KR102250482B1 - 태양광 폐모듈의 재활용방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 환경오염을 방지할 수 있으며, 실리콘 웨이퍼나 은, 구리, 유리 등을 회수하기 위한 설비 구축에 필요한 막대한 비용을 절감할 수 있고, 고온의 조건이나 장시간의 추출공정을 생략할 수 있으므로 인력과, 비용, 작업시간, 에너지 등을 절감할 수 있는 태양광 폐모듈의 재활용방법을 개시한다.

Description

태양광 폐모듈의 재활용방법{RECYCLING METHOD FOR UNUSABLE SOLAR MODULE}

본 발명은 프레임, 정션박스, 백시트, EVA, 태양전지 셀, 강화유리를 포함하는 태양광 폐모듈의 재활용 방법에 있어서, 상기 태양광 폐모듈로부터 프레임과 정션박스를 분리하는 단계와; 상기 프레임과 정션박스가 분리된 태양광 폐모듈을 분쇄하여 폐모듈 분쇄물을 형성하는 단계와; 상기 폐모듈 분쇄물에 시멘트와 물을 첨가하여 분쇄혼합물을 형성하는 단계와; 상기 분쇄혼합물을 원하는 형태로 압축 성형한 다음 양생하여 성형물을 제조하는 단계; 및 상기 태양전지 셀에 함유된 유해물질이 방출되는 것을 방지할 수 있도록 상기 성형물의 표면에 코팅액을 코팅하는 단계;를 포함하되, 상기 코팅액은 물과 시멘트가 1~4:6~9의 비율로 혼합된 물시멘트액을 사용하는 것을 특징으로 하는 태양광 폐모듈의 재활용 방법에 관한 것이다.

전 세계적으로 기후변화 협약 발효에 따라 화석 연료 사용으로 인한 온실가스 배출량 감소와 국제적으로 탄소배출권의 제한등 환경오염원의 감소 및 고유가 시대를 대비한 친환경 대체 에너지원으로서 신재생에너지 분야, 그중에서도 태양광 발전산업에 대한 효용성, 경제성, 중요성으로 인해 연구개발 및 산업화가 국내외적으로 활발히 진행되고 있다. 태양광 발전의 장점은 에너지원이 청정하며, 자원이 무제한이며, 일사량만 충족된다면 필요한 어느 장소에서나 발전이 가능한 장점이 있다. 이렇듯 다양한 장점을 지니고 있는 태양광 산업에서 핵심이 되는 것은 태양전지이다.

태양전지는 반도체 재료를 확산법에 의해 P-N 접합시켜 제조되며, 빛을 받을때 적은 양의 전류가 흐르게 되는 광전효과를 이용한 것으로, 구성재료에 따라 결정질 실리콘 기반의 태양전지와 CdTe,CIS,CIGS,GaAs등의 화합물을 이용한 박막형 기반의 태양전지로 나누어진다. 현재 세계 태양광 시장의 90%이상을 웨이퍼 형태의 결정질 실리콘 태양전지가 차지하고 있으며, 그중에서도 다결정 실리콘 계열은 60%, 단결정 실리콘 계열은 30%정도이다.

이렇듯, 태양전지 원재료인 실리콘의 가격 및 원재료 수급의 중요성은 점차적으로 커지고 있는 실정이다. 특히, 2000년대 초반 실리콘 원료 공급 부족으로 인하여, 태양광 산업의 기반이 위협받기도 하였으며 이를 계기로 태양광 산업의 지속적인 발전을 위해서는 실리콘 모듈 폐기물의 재활용이 필요한 시기가 되었다. 또한 1990년 전후부터 보급되어온 태양광 발전 시설물은 태양전지 수명을 10~15년으로 봤을 때 현 시점에서 수명이 다한 폐기물이 발생되기 시작하는 시점으로 보고 있으며, 2015년부터는 급격하게 증가할 것으로 판단된다.

상기와 같이 대량 방출되는 폐 태양전지는 환경오염을 유발할 수 있어 이것의 재활용 방안이 지속적으로 요구되었으며, 태양전지의 대부분을 구성하는 실리콘(Si)과 전극부분을 구성하는 은, 알루미늄, 또는 이들의 합금, 강화유리 등을 재활용하기 위한 방법이 개시되었다.

예를 들어, 태양전지 폐 모듈로부터 강화유리와 태양전지 셀을 회수하기 위해서는 EVA와 백시트(Back Sheet)를 제거하는 것이 필수적인데, 종래 EVA 및 백시트 제거 방법을 살펴보면, 주로 화학적인 방법(예컨데, 유기용매 침지 방식 등)을 이용하여 이를 제거하였다.

그런데, 특히 EVA를 화학적인 방법으로 분리시키기 위해서는 하나의 약품이 아닌 사용된 EVA의 구체적인 조성 및 화학적 구성 성분에 따라 그 약품의 종류 및 양을 달리해야 하기 때문에, 화학적인 분리 방법은 경제성이 크게 떨어지거나 화학약품이 갖는 강한 산성 또는 강한 알칼리성의 특성 때문에 환경적으로 매우 유해할 뿐만 아니라, 모듈로부터 완전한 제거가 불가능한 단점이 있다.

또한, 화학적인 방법에 의할 경우 많은 수의 태양전지 폐 모듈을 대량으로 일괄 처리하는 것이 용이하지 않은 한계가 있었고, EVA 제거를 위해서는 별도의 백시트 제거 공정이 별도로 선행되야 했다. 또한 태양전지 모듈의 부피가 클 경우 모듈을 절단 내지 분할하는 공정이 추가적으로 필요했음은 물론이다.

한편, 종래에 개시된 태양광 폐모듈의 재활용 방법을 통해 실리콘 웨이퍼, 은, 구리, 유리 등을 회수할 수 있었으나 그 양이 현저히 적은데, 고온의 조건이나 장시간의 추출공정 및 복잡한 설비를 요함에 따라 막대한 비용과 에너지가 소비된다는 점에서 매우 바람직하지 못하다는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-1844380호(태양전지 셀의 실리콘 웨이퍼 및 금속 회수 방법) 대한민국 등록특허공보 제10-1539528호(폐 태양전지에서 은을 회수하는 방법)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 태양광 폐모듈의 재활용 과정에서 환경오염을 방지할 수 있고, 처리 비용을 현저히 절감할 수 있는 태양광 폐모듈의 재활용 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 위하여 본 발명은 프레임, 정션박스, 백시트, EVA, 태양전지 셀 및 강화유리를 포함하는 태양광 폐모듈의 재활용 방법에 있어서, 상기 태양광 폐모듈로부터 프레임과 정션박스를 분리하는 단계와; 상기 프레임과 정션박스가 분리된 태양광 폐모듈을 5~50㎛의 입도로 분쇄하여 폐모듈 분쇄물을 형성하는 단계와; 상기 폐모듈 분쇄물에 시멘트와 물을 2~3:1~1.5:1의 비율로 혼합하여 분쇄혼합물을 형성하는 단계와; 상기 분쇄혼합물을 원하는 형태로 압축 성형한 다음 양생하여 성형물을 제조하는 단계; 및 상기 태양전지 셀에 함유된 유해물질이 방출되는 것을 방지할 수 있도록 상기 성형물의 표면에 코팅액을 코팅하는 단계;를 포함하되, 상기 코팅액은 물과 시멘트가 1~4:6~9의 비율로 혼합된 물시멘트액을 사용하는 것을 특징으로 한다.

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상기와 같이 이루어지는 본 발명은 환경오염을 방지할 수 있으며, 실리콘 웨이퍼나 은, 구리, 유리 등을 회수하기 위한 설비 구축에 필요한 막대한 비용을 절감할 수 있으며, 고온의 조건이나 장시간의 추출공정을 생략할 수 있으므로 인력과, 비용, 작업시간, 에너지 등을 절감할 수 있는 현저한 효과가 있다.

특히, 백시트나 EVA와 같은 화합물반도체는 소량이기는 하지만 유해 중금속인 카드뮴(cd)을 포함하며 태양전지 셀은 발암성을 갖는 독성 화합물질인 휘발성 유기화합물을 내포하고 있는 다량의 실리콘을 함유하고 있으므로, 이를 원료로 하여 제조된 성형물의 표면 전체를 코팅액으로 코팅하여 유해물질이 외부로 방출되는 것을 차단할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 폐모듈의 재활용방법을 설명하기 위한 제조공정도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 폐모듈의 재활용방법을 설명하기 위한 제조공정도.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 태양광 폐모듈의 재활용방법에 대하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.

본 발명은 환경오염을 방지할 수 있으며, 실리콘 웨이퍼나 은, 구리, 유리 등을 회수하기 위한 설비 구축에 필요한 막대한 비용을 절감할 수 있고, 고온의 조건이나 장시간의 추출공정이 생략됨에 따라 인력과, 비용, 작업시간, 에너지 등을 현저히 절감할 수 있는 태양광 폐모듈의 재활용방법을 개시한다.

본 발명에서 태양광 모듈이라 함은 프레임, 정션박스, 백시트, EVA, 태양전지 셀, 강화유리를 포함하며 태양광을 집광하여 전기를 생산하는 통상의 것을 말하며, 고장이나 수명이 다하여 사용 불가능한 상태의 것을 태양광 폐모듈이라 한다.

상기와 같은 목적을 위하여 본 발명은 상기 태양광 폐모듈로부터 프레임과 정션박스를 분리하는 단계(S1)와; 상기 프레임과 정션박스가 분리된 태양광 폐모듈을 분쇄하여 폐모듈 분쇄물을 형성하는 단계(S2)와; 상기 폐모듈 분쇄물에 물과 시멘트를 첨가하여 분쇄혼합물을 형성하는 단계(S3)와; 상기 분쇄혼합물을 원하는 형태로 압축 성형한 다음 양생하여 성형물을 제조하는 단계(S4);를 포함한다.

먼저, 태양광 폐모듈로부터 프레임과 정션박스를 분리하는 단계(S1)는 수거된 태양광 폐모듈로부터 외관을 담당하는 프레임과, 태양전지에서 생산되는 전기에너지를 인버터(inverter)나 배터리(battery)로 전달하기 위한 정션박스를 분리하는 단계이다.

알루미늄 재질의 프레임은 별도로 선별하여 태양광 모듈 제조시 재사용함으로써 제조비용을 절감할 수 있다.

정션박스는 납작한 직사각형의 박스 구조로서, 좌측 또는 우측 중 일측에는 태양전지 모듈이 케이블에 의하여 연결되고, 타측에는 인버터(또는, 배터리)가 케이블(300)에 의하여 연결되어 태양전지에서 생산되는 전기에너지를 인버터(inverter)나 배터리(battery)로 전달하는 것으로, 구리와, PCT종합체, 바이패스 다이오드(Bypass Diod), 접합회로 등이 선별하여 재활용될 수 있다.

상기 폐모듈 분쇄물 형성단계(S2)는 상기 프레임과 정션박스가 분리된 태양광 폐모듈을 분쇄하여 폐모듈 분쇄물을 형성하는 단계이다.

상기 프레임과 정션박스가 분리된 태양광 폐모듈은 공지된 다양한 형태의 분쇄기를 통해 분쇄할 수 있으며, 분쇄시 시멘트와 유사한 크기로 분쇄되어 후술할 분쇄혼합물 형성단계에서 시멘트와의 혼합이 균일하게 이루어질 수 있고, 압축성과 성형성을 향상시킬 수 있도록 상기 폐모듈 분쇄물은 5~50㎛의 입도로 분쇄되는 것이 바람직하다.

하기의 표 1은 화합물 태양전지의 성분을 나타내는 것으로, 유리와, 화합물 반도체, 구리와 같은 금속 성분으로 구성된다.

구분	조성비(중량%)	구분	조성비(중량%)
유리(Total Glass)	96.061	텔루륨(Total Te)	0.075
EVA(Ethylene Vinyl Acetate)	2.614	구리(Total Cu)	0.011
카드뮴(Total Cd)	0.059	기타	1.180

이 가운데 구리나 희토류 성분의 텔루륨은 재활용을 통해 수익을 창출할 수 있는 고가의 성분이기는 하나 현저히 적은 양이며 태양전지로부터 분리하기 위해서는 복잡한 과정을 거쳐야 하므로 경제성이 현저히 낮다.

예를 들어, 상기 화합물 태양전지는 수거된 폐모듈로부터 프레임과 정션박스를 분리한 다음, 태양전지 셀을 해머밀을 이용하여 4~5mm로 잘게 부수고, 황산과 과산화수소의 혼산을 이용하여 금속 성분을 용출시킨 다음, 고액 분리를 하면 고상부에는 유리와 필름이 남게 되고 약상에는 용출된 금속성분이 남는다. 비중차를 이용하여 유리와 필름을 분리하여 필름은 열원으로 활용할 수 있고, 유리는 재활용한다. 또한, 액상부에 남은 금속성분은 pH를 조절하여 재침전시켜서 선택적으로 분리가 가능한데, 예를 들어 CdTe 태양전지 중 카드뮴(Cd)은 높은 pH에서 재침전되며, 반대로 텔루륨(Te)은 낮은 pH에서 재침전되므로 이를 이용하여 액상부를 pH를 4로 조절하면 텔루륨(Te)을 분리할 수 있고, 다시 pH를 9로 올리면 카드뮴(Cd)을 분리할 수 있다. 분리된 카드뮴(Cd)과 텔루륨(Te)은 재정련 과정을 거쳐 재활용할 수 있는데, 예를 들어 텔루륨은 수산화나트륨용액에 과산화수소를 첨가하여 용해시킨 다음 텔루륨 용액으로부터 불순물을 제거한 후 금속을 별도로 선별할 수 있다.

하지만, 이와 같은 복잡한 공정을 실시하기 위해서는 다양한 고가의 설비가 구축되어야만 하고, 각 공정간에 인력과 시간 및 비용이 필수적으로 동반되어야 하므로 바람직하지 않다.

이에, 본 발명은 상기 프레임과 정션박스가 분리된 태양광 폐모듈을 5~50㎛의 입도로 분쇄하여 폐모듈 분쇄물로 조성한다.

다음으로, 상기 분쇄혼합물 형성단계(S3)는 상기 폐모듈 분쇄물에 시멘트와 물을 첨가하여 분쇄혼합물을 형성하는 단계이다.

시멘트는 후술할 성형물을 응결시키는 성분으서, 강도를 향상시키고 점착력을 부여하게 되는 것으로, 석회, 실리카, 알루미나, 산화철 등으로 구성되며, 이 성분들을 함유한 원료를 적당한 비율로 충분히 혼합하여 그 일부가 용융, 소성된 클링커에 적당량의 석고를 가하여 분말로 만든 포틀랜드 시멘트가 사용될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 여건에 따라 혼합제가 포함되는 고로시멘트, 플라이애쉬시멘트 실리카시멘트 등으로 이루어진 혼합시멘트 및 알루미나시멘트, 팽창시멘트, 레귤레이티드 세트시멘트, 유정시멘트, 폴리머시멘트, 마그네시아 시멘트 등의 특수시멘트를 사용할 수도 있다.

분쇄혼합물 형성시 폐모듈 분쇄물과 시멘트 및 물이 2~3:1~1.5:1의 비율로 혼합되어 조성되는 것이 바람직하며, 상기의 비율에 따라 폐모듈 분쇄물과 시멘트 및 물을 동시에 혼합하여 분쇄혼합물을 형성할 수 있고 또는 폐모듈 분쇄물에 물을 첨가하여 폐모듈 분쇄물에 소정의 점성이 부여되도록 한 다음 시멘트를 더 혼합하여 분쇄혼합물을 제조할 수도 있다.

또한, 분쇄혼합물 형성시 폐모듈 분쇄물 및 시멘트가 물을 기준으로 하여 더 적게 혼합되면 분쇄혼합물에 점성이 생기지 않고 묽어지기 때문에 분쇄혼합물이 양생되는 시간이 늘어나게 될 뿐만 아니라 성형물의 강도가 낮아지는 문제점이 발생된다.

반대로, 폐모둘 분쇄물 및 시멘트가 물을 기준으로 더 많이 혼합되면 폐모돌 분쇄물과 시멘트가 혼합되기 어려우며, 분쇄혼합물이 양생된 후에도 폐모듈 분쇄물과 시멘트가 분리될 수 있는 문제점이 있다.

따라서, 분쇄혼합물 형성시 상술한 조건에 따라 폐모듈 분쇄물과 시멘트 및 물을 혼합하는 것이 바람직하다.

상기 성형물 제조단계(S4)는 상기 분쇄혼합물을 원하는 형태로 압축 성형한 다음 양생하여 성형물을 제조하는 단계이다.

상기 성형물 제조시에는 원하는 형태의 거푸집을 준비한 다음, 상기 거푸집 내부에 분쇄혼합물을 타설한 후 수작업이나 액츄에이터를 통해 가압하여 압축 성형한다. 이후, 거푸집을 제거한 다음 일정시간 건조시켜 분쇄혼합물이 경화되면서 도로의 경계석이나, 어도, 보도블럭 등의 성형물로 제조된다.

다음으로, 본 발명은 상기 성형물의 표면에 코팅액을 코팅하는 단계(S5)를 더 포함할 수 있다.

상기의 표 1을 통해 알 수 있듯이, 백시트나 EVA와 같은 화합물반도체는 유해 중금속인 카드뮴(cd)을 포함한다.

카드뮴은 인체에 호흡곤란이나 간기능 장애 등의 증상을 일으키는 1급 발암물질로서, 이타이이타이병의 원인이 되며, 아연과 성질이 비슷하여 체내에 흡수되어 신장장애를 유발하고, 칼슘흡수를 방해하여 골연화증을 발생시키는 치명적인 유해 성분이다.

또한, 태양전지 셀은 발암성을 갖는 독성 화합물질인 휘발성 유기화합물을 내포하고 있는 다량의 실리콘을 함유하고 있다.

이와 같은 카드뮴이나 실리콘으로부터 유해물질이 외부로 방출되면 심각한 환경오염을 초래할 수 있으며, 인체에 치명적인 악영향을 미칠 수 있다.

본 발명은 성형물의 표면 전체를 코팅액으로 코팅하여 코팅층이 성형물을 감싸는 형태로 이루어져, 백시트나 EVA와 같은 화합물반도체에 함유된 유해 중금속인 카드뮴(cd) 또는 태양전지 셀의 실리콘으로부터 유해물질이 방출되는 것을 차단하여 유해물질의 유해성으로 인한 사람 또는 환경에 피해가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

상기 성형물의 표면에 코팅되는 코팅액은 물과 시멘트가 적절 비율로 혼합된 물시멘트액을 사용할 수 있으며, 또는 공지된 다양한 종류의 코팅액을 사용할 수도 있다. 만약, 코팅액으로서 물시멘트액을 사용하는 경우 물과 시멘트가 1~4:6~9의 비율로 혼합된 것을 사용하는 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 물과 시멘트가 2.5:7.5의 비율로 혼합되는 것이 좋다. 만약 물의 함량이 기준치 이하로 혼합되면 시멘트의 함량이 그만큼 높아지기 때문에 점도가 필요 이상으로 높아져 성형물 표면에 과다한 두께의 코팅막이 형성되면서 성형물의 형상이 변형되는 문제점이 발생될 수 있으며, 반대로 물의 함량이 기준치 이상으로 혼합되면 상대적으로 시멘트의 함량이 낮아지기 때문에 성형물을 표면을 코팅처리하는 효과를 제공할 수 없다. 이와 같이 성형물의 표면을 코팅처리하면 유해물질이 외부로 방출되지 않도록 할 수 있으며, 성형물의 균열이나 수분의 유입을 차단하여 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따르면 태양광 폐모듈의 재활용 과정에서 환경오염을 방지할 수 있고, 처리 비용을 현저히 절감할 수 있으며, 유해물질이 외부로 방출되는 것을 방지할 수 있는 현저한 효과가 있다.

Claims (4)

1. 프레임, 정션박스, 백시트, EVA, 태양전지 셀 및 강화유리를 포함하는 태양광 폐모듈의 재활용 방법에 있어서,
   상기 태양광 폐모듈로부터 프레임과 정션박스를 분리하는 단계(S1)와;
   상기 프레임과 정션박스가 분리된 태양광 폐모듈을 5~50㎛의 입도로 분쇄하여 폐모듈 분쇄물을 형성하는 단계(S2)와;
   상기 폐모듈 분쇄물에 시멘트와 물을 2~3:1~1.5:1의 비율로 혼합하여 분쇄혼합물을 형성하는 단계(S3)와;
   상기 분쇄혼합물을 원하는 형태로 압축 성형한 다음 양생하여 성형물을 제조하는 단계(S4); 및
   상기 태양전지 셀에 함유된 유해물질이 방출되는 것을 방지할 수 있도록 상기 성형물의 표면에 코팅액을 코팅하는 단계(S5);를 포함하되,
   상기 코팅액은 물과 시멘트가 1~4:6~9의 비율로 혼합된 물시멘트액을 사용하는 것을 특징으로 하는 태양광 폐모듈의 재활용 방법.
   
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