Alustava projektisuunnitelma

Tässä - lyhennelmänä ja hiukan muokattuna - se 30.08.2016 laadittu alustava opinnäytetyön projektisuunnitelma jonka liitin opinnäytetyön aloittamislupahakemukseen. Kuvittelen edelleen että se melko hyvin kuvaa sitä mihin tässä pyritään.


OPINNÄYTETYÖN PROJEKTISUUNNITELMA

TAUSTAA

Aurinkokello, aurinkoaika, sädeoptiikka, peilioptiikka, ekvatoriaalinen asennus, Auringon deklinaatio ja tuntikulma

OPINNÄYTETYÖN TAVOITTEET JA RAJAUKSET

Tavoite on suunnitella optisesti ja rakenteellisesti hyvä ekvatoriaalinen peiliaurinkokello joka voisi Auringon valon avulla näyttää aikaa asteikolla varjostavan katon alapuolella kun katon yläpuolella on kaareva peilipinta joka heijastaa Auringon valoa sisään katossa olevan reiän läpi. Rakenne pyritään kehittämään sellaiseksi että se on sovellettavissa monille katoille.

Aurinkokellossa ei ole käytön aikana liikkuvia osia. Se näyttää aikaa pelkällä olemassaolollaan. Peilien tukirakenteet, rungon kiinnitysmahdollisuudet ja hajavalolta suojaava kotelointi kuuluvat suunnitelman piiriin. Aika-asteikolle pyritään saamaan hyvä kontrasti optiikan suunnittelulla sekä rakenteellisella ei-toivottujen heijastusten ja hajavalon estämisellä.

Kaarevien peiliensä ansiosta kiinteä aurinkokello pystyy "seuraamaan" Auringon liikettä esim. ±90° eli ±6h meridiaanin molemmin puolin (vuodenajan ja pilvisyyden salliessa). Keskitalvea varten sitä ei kannata mitoittaa.

OPINNÄYTETYÖN TULOKSET

Tuloksien laatua on tarkoitus kehitellä ja testata omalla graafisella avoimen lähdekoodin ohjelmalla joka toimi tavallisessa nykyaikaisessa selaimessa ilman mitään lisäosia, on-line nettiyhteyttä, tietokantaa ja palvelinta. Ohjelmaa pystyisi ajamaan esim. muistitikulta selaimessa off-line tilassa.

Auringon valon jakautumaa aurinkokellon aika-asteikolla erilaisilla deklinaation ja tuntikulman arvoilla voidaan havainnollistaa omatekoisella 3D-grafiikalla. Lopputuloksen dokumentoinnissa käytetään myös esim. SolidWorks -mallien kuvaruutukaappauksia.

MENETELMÄT TOIMINTATAVAT

OPINNÄYTETYÖN AIKATAULU JA TOTEUTUSVAIHEET

  1. oman ohjelman perustoiminnot, 3-ulotteinen säteenseuranta (3D ray-tracing), testaus V-mallin mukaan
  2. ohjelmallisten moduulien koostaminen toimivaksi kokonaisuudeksi
  3. ohjelman käyttöliittymä (HTML-lomakkeet)
  4. riittävän hyvä optinen ratkaisu simuloimalla, iteroiden kunnes sopiva löytyy
  5. rakenteelliset yksityiskohdat, peilien tukirakenteet, kotelon ohutlevyjen taivutus, lämpöeristys, läpivienti, katon päälle tuleva suojus, kokoonpano, säätömahdollisuudet ja kiinnitykset kattoon SolidWorks-ohjelmalla
  6. harkittava soveltuvuus erilaisille kattorakenteille
  7. kokonaisuuden ja valmistustekniikan pohdintaa

Oikeasti projekti tuskin etenee suoraviivaisesti. Iteroidaan vesiputousmallin mukaan ja prototyypittämällä kunnes löytyy sopiva kokonaisuus.

Aikataulu riippuu paljolti oman ohjelmiston kehittämiseen kuluvasta ajasta. Kokonaiskesto olisi ehkä yksi lukuvuosi?

RAPORTOINTI JA TIEDOTUS

Projektin etenemistä voisi seurata netissä domainissa http://vesapetays.net

Astronomiset periaatteet, aikakäsite ja aurinkoaika, optinen rakenne, valon simuloitu jakautuma aika-asteikolla Auringon eri deklinaatioilla ja tuntikulmilla, ohjelman käyttöohje, peilien tukirakenteet, hajavalolta suojaava kotelointi, kotelon ohutlevyjen taivutukset, kokoonpano, kiinnitykset rakenteisiin, rakennepiirrokset, lämpöeristys.

RESURSSOINTI JA VASTUUALUEET

Ohjelman ja suunnitelman pystyy kehittämään kotona tavallisessa tietokoneessa ilman erikoista ohjelmointiympäristöä. SolidWorks-ohjelmaa tai vastaavaa voi käyttää rakenneosien ja suunnitelmien kokonaisuuden 3D-mallintamiseen.

RISKIT JA RISKIENHALLINTA

Vesitiiveys, lämmöneristävyys, säätömahdollisuuksien riittävyys, kiinnitykset, soveltuvuus kattorakenteille, katon päälle tulevan osan kestävyys, lumi- ja tuulikuorman kesto, mahdollinen ilman kosteuden tiivistyminen kotelon sisään?

Mitoitus riippuu paikkakunnan maantieteellisestä leveydestä. Aika-asteikko riippuu paikkakunnan maantieteellisestä pituudesta. Aika-asteikko ei voi olla vaakasuorassa, vaan se kallistuu vaakatasosta (Porissa) noin 28,5° pohjoiseen.

Ei ole lujuusopillisesti erikoisen kovasti kuormitettu, joten rakenteet voivat olla melko keveitä. Katon läpivienti mahdollisimman lähelle harjaa niin että katolle kertyvä lumi ja jää eivät pääse painamaan katon päälle tulevaa peilin suojusta.

Täysin realistista kuvaa valon kontrastista aika-asteikolla on vaikea saada simuloimalla. Kotelon sisäosa oltava mattamusta ei-toivottujen heijastusten välttämiseksi.


Myöhempää ideointia ja ajatuksia samasta aiheesta

Suunnitelma A : Katon yläpuolella on ulospäin tai sisäänpäin noin 180° kaareutuva peili joka heijastaa Auringon valoa alas suunnilleen maapallon pyörimisakselin suuntaisesti. Toinen melko iso peili kaareutuu sisäänpäin ja se on meridionaalisestikin kovera niin että se pystyy kokoamaan Auringon eri deklinaatioiden valonsäteet lähes samaan polttopisteeseen. Asennus on ekvatoriaalinen niin että peilit heijastavat Auringon eri tuntikulmat johdonmukaisesti. Kolmas peili katon alapuolella heijastaa suppenevan valon alaviistoon kohti aika-asteikkoa joka on esim. "maitolasia" tai muuta sopivasti läpikuultavaa mutta ei täysin läpinäkyvää materiaalia. Käyttäjä näkee aurinkoajan maitolasin läpi tulevassa valossa asteikon aikamerkintöjä vasten ja tulee onnelliseksi.

Mikä tässä voi mennä pieleen? Ehkä kaarevapintaiset peilit eivät pysty keräämään niin paljon valoa että maitolasiin syntyisi selvä merkintä? Tasopeileillä tietysti Auringon valosta päätyisi asteikolle riittävästi vaikka puolet katoaisi matkalla, mutta tasopeili toimii vain tiettyyn suuntaan ja tässä täytyy olla kaareva peili että voisi seurata Auringon kulkua taivaalla. Ehkä merkintä on liian epäselvä että ajan voisi lukea kyllin tarkasti, esimerkiksi varttitunnin tarkkuudella?

Entäpä jos osoittautuu että suunnitelman A mukaan ei voi saavuttaa tyydyttäviä tuloksia, mikä on varasuunnitelma?

Suunnitelma B : Useampikertaiset peilit heijastavat samalle aika-asteikolle? Erikseen kesä- ja talvipeilien parit jotka valaisevat samaa aika-asteikkoa? Vuodenajan mukaan mekanismin avulla siirrettävä toinen peili? Peilit koostetaan pienehköistä tasopeileistä niin että valoa pystytään kohdentamaan paremmin asteikolle (tuntikulman näytön tarkkuus kärsii)? Auttaisiko Fresnel-tekniikka eli peilin porrastaminen syvyyssuunnassa toisen (koveron) peilin ongelmiin?

Entäpä jos tämäkään ei auta?

Suunnitelma C : Ensimmäisenä peilinä Aurinkoa seuraava liikkuva tasopeili? Tämä vaatisi esim. sähköisen kiertokoneiston ja on sikäli viimeinen oljenkorsi.

Hmmmmm ...

Oleellistahan tässä joka tapauksessa on että peilit eivät saa varjostaa toisiaan. Valon täytyy päästä vapaasti kulkemaan peilien välillä. Seurattava kulma ekvaattoritasossa on korkeintaan noin 180° jos eka peili kaareutuu sisäänpäin (muutenhan se varjostaisi itseään). Kulma voisi olla enemmänkin jos eka peili toimii kunnolla kaareutuessaan ulospäin ja toinen sekä kolmas peili porrastetaan korkeudessa niin että ne eivät varjosta toisiaan. Mutta tuottaako ulospäin kaareutuva peili riittävästi oikeaan suuntaan heijastuvaa valoa?

Ensimmäisen peilin täytyy heijastaa valoa huomattavasti alaspäin koska sillä valon "legillä" täytyy päästä katon päältä katon alapuolelle. Deklinaation vaihtelun vuoksi toisesta peilistä uhkaa tulla melko iso. Asiaa auttaa jos ei yritetä seurata kaikkein eteläisimpiä Auringon deklinaatioita, alaraja voisi olla esim. deklinaatio δ = -18° koska keskitalvella Aurinkoa ei käytännössä etelätaivaallakaan juurikaan näe.

Itse asiassa olisi kovin houkuttelevaa rajoittua ainoastaan Auringon positiivisiin deklinaatioihin, vuoden kesäpuoliskoon eli aikaväliin kevätpäiväntasauksesta syyspäiväntasaukseen. Toisen peilin mittoja on muuten vaikea saada kuriin.

Noin 5° ... 10° korkeat näköesteet horisontissa ovat aivan tavallisia melko avoimellakin paikalla. Porissa on maantieteellinen leveys φ = 61,5° joten taivaanekvaattori on Porissa etelämeridiaanissa korkeudella 28,5° horisontin yläpuolella. Keskitalvella on Auringon deklinaatio δ = -23,5° joten Aurinkon korkeus keskitalven keskipäivällä on periaatteessa noin 5° ihanteellisen horisontin (paikallinen vaakataso eli "vaateri") yläpuolella, jääden kuitenkin käytännössä yleensä näköesteiden taakse näkymättömiin.

Myös 180° kulma riittänee aika hyvin ajan näyttöön. Jos asiakas ei ole erikoisen aamuvirkku, niin aurinkokello voisi 180° kulmalla sopivan asteikon kanssa näyttää aikaa normaalisti noin aamu-kahdeksasta ilta-kahdeksaan, kesäajan mukaan aamu-yhdeksästä ilta-yhdeksään, Auringon ja pilvisyyden salliessa. Talvellahan valoisa aika kyllä jää tätä lyhyemmäksi. Aika-asteikko painottuisi tällöin idän puolelle seuraamaan lännen puolella olevaa Aurinkoa. Asteikon kaltevuus olisi kuitenkin se sama (Porissa) 28,5° vaakatasosta suoraan pohjoiseen.

Kellon saisi paremmin seuraamaan virallista aikaa tekemällä aika-asteikosta keskipisteen suhteen kierrettävän niin että kesäaikakorjaus voidaan tehdä mekaanisesti kiertämällä asteikkoa 15° vastapäivään (niin että asteikko näyttää kesäajassa tuntia myöhäisempää aikaa). Asteikon yhteydessä olisi vipu jota kääntämällä mekanismin avulla siirrytään vyöhykeajan ja kesäajan välillä. Paikallisaikakorjaus voitaisiin tehdä asennuksen yhteydessä asteikkoa kiertämällä, eikä sitä tarvitse myöhemmin muuttaa.

Tjaah, asennuksesta puheen ollen täytyy ottaa myös huomioon että peiliaurinkokellon kotelon kiinnitys kattoon ei välttämättä tule asennettaessa aivan oikean suuntaisena, niin että peilien akseli olisi tarkkaan maapallon pyörimisakselin kanssa samansuuntainen, joten siinä täytynee olla säätö jolla oikea ekvatoriaalinen asennus varmistetaan. Katon läpiviennin kanssa saattaa tässä yhteydessä kuitenkin tulla ongelmia. Voisiko läpivienti olla hiukan joustava?

Jos oikein hifistellä haluaa niin asteikossa voisi olla myös ajantasauksen korjaus noin ±16 aikaminuuttia keskiasennosta eli kulmassa ±4° koska Aurinko liikkuu taivaalla asteen neljässä minuutissa (360°/24h = 15°/h = 15°/60 aikaminuuttia = 1°/4 aikaminuuttia). Fiksu mekanismi voisi hoitaa homman niin että käsin valitun kuukauden ja viikon mukaan ajantasaus korjaantuu yhdellä ja samalla asteikolla kiertämällä asteikkoa hiukan keskipisteen ympäri. Ei sitä joka päivä tarvitse räplätä.

Ajantasauksen korjauksen järkevyys kuitenkin edellyttää että aurinkokellon näyttötarkkuus olisi varttituntia parempi. Optiikan täytyisi siis tuottaa asteikolle selvästi varttituntia terävämpi aikamerkintä eli kulmassa sen kirkkaimman osan leveyden täytyisi olla selvästi alle 5°. Nähtäväksi jää pystyykö kiinteä kolmen peilin optiikka tähän esim. 180° tuntikulmaerolla ja halutulla deklinaation vaihteluvälillä, esim δ = -10° ... +23,5°. Peilit eivät ole ihan astronomista laatuluokkaa, ei voi vaatia että olisivat. Tämä ei ole varsinaista kuvantavaa optiikkaa.

Ajantasauksen korjausta varten joissakin aurinkokelloissa on oma erikoinen asteikkonsa, mutta minusta sellaiset ovat tavattoman vaikeaselkoisia ja sekavia. Kuka piru sellaisesta selvän ottaa! Luulenpa että olisi vaikeaa saada kolmen peilin optiikkaa toimimaan niin että valo osuisi vuodenajan mukaan kiinteällä asteikolla oikeaan ajantasauksella korjattuun kohtaan? Asteikosta tulisi joka tapauksessa über-sekava.



PÄÄSIVU