Světelná vizualizace technologií a etap výstavby solárního komplexu na jeho modelu
-- Ing. Petr Kadlec, Foxtron, s.r.o. --
V posledních několika letech se hodně hovoří a píše o obnovitelných zdrojích energie. Favoritem v tomto oboru je solární energie a solární elektrárny. U mnoha lidí v ČR je tento způsob výroby elektrické energie vnímán spíše negativně, a to vlivem štědrých dotací, zvyšujících cenu elektřiny, záboru zemědělské půdy a také různých „čachrů“ s termíny uvádění elektráren do provozu. Odhlédne-li se od těchto odstranitelných nedostatků, je třeba uznat, že využívání solární energie má budoucnost. Světové zásoby fosilních paliv se rychle zmenšují, ne každý stát má dostatek vodní energie a ne každý stát je ochoten stavět na svém území jaderné elektrárny. Je zřejmé, že spotřeba elektřiny ve světě stále poroste a že výroba malých lokálních elektráren (solárních či větrných) uspokojí jen malé procento poptávky Plánuje se proto budování obřích komplexů solárních elektráren a minimálně ze tří důvodů je logické, že jsou projektovány do pouští. Uvažuje se o africké Sahaře, pouštích na Blízkém východě, v Kalifornii apod. Prvním důvodem je, že komplex nezabírá zemědělskou (ani jinak využitelnou) půdu, druhým je množství slunečních dní v těchto oblastech. Třetím důvodem pro bohaté státy Blízkého východu, proč investovat do obnovitelných zdrojů, je snaha nahradit výpadek příjmů po vytěžení zásob ropy a zemního plynu příjmy z vývozu elektřiny.
Obr. 1. Modely Celek a Detail
S konkrétní podobou jednoho z projektů se autor tohoto článku setkal letos na začátku roku, kdy jejich společnost Foxtron oslovila firma Neovisual, která dostala zakázku zhotovit pro zákazníka z oblasti Perského zálivu prostorový (3D) model takovéhoto komplexu solárních elektráren. Model měl být doplněn osvětlením a řídicím systémem tak, aby na něm bylo možno různými barvami prezentovat různorodé technologie pro přeměnu solární energie na elektrickou (zdaleka nejde jen o fotovoltaické panely, dobře známé u nás) a zároveň představovat jednotlivé etapy výstavby komplexu. Modely byly realizovány dva, jeden znázorňující celý komplex v měřítku 1 : 5 000 a druhý představující výřez z celku (obr. 1). Velikost projektovaného komplexu ilustrují rozměry modelu celku, které, i přes malé měřítko, vyšly na přibližně 2 × 3 m (v reálu 10 × 15 km!). Vzhledem k podobnému řešení obou modelů se autor v tomto článku zaměří pouze na model celku.
Obr. 2. Rozdělení podle technologií
Obr. 3. Rozdělení podle etap výstavby
Požadované barevné rozdělení modelu nazvaného Celek podle solárních technologií ukazuje obr. 2, barevné rozdělení téhož modelu podle etap výstavby ukazuje obr. 3.
Čím a jak svítit
Nejprve bylo třeba vyřešit, jak světelnými prostředky vizualizovat vybrané technologie a etapy výstavby. Bylo zřejmé, že je velmi obtížné řešit tento úkol světelnými zdroji umístěnými nad modelem. Padlo tedy rozhodnutí, že model bude vyroben z matného transparentního materiálu a světelné zdroje budou umístěny pod jeho povrchem. Vybrané plochy budou tedy barevně znázorněny prosvícením vybraných částí modelu. Po několika několika světelných zkouškách bylo pro povrch modelu zvoleno organické sklo s UV potiskem, jednotlivé technologie byly zhotoveny kombinací frézování CNC a 3D tisku.
Jako světelné zdroje vhodné pro rovnoměrné prosvícení povrchu se ukázaly samolepicí LED pásky s RGB diodami (obr. 4). Pásky jsou osazeny výkonnými diodami SMD LED v pouzdru 5060, které nejsou vybaveny žádnou optikou, a tak je úhel jejich poloviční svítivosti 120°. Pásky jsou určeny pro napájení stejnosměrným napětím 12 V, jejich jmenovitý příkon je možné jejich délku volit v násobcích 5 cm. Zvolenému typu vizualizace ploch musela být přizpůsobena také konstrukce modelu. Aby byly prosvětlené plochy dobře ohraničené a světlo mezi sousedními plochami se neovlivňovalo, bylo nutné rozdělit prostor pod modelem do komor, jejichž tvar tyto plochy kopíroval. Komory měly odnímatelné dno, na němž byly LED pásky přilepeny. Pro dosažení rovnoměrného prosvětlení povrchu modelu byla stanovena hloubka komor (a tedy vzdálenost LED od povrchu modelu) na 7 cm. Prostor pod modelem celku byl rozdělen do 35 částí, reprezentujících 35 samostatně svítících RGB okruhů.
Obr. 4. RGB LED pásek
Čím a jak řídit
Pro míchání barev částí bylo nezbytné svítivost RGB barev v jednotlivých částech řídit. K řízení svítivosti LED pásků se používá princip PWM (Pulse Width
Modulation – pulzně šířková modulace), tedy tzv. PWM regulátory. Při počtu řízených okruhů 105 (35 × 3), bylo zřejmé, že nemá-li být model zdola „zadrátován“ chuchvalci kabelů, bude vhodné k řízení barev jednotlivých částí použít sběrnicový řídicí systém a regulátory pod modelem rozložit tak, aby byly co nejblíže k částem, jejichž svítivost měly regulovat.
V úvahu přicházely dva takové systémy – vyznačující se širokým sortimentem PWM regulátorů často se třemi výstupy pro RGB) a přijatelně nízkou cenou. Šlo o systém DMX, hojně využívaný k řízení světelné jevištní techniky nebo DALI (Digital Addressable Lighting Interface), prosazující se v posledních letech i v interiérovém osvětlení. Cena a výkon regulátorů vycházely přibližně stejně, a tak výběr pokračoval podle dalších hledisek: velikosti adresového prostoru jedné sběrnice, složitosti instalace a požadavků na řídicí software.
Zatímco z pohledu prvního kritéria je lepší DMX protokol (512 adres oproti 64 adresám u DALI), druhá dvě hlediska hovoří ve prospěch sběrnice DALI. Pro rozvod sběrnice DALI do zařízení lze, na rozdíl od krouceného páru u DMX, použít téměř jakékoliv dva vodiče, navíc není třeba hlídat polaritu připojení vodičů k zařízení, nejsou nutné terminační rezistory a nehrozí nutnost použít rozbočovací členy. (Většina přijímačů v DMX zařízeních má totiž takový vstupní odpor, že vysílač zvládne vybudit signál pouze pro 32 takových přijímačů.) Rozhodující však bylo hledisko náročnosti na řídicí software. Při protokolu DMX musí tento software počítat okamžitou úroveň každého okruhu v každém okamžiku a do jednotlivých zařízení posílat tyto vypočtené úrovně v rychlém sledu (aby byly přechody plynulé), což může být při postupném prolínání více okruhů výpočetně náročné.
V případě protokolu DALI pošle řídicí software do zařízení pouze cílovou úroveň a čas, za který se má zařízení na tuto úroveň dostat. Zařízení si pak samo rozloží průběh stmívání v čase a počítá si okamžité úrovně, kterými při přechodu prochází.
Volba tedy padla na protokol DALI, ačkoliv to znamenalo rozdělit zařízení na dvě sběrnice tak, aby na žádné z nich nebylo připojeno více než 64 adres. Jako převodník na PWM byl vybrán regulátor DALI/3x PWM italského výrobce QLT (obr. 5). Elektronika převodníku je napájena stejnosměrným napětím 12 V, které zároveň napájí tři PWM výstupy.
Obr. 5. Regulátor DALI/3xPWM (QLT)
Prostřednictvím každého výstupu je převodník schopen regulovat napájecí napětí do okruhu LED až do proudu 2 A. Jako zdroje napětí pro napájení LED pásků za použití PWM regulátorů byly použity tři průmyslové spínané zdroje firmy MeanWell, každý s výkonem až 150 W. K napájení sběrnic DALI byly vybrány osvědčené napájecí zdroje DALIpwr (obr. 6) výrobce Foxtron.
Obr. 6. DALIpwr (Foxtron)
Páteřní trasy kabelů, které procházejí modelem, byly tvořeny vkládacími žlaby s perforovanýmí bočnicemi, aby z nich mohly odbočky z napájecích a sběrnicových vodičů vycházet v místech co nejblíže PWM regulátorům. Pro tyto odbočky byly zvoleny jednoduché lisovací spojky (obr. 7), které se používají v automobilové technice. Úhlopříčka dotykového panelu, pomocí kterého mají být technologie a etapy výstavby představovány, se postupně zvětšovala z původního požadavku 5,7" na konečných 12". K tomuto účelu byl vybrán kompaktní panelový počítač APPC 1235T bez točivých částí s pasivním chlazením výrobce Nexcom (obr. 8).
Obr. 7. Lisovací spojka
Obr. 8. Panelový počítač (Nexcom)
Obr. 9. DALI232 (Foxtron)
Na jeho dvě sériová rozhraní RS-232 byly připojeny převodníky na DALI s označením DALI232 (obr. 9) výrobce Foxtron. Tím byl model po hardwarové stránce hotov (obr. 10). Základem softwarového vybavení panelového počítače je program standardně používaný v dotykových ovladačích firmy Foxtron k ovládání systémů s protokolem DALI. Ten usnadňuje vytváření statických i dynamických scén, nastavování spouštěčů a podmínek spouštění těchto scén, umožňuje volbu počtu i názvů tlačítek pro jejich manuální vyvolávání a mnoho dalších užitečných funkcí. Do programu byla doplněna možnost přepínat mezi angličtinou a arabštinou (obr. 11).
Obr. 10. Blokové schéma zapojení
Obr. 11. Volitelné jazykové mutace na obrazovce počítače
Po sestavení modelu a zapojení elektronických dílů bylo třeba nastavit parametry PWM regulátorů (adresy, přiřadit je do skupin a nastavit jejich výstupní úrovně v různých scénách). Užitečným nástrojem pro tuto činnost je konfigurační software Dali-Config, který je volně ke stažení na www.Foxtron.cz. Při parametrizaci PWM regulátorů bylo nutné ve scénách nastavit takové jejich výstupní úrovně, aby jejich RGB kombinace vytvořila v každé části požadovanou barvu. Při experimentech s barvami se ukázalo, že dochází k jejich míchání s modrou barvou, kterou je na modelu znázorněn povrch zrcadel. Při prosvícení barvami s výrazným podílem modré složky zrcadla mizela, při prosvícení barvami s převahou červené složky zřetelně vystupovala v temně fialové barvě. Tato vlastnost není překážkou při prezentaci etap výstavby, kdy není věrné podání barev tak podstatné (obr. 12). Namíchat ale devět výrazně rozdílných barev tak, aby byly technologie zobrazeny věrně, nebylo možné.
Obr. 12. Model – vizualizace etap výstavby
Obr. 13. Model – všechny technologie rozsvíceny
Po konzultaci se zákazníkem bylo rozhodnuto všechny technologie podsvítit bílou barvou, která vzhled modelu nejméně zkresluje (obr. 13). Oblasti se stejnou technologií se z dotykového panelu rozsvěcejí samostatně, a tak lze technologie snadno prezentovat jednotlivě. Po naprogramování scén a důkladném vyzkoušení všech funkcí byly modely zabaleny do beden a expedovány do Kuvajtu. Tam byly poté pracovníky firem Neovisual a Foxtron složeny, zapojeny a „oživeny“.
Obr. 14. Prezentace projektu v Emírově paláci
Oficiálně byl projekt solárního komplexu prezentován v Emírově paláci koncem května tohoto roku (obr. 14). Modely svým precizním provedením a rozmanitou barevnou hrou vzbudily zaslouženou pozornost.
Kdoví, zda i díky nim nepřiteče v blízké budoucnosti do evropských zásuvek proud až ze vzdáleného Kuvajtu.
Investor: Fichtner GmbH & Co. KG
Výroba modelů: Neovisual
Osvětlení: Foxtron s. r. o.
Foxtron s. r. o.
Jeseniova 1522/53, 130 00 Praha 3
tel.: +420 274 772 527, 274 775 085
e-mail.: info@foxtron.cz
www.foxtron.cz