Ruby, Tomo F. (2016)
Algorithmus zur frühzeitigen Erkennung von Verschattungen auf gebäudeintegrierten Photovoltaik-Kollektoren mithilfe von BIM-Methoden.
Technische Universität Darmstadt
Diplom- oder Magisterarbeit, Bibliographie

Kurzbeschreibung (Abstract)

Seit der deutsche Gesetzgeber im Jahr 2000 das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) verabschiedet hat, ist Photovoltaik (PV) in Deutschland zu einem Standbein der Energieversorgung geworden. Als eine der erneuerbaren Energien trägt sie maßgeblich zum Schutz von Umwelt und Klima bei und wird deswegen auf politischer Ebene bewusst gefördert. Auch hierdurch kam es zu starken Investitionen in die Technologie sowohl durch Unternehmen, die in Deutschland große Solarparks errichteten, als auch durch Privatnutzer, die sich eigene Anlagen auf die Dächer ihrer Häuser installierten oder zu grünen Stromversorgern wechselten. Ein Problem der Photovoltaik ist jedoch nach wie vor der hohe Flächenverbrauch von leistungsstärkeren Anlagen. Gerade in dichter besiedelten Gebieten wird ein Einsatz von Photovoltaik aufgrund der hohen Grundstückskosten oft unlukrativ. Eine Montage auf Dächern oder an Fassaden ist dann eine Option, die den Ausschlag für die Realisierung weiterer Anlagen geben kann. Es müssen in der Planung jedoch viele Faktoren berücksichtigt werden um zu einer guten Entscheidung zu kommen. So ist die verfügbare Bestrahlungsdauer einer der wichtigsten von ihnen und damit die Verschattungsanalyse besonders in Gebieten mit Nachbarbebauung oder potientiell verschattender Vegetation ein Werkzeug, das schon früh im Projektablauf integriert werden sollte. In Zeiten von Building Information Modelling (BIM) bieten sich Werkzeuge aus der elektronischen Datenverarbeitung an, um die Ingenieure in diesem Bereich zu unterstützen. Das Institut für Numerische Methoden und Informatik im Bauwesen (IIB) entwickelt im Rahmen des Forschungsprojektes „Ganzheitliche Integration energetisch aktiver Fassadenkomponenten in Bauprozesse“ Ansätze, um nicht nur Fachplanern den Umgang mit solchen Werkzeugen zu ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wird dazu ein weiterer Beitrag geleistet. Es wird ein einfach zu verwendender Algorithmus vorgestellt, der Verschattungen von PV-Anlagen durch umliegende Objekte findet. Nur durch die Eingabe des Projektortes und der gewünschten Zeit der Untersuchung kann der Nutzer Informationen über auftretende Einstrahlungswinkel erhalten. Da die Anwendung in einer Modellierungssoftware benutzbar ist, kann durch das weitere Eingeben der Geometrie der PV-Module und anderer Objekte in der Umgebung eine detaillierte Aussage über die Verschattung getroffen werden. In der Arbeit wird nach einer kurzen geschichtlichen Einführung die Funktionsweise von PV-Anlagen erklärt, um auf dieser Grundlage Rückschlüsse über die Relevanz von Verschattungen ziehen zu können. Die Überprüfung, ob ein Objekt zu Verschattung auf einer Anlage führt, wird mithilfe eines berechneten Kontrollvolumens gemacht, das alle möglichen Einstrahlungswinkel in der jeweils betrachteten Zeitspanne enthält. Die Arbeit fährt also mit der Vorstellung eines Algorithmus zur exakten Berechnung der Sonnenposition fort, um dann ein Modell des genannten Kontrollvolumens einzuführen und die geometrische Erzeugung darzulegen. Außerdem werden benötigte Genauigkeit und Randbereiche des Volumens diskutiert. Weiter wird ein Konzept einer Demonstrationsanwendung vorgestellt, in der Ergebnisse angezeigt und evaluiert werden können. Auf Basis dieses Konzepts wurde der Algorithmus in der Programmiersprache C# implementiert und für die Modellierungssoftware AutoDesk Revit als Add-In umgesetzt. Die wichtigsten Stellen des Quellcodes werden erläutert und die Ergebnisse werden konzeptgemäß überprüft. Dabei werden Schwächen am Modell des Kontrollvolumens festgestellt, während die Berechnungen des Sonnenstandes erfolgreich verifiziert werden können.

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