Fabrication d’une lumière solaire artificielle à la maison

Projet de fabrication d’une lumière solaire artificielle

• Contexte du projet

  • L’auteur a été inspiré par une vidéo de DIY Perks montrant la création d’une lumière solaire artificielle à l’aide d’une LED de 500 W et d’un grand réflecteur parabolique.
  • En cherchant un design moins encombrant, il a tenté une nouvelle approche utilisant plusieurs LED et une matrice de lentilles.

• Idée de conception

  • Les lentilles sont disposées en grille, avec une LED placée derrière chaque lentille, afin d’économiser de l’espace et de faciliter la gestion thermique.
  • Le projet a nécessité l’apprentissage de diverses techniques, dont la modélisation CAD, la conception de PCB et l’écriture de code Python pour optimiser le système optique.

• Spécifications techniques

  • Lentilles : carrées de 30 mm, distance focale de 55 mm, disposition en 6x6 pour un total de 36 LED.
  • LED : LUXEON 2835 3V, CRI 95+, température de couleur de 4000K.
  • PCB : conçu avec KiCad, fabriqué par JLCPCB.
  • Système optique : utilisation d’un système à 2 lentilles pour améliorer le parallélisme de la lumière.

• Processus de fabrication

  • Les lentilles et les pièces mécaniques ont été fabriquées par usinage CNC.
  • Le PCB a été assemblé par JLCPCB.
  • Des simulations optiques ont permis de trouver la forme de lentille optimale et de fixer le design final.

• Résultats et évaluation

  • Le projet a été mené à bien et reproduit dans une certaine mesure l’effet d’une lumière solaire artificielle.
  • Parmi les limites observées : une intensité lumineuse un peu insuffisante et un motif de grille visible dans la matrice de lentilles.
  • Pour une future amélioration, il faudrait une lumière plus puissante, une surface plus large et une conception optique plus précise.

• Conclusion

  • Le projet a permis d’acquérir de nombreuses connaissances en conception de PCB, en électronique, en fabrication CNC et en optique.
  • L’auteur a aussi constaté les avantages d’une approche pilotée par le code, avec un gain d’efficacité dans le processus de fabrication.
  • La possibilité de développer une version 2 reste ouverte, et le résultat actuel est jugé satisfaisant.

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Commentaires sur Hacker News

• Très cool. Je suis le CEO d’Innerscene, et nous fabriquons des éclairages commerciaux de ciel artificiel. Le modèle Coelux ht25 est presque identique à ce que nous avons conçu, mais avec une lentille plus petite et davantage de LED. Cependant, l’effet qu’ils ont obtenu reste assez peu impressionnant. Nous avons consacré beaucoup de temps à obtenir une lumière parfaitement collimatée, à masquer les bords de la lentille et à rendre la vue vers le ciel fluide et sans artefacts. Je pense que les 10 % finaux du problème représentent 90 % du travail. Nous avons réussi à résoudre le problème, mais nous utilisons actuellement beaucoup de composants coûteux, donc nous travaillons à faire baisser les coûts. Si vous recherchez les brevets d’Innerscene, notre approche y est largement décrite. Nous avons aussi investi beaucoup de temps dans la simulation et le logiciel

• Le problème de cette configuration (et de la plupart des éclairages LED à haut rendement) est le manque de longueurs d’onde rouges. La vraie lumière du soleil possède une quantité importante d’énergie à l’extrémité très rouge du spectre visible (700 nm) ainsi que dans l’infrarouge. Cette lampe présente deux pics spectraux : un pic étroit dans la zone bleue autour de 450 nm, et un pic plus large dans le vert centré sur 580 nm. Mais ce pic vert chute rapidement, et il n’y a presque aucune énergie dans l’extrémité rouge

• Les cônes sensibles à la couleur dans nos yeux ont trois pics de sensibilité. Les cônes S dans la zone bleue, les cônes M dans le vert et les cônes L dans le jaune. Les cônes L sont ceux que le cerveau utilise pour percevoir le rouge, mais en réalité ils sont très peu sensibles au rouge profond comme 700 nm. C’est pourquoi on a l’impression qu’une lampe LED produit du rouge, alors qu’en pratique elle n’émet pas beaucoup d’énergie rouge

• Notre corps est sensible à la lumière rouge profonde. Les cytochromes des mitochondries y réagissent. Il existe des expériences montrant que projeter une lumière rouge sur la peau améliore le métabolisme du sucre. C’est cohérent avec le fait que nous avons évolué sous une lumière solaire riche en rouge

• Donc cette lampe peut ressembler à la lumière du soleil, mais il lui manque des longueurs d’onde importantes

• En voyant « lumière solaire artificielle », je me suis dit : « J’aimerais voir le spectre de l’éclairage fabriqué par cette personne. » Puis je n’ai vu que « CRI 95+ » et j’ai été déçu. Il existe une excellente vidéo qui explique les limites du CRI. La luminosité et la température de couleur ne sont qu’une petite partie de ce qu’est un éclairage. Davantage de gens devraient commencer à mesurer les spectres pour trouver la lumière qui leur convient le mieux. Mes amis ont des avis très différents sur les distributions spectrales qu’ils aiment ou n’aiment pas, mais ils manquent de langage et d’expérience pour identifier ou communiquer leurs préférences

• J’utilise principalement des ampoules LED pour réduire la production de chaleur. Mais j’ajoute toujours un peu d’incandescent/halogène (2400-3000K) afin de voir toutes les magnifiques couleurs du monde

• Vraiment très cool. Je travaille sur une lampe destinée à fournir un niveau de lumière diurne en intérieur. Du côté lumineux, on est à 50 000 lumens

• Lorsqu’on met ce dispositif à l’échelle, le principal problème thermique n’est pas la lampe, mais le refroidissement de l’alimentation. Si j’agrandissais l’appareil, j’envisagerais une alimentation ATX. C’est relativement volumineux, généralement doté d’un refroidissement actif intégré, et peut facilement fournir plusieurs centaines de watts en 12V. En général, il suffit de relier le fil PS_ON à la masse pour l’allumer

• DIY Perks a aussi essayé de fabriquer une lumière solaire artificielle à la maison, en se concentrant sur des éléments comme la diffusion de Rayleigh. Cette vidéo était excellente. L’OP a spécifiquement mentionné DIY Perks, et le design de l’OP est bien plus compact. La taille totale est de 19 cm x 19 cm x 9 cm, ce qui est assez compact pour une distance focale de 5 cm et une zone d’éclairage effective de 18 cm x 18 cm. Ni la vidéo de DIYPerks ni des produits commerciaux comme CoeLux n’atteignent ce format

• C’est cool, mais on peut trouver des films d’amélioration de la luminosité à très bas prix sur AliExpress. Un film d’amélioration de la luminosité est un film optique transparent. La couche inférieure doit avoir un revêtement arrière apportant un léger flou, la couche intermédiaire est un substrat PET transparent, et la couche supérieure est une structure à microprismes. Quand la lumière traverse la structure à microprismes de la couche de surface, sa distribution d’intensité est contrôlée par réfraction, réflexion totale interne, accumulation de lumière, etc.

• Je me demande pourquoi ils ont choisi des pistes. Il y a 7 signaux par carte, et tous visent manifestement une faible impédance. On pourrait exposer le cuivre à l’arrière de la carte pour l’utiliser comme dissipateur thermique improvisé. Il n’y a pas lieu de s’inquiéter des effets de boucle dans le circuit, mais les petites boucles triangulaires bizarres à l’arrière sautent aux yeux

• J’ai fait quelque chose de similaire l’an dernier, mais en me concentrant davantage sur le spectre, et j’ai utilisé un éclairage cinéma haute puissance dont la sortie spectrale était bien meilleure. En ajoutant l’hyper-réflecteur fourni avec la plupart de ces éclairages, on peut obtenir l’essentiel de l’effet de lumière collimatée. Ensuite, j’ai ajouté une lampe thermique incandescente pour compléter la partie infrarouge du spectre, ainsi qu’un éclairage UV à LED dédié pour la partie UVA. Je n’ai pas eu le courage d’ajouter une lampe dédiée aux UVB

• Moi aussi, je me suis pris de passion pour la fabrication d’une lumière solaire artificielle à la maison. Au final, la solution que j’ai retenue a été une ampoule LED de type cône donnée pour l’équivalent de 300W à petit budget (4000 lm), ainsi qu’une lampe thermique incandescente de 250W. J’ai décidé de me concentrer sur la chaleur plutôt que sur le caractère collimaté de la lumière. Le coût total était d’environ 75 $