KR20230059918A - 특수합금 주철을 이용한 태양광 추적식 발전 어레이 회전용 웜휠의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면,
탄소함량 2~4중량%인 주철재료를 용탕에 투입하고, 온도를 1,550~1,570℃로 상승시켜 소정시간 유지하는 단계;
상기 주철재료가 1/3 이상 용해되는 시점에 용해로에 Mo, Cu, Ni 성분의 부재료를 투입하고 가열하여 특수합금 주철을 형성하는 단계;
1,430~1,450℃에서 예열된 래들에 의해 출탕하되, 출탕시간을 15분 이내로 준수하여 웜휠의 형상을 주조하는 단계;
주조된 웜휠을 구상화 열처리하는 단계; 및
구상화 열처리화된 웜휠을 오스테나이트화 온도인 850~950℃까지 가열하고, 탄소가 기지조직 중에 균일하게 고용될 때까지 1시간 내외 온도를 유지한 후, 일정한 온도의 염욕로 중에서 390℃까지 급냉하고, 그 온도에서 120분 정도 유지시킨 후, 웜휠을 염욕로에서 꺼내 공기중에서 상온으로 서서히 냉각하는 오스템퍼링 열처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 추적식 발전 어레이 회전용 웜휠용 합금의 제조방법이 제공된다.

Description

특수합금 주철을 이용한 태양광 추적식 발전 어레이 회전용 웜휠의 제조방법{manufacturing method of worm wheel for rotating tracking typed photovoltaic array using special cast iron alloy}

본 발명은 태양광 추적식 발전 어레이 회전용 웜휠의 제조방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 원료와 가공방법을 개선하여 물성이 우수하고 제조의 효율성을 높이 제조방법에 관한 것이다.

현재 세계 에너지 시장은 신재생 에너지가 성장을 주도하고 있으며, 우리 정부도 「신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법」에 근거하여 지원 및 투자를 추진히고 있으며, 현재 발전 비중에서 8% 수준인 재생에너지 비중을 2030년까지 20%대로 높이는 목표를 설정하고 있으며, 재생에너지 3020 계획에 따라 2030년에는 현재의 재생에너지에서 태양광의 비중이 42% 정도 수준인 설비 보급 목표를 57%까지 달성하는 것을 목표로 하고 있다.

태양광 발전은 태양 빛을 전기에너지로 변환시키는 발전 기술로, 그 핵심은 태양광 셀이며, 셀에 태양 빛이 닿으면 광전효과에 의해 물리적 반응이 일어나고, 이로 인해 태양광 셀은 직류 전류를 발생시키게 된다.

일반적으로 태양광 발전 모듈은 60개 또는 72개의 태양광 셀로 이루어져 있으며, 이 셀들을 전기적으로 연결하여 내구성이 강한 유리 패널과 프레임으로 안전하게 만든 것이고, 태양광 발전 어레이는 필요한 전력을 얻기 위해 여러 장의 태양광 발전 모듈을 최상의 조건(경사각, 방위각)을 고려하여 거치대를 설치하여 연결시켜 놓은 장치이다.

태양광 발전의 효율 및 발전량은 일조시간, 일조량, 모듈에 그림자 및 음영, 모듈의 청결상태, 모듈의 각도, 바람 등에 영향을 받으며, 특히 태양광 발전은 기온이 높을수록 많이 생기나, 일정한 온도 이상이면 오히려 발전량이 떨어지게 된다. 즉, 여름에는 일조량이 많이 받기는 하지만, 주변 온도의 영향으로 인해 발전량이 일조시간이 많은 봄보다 오히려 떨어진다 할 수 있으므로, 태양광 발전에서의 효율 및 발전량, 수익성은 일조시간과 일조량의 조절에 달려 있다 할 수 있다.

따라서, 일조시간과 일조량을 조절하여 태양광 발전의 효율성을 극대화하기 위해서 태양 빛을 따라 태양광 발전 장치인 어레이가 태양광을 추적하여 이동할 수 있는 태양광 추적식 발전 어레이 회전용의 웜휠(worm-wheel)이 필요하며, 이 웜휠은 태양광 발전 어레이의 무게와 강한 바람의 저항, 눈의 무게 등을 지탱할 수 있는 강도, 경도, 인성, 내마모성 등이 요구된다.

특히, 상하 또는 좌우 중 단방향으로만 태양광을 추적하는 단방향 추적식 어레이에 비해, 태양광 방위각과 경사각으로 상하, 좌우 자동 회전 태양광 추적이 가능한 양방향 추적식 어레이가 10% 이상 발전 효율이 높은 가장 효율적인 방식이기 때문에 발전의 효율성 향상에 있어서 웜휠의 중요성은 더욱 크다.

KR 10-1883290 B1

본 발명은 상술한 것과 같은 태양광 추적식 발전 어레이 회전용 웜휠에 요구되는 강도, 경도, 인성, 내마모성의 물성을 만족할 수 있는 웜휠의 효과적인 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 태양광 추적식 발전 어레이 회전용 웜휠용 합금의 제조방법은,

탄소함량 2~4중량%인 주철재료를 용탕에 투입하고, 온도를 1,550~1,570℃로 상승시켜 소정시간 유지하는 단계;

상기 주철재료가 1/3 이상 용해되는 시점에 용해로에 Mo, Cu, Ni 성분의 부재료를 투입하고 가열하여 특수합금 주철을 형성하는 단계;

1,430~1,450℃에서 예열된 래들에 의해 출탕하되, 출탕시간을 15분 이내로 준수하여 웜휠의 형상을 주조하는 단계;

주조된 웜휠을 구상화 열처리하는 단계; 및

구상화 열처리화된 웜휠을 오스테나이트화 온도인 850~950℃까지 가열하고, 탄소가 기지조직 중에 균일하게 고용될 때까지 1시간 내외 온도를 유지한 후, 일정한 온도의 염욕로 중에서 390℃까지 급냉하고, 그 온도에서 120분 정도 유지시킨 후, 웜휠을 염욕로에서 꺼내 공기중에서 상온으로 서서히 냉각하는 오스템퍼링 열처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 주철재료는 전체 특수합금 주철 중량에 대해 강고철 55~65중량%, 선철 15~25중량%, 회수철 15~25중량%로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 바람직하게는 상기 Mo, Cu, Ni 성분의 부재료는 Mo-Cu, Mo-Ni, Cu-Ni, 또는 Mo-Cu-Ni 형태로 복합화된 물질로 투입하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방법에 의해 제조된 태양광 추적식 발전 어레이 회전용 웜휠은 우수한 내구성에 기반한 강도, 경도, 인성, 내마모성 등을 확보하여, 여러 장의 태양광 발전 모듈로 구성된 구조물인 어레이가 자체의 무게와 강한 바람의 저항, 눈의 무게 등에도 지탱하면서 본래의 기능을 수행할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 방법에 있어서는 고철과 회수철 등을 원료로 사용하여 제조함으로써, 원가를 절감하면서도 원하는 강도와 경도, 인성 내마모성 등을 확보할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 방법에 의해 제조되는 태양광 추적식 발전 어레이 회전용 웜휠의 사시도이고,
도 2는 본 발명에 따른 태양광 추적식 발전 어레이 회전용 웜휠의 제조방법의 각 단계를 순차적으로 도시한 공정흐름도이다.

이하, 본 발명을 좀 더 상세하게 설명한다.

본 발명은 태양광 추적식 발전 어레이 회전용 웜휠의 제조방법에 관한 것으로서, 상기 어레이 회전용 웜휠(1)은 도 1에 나타낸 것과 같이 태양광 추적의 범위를 감안하여 축공(11)이 형성된 실린더(10)의 외주면의 일부에만 치(21)가 형성된 휠(20)이 둘러싼 형태이다.

이러한 어레이 회전용 웜휠은 태양광 발전 어레이의 무게와 강한 바람의 저항, 눈의 무게 등을 지탱할 수 있는 강도, 경도, 인성, 내마모성 등이 요구된다.

이러한 요구조건을 충족하기 위해 본 발명의 방법에 따르면, 기본적으로 주조에 의해 웜휠을 형성함에 있어서, 금소재료의 원료배합을 통해 이루어진 특수합금 주철을 사용하고, 열처리를 통해 물성을 향상시키는 공정을 거쳐 웜휠을 제조하게 된다.

도 2에 본 발명에 따른 태양광 추적식 발전 어레이 회전용 웜휠의 제조방법의 각 단계를 순차적으로 도시한 공정 흐름도를 나타내었으며, 이하, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 방법을 상술한다.

본 발명의 방법에 있어서는, 먼저 주조물의 주원료인 주철재료를 용탕에 투입하게 된다(S1).

이 단계에서는 탄소함량 2~4중량%이 되도록 주철재료를 용탕에 투입하고, 온도를 1,550~1,570℃로 상승시켜 소정시간, 예컨대 3-5분 유지하여 주철재료의 용해가 이루어지도록 한다.

주철재료로는 원하는 함량의 신재의 선철이나 강철을 투입할 수도 있지만, 비용적인 측면을 고려하여, 전체 특수합금 주철 중량에 대해 강고철 55~65중량%, 선철 15~25중량%, 회수철 15~25중량% 정도를 투입하여 원하는 탄소함량의 주철재료를 얻는다.

그리고, 다음 단계에서는 상기 주철재료가 1/3 이상 용해되는 시점에 용해로에 Mo, Cu, Ni 성분의 부재료를 투입하고 가열하여 특수합금 주철을 형성하게 된다(S2).

이때, 바람직하게는 상기 Mo, Cu, Ni 성분의 부재료는 Mo-Cu, Mo-Ni, Cu-Ni, 또는 Mo-Cu-Ni 형태로 복합화된 물질로 투입한다. 이들 합금되는 금속들의 함량은 전체 특수합금 주철 중량에 대해 5% 이하로 한다.

상기 투입되는 주철재료나 부재료인 금속재료를 신재로 사용하고 함량을 정확하게 투입하는 경우를 제외하고는, 상기 투입되는 주철재료의 종류나 투입량에 따라 성분의 함량이 달라지기 때문에 성분의 함량을 조절할 필요가 있다. 따라서, 상기와 같이 강고철이나 회수철을 배합하여 투입한 경우 등에 있어서는 이와 같이 부재료까지 투입된 상태에서 약1,500℃의 온도에서 성분 테스트를 실시하여, 이를 통해 주재료 및 부재료의 성분을 조절하여 원하는 각 성분들의 함량을 조절하게 된다(S3).

다음 단계에서는, 완전히 용융되고 함량이 조절된 특수합금 주철을 1,430~1,450℃에서 예열된 래들에 의해 출탕하여 웜휠의 형상을 주조한다(S4). 이때, 출탕시간을 15분 이내로 준수하여 균일한 응고가 이루어지도록 하여야 한다.

다음단계에서는, 주조된 웜휠을 구상화 열처리한다(S5).

구상화 열처리는 주조물의 내부에 형성되어 있는 탄화물을 구상화하기 위한 것으로 구상화 처리의 결과 인성과 가공성 등이 향상된다.

구체적으로는 730~760℃까지 서서히 가열한 다음, 이 온도에서 1시간~2시간 유지한 다음, 30℃/h 이하의 속도로 600℃까지 서냉하는 방법에 의해 구상화한다.

다음으로, 구상화 열처리화된 웜휠을 오스테나이트화 온도인 850~950℃까지 가열하고, 탄소가 기지조직 중에 균일하게 고용될 때까지 1시간 내외 온도를 유지한 다음, 일정한 온도의 염욕로 중에서 390℃까지 급냉하고, 그 온도에서 120분 정도 유지시키고, 다시 웜휠을 염욕로에서 꺼내 공기중에서 상온으로 서서히 냉각하는 공냉과정을 거치는 오스템퍼링 열처리 단계를 실시한다(S6).

이상과 같은 공정을 거친 방법을 통해 제작된 태양고아 추적식 발전 어레이 회전용 웜휠은, 인장강도가 1,100 N/㎟, 항복강도가 750 N/㎟ 이상, 연신률은 7% 이상, 경도 170~250HB, 조직화율(구상화율) 95% 이상의 물성을 가지게 된다.

1: 태양광 추적식 발전 어레이 회전용 웜휠
10: 실린더 11: 축공
20: 휠 21: 치

Claims (3)

1. 탄소함량 2~4중량%인 주철재료를 용탕에 투입하고, 온도를 1,550~1,570℃로 상승시켜 소정시간 유지하는 단계;
   상기 주철재료가 1/3 이상 용해되는 시점에 용해로에 Mo, Cu, Ni 성분의 부재료를 투입하고 가열하여 특수합금 주철을 형성하는 단계;
   1,430~1,450℃에서 예열된 래들에 의해 출탕하되, 출탕시간을 15분 이내로 준수하여 웜휠의 형상을 주조하는 단계;
   주조된 웜휠을 구상화 열처리하는 단계; 및
   구상화 열처리화된 웜휠을 오스테나이트화 온도인 850~950℃까지 가열하고, 탄소가 기지조직 중에 균일하게 고용될 때까지 1시간 내외 온도를 유지한 후, 일정한 온도의 염욕로 중에서 390℃까지 급냉하고, 그 온도에서 120분 정도 유지시킨 후, 웜휠을 염욕로에서 꺼내 공기중에서 상온으로 서서히 냉각하는 오스템퍼링 열처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 추적식 발전 어레이 회전용 웜휠용 합금의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 주철재료는 전체 특수합금 주철 중량에 대해 강고철 55~65중량%, 선철 15~25중량%, 회수철 15~25중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양광 추적식 발전 어레이 회전용 웜휠용 합금의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 Mo, Cu, Ni 성분의 부재료는 Mo-Cu, Mo-Ni, Cu-Ni, 또는 Mo-Cu-Ni 형태로 복합화된 물질로 투입하는 것을 특징으로 하는 태양광 추적식 발전 어레이 회전용 웜휠용 합금의 제조방법.

Images