One of the most important factors that have a large influence on performance of the solar water heater system is performance of the solar collector, more detailedly, coating technology on the surface of the solar collector, which can provide high solar absorptance and low emittance. The core of the ...
One of the most important factors that have a large influence on performance of the solar water heater system is performance of the solar collector, more detailedly, coating technology on the surface of the solar collector, which can provide high solar absorptance and low emittance. The core of the coating technology is to coat solar selective surfaces. In this study, various performance experiments are carried out using $Cr_2(SO_4)_3{\cdot}15H_2O$ coating technology. Here, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) of 5000A-15V was used as the surface processing rectifier which can stably output power and also can control voltage and current. The plating solution mainly contains black chrome$^{+3}$ concentration, H-y Conductivity, N-u Complex, NF Additive and NC-2 Wetter. Before applying the black chrome coating on the copper plate, optimal conditions are provided by using various preprocessing methods such as removal of fat, activation, electrolytic polishing, nickel strike, copper sulfate plating and bright neckel plating, and then the automatic continuous coating experiment are performed according to plating time and cathode current density. In the experiment, after the removal of fat, chemical polishing, nickel strike and activation processes as the preprocessing methods, the black chrome coating was performed in a plate solution temperature of $28^{\circ}C$ and a cathode current density of $18A/cm^2$ for 90 seconds. The thickness of chrome and nickel on the coated plate is $0.389{\mu}m$, $159{\mu}m$ respectively. As a result of the coating experiment, it showed the most excellent performance having a high solar absorptance of 98% and a low emittance of $5{\pm}1%$ when the black chrome surface had a thickness of $0.398{\mu}m$.
One of the most important factors that have a large influence on performance of the solar water heater system is performance of the solar collector, more detailedly, coating technology on the surface of the solar collector, which can provide high solar absorptance and low emittance. The core of the coating technology is to coat solar selective surfaces. In this study, various performance experiments are carried out using $Cr_2(SO_4)_3{\cdot}15H_2O$ coating technology. Here, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) of 5000A-15V was used as the surface processing rectifier which can stably output power and also can control voltage and current. The plating solution mainly contains black chrome$^{+3}$ concentration, H-y Conductivity, N-u Complex, NF Additive and NC-2 Wetter. Before applying the black chrome coating on the copper plate, optimal conditions are provided by using various preprocessing methods such as removal of fat, activation, electrolytic polishing, nickel strike, copper sulfate plating and bright neckel plating, and then the automatic continuous coating experiment are performed according to plating time and cathode current density. In the experiment, after the removal of fat, chemical polishing, nickel strike and activation processes as the preprocessing methods, the black chrome coating was performed in a plate solution temperature of $28^{\circ}C$ and a cathode current density of $18A/cm^2$ for 90 seconds. The thickness of chrome and nickel on the coated plate is $0.389{\mu}m$, $159{\mu}m$ respectively. As a result of the coating experiment, it showed the most excellent performance having a high solar absorptance of 98% and a low emittance of $5{\pm}1%$ when the black chrome surface had a thickness of $0.398{\mu}m$.
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제안 방법
동판에 친환경 흑색 황산3가크롬(Cr2(SO4)3 15H2O)표면처리 방법을 개발하여 태양열 흡열판의 각종 성능 실험을 수행하였다.
코팅용 정류기는 IGBT 5000A-15V를 사용하였고, 도금용액은 황산3가크롬염, 전도성염(H-y Conductivity), 착화제(N-u Complex), 첨가물(NFAdditive), 습윤제(NC-2Wetter)가 주성분이다.동판에 흑색 황산3가크롬 코팅을 하기전 전처리 방법으로 탈지, 활성화, 전해 연마, 화학연마, nickelstrike, 황산동 도금, bright nickel도금 등의 방법을 적용하여 태양열 흡열판의 흡수율과 방사율을 측정하였다. 본 연구에서 수행한 각종 전처리 방법 중에서 탈지, 화학연마, nickel strike 활성화 공정 후 음극 전류밀도 18A/㎠, 도금액 온도 28℃에서 흑색 황산3가크롬 도금을 90초 동안 코팅한 것이 가장 양호한 성능을 나타냈다.
따라서 본 연구에서는 친환경 흑색 황산3가 크롬 표면처리 방법으로서 코팅기술을 적용하여 다양한 조건에서 성능 실험을 수행하였다.
본 실험에 사용한 정류기는 IGBT(Insulated GateBipolarTransistor,지능형) 5000A-15V를 사용하였고, 도금용액은 3가 크롬염(chrome+3 concentration) 45g/ℓ, 전도성염(H-yConductivity) 400ml/ℓ, 착화제(N-uComplex) 32g/ℓ, 첨가물(NFAdditive) 5ml/ℓ, 습윤제(NC-2Wetter) 10ml/ℓ를 주성분으로 하는 태양열 흡열판 선택흡수막 코팅11)을 개발하였다.
본 실험에서는 폭 36cm, 길이 30m 두께 1.5mm의 동판을 다양한 전처리 방법으로 전 처리 공정을 거쳐 흑색 황산3가크롬을 코팅하였다.
본 연구에서 사용한 코팅설비는 Fig.1에 제시한 바와 같으며 도금조(Bath)는 폴리프로 필렌(P.P) 재질로 가로 60cm, 세로 50cm, 높이 50cm로 제작하고 별도로 가로 200cm, 세로 90cm, 높이 60cm의 저장조를 설치하여 여과기 펌프를 이용 저장 탱크로부터 조금조로 도금액을 이송시키고 다시 저장조로 돌아오게 설치하였다.
여과기로는 화학펌프 0.26kW 용량을 사용하고 냉각 장치는 저장조에 가로 200cm,세 로 90cm, 높이 60cm 내 벽에 티타늄(Ti) 냉각코일을 부착하여 냉동기를 사용 일정한 온도가 유지되도록 하였다.
태양열 흡열판 박막 흑색 황산3가크롬 코팅장치의 핵심인 도금조에서 흡열판에 균일 한 두께의 크롬 박막이 전착을 위해 Fig.2의 A의 상부 그림과 같이 양극과 음극 사이의 간극을 일정하게 하였을 경우 흡열판 좌우 선단에는 전착이 두껍게 이루어져 이를 방지하기 위하여 하부 그림과 같이 양극(+) 소재를 타원형으로 제작하였다. 그 결과 흡열판의 좌우 선단에서 양극간 거리를 50% 정도 크게 설치하여 고전류, 저전류에 의한 불균일 전착을 방지하였다.
한편 동판의 전처리 공정에서 형성되는 동판 표면조도[중심선 평균 거칠기(Ra), 최대거칠기(Ry), 10점 평균 거칠기(Rz)]를 측정하여 동판의 표면 조도(거칠기)가 동판상의 태양열 선택흡수막의 흡수율과 방사율에 미치는 영향을 관찰하였다.
한편, 단파장 영역에서의 흑색 황산3가 크롬 선택흡수박막의 흡수율을 측정하기 위하여 Perkin Elmer회사의 UV/VIS Spectrometer Mode lLdmbdaⅡ를 이용하였다.이 Spectrometer는 1.
본 연구에서 최종 흑색 황산3가크롬 선택 흡수막에 대한 방사율을 측정하기 위하여 미국 Device & Servise회사의 Emissometer ModelAE-AD1을 사용하였다.
O)표면처리 방법을 개발하여 태양열 흡열판의 각종 성능 실험을 수행하였다.코팅용 정류기는 IGBT 5000A-15V를 사용하였고, 도금용액은 황산3가크롬염, 전도성염(H-y Conductivity), 착화제(N-u Complex), 첨가물(NFAdditive), 습윤제(NC-2Wetter)가 주성분이다.동판에 흑색 황산3가크롬 코팅을 하기전 전처리 방법으로 탈지, 활성화, 전해 연마, 화학연마, nickelstrike, 황산동 도금, bright nickel도금 등의 방법을 적용하여 태양열 흡열판의 흡수율과 방사율을 측정하였다.
성능/효과
Fig.9에 나타낸 바와 같이 동판에 흑색 황산3가크롬이 코팅된 선택흡수막의 방사율은 표준 전류밀도 (음극 전류밀도 18A/㎠)보다 높을수록 방사율이 높아져 박막의 효율이 감소하고 있음을 알 수 있었고, 흡수율은 전착되는 박막층이 증가하다가 전류밀도가 22A/㎠ 이상에서는 더 이상 증가하지 않는 것으로 관찰되었다.
1에 각종 전처리 방법에 따른 동판 의 표면조도와 태양열 흡열판의 흡수율 및 방 사율을 정리하였다. 그 결과 전처리 방법을 동판 화학연마와 nickel strike 도금 기법을 적용 후 최종 흑색 황산3가크롬을 전착한 것이 가장 우수하였다.
2의 A의 상부 그림과 같이 양극과 음극 사이의 간극을 일정하게 하였을 경우 흡열판 좌우 선단에는 전착이 두껍게 이루어져 이를 방지하기 위하여 하부 그림과 같이 양극(+) 소재를 타원형으로 제작하였다. 그 결과 흡열판의 좌우 선단에서 양극간 거리를 50% 정도 크게 설치하여 고전류, 저전류에 의한 불균일 전착을 방지하였다.
도금한 표면의 흡수율과 방 율은 Fig.6에 제시한 바와 같이 각각 98.13%, 5±1%로 측정되었으며 가장 우수한 결과이다.
동판에 산성동 도금, bright nickel 도금 후 흑색 황산3가크롬 도금한 흡열판의 흡수율과 방사율은 Fig.5에 제시한 바와 같이 각각 95.48%, 10±1%로 측정되었다.
동판에 화학 연마 및 nickel strike plating 후 흑색 황산3가크롬 도금을 실시한 후 전자 현미경을 이용하여 도금층 두께를 측정한 결과 Fig.7에 제시한 바와 같이 흡열판 표면인 크롬의 두께는 0.389 ㎛이고 하부의 니켈층 두께는 0.159 ㎛로 나타났다.
동판에 흑색 황산3가크롬 코팅을 하기전 전처리 방법으로 탈지, 활성화, 전해 연마, 화학연마, nickelstrike, 황산동 도금, bright nickel도금 등의 방법을 적용하여 태양열 흡열판의 흡수율과 방사율을 측정하였다. 본 연구에서 수행한 각종 전처리 방법 중에서 탈지, 화학연마, nickel strike 활성화 공정 후 음극 전류밀도 18A/㎠, 도금액 온도 28℃에서 흑색 황산3가크롬 도금을 90초 동안 코팅한 것이 가장 양호한 성능을 나타냈다. 이 조건에서 흑색 황산3가크롬을 코팅한 태양열 흡열판의 크롬 두께는 0.
본 연구에서 수행한 각종 전처리 방법 중에서 탈지, 화학연마, nickel strike 활성화 공정 후 음극 전류밀도 18A/㎠, 도금액 온도 28℃에서 흑색 황산3가크롬 도금을 90초 동안 코팅한 것이 가장 양호한 성능을 나타냈다. 이 조건에서 흑색 황산3가크롬을 코팅한 태양열 흡열판의 크롬 두께는 0.389 ㎛, 하부 니켈 두께는 159 ㎛이었고 흡수율과 방사율은 각각 98%, 5±1%로 전기화학적인 방법으로 코팅한 흡열판 중에서 가장 우수하였다.
전처리 공정을 완료한 후 동판 표면조도는 Ra 0.13㎛, Ry 1.01㎛, Rz 0.80㎛ 이며 동판 표면 조도를 유지하며, Fig.4에 나타낸 바와 같이 흑색 황산3가크롬 도금 후 흡수율 96.3% 방사율 7±1%로 측정되었다
표면 조도가 Ra 0.13μm, Ry 1.11μm, Rz 0.83μm의 조건에서 방사율의 효율이 가장 우수한 것으로 관찰되었다.
이 그림에서 표준 도금 시간(90초)보다 긴 95초 이상에서 방사율이 높아져 흡열판의 효율이 감소하는 것으로 관찰되었다. 흡수율은 도금시간 증가에 따라 높아지며 95초 이 상에서는 더 이상 증가하지 않는 것을 관찰 할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
태양 복사에너지의 특징은?
그러나 지구 표면에서 태양 복사에너지인 일사량의 에너지 밀도는 태양상수 보다 낮으므로 태양열을 이용하는 태양열 온수기 등에서는 태양열을 흡열하는 흡열판의 성능이 중요하다.태양 복사에너지는 약 98%가 파장영역(solarspectrum)이 3.0㎛ 이하로서 태양에너지가 집열기에 조사되면 약 92%가 투과유리(저철분 강화유리)를 투과하여 흡수판(absorberplate)에서 흡수되고 일부는 방사한다.따라서 집열기의 광학적 열성능을 높이기 위해서는 흡수판에서 가능한 흡수율(solar absorptance)을 높이고 방사율(thermalemittance) 낮추어야 한다1,2).
흡열판의 성능을 향상 시키기 위해서 필요한 것은?
따라서 집열기의 광학적 열성능을 높이기 위해서는 흡수판에서 가능한 흡수율(solar absorptance)을 높이고 방사율(thermalemittance) 낮추어야 한다1,2).흡열판은 주로 열적 성능이 우수한 동판이 사용되며 높은 흡수율과 낮은 방사율을 얻기 위해서는 선택적 흡수막(selective absorbercoating)으로 표면처리 하는 기술이 필수적이다3).이 기술을 달성하기 위해서는 태양광 파장 중 에너지가 높은 단파장 영역인 0.
흡열판에서 높은 흡수율과 낮은 방사율을 얻기 위해 필수적인 기술은?
따라서 집열기의 광학적 열성능을 높이기 위해서는 흡수판에서 가능한 흡수율(solar absorptance)을 높이고 방사율(thermalemittance) 낮추어야 한다1,2).흡열판은 주로 열적 성능이 우수한 동판이 사용되며 높은 흡수율과 낮은 방사율을 얻기 위해서는 선택적 흡수막(selective absorbercoating)으로 표면처리 하는 기술이 필수적이다3).이 기술을 달성하기 위해서는 태양광 파장 중 에너지가 높은 단파장 영역인 0.
참고문헌 (11)
Kim D. H., LeeT. K., ChoS. H., AuhP. C., Electrodeposition of Black Chrome Solar Selective Coatings by Pulse Current Method. Proceeding of the 1992 International ASME Conference, Hawaii, 1992.
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Park Y. J., Ohm T. I., Black metal plating solution for copper plate with low emissivity and high absorption of solar energy. Certificate of Patent(Korea) 10-1102471, 2011.
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