KR20190140380A - 태양광 폐모듈에서 알루미늄 제거방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양광 폐모듈에서 알루미늄을 제거 및 회수하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양광 폐모듈을 수거하고, 세척한 뒤 태양전지(Solar Cell)를 분리하는 분리단계, 상기 분리단계에서 분리된 태양전지를 인산(H3PO4) 용액에 침지하는 침지단계 및 상기 침지단계에서 태양전지를 침지한 후 초음파를 조사하여 알루미늄을 제거하는 제거단계로 이루어지는 태양광 폐모듈에서 알루미늄 제거방법으로 그 효과는 태양광 폐모듈에서 알루미늄을 제거하기 위해 유기산인 인산을 이용하여 식각공정을 실시하되 초음파를 조사하여 알루미늄 회수를 원활히 하였고, 인산 및 초음파를 이용하여 태양광 폐모듈에서 알루미늄을 제거할때 인산의 몰농도와 초음파의 진폭을 최적화하여 알루미늄의 회수율을 높였으며, 종래의 가열 뒤 물리적인 힘을 사용하여 태양광 폐모듈을 분리하는 전처리 과정을 통해 알루미늄 회수의 효과가 향상되었다.
Description
본 발명은 태양광 폐모듈에서 알루미늄을 제거 및 회수하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양광 폐모듈을 수거하고, 세척한 뒤 태양전지(Solar Cell)를 분리하는 분리단계, 상기 분리단계에서 분리된 태양전지를 인산(H3PO4) 용액에 침지하는 침지단계 및 상기 침지단계에서 태양전지를 침지한 후 초음파를 조사하여 알루미늄을 제거하는 제거단계로 이루어지는 태양광 폐모듈에서 알루미늄 제거방법에 관한 것이다.
신재생에너지는 화석연료 및 원자력과 달리 재생이 가능하고, 오염물질이나 이산화탄소 및 방사능 배출이 없어 환경친화적이며, 화석 연료에 비해 비교적 지구상에 고르게 분포되어있어 반영구적으로 사용되는 것으로 그 종류로는 태양 에너지, 지열에너지, 해양에너지, 풍력에너지, 바이오에너지 및 연료에너지가 있으며, 이중 풍부한 태양에너지를 이용하는 태양광 발전은 미래에너지의 다원화, 21세기 산업 및 에너지 패러다임의 변화 및 인간의 삶의 질 향상에 따른 새로운 저탄소사회의 구형을 촉진하는 신성장동력 청정산업의 선두주자로 각광 받아 왔다.
태양광발전(Solar Photovoltaic Power Generation)은 태양광을 직접 전기로 변화시키는 발전방식으로 태양전지 모듈, 전력저장기능의 축전장치, 태양전지에서 발전한 직류를 교류로 변환시키는 전력변화장치인 PCS(Power Conditioning System), 시스템 제어 및 모니터링과 부하등으로 시스템을 구성하고 있다. 이중 핵심적인 부품은 태양전지이며, 태양전지는 최소단위를 셀이라고도 하는데 일반적으로 셀 1장에서 나오는 전압이 약 0.5~0.6 V로 매우 작기 때문에 여러 장을 직렬로 연결하여 수십 V 이상의 전압을 발생시키는 패널 형태인 태양광모듈을 제작하고 있다.
한편, 국내의 경우 70년대 초부터 대학과 연구소를 중심으로 태양광 발전 연구를 시작하였고, 80년대 후반부터 시행된 대체에너지개발촉진법에 따라 정부차원에서 기술개발이 이루어졌으며, 저가화와 효율향상을 위한 태양전지 제조기술개발 및 시스템 이용기술개발을 병행하여 추진되었고, 2008년부터 본격적인 모듈 제조 핵심장비 국산화, 차세대 박막 태양전지 개발 분야등을 중점으로 연구가 활발하게 진행되고 있다.
반면, 일반적인 태양전지의 수명은 20~25년이므로 본격적으로 태양전지 산업이 활발해지는 시기인 90년대에 설치된 태양전지들의 수명과 태양빛에 의한 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)수지의 분해 및 외부 충격에 의한 내부 물질이나 강화유리 파괴등으로 인해서 발생되는 태양전지 폐기물의 발생 및 처리 문제가 나타나고 있지만 태양전지모듈의 재자원화기술이 미미한 관계로 대부분의 회수되는 태양전지 폐 모듈은 파쇄 및 분쇄되어 묻히거나 수출되고 있는 실정이다.
상기 태양광 폐모듈에서 금속 및 실리콘 회수하는 선행기술들로는 한국등록특허 제10-1541047호(2015.08.03.) 반응로 내부를 가열하는 히팅부; 상기 반응로 내부로 환원제를 유입시키는 유입부; 상기 반응로 내부로부터 상기 환원제를 유출시키는 유출부; 및 상기 반응로 내부에 설치되어 모재를 둘러싸는 코팅층이 형성된 태양전지모듈의 리본이 배치되는 거치부재를 포함하는 태양전지모듈의 금속 회수장치를 제공하고, 한국등록특허 제10-1714496호(2017.03.09.) 태양광 모듈에 450~485℃로 균일하게 유지되는 질소분위기 상의 가열로에서 가열시켜 유리층과 백쉬트를 물리적으로 당겨 분리하고, 에바(Ethylene vinyl acetate, EVA)층을 냉각시킨뒤 실리콘층으로 부터 에바(EVA)층을 분리하는 단계들을 포함하는 폐 태양광 모듈에서 실리콘을 회수하는 방법을 제공하고 있다.
그러나 상기 선행기술들은 산화 분위기에서 열을 가열한 뒤 물리적인 힘으로 단순 회수하는 기술로 회수하고자 하는 물질만을 회수하는 것에 있어서 한계가 있고, 회수효율이 높지 않으며, 회수장치의 초기 설치비용 및 유지비용이 높다는 문제점을 가지고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기와 같은 종래 태양전지 모듈의 미미한 재자원화기술로 인한 태양전지 폐 모듈의 처리문제와 선행기술들의 태양광 폐모듈을 산화분위기에서 가열 뒤 물리적인 힘으로 목표하는 물질을 단순 회수하는 기술로 인한 회수물질의 한계와 낮은 회수효율과 회수장치의 초기 설치비용 및 유지비용이 높다는 문제점을 해결하는것으로 습식 식각공정으로 인산용액을 이용하되 초음파를 조사하여 알루미늄을 회수하는 태양광 폐모듈에서 알루미늄 제거방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 문제점을 해결하고, 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 폐모듈에서 알루미늄 제거방법은 태양광 폐모듈을 수거하고, 세척한 뒤 태양전지(Solar Cell)를 분리하는 분리단계; 상기 분리단계에서 분리된 태양전지를 인산(H3PO4) 용액에 침지하는 침지단계; 및 상기 침지단계에서 태양전지를 침지한 후 초음파를 조사하여 알루미늄을 제거하는 제거단계;로 이루어진다.
상기 분리단계는 태양광 모듈의 틀을 이루는 프레임을 제거하는 단계; 프레임을 제거한 뒤 400~650℃로 열을 가해 절연성 보호층을 이루는 충진재와 백시트와 유리를 제거하는 단계; 및 상기 충진재, 백시트 및 유리를 제거할 때 사용된 열을 이용하여 물리적으로 리본을 제거하는 단계;로 이루어져 태양전지를 분리한다.
상기 침지단계에서 인산(H3PO4)은 몰농도가 14몰의 인산용액을 이용한다.
상기 제거단계에서 초음파 장치는 진폭 20~200㎛, 에너지 3000w로 구성되어, 20~200kHz범위로 초음파를 조사한다.
상기 제거단계에서 초음파 조사 시간은 30~40분간 이루어지는 태양광 폐모듈에서 알루미늄 제거방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 태양광 폐모듈에서 알루미늄 제거방법은 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 본 발명은 태양광 폐모듈에서 알루미늄을 제거하기 위해 유기산인 인산을 이용하여 식각공정을 실시하되 초음파를 조사하여 알루미늄 회수를 원활히 하였다.
(2) 본 발명은 인산 및 초음파를 이용하여 태양광 폐모듈에서 알루미늄을 제거할때 인산의 몰농도와 초음파의 진폭을 최적화하여 알루미늄의 회수율을 높였다.
(3) 본 발명은 종래의 가열 뒤 물리적인 힘을 사용하여 태양광 폐모듈을 분리하는 전처리 과정을 통해 알루미늄 회수의 효과가 향상되었다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양광 폐모듈에서 알루미늄 제거방법을 나타내는 공정도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양전지(solar cell) 뒷면을 주사전자현미경(SEM: Scanning electron microscope)으로 확인 및 mapping한 실사도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양광 폐모듈에서 알루미늄 제거방법으로 처리후 태양전지(solar cell) 뒷면을 주사전자현미경(SEM: Scanning electron microscope)으로 확인 및 mapping한 실사도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양전지(solar cell) 뒷면을 주사전자현미경(SEM: Scanning electron microscope)으로 확인 및 mapping한 실사도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양광 폐모듈에서 알루미늄 제거방법으로 처리후 태양전지(solar cell) 뒷면을 주사전자현미경(SEM: Scanning electron microscope)으로 확인 및 mapping한 실사도이다.
본 발명의 명칭은 "태양광 폐모듈에서 알루미늄 제거방법"으로 통상의 기술자가 쉽게 알 수 있도록 구체적인 내용을 기재하고, 충분히 유추 가능한 별도의 기재는 생략하며, 필요 경우 실시예 및 도면을 기재한다. 또한, 본 명세서 및 특허청구범위에서 정의된 용어들은 한정 해석하지 아니하며, 운용자의 의도 또는 관례등에 따라 달라질 수 있고, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 발명의 일면에 있어서,
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양광 폐모듈에서 알루미늄 제거방법을 나타내는 공정도로 상기 도 1을 참고하여 알루미늄 제거방법을 하기에 더욱 상세하게 개진한다.
태양광 폐모듈에서 알루미늄 제거방법에 있어서,
상기 알루미늄 제거방법은
태양광 폐모듈을 수거하고, 세척한 뒤 태양전지(Solar Cell)를 분리하는 분리단계;
상기 분리단계에서 분리된 태양전지를 인산(H3PO4) 용액에 침지하는 침지단계; 및
상기 침지단계에서 태양전지를 침지한 후 초음파를 조사하여 알루미늄을 제거하는 제거단계;로 이루어진다.
상기 분리단계는 태양광 모듈의 틀을 이루는 프레임을 제거하는 단계;
프레임을 제거한 뒤 400~650℃로 열을 가해 절연성 보호층을 이루는 충진재와 백시트와 유리를 제거하는 단계; 및
상기 충진재, 백시트 및 유리를 제거할 때 사용된 열을 이용하여 물리적으로 리본을 제거하는 단계;로 이루어져 태양전지를 분리한다.
상기 태양전지 분리의 충진재와 백시트와 유리를 제거하는 단계는 밀폐 반응조에서 실시되고, 이때 반응조는 산화분위기상태에서 열을 가하여 실시하되, 질소가스, 아르곤가스 및 수소가스들 중 선택된 환원가스를 유입 및 유출을 실시하여 급격한 산화를 방지하는 것이 바람직하다.
상기 침지단계에서 인산(H3PO4)은 몰농도가 14몰의 인산용액을 이용한다.
상기 제거단계에서 초음파 장치는 진폭 20~200㎛, 에너지 3000w로 구성되어, 20~200kHz범위로 초음파를 조사한다.
상기 제거단계에서 초음파 조사 시간은 30~40분간 이루어진다.
추가의 일면에 있어서,
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양전지(solar cell) 뒷면을 주사전자현미경(SEM: Scanning electron microscope)으로 확인 및 mapping한 실사도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양광 폐모듈에서 알루미늄 제거방법으로 처리후 태양전지(solar cell) 뒷면을 주사전자현미경(SEM: Scanning electron microscope)으로 확인 및 mapping한 실사도이다.
도 2는 본 발명에 의한 알루미늄 제거방법으로 제거 전의 실사도로 mapping 사진에 의하면 알루미늄의 조성이 많은 것으로 관찰되었고, 도 3은 인산용액 14M 상태에서 진폭을 80㎛로 하는 초음파를 조사한 후 실사도로 mapping사진에 의하면 알루미늄이 제거되고, 규소 성분만이 검출된 것을 확인할 수 있었다.
상기 규소성분은 알루미늄이 제거된 이후 노출이 급격히 상승 되었는데 노출된 이유는 도핑 되었던 알루미늄이 제거됨에 따라 이루어진 것이다.
실시예 : 태양광 폐모듈에서 유가금속 회수
인산 농도, 초음파 진폭 및 반응시간에 변화를 주어 유가금속을 회수하였다. 상기 인산용액의 몰농도는 14M, 10M로 하였고, 초음파 진폭은 80㎛, 50㎛, 20㎛으로 설정하였으며, 반응시간은 15, 30, 60분으로 나누어 태양광 폐모듈에서 분리한 태양전지(solar cell)에서 유가금속을 회수하였다.
시험예 1 : 인산 농도와 초음파 진폭에 따른 유가금속 회수(원소분석)
상기 실시예에서 인산용액 14M에서 초음파 진폭을 80㎛, 50㎛과, 인산용액 10M에서 초음파 진폭을 50㎛으로 30분동안 반응시켜 태양전지(solar cell) 유가금속 회수하고, 원소분석기(EDAX)를 이용하여 분석하여 하기의 표 1과 같은 결과를 나타내었다.
반응전 태양광 폐모듈에서 분리된 태양전지(solar cell)에서 알루미늄은 57.52wt%, 규소는 7.25wt%였고, 인산 14M, 진폭 80㎛에서는 알루미늄이 0.59wt%로 변화됨에 따라 98.98wt%가 제거되었고, 규소는 64.86wt%로 증가되었으며, 인산 10M, 진폭 50㎛에서는 알루미늄이 0.54wt%로 변화되어 99.01wt%가 제거되었고, 규소는 75.31wt%로 증가되었으며, 인산 10M, 진폭 50㎛에서는 알루미늄이 19.20wt%로 변화되어 75.48wt%가 제거되었고, 규소는 32.39wt%로 증가된 것을 확인하였다.
따라서 유기산인 인산용액과 초음파 조사를 통하여 태양전지 뒷면에 존재하는 알루미늄을 효과적으로 제거할 수 있음을 확인할 수 있었다.
시험예 2 : 인산 농도와 초음파 진폭에 따른 유가금속 회수(무게변화)
상기 실시예에서 실시한 태양전지(solar cell)의 유가금속의 회수에 따른 무게변화를 측정하여 하기의 표 2와 같은 결과를 나타냈다.
상기 표 2를 살펴보면 인산용액의 농도 및 초음파의 진폭중 인산용액의 농도가 14M이고, 조사되는 초음파의 진폭이 80㎛일때 무게변화가 0.5607g으로 가장 큰것으로 나타나 인산용액 14M, 초음파 진폭 80㎛이 효율이 가장높다는 것을 확인할 수 있었다.
추가의 일면에 있어서,
본 발명의 태양광 폐모듈에서 알루미늄 제거방법에서 인산(H3PO4)는 태양전지 표면을 용해시키는 식각공정으로써 상기 인산에 질산(HNO3)과 초산(CH3COOH)을 더하여 질산에 의해 표면산화를 빠른 시간내에 실시하여 식각공정 효율을 높일수 있고, 초산으로 습윤성을 개선하여 식각속도를 조절시킬 수 있다. 이때 질산과 인산과 초산의 구성비는 몰 비율로 1:1.1:0.1로 이루어지는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 태양광 폐모듈에서 알루미늄 제거방법은 태양광 폐모듈에서 알루미늄을 제거하기 위해 유기산인 인산을 이용하여 식각공정을 실시하되 초음파를 조사하여 알루미늄 회수를 원활히 하고, 인산 및 초음파를 이용하여 태양광 폐모듈에서 알루미늄을 제거할때 인산의 몰농도와 초음파의 진폭을 최적화하여 알루미늄의 회수율을 높였으며, 종래의 가열 뒤 물리적인 힘을 사용하여 태양광 폐모듈을 분리하는 전처리 과정을 통해 알루미늄 회수의 효과가 향상되었다.
상기와 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었지만, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술은 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
Claims (5)
- 태양광 폐모듈에서 알루미늄 제거방법에 있어서,
상기 알루미늄 제거방법은
태양광 폐모듈을 수거하고, 세척한 뒤 태양전지(Solar Cell)를 분리하는 분리단계;
상기 분리단계에서 분리된 태양전지를 인산(H3PO4) 용액에 침지하는 침지단계; 및
상기 침지단계에서 태양전지를 침지한 후 초음파를 조사하여 알루미늄을 제거하는 제거단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광 폐모듈에서 알루미늄 제거방법. - 제1 항에 있어서,
상기 분리단계는,
태양광 모듈의 틀을 이루는 프레임을 제거하는 단계;
프레임을 제거한 뒤 400~650℃로 열을 가해 절연성 보호층을 이루는 충진재와 백시트와 유리를 제거하는 단계; 및
상기 충진재, 백시트 및 유리를 제거할 때 사용된 열을 이용하여 물리적으로 리본을 제거하는 단계;로 이루어져 태양전지를 분리하는 것을 특징으로 하는 태양광 폐모듈에서 알루미늄 제거방법. - 제1 항에 있어서,
상기 침지단계에서 인산(H3PO4)은 몰농도가 14몰의 인산용액을 이용하는 것을 특징으로 하는 태양광 폐모듈에서 알루미늄 제거방법. - 제1 항에 있어서,
상기 제거단계에서 초음파 장치는 진폭 20~200㎛, 에너지 3000w로 구성되어, 20~200kHz범위로 초음파를 조사하는 것을 특징으로 하는 태양광 폐모듈에서 알루미늄 제거방법. - 제4 항에 있어서,
상기 제거단계에서 초음파 조사 시간은 30~40분간 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광 폐모듈에서 알루미늄 제거방법.
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|---|---|---|---|---|
| KR102303527B1 (ko) | 2020-11-20 | 2021-09-23 | 전북대학교산학협력단 | 태양광 폐모듈로부터 유용금속 회수를 위한 선택적 분리 방법 및 장치 |
| KR102409727B1 (ko) | 2022-02-18 | 2022-06-16 | 권용구 | 태양광패널 파쇄장치 |
| CN117046864A (zh) * | 2023-08-28 | 2023-11-14 | 国能龙源环保有限公司 | 光伏组件回收方法及装置 |
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