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Konzeptionierung und Aufbau einer automatischen Messung zur Erfassung und Verarbeitung von meteorologischen Daten auf Basis von LabView

Diplomarbeit 2013 171 Seiten

Elektrotechnik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Selbstständigkeitserklärung

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung

2 Grundlagen
2.1 Sicherheit im Umgang mit elektrischen Strömen
2.2 Blitzschutz
2.2.1 Äußerer Blitzschutz
2.2.2 Innerer Blitzschutz
2.2.3 Überspannungsschutzgeräte nach IEC 62305-
2.3 Messgrößen
2.3.1 Messbedingungen nach IEC
2.3.2 Aufstellung der Sensoren
2.4 Weiterführende Richtlinien

3 Sensorik
3.1 Solare Einstrahlung
3.1.1 Thermosäulen-Pyranometer
3.1.2 Silizium-Pyranometer
3.2 Windgeschwindigkeit
3.2.1 Schalensternanemometer
3.2.2 Akustische Strömungsmessung
3.3 Windrichtung
3.3.1 Windrichtungsgeber der Firma Thies
3.4 Temperaturmessung
3.4.1 Strahlungsschutz mit Ventilation
3.4.2 Messprinzipien der Temperaturmessung
3.4.3 Flüssigkeitsthermometer
3.4.4 Bimetallthermometer
3.4.5 Metallwiderstandsthermometer
3.4.6 Der Hygro-Thermogeber der Firma Thies
3.5 Luftfeuchtigkeit
3.5.1 Haarhygrometer
3.5.2 Lithium-Chlorid-Feuchtesensor
3.5.3 Psychrometer
3.5.4 Kapazitive Feuchtemessung
3.5.5 Einsatzmöglichkeiten
3.6 Niederschlag
3.6.1 Vaisala
3.7 Himmelsbeobachtung

4 Datenerfassungshardware
4.1 Datenerfassungsgeräte
4.1.1 Schnittstellen - National Instruments
4.1.2 NI-9174 mit 9205 und 9402 Modulen
4.2 Zeitbasis
4.2.1 Die Zeitskala UTC

5 Grundlagen - LabView
5.1 Entwicklungsumgebung von LabView
5.1.1 Frontpanel
5.1.2 Blockdiagramm
5.1.3 Funktionspalette
5.1.4 Elementarpalette
5.1.5 Knoten und Verbindungslinien
5.1.6 Kontexthilfe
5.2 Elemente des Programmierens
5.2.1 While-Schleife
5.2.2 For-Schleife
5.2.3 Case-Struktur
5.2.4 Schieberegister
5.2.5 Lokale Variablen
5.2.6 Sequenz-Struktur
5.3 Datenformate in LabView
5.3.1 Übersicht der Speicherformate
5.3.2 Datentypen in LabView
5.3.3 Sicherung der Daten
5.3.4 Konvertierung der Daten
5.4 Zeitinformationen in LabView
5.4.1 Taktelemente in LabView
5.4.2 Zeitstempel in LabView
5.5 Schnittstellen von NI LabView
5.5.1 Low-Level-VISA
5.5.2 Assistent zur Instrumenten I/O
5.5.3 Messgerätetreiber
5.5.4 Einrichten der Geräte

6 Programmierung in LabView
6.1 Frontpanel
6.1.1 Datenerfassung
6.1.2 Meldungen/ Fehlermeldungen
6.1.3 Vis über das Internet veröffentlichen
6.2 Installation der Applikation (EXE)
6.3 HMI - Human Machine Interface

7 Betrachtung der Messwerte und Unsicherheiten
7.1 Unsicherheiten
7.1.1 Systematische Unsicherheiten
7.1.2 Statistische Unsicherheiten
7.1.3 Berechnung des Messergebnisses
7.2 Angabe der Messunsicherheit
7.2.1 Erweiterte Messunsicherheit
7.2.2 Ursachen der Messunsicherheit
7.3 Messunsicherheit nach DKD-3-E
7.3.1 Bestimmung der Messunsicherheit
7.3.2 Unsicherheit des Windrichtungsgebers 4.3150.00
7.3.3 Schalensternanemometer "First Class" 4.3351.00
7.3.4 Ultraschallanemometers 3D
7.3.5 Hygro-Thermogeber Compact Thies 1.1005.54
7.3.6 Hygro-Thermogeber Compact Thies 1.1005.54
7.3.7 Ultraschallanemometer Vaisala WXT-
7.3.8 Pyranometer SPN
7.3.9 Staubablagerungen
7.3.10 Elektrische Störfelder

8 LabView VIs zur Erfassung der meteorologischen Daten
8.1 Session erstellen
8.1.1 Analoge Signale öffnen
8.1.2 Digitale Signale öffnen
8.1.3 Serielle Signale öffnen (RS-232 / RS-485)
8.1.4 Dateinamen schreiben
8.1.5 Header schreiben
8.2 Schreiben / Lesen
8.2.1 String umwandeln
8.2.2 Zeitstempel umwandeln
8.2.3 Umrechnungsfaktoren der Sensoren einstellen
8.3 Session Schließen
8.3.1 Ports schließen
8.3.2 Speicherung der Messdaten

9 Ausgewählte Messdaten
9.1 Bilder IP - Kamera

10 Zusammenfassung

11 Anhang
11.1 Blitzschutz
11.1.1 DataPro2x1-24V-Tr / DataPro2x1-12V-Tr
11.1.2 DataPro-RS485-Tr
11.2 Sensoren
11.2.1 Windgeber "First Class" Advanced
11.2.2 Ultrasonic Anemometer 3D der Fa. Thies
11.2.3 Windrichtungsgeber „First Class“ - 4.3150.x0
11.2.4 SPN1 Sunshine Pyranometer
11.2.5 SPLite2 Silizium Pyranometer
11.2.6 A.8 Hygro-Thermogeber Compact Thies 1.1005.54
11.2.7 Vaisala WXT
11.3 Datenerfassung
11.3.1 Chassis für die Messkarten National Instruments
11.3.2 Schnittstellen - ICPDAS
11.4 LabView
11.4.1 Tastaturbefehle LabView
11.5 Wartung
11.5.1 Wartung Temperatur
11.5.2 Wartung Niederschlag
11.5.3 Wartung der Messsensoren
11.6 Statistische Grundlagen
11.6.1 Methode der kleinsten Fehlerquadrate für lineare Gleichungen

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Outdoor Labor Paderborn

Abbildung 2: Outdoor Labor Paderborn - Draufsicht vom E-Gebäude,Pfeilrichtung nach Norden

Abbildung 3: Outdoor Labor Paderborn - Aufständung der Photovoltaikmodule

Abbildung 4: Erhaltung des Trennungsabstandes beim Blitzkugelverfahren (DIN EN 62305-3 Bbl 5: 2009-10)

Abbildung 5: installierter Blitzschutz beim Outdoor-Labor Paderborn -

Abbildung 6: Outdoor Labor Paderborn N-Gebäude, Montage der Potentialausgleichsschienen am Outdoor Labor Paderborn

Abbildung 7: Outdoor Schrank für den Blitzschutz der Anlage

Abbildung 8: Überspannungsschutzgeräte der Firma Leutron (gelb)

Abbildung 9:Abbildung: Messanordnung nach IEC 61215

Abbildung 10: Abbildung: Messanordnung PV Outdoorlabor Paderborn

Abbildung 11: Aufbau eines Thermosäulen-Pyranometers [KiZo03]

Abbildung 12: Aufbau eines Silizium-Pyranometers [Buchh12]

Abbildung 13: Vergleich unterschiedlicher Pyranometertypen [Quasch02]

Abbildung 14: Richtungsfehler gegenüber Einstrahlungswinkel [Huks12]

Abbildung 15: Ersatzmodell eines Schalenkreuzanemometers [BWE13]

Abbildung 16: Messprinzip der Messung von Windgeschwindigkeit und Richtung

Abbildung 17: Ultrasonic Anemometer 3D der Fa. Thies

Abbildung 18: Bemaßung der Windfahne Fa. Thies

Abbildung 19: Windrichtungsgeber 4.3150.00.160

Abbildung 20: Hygro-Thermosensor - compact 1.1005.54.761 mit Wetter-und Strahlungsschutz

Abbildung 21: Grafischer Aufbau eines kapazitiven Feuchtesensors [Merk98]

Abbildung 22: Vaisala WXT-520 zur Erfassung der Niederschlagsmessung [Vais13]

Abbildung 23: Himmelaufnahme durch die IP-Kamera

Abbildung 24: M24M Webcamera von MOBOTIX

Abbildung 25: Messtechnikschaltschrank - N-Turm (im Aufbau)

Abbildung 26: NI USB 6008

Abbildung 27: DAQ-9174 -Chassis

Abbildung 28: Anschlussbelegung für die differentiellen Eingänge - NI 9205

Abbildung 29: Analogeingangsmodul - NI 9205 [NaInst01]

Abbildung 30: Anschlussbelegung für das NI 9402 Modul [NaInst02]

Abbildung 31: NI- 9402 Modul [NaInst02]

Abbildung 32: Frontpanel - LabView

Abbildung 33: Messung von analogen Signalen unter LabView

Abbildung 34: Funktionspalette unter LabView

Abbildung 35: Kontexthilfe von LabView

Abbildung 36: While-Schleife in LabView

Abbildung 37: For-Schleife in LabView

Abbildung 38: Case-Struktur

Abbildung 39: Schieberegister

Abbildung 40: Blockschaltbild - Lokale Variable

Abbildung 41: Flache Sequenz-Struktur unter LabView

Abbildung 42: String - Funktionen

Abbildung 43: Array Funktionen

Abbildung 44: Clusterfunktionen

Abbildung 45: Funktionspalette Datensicherung

Abbildung 46: Low-Level-Datensicherung

Abbildung 47: Middle-Level-Datensicherung

Abbildung 48: High-Level - Datensicherung

Abbildung 49: High-Level-Datensicherung

Abbildung 50: Einstellung für mehrere Dateien

Abbildung 51: Konvertierung der Daten

Abbildung 52: Umwandlung des String in dynamischen Datentyp

Abbildung 53: Datum-/Zeit-String lesen

Abbildung 54: Prinzip der Low-Level-VISA

Abbildung 55: Oberfläche für den Assistent der Instrumenten I/O

Abbildung 56: LabView Blockdiagramm eines USBTMC Geräts

Abbildung 57: Frontpanel - meteorologische Anzeigen

Abbildung 58:Voreingestellte Parameter der Applikation (EXE) in der Kategorieauswahl `Informationen`

Abbildung 59: LabView-Runtime-Bibliothek

Abbildung 60: DAQmx und Framework 4

Abbildung 61: Frontpanel für die Datenübergabe von Vaisala WXT520

Abbildung 62: Normalverteilung der Gaußschen Glockenkurve [Ucke13]

Abbildung 63: Übertragungskette für die Windrichtungsmessung

Abbildung 64: Bestimmung der Steigung m für die Windrichtungsübertragung

Abbildung 65: Änderung der Solarstrahlungswerte durch Sensorreinigung in Marokko

Abbildung 66: Ablaufreihenfolge eines LabView Vis

Abbildung 67: Session erstellen für analoge Signale

Abbildung 68: Session erstellen für die digitalen Signale

Abbildung 69: Session erstellen für die seriellen Signale

Abbildung 70: Automatische Einstellung für den Dateinamen

Abbildung 71: Automatische Einstellung des Headers der ASCII Datei

Abbildung 72: Zerlegung des Strings-Datentyps

Abbildung 73: Zerlegung des Zeitdatentyps in dynamischen Datentyp

Abbildung 74: Digitale Impulse werden in Windgeschwindigkeit umgewandelt

Abbildung 75: Die Ports der Eingänge werden geschlossen

Abbildung 76: "Messwerte in Datei schreiben" nach der Konvertierung

Abbildung 77: "Messwerte in Datei schreiben" - Parametrisierung des Headers

Abbildung 78: Gleichzeitige Darstellung der Windrichtungserfassungen

Abbildung 79: Strahlungsverlauf für einen Tag

Abbildung 80: Global- und Diffusstrahlung in der Morgendämmerung

Abbildung 81: Aufnahme der Morgendämmerung mit der IP-Kamera

Abbildung 82: Wolkendurchzug bei starker Einstrahlung

Abbildung 83: Aufnahme des Wolkendurchzugs mit der IP-Kamera

Abbildung 84: Global- und Diffusstrahlung

Abbildung 85: Aufnahme der Wolken mit der IP-Kamera

Abbildung 86: Global- und Diffusstrahlung bei langsamen Wolkendurchzug

Abbildung 87: Aufnahme des Wolkendurchzugs mit der IP-Kamera

Abbildung 88: Global- und Diffusstrahlung beim abwechselnden Wolkendurchzug ..

Abbildung 89: Aufnahme der wechselnden Wolken mit der IP-Kamera

Abbildung 90: Schematische Skizze von DataPro2x1-24V-Tr

Abbildung 91: Schematische Skizze von DataPro-RS485-Tr

Abbildung 92: Thies - Windgeber "First Class" Advanced 4.3150.x0.0110

Abbildung 93: Anschluss - Schaltbild

Abbildung 94: Ultraschallanenometer Fa. Thies

Abbildung 95: Windrichtungsgeber Thies

Abbildung 96: Adernbelegung - Windrichtungsgeber der Firma Thies

Abbildung 97: SPN1 Pyranometer

Abbildung 98: SPLite - Silizium Pyranometer

Abbildung 99: Spektralverlauf des SPLite2

Abbildung 100: Wetter- und Strahlungsschutz, 1.1025.55.100

Abbildung 101: Elektrischer Anschluss des Wetter- und Strahlungsschutz Fa. Thies .

Abbildung 102: Schematische Zeichnung - Hygro-Thermo-Geber

Abbildung 103: Vaisala WXT 520

Abbildung 104: Anschlussbelegung WXT-520

Abbildung 105: Anschlussbelegung WXT520 - Vaisala

Abbildung 106: Mögliche Einstellungen für RS-485 WXT520 - Vaisala

Abbildung 107 : Aufbau von ICP Modulen im Labor für die Testzwecke

Abbildung 108: Fehlermeldung bei der Programmierung mit ICP Modulen

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Übersicht der Unsicherheitskomponenten des Outdoor-Labors

Tabelle 2: Unterteilung der Schutzklassen der Blitzschutzanlage[DGS13]

Tabelle 3: Leutron Überspannungsschutzgeräte

Tabelle 4: NOCT-Standard Messbedingungen nach IEC 61215

Tabelle 5: Qualitätsanforderungen an Strahlungsmessgeräte (Brock u. Richardson

2001)

Tabelle 6: Vor- und Nachteile von Schalenkreuzanemometer

Tabelle 7: Vor- und Nachteile des Ultraschallanenometers 3D

Tabelle 8: Spezifikationen des Thermogebers der Firma Thies

Tabelle 9: Feuchtigkeitssensoren

Tabelle 10: Technische Daten - WXT-520 Vaisala [Vais13]

Tabelle 11: Zusammenstellung der Sensoren

Tabelle 12: Typelemente der Elementarpalette

Tabelle 13: Verbindungsarten im Blockdiagramm

Tabelle 14: Speicheroptionen für die Messdaten (ni.com/data-acquistion/d/)

Tabelle 15: String Funktionen - Datenzerlegung

Tabelle 16: Zeitelemente in LabView

Tabelle 17: Zeitstempelformate unter LabView

Tabelle 18: Statistische Sicherheiten [Chemn06]

Tabelle 19: Angaben der Messunsicherheit für Vaisala WXT-520

Tabelle 20: Programmierschritte eines LabView VIs

Tabelle 21: Technische Daten von Leutron Blitz-und Überspannungsschutzgeräten ..

Tabelle 22: Technische Daten des DataPro-RS485-Tr

Tabelle 23: Anschlussbelegung - Sternanemometer Thies ( ‡†‹ͲʹͳͷͳͺȀͲͳȀͲͻ Ǥ͸)

Tabelle24: Technische Daten des Windgebers "First Class" Advanced

Tabelle 25: Einschränkungen in Voll- und Halbduplex Betrieb

Tabelle 26: Stecker Anschlussbelegung Vollduplex

Tabelle 27: Liste der vordefinierten Datentelegramme

Tabelle 28:Technische Daten des Ultraschallanenometer 3D

Tabelle 29: Technische Daten - Windrichtungsgeber "First Class" (Bedienungsanleitung der Fa. Thies)

Tabelle 30: Anschlussbelegung des SPN1 Pyranometers

Tabelle 31: SPN1 Datenblatt

Tabelle 32: Technische Daten des Silizium Pyranometer SPLite2

Tabelle 33: Eckdaten des SPLite2

Tabelle 34: Spezifikationen des Strahlungsschutzes 1.1025.55.100

Tabelle 35: Technische Daten Hygro-Thermosensor Thies Compact

Tabelle 36: Kenndaten NI-DAQ Chassis

Tabelle 37: ICP Module als Datenerfassungsgeräte

Tabelle 38: Zeitabstände zur Kontrolle der Messanlage

Tabelle 39: W103.3 Klemme 1-3

1 Einleitung

Das Ziel dieser Arbeit ist eine Konzeptionierung und er Aufbau einer meteorologischen Messung für das Outdoorlabor der Universität Paderborn. Dabei bilden die Analyse der meteorologischen Sensoren sowie die Beurteilung des vorliegenden Aufbaus für das Outdoorlabor eine Grundlage der Untersuchung. Die Messungen sollen normgerecht erfolgen. Die aufgenommenen Daten sollen gespeichert werden um dann für weiterge- hende Untersuchungen im Rahmen von PV-Modulvermessungen genutzt zu werden. Zur Aufnahme der Daten soll die Software LabView von National Instruments genutzt werden. Zusätzlich eignet es sich das Programm zur Umsetzung der Rechenmodelle und der komplexen Datenanalyse.

Ein weiterer Bestandteil der Arbeit besteht darin Sensoren zu evaluieren und zu konfigurieren. Dabei werden auch die Aspekte der Datenübertragung mit berücksichtigt. Sowohl Art und Anzahl der Eingänge (analog, digital, seriell), als auch die Abtast- und Speicherrate sind hierbei von großer Bedeutung. Bei der Signalübertragung von den Sensoren bis zur Speicherung der Messdaten wird die gesamte Kette untersucht und bewertet. Das Labor befindet sich auf dem E-Gebäude der Universität Paderborn. Die Aufständerung der Photovoltaikmodule ist nach Süden hin ausgerichtet (Abbildung 2), der Montagewinkel der Photovoltaikmodule liegt bei 30°.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Outdoor Labor Paderborn

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Outdoor Labor Paderborn - Draufsicht vom E-Gebäude, Pfeilrichtung nach Norden

Die Aufständerung bietet Platz für unterschiedliche Photovoltaikmodule (Abbildung 3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Outdoor Labor Paderborn - Aufständung der Photovoltaikmodule

Das Outdoorlabor soll im Wesentlichen zur Vermessung von Photovoltaik-Modulen unter realen Bedingungen dienen. Dazu müssen alle relevanten meteorologischen Größen erfasst und für eine nachfolgende Analyse gespeichert werden. Folgende Messgrößen sollen erfasst werden:

Solare Einstrahlung

Die solare Einstrahlung ist die bestimmende Grundgröße zur Vermessung der PV-Module.

Temperatur

Die Umgebungstemperatur hat einen starken Einfluss auf den Wirkungsgrad des PV-Moduls.

Windgeschwindigkeit

Da die Luftströmung zu einem Kühlungseffekt führen kann, ist dieser Parameter sehr wichtig.

Windrichtung

Die Wärmeübertragung zwischen der Luftströmung und den Modulen ist von der Richtung der Anströmung abhängig.

Die folgenden Größen haben einen geringeren Einfluss auf die Leistungsabgabe der PV- Module.

-Luftfeuchtigkeit
-Luftdruck
-Niederschlag, Hagel
-Himmelsbeobachtung

Zur korrekten Erfassung meteorologischen Größen sind zahlreiche Normen einzuhalten. Diese Normen gliedern sich wie folgt auf:

-Teil 1: Normen zur Sicherheit im Umgang mit elektrischen Strömen
-Teil 2: Normen zum Blitzschutz
-Teil 3: Normen zur Photovoltaik
-Teil 4: Normen zur Umweltmeteorologie

Beim Betrieb des Outdoor Labors müssen Unsicherheitskomponenten berücksichtigt werden. Diese Unsicherheitskomponenten resultieren aus:

-Messtoleranzen der Signalgeber
-Signalübertragung
-Signalverarbeitung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Übersicht der Unsicherheitskomponenten des Outdoor-Labors

2 Grundlagen

2.1 Sicherheit im Umgang mit elektrischen Strömen

Die Signalaufnahme und die -übertragung erfolgt mittels elektrischer Signale. Aus die- sem Grund werden beim Outdoor Labor Paderborn folgenden Normen Beachtung ge- schenkt.

-IEC 60364-4-41:2005 (DIN VDE 0100-410:227) Errichten von Niederspan- nungsanlagen Teil 4-41: Schutzmaßnahmen - Schutz gegen elektrischen Schlag
-IEC 60364-5-54:2002 (DIN VDE 0100-540:2007) Errichten von Niederspannungsanlagen Teil 5-54: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel, Erdungsanlagen, Schutzleiter und Schutzpotentialausgleichsleiter
-DIN VDE 0100-443:2007 Errichten von Niederspannungsanlagen- Teil 4-44: Schutzmaßnahmen - Schutz bei Störspannungen und elektromagnetischen Störgrößen - Abschnitt 443: Schutz bei Überspannungen infolge atmosphärischer Einflüsse oder von Schaltvorgängen.
-DIN VDE 0100-534:2009 Errichten von Niederspannungsanlagen - Teil 5-53: Auswahl und Errichten elektrischer Betriebsmittel - Trennen, Schalten und Steuern - Abschnitt 534: Überspannungsschutzeinrichtungen

Da sich das Outdoorlabor auf dem Dach des E-Gebäudes befindet, muss der Blitzschutz besondere Beachtung finden.

2.2 Blitzschutz

Blitzschutzsysteme schützen Bauliche Anlagen vor Brand oder Zerstörung, bei Perso- nen soll Blitzschutz vor Verletzungen oder Tod bewahren. Eine Blitzschutzanlage ist in äußeren und inneren Blitzschutz aufgeteilt. Der äußere Blitzschutz unterteilt sich in:

-Fangeinrichtung
-Ableitungseinrichtung
-Erdungsanlage

Der innere Blitzschutz besteht aus:

-Potentialausgleich
-Überspannungsschutz

Für die Installation der Blitzschutzanlage gilt die Normenreihe DIN EN 62305 (VDE 0185-305):

-DIN EN 62305-1 (VDE 0185-305-1), Blitzschutz - Teil 1: Allgemeine Grund- sätze
-DIN EN 62305-2 (VDE 0185-305-2), Blitzschutz - Teil 2: Risiko-Management DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3), Blitzschutz - Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen
-DIN EN 62305-4 (VDE 0185-305-4), Blitzschutz - Teil 4: Elektrische und elektronische Systeme in baulichen Anlagen
-DIN EN 62305-4 (VDE 0185-305-4), Blitzschutz - Teil 4: Schutz gegen elektrische und elektronische Systeme in baulichen Anlagen durch die Wirkungen des elektromagnetischen Blitzimpulses (LEMP)
-DIN VDE 0100-540 (VDE 0100-540), Errichten von Niederspannungsanlagen - Teil 5-54: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel - Erdungsanlagen, Schutzleiter und Schutzpotentialausgleichsleiter

Die Gefährdungsbereiche von Blitzschäden und Überspannungen teilen sich dabei in vier Abschnitte auf:

1. Ferneinschlag >1000m - kapazitive Einwirkungen, für die PV-Anlage meistens ungefährlich
2. Naheinschlag < 500m - die Einschläge induzieren hohe magnetische Felder in den elektrischen Installationsschleifen - können schon Schäden ausrichten
3. Indirekter Einschlag - über die elektrische Installation fließen hohe Blitzteil- ströme - verursachen hohe Schäden in der PV Anlage
4. Direkteinschläge - der Blitzstrom fließt über die PV Anlage und die Elektroin- stallation - diese Komponenten werden meistens mechanisch zerstört - häufig entstehen gefährliche Brände

Punkt 1 und 2 treffen für das Outdoorlabor nicht zu, die Punkte drei und vier teilen sich auf den äußeren Blitzschutz und die Überspannungsschutzeinrichtungen auf.

2.2.1 Äußerer Blitzschutz

Um die unkontrollierten Blitzeinschläge in die Anlage zu vermeiden sind bei der Pla- nung und Installation Fangeinrichtungen eingesetzt worden. Die Fangeinrichtungen haben die Aufgabe die möglichen Einschlagpunkte bereitzustellen und die unkontrol- lierten Einschläge in die elektronischen Bauteile zu vermeiden. Für den Außenbereich des Outdoor-Labors gelten besondere bauliche LEMP1 -Schutzmaßnahmen (IEC 62305-4 (VDE 0185-305-4:2006-10)). Für die Positionierung der Fangeinrichtung werden üblicherweise drei Verfahren eingesetzt:

1. Blitzkugelverfahren;
2. Schutzwinkelverfahren;
3. Maschenverfahren.

Bei Flachdachanlagen wird hauptsächlich das Blitzkugelverfahren eingesetzt. Da das E- Gebäude eine Flachdachkonstruktion aufweist wird beim Outdoor-Labor Paderborn ebenfalls Blitzkugelverfahren installiert.

Bei diesem Verfahren werden die Höhe und der Abstand der Fangstangen so gewählt, dass eine Blitzkugel, über die Anlage bzw. das Gebäude rollen würde, ohne die Anlage oder das Gebäude zu berühren. Das Blitzkugelverfahren ist ein geometrisch-elektrisches Modell, das insbesondere für geometrisch komplizierte Anwendungsfälle empfohlen wird. Eine Blitzkugel mit einem bestimmten Radius wird einer entsprechenden Blitzschutzklasse zugeordnet. Die Tabelle 2 stellt die Parameter dar:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: Unterteilung der Schutzklassen der Blitzschutzanlage[DGS13]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4 zeigt die schematische Montage der Fangeinrichtung nahe einer PVAnlage. Durch die Montage beim Outdoor-Labor Paderborn ist der Trennungsabstand vorschriftsgemäß eingehalten worden [VDE 0185-305].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Erhaltung des Trennungsabstandes beim Blitzkugelverfahren (DIN EN 62305-3 Bbl 5: 2009-10)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: installierter Blitzschutz beim Outdoor-Labor Paderborn -

Nachdem der Grobschutz durch die Anordnung von Fangstangen gewährleistet ist, wird die Eindringtiefe p der Blitzkugel zwischen den Fangstangen ermittelt, um sicherzustellen dass die Blitzkugel das zu schützende Objekt nicht erreicht. Zu Ermittlung der Eindringtiefe p wird die Formel 2.1 eingesetzt [Pröp11]:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Beim Outdoor-Labor Paderborn haben die installierten Fangeinrichtungen einen Trennungsabstand von maximal 6,5 m. Dieser Abstand der Fangeinrichtungen erfüllt die Blitzschutzklasse I der Blitzschutzvorschriften, die Schutzklasse I gewährleistet den höchsten Schutz der Anlage gegen Blitzeinschlag [VDE 0185-305].

2.2.2 Innerer Blitzschutz

Innerer Blitzschutz besteht aus einem Potentialausgleich und Überspannungsschutz. Aufgabe des inneren Blitzschutzes ist die Vermeidung gefährlicher Funkenbildung in der zu schützenden baulichen Anlage. Gefährliche Funkenbildung kann zwischen dem äußeren Blitzschutzsystem und anderen Bauteilen auftreten. Folgende Komponenten des Outdoor Labors sind im inneren Blitzschutz integriert:

-Die metallene Konstruktion,
-das Stromversorgungssystem,
-die PV-Anlage,
-die elektrischen und elektronischen Systeme und
-die in die bauliche Anlage eingeführten äußeren leitenden Teile, Kabel und Lei- tungen.

Die unterschiedlichen Potentiale der Anlage werden durch eine elektrisch leitende Ver-

bindung auf einen Bezugspunkt minimiert. Die Installation der

Potentialsausgleichsschienen ist auf Abbildung 6 dargestellt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Outdoor Labor Paderborn N-Gebäude, Montage der Potentialausgleichsschienen am Outdoor Labor Paderborn

Die normgerechte Ausführung mit anschließender Prüfung ist in der DIN VDE 0100- 410:2012-06 festgelegt. Die technische Ausführung für den Potentialausgleich, die Dimensionierung der Querschnitte und die genormten Begriffe ergeben sich aus der DIN VDE 0100:540:2012-06.

Für die Auswahl und Errichtung von Überspannungsschutzgeräten (Surge Protection Device - SPD) für Wechselstromanwendungen gelten folgende Normen (Anmerkung: für SPD in Gleichstromnetzen bestehen zurzeit keine normativen Festlegungen Stand: 25.06.2013):

-DIN EN 61643-11 (VDE) Überspannungsschutzgeräte für Niederspannung - Teil11: Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Niederspannungsanlagen Anforderungen und Prüfungen
-DIN EN 61643-11 (VDE 0675-6-11), Überspannungsschutzgeräte für Niederspannung - Teil 11: Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Niederspannungsanlagen - Anforderungen und Prüfungen
-DIN EN 61643-12 (VDE 0675-6-12), Überspannungsschutzgeräte für Niederspannung - Teil 12: Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Niederspannungsanlagen Auswahl und Anwendungsgrundsätze
-DIN EN 61643-21 (VDE 0845-3-1), Überspannungsschutzgeräte für Nieder-spannung - Teil 21: Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Telekommu- nikations- und signalverarbeitenden Netzwerken - Leistungsanforderungen und Prüfverfahren
-DIN V VDE V 0100-534 (VDE V 0100-534), elektrische Anlagen von Gebäuden - Teil 534: Auswahl und Errichtung von Betriebsmitteln - ÜberspannungsSchutzeinrichtungen

Der Überspannungsschutz dient dem Schutz von elektrischen Endgeräten gegen schäd- liche Überspannungen. Nach DIN EN 61643-11 (VDE 0675-6-11) ist der Überspan- nungsschutz so nah wie möglich vor den Endgeräten bzw. Messsensoren einzubauen. Als Folge dessen ist an der Aufständung ein Outdoor-Schrank für den Überspannungs- schutz und Stromversorgung der Sensoren mit der Schutzklasse IP65 installiert worden (Abbildung 7).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Outdoor Schrank für den Blitzschutz der Anlage

2.2.3 Überspannungsschutzgeräte nach IEC 62305-3

Für die Auswahl der Überspannungsschutzgeräte wird die Norm IEC 62305-3 Bbl 5 S.15 verwendet. Die Norm 62305-3 schreibt die Installation von Überspannungs- schutzgeräte des Typs 2 vor. Ihr Ableitvermögen liegt im Bereich von einigen 10kA (8/20 µs). Unter Berücksichtigung der Rahmenbedingungen ist beim Outdoor-Labor Paderborn die Überspannungsschutzschutzgeräte der Firma Leutron installiert worden.

Tabelle 3: Leutron Überspannungsschutzgeräte

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.3 Messgrößen

2.3.1 Messbedingungen nach IEC 61215

Die Normen zur Photovoltaik beschäftigen sich ausführlich mit der Untersuchung von Photovoltaik-Modulen, der Untersuchung zur Widerstandfähigkeit und der Vermessung der elektrischen Eigenschaften.

Zur Vermessung von terrestrischen kristallinen Silizium - und den terrestrischen Dünnschicht-Photovoltaikmodulen müssen Daten über meteorologische Größen aufgenommen werden. Die Messbedingungen sind in den Normen IEC 61215 (für terrestrische kristalline und polykristalline Siliziummodule - Bauarteignung und Bauartzulassung) und IEC 61646 (für terrestrische Dünnschichtmodule) beschrieben.

Die Normen IEC 61215 und 61646 unterscheiden sich nur beim Degrationsverhalten der Dünnschichtmodule. Für die Messbedingungen ist der Degrationsverhalten der Mo- dule irrelevant, daher werden die Messbedingungen aus der IEC Norm 61215 unter- sucht. Aus der Norm IEC 61215 müssen folgende meteorologischen Messgrößen mit Sensoren erfasst werden:

Tabelle 4: NOCT-Standard Messbedingungen nach IEC 61215

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.3.2 Aufstellung der Sensoren

Für die Aufstellung von meteorologischen Sensoren ist in der Norm IEC 61215 (S.22 2006) die Abbildung 9 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9:Abbildung: Messanordnung nach IEC 61215

Einige Kenngrößen wie die Luftfeuchtigkeit sind in der Norm IEC 61215 nicht be- schrieben oder berücksichtigt worden. Diese zusätzlichen Informationen werden aus der VDI 3786 Blatt 2/2 Seite 9 „Meteorologische Messungen für Fragen der Lufteinhaltung - Wind“ entnommen. Folgendes ist dabei einzuhalten:

-Die gegenseitige Beeinflussung der Messgeräte ist zu vermeiden.
-Der horizontaler Abstand zwischen Windrichtungs- und Windgeschwindig- keitsmessung soll etwa 1,5m betragen und darf 1,20 m nicht unterschreiten,
-Zwischen diesen Sensoren sollen keine Blitzschutzeinrichtungen installiert wer- den,
-Die Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit sollen in einer Höhe von etwa 2 m über den Erdboden gemessen werden,
-Temperatur und Luftfeuchtigkeit sollen in einem Abstand von max. 1 m erfasst werden,

Beim Outdoor Labor Paderborn kann der horizontale Abstand nach Osten und Westen für den meteorologischen Messgeräteträger aus baulichen Gründen nicht realisiert werden (nach IEC 61215). Aus diesem Grund sind die Sensoren an der bereits vorhandenen Aufständerung installiert worden (Abbildung 10).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Abbildung: Messanordnung PV Outdoorlabor Paderborn

2.4 Weiterführende Richtlinien

In dieser Arbeit wird im Weiteren ebenfalls auf die Normen zur Umweltmeteorologie zurückgegriffen, da die Photovoltaik-Normen die jeweiligen meteorologischen Mess- verfahren bzw. Messprinzipien nicht erläutern werden. Die Richtlinie des VDI Nummer 3786 hilft bei der zielführenden Auswahl der Messgeräte und der Behandlung der Messdaten. Besonderes Augenmerk zielt hier auf die korrekte Installation der Mess- wertgeber.

-VDI 3786 Blatt 1 Umweltmeteorologie - Meteorologische Messungen - Grundlagen 2011-12
-VDI 3786 Blatt 2 Umweltmeteorologie - Meteorologische Messungen für Fragen der Luftreinhaltung - Wind 2000-12
-VDI 3786 Blatt 3 Umweltmeteorologie - Meteorologische Messungen - Lufttemperatur 2012-10
-VDI 3786 Blatt 4 Umweltmeteorologie - Meteorologische Messungen - Luftfeuchte 2012-04
-VDI 3786 Blatt 5 Meteorologische Messungen für Fragen der Luftreinhaltung; Globalstrahlung, direkte Sonnenstrahlung und Strahlungsbilanz 1986-08
-VDI 3786 Blatt 7 Umweltmeteorologie - Meteorologische Messungen - Niederschlag 2010-12
-VDI 3786 Blatt 9 Umweltmeteorologie - Meteorologische Messungen - Visuelle Wetterbeobachtungen 2007-10
-VDI 3786 Blatt 12 Umweltmeteorologie - Meteorologische Messungen - Turbulenzmessung mit Ultraschall-Anemometern 2008-10
-VDI 3786 Blatt 13 Umweltmeteorologie - Meteorologische Messungen - Messstation 2006-08
-VDI 3786 Blatt 16 Umweltmeteorologie - Meteorologische Messungen - Luftdruck 2010-07 [VDI13]

3 Sensorik

Im folgenden Abschnitt soll ein Überblick zu Prinzipien der meteorologischen Senso- ren gegeben werden. Folgende Messgrößen werden beim Outdoor Labor Paderborn erfasst.

-Solare Einstrahlung

-Temperatur

-Windgeschwindigkeit Windrichtung

-Luftfeuchtigkeit

-Luftdruck

-Niederschlag, Hagelschlag Himmelsbeobachtung

Die Messverfahren und Funktionsweisen der Sensoren mit ihren jeweiligen Kenndaten werden in folgenden Unterabschnitten genauer erläutert.

3.1 Solare Einstrahlung

Die terrestrische solare Einstrahlung wird als Globalstrahlung G bezeichnet. Unter Globalstrahlung versteht man die an der Oberfläche auf eine horizontale Empfangsfläche eintreffende Solarstrahlung. Für die Photovoltaikanlagen ist die Globalstrahlung G die entscheidende Größe. Die Globalstrahlung setzt sich aus der auf dem direkten Weg eintreffende Strahlung (Direktstrahlung I) und der Strahlung, die über Streuung z.B. an Wolkenteilchen die Erdoberfläche erreicht (Diffusstrahlung D). Der Spektralbereich erschreckt sich im kurzwelligen Bereich.

-Direktstrahlung I: als Direktstrahlung ist die Strahlung definiert, die auf einer Ebene senkrecht zur Strahlungsrichtung aus dem Raumwinkel der Sonnescheibe empfangen wird [VDI 3786-5, S.3].
-Diffusstrahlung D: Diffusstrahlung oder Sonnenstrahlung ist die Strahlung definiert, die aus dem oberen Halbraum unter Ausschuss der Sonnenscheibe auf eine horizontale Ebene fällt [VDI 3786-5, S.3].

Die Globalstrahlung berechnet sich mit der Formel 3.1: ܩൌܫ ൅ܦ (3.1)

Messgeräte zur Messung der Globalstrahlung G bezeichnet man als Pyranometer. Die Spezifikationen für Pyranometer gelten nach ISO 6090:1990, IEC 60904 Standard und der World Meteorological Organisation (WMO) und ergeben folgende Messanforderungen für die Globalstrahlung:

-Installation auf ebener Flächen
-Wellenlängenbereich: zwischen 300 nm und 2800 nm Gesichtsfeldwinkel: 180°
-Um den gewünschten Spektralbereich messen zu können werden Pyranometer mit Thermosäulen als Sensorelement ausgestattet.

3.1.1 Thermosäulen-Pyranometer

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11: Aufbau eines Thermosäulen-Pyranometers [KiZo03]

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Details

Seiten
171
Jahr
2013
ISBN (eBook)
9783656822486
ISBN (Buch)
9783656822493
Dateigröße
6.6 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v282872
Institution / Hochschule
Universität Paderborn
Note
1,0
Schlagworte
konzeptionierung aufbau messung erfassung verarbeitung daten basis labview

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Titel: Konzeptionierung und Aufbau einer automatischen Messung zur Erfassung und Verarbeitung von meteorologischen Daten auf Basis von LabView