Tentativa de criar luz solar artificial em casa

Projeto de criação de luz solar artificial

• Contexto do projeto

  • A inspiração veio de um vídeo do DIY Perks, em que ele cria luz solar artificial usando um LED de 500W e um grande refletor parabólico.
  • Buscando um design que ocupasse menos espaço, foi feita uma nova tentativa usando um arranjo de vários LEDs e lentes.

• Ideia de design

  • As lentes foram dispostas em forma de grade, com um LED em cada lente, buscando economizar espaço e facilitar o gerenciamento térmico.
  • Ao longo do processo, foram aprendidas várias técnicas, como modelagem CAD, projeto de PCB e escrita de código Python para otimização do sistema óptico.

• Especificações técnicas

  • Lentes: quadradas de 30 mm, distância focal de 55 mm, arranjo 6x6, totalizando 36 LEDs.
  • LED: LUXEON 2835 3V, CRI 95+, temperatura de cor de 4000K.
  • PCB: projetada no KiCad e fabricada pela JLCPCB.
  • Sistema óptico: uso de um sistema com 2 lentes para melhorar o paralelismo da luz.

• Processo de fabricação

  • As lentes e as peças mecânicas foram produzidas por usinagem CNC.
  • A PCB foi montada pela JLCPCB.
  • Simulações ópticas foram usadas para encontrar o formato ideal das lentes e definir o design final.

• Resultados e avaliação

  • O projeto foi concluído com sucesso e conseguiu reproduzir até certo ponto o efeito de luz solar artificial.
  • Como desvantagens, a intensidade da luz ficou um pouco abaixo do ideal, e o padrão em grade do arranjo de lentes é perceptível.
  • Como melhorias futuras, seriam necessários maior saída de luz, área de superfície mais ampla e um projeto óptico mais preciso.

• Conclusão

  • O projeto permitiu adquirir muito conhecimento sobre projeto de PCB, eletrônica, fabricação CNC e óptica.
  • Também foi possível experimentar as vantagens de uma abordagem baseada em código, aumentando a eficiência no processo de fabricação.
  • Fica aberta a possibilidade de desenvolver uma versão 2 no futuro, com satisfação em relação ao resultado atual.

[GN⁺]

Comentários no Hacker News

• Muito legal. Sou o CEO da Innerscene e nós fabricamos iluminação comercial de céu artificial. O modelo Coelux ht25 é quase idêntico ao que fizemos, mas usa uma lente menor e mais LEDs. Mesmo assim, o efeito que eles alcançaram ainda não é tão bom. Passamos muito tempo aperfeiçoando o paralelismo da luz e escondendo as bordas da lente, para que a visão do céu seja suave e sem artefatos. Acho que os últimos 10% do problema representam 90% do trabalho. Conseguimos resolver isso com sucesso, mas atualmente usamos muitos componentes caros, então estamos trabalhando para reduzir o custo. Se você procurar pelas patentes da Innerscene, encontrará bastante explicação sobre nossa abordagem. Também investimos muito tempo em simulação e software

• O problema dessa configuração, e da maioria das iluminações LED de alta eficiência, é a falta de comprimentos de onda vermelhos. A luz solar real tem uma quantidade significativa de energia na extremidade mais vermelha do espectro visível (700 nm) e no infravermelho. Esta lâmpada tem dois picos espectrais: um pico estreito na faixa do azul, por volta de 450 nm, e um pico mais amplo no verde, centrado em 580 nm. Esse pico verde cai abruptamente e quase não há energia na extremidade vermelha

• Os cones sensíveis à cor em nossos olhos têm três picos de sensibilidade: os cones S na faixa do azul, os cones M no verde e os cones L no amarelo. Os cones L são o que o cérebro usa para ver o vermelho, mas na prática eles não são muito sensíveis ao vermelho profundo, como 700 nm. Por isso, pensamos que uma lâmpada LED produz vermelho, mas na verdade ela não emite muita energia vermelha

• Nosso corpo é sensível à luz vermelha profunda. Os citocromos das mitocôndrias reagem a ela. Há experimentos em que iluminar a pele com luz vermelha melhora o metabolismo do açúcar. Isso faz sentido, porque evoluímos sob a luz do sol rica em vermelho

• Então, esta lâmpada pode parecer luz solar, mas faltam comprimentos de onda importantes

• Quando vi “luz solar artificial”, pensei: “quero ver o espectro da luz que essa pessoa fez”. Fiquei decepcionado ao ver apenas “CRI 95+”. Há um excelente vídeo explicando as limitações do CRI. O brilho e a temperatura de cor são apenas uma pequena parte da iluminação. Mais pessoas deveriam começar a fazer medições espectrais para encontrar a iluminação que funciona melhor para elas. Meus amigos têm opiniões muito diferentes sobre distribuições espectrais de que gostam ou não gostam, mas faltam linguagem e experiência para identificar ou comunicar suas preferências

• Eu uso principalmente lâmpadas LED para reduzir a geração de calor. Mas sempre misturo um pouco de luz incandescente/halógena (2400-3000K) para ver todas as cores maravilhosas do mundo

• Muito legal. Estou trabalhando em uma lâmpada que fornece níveis diurnos de luz em ambientes internos. No lado mais forte, são 50.000 lúmens

• Ao escalar o dispositivo, o principal problema térmico não é a lâmpada, mas o resfriamento da fonte de alimentação. Ao ampliar o dispositivo, eu consideraria uma fonte ATX. Ela é relativamente grande, normalmente já inclui ventilação ativa interna e pode fornecer facilmente centenas de watts em 12V. Em geral, basta ligar o fio PS_ON ao terra para ligá-la

• O DIY Perks também tentou fazer luz solar artificial em casa e focou em coisas como espalhamento de Rayleigh. Esse vídeo foi excelente. O autor do post mencionou especificamente o DIY Perks, e o design dele é muito mais compacto. O tamanho total é 19 cm x 19 cm x 9 cm, o que é bastante compacto para uma distância focal de 5 cm e uma área efetiva de iluminação de 18 cm x 18 cm. Nem o vídeo do DIYPerks nem produtos comerciais como o CoeLux conseguem atingir esse formato

• Legal, mas é possível conseguir filme de aumento de brilho muito barato no AliExpress. O filme de aumento de brilho é um filme óptico transparente. A camada inferior deve ter um revestimento de fundo para fornecer um pouco de difusão, a camada intermediária é uma camada de substrato PET transparente, e a camada superior é uma estrutura de microprismas. Quando a camada de microprismas passa pela estrutura de microprismas da camada superficial, a distribuição da intensidade luminosa é controlada por refração, reflexão interna total, acúmulo de luz etc.

• Fiquei curioso sobre por que escolher trilhas. Há 7 sinais por placa, e todos parecem visar baixa impedância. Você poderia expor cobre na parte de trás da placa e usá-lo como dissipador improvisado. Não há necessidade de se preocupar com o efeito de loops no circuito, mas aqueles pequenos loops triangulares estranhos na parte de trás chamam atenção

• Fiz algo parecido no ano passado, mas foquei mais no espectro e usei iluminação cinematográfica de alta potência, com uma saída espectral muito melhor. Você consegue obter a maior parte do efeito de luz paralela adicionando o hiper-refletor que acompanha a maioria dessas luzes. Depois adicionei uma lâmpada térmica incandescente para preencher a parte IR do espectro e uma luz UV LED dedicada para a parte UVA. Eu não tinha como encaixar uma lâmpada dedicada a UVB

• Também fiquei obcecado em fazer luz solar artificial em casa. No fim, a solução que escolhi foi uma lâmpada LED estilo cone equivalente a 300W, de baixo orçamento (4000 lm), e uma lâmpada térmica incandescente de 250W. Decidi focar mais no calor do que na paralelização da luz. O custo total foi de cerca de $75