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Algorithmus zur frühzeitigen Erkennung von Verschattungen auf gebäudeintegrierten Photovoltaik-Kollektoren mithilfe von BIM-Methoden

Ruby, Tomo F. :
Algorithmus zur frühzeitigen Erkennung von Verschattungen auf gebäudeintegrierten Photovoltaik-Kollektoren mithilfe von BIM-Methoden.
TU Darmstadt
[Diplom- oder Magisterarbeit], (2016)

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.

Typ des Eintrags: Diplom- oder Magisterarbeit
Erschienen: 2016
Autor(en): Ruby, Tomo F.
Titel: Algorithmus zur frühzeitigen Erkennung von Verschattungen auf gebäudeintegrierten Photovoltaik-Kollektoren mithilfe von BIM-Methoden
Sprache: Deutsch
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.

Freie Schlagworte: BIM, photovoltaic, Photovoltaik, shadowing, Verschattung
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Institut für Numerische Methoden und Informatik im Bauwesen
Hinterlegungsdatum: 05 Sep 2016 07:36
Zusätzliche Informationen:

Betreuer: Anna Wagner

Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 2 September 2016
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
Since the German legislative body has passed the ’Renewable Energies Law’ in the year 2000 (Erneuerbare-Energien-Gesetz, EEG), photovoltaics (PV) have become one of the main sources of the energy supply in Germany. Being a renewable energy source, photovoltaics contribute significantly to the protection of climate and environment and are therefore consciously promoted by German politics. Also due to this there were serious investments made in this technology, both by companies that built big solar parks in Germany and by private users, who installed solar equipment on the roofs of their own houses or switched to green electricity suppliers. One problem of photovoltaics is still the need of large areas of land to install powerful solar plants. Especially in densely populated areas, the usage of photovoltaics becomes unprofitable because of high land prices. Installing the arrays on roofs and frontages of buildings can then tip the balance towards realizing further solar projects. However to come to a good decision, many factors have to be considered in the planning. One of the most important is the duration of insolation and therefore it is also very important to include the shading analysis early in the planning process, particularly in areas with many close neighboring buildings or potentially shadowing vegetation. In times of Building Information Modelling (BIM) there are many computer-aided tools available that help engineers working in these domains. The Institute of Numerical Methods and Informatics in Civil Engineering (IIB) develops, as part of the research project SolConPro, solutions to enable not only specialized planners to work with such tools. The present thesis makes one more contribution to that topic. An easy to use algorithm is introduced that identifies shadowing of near objects on solar plants. Only by entering the location of the project and the desired time of investigation, the user can obtain information on occurring sun angles. As the application is usable in modelling software, a detailed statement about shadowing can be made just by further entering of the geometry of the solar devices and obstacles in the vicinity. After a short historical introduction, this thesis provides an explanation of the functionality of solar plants to assess the importance of shadowing on that basis. The test, whether an object produces shadowing on a plant or not, is carried out with a control volume that contains every possible sun angle in the timespan given by the user. The thesis thus continues with the introduction of an algorithm to exactly calculate the sun angles, in order to then establish a model of the control volume and show the geometrical creation. Furthermore, the needed accuracy and the border regions of the shape are being discussed. Then a concept of a demonstration application is presented, which can show and evaluate the results. On the basis of this concept the algorithm has been implemented in the programming language C# and developed as an add-in for the modelling tool AutoDesk Revit. The most important regions of the source code are being explained and the results are verified according to the concept. Thereby some weaknesses in the model of the control volume have been found, while the calculation of the sun angles could be validated successfully.Englisch
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