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 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:

$\text{Aktuelle Stunde} = floor\left(\frac{\text{Simulationszeit}\:mod\:86400}{3600}\right)$

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:

$\text{Aktueller Monat} = floor\left(\frac{\text{Simulationszeit}}{24 \cdot 60 \cdot 60}\right)\:mod\:365 + 1$

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 wir für die Gruppe ISO durchgeführt. Die Testergebnisse werden für jede Komponente als Tabelle dargestellt.

Komponente Flächenberechnung

Eingänge

• PAR_LKT_Grundflaeche = $100\,m^2$
• PAR_LKT_Deckenhoehe = $2{,}5\,m$
• PAR_LKT_Fensterflaeche = $25\,\%$

Ausgänge

• ISO_FlaecheWand [$m^2$]
• ISO_FlaecheFenster [$m^2$]

Testfall-ID	Testfall-Name	Anforderung	Vorbedingungen und Eingänge	Aktionen	Erwartetes Ergebnis	Ergebnis	Bewertung	Kommentar
1	Test auf die Aktualisierung der Dateien	001	Software SVN vorbereiten.	Update SVN	Keine Fehlermeldung	Keine Fehlermeldung	i. O.
2	Test auf die Matlab/Simulink Version	002	MATLAB R2022a + Simulink Version 10.5 installieren.	MATLAB Skript "start.m" mit MATLAB R2022a öffnen und im Editor "Run" drücken	Haus.slx wird ohne Fehlermeldung geöffnet	Haus.slx wird ohne Fehlermeldung geöffnet	i. O.
3	Test auf alle Eingänge = 0	011	Parameter geladen.	Simulation eines Zeitschritts	Alle Ausgänge = 0	Alle Ausgänge = 0	i. O.
4	Test auf korrekte Formel für ISO_FlaecheFenster	011	Parameter geladen.	Simulation eines Zeitschritts	ISO_FlaecheFenster = $25\,m^2$	ISO_FlaecheFenster = $25\,m^2$	i. O.
5	Test auf korrekte Formel für ISO_FlaecheWand	011	Parameter geladen.	Simulation eines Zeitschritts	ISO_FlaecheFenster = $75\,m^2$	ISO_FlaecheFenster = $75\,m^2$	i. O.