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 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:
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.
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).
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.
Komponente Wechselrichter
In dieser Komponente wird lediglich der Wirkungsgrad eines Wechselrichters berücksichtigt, sodass sich im Ergebnis eine Wechselstromleistung ergibt.
Komponententest
Den Komponententest haben wir für die Gruppe ISO durchgeführt. Die Testergebnisse werden für jede Komponente als Tabelle dargestellt.