Die Kernfunktion von HELIOS 3D ist es, Solar-Tische verschattungsfrei auf jedem dafür nutzbaren Gelände zu verteilen. Das findet in Verbindung mit der Kenntnis des geografischen Standortes der Projektfläche und dem Referenzdatum und der Uhrzeit statt. Dieser legt damit den örtlichen Sonnenstandswinkel für die Verschattungsberechnung fest. Um eine verschattungsfreie Platzierung zu bekommen, wird der längste auftretende Schatten in einer Reihe ermittelt und der Abstand der nächsten Reihe auf diesen Wert gesetzt. (Bild 6).
Bild 6 – Schattenlinie
Die roten Schattenlinien zeigen den Einfluss des Geländes auf das Layout und können so interpretiert werden, dass man dadurch Flächen erkennen kann, die nach einer Einebnung zu einer verbesserten Platzierung mit einem höheren Ertrag führen können.
HELIOS 3D ist ein System für ein tischorientiertes Layout. Die Tische, die auf dem Gelände verteilt werden, werden mit einem Tischgenerator erstellt. Dazu muss keine einzige Line gezeichnet werden. Ein Tisch wird nur dadurch definiert, dass man seine erforderlichen Daten im Generator einträgt. Zuerst wählt man ein PV-Modul aus, welches die Dimensionen und seine Peak-Leistung mitbringt. Danach wird das physikalische Layout der Module in Form von Reihen und Spalten und ihrem Abstand zueinander festgelegt. Dies legt gleichzeitig die aktive Fläche für PVSyst fest.
Grundlegende Maße wie der Abstand der Module über dem Boden und andere technische Grenzwerte werden benutzt um die absoluten Abmessungen des Tisches festzulegen. Nachdem all diese Informationen erfasst wurden, zeichnet der Tischgenerator den Tisch vollautomatisch.
Die parametrische Verknüpfung des Tisches ermöglicht eine automatische Aktualisierung der Geometrie, wenn irgendeiner dieser Parameter verändert wurde. Da der Parameter für den Tischanstellwinkel eine Variable ist, die erst im entsprechenden Projekt gesetzt wird, muss nur ein einziger Tisch für alle Verwendungsfälle erstellt werden.
Die Datenbank verwaltet alle diese Informationen und erlaubt auch die Erstellung kürzerer Tischvarianten zu einer Grunddefinition. Diese können dann das Ende einer Reihe auffüllen, wenn ein größerer Tisch keinen Platz mehr hat. So kann der Ausnutzungsgrad der Fläche optimiert werden.
Die Tischbeschreibung beinhaltet auch Grenzwerte (Bild 8) wie den maximalen Anstellwinkel der Tischfläche oder die maximal erlaubte Seitenneigung. Dies stellt sicher, dass Tische da, wo die Grenzwerte überschritten werden, nicht fälschlicherweise benutzt werden können. Um für Präsentationen einen realistischer Eindruck zu erreichen, können in die Tischzeichnungen noch detaillierte 3D Modelle nachträglich eingefügt werden (Bild 7).
Bild 7 – Tischzeichnung in 3D
Bild 8 – Tischgenerator
Um den Ertrag innerhalb einer vorgegebenen Fläche mit einer beliebigen Kombination an Layout Parametern zu maximieren, bietet HELIOS 3D die Option, den Startpunkt der Tischreihen so zu berechnen, dass die Zahl der platzierten Tisch maximiert wird.
Das Layout einer PV-Anlage erfordert häufig den Einsatz von statisch unterschiedlich ausgelegten Tischen. Die Tische am Rand großer Felder müssen mit höheren Windlasten umgehen können als die Tische im Inneren der Felder und benötigen deshalb andere statische Auslegungen. Ebenso kann die Beschaffenheit des Bodens Einfluss auf den Tischtyp oder dessen Auslegung haben. Deshalb kann man in HELIOS 3D eine beliebige Anzahl von sogenannten Anforderungsflächentypen mit unterschiedlichen Anforderungen an den darauf platzierten Tisch erstellen (Windlast, Rammtiefe, Anzahl der Pfosten, ...).
Dazu werden die jeweiligen Flächen als Polygone gezeichnet und ihnen werden die festgelegten Anforderungstypen zugewiesen (Bild 9). Nun können die entsprechend der jeweiligen Anforderung definierten Tische den einzelnen Anforderungstypen zugewiesen werden. Erreicht der Platzierungsalgorithmus eine solche Fläche, schaltet er auf den Tisch um der für diese spezielle Fläche benötigt wird.
Bild 9 – Flächenanforderungstypen
Für die Erstellung von sinnvollen Layouts hat HELIOS 3D Funktionen um die Flächen zu strukturieren. So können die Flächen in Felder mit einem vorgegebenen Abstand zueinander aufgeteilt werden um zum Beispiel Wartungsstraßen zu erzeugen (Bild 10). Eine gezeichnete Polylinie ist das Basiswerkzeug und ein benutzerdefinierter Abstand dazu erlaubt quasi nebenbei eine Straße zu erstellen. Die daraus entstehenden zwei neuen Felder werden automatisch registriert. Um Flächen für Inverter- oder Trafostationen freizustellen, können Sperrflächen definiert werden. Vielfältige Platzierugsparameter stellen sicher, dass jede sinnvolle Layoutvariation auch erstellt werden kann. Die Schattenmarkierungsfunktion zeigt sofort, ob eine Variante sinnvoll ist.
Nach dem Strukturieren der Fläche ist es leicht Alternativen zu erzeugen und die Variationen zu vergleichen. Die Projektdatenbank verwaltet sie; so ist es einfacher die wirtschaftlichste Lösung zu finden.
Zusätzlich kann ein weiteres Finetuning durchgeführt werden, da Tische, die in eine bestimmten Zeitfenster verschattet werden, farbig gekennzeichnet werden können (Bild 10). So ist es leicht Tische zu einem beliebiegen Zeitpunkt zu erkennen, die Schatten erhalten. Dies kann zur Optimierung des elektrischen Layouts verwendet werden. Die jeweiligen Tische können dann z.B. mit einer anderen Stringbelegung versehen werden, um unnötige Ertragsverluste zu vermeiden. Die statistische Übersicht gibt dann den Prozentsatz der verschatteten Tische an.
Bild 10 – Zugangsstraßen und Verschattung um 14:00
Der Schattenwurf von internen und externen Objekten (Bäume, Stationen, Schornsteine, …) spielt eine große Rolle beim Entwickeln des Projekt-Layouts. HELIOS 3D stellt dafür dynamisch skalierbare Basisobjekte zur Verfügung, um damit die gängigen Schattenobjekte zu beschreiben. Nach dem Positionieren der dynamischen Schattenobjekte kann deren Schattenwurf berechnet werden. Dies kann für eine bestimmte Uhrzeit oder für den kompletten Tag erfolgen(Bild 11). Die resultierende Schattenfläche wird als Polylinie gezeichnet und kann dann als Sperrfläche registriert werden (Bild 12).
Bild 11 – Schattenwurf eines Baumes über den Tag
Bild 12 – Schattenfläche als Sperrfläche
Eine weitere Möglichkeit den Ertrag zu optimieren ist unsere Exportmöglichkeit der 3D Layoutdaten. PVSyst ist eines der führenden Programme für bankanerkannte Ertragsberechnung. In den meisten Fällen wird dies nicht auf der Grundlage eines kompletten Projektes berechnet. Es wäre zu viel Aufwand, eine große und komplexe 3D Auslegung nach zu modellieren. So werden normalerweise repräsentative Teile des Projekts für die Ertragsberechnung verwendet und der Gesamtertrag dann hochgerechnet. Der Nachteil dieses Ansatzes ist, dass damit die real auftretendem Verschattung nicht genau berücksichtigt werden kann. Mit HELIOS 3D kann das komplette 3D-Layout innerhalb von Sekunden exportiert und in PVSyst importiert werden (Bild 13).
Bild 13 – PVSyst Import von HELIOS 3D Daten
Dachflächen rücken mehr und mehr ins Blickfeld für große PV-Anlagen. Eine der Herausforderungen im Arbeitsablauf für solche ein Projekt, ist die Konstruktionsphase der Dachgeometrie. In den meisten Fällen gibt es keine aktuellen Konstruktionspläne für die Dachflächen. Deshalb muss das Aufmaß neu erstellt werden um die notwendigen Punkte zu erhalten. Im Vergleich zu Freiflächenanlagen müssen viele zusätzliche Einflüsse berücksichtigt werden. Während Landflächen bei nahe beieinanderliegenden Einzelflächen keine großen Höhenunterschiede haben, kann dies auf Dachflächen gleich mehrere Meter betragen. Die exakte Geometrie hier zu erhalten ist essentiell. Der andere Punkt sind die Schatten, die von diesen Objekten, von Objekten auf dem Dach oder aus der Umgebung geworfen werden; davon die erzeugten Schattenflächen die interne und externe Objekte erzeugen, zu erhalten, ist von großer Bedeutung.
Bild 14 – Dachgenerator
Für diese Anforderungen hat HELIOS 3D die richtigen Werkzeuge. Der Dachflächenassistent (Bild 14) erlaubt eine leichte und intuitive Erstellung der relevanten Flächen, die das Dach bilden. Er bietet verschiedene Ansätze um die Daten des Aufmaßes nutzen zu können.
Die Layouterstellung für Dachflächen ist vergleichbar der für Freiflächen. Nach dem modellieren der Schattenobjekte und berechnen der erzeugten Schattenflächen, könne mit der daraus erzeugten Schattengeometrie (Polylinien) leicht die Flächen ermittelt werden, die nicht mit Modulen belegt werden sollten (Bild 15).
Bild 15 – Schattenflächen auf dem Dach als Sperrflächen
HELIOS 3D hat Funktionen für dachparallele, ballast- und montierte Unterkonstruktionen. Die letzten beiden werden verschattungsfrei wie die Freiflächenkonstuktionen positioniert. Durch seine Verschattungsobjekte und die damit erzeugten Sperrzonen aus den Schattenflächen kann HELIOS 3D alle Dachaufbauten wie Schornsteine, Lichtkuppeln und Klimaanlagen berücksichtigen.
Für die dachparallele Belegung hat HELIOS 3D ein einzigartiges Werkzeug um die physikalische Anordnung für die Dachbelegung zu definieren (Bild 16). Nachdem das gewünschte Modul und seine Orientierung ausgewählt wurde, können flächige Anordnungen (Arrays) von Modulen definiert werden, indem man die Zahl der Reihen und Spalten und deren Abstand in X- und Y-Richtung vorgibt. Der nächste Schritt ist die Festlegung von Wartungsgängen in x- und Y-Richtung zwischen den Arrays. Nun kann der Anwender einfach durch Aufziehen eines Rahmens die Dachfläche vorgeben, auf der die Modularrays verteilt werden. Die Module werden nur innerhalb der Felddefinition und unter Berücksichtigung der Sperrflächen platziert. Soweit notwendig kann die sich ergebende Modulanordnung durch Löschen von Modulen oder Auswählen und Strecken editiert und auf die Anforderungen angepasst werden.
Bild 16 – Dachlayout Dialogbox
Wenn Unterkonstruktionen verwendet werden, können alle Funktionen für Freiflächenanlagen eingesetzt werden. Damit ist die Platzierung verschattungsfrei und kann horizontale und vertikale Ausrichtungslinien nutzen.