Myšlenka obnovení slunečního světla v interiéru již dlouho fascinuje mnoho nadšenců, zejména pro výhody, které by to přineslo, od růstu našich rostlin a ovoce až po řízení našeho cirkadiánního cyklu. Sluneční světlo je nezbytné pro tvorbu vitaminu D v lidském těle, pomáhá regulovat cirkadiánní rytmy a zlepšuje náladu, a proto je jeho simulace v interiéru velmi zajímavým tématem.
Perks ve svém videu dosáhl toho, že simuloval přirozené světlo pomocí reflektoru na velké satelitní anténě, což způsobilo, že světlo dopadalo na simulované okno. Výsledek je úžasný a díky tomuto videu se objevily i další zajímavé projekty, například ten, o který se podělil Victor Poughon, softwarový inženýr, který, aniž by dosáhl tohoto výsledku, je také užitečným způsobem simulace přirozeného světla.
Související článek
Slunce sestavené z parabolické antény
Podle Perkse odrážejí satelitní antény vzdálené rádiové vlny v jediném bodě, protože jsou obvykle výsečí paraboly. Obrácením tohoto procesu a tím, že parabola odráží světelné vlny, je možné vyzařovat paralelní paprsky světla instalací jasné LED diody v jejím ohnisku. Tento princip je podobný způsobu, jakým fungují zrcadlové dalekohledy, kde parabolická zrcadla soustřeďují světlo v ohniskovém bodě.
Díky tomu se světlo z LED diody při odrazu od parabolické antényjeví jako nekonečné a stíny z ní vrhané jsou rovnoběžné. K dosažení tohoto namodralého a poněkud zamračeného efektu navíc využívá něco velmi jednoduchého: mýdlo a vodu. Rozpuštěním mýdla se dosáhne takzvaného Tyndallova efektu, který způsobí, že světlo prosvítá skrze rozpuštěné částice, takže lze vytvořit tento realistický efekt. Jedná se o stejný jev, který způsobuje modrou barvu oblohy, kdy částice v atmosféře rozptylují modré světlo více než jiné vlnové délky.
To, čeho Perks ve svém videu dosahuje, je verze s mnohem větší intenzitou, a tedy i většími energetickými náklady. Pro Perkse byl tento prototyp vzrušující, a proto také inspiroval mnoho dalších tvůrců k vytvoření vlastní verze, například samotného Victora Poughona.
Miniaturní umělé slunce
Jak již bylo zmíněno, původní návrh DIY Perks používal velký parabolický reflektor, což představovalo problém s místem. S ohledem na to se tvůrce tohoto projektu rozhodl pro jiný přístup: místo jediného světelného zdroje a reflektoru použil soustavu čoček a soustavu LED diod rozmístěných v mřížce. Tato metoda umožňuje rovnoměrnější rozložení světla a je lépe přizpůsobitelná různým prostorovým konfiguracím.
Podle nadšence tato konfigurace nabízí dvě klíčové výhody. Na jedné straně umožnila kompaktnější konstrukci, protože použité čočky měly malé rozměry a krátkou ohniskovou vzdálenost, díky čemuž bylo zařízení lépe ovladatelné, aniž by byla ohrožena kvalita světla. Na druhé straně se zlepšila správa tepla, protože místo jedné výkonné LED diody bylo použito několik LED diod s nižší intenzitou po celém povrchu zařízení, což snížilo potřebu pokročilých chladicích systémů. To má zásadní význam pro zamezení přehřívání a prodloužení životnosti LED diod.
LED diody, dobrá implementace elektroniky a spousta vynalézavosti
Proces návrhu byl pro tohoto softwarového vývojáře učební křivkou, protože neměl žádné předchozí zkušenosti s výrobou nebo 3D designem. Při vývoji projektu se uchýlil k různým nástrojům. Použití modelovacího a simulačního softwaru je pro projekty tohoto typu nezbytné, protože umožňuje vizualizaci a optimalizaci návrhu před výrobou.
Pro modelování v CAD a ověřování sestavy použil Build123d a FreeCAD, zatímco pro návrh elektronických obvodů použil KiCad. Napsal také kód v jazyce Python pro optickou simulaci a optimalizaci soustavy čoček. A konečně pro výrobu součástek využil služeb společnosti JLCPCB, která mu umožnila vyrobit desky plošných spojů a hliníkové a plastové díly pomocí CNC obrábění.
Technické specifikace
Výsledné zařízení má následující specifikace:
- Soustava čoček: mřížka 6×6 (celkem 36 čoček) o velikosti 30 mm na každé straně.
- Efektivní ohnisková vzdálenost: 55 mm.
- Zdroj světla: LED LUXEON 2835 3V (CRI 95+, 4000K, 65mA).
- Difuzor: Voděodolná fólie pro inkoustový tisk.
- Uchycení: Hliníková základna a díly potištěné matnou černou pryskyřicí.
Podle vývojáře je pro simulaci slunečního světla nezbytné, aby paprsky byly co nejvíce rovnoběžné. V přírodě k tomu dochází díky velké vzdálenosti od slunce, ale v umělém systému jsou zapotřebí vhodné optické prvky. Návrh zahrnoval dvě hlavní čočky: parabolickou bikonvexní čočku a parabolickou planokonvexní čočku. Jejich kombinace pomohla zlepšit kvalitu vyzařovaného světla, ačkoli návrh zahrnoval několik kompromisů mezi optickou účinností, vyrobitelností a tloušťkou zařízení.
Rekonstrukce slunečního světla vyžaduje nejen paralelní rozložení paprsků, ale také vysokou intenzitu světla. Přímé sluneční světlo dosahuje přibližně 100 000 luxů (lumenů na metr čtvereční), což je hodnota, které se LED diody těžko vyrovnají. Pro první verzi projektu byla stanovena cílová hodnota 10 000 luxů, což umožnilo snížit spotřebu energie, aniž by to příliš ovlivnilo vnímání jasu. Nakonec bylo dosaženo efektivní intenzity mezi 1 000 a 10 000 luxy. Tato intenzita je dostatečná pro použití ve vnitřních prostorách a pro zlepšení pohody bez spotřeby energie jako při přímém slunečním světle.
Čočky byly vyrobeny z PMMA akrylátu pomocí CNC, s povrchovou úpravou leštěnou parou a cenou přibližně 55 eur (1375 korun). Pro výrobu obvodů byly desky plošných spojů navrženy v programu KiCad a odeslány do výroby s již osazenými LED diodami, čímž se předešlo nutnosti ručního pájení. Tento přístup nejen šetří čas, ale také zvyšuje přesnost a spolehlivost montáže.
Z hlediska montáže se zařízení skládá ze tří hlavních částí. Hliníková základna drží desky plošných spojů a umožňuje průchod světla strategicky umístěnými otvory. Boční stěny plní funkci držení čoček a spojují se se základnou, čímž zajišťují strukturální stabilitu. A konečně, kryty světel odpovídají za usměrnění toku světla a minimalizaci světelných ztrát.
Konečný výsledek byl pro tohoto tvůrce uspokojivý
Podařilo se mu vyrobit funkční zařízení, které se sice intenzitou nevyrovná slunečnímu světlu, ale poskytuje kvalitní osvětlení v kompaktním provedení. Tvůrce se však domnívá, že je co zlepšovat, a plánuje výrobu druhé verze s výkonnějšími LED diodami a optimalizovaným systémem čoček. Toto neustálé opakování je klíčové pro vývoj inovativních technologií, které umožňují postupné zlepšování účinnosti a funkčnosti.