Solarenergiegewinnung: Unterschied zwischen den Versionen

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[[Kategorie:BSE/SDE-EnergieHaus]]
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'''Autoren:''' [[Benutzer: Felix Neubauer|Felix Neubauer]], [[Benutzer: Niklas Reeker|Niklas Reeker]]  
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== Vorgehensweise nach dem V-Modell ==  
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[[Datei:Systems Design Engineering - Seminaraufgabe mit V-Vordergrund.jpg|thumb|right|550px|Abb. 2: V-Modell für Seminaraufgabe]]
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.
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.
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== Anforderungsdefinition ==
== 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.
[[Datei:Lastenheft2.png|800px|mini|Abb. 3: Technischer Systementwurf <ref> Eigenes Dokument </ref>]]
 
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.
 
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[[Datei:Lastenheft2.png]]


== Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf ==
== Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf ==
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Die Vorstellung und Diskussion fand in der Vorlesung von Prof.Dr. Göbel statt. Zur kurzen Erläuterung wird der Systementwurf und der technische Systementwurf kurz vorgestellt.
Die Vorstellung und Diskussion fand in der Vorlesung von Prof.Dr. Göbel statt. Zur kurzen Erläuterung wird der Systementwurf und der technische Systementwurf kurz vorgestellt.




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'''Systementwurf'''
'''Systementwurf'''


== Komponentenspezifikation ==
== Komponentenspezifikation ==  
In der Komponentenspezifikation werden die drei Hauptkomponenten der Solarenergiegewinnung detailliert dargestellt. Es wird ausführlich auf die Berechnungen innerhalb der Komponenten und der Funktion jeder einzelnen Komponente eingegangen.


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:


'''Komponentenspezifikation der PV-Anlage:'''<br>
Die PV-Anlage ist verantwortlich für die Stromerzeugung durch Sonneneinstrahlung. Folgende zeitlich veränderliche Parameter sind als Eingangsgrößen erforderlich:
* Sonneneinfallswinkel
* Sonneneinfallswinkel
* Sonnenintensität
* Sonnenintensität
* Fläche der Solaranlage
* Außentemperatur
 
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))
Diese Eingangsgrößen werden von der Gruppe HPU zur Verfügung gestellt und ermöglichen die Berechnung der elektrischen Leistung (<math>P_{\text{aktuell}}</math>) als Ausgangsgröße der Komponente. Die verwendeten Abkürzungen und Einheiten der Formel werden zunächst erläutert. Alle weiteren in der Formel verwendeten Größen sind in den Konfigurationsparametern festgelegt und zeitlich unveränderlich.


Anzahl der Module (<math>N_{\text{Module}}</math>): Die Anzahl der Solarmodule in der Anlage<br>
Gesamtfläche (<math>A_{\text{Gesamt}}</math>): Die gesamte Fläche der Solaranlage in Quadratmetern (<math>m^2</math>)<br>
Modulleistung (<math>P_{\text{Modul}}</math>): Die Nennleistung eines einzelnen Solarmoduls in Watt (<math>Wp</math>)<br>
Solare Einstrahlung (<math>G_{\text{Einstrahlung}}</math>): Die aktuelle solare Einstrahlung auf die Module in Watt pro Quadratmeter (<math>W/m^2</math>)<br>
Temperatur (<math>T_{\text{Modul}}</math>): Die aktuelle Temperatur der Solarmodule in Grad Celsius (<math>°C</math>)<br>


'''Komponentenspezifikation der Solar- Anlage:'''
Aus diesen Angaben ergibt sich die folgende Formel zur Berechnung der elektrischen Leistung <math>P_{\text{aktuell}}</math>:<br>
<math>
P_{\text{aktuell}} = A_{\text{Gesamt}} \cdot P_{\text{Modul}} \cdot \left( \frac{G_{\text{Einstrahlung}}}{1000} \right) \cdot \left( 1 - \alpha \cdot (T_{\text{Modul}} - T_{\text{STC}}) \right)
</math>


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:


'''Komponentenspezifikation der Solaranlage:'''<br>
Im Gegensatz zur PV-Anlage erzeugt die Solaranlage durch Sonneneinstrahlung warmes Wasser und keinen Strom. Für die Berechnung der Wärmeleistung der Anlage werden dieselben Eingangsgrößen wie bei der PV-Anlage benötigt:
* Sonneneinfallswinkel
* Sonneneinfallswinkel
* Sonnenintensität
* Sonnenintensität
* Fläche der Solaranlage
* Außentemperatur


Mithilfe der Eingangsgrößen kann nun die Wärmeleistung der Anlage bestimmt werden. Hierzu werden zunächst ebenfalls die Abkürzungen und die Einheiten der Formel präsentiert.
Die Formel und die Einheiten der verwendeten Abkürzungen werden ebenfalls präsentiert:<br>
<math>A_{\text{Kollektor}}</math> = Fläche des Solarkollektors in <math>m^2</math><br>
<math>n_0</math> = Spezifische Leistung unter Standardbedingungen (25<math>°C</math> und 1000 <math>W/m^2</math>)<br>
<math>G_{\text{Einstrahlung}}</math> = Aktuelle solare Einstrahlung in <math>W/m^2</math><br>
<math>T_{\text{Umgebung}}</math> = Aktuelle Umgebungstemperatur in <math>°C</math><br>
<math>T_{\text{Modul}}</math> = Aktuelle Modultemperatur in <math>°C</math><br>
<math>K_{\text{Verlust}}</math> = Wärmeverlustkoeffizient des Kollektors in <math>W/m^2K</math><br>


* '''A_kollektor''' = Fläche des Solarkollektors in '''m^2'''
Auch hier sind die unveränderlichen Größen wie die Fläche durch die Konfigurationsdatei gegeben. Die Berechnung der Wärmeleistung erfolgt nach der folgenden Formel:<br>
* '''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''':
<math>
 
P_{\text{aktuell}} = \left( A_{\text{Kollektor}} \cdot G_{\text{Einstrahlung}} \right) \cdot \left( \frac{P_{\text{Modul}}}{P_{\text{Modul\_STC}}} \right) \cdot \left( 1 - \alpha \cdot (T_{\text{Modul}} - T_{\text{STC}}) \right)
'''P_kollektor''' = A_kollektor * (n_0 * G_Einstrahlung - K_verlust*(T_modul - T_umgebung))
</math><br>
 
 
'''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:




'''Komponentenspezifikation des PV-Speichers'''<br>
Der PV-Speicher speichert die von der PV-Anlage erzeugte Energie. Zusätzlich informiert er das Energiemanagement über den aktuellen Füllstand. Folgende Eingangsgrößen sind hierfür erforderlich:
* Ladeleistung
* Ladeleistung
* Entladeleistung
* Entladeleistung


 
Die Berechnung des aktuellen Speicherladezustands erfolgt wie folgt:<br>
Mithilfe der Eingangsgrößen kann nun der aktuelle Speicherladezustand der Batterie berechnet werden. Dies geschieht wie folgt:
Die Batteriekapazität <math>E</math> wird in <math>KWh</math> in der Konfigurationsdatei angegeben und dann in <math>Ws</math> umgerechnet. Die verbrauchte Leistung bzw. die Ladeleistung, ausgedrückt in <math>Ws</math>, ergibt sich aus der über die Zeit integrierten Leistung <math>P</math>. Die Lade- und Entladeleistung wird mit einem Verlustfaktor von 0.8 multipliziert, der Innenwiderstand, Selbstentladung und Temperatur der Batterie berücksichtigt. Der aktuelle Ladezustand wird als Ladestand in % an das Energiemanagement weitergeleitet, das über die weitere Verwendung der gespeicherten Energie entscheiden.
 
 
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 ==
== Umsetzung ==

Version vom 13. Juli 2024, 14:15 Uhr

Abb. 1: Komponenten des Modells SOL [1]

Autoren: Niklas Reeker, Felix Neubauer


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

Abb. 2: V-Modell für Seminaraufgabe

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

Abb. 3: Technischer Systementwurf [2]

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.

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Die Vorstellung und Diskussion fand in der Vorlesung von Prof.Dr. Göbel statt. Zur kurzen Erläuterung wird der Systementwurf und der technische Systementwurf kurz vorgestellt.


Technischer Systementwurf


Systementwurf

Komponentenspezifikation

In der Komponentenspezifikation werden die drei Hauptkomponenten der Solarenergiegewinnung detailliert dargestellt. Es wird ausführlich auf die Berechnungen innerhalb der Komponenten und der Funktion jeder einzelnen Komponente eingegangen.


Komponentenspezifikation der PV-Anlage:
Die PV-Anlage ist verantwortlich für die Stromerzeugung durch Sonneneinstrahlung. Folgende zeitlich veränderliche Parameter sind als Eingangsgrößen erforderlich:

  • Sonneneinfallswinkel
  • Sonnenintensität
  • Außentemperatur

Diese Eingangsgrößen werden von der Gruppe HPU zur Verfügung gestellt und ermöglichen die Berechnung der elektrischen Leistung () als Ausgangsgröße der Komponente. Die verwendeten Abkürzungen und Einheiten der Formel werden zunächst erläutert. Alle weiteren in der Formel verwendeten Größen sind in den Konfigurationsparametern festgelegt und zeitlich unveränderlich.

Anzahl der Module (): Die Anzahl der Solarmodule in der Anlage
Gesamtfläche (): Die gesamte Fläche der Solaranlage in Quadratmetern ()
Modulleistung (): Die Nennleistung eines einzelnen Solarmoduls in Watt ()
Solare Einstrahlung (): Die aktuelle solare Einstrahlung auf die Module in Watt pro Quadratmeter ()
Temperatur (): Die aktuelle Temperatur der Solarmodule in Grad Celsius ()

Aus diesen Angaben ergibt sich die folgende Formel zur Berechnung der elektrischen Leistung :


Komponentenspezifikation der Solaranlage:
Im Gegensatz zur PV-Anlage erzeugt die Solaranlage durch Sonneneinstrahlung warmes Wasser und keinen Strom. Für die Berechnung der Wärmeleistung der Anlage werden dieselben Eingangsgrößen wie bei der PV-Anlage benötigt:

  • Sonneneinfallswinkel
  • Sonnenintensität
  • Außentemperatur

Die Formel und die Einheiten der verwendeten Abkürzungen werden ebenfalls präsentiert:
= Fläche des Solarkollektors in
= Spezifische Leistung unter Standardbedingungen (25 und 1000 )
= Aktuelle solare Einstrahlung in
= Aktuelle Umgebungstemperatur in
= Aktuelle Modultemperatur in
= Wärmeverlustkoeffizient des Kollektors in

Auch hier sind die unveränderlichen Größen wie die Fläche durch die Konfigurationsdatei gegeben. Die Berechnung der Wärmeleistung erfolgt nach der folgenden Formel:



Komponentenspezifikation des PV-Speichers
Der PV-Speicher speichert die von der PV-Anlage erzeugte Energie. Zusätzlich informiert er das Energiemanagement über den aktuellen Füllstand. Folgende Eingangsgrößen sind hierfür erforderlich:

  • Ladeleistung
  • Entladeleistung

Die Berechnung des aktuellen Speicherladezustands erfolgt wie folgt:
Die Batteriekapazität wird in in der Konfigurationsdatei angegeben und dann in umgerechnet. Die verbrauchte Leistung bzw. die Ladeleistung, ausgedrückt in , ergibt sich aus der über die Zeit integrierten Leistung . Die Lade- und Entladeleistung wird mit einem Verlustfaktor von 0.8 multipliziert, der Innenwiderstand, Selbstentladung und Temperatur der Batterie berücksichtigt. Der aktuelle Ladezustand wird als Ladestand in % an das Energiemanagement weitergeleitet, das über die weitere Verwendung der gespeicherten Energie entscheiden.

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.

Ergebnis

Zusammenfassung

Arbeitsergebnisse

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

Literaturverzeichnis

  1. Eigenes Dokument
  2. Eigenes Dokument


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