DE19748129A1

DE19748129A1 - Skiameter

Info

Publication number: DE19748129A1
Application number: DE1997148129
Authority: DE
Inventors: Martin Dr Skiba
Original assignee: Individual
Current assignee: Skiba Martin Dr 22399 Hamburg De
Priority date: 1997-10-31
Filing date: 1997-10-31
Publication date: 1999-05-06

Description

Eines der verbreitesten Verfahren ist die manuelle Erfassung der Horizontein schränkungen durch den in der Geodäsie zur Horizontal- und Höhenwinkelmessung eingesetzten Theodolit.

Der Theodolit besteht aus einem an einer horizontalen Achse befestigten Teleskop, einer vertikalen Achse zur Befestigung der Haltevorrichtung des Teleskops und einem feststehenden Sockel inclusive einer Kalibriervorrichtung zum Ausgleich von Unebenheiten des Untergrundes. Zwei gonunterteilte Kreisscheiben ermöglichen die Ablesung des Höhenwinkels und der azimutalen Auslenkung eines fixierten Punktes. Damit ist die Vermessung der Ortskoordinaten beliebiger Punkte vor Ort möglich.

Nachteil(e):
Eine vollständige "Abtastung" des Horizontes (vgl. bspw. [1]) ist zeitaufwendig, da eine automatisierte Meßwerterfassung nicht möglich ist. Üblicherweise werden daher nur größere Horizonteinschränkungen erfaßt. Bedingt durch die umfangreiche Mechanik und Optik der Theodoliten sind diese zudem relativ kostenintensiv.

Eine weitaus kostengünstigere Variante des Theodoliten stellt der an der Techni schen Universität Berlin entwickelte sog. "Schattenanalysator" dar [2, 3]. Hierbei wurde ein Sonnenstandsdiagramm mit einer Höhenachse in trigonometrischer Tei lung auf Folie gedruckt und in einem Halbkreis zylindrisch gebogen. Der Beob achter kann die Höhen- und Azimutwinkel der Horizonteinschränkungen auf der Folie direkt ablesen. Um einen größeren Raumwinkel erfassen zu können, ist im Zentrum des Halbzylinders eine Weitwinkellinse angebracht.

Nachteil(e):
Die Investitionskosten liegen zwar weit unter denjenigen eines Theodoliten, das Verfahren ist aber gleichermaßen zeitintensiv. Aufgrund der fehlenden Möglichkeit zu Bestimmung der relativen Position des Schattenanalysators zur Umgebung können darüber hinaus große Meßfehler entstehen.

Die aus der Messung resultierenden Daten können in beiden Verfahren "per Hand" verschiedenen Simulationsprogrammen zur Ermittlung der Strahlungsre duktion übergeben werden. Hierfür bieten sich bspw. die Programme "SUNDI" (TU Berlin) [3], "METEONORM" (Fa. Meteotest) [4] "SOMBRERO" (Universität- Gesamthochschule Siegen) oder "HELIOS" (Lamda Technical Ltd.) [5] an.

Verfahren der optischen Erfassung von Horizonteinschränkungen

Ein verbessertes Verfahren zur Vermessung des Horizonts stellt das Horizonto skop nach Tonne dar [6, 7]. Bei direkter Sonneneinstrahlung werden die Horizon teinschränkungen auf einer über einem konkaven Blech angeordneten Folie mit aufgedruckter Skalierung sichtbar. Aufgrund der Formgebung des Blechs kann der gesamte Halbraum erfaßt werden. Mittels einer vollverspiegelten Ausführung des Geräts ist es somit möglich, die Horizonteinschränkungen mit einer Kamera zu photographieren.

Nachteil(e):
Nachteilig gestaltet sich bei diesem Verfahren die zeitaufwendige Aufbereitung der Information, da der Film entwickelt und ein Papierabzug hergestellt und ausgewertet werden muß.

Auf dem gleichen Prinzip beruht das in [8] geschilderte Verfahren. Hier wird mittels eines Photoapparates mit einem sog. "Fischaugen-Objektiv" der gesamte Halbraum auf einem Photo abgebildet. Durch Überlagerung mit einem geeigne ten sphärischen Koordinatensystem können die Ortskoordinaten der Horizontein schränkungen ermittelt werden.

Nachteil(e):
Auch hier kann die Auswertung erst nach erfolgter Entwicklung des Films erfolgen. Als weitere Nachteile ergeben sich einerseits die hohen Kosten des Objektivs und andererseits die durch das aufwendige optische Linsensystem nicht korrigierbaren Verzerrungen sowie die hiermit verbundenen Meßfehler.

Am Institut für Solarenergieforschung Hannover (ISFH) erfolgt derzeit die Entwick lung eines semiautomatischen Verfahrens, wobei die entwickelten Photos über ei nen Scanner digitalisiert und ausgewertet werden sollen.

Rechnergestützte Nutzung digitalisierter Informationen

Zu dieser Gruppe zählen einige Verfahren, die ohne eine Erfassung der Umgebung "vor Ort" Abschattungseffekte berücksichtigen können. Grundlage hierfür bilden Bebauungspläne und Bauzeichnungen, die mit CAD-Programmen erstellt wurden. Die Software "TAS" (Fa. UECONSULT) [9, 10] zur thermischen Gebäudesimulation kann bspw. sowohl die Eigenabschattung von Gebäuden durch Vordächer etc. als auch die Fremdabschattung durch die umgebende Gebäudestruktur bei der Be stimmung des Raumwärmebedarfs einbeziehen. Hierfür müssen jedoch die geo metrischen Ausmaße sämtlicher Gebäude inklusive der Aufbauten der Umgebung bekannt sein. Auf der gleichen Basis arbeitet auch die Software "SHADE" (ZSW).

Nachteil(e):
Die Programme werden vorwiegend bei der Planung größerer Gebäudekom plexe eingesetzt. Für eine breite Nutzung zur Planung dezentraler Anlagen und kleiner Gebäude ist die Methode zu Zeit- und kostenintensiv. Der Einfluß von Laubvegetation kann nicht oder nur unzureichend berücksichtigt werden.

In orographisch stark gegliederten Regionen kann auf der Basis digitalisierter to pographischer Karten eine rechnergestütze Erstellung von sog. "Schattenkarten" nach dem in [11] vorgeschlagenen Verfahren erfolgen. Hiermit kann bspw. eine Vorauswahl exponierter Standorte zur Installation großflächiger Systeme zur Nut zung der Sonnenenergie erfolgen.

Weitere Impulse gehen von fortschrittlichen Verfahren der Informatik zur Darstellung virtueller Bilder aus, da eine möglichst naturgetreue Abbildung realer Objekte in Multimedia-Anwendungen in hohen Maße von der Fähigkeit zur Simulation natürlicher Beleuchtungs- und damit auch Bestrahlungsbedingungen abhängt. Die hier entwickelten Verfahren, wie bspw. das "Raytracing" oder "Rendering" werden in zunehmenden Maße insbesondere in Architekturprogrammen zur Simulation der Beleuchtung in Gebäuden (bspw. "RADIANCE") verwendet.

Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es, Horizonteinschränkungen mittels einer einfa chen Vorrichtung, vollständig und schnell zu erfassen und digitalisiert auf einem geeigneten Medium abzuspeichern, damit eine präzise, schnelle und automatisierte Bewertung von Standorten energetischer Nutzungsmöglichkeiten der solaren Ein strahlung sicher gestellt werden kann.

Lösung der Aufgabe

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Durch die Erfindung kann eine Bewertung eines Standorts einer solartechnischen Anlage unmittelbar "vor Ort" durchgeführt werden. Alle Arten schattenwerfender Objekte (Vegetation, Bebauung, geographische Erhebungen) können erfaßt wer den. Die Erfassung ist schnell und präzise. Die Auswertung der digitaliserten Aufnahme kann unmittelbar nach der Erfassung erfolgen. Die Vorrichtung kann sowohl bei Sonnenschein als auch bei vorliegender Bewölkung eingesetzt werden.

Literaturverzeichnis

[1] Aydinli, S. Über die Berechnung der zur Verfügung stehenden Solarenergie und des Tageslichts. VDI-Verlag GmbH Düsseldorf, 1981.
[2] Quaschning, V., Hanitsch, R. Quick Determination of Irradiance Reduction Caused by Shading at PV-Locations. Proceedings of the 13th European Photovoltaics Solar Energy Conference and Exhibition, Nice, France, 23-27 October 1995.
[3] Quaschning, V. Simulation der Abschattungsverluste bei solarelektrischen Systemen.
Beiträge zur Solarforschung, Band 6, Verlag Dr. Köster, Berlin, September, 1996.
[4] Remund, j., Salvisberg, E., Kunz, S. Meteonorm - Meteorologische Grundlagen für die Sonnenenergienutzung. Bundesamt für Energiewirtschaft (Schweiz), Bern, Juni, 1995.
[5] Koussis, A., Lalas, D. P., Papadopoulos, C. HELLOS, Solar Radiation Modelling Package, Users Guide (Version 2.01). Lamda Technical Ltd, Greece, Athen, 1989.
[6] Freymuth, H., Lenz, H., Lutz, P., Schupp, G. Licht, Luft, Schall. Forum Verlag Gmbh Stuttgart, 1977.
[7] Freymuth, H. Schnelle Bestimmung des Strahlungsempfangs auf Flächen und durch Doppelverglasungen beliebiger Orientierung und verschiedener Neigungen mit einer Art Rechenscheibe. Tagungsband des 1. Deutschen Sonnenforum, 26.-28.9.1977, Hamburg, Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V. (DGS), 1977.
[8] Grochowski, J., Jahn, U., Decker, B., Offensand, J. First Results from the "Low Yields Analysis and Optimization Potentials": A Project within the 1000-Roofs PV- Programme. Proc. of the 13th European Photovoltaics Solar Energy Conference, Nice, France, 23-27 October 1995.
[9] Umwelt-, Energie-, Computer- und Organisations-Beratungs GmbH. Produktinforma tion über das Gebäudesimulationsprogramm TAS. UECONSULT, 1994.
[10] Hoffmann, G. Integrierte dynamische Gebäudesimulation als Grundlage für eine rationelle und wirtschaftliche Energieversorgung von Gebäuden und Planung der technischen Gebäudeausrüstung. VDI Berichte Nr. 1029, VDI-Verlag, S. 667-677, 1993.
[11] Enders, G. Schattenkartierung als Grundlage für forstliche Planung im Alpenpark Königssee. Forstwissenschaftliches Centralblatt, Bd. 95, S. 180-186, 1976.

Skiameter

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Bei den in der Planungsphase solartechnischer Anlagen durchzuführenden Ertrags prognosen sind lokale Standortfaktoren mit zu berücksichtigen. Die während des Betriebs der Anlagen evtl. auftretenden Abschattungseffekte können zu einer er heblichen Strahlungsreduktion und damit zu einer hohen Diskrepanz zwischen den vom Anbieter einer Anlage prognostizierten und den real gemessenen Erträgen führen.

Die Ermittlung der Strahlungsreduktion durch Horizonteinschränkungen kann dabei allgemein als ein zweistufiger Prozeß charakterisiert werden. Im ersten Schritt wird die Umgebung am geplanten Standort mit einem hierfür geeigneten Equipment er faßt. Ein Berechnungsverfahren bestimmt in der zweiten Stufe die aufgrund der vorliegenden Abschattung geminderte solare Einstrahlung auf verschiedenen tem porären Ebenen. Die Kopplung zwischen beiden Stufen erfordert aufgrund der fehlenden Automatisierung i.d.R. den zusätzlichen Verfahrensschritt der Datenauf bereitung und des manuellen Datentransfers von der Einrichtung zur Erfassung der Horizonteinschränkungen zu einem Rechner.

Der Grad der Anwendbarkeit des Verfahrens beim Vorliegen unterschiedlicher schattenwerfender Objekte kann neben dem Automatisierungsgrad als ein primäres Klassifizierungsmerkmal angesehen werden. Bspw. können Verfahren, welche auf der Grundlage von Bebauungsplänen, Bauzeichnungen oder Architekturentwürfen unter Zuhilfenahme von CAD-Programmen arbeiten, den Einfluß umgebender Ve getation oder topographischer Gegebenheiten i.d.R. nicht berücksichtigen. Die im folgenden gewählte Klassifizierung richtet sich jedoch nach der Methodik der Hori zonterfassung, welche als drittes übergeordnetes Unterscheidungsmerkmal insbe sondere die Qualität und den Aufwand der Verfahren widerspiegelt.

Das Skiameter (σκ℩α, griech.: Schatten), stellt eine Apparatur zur optoelektroni schen Erfassung von Horizonteinschränkungen dar. Hierbei wird mittels eines di gitalen Photoapparates, dessen Objektiv über einer plankonvexen, verspiegelten Linse an einer Halterung fixiert ist, die gesamte für eine Fläche sichtbare He misphäre auf dem CCD-Chip abgebildet. Mit Hilfe einer Justiereinrichtung kann das Objektiv über der Mitte der verspiegelten Linse exakt justiert werden. Der Photoapparat ist in den Grundkörper der Konstruktion integriert und über ein Ka bel mit dem Objektiv verbunden. Die Geometrie der Linse (Durchmesser d und Krümmungsradius r), die Brennweite des Objektivs f sowie der Abstand h zwischen der Objektivebene und der Oberfläche der verspiegelten Linse sind so dimensio niert, daß die gesamte Umgebung auf dem CCD-Chip des digitalen Photoappa rates flächenfüllend abgebildet wird. Da bei der Aufnahme der Umgebung auch die Halterung auf dem Photo erscheint, verfügt das Skiameter über eine Schwenk einrichtung der Halterung, damit aus der Überlagerung zweier Aufnahmen aus un terschiedlichen Positionen die Halterung nachträglich eliminiert werden kann.

Das Photo kann vor Ort durch eine Software aus- und bewertet werden. Das Pro gramm umfaßt dabei verschiedene Bildbearbeitungsalgorithmen sowie eine Viel zahl von Modellen zur Strahlungssimulation.

Fig. 1 zeigt das Funktionsprinzip und die beteiligten Komponenten.

Claims

I. Vorrichtung zur optoelektronischen Erfassung von Horizonteinschränkungen dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines digitalen Photoapparates, dessen abgesetztes Objektiv über einer plankonvexen, verspiegelten Linse an einer Halterung fixiert ist, die gesamte für eine - entsprechend der Ausrichtung und Neigung der Vorrichtung orientierten - Fläche sichtbare Hemisphäre auf dem CCD-Chip abgebildet und auf einem entsprechenden Medium gespeichert wird.
II. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß eine Jusitierein richtung die Fixierung des Objektivs über dem Mittelpunkt der plankonvexen, verspiegelten Linse ermöglicht.
III. Vorrichtung nach Anspruch I und II, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Schwenkeinrichtung die Halterung in mindestens zwei Positionen überführt werden kann, damit die Kamerahalterung nachträglich aus den Aufnahmen eliminiert werden kann.
IV. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Photoapparat einschließlich Objektiv so in die Vorrichtung integriert ist, daß er mühelos entfernt werden kann und somit für andere Zwecke nutzbar bleibt.