Solarenergiegewinnung: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 13. Juli 2024, 14:40 Uhr

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

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.

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 ( $P_{\text{aktuell}}$ ) 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.

$A_{\text{Gesamt}}$ = Gesamtfläche der Solarmodule in $m^2$
$\alpha$ = Temperaturkoeffizient der Leistung (immer 0,004)
$G_{\text{Einstrahlung}}$ = Aktuelle solare Einstrahlung in $W/m^2$
$P_{\text{aktuell}}$ = Aktuelle Leistung der Solaranlage in $W$
$P_{\text{Modul}}$ = Nennleistung eines einzelnen Moduls unter Standard-Testbedingungen (STC) in $W$
$T_{\text{Modul}}$ = Aktuelle Modultemperatur in $°C$
$T_{\text{STC}}$ = Modultemperatur unter Standard-Testbedingungen (STC) in $°C$

Die Berechnung der aktuellen Leistung der Solaranlage erfolgt nach der folgenden Formel:

${\displaystyle P_{\text{aktuell}} = A_{\text{Gesamt}} \cdot P_{\text{Modul}} \cdot \left( \frac{G_{\text{Einstrahlung}}}{1000} \right) \cdot \left( 1 - \alpha \cdot (T_{\text{Modul}} - T_{\text{STC}}) \right) }$ ^[3]

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

Diese Eingangsgrößen werden von der Gruppe HPU zur Verfügung gestellt und ermöglichen die Berechnung der Wärmeleistung ( $P_{\text{Kollektor}}$ ) 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.

$A_{\text{Kollektor}}$ = Fläche des Solarkollektors in $m^2$
$G_{\text{Einstrahlung}}$ = Aktuelle solare Einstrahlung in $W/m^2$
$K_{\text{Verlust}}$ = Wärmeverlustkoeffizient des Kollektors in $W/(m^2 \cdot K)$
$\eta_0$ = Spezifische Leistung des Kollektors bei Standardbedingungen (1000 $W/m^2$ und 25 $°C$ ) in $W/(m^2 \cdot K)$
$P_{\text{Kollektor}}$ = Aktuelle Leistung des Solarkollektors in $W$
$T_{\text{Modul}}$ = Aktuelle Temperatur des Solarkollektors in $°C$
$T_{\text{Umgebung}}$ = Aktuelle Umgebungstemperatur in $°C$

Die Berechnung der Wärmeleistung erfolgt nach der folgenden Formel:

${\displaystyle P_{\text{Kollektor}} = A_{\text{Kollektor}} \cdot \eta_0 \cdot (G_{\text{Einstrahlung}} - K_{\text{Verlust}} \cdot (T_{\text{Modul}} - T_{\text{Umgebung}})) }$

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 $E$ wird in $KWh$ in der Konfigurationsdatei angegeben und dann in $Ws$ umgerechnet. Die verbrauchte Leistung bzw. die Ladeleistung, ausgedrückt in $Ws$ , ergibt sich aus der über die Zeit integrierten Leistung $P$ . 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:

Solarenergiegewinnung

Literaturverzeichnis

↑ Eigenes Dokument
↑ Eigenes Dokument
↑ https://www.digikey.de/reference-designs/en/open-source-mcu-platforms/open-source-mcu-platforms/2762?utm_adgroup=General&utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_campaign=Dynamic%20Search_EN_RLSA_Product_Site%20Visitor&utm_term=&productid=&gclid=EAIaIQobChMIiJ_Mr46Q_AIV7I9oCR3WUgR9EAAYASAAEgJuiPD_BwE, abgerufen am 23.12.2022

→ zurück zum Hauptartikel: Systems Design Engineering - Seminaraufgabe SoSe 2023: Energiehaushalt eines Hauses

[1] Eigenes Dokument

[2] Eigenes Dokument

[3] ttps://www.digikey.de/reference-designs/en/open-source-mcu-platforms/open-source-mcu-platforms/2762?utm_adgroup=General&utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_campaign=Dynamic%20Search_EN_RLSA_Product_Site%20Visitor&utm_term=&productid=&gclid=EAIaIQobChMIiJ_Mr46Q_AIV7I9oCR3WUgR9EAAYASAAEgJuiPD_BwE, abgerufen am 23.12.2022

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 [[Kategorie:BSE/SDE-EnergieHaus]]
+[[Datei:SOL Komponenten.png|rechts|mini|600px| Abb. 1: Komponenten des Modells SOL <ref> Eigenes Dokument </ref>]]
-'''Autoren:''' [[Benutzer: Felix Neubauer|Felix Neubauer]], [[Benutzer: Niklas Reeker|Niklas Reeker]]
+'''Autoren:'''  [[Benutzer: Niklas Reeker|Niklas Reeker]], [[Benutzer: Felix Neubauer|Felix Neubauer]]
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 == Vorgehensweise nach dem V-Modell ==
+[[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.
 <br clear=all>
 == 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.
+<br clear=all>
-[[Datei:Lastenheft2.png]]
 == Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf ==
-<br>
+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'''
 == 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
 * 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'''
+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.
-* '''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
+<math>A_{\text{Gesamt}}</math> = Gesamtfläche der Solarmodule in <math>m^2</math><br>
+<math>\alpha</math> = Temperaturkoeffizient der Leistung (immer 0,004)<br>
+<math>G_{\text{Einstrahlung}}</math> = Aktuelle solare Einstrahlung in <math>W/m^2</math><br>
+<math>P_{\text{aktuell}}</math> = Aktuelle Leistung der Solaranlage in <math>W</math><br>
+<math>P_{\text{Modul}}</math> = Nennleistung eines einzelnen Moduls unter Standard-Testbedingungen (STC) in <math>W</math><br>
+<math>T_{\text{Modul}}</math> = Aktuelle Modultemperatur in <math>°C</math><br>
+<math>T_{\text{STC}}</math> = Modultemperatur unter Standard-Testbedingungen (STC) in <math>°C</math><br>
-Hieraus ergibt sich nun folgende Formel für die '''Berechnung der elektrischen Leistung P_aktuell''':
+Die Berechnung der aktuellen Leistung der Solaranlage erfolgt nach der folgenden Formel:<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> <ref>https://www.digikey.de/reference-designs/en/open-source-mcu-platforms/open-source-mcu-platforms/2762?utm_adgroup=General&utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_campaign=Dynamic%20Search_EN_RLSA_Product_Site%20Visitor&utm_term=&productid=&gclid=EAIaIQobChMIiJ_Mr46Q_AIV7I9oCR3WUgR9EAAYASAAEgJuiPD_BwE, abgerufen am 23.12.2022</ref><br>
-* '''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:
+'''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
 * 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.
-* '''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''':
+Diese Eingangsgrößen werden von der Gruppe HPU zur Verfügung gestellt und ermöglichen die Berechnung der Wärmeleistung (<math>P_{\text{Kollektor}}</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.
-'''P_kollektor''' = A_kollektor * (n_0 * G_Einstrahlung - K_verlust*(T_modul - T_umgebung))
+<math>A_{\text{Kollektor}}</math> = Fläche des Solarkollektors in <math>m^2</math><br>
+<math>G_{\text{Einstrahlung}}</math> = Aktuelle solare Einstrahlung in <math>W/m^2</math><br>
+<math>K_{\text{Verlust}}</math> = Wärmeverlustkoeffizient des Kollektors in <math>W/(m^2 \cdot K)</math><br>
+<math>\eta_0</math> = Spezifische Leistung des Kollektors bei Standardbedingungen (1000 <math>W/m^2</math> und 25<math>°C</math>) in <math>W/(m^2 \cdot K)</math><br>
+<math>P_{\text{Kollektor}}</math> = Aktuelle Leistung des Solarkollektors in <math>W</math><br>
+<math>T_{\text{Modul}}</math> = Aktuelle Temperatur des Solarkollektors in <math>°C</math><br>
+<math>T_{\text{Umgebung}}</math> = Aktuelle Umgebungstemperatur in <math>°C</math><br>
+Die Berechnung der Wärmeleistung erfolgt nach der folgenden Formel:<br>
-'''Komponentenspezifikation des PV- Speichers'''
+<math>
+P_{\text{Kollektor}} = A_{\text{Kollektor}} \cdot \eta_0 \cdot (G_{\text{Einstrahlung}} - K_{\text{Verlust}} \cdot (T_{\text{Modul}} - T_{\text{Umgebung}}))
-Der PV Speicher ist dafür zuständig die erzeugte Energie der PV- Anlage zu speichern. Er muss das Energiemanagement außerdem über seinen Füllstand informieren.
+</math><br>
-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
 * 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 ==