Energiehaushalt eines Hauses: Energieerzeugung EEZ

Abbildung 1: Symbolbild der Seminaraufgabe

Autoren: Daniel Gosedopp und Junjie Lyu
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. M. Göbel

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

Einleitung

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 der jeweiligen Spezifikation angelegt.