Intenté crear luz solar artificial en casa

Proyecto para crear luz solar artificial

• Contexto del proyecto

  • Se inspiró al ver un video de DIY Perks en el que se creaba luz solar artificial usando un LED de 500W y un gran reflector parabólico.
  • Pensando en un diseño que ocupara menos espacio, probó una nueva propuesta usando varios LED y un arreglo de lentes.

• Idea de diseño

  • Colocó el arreglo de lentes en forma de cuadrícula y puso un LED para cada lente, buscando ahorrar espacio y facilitar la gestión térmica.
  • Aprendió varias técnicas, como modelado CAD, diseño de PCB y escritura de código en Python para optimizar el sistema óptico.

• Especificaciones técnicas

  • Lentes: 30 mm cuadrados, distancia focal de 55 mm, arreglo de 6x6 para un total de 36 LED.
  • LED: LUXEON 2835 3V, CRI 95+, temperatura de color de 4000K.
  • PCB: diseñado con KiCad y fabricado por JLCPCB.
  • Sistema óptico: uso de un sistema de 2 lentes para mejorar el paralelismo de la luz.

• Proceso de fabricación

  • Las lentes y las piezas mecánicas se fabricaron mediante mecanizado CNC.
  • El PCB fue ensamblado por JLCPCB.
  • Mediante simulación óptica, encontró la forma de lente óptima y definió el diseño final.

• Resultados y evaluación

  • El proyecto se completó con éxito y logró reproducir en cierta medida el efecto de luz solar artificial.
  • Como desventajas, la intensidad de la luz fue algo insuficiente y el patrón de cuadrícula del arreglo de lentes resultó visible.
  • Como mejoras futuras, harían falta una salida de luz más potente, una superficie más amplia y un diseño óptico más preciso.

• Conclusión

  • A través del proyecto adquirió mucho conocimiento sobre diseño de PCB, electrónica, fabricación CNC y óptica.
  • También experimentó las ventajas de un enfoque basado en código, aumentando la eficiencia en el proceso de fabricación.
  • Deja abierta la posibilidad de desarrollar una versión 2 en el futuro y está satisfecho con el resultado actual.

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Comentarios de Hacker News

• Está muy genial. Soy el CEO de Innerscene y hacemos iluminación comercial de cielo artificial. El modelo Coelux ht25 es casi idéntico a lo que hicimos nosotros, pero usa una lente más pequeña y más LEDs. Sin embargo, el efecto que lograron sigue sin ser tan impresionante. Nosotros invertimos mucho tiempo en conseguir luz perfectamente paralela y en ocultar los bordes de la lente para que la vista hacia el cielo se vea fluida y sin artefactos. Creo que el último 10% del problema representa el 90% del trabajo. Nosotros logramos resolverlo, pero por ahora usamos muchos componentes costosos, así que estamos trabajando en bajar el costo. Si buscan las patentes de Innerscene, ahí se explica bastante de nuestro enfoque. También invertimos mucho tiempo en simulación y software

• El problema con esta configuración, y con la mayoría de la iluminación LED de alta eficiencia, es la falta de longitudes de onda rojas. La luz solar real tiene una cantidad considerable de energía en el extremo más rojo del espectro visible, alrededor de 700 nm, y en el infrarrojo. Esta lámpara tiene dos picos espectrales: un pico estrecho en el rango azul, alrededor de 450 nm, y un pico más amplio en el verde, centrado en 580 nm. Ese pico verde cae bruscamente y casi no tiene energía en el extremo rojo

• Los conos sensibles al color en nuestros ojos tienen tres picos de sensibilidad. Los conos S en el rango azul, los conos M en el verde y los conos L en el amarillo. El cerebro usa los conos L para ver el rojo, pero en realidad no son muy sensibles al rojo profundo, como 700 nm. Por eso creemos que una lámpara LED produce rojo, pero en realidad no emite mucha energía roja

• Nuestro cuerpo es sensible a la luz roja profunda. Los citocromos de las mitocondrias reaccionan a ella. Hay experimentos en los que iluminar la piel con luz roja mejora el metabolismo del azúcar. Esto tiene sentido si pensamos que evolucionamos bajo luz solar rica en rojo

• Así que esta lámpara puede parecerse a la luz solar, pero le faltan longitudes de onda importantes

• Vi "luz solar artificial" y pensé: "quiero ver el espectro de la iluminación que hizo esta persona". Ver solo "CRI 95+" me decepcionó. Hay un video excelente que explica las limitaciones del CRI. El brillo y la temperatura de color son solo una pequeña parte de la iluminación. Más gente debería empezar a medir espectros para encontrar la luz que mejor le funciona. Mis amigos tienen opiniones muy distintas sobre qué distribuciones espectrales les gustan o no, pero les falta el lenguaje y la experiencia para identificar o comunicar sus preferencias

• Yo uso principalmente focos LED para reducir la generación de calor. Pero siempre mezclo un poco de luz incandescente/halógena (2400-3000K) para poder ver todos los colores maravillosos del mundo

• Está increíble. Estoy trabajando en una lámpara que proporcione niveles de luz diurna en interiores. En el lado brillante, llega a 50,000 lúmenes

• Al escalar el dispositivo, el principal problema térmico no es la lámpara sino la refrigeración de la fuente de alimentación. Al escalarlo, consideraría una fuente de alimentación ATX. Son relativamente grandes, por lo general ya incluyen ventilación activa interna, y pueden suministrar fácilmente cientos de watts a 12V. Normalmente solo hay que conectar el cable PS_ON a tierra para encenderla

• DIY Perks también intentó hacer luz solar artificial en casa, enfocándose en cosas como la dispersión de Rayleigh. Ese video estuvo excelente. El OP mencionó específicamente a DIY Perks, y el diseño del OP es mucho más compacto. El tamaño total es de 19 cm x 19 cm x 9 cm, lo cual es bastante compacto para una distancia focal de 5 cm y un área de iluminación efectiva de 18 cm x 18 cm. Ni el video de DIYPerks ni productos comerciales como CoeLux logran esta forma

• Está genial, pero en AliExpress se puede conseguir película de mejora de brillo muy barata. La película de mejora de brillo es una película óptica transparente. La capa inferior debe tener un recubrimiento posterior para aportar un poco de difuminado, la capa intermedia es una capa de sustrato PET transparente, y la capa superior tiene una estructura de microprismas. Cuando la estructura de microprismas de la capa superficial es atravesada, la distribución de intensidad de la luz se controla mediante refracción, reflexión interna total, acumulación de luz, etc.

• Me pregunto por qué eligió trazas. Hay 7 señales por placa y todas parecen buscar baja impedancia. Se podría dejar cobre expuesto en la parte trasera de la placa para usarlo como disipador térmico improvisado. No hace falta preocuparse por el efecto de los bucles en el circuito, pero sí llama la atención ese pequeño bucle triangular raro en la parte trasera

• El año pasado hice algo parecido, pero me enfoqué más en el espectro y usé iluminación cinematográfica de alta potencia, cuyo rendimiento espectral es mucho mejor. Con solo añadir el hiperrreflector que viene con la mayoría de las luces, se puede obtener la mayor parte del efecto de luz paralela. Luego agregué una lámpara térmica incandescente para completar la parte IR del espectro y una luz LED UV dedicada para la parte UVA. No tenía una carcasa donde cupiera además una lámpara dedicada para UVB

• Yo también me clavé en hacer luz solar artificial en casa. Al final, la solución por la que opté fue un foco LED tipo cono equivalente a 300W de bajo presupuesto (4000 lm) y una lámpara térmica incandescente de 250W. Decidí enfocarme más en el calor que en la paralelización de la luz. El costo total fue de unos $75