StaGiMo Blog

Gebäudeintegrierte Photovoltaik (GIPV):
Fachregeln und Prüfmethoden für eine standardisierte Modulanwendung in Dach und Fassade.

Blog

Python für die Entwicklung eine Simulationsmodells

22.02.04

In der Bachelorarbeit Betrachtung der Programmiersprache Python zur Entwicklung eines Simulationsmodells für einen Messstand der gebäudeintegrierten Photovoltaik wurde untersucht, inwiefern sich die Programmiersprache Python zur Simulation eines Messstandes der gebäudeintegrierten Photovoltaik eignet. Das Ziel ist, einen Beitrag zur Umsetzung eines frei verfügbaren allgemeinen Simulationsmodells zu leisten, welches die Popularität der Gebäudeintegration von Photovoltaikmodulen verbessern soll.

Der Fokus der Arbeit liegt auf dem Vergleich von Python zu proprietärer Software und auf Erweiterungsmöglichkeiten der Python-Bibliothek „pvlib“. Der Vergleich erfolgt über die Simulation des Messstandes in allen betrachteten Programmen und durch die anschließende Gegenüberstellung der Ergebnisse. Es werden die Modultemperaturen, die produzierte Energie und die Strömungsverhältnisse der Hinterlüftung simuliert und alle Differenzen der Berechnungsmodelle und Funktionen erläutert.

Weiterhin erfolgt eine Diskussion über die Erweiterung der vorhandenen Modelle zur Berechnung der Modultemperaturen und über Möglichkeiten zur Verbesserung der Simulation in pvlib. Zusammenfassend stellt die Programmiersprache Python umfangreiche Funktionen zur Verfügung, welche eine Simulation des Messstandes theoretisch ermöglichen. Praktisch ergeben sich Probleme bei der Verfügbarkeit benötigter Modulkennwerte und bei der Simulation von Strömungsverhältnissen in der Hinterlüftung.

Vergleich von Python, PV*SOL und PVsyst
Die Python-Bibliothek „pvlib“ bietet grundlegende Funktionen zur Simulation von PV-Systemen an. Zur Validierung der Simulationsergebnisse und zum Vergleich der vorhandenen Funktionen wird Python mit den Programmen „PV*SOL“ und „PVsyst“ verglichen.

Temperaturmodelle
Alle betrachteten Programme und „pvlib“ teilen sich ein grundlegendes Problem bei der Simulation von gebäudeintegrierten PV-Systemen. Die verwendeten empirischen Temperaturmodelle zur Ermittlung der Modultemperaturen sind unzureichend zur Simulation des Messstandes. Hierbei fehlen in allen Modellen Koeffizienten, welche genaue Hinterlüftungstiefen und Neigungswinkel abbilden.

Modulkennwerte
Die frei verfügbaren Datenbanken von „pvlib“ stellen keines der betrachteten PV-Module zur Verfügung. Entsprechend fehlen Modulkennwerte, welche zur Simulation benötigt werden. Bei Verfügbarkeit der Kennwerte nähern sich die Ergebnisse der Python-Simulation den Pvsyst-Ergebnissen an.

Erweiterung der Temperaturmodelle.
Zur Erweiterung der Temperaturmodelle können neue empirische Koeffizienten ermittelt werden. Mit diesen ist eine genauere Simulation in Python möglich.

Zusammenfassung und Ausblick
Die Nützlichkeit von Python zur Simulation des Messstandes ist eindeutig nachgewiesen. Durch die umfangreichen Erweiterungsmöglichkeiten der Programmiersprache auf der Basis der pvlib- Bibliothek, lassen sich theoretisch alle erforderlichen Berechnungsmodelle abbilden. Die Simulation der Modultemperaturen wird über eine der integrierten pvlib Funktionen durchgeführt oder über eine manuell implementierte Funktion realisiert. Im Gegensatz zu der betrachteten proprietären Software stellt pvlib mehrere Berechnungsmodelle zur Verfügung und bietet Möglichkeiten zur Ergänzung neuer Modelle. Zudem ist eine Änderung der verwendeten empirischen Koeffizienten in bestehenden Modellen ohne Aufwand möglich. Insgesamt lassen sich Modultemperaturen somit besser in Python simulieren als in PVsyst oder PV*SOL.

Zur der Berechnung der elektrischen Parameter und der produzierten Energie eignet sich Python weniger gut als proprietäre Software. Zwar stellt pvlib auch hierzu mehrere Berechnungsmodelle zur Verfügung und lässt sich problemlos erweitern, jedoch sind die frei verfügbaren Datenbanken weniger umfangreich und beinhalten keinen der beiden betrachteten Modultypen. Zur Berechnung muss entweder ein ungenaueres Modell benutzt werden, oder es werden die Kennwerte der proprietären Datenbanken übernommen. Werden die Datenbanken erworben, besteht anschließend auch die Möglichkeit, die Simulation in der zugehörigen Software durchzuführen. Dennoch wäre eine Simulation in Python vorteilhaft, weil die Lizenz der proprietären Software begrenzt ist und die Simulation in Python weiterhin zur Verfügung stehen wird. Auch wäre eine Simulation des Indoor-Messstandes über gegebene Kennwerte möglich. Es muss abgewogen werden, ob eine einmalige Investition in den Erwerb der Modulkennwerte nötig ist oder ob die Simulation vereinfacht durchgeführt werden soll.

Die erläuterten Ergebnisse und Abwägungen lassen sich auf die Entwicklung eines allgemeinen Simulationsmodells übertragen, welches nicht auf die Betrachtung des Messstandes beschränkt ist. Bei Umsetzung des allgemeinen Modells ist eine weiterführende Diskussion der angeführten Problemstellungen notwendig.

Autor: Kevin Dittrich

28. Jour fixe in Köln

25.01.2023

Was passiert, wenn Hagel auf ein Photovoltaik-Modul trifft? Die Antwort darauf durften sich die Projektpartner Ende Januar beim Projekttreffen in Köln ansehen. Der TÜV Rheinland lud am 25. Januar zum Jour Fixe ein die Projektpartnern reisten zum TÜV Rheinland nach Köln. Am Nachmittag wurden verschiedene Prüfstände besichtigt.

Wie bei jedem Jour fixe wurden zunächst die aktuellen Ergebnisse aus den einzelnen Teams vorgestellt und gemeinsam diskutiert. Die HTW Berlin konnte von der Fertigstellung des Indoor-Teststandes berichten. An diesem werden demnächst Temperaturen und Strömungsgeschwindigkeiten im Hinterlüftungsspalt in Abhängigkeit der Neigung und der Tiefe des Spalts gemessen. Die Messergebnisse werden über eine Simulation validiert.
Das Team der Universität Siegen führt weiterhin Bauteiltests an Photovoltaik-Prüfkörpern durch und wertet diese aus. Die Bautechnik fordert Prüfungen an Prüfkörpern mit Abmessungen, die PV-Modulhersteller in der Regel nicht liefern können. Untersucht wird deshalb, ob die Prüfungen sich übertragen lassen auf Abmessungen, wie sie bei PV-Modulen üblich sind.

Das Team der DGS stellte die Ergebnisse ihrer Berechnungen zum spezifischen Jahresertrag in verschiedenen Verschattungssituationen vor. Dabei simulierte man bei der DGS unterschiedliche Wechselrichter-Kombinationen (mit und ohne Optimierer) in fünf verschieden Verschattungssituationen.

Des Weitern erstellt die DGS auch Fachregeln für die bei StaGiMo untersuchten Anwendungsfälle (Indach und vhF) und steht dazu mit der Fachgruppe Bau und der Allianz BIPV in Kontakt. Einige Zwischenergebnisse der Projektpartner werden auch auf dem PV-Symposium Ende Februar in Bad Staffelstein vorgestellt.
Zum Abschluss des Treffens stellte der TÜV Rheinland den aktuellen Stand für die Prüfungen aus der Elektrotechnik vor, die vor Ort an Prüfkörpern mit und ohne Bohrloch durchgeführt werden. Dazu zählen unter anderem Prüfungen bei hoher Temperatur, Feuchte, Hagel und bei mechanischer Belastung. Zugrunde liegt die Norm IEC 61215-2. Die Prüfköper werden dabei nicht geschont. So werden sie u. a. mit Eiskugeln beschossen, die eine Durchmesser zwischen 24 mm und 75 mm haben. Die Prüfaufbauten konnten in der Versuchshalle im Anschluss besichtigt werden. Der TÜV Hagelexperte Jürgen Sommer erläuterte eingehend den Versuch und führte ein Prüfdurchlauf vor.

Projekttreffen in Siegen

05.10.2022

Anfang Oktober 2022 trafen sich die Projektpartner erneut. Das Team der Universität Siegen lud zum 25. Jour Fixe ein, mit anschließendem gemeinsamem Mittagessen und Besichtigung der Versuchshalle.

Im Gebäude B am Campus Hölderlinstraße trafen die Projektpartner der Universität Siegen, der HTW Berlin, der DGS sowie der assoziierten Partner Sunovation und BayWa zusammen. Der Jour Fixe in Präsenz wurde zur Vorstellung der aktuellen Zwischenergebnisse sowie zum ausgedehnten und angeregten Austausch genutzt. Das Team der HTW Berlin konnte vom Aufbau eines Teststandes berichten. An diesem sollen der Einfluss der Neigung und der Hinterlüftungsspalttiefe bei integrierten Photovoltaikmodulen auf deren Modultemperatur und damit die Performance untersucht werden.

Ein reger Erfahrungsaustausch fand auch zum Thema Brandschutz statt. Die Erfahrungen der Teilnehmenden zeigten, dass die Anforderungen aus dem baulichen Brandschutz in der PV-Branche nicht immer bekannt sind. Dort wird vor allem das amerikanische Brandschutz-Klassifizierungssystem für die Brandprüfung bei Bedachungen genutzt (ANSI/UL 790). Auf diese wird in der DIN EN IEC 61730 verwiesen.

Die DGS stellte ihre Untersuchungen von Glasbrüchen an existierenden PV-Fassaden in Berlin vor. Es handelt sich hierbei vornehmlich um Dünnschichtmodule, die nicht nur durch Vandalismus, sondern auch durch thermisch induzierte oder durch den Einbau verursachte Spannungen beschädigt wurden.

Für das Team der Universität Siegen präsentierte Laura Vuylsteke zunächst im Jour Fixe und dann in der Versuchshalle die durchgeführten und noch geplanten Prüfdurchgänge an PV-Modulen mit verschiedenen Prüfkörperabmessungen. Bei Prüfungen wie dem Pendelschlag- und Kugelschlagversuch sowie bei hoher Temperatur, in der Feuchte, unter Bestrahlung und unter statischer Belastung wird untersucht, inwiefern sich PV-Module im Vergleich zu Verbundsicherheitsgläsern verhalten und ob sie die genannten Prüfungen bestehen.

In der Versuchshalle konnten die Teilnehmenden des Jour Fixe die teilweise eigens für das Projekt konstruierten Versuchsaufbauten bestaunen. Um die Übertragbarkeit der Prüfungen aus der Bautechnik auf gängige Formate von Solarmodulen zu untersuchen, wurden Rahmen gebaut, die Prüfkörper mit verschiedenen Abmessungen aufnehmen können. Bisher schlugen sich die PV-Module gut und bestanden die Prüfungen wie den Kugelschlagversuch.

Im Projektverlauf sollen weitere Jour Fixe in Präsenz zum Beispiel beim TÜV Rheinland oder bei Sunovation stattfinden.

<< Ältere Beiträge

Gebäudeintegrierte Photovoltaik (GIPV):Fachregeln und Prüfmethoden für eine standardisierte Modulanwendung in Dach und Fassade.