Energiehaushalt eines Hauses: Energieerzeugung EEZ
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.
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.
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.
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.