Im Rahmen der Lehrveranstaltung Systems Design Engineering im Studiengang Business and Systems Engineering soll ein Modell für den Energiehaushalt eines Hauses entwickelt werden. Dazu wird das Gesamtsystem in mehrere Module eingeteilt. Dieser Artikel beschreibt das Modul Energieerzeugung (kurz: EEZ).
Zielsetzung der Seminaraufgabe
Ziel der Seminaraufgabe ist es, das in der Softwareentwicklung weit verbreitete V-Modell (siehe Abb. 2) auf ein Beispielsystem (Haus) anzuwenden. Dabei wird der komplette Entwicklungsprozess von der Anforderungsdefinition über den Systementwurf und die Implementierung bis zum Testen der Software durchlaufen. In jeder Phase wird überprüft, ob die Arbeitsergebnisse den Spezifikationen aus der vorherigen Phase genügen. Dadurch wird die Effizienz und Qualität der Softwareentwicklung erhöht und die Fehleranfälligkeit minimiert. Durch die direkte Anwendung auf ein System sollen die Vorteile bei der Einhaltung des V-Modells "hands-on" von den Studierenden erfahren werden.
Abbildung 2: V-Modell der Seminaraufgabe
Anforderungsdefinition: Lastenheft
ID
Typ (I = Info, A = Anforderung)
Kapitel
Inhalt
Ersteller
Datum
Durchsicht von
am
Status Auftraggeber
Kommentar Auftraggeber
Status Auftragnehmer
Kommentar Auftragnehmer
001
I
1
Rahmenbedingungen
002
A
Es ist Tageslicht vorhanden.
Lyu, Gosedopp
17.04.2023
Akzeptiert mit Einschr.
wir werden Tag + Nacht simulieren. Daher ist die Anf. nicht relevant.
003
A
Die Fläche der EEZ-Anlage lässt sich für jede Ausrichtung (Osten, Süden, Westen) über jeweils einen Parameter einstellen.
Lyu, Gosedopp
17.04.2023
Akzeptiert
Neigungswinkel als Parameter einstellen. Machen Sie die Ausrichtung mit 3 Flächen (eine Ost, eine Süd, eine West) Solarsystemen Die Fläche über 3 Parameter einstellen.
004
A
Ein potenzieller Schattenwurf wird im Simulationsmodell vernachlässigt.
Lyu, Gosedopp
17.04.2023
Akzeptiert
Einfach Nettofläche einstellen, ohne Verschattung.
005
A
Auf dem Dach werden Warmwasserkollektoren und Photovoltaik-Module verbaut.
Lyu, Gosedopp
23.04.2023
Akzeptiert
006
A
Das Dach ist stabil gedeckt, die Neigungswinkel der EEZ-Anlage sind also konstant.
Lyu, Gosedopp
17.04.2023
Akzeptiert
007
I
2
Stromerzeugung
008
A
Die PV-Anlage wird auf drei Flächen verteilt (Ausrichtung nach Osten, Süden und Westen), wobei die Flächen jeweils als Parameter eingestellt werden können.
Lyu, Gosedopp
23.04.2023
Abgelehnt
gleich zu 003
009
A
Je nach elektrischer Sollleistung werden mehrere PV-Module in Reihe zu einem sog. String verschaltet. Sind mehrere Strings vorhanden, werden diese parallel geschaltet.
Lyu, Gosedopp
17.04.2023
Akzeptiert
010
A
Der gewonnene Gleichstrom muss mit einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden.
Lyu, Gosedopp
17.04.2023
Akzeptiert
011
A
Die Abmaße eines Panels sowie dessen maximale Leistung werden nach in der Praxis üblichen Werten gewählt.
Lyu, Gosedopp
17.04.2023
Akzeptiert
012
A
Wenn mehr elektrische Energie erzeugt, als verbraucht wird, soll die überschüssige Energie gespeichert werden. Ist der Speicher voll, fließt der Strom ungenutzt ins Netz. Die Einspeisevergütung wird als Parameter festgelegt.
Lyu, Gosedopp
17.04.2023
Abgelehnt
Einspeisevergütung einstellbar als Parameter (Gruppe SPC_Speicher) -> das macht der Speicher. Bitte in Absprache dahin verschieben. Sie liefern "nur" Leistung, SP muss dann speichern oder einspeisen.
013
I
3
Warmwassergewinnung
014
A
Für den Warmwasserkollektor wird eine feste Ausrichtung und ein fester Neigungswinkel über einen Parameter eingestellt.
Lyu, Gosedopp
23.04.2023
Akzeptiert
Warmwasserkollektor (eine Ausrichtung und Neigung) noch mit hinzunehmen.
015
A
Ein Warmwasserspeicher muss vorhanden sein, damit auch z.B. nachts warmes Wasser vorhanden ist.
Lyu, Gosedopp
23.04.2023
Akzeptiert
Verweis auf Gruppe SP machen
016
I
4
Schnittstellen
017
A
Die gewonnenen Ertragsmengen werden für PV-Anlage und Warmwasserkollektor werden jeweils in der SI-Einheit Watt ausgegeben.
Lyu, Gosedopp
23.04.2023
Akzeptiert
018
I
5
Robustheit
019
A
Das Modul EEZ funktioniert unter den Bedingungen windig, regnerisch, bewölkt und verschneit.
Lyu, Gosedopp
17.04.2023
Akzeptiert
020
A
Das Modul funktioniert für eine Außentemperatur zwischen -50° bis +70°.
Lyu, Gosedopp
17.04.2023
Akzeptiert
021
I
6
Software/Werkzeuge
022
A
Das Modul wird in Simulink modelliert und in MATLAB parametriert. (MATLAB Version R2022a)
Lyu, Gosedopp
17.04.2023
Akzeptiert
023
I
7
Dokumentation
024
A
Die Dokumentation erfolgt nachhaltig in SVN
Akzeptiert
025
A
Zum Modul wird ein Wiki-Artikel erstellt.
Lyu, Gosedopp
17.04.2023
Akzeptiert
026
A
Die Modellierung wird schrittweise beschrieben.
Lyu, Gosedopp
17.04.2023
Akzeptiert
027
A
Der Programmcode und das Modell werden hinreichend kommentiert.
Lyu, Gosedopp
17.04.2023
Akzeptiert
027
A
Der Programmcode und das Modell werden hinreichend kommentiert.
Lyu, Gosedopp
17.04.2023
Akzeptiert
025
A
Zum Modul wird ein Wiki-Artikel erstellt.
Lyu, Gosedopp
17.04.2023
Akzeptiert
026
A
Die Modellierung wird schrittweise beschrieben.
Lyu, Gosedopp
17.04.2023
Akzeptiert
027
A
Der Programmcode und das Modell werden hinreichend kommentiert.
Lyu, Gosedopp
17.04.2023
Akzeptiert
Funktionaler Systementwurf
Der funktionale Systementwurf war im Sommersemester 2023 kein Bestandteil der Gruppenaufgabe und wurde von Prof. Göbel, wie in Abb. 3 dargestellt, bereitgestellt.
Abbildung 3: Funktionaler Systementwurf der Seminaraufgabe
Technischer Systementwurf
Das Modul EEZ wird in die vier Komponenten "Sonne", "Photovoltaik", "Warmwasserkollektor" und "Wechselrichter" untergliedert. Im technischen Systementwurf werden die Ein- und Ausgänge der Komponenten ebenfalls festgelegt. Die Komponente "Sonne" bekommt als Eingang die Simulationszeit und gibt eine Globalstrahlung aus. Diese dient als Eingang für die Komponenten "Photovoltaik" und "Warmwasserkollektor", welche eine elektrische Leistung (Gleichstrom) bzw. eine Warmwasserleistung ausgeben. Die Komponente "Wechselrichter" macht aus der Gleichstromleistung eine Wechselstromleistung. Abbildung 4 zeigt den Aufbau des Moduls EEZ.
Abbildung 4: Technischer Systementwurf des Moduls EEZ
Komponentenspezifikation
In der Komponentenspezifikation werden die Aufgabe, das Verhalten, der innere Aufbau und Schnittstellen für die im technischen Systementwurf erarbeiteten Komponenten definiert. Nachfolgend wird für jede der vier Komponenten eine Tabelle mit den jeweiligen Spezifikationen angelegt.
Sonne
Eingänge
Simulationszeit [s]
Ausgänge
EEZ_Globalstrahlung [W/m^2]
Parameter
PAR_EEZ_StrahlungLippstadt [W/m^2]
ID
Kapitel
Inhalt
Ersteller
Datum
1
Die Solarstrahlung für Lippstadt wird auf Basis der Daten des Global Solar Atlas berechnet. Darin sind für jeden Monat und jede Stunde die Energiemengen enthalten.
Gosedopp, Lyu
08.05.2023
2
Diese Energiemenge wird aus der Excel-Datei ausgelesen und in eine Lookup-Tabelle gespeist. MATLAB interpoliert die Energiemenge dann, sodass im Modell nicht jeder Tag eines Monats gleich ist.
Gosedopp, Lyu
08.05.2023
3
Da die Energiemenge (Wh/m^2) in der Excel-Tabelle für eine Stunde angegeben wird, besitzt die momentane Strahlungsleistung (Globalstrahlung in W/m^2) den jeweils gleichen Betrag. Dieser Wert ist der Ausgang der Komponente.
Gosedopp, Lyu
08.05.2023
4
Die Simulationszeit in Sekunden wird durch 2628000 geteilt. Dies ist die Anzahl der Sekunden, die ein Monat hätte, wenn jeder Monat gleich viele Tage hätte. So wird der aktuelle Monat ungefähr bestimmt.
Gosedopp, Lyu
08.05.2023
5
Der aktuelle Stunde ergibt sich aus der Simulationszeit geteilt durch 3600 Sekunden und dieses Ergebnis Modulo 23. Es muss dann 1 addiert werden, damit die Stunde Werte von 1-24 annimmt.
Gosedopp, Lyu
08.05.2023
6
Monat und Stunde stellen die Eingänge einer 2-D Lookup Table dar. Die Werte sind Dezimal und steigen stetig, also nicht stufig an, sodass MATLAB interpolieren kann (Monat kann z.B. 6,5 sein für Mitte Juni)
Gosedopp, Lyu
08.05.2023
Photovoltaik
Eingänge
EEZ_Globalstrahlung [W/m^2]
Ausgänge
EEZ_PVLeistung_DC [W]
Parameter
PAR_EEZ_PVNeigungswinkel [°]
PAR_EEZ_PVWirkungsgrad [-]
PAR_EEZ_PVAnzahlModule [-]
PAR_EEZ_PVModullaenge [m]
PAR_EEZ_PVModulbreite [m]
ID
Kapitel
Inhalt
Ersteller
Datum
1
Die Gesamtfläche wird aus der Länge und Breite eines Moduls sowie der Anzahl der Module durch Multiplikation berechnet.
Gosedopp, Lyu
08.05.2023
2
Aus der Globalstrahlung, der Gesamtfläche der PV-Anlage und dem Wirkungsgrad der PV-Module berechnet sich die erzeugte elektrische Leistung (Gleichstrom) in Watt.
Gosedopp, Lyu
08.05.2023
3
Die erzeugte elektrische Leistung muss auf die maximal erzeugbare Leistung der PV-Module begrenzt werden (Watt Peak Angabe).
Gosedopp, Lyu
08.05.2023
4
Je nach Neigungswinkel und Ausrichtung wird diese Leistung nochmal mit einem Faktor zwischen 0 und 1 multipliziert. Dieser Faktor wird mit einer Lookup-Tabelle berechnet.
Gosedopp, Lyu
08.05.2023
Warmwasserkollektor
Eingänge
EEZ_Globalstrahlung [W/m^2]
Ausgänge
EEZ_Warmwasserleistung [W]
Parameter
PAR_EEZ_WWKNeigungswinkel [°]
PAR_EEZ_WWKAnzahlModule [-]
PAR_EEZ_WWKModullaenge [m]
PAR_EEZ_WWKModulbreite [m]
PAR_EEZ_WWKTransmissionskoeffizient [-]
PAR_EEZ_WWKAbsorptionskoeffizient [-]
ID
Kapitel
Inhalt
Ersteller
Datum
1
Die Gesamtfläche wird aus der Länge und Breite eines Moduls sowie der Anzahl der Module durch Multiplikation berechnet.
Gosedopp, Lyu
08.05.2023
2
Aus der Globalstrahlung, der Gesamtfläche des Warmwasserkollektors, der Transmissions- und Absorptionsköffizient der Warmwasser-Module berechnet sich die erzeugte Wärmeleistung in Watt.
Gosedopp, Lyu
08.05.2023
3
Die erzeugte Wärmeleistung muss auf die maximal erzeugbare Leistung der Wärmewasser-Module begrenzt werden (Watt Peak Angabe).
Gosedopp, Lyu
08.05.2023
4
Je nach Neigungswinkel wird diese Leistung nochmal mit einem Faktor zwischen 0 und 1 multipliziert. Dieser Faktor wird mit einer Lookup-Tabelle berechnet.
Gosedopp, Lyu
08.05.2023
Wechselrichter
Eingänge
EEZ_PVLeistungDC [W]
Ausgänge
EEZ_PVLeistungAC [W]
Parameter
PAR_EEZ_DCACWirkungsgrad [-]
ID
Kapitel
Inhalt
Ersteller
Datum
1
Die erzeugte elektrische Gleichstromleistung wird vom Modul Wechselrichter in eine Wechselstromleistung umgerechnet. Dazu wird die Gleichstromleistung mit dem Wirkungsgrad des Wechselrichters multipliziert.
Gosedopp, Lyu
08.05.2023
Programmierung / Modellierung
Nachdem die Vorbereitungen und Überlegungen in den Phasen des linken Asts des V-Modells abgeschlossen sind, kann die Programmierung bzw. Implementierung der einzelnen Komponenten erfolgen.
Komponente Sonne
In dieser Komponente wird aus dem aktuellen Monat und der aktuellen Stunde per "Lookup-Table"-Block eine Globalstrahlung in W/m^2 ermittelt. Für die aktuelle Stunde gilt:
Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle \text{Aktuelle Stunde} = floor\left(\frac{\text{Simulationszeit}\:mod\:86400}{3600}\right)}
Der aktuelle Monat wird aus einer weiteren "Lookup-Table" ermittelt. Dazu muss der aktuelle Tag im Jahr bekannt sein (also Tag 1 - Tag 365). Für den aktuellen Tag gilt:
Die Lookup-Table "Tag zu Monat" ermittelt schließlich den aktuellen Monat. Mit diesem und der aktuellen Stunde kann die Globalstrahlung ausgegeben werden.
Abbildung 5: Implementierung der Komponente "Sonne"
Komponente Photovoltaik
Hier werden zunächst aus den Abmaßen und der Anzahl der PV-Module für die drei Ausrichtungen Süden, Westen und Osten die Flächen berechnet (also Fläche Süd, Fläche West und Fläche Ost). Diese können zusammen mit dem Wirkungsgrad der PV-Module und der Globalstrahlung zu drei Leistungen verrechnet werden. Außerdem wird ein weiterer Wirkungsgrad für die Ausrichtung und Neigung dazumultipliziert (für Details siehe Photovoltaikanlage: Ausrichtung und Neigung). Dieser wird für die drei Ausrichtungen S, W, O mithilfe des Neigungswinkels aus je einer Lookup-Table ermittelt. Durch Addition der drei Teilleistungen S, W, O ergibt sich die aktuell gelieferte Gesamtleistung der PV-Anlage (Gleichstrom).
Abbildung 6: Implementierung der Komponente "Photovoltaik"
Komponente Warmwasserkollektor
Auch hier wird zunächst aus den Abmaßen und der Anzahl der WWK-Module für die Ausrichtung Süden die Fläche berechnet. Mit einem sog. Transmissions- und einem Absorptionskoeffizienten sowie der Globalstrahlung kann durch Multiplikation mit der Fläche eine Warmwasserleistung berechnet werden (für Details siehe die Kollektorgleichung). Diese muss ebenfalls mit einem Wirkungsgrad für den Neigungswinkel, welcher aus einer Lookup-Table ausgelesen wird, multipliziert werden, um die tatsächliche Warmwasserleistung zu erhalten.
Abbildung 7: Implementierung der Komponente "Warmwasserkollektor"
Komponente Wechselrichter
In dieser Komponente wird lediglich der Wirkungsgrad eines Wechselrichters berücksichtigt, sodass sich im Ergebnis eine Wechselstromleistung ergibt.
Abbildung 8: Implementierung der Komponente "Wechselrichter"
Komponententest
Den Komponententest haben immer jeweils andere Gruppen durchgeführt. Für das Modul EEZ wurde der Komponententest von der Gruppe HZR durchgeführt. Die Testergebnisse werden für jede Komponente als Tabelle dargestellt.
Komponente Sonne
Eingänge und Parameter
Ausgänge
Globalstrahlung
Testfall-ID
Testfall-Name
Anforderung
Vorbedingungen und Eingänge
Aktionen
Erwartetes Ergebnis
Ergebnis
Bewertung
Kommentar
001
Test Ausgabe Globalstrahlung
1
Parameter geladen
Inf-Simulation mithilfe des Clock-Bausteins
Globalstrahlung > 0 zur Tageszeit
Globalstrahlung = 116 W/m^2 bei Stunde 9; steigt ab hier und fällt später wieder
i.O.
002
Test Ausgabe Globalstrahlung an Tagen im selben Monat unterschiedlich
Verständnis des Moduls durch nachvollziehbare Kommentare
Kommentare nur zum Teil ausreichend
n.i.O.
Kommentierung( z.B. anhand von Bereichen) auf Modulebene könnte ausführlicher sein
Systemtest
Nachdem die Komponenten und Module mit Hilfe der Tests angepasst wurden, konnte ein Systemtest durchgeführt werden.
Testfall-ID
Testfall-Name
Anforderung
Vorbedingungen und Eingänge
Aktionen
Erwartetes Ergebnis
Ergebnis
Bewertung
Kommentar
1
Test auf korrekte Funktion des Heizungsreglers
Parameter geladen.
Simulation eines Tages
Nach einer Weile ISO_IstTemp = HZR_Solltemperatur
Nach einer Weile ISO_IstTemp = HZR_Solltemperatur
i. O.
2
Test auf korrekte Solltemperatur
Parameter geladen.
Simulation eines Tages
Solltemperatur wechselt von 15°C (nachts) auf 20°C (tagsüber)
Solltemperatur steigt für eine gewisse Zeit auf über 30°C an.
n. i. O.
Solltemperatur folgt in diesem Bereich der Isttemperatur…
3
Test auf korrekte Stromkosten
Parameter geladen.
Simulation eines Tages
Stromkosten in € ausgegeben
Stromkosten nehmen für einen Tag sehr große Werte (> 300€) an
n. i. O.
Strompreis ist in der Parameterdatei LKT für eine kWh angegeben (€/kWh). Im Modell werden aber SI-Einheiten genutzt, der Strompreis muss also auch in €/Wh angegeben werden.
4
Test der Warmwassertemperatur
Parameter geladen.
Simulation eines Tages
Warmwassertemperatur nimmt realistische Werte an
Warmwassertemperatur ist stark negativ
n. i. O.
Warmwassertemperatur von nahezu -6000°C.
Fazit
Insgesamt kann für die Seminaraufgabe ein positives Fazit gezogen werden. Durch die klare Vorgehensweise des V-Modells konnte das Projekt erfolgreich abgeschlossen werden und das entwickelte Modell ist lauffähig. Das zeigt, dass die Anwendung des V-Modells dazu beigetragen hat, die Anforderungen an das System präzise zu erfassen und umzusetzen. Außerdem konnte bestätigt werden, dass das V-Modell die Arbeit in Gruppen erleichtert. Die ausführliche Spezifikation jeder Komponente, auch in Absprache unter den Gruppen, hat schließlich dazu beigetragen, dass das zusammengesetzte Gesamtmodell mit einigen Anpassungen nach den Tests lauffähig ist.
