Über PV-Anlage Einstrahlung auf Gebäudeteile ermitteln

[KölnSolar]

Hallo zusammen,
ich hab nun endlich (scheinbar) eine Lösung gefunden, wie ich über meine PV-Anlage die Einstrahlung für die unterschiedlichen Gebäudeteile ermitteln kann, um dann daraus die Notwendigkeit von Verschattung zu steuern.

Ausgangssituation:
- Objekt bzw. PV-Anlagen: +27° Westausrichtung
- aufgeteilt in 2 PV-Teilanlagen mit jeweils 4,32 kWp.
  - Dach mit 30° Neigung u. ohne Verschattung(Grundvoraussetzung !) durch umliegende Gebäude, Bäume.....
  - Garage/Carport: 25° Neigung u. Teilverschattung durch das eigene Gebäude (hier irrelevant und nicht genutzt, taucht aber dann in den Grafiken auf)

Lösungskomponenten:
- Aufzeichnung von (Leistung, Spannung,) Tagesertrag der Fronius-Wechselrichter über RS422, RS422-USB, Rpi, eigenes FHEM-Modul
- Temperaturmessung Innenraum
- Temperaturmessung Solarmodul(unverschattet !)
- Temperaturkoeffizient des Solarmoduls Tmpp(bei mir -0,45%/°K; Basis 25°C)
- statistics-Modul für statistische Werte(alternativ eigene statistische Daten)
- customReadings-Modul mit berechneten Readings für die unterschiedlichen Gebäudeorientierungen(alternativ UserReadings im Basis-device)
- twilight-Modul zur Ermittlung von elevation(Höhenwinkel Sonne) u. azimuth(Richtungswinkel der Sonne in der Ebene)
- Funktion in 99_myUtils zur Berechnung von Einstrahlung auf die Ebene u. Einstrahlung auf die geneigte(ggfs. 90° für Fassade) Fläche

Für die Umrechnung der Einstrahlung für einen beliebige Ausrichtung u. Neigung habe ich mich einer Formel aus dem WWW bedient. Leider finde ich nach der langen Zeit nicht mehr den Link.  Das ist insofern etwas blöd, da ich meine Ergebnisse nicht mehr prüfen kann und auch nicht mehr die Wertebereiche kenne, für die die Formel "ungültig" ist.

Nun zu den Details und ggfs. Beschreibung, was Ihr für Euch anpassen müsst:

Wechselrichter-device:

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define Fronius .....
Durch das statistics-Modul werden die Readings statWert_WR1_18Hour und statWert_WR1_18HourLast(für die spätere Berechnung) zusätzlich angelegt.
Habt Ihr kein device für einen Wechselrichter, so sollte auch ein Zählerdevice funktionieren.

statistics:

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define stat_wr statistics Fronius
attr stat_wr deltaReadings Wert_WR1_18
attr stat_wr singularReadings Fronius:Wert_WR1_18:Delta:Hour
(Wert_WR1_18=lfd. Tagesertrag[vom device in Wh], täglich bei 0 beginnend; ein Gesamtertragszähler sollte genauso funktionieren;

CustomReadings

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define myReadings CustomReadings
attr myReadings interval 300
attr myReadings readingDefinitions Solar_PV:{Solar_power()},\
Solar_Eb:{ Solar_power() / Solar_plain(30,27)},\
Solar_Sl:{ Solar_power() / Solar_plain(30,27) * Solar_plain(90,27) },\
Solar_East:{ Solar_power() / Solar_plain(30,27) * Solar_plain(90,-63) },\
Solar_West:{ Solar_power() / Solar_plain(30,27) * Solar_plain(90,117) },\
Elevation:{ ReadingsVal('myTwilight','elevation','0')}

Obwohl ich (leider) ja nur den statistischen Ertragswert von jeweils der vollen vorhergehenden Stunde(anstatt gewünscht Viertelstunde;alternativ eigene Durchschnittsermittlung und Periode ohne statistics-Modul) habe, ermittle ich neue Werte mit einem Intervall von 5 Min., weil durch den aktualisierten Sonnenstand trotzdem interessante Werte errechnet werden.
Solar_Eb ist die Ermittlung der Einstrahlung auf die Ebene, ermittelt aus der über die PV-Anlage errechneten Einstrahlung und meinen Objektdaten: Neigung=30°, Azimuth=+27°West)
Solar_Sl die vergleichbare Berechnung für MEINE "Südfassade"(also nicht wirklich Süd, sondern Süd+27°)
Solar_East(Ost+27°=-63°), -West(West+27°=117°) für MEINE Ost-,Westfassade
Elevation: für einen späteren Vergleich von Werten in Grafiken logge ich den Höhenwinkel der Sonne mit

Nun die Funktionen in 99_myUtils:

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sub Solar_power() {

   my $tempk     =-0.45;
   my $temp      = ReadingsVal('RPi_OW_TC1','temperature','0');
#  radiation: correction by modul temperature, minus 10% indirect radiation
   my $power = ReadingsVal('Fronius','statWert_WR1_18HourLast','0') / 4.32 / 4.17 / 1.6533 / 0.147 / (1 + ($temp - 25) * $tempk / 100);

return ($power);

};(alternativ $power mit eigener Durchschnittsermittlung ersetzen und ggfs. den Faktor(hier 6) ergänzen, z.B. Wert_WR1_18_int für 10min-Werte;das statistics-device wird dann natürlich nicht benötigt)

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   my $power = ReadingsVal('Fronius','Wert_WR1_18_int','0') * 6 / 4.32 / 4.17 / 1.6533 / 0.147 /  (1 + ($temp - 25) * $tempk / 100) ;
Es wird die normierte Leistung Wp mit Korrektur über die Solarmodultemperatur berechnet.
Den Temperaturkoeffizienten $tempk müsst Ihr Eurem Moduldatenblatt entnehmen, $temp mit Eurem Reading der Modultemperatur ersetzen  und die 4.32 durch Eure nominelle Anlagenleistung. 4,17 ist meine Modulanzahl je kWp, 1,6533 die Fläche je Modul und 0,147 mein Modulwirkungsgrad.

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###########################################################
# Subroutine to calculate radiation
###########################################################
sub Solar_plain($$) {

        my $angle     = $_[0];
        my $orienta   = $_[1];
my $azimuth   = ReadingsVal('myTwilight','azimuth','0');

# angles in radiant
my $rad       = 57.296;
my $elevation = ReadingsVal('myTwilight','elevation','0') / $rad;
$angle        = $angle / $rad;
my $orientation = ($azimuth - 180 - $orienta) / $rad;

#  avoid unrealistic values (normally formula should only be used within boundaries of orientation +/- 90 degrees)
        return (0.001) if ($elevation <= 0); 

        if(cos($orientation) < 0.05 && cos($orientation) > -0.2) {$orientation =$orientation - 0.2}

#    Log3 "", 1, "Solar radiation, azimuth = $azimuth, orientation=$orientation, elevation=$elevation, angle=$angle";
     my $factor = sin($angle) /
         (sin( $elevation) / 
          cos( $elevation)) * 
cos($orientation) +
cos($angle);

# otherwise too big values (normally formula should only be used within boundaries of orientation +/- 90 degrees)
    if ($factor > - 0.05 && $factor < 0.05) {$factor = 0.05}

    return ($factor);
};

Diese Funktion könnt Ihr 1:1 übernehmen. Es gibt keine individuellen Parameter außer denen, die mit dem Funktionsaufruf mitgegeben werden:
Neigung, Ausrichtung von PV-Anlage oder Gebäudeteil
Über das twilight-Modul werden jeweils azimuth und elevation des eigenen Standorts(latitude,longitude) ermittelt.
Für den Formelinteressierten: Stellenweise sind Korrekturen enthalten, um auch außerhalb der eigentlich gültigen Wertebereiche Daten zu berechnen, aber die falschen Peaks zu eliminieren.

Das Ganze sieht dann in Grafiken so aus: Grafik1 zeigt den Ertrag meiner beiden Wechselrichter und deren Gleichspannung.
(Schön zu sehen, dass die Garagenteilanlage morgens durch das eigene Gebäude verschattet ist und bei deren Verwendung unrealistische Werte liefern würde)
Grafik2 zeigt für den selben Tag die für die Anlage normierte und korrigierte(Temperatur) Leistung und die Einstrahlung auf die verschiedenen Gebäudeteile(Fassaden). Die Elevation ist (neben der Uhrzeit) geeignet, um die Daten über den Tag zu interpretieren bzw. evtl. Abhängigkeiten für smarte Steuerungen zu erkennen und definieren.

Schließlich nutze ich die Daten dann beispielsweise für eine einfache Verschattungsfunktion(Rolläden mit ROLLO-Modul) in Abhängigkeit der Innentemperatur(>22°):

Code Auswählen Erweitern

define act_on_SonneOston notify myReadings.Solar_East.* { if ("$EVTPART1" > 200 && ReadingsVal("myReadings","Elevation",0) > 18 && ReadingsVal("Rolladenfenster","pct",0) == 0 && ReadingsVal("KlimaWohnen","temperature",0) > 22) { fhem('set Rolladenfenster half')} }
Der set-Befehl kann natürlich je nach Aktor bei jedem anders aussehen. Bei mir funktioniert z.B. kein on-for-timer.
Und das Gegenstück, wenn die Sonne am frühen Nachmittag nicht mehr auf MEINE Ostfassade scheint.

Code Auswählen Erweitern

define act_on_SonneOstoff notify myReadings.Solar_East.* { if ("$EVTPART1" < 100 && "$EVTPART1" > 0 && ReadingsVal("myReadings","Elevation",0) > 18 && ReadingsVal("Rolladenfenster","pct",50) >= 50 && ReadingsVal("KlimaWohnen","temperature",0) > 22) { fhem('set Rolladenfenster open')} }
Die Werte 100 bzw. 200[W/m²] bzw 18[°]sind Erfahrungswerte, die ich über die Grafiken ermittelt habe. Bisher passt das ganz gut, ist aber sicherlich über die Zeit(Jahreszeitabhängiger Sonnenstand) noch zu optimieren.

Ich hoffe, jemand kanns gebrauchen (und es funktioniert  ).

Kommentare/Verbesserungsvorschläge sind willkommen, aber bitte hier keine Diskussion über direkte/indirekte Strahlung ..... führen. Wesentlich ist, dass man näherungsweise halbwegs realistische Einstrahlungswerte ermittelt, wobei sie um den wesentlichsten Einflussfaktor Modultemperatur korrigiert sind.

Grüße Markus

Edit: Grafiken hinzugefügt; Solarluft entspricht MEINER Südfassade

Edit2: Gute Website, um sich den Sonnverlauf zu unterschiedlichsten Uhr- und Jahreszeiten zum individuellen Standort anzusehen.

Edit3: Nun die Variante mit einem selbsterzeugten Durchschnitt des Ertrags über eine Periode von 10'
         Dazu bediene ich mich des laufenden Ertragszählers

Code Auswählen Erweitern

define at_Froniusint at +*00:10:00 {my $kum = ReadingsVal("Fronius","Wert_WR1_18",0);; \
my $int = $kum - ReadingsVal("Fronius","Wert_WR1_18_intLast",0);; \
$int = 0 if ($int < 0);;\
fhem("setreading Fronius Wert_WR1_18_intLast $kum;;\
setreading Fronius Wert_WR1_18_int $int");; }

         Wie Ihr seht, werden die Grafiken dadurch "eindeutiger" und die Verschattungsfunktion funktioniert sinnvoller.
         Man erkennt die markanten Punkte nun viel deutlicher. Und am Nachmittag kamen Wolken auf, was ein guter Test für Rolladen runter, Rolladen hoch, Ralladen runter  war.
         Die notifys habe ich den neuen Erfahrungen angepasst.
         Wie bereits erwähnt, ist die Formel nur in einem Wertebereich gültig(bei mir funktioniert es von -90°Ost/90°West und leicht eingeschränkt bis Sonnenuntergang)
         Derzeit geht die Sonne aber viel nördlicher auf(ca. -130°Ost). Um nun trotzdem die Rolläden in Nichtaufenthaltsräumen vom nächtlichen Lüften rechtzeitig zu schließen, nutze ich dafür die elevation:

Code Auswählen Erweitern

define act_on_SonneOstonSz notify myReadings.Elevation.* { if ("$EVTPART1" > 7 && ReadingsVal("RolladenTuerSz","state","off") ne "off" && ReadingsVal("KlimaSchlafzimmer","temperature",0) > 22) { fhem('set RolladenfensterSz,RolladentuerSz closed')} }         

Edit: Formel Solar_power korrigiert bzw. um Anz. Module je kWp, Fläche/Modul und Wirkungsgrad erweitert

[ch.eick]

Moin,
Und schon wieder warst Du schneller.
Den Gedanken habe ich auch, es fehlt nur die PV-Anlage. Die ist bestellt.

Gruß Christian

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[KölnSolar]

<OT u. Spaß on> Und wieso nicht bei uns bestellt ?  <OT off>

[ch.eick]

Tja, muss man halt wissen.
Ich hab nen lokalen gewählt...

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[KölnSolar]

So, ich hab das Ganze nun verfeinert, indem ich mir statistische Werte über eine Periode von jeweils 10min ermittle. Formeln etc. habe ich im 1. Post ergänzt und die nun viel aufschlussreicheren Grafiken attached.

Grüße Markus

[ch.eick]

Hallo Markus,

ich habe mich noch an diesen Thread erinnert
Meine Assiziation ist nun, das man den Ertrag fuer den naechsten tag doch irgendwie ermitteln koennen muss. Zumindest stelle ich mir ein Signal vor, dass ein guter oder ein schlechter Tag kommt.
Auf den Wetter Seiten sind ja immer weiche Aussagen, die sich alle gegenseitig beeinflussen und da kann man nicht so gut mit schalten

Auf dieser Seite habe ich interessante Formeln gefunden. Fuer Inhalte des Links uebernehme ich natuerlich keine Gewaehrleistung und alles was man sonst noch Abstreiten muss...
https://desktop.arcgis.com/de/arcmap/10.3/tools/spatial-analyst-toolbox/how-solar-radiation-is-calculated.htm

Im iobroker Bereich habe ich auch java code gefunden, in dem obige Formeln wohl auch Anwendung finden, womit die Spur heiss ist. Leider ist das etwas zu komplex fuer mich, da ich aus dem Studium bereits etwas laenger raus bin.

Hier habe ich meinen Hilferuf fuer den PV Forcast abgesetzt
https://forum.fhem.de/index.php/topic,108191.msg1021853.html#msg1021853

Teile Deiner Berechnungen sind fuer den Forecast sicher auch von nutzen. Ich bringe nur leider die ganzen Winkel mit der Ausrichtung (bei mir drei Seiten) nicht in eine Formel zusammen, aus der die Leistung der Module herauskommt.
Wenn das dann mit dem zuerwartendem Wetter, zu einer bestimmten Zeit in Verbindung gebracht wird, dann koennte man die errechnete Maximalleistung durch Sonnenstunden und Bewoelkung entsprechend kleiner rechnen.

Ueber Deine Meinung und eventuelles Interesse wuerde ich mich freuen.

Viele Gruesse
    Christian

[ch.eick]

Hallo Markus,

mich läst die Prognose für den nächsten Tag noch nicht los und da habe ich mich Deiner Vorarbeit etwas bedient.

Mein Ansatz ist Deine Funktion für "Solar_plain()", womit ich die Winkel und den Sonnenstand isns Spiel bringe.
Zum Testen verwende ich dann noch eine Wetterstation in meiner Nähe, die die Solar Strahlung liefert.
Dann habe ich noch die Module pro Ausrichtung mit der Anzahl, dem Quadratmetern und der Nennleistung mit rein gerechnet.
Nun wird es natürlich ungenau, denn ich werfe die Werte, die negativ sind weg. Das ist jetzt am Abend der Osten.
Den rest summiere ich dann auf. Wenn ich das dann mit der momentanen Leistung vergleiche bekomme ich noch einen faktor von 0,5 rein.

Das ganze logge ich dann mal morgen und schau mir mal den Verlauf mit der aktuellen PV Gesamtleistung an

Code Auswählen Erweitern


Solar_East:Total_DC_Power.* { my $x = 13 * 1.5 * 0.310 * ReadingsVal("wetter_II","solarRadiation",0) * Solar_plain(40,-90);; ($x lt 0)?0:round($x,2) },
Solar_South:Total_DC_Power.* { my $x = 6 * 1.5 * 0.310 * ReadingsVal("wetter_II","solarRadiation",0) * Solar_plain(40,0);; ($x lt 0)?0:round($x,2) },
Solar_West:Total_DC_Power.* { my $x = 13 * 1.5 * 0.310 * ReadingsVal("wetter_II","solarRadiation",0) * Solar_plain(40,+90);; ($x lt 0)?0:round($x,2) },

Solar_Sum:Total_DC_Power.* { round( ( ReadingsVal($NAME,"Solar_East",0) + ReadingsVal($NAME,"Solar_South",0) + ReadingsVal($NAME,"Solar_West",0) ) * 0.5 ,2) }


Später möchte ich dann die Solarstrahlung auf dem Wetterbericht in Verbindung mit der Bewölkung einsetzen....na das wird was werden

Viele Grüße
    Christian

[KölnSolar]

Hallo Christian,

Du gibst nicht auf. 

dem Quadratmetern und der Nennleistung

Das ist ja doppelt gemoppelt: Die Nennleistung ist ja nicht je m², sondern je Modul(also implizit die m² bereits berücksichtigt).

Da bin ich dann morgen Abend mal gespannt.

Grüße
Markus

[ch.eick]

Und ich erst mal.
Zumindest erklärt sich mein Faktor, weil doppelt gemoppelt

Muss ich Leistungsoptimierer berücksichtigen? Es sind je drei Module vom Süden im Loop von Ost und West.

[KölnSolar]

Muss ich Leistungsoptimierer berücksichtigen? Es sind je drei Module vom Süden im Loop von Ost und West.

Nein. Die sind ja nicht "leistungssteigernd", sondern nur "Verluste verringernd", die durch die in Reihe Schaltung von Modulen verschiedener Ausrichtung ansonsten auftreten würden.

Edit: Berücksichtigen müsstest Du noch die Verluste in Abhängigkeit von Modultemperatur/Temperaturkoeffizient. Das steckt bei mir in der Funktion solar_power.

Code Auswählen Erweitern

my $power = ReadingsVal('Fronius','statWert_WR1_18HourLast','0') / 4.32 / (1 + ($temp - 25) * $tempk / 100);
Müsste in Deinem Fall also so lauten

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{ my $x = 13 * 0.310 * (1 + ($temp - 25) * $tempk / 100) * ReadingsVal("wetter_II","solarRadiation",0) * Solar_plain(40,-90);; ($x lt 0)?0:round($x,2) },

[ch.eick]

Das wollte ich morgen noch einbauen. Du rechnest ja in die andere Richtung um die Solarstrahlung abzuschätzen.
Leider habe ich nur die Außentemperatur in der LWP, dafür aber in der Südsonne. Die muss erst mal reichen

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[KölnSolar]

Unterschätz den Faktor nicht. Im Augenblick genügt sowas wie Außentemperatur bis 200W/kWp u. über 200W/kWp Aussentemperatur + 10°. Im Sommer sind das aber gerne mal 30°-40° Unterschied.

[ch.eick]

Das heißt ich müsste unter den Modulen im Süden die Temperatur messen. Da schau ich mal wie ich das hin bekomme.
Die Module haben ca 18 cm Luft bis zu den Pfannen damit sich die Hitze nicht so staut.

Gesendet von meinem SM-G930F mit Tapatalk

[KölnSolar]

Du müsstest sogar alle 3 Flächen messen, denn morgens oder abends wird sicherlich die West- bzw. Ostfläche deutlich verschattet und daher viel kälter als die bestrahlten Flächen sein.

[ch.eick]

Beim Forecast kann ich natürlich nicht für morgen messen. Da müsste ich dann Glaskugel lesen und Erfahrungswerte bestimmen.
Ich lass jetzt gerade meine Berechnung mit den ermittelten Werten mal über den Tag laufen und in einem Diagramm darstellen.

EDIT:
Das erste Diagramm sieht schon recht gut aus

Hier ist meine Berechnung im userreading des Wechselrichters

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Solar_SolarRadiation:Total_DC_Power.* { ReadingsVal("wetter_wolfskehlen_II","solarRadiation",0) },

Solar_Correction_Temp:Total_DC_Power.* { my $tempk = -0.39 ;; my $temp = ReadingsVal("Heizung","heatSourceIN",0)+10;; my $x =  round((1 + ( $temp - 25) * $tempk / 100),3) },

Solar_East:Total_DC_Power.* { my $x = 13 * 0.310 * ReadingsVal("$NAME","Solar_SolarRadiation",0) * ReadingsVal("$NAME","Solar_Correction_Temp",0) * ReadingsVal("$NAME","Solar_Correction_Factor",0) * Solar_plain(40,-90);; ($x lt 0)?0:round($x,2) },

Solar_South:Total_DC_Power.* { my $x = 6 * 0.310 * ReadingsVal("$NAME","Solar_SolarRadiation",0) * ReadingsVal("$NAME","Solar_Correction_Temp",0) * ReadingsVal("$NAME","Solar_Correction_Factor",0) * Solar_plain(40,0);; ($x lt 0)?0:round($x,2) },

Solar_West:Total_DC_Power.* { my $x = 13 * 0.310 * ReadingsVal("$NAME","Solar_SolarRadiation",0) * ReadingsVal("$NAME","Solar_Correction_Temp",0) * ReadingsVal("$NAME","Solar_Correction_Factor",0) * Solar_plain(40,+90);; ($x lt 0)?0:round($x,2) },

Solar_Calculation:Total_DC_Power.* { round( ( ReadingsVal($NAME,"Solar_East",0) + ReadingsVal($NAME,"Solar_South",0) + ReadingsVal($NAME,"Solar_West",0) ) ,2) }


Werte für die Berechnung (hier als Momentanwerte)

Code Auswählen Erweitern


Solar_Correction_Factor 1.5     <<<< Dieser Faktor ist eine manuelle Korrektur
Solar_Correction_Temp 1.028    <<<< Das ist ein ergebnis aus der Temperatur Korrektur
Solar_SolarRadiation 290.20    <<<< Das ist ein Wert, der von einer benachbarten Wetterstation, gemessen wurde


@Markus: Soll ich mit meinem Kram besser Umziehen, oder denken wir zusammen darüber nach?

Viele Grüße
     Christian


Zur Orientierung:
grau - Sonnenhöhe
gelb - SolarRadiation

Berechnete Einzelwerte:
blau - Ost
rosa - Süd
braun - West

schwarz - Calculation ist die zu erwartende Leistung
grün     - DC_Sum ist die tatsächliche Leistung von Loop 1 und 2 am WR