Karkea hahmotelma projektin alustavasta tavoitteesta

Tässä koetan esittää ekvatoriaalisen peiliaurinkokellon pääperiaatteet 3D-mallin avulla alkuperäisen suunnitelman mukaan. Voihan olla että suunnitelmät jatkossa hiukan muuttuvat...

Mallin mitat ja mittasuhteet, peilien mitat ja sijainnit ovat vain suuntaa-antavia. Tarkka toteutus vaatii parempaa suunnittelua.

Mallitalon katto on tässä erittäin kiltti tapaus, katon harja on tarkasti itä-länsi suuntainen. Ensimmäisessä kuvassa etelän suunta on vasemmalla. Todellisuudessa esim. omakotitalon kattoa ei kaava-alueella yleensä voi rakentaa haluamaansa suuntaan.

Idea on sellainen että katon päällä pohjoislappeella lähellä harjaa oleva ensimmäinen kiinteä peili (kuvassa messingin värinen) heijastaa Auringon valoa katossa olevasta reiästä sisään. Ensimmäisen peilin täytyisi nähdä Aurinko katonharjan yli talvellakin ainakin etelän suunnalla, siihen deklinaatioon saakka joka halutaan, esim. δ = -10°. Negatiivisten deklinaatioiden seuraaminen on melko hankalaa. Tässä kuvattu malli ei oikeasti yllä Auringon negatiivisiin deklinaatioihin.

Auringon kaikkein eteläisimpään deklinaatioon δ = -23,5° ei kannata pyrkiä, sillä käytännössä Aurinko ei juurikaan ole keskitalvella nähtävissä horisontissa ehkä vähintään 5° ... 10° korkeudelle nousevien näköesteiden vuoksi.

Ensimmäinen peili kaareutuu tässä ulospäin ja se heijastaa valoa ulkopinnaltaan. Se muodostaa 180° sektorin ja kun sen keskikohta on suunnattu meridiaaniin, voi se heijastaa Auringon valoa sisään tuntikulmilla -90° ... +90° eli ±6h aikamitassa (meridiaanista eli etelästä). Muut peilit on vastaavasti mitoitettu 180° kulmaa varten. Muut kaarevat peilit heijastavat valoa sisäpinnallaan.

Valo osuu sitten toiseen isohkoon koveroon peiliin (kuvassa kuparin värinen) joka kokoaa vuoden aikana esiintyvien Auringon eri deklinaatioiden valon ja heijastaa sen kohti kolmatta peiliä (kuvassa nikkelin värinen).

Kolmas peili on huoneen sisäkaton kohdalla lähellä aurinkokellon aika-asteikkoa. Se heijastaa Auringon valon alaviistoon asiakkaan luettavaksi asteikolle jossa valo näyttää aurinkoaikaa.

Kolme peiliä ovat tarkalleen samalla akselilla joka on maapallon pyörimisakselin suuntainen. Aurinkokellon akseli kallistuu suoraan pohjoiseen pystytasosta kulman 90° - paikkakunnan maantieteellinen leveys, Porissa 28,5°. Toinen tapa ilmaista sama asia on että akseli muodostaa horisontin pohjoispisteen kanssa kulman joka on yhtä suuri kuin paikan maantieteellinen leveys, Porissa φ = 61,5°. Niinpä aurinkokello on rakenteeltaan ekvatoriaalinen ja sen aika-asteikko on tasavälinen.

Porrastus korkeudessa täytyy olla melko iso ensimmäisen ja toisen peilin välillä koska ensimmäisen peilin täytyy olla katonharjan yläpuolella ja toisen peilin täytyy olla selvästi katon alapuolella.

Toisen ja kolmannen peilin välillä korkeusporrastusta ei välttämättä tarvita jos seurataan korkeintaan 180° kulmaa. Peilit eivät voi varjostaa toisiaan jos kulma on korkeintaan 180°. Jos peilejä porrastetaan korkeudessa niin että ne eivät voi varjostaa toisiaan, voidaan seurata Aurinkoa yli 180° kulmalla. Vuoden talvipuoliskolla siitä ei kuitenkaan ole mitään iloa.

Suoraan ylhäältä katsoen ei välttämättä tajua että peilien kaareutumisakseli on yhteinen. Maanpallon pyörimisakselin suunnassa katsoen peilien samankeskisyyden kuitenkin havaitsee.

Katon päällä oleva peili on luonnollisestikin suojattava ikkunallisella rakenteella joka pitää vettä ja kestää tuulikuormaa. Aurinkokello ei saa tehdä talon katosta huonompaa kuin mitä se on ilman aurinkokelloa. Myöskään murtoturvallisuus ei saa heikentyä, aurinkokello ei saa olla ketjun heikoin lenkki. Pohjoisen suuntaan ei tarvitse olla ikkunaa koska meikäläisillä leveyksillä Aurinko ei koskaan paista pohjoisesta.

Kattorakenteissa täytyy siis olla reiät näitä peilejä varten. Jos aurinkokellon asteikko sijaitsee lämmitetyssä tilassa ja talon kattorakenne on sellainen että heti vesikaton alla ei ole lämpöeristystä, olisi aurinkokellon rakenteiden sopeuduttava kattotuoleihin. Kattotuolien "niskojen" väli lie yleensä vain 60 cm, joten toisesta peilistä olisi tehtävä melko kompakti että valo pääsee esteettä kulkemaan.

Katon kaltevuudella on suuri merkitys peiliaurinkokellon mitoituksessa. Katon suunta on toinen tärkeä tekijä. Yritän luultavasti suunnitella peiliaurinkokelloja vain geometrialtaan hyvin helpoille tapauksille.

Näissä kuvissa käytetään siis ensimmäisen peilin kaarevaa ulkopintaa valon heijastamiseen. Tilanne jonkin verran muuttuu jos valo ensimmäisessä kaarevassa peilissä heijastetaankin kaarevuuden sisäpinnasta. Silloin täytyy rajoittua 180° kulmaan Auringon seuraamisessa sillä ensimmäinen peili varjostaisi muuten itseään.

Ensimmäisen peilin keskikohtaa ei välttämättä tarvitse suunnata meridiaaniin, vaan sitä voi kiertää esim. niin että ilta-aurinko pääsee valaisemaan aurinkokellon asteikkoa. Muita peilejä ja aurinkokellon aika-asteikkoa on tietenkin kierrettävä vastaavasti napa-akselin ympäri.

Aurinkokello voisi 180° kulmalla seurata Aurinkoa esimerkiksi aamu-kahdeksasta ilta-kahdeksaan vyöhykeajan mukaan. Jos peilit ovat meridiaanin eli etelän suhteen symmetrisesti, niin Porissa tällainen aurinkokello seuraisi Aurinkoa vyöhykeajassa suunnilleen aikavälillä klo 5:30 ... 17:30, kesäajassa klo 6:30 ... 18:30.

Näin valon siis on tarkoitus heijastua edestakaisin yhden pienen ja kahden ison peilin kautta aurinkokellon aika-asteikolle. Peileillä on yhteinen akseli joten suuntavirhettä ei pitäisi syntyä. Kaikki peilit ovat kiinteitä.

Toinen peili on tässä häiritsevän kookas. Se pitäisi olla pienempi ja lähempänä ensimmäistä peiliä. Seurattavan Auringon deklinaatiovälin suuruus vaikuttaa toisen peilin kokoon.

Kaarevasta sisäpinnasta heijastavan peilin mitoitus on hiukan erilainen. Se lienee järkevämpi vaihtoehto jos seurattavan kulman ei tarvitse olla yli 180°. Valoa mahdollisesti päätyy enemmän aika-asteikolle, mutta tätä asiaa täytyy vielä tutkia paremmin 3D ray-trace ohjelmalla.

Ilman optista säteenseurausta kolmessa ulottuvuudessa voi olla vaikea sanoa millaisia ei-toivottuja heijastuksia optisen järjestelmän sisällä tapahtuu. Peilit tokikin koteloidaan niin että hajavalo ei helpolla pääse sisään häiritsemään. Aika-asteikolle halutaan mahdollisimman hyvä kontrasti ja kapea valoviiru joka näyttää ko.hetken aurinkoaikaa.

Peiliaurinkokello sopisi parhaiten avoimella paikalla olevaan taloon jota mikään ei pahemmin varjosta ainakaan etelän suunnalla. Olen ajatellut ne lähinnä uudisrakennuksiin. Vanhaa kattoa tuskin kannattaa ruveta purkamaan aurinkokellon asennuksen vuoksi.

Kaarevasta sisäpinnastaan heijastava ensimmäinen peili vaikuttaa kuitenkin järkevämmältä vaihtoehdolta mm. mitoituksen kannalta, joten ehkä jatkossa tulisi suosia sitä.

Suunnittelussa on edessä pitkä matka, mutta ilmeisesti tällaisesta alustavasta piirtelystäkin on jotakin hyötyä!


Kaarevuuden sisäpinnasta heijastava peili ensimmäisenä

Katon reikää käytetään ehkä hyväksi järkevämmin jos ensimmäinen (kuvissa messingin värinen) peili on saman tyyppinen kuin muutkin peilit, eli heijastaa kaarevuuden sisäpinnalta. Tosin katon reiän tulisi olla maapallon pyörimisakselin suuntainen eikä kuten tässä mallissa pystysuora.

Tässä on puolitoistakerroksinen talon eteläpääty. Heti vesikaton alla on lämpöeristys. Peiliaurinkokello on yläkerrassa. Ensimmäinen peili on katon harjan yläpuolella ja reikä on keskellä kattoa. Peilien yhteinen maapallon pyörimisakselin suuntainen akseli esitetään kuvissa sinisellä katkoviivalla.

Toinen kupera peili on kuparin värinen ja kolmas peili on nikkelin värinen kuten ennenkin.

Aurinkokellon kalteva aika-asteikko olisi tässäkin lähellä kolmatta peiliä, hiukan sen alapuolella. Aika-asteikon kaltevuus olisi sama kuin kolmannen peilin.

Auringon negatiivisia deklinaatioita ei ole yritetty ottaa tähän malliin mukaan, joten tämä systeemi toimisi aurinkokellona vain vuoden kesäpuoliskolla, kevätpäiväntasauksesta syyspäiväntasaukseen.

Peilit sijaitsevat meridiaanin suhteen symmetrisesti eli paikallisella keskipäivällä aurinkokellossa hyödynnetään lähinnä peilien keskikohtaa.

Tällaisilla peileillä voi seurata Auringon tuntikulmaa korkeintaan 180° koska suuremmilla tuntikulmien eroilla peilit alkaisivat jo olla itsensäkin tiellä valon heijastajina.

Hmmm, tai itse asiassa, jos ensimmäinen suhteellisen kapea peili olisi vaikkapa täysi ympyrärengas, niin se varjostaisi itseään lähinnä vain silloin kun Auringon deklinaatio on lähellä nollaa. Keskikesällä Aurinko paistaa korkealta ja valo pääsisi renkaan sisään renkaan lähemmän reunan yli ja jatkaisi peilipinnasta heijastuttuaan matkaansa normaalisti kohti toista peiliä.

Tätäpä en olekaan aiemmin tullut havainneeksi ja tajunneeksi. Täytyy vaan todeta että oppia ikä kaikki.

Toinen ja kolmas peili voisivat olla täysiä ympyröitä jos ne on mahdollista porrastaa korkeudessa niin että valo poistuu toisesta peilistä vastapäisen reunan ali kohti kolmatta peiliä. Sellainen toinen peili ei kuitenkaan lie aivan helppo saada aikaan joka pystyisi sellaiseen temppuun koko Auringon deklinaation vaihteluvälillä. Tässä toinen ja kolmas peili on kuvattu korkeudessa joka rajoittaa tuntikulmaeron 180°:een. Sehän on kyllä käytännössä aika hyvä.

Nämä alustavat mallit pyrkivät olemaan vain periaatteellisia, eivät perustu optiikan laskelmiin, mutta nämäkin esimerkit ehkä hiukan tuovat esiin niitä hankaluuksia joita liittyy peiliaurinkokellon sovittamiseen yhteen talon kattorakenteiden kanssa. Loiva pulpettikatto voisi olla helpompi kuin harjakatto?

On selviö että aurinkokellon täytyy toimia kesällä OK. Negatiivisten Auringon deklinaatioiden kanssa tällaisilla yksinkertaisilla peileillä tulee helposti ongelmia. Pallopeilin kanssa Auringon ±23,5° deklinaatioiden valon heijastaminen lähes samaan polttopisteeseen on hankalaa, onhan kulmaero peräti 47°. Palloaberraatio ei ole väheksyttävä vastustaja. Varsinkin on hankalaa jos peileissä on huomattava korkeusporrastus. Aivan täydellistä systeemiä vaikuttaa sikäli olevan vaikea suunnitella?

Ehkä olisikin panostettava erikoisratkaisuihin joilla ehkä pystyisi hanskaamaan myös negatiiviset deklinaatiot? Ensimmäinen peili voisi koostua useammasta eri osasta, ylimpänä kalteva talvipeili, keskellä kevät/syyspeili ja alimpana loivimmin heijastava kesäpeili? Toisessa peilissä olisi omat vyöhykkensä kaikkia kolmea ekan peilin osaa varten ja lopulta Auringon valo onnistuttaisiin keräämään lähelle kolmatta peiliä ja samalle yhteiselle aika-asteikolle vuoden ympäri? Voisi kylläkin olla aika hankala ei-toivottujen heijastusten suhteen? Nimittäin kun seurataan vaikkapa 180° kaarta taivaalla niin väkisinkin valoa joutuu ekasta peilistä jonkin verran myös sellaisiin toisen peilin vyöhykkeisiin jotka eivät ole ko. vuodenajalle tarkoitettuja. Osa siitä valosta voi päätyä aika-asteikollekin kolmannen peilin kautta, mutta tuskin sen oikeaan kohtaan.



Yleiset asiat
PÄÄSIVU