면으로부터 알 수 있다. 태양 패널 응용들(50% 물/50% 프로필렌 글리콜과 같은 전형적인 열 추출 유체들을 사용함)에서 장기 사용(예를 들어 20년보다 큼) 동안의 적절한 수동적 범위는 대략 280 mV(라인 80에 의해 도시된 바와 같음) 이상인 것으로 추정된다. 이것은 정확한 제한이 아니라, 종래의 합금들을 사용하여 LPE 데이터 및 과거 서비스 경험에 기초한 추정값이다. 그러한 수동적 범위 레벨들은 일반적으로 대략 0.5 wt.% 이하(즉 단지 0.5 wt.%), 더 바람직하게는 대략 0.4 wt.% 이하(즉 단지 0.4 wt.%), 및 가장 바람직하게는 대략 0.35 wt.% 이하(즉 단지 0.35 wt.%)의 합금 원소들의 함량들을 갖는 알루미늄 합금들에 대응한다. 금속 순도와 수동적 범위 사이의 상관 관계는 합금이 캐스팅된 시간 및 합금이 캐스팅된 방법이 이산 금속간 위상들에 존재하는 것보다 고용체에 구속되는 불순물들의 레벨들의 변화들을 야기할 수 있기 때문에 정확하지 않을 수 있다. 따라서, 열 기계적 처리 이력은 합금의 부동태에 영향을 미칠 수 있지만 부동태에 관한 주요 영향은 불순물들의 레벨이다. 그럼에도 불구하고, 유효 부식 저항에 대한 불순물들의 0.5 wt.%의 최대 수치는 대부분의 경우들에서 적절하다.
표 3은 표준 ASTM 물보다 높은 레벨의 염화물을 갖는 테스트 용액(상기 참조)을 사용하여 합금 샘플들 상에 수행되는 LPE 실험들의 결과들을 아래에 나타낸다. 이러한 제 2 테스트 용액은 ASTM 물보다 더 적극적인 것으로 간주된다. 실험들에서, 해결법은 용액들을 대략 85℃로 가열함으로써 심지어 더 적극적이었으며, 이는 열 흡수재 장치들의 동작 온도에 가까워진다.
샘플
번호		 Efc
mV 대
Ag/AgCl		 Epit
mV 대 Ag/AgCl		 수동적 범위
mV 대 Ag/AgCl
1 -1168 -591 577
2 -1030 -495 535
3 -929 -477 452
4 -789 -282 507
5 -960 -472 488
6 -715 활성 용해 N/A
7 -779 활성 용해 N/A
8 -651 활성 용해 N/A
표 3의 데이터는 표 2 및 도 8에 대해 상술된 것과 동일한 패턴을 따른다. ASTM 물에 대해 획득되는 결과들과 같이, 더 순수한 합금들은 더 큰 수동적 범위를 나타낸다. 초기 데이터로부터의 단지 현저한 차이는 샘플 6의 합금(0.35 wt.%의 약간 더 높은 Fe 함량을 갖는 합금)뿐만 아니라, 샘플들 7 및 8의 종래의 합금들의 활성 용해이다. 그 결과, 이 합금들은 측정가능 수동적 범위를 이러한 더 적극적인 테스트 용액에서 나타내지 않았다. 이 결과들은 태양 흡수재 응용들에서 클래딩 층들에 대한 더 순수한 합금들의 요구를 나타낸다. 샘플 6의 합금이 이 테스트에서 적절하지 않은 것으로 발견되었고, 그것이 샘플들 1 내지 5의 합금들보다 덜 적절한 것을 표시할 수 있을지라도, 그것은 여전히 동작 조건들이 일반적으로 가혹하지 않기 때문에 실제로 사용에 적절할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 일반적으로 대부분의 응용들을 위한 단지 0.25　wt.%(즉 0-0.25 wt.%)에서 사용 시에 열 추출 유체들(및 심지어 태양 유닛 내의 대기)에 노출되는 합금의 Fe 함량을 유지하는 것이 바람직하다.

Claims (23)

  1. 태양 에너지 흡수재 유닛으로서,
    태양 에너지를 흡수하고 상기 태양 에너지를 열로 변환하도록 조정된 전면 표면, 및 상기 전면 표면에 대향하는 후면 표면을 갖는 열전도성 재료로 제조되는 집전기 플레이트;
    내부 표면 및 외부 표면을 갖는 후면 패널로서, 상기 내부 표면은 유체 타이트 본드(fluid-tight bond)를 통해 집전기 플레이트의 상기 후면 표면의 영역(area)들에 부착됨으로써, 상기 후면 패널의 상기 내부 표면 및 상기 집전기 플레이트의 상기 후면 표면은 상기 후면 패널이 부착되는 집전기 플레이트의 상기 후면 표면의 상기 영역들 사이에 적어도 하나의 유체 운반 채널을 함께 정의하는, 후면 패널; 및
    열 추출 유체를 상기 적어도 하나의 유체 운반 채널로 도입하고 상기 유체를 그로부터 제거하기 위한 연결기들을 포함하되,
    상기 집전기 플레이트는 집전기 플레이트의 상기 후면 표면을 형성하는 클래딩(cladding) 층과 집전기 플레이트의 전면 표면을 형성하는 추가적인 클래딩 층을 구비한 알루미늄 합금의 코어(core) 층을 포함하고, 태양 에너지 흡수재 유닛은 추가적인 클래딩 층에 배치되고 상기 태양 에너지의 흡수를 증대시키도록 조정된 물질층을 더 포함하고, 상기 클래딩 층들은 합금 원소들 및 불순물들이 있는 경우 그 전체 함량이 0.5 wt.% 이하인 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조되는, 태양 에너지 흡수재 유닛.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 클래딩 층들은 합금 원소들 및 불순물들이 있는 경우 그 전체 함량이 0.4 wt.% 이하인 알루미늄 합금으로 제조되는, 태양 에너지 흡수재 유닛.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 클래딩 층들은 합금 원소들 및 불순물들이 있는 경우 그 전체 함량이 0.35 wt.% 이하인 알루미늄 합금으로 제조되는, 태양 에너지 흡수재 유닛.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 클래딩 층들은 Fe가 있는 경우 그 함량이 0.25 wt.% 이하인, 태양 에너지 흡수재 유닛.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 후면 패널은 후면 패널의 상기 내부 표면을 형성하는 클래딩 층을 구비한 알루미늄 합금의 코어 층으로 이루어지고, 후면 패널의 상기 클래딩 층은 합금 원소들 및 불순물들이 있는 경우 그 전체 함량이 0.5 wt.% 이하인 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조되는, 태양 에너지 흡수재 유닛.
  6. 청구항 5에 있어서, 후면 패널의 상기 클래딩 층은 합금 원소들 및 불순물들이 있는 경우 그 전체 함량이 0.4 wt.% 이하인 알루미늄 합금으로 제조되는, 태양 에너지 흡수재 유닛.
  7. 청구항 5에 있어서, 후면 패널의 상기 클래딩 층은 합금 원소들 및 불순물들이 있는 경우 그 전체 함량이 0.35 wt.% 이하인 알루미늄 합금으로 제조되는, 태양 에너지 흡수재 유닛.
  8. 청구항 5에 있어서, 후면 패널의 상기 클래딩 층은 Fe가 있는 경우 그 함량이 0.25 wt.% 이하인 알루미늄 합금으로 제조되는, 태양 에너지 흡수재 유닛.
  9. 청구항 5에 있어서, 상기 유체 타이트 본드는 상기 집전기 플레이트의 상기 영역들에서 집전기 플레이트의 상기 클래딩 층들 및 후면 패널을 함께 롤 본딩(roll bonding)하는 것에서 기인하는 본드인, 태양 에너지 흡수재 유닛.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 적어도 하나의 유체 운반 채널은 상기 유체 타이트 본드의 형성 후에 수행된 상기 집전기 플레이트의 상기 영역들 사이에서 상기 후면 패널, 상기 집전기 플레이트, 또는 상기 후면 패널 및 상기 집전기 플레이트 모두의 유체 팽창에서 기인하는 구조인, 태양 에너지 흡수재 유닛.
  11. 청구항 5에 있어서, 상기 후면 패널은 상기 외부 표면을 형성하는 후면 패널의 상기 코어 층의 대향면 상에 추가적인 클래딩 층을 포함하고, 상기 추가적인 클래딩 층은 합금 원소들 및 불순물들이 있는 경우 그 전체 함량이 0.5 wt.% 이하인 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조되는, 태양 에너지 흡수재 유닛.
  12. 청구항 5에 있어서, 후면 패널의 상기 코어 층은 AA1XXX, AA3XXX, AA4XXX, AA5XXX 및 AA8XXX 시리즈의 합금들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 알루미늄 합금으로 제조되는, 태양 에너지 흡수재 유닛.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 비-열처리 합금인, 태양 에너지 흡수재 유닛.
  14. 청구항 5에 있어서, 후면 패널의 상기 코어 층은 항복 강도가 60 MPa 이하이며 파괴(failure)까지의 단축 연신(uniaxial elongation)이 30% 이상인 알루미늄 합금으로 제조되는, 태양 에너지 흡수재 유닛.
  15. 청구항 1에 있어서, 상기 후면 패널은 플라스틱 재료들 및 복합 재료들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 재료로 제조되는, 태양 에너지 흡수재 유닛.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 유체 타이트 본드는 상기 집전기 플레이트의 상기 영역들에서 상기 집전기 플레이트와 상기 후면 패널 사이의 접착제의 도포에서 기인하는 본드인, 태양 에너지 흡수재 유닛.
  17. 청구항 1에 있어서, 집전기 플레이트의 추가적인 클래딩 층은 상기 태양 에너지의 흡수를 증대시키도록 조정된 거친 또는 텍스처화된 표면을 갖는, 태양 에너지 흡수재 유닛.
  18. 청구항 1에 있어서, 물질층은 흡수율:방사율에 대해 95:5만큼 높은 선택율을 갖도록 만들어진 얇은 필름인, 태양 에너지 흡수재 유닛.
  19. 청구항 1에 있어서, 집전기 플레이트의 상기 코어 층은 AA1XXX, AA3XXX, AA4XXX, AA5XXX 및 AA8XXX 시리즈의 합금들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 알루미늄 합금으로 제조되는, 태양 에너지 흡수재 유닛.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 비-열처리 합금인, 태양 에너지 흡수재 유닛.
  21. 투명 재료로 제조되는 전면 벽을 갖는 인클로저(enclosure), 및 상기 인클로저 내에 장착되는 태양 에너지 흡수재 유닛을 포함하는 태양 에너지 흡수재 장치로서, 상기 태양 에너지 흡수재 유닛은:
    태양 에너지를 흡수하고 상기 태양 에너지를 열로 변환하도록 조정된 전면 표면, 및 상기 전면 표면에 대향하는 후면 표면을 갖는 열전도성 재료로 제조되는 집전기 플레이트;
    내부 표면 및 외부 표면을 갖는 후면 패널로서, 상기 내부 표면은 유체 타이트 본드를 통해 집전기 플레이트의 상기 후면 표면의 영역들에 부착됨으로써, 상기 후면 패널의 상기 내부 표면 및 상기 집전기 플레이트의 상기 후면 표면은 상기 후면 패널이 부착되는 집전기 플레이트의 상기 후면 표면의 상기 영역들 사이에 적어도 하나의 유체 운반 채널을 함께 정의하는, 후면 패널; 및
    열 추출 유체를 상기 적어도 하나의 유체 운반 채널로 도입하고 상기 유체를 그로부터 제거하기 위한 연결기들을 포함하되,
    상기 집전기 플레이트는 집전기 플레이트의 상기 후면 표면을 형성하는 클래딩 층과 집전기 플레이트의 전면 표면을 형성하는 추가적인 클래딩 층을 구비한 알루미늄 합금의 코어 층을 포함하고, 태양 에너지 흡수재 유닛은 추가적인 클래딩 층에 배치되고 상기 태양 에너지의 흡수를 증대시키도록 조정된 물질층을 더 포함하고, 상기 클래딩 층들은 합금 원소들 및 불순물들이 있는 경우 그 전체 함량이 0.5 wt.% 이하인 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조되는, 태양 에너지 흡수재 장치.
  22. 삭제
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