DE10144456A1

DE10144456A1 - Zeitabhängige Bestimmung der Sonnenscheindauer bezogen auf einen Standort

Info

Publication number: DE10144456A1
Application number: DE2001144456
Authority: DE
Inventors: Erich Gisinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2003-03-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zeitabhängigen Bestimmung der Sonnenscheindauer, bezogen auf einen Standort, wobei folgende Schritte durchlaufen werden: Herstellen einer fotografischen Aufnahme des Horizonts an dem gewünschten Standort mit einer Kamera mit Breitwinkel-Objektiv; Überlagern der fotografischen Aufnahme des Horizonts mit Sonnenbahnlinien eines Sonnenbahndiagramms für den Standort; Feststellen der Konturen des Horizontal-Reliefs; Prüfen, wo Hindernisse im Horizont-Relief die Sonnenbahnlinien jeweils schneiden; Aussage über die Beschattung des Standorts in Abhängigkeit von der Jahres- und Tageszeit. Damit kann die Bestimmung der Sonnenscheindauer wesentlich schneller, genauer und störungsunanfälliger gegenüber dem Stand der Technik durchgeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine zeitabhängige Bestimmung der Sonnenscheindauer bezogen auf einen Standort nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine derartige Bestimmung wird auch allgemein unter dem Begriff "Solare Standortanalyse" oder auch "Schattenanalyse" bezeichnet.
Eine zeitabhängige Bestimmung der Sonnenscheindauer hat sich in der Vergangenheit als sehr wichtig und zukunftsträchtig herausgestellt. Beispielsweise besteht das Bedürfnis, beim Bau von Häusern solare Wassererwärmer und/oder Photovoltaik-Anlagen vorzusehen. Es muss dann eine Aussage getroffen werden, in welcher Jahreszeit und zu welcher Stunde bestimmte Hindernisse, die auf dem Terrain stehen, möglicherweise die interessierende Fläche beschatten.
Darüber hinaus besteht auch das Bedürfnis, allgemein die Beschattung von Objekten, insbesondere von Solarenergie-Häusern, Energie-Spar-Häusern und dergleichen über die Jahreszeit hinweg zu begutachten. In der Regel ist dies nicht ohne Weiteres möglich, weil die Entscheidung über einen Standpunkt eines Gebäudes oder einer zu bescheinenden Fläche oder deren Ausrichtung nur an einem bestimmten Tag zu einer bestimmten Stunde fällt. Es ist schwierig, Vorhersagen zu treffen, ob eventuell Hindernisse, die im Bereich der Sonnenumlaufbahn liegen, in späteren Jahreszeiten eventuell zu einer Abschattung des Objektes führen.
Ein dritter wesentlicher Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Beschattung von zu bewertenden Grundstücken zu bestimmen. Der Grundstückswert kann durch die Art und Lage und insbesondere durch die Beschattung wesentlich beeinflusst werden. Auch aus diesem Grund ist es erforderlich, über die Jahreszeit hinweg gesehen eine Schattenanalyse für das zu bewertende Grundstück durchzuführen.
Es ist bekannt, eine solare Standortanalyse in der Weise durchzuführen, dass man sich auf einen bestimmten, interessierenden Standort stellt, der im Bereich der interessierenden, zu analysierenden Fläche liegen muss.
Man hat beispielsweise einen sogenannten Heliomaten oder Ähnliches zur händischen Aufzeichnung des Horizontes oder aber einen sogenannten Sonnenbahnindikator, der mit einem Sonnenbahndiagramm zusammenwirkt.
Auf dem Sonnenbahndiagramm sind in Abhängigkeit von der Jahreszeit und der Tageszeit unterschiedliche Sonnenumlaufbahnen aufgezeichnet.
Das Sonnenbahndiagramm wird als gekrümmte und durchsichtige Folie auf ein händisch zu bedienendes Instrument eingespannt. Dieses Instrument besteht im Wesentlichen aus einer horizontalen, tellerförmigen Platte, auf der ein Kompass befestigt ist und ein Okular, durch welches richtungsabhängig hindurchgesehen werden kann und der Horizont damit angepeilt wird.
Entsprechend der Peilung auf den Horizont wird dann mit einem Farbstift der Peilungsstrahl auf die durchsichtige Folie des Sonnenbahndiagramms eingezeichnet, um so in relativ aufwendiger Art das Relief des Horizontes auf das Sonnenbahndiagramm zu zeichnen.
Diese Arbeiten sind außerordentlich aufwendig, sind ungenau und störungsanfällig. Die Genauigkeit der Zeichnung hängt unter anderem von der Fixierung des Okulars ab und von der Gleichmäßigkeit der Abbildung der einzelnen Sichtstrahlen im Okular, per Hand mit Farbe auf die durchsichtige Folie.
Außerdem besteht der Nachteil, dass die gesamte Standortanalyse nur im Tageslicht durchgeführt werden kann und im Übrigen der Horizont zumindest beim Sonnenbahnindikator nur um einen horizontalen Winkel von etwa 180° abgebildet werden kann.
Weiterer Nachteil ist, dass in der Regel auf dem Sonnenbahndiagramm - welches lediglich durch Berechnung oder geometrische Konstruktionen hergestellt wird - in der Regel die Sonnenumlaufbahnen für die Sommermonate fehlen. Dies liegt daran, dass die Sonne in dieser Jahreszeit hoch steht und dies würde eine entsprechend hochbauende Folie fordern, was aus Platzgründen in der Regel nicht durchgeführt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur solaren Standortanalyse der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Standortanalyse wesentlich schneller, genauer und störungsunanfälliger und auch nahezu beliebig reproduzierbar durchgeführt werden kann.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt an dem gewünschten Standort eine fotografische Aufnahme des Horizonts mit einem Breitwinkel-Objektiv vorgenommen wird.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird diese fotografische Aufnahme des Horizonts mit dem Sonnenbahndiagramm überlagert, und es werden in einem dritten Verfahrensschritt die Konturen des Reliefs des Horizonts festgestellt.
In einem vierten Verfahrensschritt erfolgt eine Prüfung, wo Hindernisse im Horizont- Relief die Sonnenbahnlinien jeweils schneiden.
In einem fünften Verfahrenschritt erfolgt dann die Aussage über die Beschattung des Standortes in Abhängigkeit von der Jahres- und Tageszeit.
Die genannten Verfahrensschritte zeichnen sich also gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, dass zunächst im ersten Verfahrensschritt statt einer händischen Aufzeichnung der Horizontlinie (Horizont-Reliefs) eine fotografische Aufnahme des Horizonts mit einem Breitwinkel-Objektiv erfolgt.
Damit besteht der wesentliche Vorteil, dass der Horizont nun durch das Breitwinkel- Objektiv sehr schnell, genau und nahezu beliebig reproduzierbar über einen horizontalen Blickwinkel von bis zu 360° und einen vertikalen Blickwinkel von 180° oder mehr dargestellt werden kann.
Vorteil dieser Maßnahme ist, dass durch die fotografische Aufnahme ein bleibendes Dokument erzeugt wird, welches jederzeit kontrollierbar und reproduzierbar ist. Bei der händischen Aufnahme ist die Nachzeichnung der Horizontlinien per Hand später nicht nachvollziehbar bzw. nicht reproduzierbar.
Wenn man in einer Weiterbildung der Erfindung statt des einfachen Breitwinkel- Objektivs ein sogenanntes Fischaugen-Objektiv verwendet, ergibt sich der weitere Vorteil, dass man einen vertikalen Blickwinkel von mehr als 180° erreicht.
Mit der gegebenen technischen Lehre ergibt sich also der wesentliche Vorteile, dass durch die fotografische Aufnahme des Horizonts am Standort nun umlaufend die gesamte Horizont-Relieflinie fotografisch sehr schnell, genau und nahezu beliebig reproduzierbar festgehalten wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass statt der fotografischen Aufnahme, die auf einen entsprechenden lichtempfindlichen Film abgebildet wird, der wiederum in ein Papier umgesetzt wird, nun eine Digitalkamera verwendet wird.
Die Digitalkamera hat den Vorteil, dass ein digitales Bild erzeugt wird, welches mit dem späteren, zu überlagernden Sonnenbahndiagramm elektronisch vermischt werden kann.
Statt der ersten Ausführungsform, bei dem also ein fotografisches Papierbild mit dem Sonnenbahndiagramm in Überdeckung gebracht wird, sieht die zweite Ausführungsform vor, dass eine Digitalkamera verwendet wird, in deren Digitalaufnahme auch das Sonnenbahndiagramm in digitaler Form eingespeist wird und die beiden Aufnahmen in digitaler Form überlagert werden.
Bei der fotografischen Aufnahme ist es im Übrigen nicht wesentlich, ob die Kamera in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet wird, weil anhand des Sonnenstandes zum Zeitpunkt der aktuellen Aufnahme das Sonnenbahndiagramm dementsprechend überlagert werden kann. Es müssen also lediglich zum Zeitpunkt der Aufnahme Jahres- und Tageszeit bekannt sein. Die Sommerzeit muss entsprechend berücksichtigt werden. Falls keine Sonne, z. B. durch Wolken, zu sehen sein sollte, dann muss die Kamera in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet werden, was insbesondere sehr einfach und schnell über einen Kompass geschieht.
Wichtig bei der vorliegenden Erfindung ist also, dass man nun fotografisch ein Panoramabild am Standort erzeugt, welches das gesamte umlaufende (360°) Panorama darstellt. Damit kann jederzeit - auch später noch nachvollziehbar - bestimmt werden, welches Hindernis im Panoramarelief möglicherweise eine bestimmte Sonnenumlaufbahn im Sonnenbahndiagramm schneidet und dementsprechend - bezogen auf den Standort - zu einer bestimmten Jahres- und Tageszeit zur Beschattung des Standortes führt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellende Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
Es zeigen:
Fig. 1: zeigt eine Darstellung der Aufnahmetechnik nach der Erfindung;
Fig. 2: die Überlagerung der fotografischen Aufnahme des Horizonts mit dem Sonnenbahndiagramm;
Fig. 3: das Sonnenbahndiagramm nach Fig. 2.
In Fig. 1 soll auf einer Grundfläche 1 an einem Standort 2 eine Schattenanalyse durchgeführt werden. Die Schattenanalyse wird hierbei am Messpunkt 3 durchgeführt, der sich in Höhe des Objektivs 7 einer Kamera 6 befindet.
Selbstverständlich ist die Schattenanalyse nicht auf den Standort 2 auf der Grundfläche 1 beschränkt. Es kann vorgesehen sein, die gesamte Anordnung anzuheben und beispielsweise in den Pfeilrichtungen 4 vertikal zu verschieben, um auch in größeren Höhen (z. B. im Bereich eines Hausdaches) eine entsprechende Schattenanalyse durchzuführen. Im gezeigten Anwendungsbeispiel ist die Kamera 6 jedoch erhöht auf einem Stativ 5 auf der Grundfläche 1 aufgestellt.
Eine Simulation der vertikalen Anhebung der Kamera in den Pfeilrichtungen 4 kann auch durch Verschieben des Sonnenbahndiagramms erfolgen, wodurch eine einfachere Schattenanalyse für eine beliebige Höhe über dem Boden durchgeführt werden kann.
Erfindungsgemäß besteht das Objektiv 7 aus einem Weitwinkel oder - in einer Weiterbildung der Erfindung - aus einem Fischaugen-Objektiv. Dies ermöglicht einen Blinkwinkel 9 über die Achsen 8, der beispielsweise 185° beträgt.
Die Achsen 8 liegen hierbei unterhalb der Horizontalen 10.
Es soll nun festgestellt werden, ob am Messpunkt 3 zu einer bestimmten Jahreszeit eine Beschattung stattfindet. Hierbei wird angenommen, dass ein Hindernis 14 zu einer teilweisen Abschattung des Messpunktes 3 führt. Die Sonne 12 berührt daher mit einem bestimmten Strahl 13 die Kante des Hindernisses 14. Der Blickstrahl 11 trifft somit auf den Messpunkt 3.
Erfindungsgemäß wird nun mit der Kamera ein Panoramabild 16 aufgenommen, in dem unter anderem auf einer Umlaufbahn von 360° der Horizont abgebildet ist. Es wird also ein Horizont-Relief 17 nach Fig. 2 erzeugt, wobei in Fig. 2 das Hindernis 14 als Baum dargestellt ist.
Die Sonnenbahn 15 nach Fig. 1 läuft gemäß Fig. 2 auf verschiedenen Sonnenlaufbahnlinien 19, 20, die von der Jahreszeit abhängig sind.
Während also in Fig. 1 die Sonnenbahn 15 allgemein dargestellt ist, ist in den Fig. 2 und 3 präzisiert, dass es eine Schar von Sonnenlauflinien 19, 20 gibt, die je nach Tages- und Jahreszeit für jeden Standort unterschiedlich sind.
Es wird noch darauf hingewiesen, dass der Messpunkt 3 im Bereich einer Vertikalen 18 liegt, die auch in Fig. 2 eingezeichnet ist.
Erfindungsgemäß ist nun auf das fotografisch hergestellte Panoramabild 16 mit dem Horizont-Relief 17 das Sonnenbahndiagramm 24 aufgelegt, so dass sich die Darstellung nach Fig. 2 ergibt.
Hieraus ergibt sich, dass beispielsweise die Sonnenlaufbahnlinie 19 der Sonnenumlauf in den Monaten Oktober und Februar ist.
Die höherstehende Sonnenlaufbahnlinie 20 ist der Sonnenlauf beispielsweise am 23. September und am 21. März.
Wie sich nun aus Fig. 2 ergibt, schneiden diese beiden Linien 19, 20 das Hindernis 14, und zwar genau im Bereich der Stundenlinien 21 und 22.
Dies bedeutet, dass in den Monaten September und März sowie Oktober und Februar das Hindernis 14 in der Zeit von 15.00 bis 16.00 Uhr zu einer Abschattung des Messpunktes 3 führt. Selbstverständlich können für alle anderen Objekte im Bereich des Horizont-Reliefs derartige Aussagen ebenfalls getroffen werden. Hierin liegt der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, weil nun über einen Blickwinkel von 360° alle den Horizont bildenden Hindernisse, bezogen auf den Messpunkt 3, in die Schattenanalyse einbezogen werden können.
Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik.
Die Fig. 3 erläutert noch das in Fig. 2 dem Panoramabild 16 überlagerte Diagramm.
Dieses Diagramm besteht aus einem Polarkoordinatensystem 23, in dem einzelne Neigungskoordinaten 26 für den Sonnenstand in Verbindung mit einzelnen Strahlen 25 angeben sind.
Ferner ist das Sonnenbahndiagramm 24 in dieses Polarkoordinatensystem 23 eingezeichnet. Ein solches Sonnenbahndiagramm kann durch Berechnung erzeugt werden und wird in das Polarkoordinatensystem 23 eingezeichnet.
Eine solche Darstellung in Fig. 3 kann auch in digitaler Form aus dem Internet bezogen werden, wo zur Zeit mit einer Auflösung von 0,1° für alle Breitengrade Daten abrufbar sind.
Es besteht damit der Vorteil, dass diese digitale Darstellung nun unmittelbar auch in einem digital erzeugten Panoramabild 16 eingespielt werden kann. Dies zeigt die Fig. 2. Eine solche Technik vermindert den Arbeitsaufwand in entscheidenden Maße, weil mit einfachen Mitteln ein digitales Panoramabild 16 erzeugt werden kann und in noch einfacherer Weise die beiden Dateien aus dem Panoramabild und aus dem Diagramm nach Fig. 3 überlagert werden können, so dass dann die Schnittpunkte von beliebigen Hindernissen 14 mit den entsprechenden Sonnenumlaufbahnlinien 19, 20 ausgedruckt werden können.
Damit ist eine sehr schnelle, genaue und sichere Schattenanalyse am betreffenden Standort 2 möglich. Zeichnungslegende 1 Grundfläche
2 Standort
3 Messpunkt
4 Pfeilrichtungen
5 Stativ
6 Kamera
7 Objektiv (Weltwinkel)
8 Achse
9 Blickwinkel
10 Horizontale
11 Blickstrahl
12 Sonne
13 Strahl
14 Hindernis
15 Sonnenbahn
16 Panoramabild
17 Horizont-Relief
18 Vertikale
19 Sonnenlaufbahnlinie
20 Sonnenlaufbahnlinie
21 Stundenlinie
22 Stundenlinie
23 Polarkoordinatensystem
24 Sonnenbahndiagramm
25 Strahl
26 Neigungskoordinaten

Claims

1. Verfahren zur zeitabhängigen Bestimmung der Sonnenscheindauer bezogen auf einen Standort (2), dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schritte durchlaufen werden:

a) Herstellen einer fotografischen Aufnahme (16) des Horizonts (17) an dem gewünschten Standort (2) mit einer Kamera (6) mit Breitwinkel-Objektiv (7);

b) Überlagern der fotografischen Aufnahme (16) des Horizonts mit Sonnenbahnlinien (19, 20) eines Sonnenbahndiagramms (24) für den Standort (2);

c) Feststellen der Konturen des Horizont-Reliefs (17);

d) Prüfen, wo Hindernisse (14) im Horizont-Relief (17) die Sonnenbahnlinien (19, 20) jeweils schneiden;

e) Aussage über die Beschattung des Standortes (2) in Abhängigkeit von der Jahres- und Tageszeit.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Breitwinkel- Objektiv ein Objektiv mit einem vertikalen Blickwinkel (9) von etwa 180° oder mehr als Fischaugen-Objektiv eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Breitwinkel-Objektiv ein Objektiv mit einem horizontalen Blickwinkel von etwa 360° eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Breitwinkel-Objektiv ein Objektiv mit einem horizontalen Blickwinkel von etwa 90° bis 270° eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (6) eine analoge Kamera ist und die fotografische Aufnahme (16) des Horizonts (17) auf einem lichtempfindlichen Film abgebildet wird.

6. /erfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (6) eine digitale Kamera ist und die fotografische Aufnahme (16) des Horizonts (17) in einem elektronischen Speicher abgebildet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (6) vor dem Schritt 1a) in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nord-Süd- Richtung der Kamera (6) mittels Kompass oder durch Bestimmung der Jahres- und Tageszeit ausgerichtet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse der Kamera (6) vor dem Schritt 1a) etwa in Richtung der Vertikalen bzw. Normalen im Bezug auf die Grundfläche (1) ausgerichtet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonnenbahnlinien (19, 20) des Sonnenbahndiagramms (24) für den Standort (2) mittels Internet und/oder GPS ermittelt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonnenbahnlinien (19, 20) des Sonnenbahndiagramms (24) für den Standort (2) von Hand in den Ausdruck der fotografischen Aufnahme (16) eingezeichnet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonnenbahnlinien (19, 20) des Sonnenbahndiagramms (24) für den Standort (2) elektronisch mit der digitalen fotografischen Aufnahme (16) vermischt werden und auf einem Display angezeigt oder auf Papier ausgedruckt werden.