세계는 지금 지구온난화 및 기후변화에 대처하기 위해 신재생에너지 개발 및 에너지 절약 그리고 자원의 순환을 통한 탄산가스 발생감축을 위한 노력을 기울이고 있다. 전체 에너지 소비의 약 40%를 차지하는 건축분야에서도 다음 세대에도 쾌적한 환경을 물려주기 위한 지속가능한 건축개발을 위하여 자원의 재활용과 더불어 신재생에너지의 활용에 대한 요구가 다른 어떤 분야보다도 높게 대두되고 있다.

이들 신재생에너지 중에서 태양에너지는 태양광 에너지의 활용가능 자원 량은 전 세계 연간 에너지 소요량의 2,850배에 달하는 무공해 에너지로 신재생 에너지 중 성장잠재력이 가장 높은 에너지로 분야로 평가되고 있다. 현재, 태양광 발전의 경우 증가율이 2000년에서 2005사이에 38.4(%)로 급격히 증가하는 등 반도체와 IT를 이을 차세대 성장잠재력을 지닌 첨단미래 산업으로 새롭게 떠오르고 있다.

그러나 태양광 주택의 보급 확대는 주로 정부지원에 의존하여 태양광 주택을 건설하는 실태에도 원인이 있으나 설치 가격이 고가이고 이로 인해 시스템의 투자회수기간이 약 10년 이상으로 장기간인데 비하여 설치 후 이동이 어려워 다양한 거주환경에 대응하기 어렵고 발전효율이 낮아 건설계획의 실현에 어려움을 보이고 있다. 즉, 도시의 주요 거주형태인 아파트형 공동주택의 경우에 평균 거주 기간이 짧고 전세 등 임대형태의 주거유형이 많은 국내의 실정에서 고가의 태양광 주택이 널리 보급되기에는 많은 어려움이 있다고 사료되고 있다, 이를 극복하기 위해서는 발전장치의 단가를 낮추고 단순한 구조로 이사 등 거주환경의 변화에 따라 이동 및 설치가 용이한 태양광 발전 시스템에 관한 연구가 필요하다고 사료된다.
채광시스템으로 광선반시스템은 단순구조로 건축물 창호에 간단히 설치할 수 있고 거주환경 변화에 따른 대응이 용이한 구조로 실내로 유입되는 강한 직사일광을 차단하는 반사면에 태양전지를 설치할 수 있어 주택용 태양광발전장치 개발에 유용한 시스템이다. 즉, 태양전지가 설치된 반사면을 활용하여 전기를 생산하며 실실 채광성능을 향상시킬 수 있는 복합시스템으로 활용될 수 있다.

연구는 다양한 채광시스템 중 채광시스템으로 광선반시스템을 선정하여 태양광 반사면에 태양전지(photovoltaic)을 설치한 일체형 태양광발전 채광시스템의 채광 및 에너지성능을 실험 및 시뮬레이션을 통하여 종합적으로 평가하는데 연구의 목적이 있다. 이를 통하여 보다 효과적인 태양광발전 채광시스템 개발을 위한 기초자료를 제공하여 시스템 개발에 따른 문제점 및 해결방안을 제안하고자 한다.

연구는 문헌고찰을 통해 국내외 태양광발전 현황을 분석하고 발전모듈의 규격 및 성능과 적용사례를 분석하였다. 또한, PV 일체형 태양광발전 채광시스템의 창호거치 방안을 제안하고 구조적 안전성을 평가하였다. 이 후, 일반 사무소를 대상으로 1/5 스케일의 축소모형을 제작하였다. 이 후, 현장실험과 시뮬레이션을 이용하여 다양한 기상조건과 설치조건에 따른 성능평가를 실시하였다.

연구결과는 다음과 같다. 먼저, 문헌분석 결과 PV 일체형 태양광발전 채광시스템의 창호 거치방법은 광선반시스템이 적합한 것으로 분석되었다. 즉, 광선반의 경우에 기존에 다양한 연구가 수행되어 왔고 국내외 기존 제품이 개발되어 있는 등 활용가능성이 매우 높은 것으로 사료된다. 또한, 창호에 설치가 용이하고 제작이 용이하여 경제성 확보 등 본 연구를 위해 적합하다고 판정하였다.

태양위치 예측 프로그램은 Michalsky의 예측 식을 활용하였고 이 때, 부족한 태양의 일출 및 일몰 시간의 계산을 위해서는 Jean Meeus에 의한 예측 식을 보완적으로 활용하였다. 프로그램의 유효성을 한국천문연구원 기상자료를 바탕으로 평가한 결과, 오차는 0°∼3° 사이의 값을 가지는 것으로 분석되어 개발된 프로그램에 의한 태양고도 예측은 유효한 것으로 사료된다.

PV 일체형 태양광발전 채광시스템을 사무소 창호에 거치는 경제성과 탈부착의 용이성을 중점으로 설계되었고 단순한 앵글과 볼트에 의해 형태로 부착할 수 있는 구조로 계획되었다. 제안된 설계안의 구조적 안전성 평가결과 제안된 앵글의 볼트와 플레이트는 구조물에 작용하는 풍하중과 자중을 고려할 때 두께를 8t로 사용할 경우 충분한 안전성을 확보하고 있는 것으로 분석되었다.

PV 일체형 태양광발전 채광시스템의 성능평가를 위해 Solar Pro, 에너지플러스 그리고 에코텍 시뮬레이션 프로그램을 활용하였다. 발전성능 평가결과, 태양고도가 높은 여름철에 가장 크게 나타났으며 계절별 발전량은 모든 시스템에서 큰 것으로 분석되었다. 여름철 발전량이 연간발전량의 31.5(%)를 차지하며 연 평균발전량에 비해 약 19.9(%) 높은 것으로 분석되었다.

실내 조명에너지사용량을 시뮬레이션을 통하여 분석한 결과 설치 시스템에 따른 조명에너지사용량 변화는 매우 적은 것으로 분석되었다. 이는 외부 기상조건이 연구대상 공간의 실 면적이 제한된 결과로 판단된다. 냉방부하는 태양광발전 채광시스템을 설치높이를 2,000(mm) 변경할 때 약 12(%) 감소하며 난방부하는 설치 높이 및 계절에 따른 크기 변화에 차이가 없어 무시할 수 있는 것으로 분석되었다.

PV 일체형 태양광발전 채광시스템의 설치에 따른 외부조망 저하는 눈부심 등으로 외부조망이 어려운 채광창 상층부를 배제할 경우에 외부 조망률은 설치높이 바닥 위 1,800(mm)에서 51(%)로 가장 적은 것으로 분석되었다. 그러나 바닥 위 2,000(mm)로 설치할 경우 PV 일체형 태양광발전 채광시스템의 조망률이 60(%) 이상으로 실제 외부조망에 우수한 것으로 분석되었다.

축소모형을 활용한 현장실험 분석결과 PV 일체형 태양광발전 채광시스템의 발전성능은 창호 수평면에 설치된 시스템에 비해 15˚ 각도로 설치할 경우 약 27(%) 그리고 30˚ 각도로 설치할 때 약 63(%) 감소하는 것으로 분석되었다. 순간 최대전력비는 태양광이 수직으로 입사하는 수평면에서 가장 우수하며 설치각도가 커질수록 감소율은 급격히 증가하는 것으로 분석되었다.

연구는 PV 일체형 태양광발전 채광시스템의 다양한 성능평가를 위해 다양한 시뮬레이션과 축소모형 실험을 실시하였다. 그러나 축소모형에 의한 현장실험은 태양광발전 장치의 축소모형 제작에 있어 발전모듈의 축소 및 적용된 강화유리의 두께조절이 어려워 실제 성능평가에 한계가 있을 것으로 판단된다. 그러므로 실제 크기로 제작된 다양한 PV 일체형 태양광발전 채광시스템을 활용한 성능평가 실험의 보완 등 보다 복합적인 성능평가 실험이 동반될 필요가 있다고 사료된다.

The world is now making efforts to develop new regeneration energy, save energy, and reduce generation of carbon dioxide to cope with global warming and climate change. Even in the architectural field which accounts for about 40% of total energy consumption, demands about utilization of new regeneration energy are on the rise much more than other fields with recycling of resources for sustainable architectural development to leave comfortable environments to next generation.

Solar energy of these new regeneration energy is evaluated as the energy whose growth potential is highest in it as the chemical-free one that applicable resource amount reaches 3850 times annual energy consumption of the whole world. Now, as the rate of photovoltaic power generation increase rapidly increases by 38.4(%) between 2000 and 2005, it is newly emerging as the future pioneering industry with growth potential of next generation which follows semiconductor and IT.

However, spread of solar-powered houses is difficult to realize construction plans because they are mainly constructed depending on governmental support, installation prices are too high, it is difficult to respond to various residential environments as movement is difficult after installation while the cash break even period of systems is long as about more than 10 years due to it, and generating efficiency is low.
That is, it is judged that it is very difficult for high priced solar-powered houses to be widely spread in the korea real state with many residential types of lease form including the short average residential period and leases on houses in case of apartment houses which are the major residential types in cities.

It is judged that studies on photovoltaic power generation systems whose movement and installation are easy according to change of residential environments including movement to other houses as the simple structure which reduces the unit costs of power plants are required to overcome this.

Daylighting system with sloped light shelves can be simply installed in windows of buildings as the simple structure and can respond to change of residential environments easily. As solar batteries can be installed in specular surfaces to block strong direct sunlight which is brought into interiors, it is the useful system for development of photovoltaic power generation plant for houses. That is, it produces electricity by utilizing specular surfaces that solar batteries are installed and can be utilized as the complex system to be able to improve actual daylighting system.

The purpose of the study is to evaluate lighting and energy performance of the integrated lighting photovoltaic system which installed solar batteries (photovoltaic) in the sunlight specular surfaces by selecting daylighting system as the lighting system in various ones comprehensively through tests and simulation. It tries to suggest problems according to system development and plans to solve them by providing the basic materials for more effective development of photovoltaic lighting system through them.

The study analyzed the internal and external present condition of photovoltaic power generation through literature review and standards, performance, and application cases of generation modules. And it suggested plans to fix windows of integrated photovoltaic lighting system and evaluated the structural safety. After that, it made a scale model of the 1/5 size for general offices. And performance evaluation was carried out according to various weather and installation conditions using the field tests and simulation.
The study result is as follow: First, the result which analyzed literature has found that daylighting system with sloped light shelves is suitable for the method to fix windows of integrated photovoltaic lighting system. That is, it is judged that potential for utilization of light shelves is very high as the various studies on them have been carried out and the existing internal and external products were developed. And it was judged that they are suitable for this study including securing economics as their installation in windows and their manufacture are easy.

The prediction method of Michalsky was utilized as the program to predict the position of the sun. At this moment, the prediction method by Jean Meeus was complementarily utilized to calculate insufficient sunrise and sunset of the sun. The result which evaluated effectiveness of the program based on the meteorological data of Korea Astronomy and Space Science Institute has been thought that solar altitude prediction by the developed program is effective as errors are the values between 0° and 3°.

The integrated photovoltaic lighting system was designed focusing on economics to fix it in windows of offices and ease of separation and planned as the structure which can be adhered to them by simple angles and bolts. The result which evaluated the structural safety of the suggested design plan has been analyzed that the bolt and plate of the suggested angles secure the enough safety when the thickness of 8t is used considering wind loads and self-weight which acts on the structure.

Solar Pro, Energy Plus, and Echotech simulation programs were utilzed for performance evaluation of the integrated PV photovoltaic lighting system. The result which evaluated generation performance has found to be highest in summer that solar altitude is higher. and The generation amount by season has been analyzed to be high in all the systems. As the generation amount of summer accounts for 31.5(%) of the annual one, it was analyzed to be 19.9(%) higher than annual average one.

The result which analyzed indoor illumination energy consumption through simulation has found that the change according to installation systems is very small. It is judged to result from the limited real area of the study subject space in the external weather conditions.
Cooling load has found that about 12(%) was reduced when the installation height of the photovoltaic lighting system is changed to 2,000(mm) and it can be ignored because there is no any difference in installation heights and size changes according to seasons.

The fall of exterior view according to installation of the integrated photovoltaic lighting system has found that the exterior view rate is lowest as 51(%) when it is 1,800(mm) high from the floor of the installation height if the upper part whose exterior view is difficult due to dazzling. But it has done that the actual exterior view rate is excellent as 60(%) if it is installed at the height which is 2,000(mm) high from the floor.

The result which analyzed the field test utilizing the scale model has been analyzed that generation performance of the integrated photovoltaic lighting system reduces by about 27(%) and 63(%) when it is installed by the slopes of 15 and 30 degrees compared to the system which is installed in the horizontal planes of windows. It has found that the maximum instantaneous electricity cost is most excellent in the horizontal plane that incident rays of sunlight is vertical and the larger installation anges are, the more reduction ratio increases.

The study carried out various simulations and scale model tests for various performance evaluation of the integrated photovoltaic light system. However, it is judged that the field tests by scale models are limited to actual performance evaluation because it is difficult to adjust the thickness of tempered glass which are reduced and applied in generation modules when they were manufactured. Therefore, it is thought that more complex performance evaluation tests should be done together including supplementation of performance evaluation tests which utilized the integrated photovoltaic light system.