Theoretical and Experimental Analysis in Energy and Environmental Evaluation of Bi-directional Slat Control for a PV Blind = PV 블라인드의 양방향 슬랫 제어에 따른 에너지 및 실내 환경 평가에 대한 이론 및 실험적 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Photovoltaic (PV) blinds are a set of venetian blinds with a new concept and various functions. In addition to the existing function of shielding direct sunlight, energy is generated using a PV module. Ordinary blind control is determined by considering the profile angle of the Sun, and the uni-directional control method creates a shaded area between the blind slats. This design reduces the utility of the PV blinds by disrupting the inflow of skylight and energy generation. Therefore, a different method than the conventional blind control method must be used. The PV blinds must be controlled by limiting the inflow depth of direct sunlight and allowing the maximal inflow of indoor skylight to optimize PV power generation. In particular, the bi-directional PV blinds used in this study conserve lighting energy and generate solar energy through bi-directional control. An appropriate slat control method was proposed, and full-scale office testbeds were created. Measurement data from uni-directional and bi-directional control rooms with the same dimensions were comparatively analysed.
The results indicated that the average illuminance without lighting control of the uni-directional control method was only 21.86-38.86 % of that of the bi-directional control method. The bi-directional control method when direction of the slat has positive tilt showed 4.62-35.50 % lower current consumption of the lighting fixture compared to the uni-directional control method. For the heating system, current consumption of the heating device was reduced by 2.10-11.46 %. On the contrary, the bi-directional control method when direction of the slat has negative tilt showed 15.17-34.22 % lower current consumption of the lighting fixture compared to the uni-directional control method. For the cooling system, current consumption of the cooling device was increased by 6.25-14.29 % due to the effect of solar radiation. The average power generation of the uni-directional control method when direction of the slat has positive tilt was 85.05-94.61 % of the bi-directional control room. The average power generation of the uni-directional control method when direction of the slat has negative tilt was 91.36-110.88 % of the bi-directional control room.
As a result of the study, the use of the bi-directional control method in most of the sky conditions resulted in improved lighting, air-conditioning energy and PV power generation compared to the conventional methods. However, in summer, the cooling load was partially increased due to the effect of solar radiation, and the PV power generation decreased in partly cloudy condition. Therefore, uni-directional blind control is recommended to reduce the cooling load and increase the power generation in summer and winter. However, the newly proposed bi-directional control method is recommended in all seasons except for clear and partly cloudy conditions in summer.
The system applied in this study is different from the direction of the building because the direction of the building was experimented on the south. Future research will require qualitative research that reflects the subjective evaluation of residents through the application of bi-directional blinds in actual buildings
This study raises issues regarding the control method of shading and PV systems. It can be an important part for the application of renewable energy, Building Energy Management System (BEMS), and Energy Storage System (ESS) in sustainable buildings.

국문 초록 (Abstract)

PV 블라인드는 다양한 기능을 가진 신개념의 베네치안 블라인드로, 직사일광을 차단하는 기존의 차양장치의 기능에 PV 모듈로 에너지를 생산하는 기능도 포함하고 있다. 일반적인 블라인드의 제어는 태양의 일영각을 고려하여 결정하는데 기존의 방법으로는 슬랫 간에 음영이 발생하게 된다. 이로 인하여 천공광의 유입과 에너지 생산을 방해하여 PV 블라인드가 가진 효용가치가 떨어뜨린다. 따라서 기존의 상용화 된 베네치안 블라인드의 제어 방법과는 다른 방법론을 통해 제어하여야 한다. 즉, PV 블라인드의 제어는 직사일광의 유입 깊이는 제한하고 천공광을 실내에 최대한 유입하며 PV 모듈을 통한 에너지 생산의 극대화할 수 있는 방법을 사용하여야 한다. 특히 본 연구에서 사용하는 양방향 PV 블라인드는 태양의 일영각에 따라 높이 제어는 물론 슬랫의 양방향 제어를 통해 조명과 냉난방 에너지의 절감은 물론 PV 모듈을 통한 에너지 생산이 모두 가능하므로 이에 적합한 슬랫 제어 방법을 제안하였다. 이를 검증하기 위하여 실제 사무실 공간을 구현하여 실험하였으며 측정된 데이터를 비교 및 분석하였다.
조명 제어를 하지 않는 경우에는 기존의 단방향 제어 방법에 의한 평균 조도가 양방향 제어 방법에 의한 평균 조도의 21.86-38.86 %에 불과하였다. 또한, 조명 제어를 하는 경우에는 슬랫의 방향이 Positive일 때 조명 에너지가 4.62-35.50 % 절감되며, 난방 에너지가 2.10-11.46 % 절감되는 것으로 나타났다. 반면, 슬랫의 방향이 Negative일 때 조명 에너지가 15.17-34.22 % 절감되며, 냉방 에너지는 6.25-14.29 % 증가하는 것으로 나타났다. PV 발전량의 경우에는 슬랫의 방향이 Positive일 때 기존의 단방향 제어 방법은 양방향 제어 방법의 85.05-94.61 %으로 나타났다. 슬랫의 방향이 Negative일 때 기존의 단방향 제어 방법의 PV 발전량은 양방향 제어 방법의 91.36-110.88 %으로 나타났다.
연구 결과, 대부분의 천공 상태에서 양방향 블라인드 제어 방법의 사용을 통해 조명과 냉난방 에너지 및 PV 발전량에서 기존의 방법에 비해 개선되는 결과가 나타났다. 그러나, 여름철에는 일사의 영향으로 의하여 냉방 부하가 일부 증가하기도 하였으며, 부분담천공에서 PV 발전량이 감소하는 결과가 나타났다. 따라서, 여름철 청천공과 부분담천공에서 냉방 부하의 감소 및 발전량 증가를 위해 단방향 블라인드 제어를 추천한다. 그러나, 여름철 청천공과 부분담천공을 제외한 나머지 모든 경우에서는 새로 제안한 양방향 블라인드 제어 방법을 추천한다.
본 연구에서 적용된 시스템은 정남향에서 실험이 이루어졌기 때문에 건축물의 향이 다를 경우 다른 결과가 나타날 수 있다. 향후 연구에서는 실제 건축물에서의 양방향 블라인드 적용을 통해 재실자의 주관 평가를 반영한 정성적 연구가 필요할 것으로 사료된다.
본 연구는 차양 시스템 및 PV의 제어 방법에 관한 기술적 쟁점을 제기한다. 이는 지속 가능한 건축물에서 신재생 에너지, 건물 에너지 관리 시스템 (BEMS) 및 에너지 저장 시스템 (ESS)의 활용에 중요한 요소가 될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• Nomenclature 1
• I. Introduction 2
• 1. Background and objectives 2
• 2. Literature review 7
• 2.1 Shading device 7
• 2.2 PV Shade 8
• 2.3 Integration system 11
• 3. Limitation 16
• II. Methodology 17
• 1. Theoretical method 17
• 1.1 Concept of slat control 17
• 1.2 Slat control strategies 18
• 1.2.1 Calculation of profile angle of the Sun 18
• 1.2.2 The height control method 21
• 1.2.3 The angle control method 22
• 2. Experimental method 27
• 2.1 Preliminary experiment 27
• 2.1.1 Shading effect 28
• 2.1.2 Bi-directional tilt 30
• 2.2 Full-scale office testbed 32
• 2.2.1 Facility description 32
• 2.2.2 Experimental and measurement equipment 33
• 2.2.3 Experimental Process 34
• III. Experimental results 44
• 1. Luminous environment 44
• 1.1 No lighting control 44
• 1.1.1 Positive tilt (Winter) - Illuminance 44
• 1.1.2 Negative tilt (Summer) - Illuminance 46
• 1.2 Lighting control 48
• 1.2.1 Positive tilt (Winter) - Illuminance 48
• 1.2.2 Positive tilt (Winter) - LED Current consumption 50
• 1.2.3 Negative tilt (Summer) - Illuminance 52
• 1.2.4 Negative tilt (Summer) - LED Current consumption 53
• 2. Thermal environment 56
• 2.1 Positive tilt (Winter) - Temperature and relative humidity 56
• 2.2 Positive tilt (Winter) - Air-conditioning current consumption 58
• 2.3 Negative tilt (Summer) - Temperature and relative humidity 59
• 2.4 Negative tilt (Summer) - Air-conditioning current consumption 61
• 3. PV power generation 64
• 3.1 Positive tilt (Winter) 64
• 3.2 Negative tilt (Summer) 66
• 4. Disccussion 69
• IV. Conclusions 71
• 1. Summary 71
• 2. Suggestions for further work 74
• References 75
• Acknowledgements 84
• Curriculum vitae 86