김정민
(Jeong Min Kim)
1
이행우
(Heang Woo Lee)
2†
서장후
(Jang Hoo Seo)
3
김용성
(Yong Seong Kim)
1
-
국민대학교 테크노디자인전문대학원 건축디자인학과
(Graduate School of Techno Design, Kookmin University, 77 Jeongneung-ro, Seongbuk-gu,
Seoul, 02707, Korea)
-
미래환경플랜건축사사무소
(Institute of Green Building and New Technology Mirae Environment Plan, Seoul, 01905,
Korea)
-
국민대학교 건축대학
(School of Architecture, Kookmin University, 77 Jeongneung-ro, Seongbuk-gu, Seoul,
02707, Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
태양광발전(PV), 광선반(Light-shelf), 채광성능(Lighting performance), 에너지저감(Energy Saving), 성능평가(Performance evaluation)
1. 서론
1.1 연구배경 및 목적
건물부문의 에너지 사용량은 UNDP(United Nations Development Programme)의 2013년 에너지 사용량 조사에 따르면 전체
에너지 사용량의 39%로 높게 나타나고 있으며, 향후 지속적으로 증가할 것으로 예상되어 문제시되고 있다.
(1) 또한, 2014년 국토교통부에서 발표한 건축물관리시스템(BEMS) 산업 기술동향 조사 및 활성화 방안연구
(2)에 의하면 건물부분의 에너지 소비량은 전체 에너지 소비량의 약 21%로 높게 보고되었다. 이에 따라서 건물에너지 저감을 위한 다양한 연구와 기술개발의
수요가 증가하고 있다.
(3-7) 이중 광선반은 자연 채광시스템의 하나로써 외부 자연광을 반사를 통하여 실내로 깊숙이 유입시켜 실내 빛환경 개선 및 조명에너지 저감이 가능하다. 이러한
점에서 광선반은 그 효율을 인정받아 다양한 연구와 적용이 이루어지고 있으며, 최근에는 광선반의 채광효율을 증대시키기 위하여 정보통신(Information
Techology) 기술 등의 첨단 가동기술이 적용된 가동형 광선반에 대한 연구가 진행되었다.
(8,9)
PV(Photovoltaic)는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜 주는 태양광발전 시스템의 일종이다. PV는 자연광의 입사각에 따라서 발전효율이 상이하게
나타날 수 있다.
(10) 이는 PV가 태양의 고도 및 광량에 따라서 결과값이 상이하게 나타날 수 있다는 것을 의미하며, 입사각에 따른 각도제어가 필요하다. 이러한 측면에서
가동형 광선반에 PV를 부착하여 적절한 가동이 이루어진다면 채광 및 발전 효율을 높임으로써 건물에너지 저감의 극대화가 가능할 것으로 판단된다. 그러나
PV가 부착된 광선반의 선행연구는 광선반의 전면에 PV를 부착하여 성능평가를 진행하였으며,
(11) 이는 광선반의 성능보다는 PV의 역할로만 제안되어 PV를 통한 에너지 발전효율은 높일 수 있으나 광선반의 장점인 실내 빛환경 개선 및 조명에너지
저감에는 부적합 할 것으로 판단된다.
이에 본 연구는 광선반 일부에 PV가 부착된 형태인 PV 부착 광선반을 제안하며, 광선반 반사판에 부착되는 PV 면적의 집광 및 조명에너지 저감의
효율 성능을 분석함으로써 PV 부착 광선반의 성능검증 및 적정규격 도출을 목적으로 한다.
1.2 연구의 절차 및 범위
본 연구는 PV 부착 광선반의 PV 부착면적에 따른 성능평가를 진행하며,
Fig. 1에서 나타나듯이 다음의 절차에 의거하여 진행하였다. 첫 번째, 문헌고찰의 단계로써 광선반 개념 및 선행연구를 고찰하였으며, 이후 성능평가를 위한 실내
적정 조도기준에 대하여 고찰하였다. 또한 광선반에 부착되는 PV의 개념 및 규격을 고찰하였으며, 이후 성능평가를 위한 실내 적정 조도 기준을 설정하였다.
두 번째, 성능 평가의 단계로써 본 연구는 PV 미부착 광선반과 PV 부착 광선반으로 Case를 구분하였으며, 특히 PV 부착 광선반은 PV 부착
비율과 PV 모듈크기를 고려하여 32.8%, 65.7%, 100%로 설정하였다. 단 본 연구의 PV 부착면적은 PV를 구성하고 있는 태양전자와 프레임을
포함하였다. 단, 본 연구는 건물에너지 사용량이 높게 나타나는 동지 및 하지로 국한하였으며,
(12) 특히 광선반 관련 변인은 선행연구의 결과
(13,14)를 근거로 설정하였다. 또한, 본 연구는 성능평가의 내부 빛 환경 조성이 용이하도록 하기위하여 인공태양 조사장치를 활용하였다.
Fig. 1. Research flowchart.
2. 광선반 및 PV 시스템의 실내 쾌적 조도기준 고찰
2.1 광선반 시스템의 개념 및 연구동향
광선반은
Fig. 2에서 나타나듯이 외부 자연광을 광선반의 반사판 및 천장면의 순서에 의거하여 빛을 반사시켜 실내 깊숙이 유입시킴으로써 효율적인 조명에너지 저감이 가능하다.
또한, 광선반은 외부로부터 직접적으로 유입되는 자연광을 일부 차양함으로써 실내외 조도 불균형을 해결하여 실내 공간의 빛환경 쾌적도를 높일 수 있다.
이러한 광선반의 성능을 결정짓는 변인은 각도, 높이, 폭, 반사율 등이 있다. 특히, 광선반의 선행연구
(15)는 광선반의 각도를 제어한 가동형 광선반을 제안하고 있으며, 광선반의 각도제어를 통하여 채광성능을 개선하고 있다.
Fig. 2. Concept and variable of light-shelf.
광선반의 성능평가 및 채광성능을 개선하기 위한 선행 연구는
(16-22) 사용자인식 및 위치인식 기술 등 다양한 기술이 접목된 가동형 광선반이 제안되고 있다. 특히 PV가 부착된 광선반에 관련된 연구는 일부 진행되었으나
광선반 반사판의 전면에 PV를 부착하거나 광선반의 형태를 박공형태로 하여 한쪽면에 PV를 부착하고 있다. 이와 같은 경우 전자는 광선반의 기능보다는
PV의 기능으로만 광선반이 사용되어 광선반의 본연의 기능인 실내의 조명에너지 저감의 기능은 이루어지지 않으며, 후자의 경우에는 PV의 부착면적의 확보를
위해 광선반 반사판의 두께가 생겨 건물외부의 부착 시 하중이 발생한다는 단점이 발생할 수 있다.
2.2 PV의 개념 및 규격
PV는
Fig. 3에서 나타나듯이 빛에너지를 직접 전기에너지로 변환시켜주는 가장 작은 단위의 모듈이다.
(23) 이러한 PV는 일반적으로 pn 접합구조를 가진 PV 패널로써 전기에너지 생성 원리는 다음과 같다. 외부로부터 광자가 PV 내부로 흡수되면 광자가
지닌 에너지에 의하여 PV 모듈 내부에서 전자와 정공을 생성하며, 생성된 전자 및 정공은 pn 접합에서 발생한 전기장에 의하여 각각 n형 반도체 및
p형 반도체를 이동 및 부하를 동작시켜 에너지를 생성한다. 본 연구에서 사용된 PV는 PV 제작업체의 생산 규격
(23)을 근거하여 크기 156 mm×156 mm 모듈을 적용하였다.
Fig. 3. Concept, principle of PV.
2.3 실내의 조도 기준 고찰
실내공간의 일정 조도를 유지하는 것은 거주자의 쾌적성 개선 및 조명에너지 저감을 동시에 만족시킬 수 있는 중요한 부분이다. 이에 따라서 국내의 경우에는
Table 1에서 나타나듯이 실내공간 내 조도기준으로 KS A 3011을 명시하고 있다. 이에 본 연구는 일반휘도 대비 시작업의 평균조도인 400 lx를 PV
부착 광선반 성능평가를 위한 실내 적정 조도 및 조명제어를 위한 기준으로 설정하였다.
Table 1. Indoor levels of illumination : KS A 3011
|
Type of activity
|
Scope (lx)
|
|
Min
|
Ave
|
Max
|
|
Visual Performance according to the degree of general-brightness
|
300
|
400
|
600
|
3. 성능평가 방법 및 결과
3.1 성능평가 환경 설정
본 연구는 PV 부착 광선반의 성능평가를 진행하기 위하여
Table 2에서 나타나듯이 테스트베드를 구축하였으며, 테스트베드의 크기는 Table 2에서 나타나듯이 폭 4.9 m, 높이 2.5 m, 깊이 6.6 m이다.
또한, 광선반이 부착되는 채광창의 크기는 폭 2.2 m, 높이 1.8 m이며, 광선반이 설치되는 창호의 외측부에 인공외부환경 조성을 위하여 인공기후챔버를
구축하였다. 인공기후챔버는 -20℃에서 40℃의 온도 설정이 가능하도록 하였으며, 광원의 광량, 높이, 각도 설정이 가능한 인공태양광 조사장치를 둠으로써
다양한 상황의 외부 환경 조성이 가능하도록 하였다. 단, 본 연구의 인공태양장치는 기기적 특성으로 인하여 정남향에 대하여 면 성능평가를 진행하였다.
테스트베드의 설치되는 조명은 8단계 디밍 조명제어가 가능한 LED 타입으로 IES의 4점법에 근거하여 4개의 조명을 설치하였다. 또한, 성능평가를
위한 외부조도는 관련 연구
(24)를 근거하여 하지 및 동지에 대하여 각각 80,000 lx 및 30,000 lx로 설정하였으며, 특히 PV 발전 효율이 온도와 밀접한 관련이 있다는
연구 결과
(25)를 근거하여 광선반이 설치되는 챔버측의 온도를 하지 및 동지에 대하여 각각 30℃ 및 -10℃가 유지되도록 설정하였다.
(26)
Table 2. Summary and view of test bed
|
Summary of test bed
|
view of test bed
|
|
Room size, Material
|
- 4.9 m(W)×6.6 m(D)×2.5 m(H)
- Reflexibility : Ceiling(86%), Wall(46%), Floor(25%)
|
|
|
Window size, material
|
- 1.9 m(W)×1.7 m(H)
- Type : Pair glass 24 mm(6 mm+12 mm+6 mm), Trasmissivity : 80%
|
|
Lighting
|
- 8 Level dimming(LED type) 4 ea
- Dimension(mm) : 600×600
- Dimming Range : 10~100%
- Electricity consumption according to the level of dimming lighting control :
lv 1(12 W), lv 2(18 W), lv 3(22 W), lv 4(28 W), lv 5(34 W), lv 6(39W), lv 7(43
W), lv 8(51 W)
|
|
Illuminance sensor
|
- Sensing element : Silicon photo sensor, with filter
- Detection range : 0~200,000 lx
- Precision : ±0.3%
|
|
External illuminance
(meridian transit)
|
- Summer : 80,000 lx(76.5°) - Winter : 30,000 lx(29.5°)
|
|
External temperature
|
- Summer : 30℃ - Winter : -10℃
|
|
Directions
|
- South aspect
|
본 연구는
Fig. 4에서 나타나듯이 실내공간의 평균조도를 측정하기 위하여 채광창으로부터 4.4 m의 지점이 적합하다는 연구결과를 근거하여 조정한 결과 2.2 m 간격으로
4개의 조도센서를 설치하였으며, 작업면 높이를 근거하여 바닥으로부터 750 mm에 설치하였다.
Fig. 4. Plane and cross section of test bed.
3.2 성능평가 방법
본 연구는 PV 부착 광선반의 성능평가를 진행하기 위하여 관련 연구를
(12-14) 근거하여 다음과 같은 방법에 의거하여 진행하였다.
첫 번째, 본 연구는 PV 부착 광선반의 유효성 및 성능평가를 진행하기 위하여
Table 3에서 나타나듯이 광선반의 PV 부착 여부 및 광선반에 부착되는 PV 비율에 따라서 Case 1, 2, 3, 4로 설정하였으며, PV의 부착 비율은
PV 모듈 및 광선반의 크기를 고려하여 32.8%(PV 모듈 12개 부착), 65.7%(PV 모듈 24개 부착), 100% (PV 모듈 36개 부착)로
설정하였다. 본 연구의 PV 부착면적은 PV의 실제 모듈뿐만 아니라 실제 PV 설치시 요구되는 프레임의 면적을 합산한 값이다. 두 번째, 본 연구의
광선반 규격은
Table 4에서 나타나듯이 관련 연구
(16,17)를 근거하여 설정하였으며, 특히 광선반의 폭은 PV의 모듈 크기를 고려하여 500 mm로 하였다. 본 연구에서 적용된 PV의 스펙은
Table 5와 같다. 세 번째, 본 연구는 PV 부착 광선반의 각도에 따른 실내 적정 조도인 400 lx를 유지하기 위한 조명에너지 사용량을 도출하였다. 실내
적정 조도인 400 lx를 유지하기 위한 조명제어는 국내의 S사와 협의하여 자동 제어되도록 시스템을 구축하였다. 디밍조명 자동제어는 테스트베드의 조도
센서 1, 2, 3, 4번과 조명 1, 2, 3, 4를 각각 연동하였으며, 실내 측정되는 조도센서의 측정값이 400 lx 이하인 경우 가장 낮은 조도값을
보이는 조도센서와 연동되는 조명부터 순차적으로 디밍단계를 올리도록 설정하였다. 이러한 디밍제어 중 실내의 조도센서 값이 모두 400 lx를 만족시
조명제어가 종료되도록 하였으며, 이때의 조명제어 수준 및 조명기기 전력사용량을 도출하여 광선반 성능평가에 반영하였다. 네 번째, PV를 통하여 생산되는
전력량을 도출하였으며, PV를 통하여 생산되는 전력량 산출은 PV 집광시의 전압값과 전류값을 모니터링하여 그 값의 곱으로 도출하였다. 전압과 전류를
측정하기 위하여 사용된 측정장비 스펙은
Table 6과 같다. 다섯 번째, 본 연구는 PV 부착 광선반의 집광에 의하여 생산되는 에너지와 실내 적정조도인 400 lx를 유지하기 위한 조명에너지 사용량
및 PV의 전력생산량을 도출하여 광선반 설치에 의한 에너지 손실량을 판단하였다. 또한, 본 연구는 에너지 손실량을 근거로 하지 및 동지에 대한 정적각도를
산출하였다. 본 연구의 (-)값을 가지는 에너지 손실량은 조명에너지 사용량이 PV 전력생산량 보다 높은 것을 의미하며, 반대로 (+)값을 가지는 에너지
손실량은 PV 전력생산량이 조명에너지 사용량보다 높게 나타나는 것을 의미한다. 단, 본 연구의 각 Case별 조명에너지 사용량 및 PV를 통하여 생산되는
에너지 사용량은 정남향의 1시간에 대하여만 반영하였으며, 이는 본 연구를 위하여 구축된 테스트베드의 한계이다.
Table 3. Setting of cases for performance evaluation
|
Case
|
Image of PV attachment
|
Number of PV attachment modules
|
Ratio of PV attachment area
|
|
1
|
|
|
0
|
No PV attachment
|
|
2
|
|
|
12
|
32.8%
|
|
3
|
|
|
24
|
65.7%
|
|
4
|
|
|
36
|
100%
|
Table 4. Setting of light shelf variables for performance evaluation
|
Variable
|
Range
|
Variable
|
Range
|
|
Light-shelf width(type)
|
500 mm(Exterior type)
|
Angle
|
-10°, 0°, 10°, 20°, 30°
|
|
Reflectivity
|
specular reflection film : 85%
|
Height
|
1,800 mm
|
Table 5. Standard and efficiency grade of PV
|
Type(size)
|
Poly cell(156.75×156.75)
|
Efficiency
|
18.2%
|
|
Power
|
4.43 W
|
Grade
|
A
|
Table 6. Specifications and image of voltage and current measuring equipment
|
Equipment name
|
MULLER 3201
|
|
Measurement item(measurement capacity)
|
DC Voltage(6.000 V~1000 V), DC Current(6.000 A~10.00 A)
|
|
Error rate
|
±0.5%+3
|
3.3 성능평가 결과 및 논의
PV 부착 광선반의 성능평가 결과는
Table 7~
Table 9,
Fig. 6 및
Fig. 7과 같으며, 이에 대한 분석내용은 다음과 같다.
첫 번째, 기존의 타입인 PV가 미부착된 광선반은
Fig. 5에서 나타나듯이 광선반의 각도에 따라서 실내로 유입되는 채광량의 차이를 보이며, 조명에너지 저감을 위한 광선반의 적정 각도는 Table 8 및 Table
9를 근거로 하였다. 하지의 경우 광선반의 적정 각도는 실내 적정조도를 유지하기 위한 조명에너지 사용량이 0.093 kWh로 나타나는 30°로 도출되며,
반면 동지의 경우 광선반 적정각도는 실내 적정조도 유지를 위한 조명에너지 사용량이 동일하게 0 kWh 나타나는 -10° 이상으로 나타난다. 특히 동지의
경우에는 하지에 대비하여 낮은 고도로 인하여 실내로 많은 자연광이 유입되고 있으며, 이에 따라서 낮은 광선반의 각도에도 실내 적정조도인 400 lx를
만족시킨다.
Fig. 5. Inflow of natural light indoors according to the angle of light shelf at the summer and winter solstice.
Table 7. Appropriate variables by case according to the energy saving loss rate
|
Case
|
Appropriate angle of light shelf
|
Consumption of lighting energy(kWh)
|
Electric power production of PV(kWh)
|
Sum of energy saving loss rate(kWh)
|
|
1
(No PV attachment)
|
Summer : 30°
|
0.093
|
0
|
-0.093
|
|
Winter : Over -10°
|
0
|
0
|
|
2
(PV attachment area : 32.8%)
|
Summer : 30°
|
0.093
|
0.015
|
-0.071
|
|
Winter : 0°
|
0
|
0.007
|
|
3
(PV attachment area : 65.7%)
|
Summer : -10°
|
0.140
|
0.077
|
-0.039
|
|
Winter : -50°
|
0.038
|
0.062
|
|
4
(PV attachment area : 100%)
|
Summer : -10°
|
0.186
|
0.108
|
-0.046
|
|
Winter : -60°
|
0.069
|
0.101
|
두 번째, PV의 집광량을 증가시키기 위하여는 PV로 입사되는 자연광이 수직을 이루는 것이 바람직하며, 성능평가의 결과에서도 집광효율을 높이기 위한
광선반의 적정 각도로 하지 및 동지에 대하여 각각 -10° 및 -60°로 도출된다. 이는 본 연구에서 설정된 하지 및 동지의 고도인 76.5° 및
29.5°와 수직에 근접한 PV 부착 광선반의 각도이다.
세 번째, PV 부착 광선반의 경우에는 채광 및 집광이 동시에 이루어지며, 이에 따라서
Fig. 6 및
Fig. 7의 결과에서 나타나듯이 광선반의 각도에 따라서 채광 및 집광의 효율이 다르게 나타난다. 하지의 경우 조명에너지 저감 및 PV의 집광 효율이 높게 나타나는
PV 부착 광선반의 적정 변인은
Table 8에서 나타나듯이 -0.063 kWh로 에너지 손실이 가장작은 Case 3의 광선반 각도 -10°로 나타나고 있으며, 반면 동지의 경우
Table 9에서 나타나듯이 PV 집광 효율 증대로 인한 +0.020 kW의 Case 4의 광선반 각도 -50°로 도출된다. 이는 기존 광선반 타입인 PV 미부착
광선반의 적정 각도와는 차이를 보여 PV 부착 광선반 설계시 고려하여야 할 부분이다. PV가 부착된 광선반은 PV가 미부착된 광선반에 대비하여 동지
및 하지에 대하여 각각 다른 에너지저감 효율을 보이고 있으며, 하지의 경우 높은 실외온도로 인하여 집광 효율이 낮게 나타나 건물에너지 손실이 야기된다.
반면 동지의 경우에는 PV의 높은 집광효율과 낮은 태양고도로 인하여 건물에너지 손실은 나타나지 않고 있으며, 이는 PV 부착 광선반의 유효성을 의미한다.
Fig. 6. Electricity consumption of lighting device and electric power production of PV at the summer solstice by case.
Fig. 7. Electricity consumption of lighting devices and electric power production of PV at the winter solstice by case.
Table 8. Result of performance evaluation at the summer solstice
|
Case
|
PV attachment ratio
|
Light shelf angle
|
PV incidence angle
|
Illuminance sensor(lx)
|
Lighting dimming control : light number
(dimming level)
|
Consumption of lighting energy
|
Electric power production of PV
|
Energy saving loss rate
|
|
Min.
|
Ave.
|
|
1
|
No PV attachment
|
-70
|
148˚
|
105.93
|
53.8
|
1(8) → 3(8) → 2(8) → 4(3)
|
0.174
|
0
|
-0.174
|
|
-60
|
138˚
|
116.78
|
56.1
|
1(8) → 3(8) → 2(8)
|
0.152
|
0
|
-0.152
|
|
-50
|
128˚
|
128.58
|
58.8
|
1(8) → 3(8) → 2(7)
|
0.144
|
0
|
-0.144
|
|
-40
|
118˚
|
136.80
|
64.8
|
1(8) → 3(8) → 2(6)
|
0.140
|
0
|
-0.140
|
|
-30
|
108˚
|
142.75
|
65.9
|
1(8) → 3(8) → 2(6)
|
0.140
|
0
|
-0.140
|
|
-20
|
98˚
|
153.55
|
70.2
|
1(8) → 3(8) → 2(5)
|
0.135
|
0
|
-0.135
|
|
-10
|
88˚
|
160.90
|
72.8
|
1(8) → 3(8) → 2(5)
|
0.135
|
0
|
-0.135
|
|
0
|
78˚
|
167.18
|
73.7
|
1(8) → 3(8) → 2(2)
|
0.119
|
0
|
-0.123
|
|
10
|
68˚
|
176.68
|
75.9
|
1(8) → 3(8)
|
0.101
|
0
|
-0.101
|
|
20
|
58˚
|
180.95
|
81.3
|
1(8) → 3(7)
|
0.093
|
0
|
-0.093
|
|
30
|
48˚
|
188.23
|
87.8
|
1(8) → 3(7)
|
0.093
|
0
|
-0.093
|
|
2
|
32.8%
|
-70
|
148˚
|
100.58
|
49.8
|
1(8) → 3(8) → 2(8) → 4(3)
|
0.174
|
0.007
|
-0.167
|
|
-60
|
138˚
|
111.00
|
53.5
|
1(8) → 3(8) → 2(8)
|
0.152
|
0.009
|
-0.143
|
|
-50
|
128˚
|
121.85
|
56.7
|
1(8) → 3(8) → 2(7)
|
0.144
|
0.012
|
-0.132
|
|
-40
|
118˚
|
136.08
|
62.3
|
1(8) → 3(8) → 2(6)
|
0.140
|
0.016
|
-0.124
|
|
-30
|
108˚
|
142.70
|
66.1
|
1(8) → 3(8) → 2(6)
|
0.140
|
0.022
|
-0.118
|
|
-20
|
98˚
|
146.18
|
67.2
|
1(8) → 3(8) → 2(6)
|
0.140
|
0.033
|
-0.107
|
|
-10
|
88˚
|
156.85
|
70.9
|
1(8) → 3(8) → 2(5)
|
0.135
|
0.036
|
-0.099
|
|
0
|
78˚
|
165.05
|
73.5
|
1(8) → 3(8) → 2(3)
|
0.123
|
0.031
|
-0.092
|
|
10
|
68˚
|
167.33
|
75.9
|
1(8) → 3(8) → 2(2)
|
0.119
|
0.022
|
-0.097
|
|
20
|
58˚
|
171.78
|
78.0
|
1(8) → 3(8)
|
0.101
|
0.018
|
-0.083
|
|
30
|
48˚
|
185.43
|
86.6
|
1(8) → 3(7)
|
0.093
|
0.015
|
-0.078
|
|
3
|
65.7%
|
-70
|
148˚
|
88.55
|
43.1
|
1(8) → 3(8) → 2(8) → 4(4)
|
0.180
|
0.013
|
-0.167
|
|
-60
|
138˚
|
96.00
|
44.5
|
1(8) → 3(8) → 2(8) → 4(3)
|
0.174
|
0.018
|
-0.156
|
|
-50
|
128˚
|
104.45
|
49.3
|
1(8) → 3(8) → 2(8) → 4(2)
|
0.170
|
0.025
|
-0.145
|
|
-40
|
118˚
|
111.65
|
51.2
|
1(8) → 3(8) → 2(8)
|
0.152
|
0.036
|
-0.116
|
|
-30
|
108˚
|
122.83
|
56.2
|
1(8) → 3(8) → 2(7)
|
0.144
|
0.047
|
-0.097
|
|
-20
|
98˚
|
126.73
|
58.3
|
1(8) → 3(8) → 2(7)
|
0.144
|
0.071
|
-0.073
|
|
-10
|
88˚
|
131.45
|
62.0
|
1(8) → 3(8) → 2(6)
|
0.140
|
0.077
|
-0.063
|
|
0
|
78˚
|
135.13
|
63.2
|
1(8) → 3(8) → 2(6)
|
0.140
|
0.066
|
-0.074
|
|
10
|
68˚
|
137.40
|
64.0
|
1(8) → 3(8) → 2(6)
|
0.140
|
0.047
|
-0.093
|
|
20
|
58˚
|
139.90
|
65.9
|
1(8) → 3(8) → 2(6)
|
0.140
|
0.037
|
-0.103
|
|
30
|
48˚
|
141.88
|
68.3
|
1(8) → 3(8) → 2(6)
|
0.140
|
0.031
|
-0.109
|
|
4
|
100%
|
-70
|
148˚
|
65.40
|
31.7
|
1(8) → 3(8) → 2(8) → 4(7)
|
0.195
|
0.018
|
-0.177
|
|
-60
|
138˚
|
69.90
|
34.4
|
1(8) → 3(8) → 2(8) → 4(7)
|
0.195
|
0.026
|
-0.169
|
|
-50
|
128˚
|
77.85
|
37.2
|
1(8) → 3(8) → 2(8) → 4(6)
|
0.190
|
0.035
|
-0.155
|
|
-40
|
118˚
|
85.70
|
38.5
|
1(8) → 3(8) → 2(8) → 4(6)
|
0.190
|
0.051
|
-0.139
|
|
-30
|
108˚
|
90.60
|
42.9
|
1(8) → 3(8) → 2(8) → 4(5)
|
0.186
|
0.066
|
-0.120
|
|
-20
|
98˚
|
94.00
|
45.7
|
1(8) → 3(8) → 2(8) → 4(5)
|
0.186
|
0.099
|
-0.087
|
|
-10
|
88˚
|
94.63
|
46.3
|
1(8) → 3(8) → 2(8) → 4(5)
|
0.186
|
0.108
|
-0.078
|
|
0
|
78˚
|
96.78
|
47.2
|
1(8) → 3(8) → 2(8) → 4(4)
|
0.180
|
0.091
|
-0.089
|
|
10
|
68˚
|
98.08
|
49.1
|
1(8) → 3(8) → 2(8) → 4(3)
|
0.174
|
0.064
|
-0.110
|
|
20
|
58˚
|
99.43
|
49.3
|
1(8) → 3(8) → 2(8) → 4(2)
|
0.170
|
0.053
|
-0.117
|
|
30
|
48˚
|
99.93
|
49.4
|
1(8) → 3(8) → 2(8)
|
0.152
|
0.042
|
-0.110
|
Table 9. Result of performance evaluation at the winter solstice
|
Case
|
PV attachment ratio
|
Light shelf angle
|
PV incidence angle
|
Illuminance sensor(lx)
|
Lighting dimming control : light number
(dimming level)
|
Consumption of lighting energy
|
Electric power production of PV
|
Energy saving loss rate
|
|
Min.
|
Ave.
|
|
1
|
No PV attachment
|
-70
|
102˚
|
215.4
|
273.8
|
1(4)
|
0.027
|
0
|
-0.027
|
|
-60
|
92˚
|
238.0
|
304.5
|
1(4)
|
0.027
|
0
|
-0.027
|
|
-50
|
82˚
|
293.2
|
374.6
|
1(3)
|
0.022
|
0
|
-0.022
|
|
-40
|
72˚
|
339.8
|
441.8
|
1(2)
|
0.018
|
0
|
-0.018
|
|
-30
|
62˚
|
393.1
|
516.3
|
1(1)
|
0.012
|
0
|
-0.012
|
|
-20
|
52˚
|
397.0
|
538.1
|
1(1)
|
0.012
|
0
|
-0.012
|
|
-10
|
42˚
|
402.9
|
534.1
|
Off
|
0
|
0
|
0.000
|
|
0
|
32˚
|
406.4
|
557.5
|
Off
|
0
|
0
|
0.000
|
|
10
|
22˚
|
413.9
|
568.5
|
Off
|
0
|
0
|
0.000
|
|
20
|
12˚
|
431.3
|
600.4
|
Off
|
0
|
0
|
0.000
|
|
30
|
2˚
|
445.0
|
623.1
|
Off
|
0
|
0
|
0.000
|
|
2
|
32.8%
|
-70
|
102˚
|
158.5
|
201.8
|
1(8)
|
0.050
|
0.030
|
-0.020
|
|
-60
|
92˚
|
191.6
|
246.0
|
1(6)
|
0.038
|
0.035
|
-0.003
|
|
-50
|
82˚
|
227.2
|
288.9
|
1(4)
|
0.027
|
0.032
|
+0.005
|
|
-40
|
72˚
|
284.3
|
369.5
|
1(3)
|
0.022
|
0.022
|
0.000
|
|
-30
|
62˚
|
353.2
|
463.8
|
1(2)
|
0.018
|
0.016
|
-0.002
|
|
-20
|
52˚
|
373.0
|
491.8
|
1(2)
|
0.018
|
0.012
|
-0.006
|
|
-10
|
42˚
|
375.7
|
531.0
|
1(1)
|
0.012
|
0.008
|
-0.004
|
|
0
|
32˚
|
400.2
|
551.5
|
Off
|
0
|
0.007
|
+0.007
|
|
10
|
22˚
|
403.9
|
567.7
|
Off
|
0
|
0.005
|
+0.005
|
|
20
|
12˚
|
425.2
|
591.9
|
Off
|
0
|
0.003
|
+0.003
|
|
30
|
2˚
|
429.8
|
602.0
|
Off
|
0
|
0.001
|
+0.001
|
|
3
|
65.7%
|
-70
|
102˚
|
127.0
|
163.3
|
1(8) → 3(2)
|
0.069
|
0.060
|
-0.009
|
|
-60
|
92˚
|
164.4
|
211.0
|
1(8)
|
0.050
|
0.067
|
+0.017
|
|
-50
|
82˚
|
187.6
|
233.5
|
1(6)
|
0.038
|
0.062
|
+0.024
|
|
-40
|
72˚
|
210.1
|
273.6
|
1(5)
|
0.034
|
0.042
|
+0.008
|
|
-30
|
62˚
|
247.7
|
325.2
|
1(4)
|
0.027
|
0.030
|
+0.003
|
|
-20
|
52˚
|
289.3
|
387.2
|
1(3)
|
0.022
|
0.023
|
+0.001
|
|
-10
|
42˚
|
297.5
|
414.9
|
1(3)
|
0.022
|
0.018
|
-0.004
|
|
0
|
32˚
|
325.7
|
452.0
|
1(2)
|
0.018
|
0.013
|
-0.005
|
|
10
|
22˚
|
345.5
|
474.5
|
1(2)
|
0.018
|
0.009
|
-0.009
|
|
20
|
12˚
|
395.9
|
549.2
|
1(1)
|
0.012
|
0.006
|
-0.006
|
|
30
|
2˚
|
400.3
|
560.6
|
Off
|
0
|
0.002
|
+0.002
|
|
4
|
100%
|
-70
|
102˚
|
110.6
|
142.4
|
1(8) → 3(2)
|
0.069
|
0.090
|
+0.021
|
|
-60
|
92˚
|
131.4
|
177.3
|
1(8) → 3(2)
|
0.069
|
0.101
|
+0.032
|
|
-50
|
82˚
|
156.3
|
211.5
|
1(8) → 3(1)
|
0.063
|
0.093
|
+0.020
|
|
-40
|
72˚
|
190.3
|
247.2
|
1(6)
|
0.038
|
0.064
|
+0.026
|
|
-30
|
62˚
|
233.2
|
306.1
|
1(4)
|
0.027
|
0.046
|
+0.019
|
|
-20
|
52˚
|
272.4
|
361.4
|
1(3)
|
0.022
|
0.035
|
+0.013
|
|
-10
|
42˚
|
280.1
|
395.3
|
1(3)
|
0.022
|
0.025
|
+0.003
|
|
0
|
32˚
|
306.6
|
432.7
|
1(3)
|
0.022
|
0.020
|
-0.002
|
|
10
|
22˚
|
325.3
|
446.8
|
1(2)
|
0.018
|
0.014
|
-0.004
|
|
20
|
12˚
|
354.1
|
493.0
|
1(2)
|
0.018
|
0.008
|
-0.010
|
|
30
|
2˚
|
376.8
|
527.8
|
1(1)
|
0.012
|
0.002
|
-0.010
|
네 번째, 앞서서 도출한 조명에너지 저감 측면에서 도출되는 적정변인 근거시 PV 부착 광선반은
Table 7 에서 나타나듯이 PV 미부착 광선반에 대비하여 건물에너지가 23.7%~58.1%로 저감되며, 이는 PV 부착 광선반의 유효성을 입증한 결과이다.
특히, PV 부착면적 65.7%의 광선반(Case 3)이 PV 부착면적 100%의 광선반(Case 4) 보다 에너지 저감 효율이 15.2% 높게 나타나고
있어서 PV 부착 광선반 설계 시 고려하여 할 부분이다.
4. 결 론
본 연구는 PV가 부착된 광선반의 유효성을 검증하기 위하여 PV 부착면적에 따른 성능평가를 실시하였다. 이에 대한 결론은 다음과 같다.
첫 번째, 기존의 타입인 PV가 미부착된 광선반의 조명에너지 저감을 위한 광선반의 적정 각도는 하지 및 동지에 대하여 각각 30° 및 -10° 이상으로
도출된다. 이는 하지 및 동지의 태양 고도에 대응하여 채광효율을 높이는 광선반 각도는 상이하며, 적절한 광선반 가동을 통하여 조명에너지 효율 개선도
가능할 것으로 판단된다. 또한, 광선반은 동지의 경우 하지에 대비하여 태양고도가 낮게 나타나고 있어 낮은 광선반의 각도에서도 유효하게 분석된다.
두 번째, 집광효율을 높이기 위한 광선반의 적정 각도는 하지 및 동지에 대하여 각각 -10° 및 -60°로 도출된다. PV의 집광량을 증가시키기 위하여는
PV 모듈로 입사되는 자연광이 수직을 이루는 것이 바람직하며, 성능평가 결과에서도 수직에 가까운 광선반의 각도가 도출되었다. 이는 광선반의 채광효율을
높이는 각도와 상이하게 나타나고 있으므로 PV 부착 광선반은 적절한 각도제어가 요구된다.
세 번째, PV 부착 광선반의 조명에너지 저감 및 PV의 집광 효율을 높이기 위한 광선반 변인은 하지 및 동지에 대하여 Case 3의 광선반 각도
-10° 및 -50°로 도출되었으며, Case 4의 광선반 각도는 각각 -10° 및 -60°로 도출되었다. 이는 기존 광선반 타입인 PV 미부착 광선반의
적정 각도와는 차이를 보인다. 특히, PV 부착 광선반은 동지 및 하지에 대비하여 에너지 저감 효율이 상이하게 나타나고 있으며, 동지시 에너지 저감
효율이 높게 분석된다.
네 번째, 조명에너지 저감 측면에서 도출되는 적정변인을 근거시, PV 부착 광선반은 PV 미부착 광선반에 대비하여 건물에너지가 23.7%~58.1%로
저감되며, 이는 PV 부착 광선반의 유효성을 입증한 결과이다. 특히 광선반 일부에 PV를 부착한 경우 건물에너지 저감에 유리하게 나타나며, 이는 광선반
전면에 PV를 부착시 실내의 조명에너지가 높게 나타나기 때문이다.
본 연구는 광선반의 반사판에 PV를 부착하여 채광 및 집광이 가능한 광선반을 제안하였으며, 이후 테스트베드를 통하여 PV 부착 광선반의 유효성 및
적정규격을 도출하였다는 점에서 유효하다. 그러나 본 연구는 인공환경 및 제한된 상황에서의 성능평가를 실시하였다는 점은 본 연구의 한계이며, 이후 눈부심에
따른 현휘개선, 오염도에 따른 광선반 효율 등 이를 개선하기 위한 다양한 연구가 요구된다.
Acknowledgements
This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded
by the Korea government (MSIT) [grant numbers NRF-2018R1C1B4A01018660].
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