Solarenergiegewinnung

Autoren: Felix Neubauer, Niklas Reeker

Einleitung

Im Studiengang "Business and Systems Engineering" wird in der Veranstaltung "System Design Engineering" der Energiehaushalt eines Hauses über ein Jahr simuliert. Dafür werden die einzelnen Komponenten eines Hauses auf die Gruppe aufgeteilt. In dieser Gruppe wird die Solarenergiegewinnung des Hauses simuliert.

Für die Simulation wurden drei verschiedene Systeme entworfen, die die Solarenergiegewinnung beinhaltet. Es wird zum einen der PV Strom erfasst der von der PV Anlage erzeugt wird. Die PV Anlage ist in unterschiedliche Module aufgeteilt, die jeweils eine andere Richtung aufweisen (Norden, Süden, Westen). Es befindet sich außerdem eine Solaranlage auf dem Dach. Diese erzeugt im Gegensatz zu der PV Anlage warmes Wasser. Hier muss die erreichte Wärmeleistung ausgegeben werden. Das letzte System, welches zu der Solargewinnung zählt, ist der Batteriespeicher. Hier wird erfasst, wie viel Strom gespeichert bzw. entladen wird. Im Anschluss wird der Ladezustand der Batterie ausgegeben.

Vorgehensweise nach dem V-Modell

Das V-Modell ist ein strukturierter Ansatz für die Systementwicklung, der in mehrere Phasen gegliedert ist. Jede Phase wird durch eine entsprechende Testphase auf der gegenüberliegenden Seite des "V" überprüft. Der Entwicklungsprozess beginnt mit der Definition der Anforderungen und setzt sich über die Programmierung bis hin zum abschließenden Abnahmetest fort. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass jede Komponente detailliert spezifiziert, entwickelt und getestet wird, bevor sie in das Gesamtsystem integriert wird.

Anforderungsdefinition

In der folgenden Excel Tabelle wurden die nötigen Anforderungen an die Solarenergiegewinnung in Form eines Lastenheftes definiert. Diese Anforderungen sollten erfüllt werden um den Kunden zufrieden zustellen und um das Haus erfolgreich simulieren zu können.

Komponentenspezifikation

In der Komponentenspezifikation werden die drei Komponenten der Solarengeriegewinnung detailliert dargestellt. Es wird detailliert auf die Berechnung der Ausgangsgröße und der Funktion der einzelnen Komponenten eingegangen.

Komponentenspezifikation der PV- Anlage:

Die PV- Anlage ist für die Stromerzeugung durch Sonneneinstrahlung zuständig. Hierzu werden folgende Parameter als Eingangsgröße benötigt:

• Sonneneinfallswinkel
• Sonnenintensität
• Fläche der Solaranlage

Mithilfe dieser Eingangsgrößen, die von der Gruppe HPU zur Verfügung gestellt werden, kann nun die elektrische Leistung (P_aktuelle) also die Ausgangsgröße der Komponente berechnet werden. Es werden zunächst die Abkürzungen die in der Formel verwendet werden erläutert und deren Einheiten präsentiert.

• A_Gesamt = Gesamtfläche der Anlage in m^2
• P_Modul = Modulleistung entspricht der Nennleistung eines Moduls in Watt
• N_Module = Anzahl der eingesetzten Solarmodule
• T_Modul = Die aktuelle Temperatur der Module in °C (wichtig für den Wirkungsgrad der Module)
• G_Einstrahlung = die aktuelle Sonnenintensität in W/m^2
• P_Modul_ STC = Nennleistung des Moduls unter Testbedingungen (25°C und 1000 W/m^2)
• (1-a*(T_Modul- T_STC) = Temperaturkorrekturfaktor der die abfallende Leistung bei höheren Temperaturen berücksichtigt

Hieraus ergibt sich nun folgende Formel für die Berechnung der elektrischen Leistung P_aktuell:

• P_aktuell = (A_Gesamt*G_Einstrahlung) * (P_Modul/ P_Modul_STC) * (1-a *(T_Modul- T_STC))

Komponentenspezifikation der Solar- Anlage Die Solaranlage erzeugt durch Sonneneinstrahlung im Gegensatz zu der PV- Anlage keinen Strom sondern warmes Wasser. Hierzu werden die selben Eingangsgrößen wie bei der PV- Anlage benötigt:

• Sonneneinfallswinkel
• Sonnenintensität
• Fläche der Solaranlage

Mithilfe der Eingangsgrößen kann nun die Wärmeleistung der Anlage bestimmt werden. Hierzu werden zunächst ebenfalls die Abkürzungen und die Einheiten der Formel präsentiert.

• A_kollektor = Fläche des Solarkollektors in m^2
• n_0 = Spezifische Leistung bei Standardbedingungen (25°C und 1000 W/m^2)
• G_Einstrahlung = aktuelle solare Einstrahlung in W/m^2

T_Umgebung = aktuelle Umgebungstemperatur in °C T_Modul = aktuelle Modultemperatur in °C K_verlust = Wärmeverlustkoeffizient des Kollektors in W/m^2*k

Hieraus ergibt sich nun folgende Formel für die Berechnung der Wärmeleistung:

P_kollektor = A_kollektor * (n_0 * G_Einstrahlung - K_verlust*(T_modul - T_umgebung))

Komponentenspezifikation des PV- Speichers

Der PV Speicher ist dafür zuständig die erzeugte Energie der PV- Anlage zu speichern. Er muss das Energiemanagement außerdem über seinen Füllstand informieren. Hierzu werden folgende Parameter als Eingangsgröße benötigt:

• Ladeleistung
• Entladeleistung

Mithilfe der Eingangsgrößen kann nun der aktuelle Speicherladezustand der Batterie berechnet werden. Dies geschieht wie folgt:

Die Batteriekapazität E wird in Wh angegeben. Mit der Ladeleistung bzw. Entladeleistung kann man somit den Speicherladestand ermitteln. Hierzu muss die verbrauchte Leistung bzw. die Ladeleistung auch in Wh angegeben werden. Diese ergibt sich aus der Leistung über die Zeit. Es wird die Leistung P über die Zeit integriert und so erhält man die Arbeit W. W wird nun mit dem Verlustfaktor von 0.7 Multipliziert (Innenwiderstand, Selbstentladung und Temperatur der Batterie) Danach wird W noch mit der Kapazität der Batterie verrechnet und es kann ein aktueller Ladezustand der Batterie ausgegeben werden. Der Ladezustand wird daraufhin an das Energiemanagement zurück gegeben. Das Energiemanagement entscheidet nun, was mit der Energie aus der Batterie geschieht.

Umsetzung

Die Umsetzung der Komponenten und die Simulation des gesamten Hauses wurde in dem Tool MATLAB Simulink durchgeführt. MATLAB ist sehr gut geeignet für solch komplexe Simulationen. Hier werden verschiedene Blöcke die man zusammensetzt zu einem funktionierenden System graphisch dargestellt. Dies macht die Programmierung sehr anschaulich und vereinfacht das Programmieren.

Im folgenden Stellen wir unsere Lösung aus MATLAB Simulink für unsere drei Komponenten vor. Diese Komponenten werden dann in ein großes Modell eingesetzt und tragen zu der Simulation des Hauses bei.

Arbeitsergebnisse

Die vollständigen Unterlagen zu der Durchführung befinden sich im SVN in folgendem Ordner:

• Solarenergiegewinnung

Literaturverzeichnis

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