Bereich des Passagier-Verkehrs; im Jahr 2009 reisten 50.932.840 Passagiere über Frankfurt
(vgl. [ACI]). Die Infrastruktur zwischen Menschen, Fahrzeugen, Gepäckbeförderung und
Flugzeugen ist hochkomplex organisiert und fein aufeinander abgestimmt. Etwa jede
Minute landet eine Maschine. Auch der Energieverbrauch ist enorm; er entspricht dem
Verbrauch einer mittleren Stadt, allein pro Stunde belaufen sich die Kosten der Energie
für Gebäude und Einrichtungen für die betreibende Firma Fraport AG auf 11.000 Euro
(vgl. [Ab10]).
In der Zukunft werden Systeme zur Gewinnung erneuerbarer Energie in allen Bereichen
des Lebens immer selbstverständlicher, da die Ressourcen knapper werden und erneuerbare
Energie geringere Abhängigkeit von öffentlichen Netzen bedeutet. Die populärste
Form moderner regenerativer Kraftwerke sind Photovoltaik-Anlagen. Seit Jahren werden
sie für den Betrieb von Parkscheinautomaten und zur Entlastung von Privathaushalten
verwendet, doch vor allem solarenergetische Großprojekte sind im Vormarsch. Satelliten
und Raumstationen nutzen seit Beginn der Raumfahrt Sonnenkollektoren zur Energiegewinnung,
in der Sahara befinden sich Projekte in Planung, nach denen neue Solarfelder
ganze Staaten mit Energie versorgen können sollen. Die einzigen Voraussetzungen dafür
sind Sonnenstrahlung und Sammelfläche. Im Fall eines Flughafens bietet sich diese Form
der Energiegewinnung an, sofern sich dieser in einem Gebiet ertragreicher solarer Einstrahlung
befindet. Wie dem Diagramm A.1 des Joint Research Centre der Europäischen
Kommission (vgl. [EC10]) zu entnehmen ist, befindet sich der Standort Frankfurt am
Main in einem Gebiet, in welchem Solarenergiegewinnung zu erwägen ist. Gerade das
Großangebot verfügbarer Freiflächen am Flughafen macht deren wirtschaftliche Nutzung
attraktiv. Doch zuallererst ist der Flughafen ein Verkehrsbetrieb, darum müssen Änderungen
der Infrastruktur insbesondere auf deren Auswirkungen auf die Prozesse getestet
werden, um einen reibungslosen Verkehrsablauf und die Sicherheit aller Menschen zu
gewährleisten.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1. Ziel der Arbeit
1.2. Existierende Projekte
1.3. Aufbau der Arbeit
2. Grundlagen
2.1. Astronomie
2.2. Geodäsie
2.3. Photovoltaik
2.4. Photometrie
2.5. Perzeption
2.6. Flughafen
2.7. Flugbetrieb
2.8. Das Programm CyViation Animator
3. Umsetzung des Simulations-Programms Fraport Visualisierung & Simulation (FraVIS)
3.1. Anforderungen an das Programm
3.2. Aufbau der Software FraVIS
3.3. Visualisierung
3.4. Datenerstellung
3.5. Benutzeroberfläche
3.6. Konzept für die Umsetzung in CyViation Animator
4. Ergebnisse und Bewertung
4.1. Ergebnis der Anforderungsauswertung
4.2. Ergebnis der Datenauswertung
4.3. Ergebnis der Benutzeroberflächenauswertung
4.4. Fazit & Ausblick
A. Daten
B. Algorithmen
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Demonstration eines Simulationsprogramms (FraVIS), um die Auswirkungen potenzieller Photovoltaik-Anlagen auf der Lärmschutzwand des Frankfurter Flughafens auf den Flugbetrieb zu analysieren, insbesondere im Hinblick auf gefährliche Blendeffekte für Piloten und Fluglotsen.
- Grundlagen der Physik, Astronomie, Photovoltaik und Geodäsie für die Blendungsberechnung.
- Modellierung des Flughafengeländes und der Flugbetriebsrouten im Szenegraphen.
- Umsetzung eines Prototyps (FraVIS) mit visueller Blendungssimulation.
- Evaluierung der Anforderungen und Bewertung der Datenauswertung.
- Konzeptübertragung für die Implementierung in bestehende Tools wie den CyViation Animator.
Auszug aus dem Buch
3.4.3. Schnitttest
Die charakteristischste Eigenschaft eines Szenegraphen ist die Anlegung einer Hierarchie in Form eines Baumes, an dessen Knotenpunkten einzelne Blätter beziehungsweise Objekte liegen. Jedes Objekt kann abhängig gemacht werden von einem elterlichen Objekt und gleichzeitig mehrere Kind-Objekte besitzen. Die Auswirkung davon ist, dass durch die Bewegung eines Objektes auch alle abhängigen Objekte um das elterlich gegebene Zentrum transformiert werden.
Im Fall der Flugroutenkorridore bedeutet die Anfertigung einer Hierarchie, dass jedes einzelne Segment zu einem Eltern-Objekt hinzugefügt wird. Der Eltern-Knoten braucht hierbei keine eigene Geometrie zu beinhalten, sondern stellt die Basis für die gesamte Flugroute bereit, deren Dimension sich nach jedem Segment weiter in den Raum erstreckt. Für den Test, ob ein Blendstrahl einen Teil der Flugroute trifft, kann diese Hierarchie von der Wurzel bis zum kleinsten Blatt geprüft werden.
Ist ein Blatt erreicht, erfolgt der Test, ob die Geometrie getroffen wurde oder der Treffer lediglich im leeren Bereich des AABBs liegt. Dafür wird die Geometrie innerhalb des Blattes Stück für Stück betrachtet. In diesem Programm wird mit Polygon-Modellen gearbeitet, jedes Polygon besteht aus einzelnen Dreiecken. Jedes Dreieck verfügt zudem über Informationen, wohin die Normale eines jeden Eckpunktes zeigt, sodass festgestellt werden kann, auf welcher Seite des Dreiecks sich die Innenseite des geometrischen Körpers befindet und auf welcher Seite sich das Objekt oder der Strahl befindet, der dagegen getestet werden soll. Jedes Segment der Flugroute ist ein Oktaeder, bestehend aus sechs Flächen, die sich in zwölf Dreiecke teilen. Also müssen für jedes Segment einer Flugroute maximal zwölf Tests gemacht werden, die feststellen, ob ein Schnitt stattgefunden hat.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die Ausgangslage am Frankfurter Flughafen und definiert das Ziel, die Auswirkungen potenzieller Photovoltaik-Anlagen auf den Flugbetrieb visuell zu simulieren.
2. Grundlagen: Erläutert die notwendigen physikalischen, astronomischen und geodätischen Parameter sowie photometrische Modelle und die Struktur des Flughafenbetriebs für die Simulation.
3. Umsetzung des Simulations-Programms Fraport Visualisierung & Simulation (FraVIS): Detailliert die technische Architektur des Prototyps, die Implementierung der Schnitttests für Blendstrahlen und die Gestaltung der grafischen Benutzeroberfläche.
4. Ergebnisse und Bewertung: Analysiert die Erfüllung der Anforderungen, präsentiert die Datenauswertungen der Blendvorkommen für das Jahr 2010 und gibt einen Ausblick auf potenzielle Verbesserungen.
Schlüsselwörter
Photovoltaik, Flughafen Frankfurt, Blendeffekt, Simulation, Flugbetrieb, Reflexion, Strahlenoptik, FraVIS, Szenegraph, Schnitttest, Flugrouten, Sonneneinstrahlung, Computervisualistik, Solarmodule, Sicherheit.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der visuellen Simulation möglicher Blendeffekte durch Photovoltaik-Anlagen auf der Lärmschutzwand des Frankfurter Flughafens und deren Auswirkung auf den Flugbetrieb.
Was sind die zentralen Themenfelder der Analyse?
Die zentralen Themen sind die mathematisch-physikalische Berechnung von Sonnenständen und Reflexionsstrahlen sowie deren geometrische Interaktion mit definierten Flugrouten im 3D-Raum.
Welches primäre Ziel verfolgt die Arbeit?
Das Ziel ist die Erstellung eines Prototyps (FraVIS), der Planern bei der Beurteilung hilft, ob und wann eine installierte Photovoltaik-Anlage Piloten oder Fluglotsen durch Blendung gefährden könnte.
Welche wissenschaftliche Methode wird zur Simulation verwendet?
Es wird eine modellbasierte Simulation in einem Szenegraphen verwendet, die mittels geometrischer Schnitttests zwischen Reflexionsstrahlen und definierten Flugrouten-Volumina (Frusta) das Blendrisiko ermittelt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil konzentriert sich auf die technische Umsetzung, den Aufbau der Software-Architektur (C++, Ogre3D), die mathematische Modellierung der Flugrouten und die Entwicklung der Benutzeroberfläche zur Steuerung der Simulation.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Photovoltaik, Blendeffekt, Simulation, Flugbetrieb, Flugrouten, Strahlenoptik, Schnitttest und FraVIS sind die bestimmenden Begriffe.
Wie werden die Flugrouten im System modelliert?
Flugrouten werden nicht als einzelne Flugzeuge, sondern als geometrische Korridore in Form von Frusta (aneinandergereihte Volumina) abgebildet, um alle möglichen Positionen einer Maschine sicher abzudecken.
Warum wird die Antireflexionsbeschichtung in der Simulation berücksichtigt?
Sie dient als realistischerer Parameter (Average-case), um den Unterschied in der reflektierten Beleuchtungsstärke im Vergleich zu einer unbeschichteten Anlage (Worst-case) mathematisch darzustellen.
Welche Rolle spielt die Zeit in der Simulation?
Die Zeit ist entscheidend, da die Sonnenposition minütlich und jährlich variiert; das Programm ermöglicht daher die Berechnung der Blendgefahr für jede Sekunde des Jahres.
- Arbeit zitieren
- Alexander Wollert (Autor:in), 2011, Visualisierung von Photovoltaik-Anlagen und deren Auswirkungen auf den Flugbetrieb am Beispiel des Flughafen Frankfurts, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/178531
