Гелиостат (от греческого слова helios , означающего солнце , и stat , означающего неподвижный) — это устройство, включающее в себя зеркало, обычно плоское , которое поворачивается таким образом, чтобы отражать солнечный свет в направлении заданной цели, компенсируя видимые движения Солнца по небу.
Целью может быть физический объект, удаленный от гелиостата, или направление в пространстве. Для этого отражающая поверхность зеркала удерживается перпендикулярно биссектрисе угла между направлениями на Солнце и цель, как видно из зеркала. Почти в каждом случае цель неподвижна относительно гелиостата, поэтому свет отражается в фиксированном направлении. Согласно современным источникам, гелиостат, как его называли изначально, был изобретен Виллемом Гравезандом ( 1688–1742 ). [1] Другими претендентами являются Джованни Альфонсо Борелли (1608–1679) и Даниэль Габриэль Фаренгейт (1686–1736). [2] Гелиостат, разработанный Джорджем Джонстоном Стори, находится в коллекции Science Museum Group . [3]
В настоящее время большинство гелиостатов используются для дневного освещения или для производства концентрированной солнечной энергии , обычно для выработки электроэнергии. Иногда их также используют в солнечной кулинарии . Некоторые используются экспериментально для отражения неподвижных лучей солнечного света в солнечные телескопы . До появления лазеров и других электрических ламп гелиостаты широко использовались для получения интенсивных, стационарных лучей света для научных и других целей.
Большинство современных гелиостатов управляются компьютерами. Компьютеру задаются широта и долгота положения гелиостата на Земле, а также время и дата. Из них, используя астрономическую теорию, он вычисляет направление Солнца, как оно видно из зеркала, например, его компасный пеленг и угол возвышения. Затем, учитывая направление цели, компьютер вычисляет направление требуемого угла-биссектрисы и посылает управляющие сигналы двигателям , часто шаговым двигателям , чтобы они поворачивали зеркало в правильное положение. Эта последовательность операций часто повторяется, чтобы зеркало оставалось правильно ориентированным.
Крупные установки, такие как солнечные тепловые электростанции, включают поля гелиостатов, включающие множество зеркал. Обычно все зеркала в таком поле управляются одним компьютером.
Существуют старые типы гелиостатов, которые не используют компьютеры, включая те, которые частично или полностью управляются вручную или часовым механизмом , или контролируются датчиками света . Сейчас они довольно редки.
Гелиостаты следует отличать от солнечных трекеров или солнечных трекеров, которые указывают прямо на солнце в небе. Однако некоторые старые типы гелиостатов включают солнечные трекеры вместе с дополнительными компонентами для деления пополам угла солнце-зеркало-цель.
Сидеростат — похожее устройство, предназначенное для слежения за более слабой звездой , а не за Солнцем .
На солнечно-тепловой электростанции, например, на The Solar Project или на электростанции PS10 в Испании, широкое поле гелиостатов фокусирует энергию Солнца на один коллектор для нагрева среды, например, воды или расплавленной соли. Среда проходит через теплообменник для нагрева воды, выработки пара, а затем выработки электроэнергии через паровую турбину.
Несколько иное расположение гелиостатов в поле используется в экспериментальных солнечных печах, таких как в Одейо во Франции. Все зеркала гелиостата посылают точно параллельные лучи света в большой параболоидный отражатель, который приводит их в точный фокус. Зеркала должны быть расположены достаточно близко к оси параболоида, чтобы отражать в него солнечный свет по линиям, параллельным оси, поэтому поле гелиостатов должно быть узким. Используется замкнутая система управления. Датчики определяют, есть ли у какого-либо гелиостата небольшое смещение. Если это так, они посылают сигналы для его исправления.
Было высказано предположение, что полученные высокие температуры можно использовать для расщепления воды с целью устойчивого получения водорода. [4]
Меньшие гелиостаты используются для дневного освещения и отопления. Вместо множества больших гелиостатов, фокусирующихся на одной цели для концентрации солнечной энергии (как в солнечной электростанции башенного типа), один гелиостат, обычно размером около 1 или 2 квадратных метров, отражает неконцентрированный солнечный свет через окно или световой люк. Небольшой гелиостат, установленный снаружи на земле или на строительной конструкции, например на крыше, движется по двум осям (вверх/вниз и влево/вправо), чтобы компенсировать постоянное движение Солнца. Таким образом, отраженный солнечный свет остается зафиксированным на цели (например, окне).
Genzyme Center, корпоративная штаб-квартира Genzyme Corp. в Кембридже, штат Массачусетс, использует гелиостаты на крыше, чтобы направлять солнечный свет в свой 12-этажный атриум. [5] [6]
В статье 2009 года Брюс Рор предположил, что небольшие гелиостаты можно использовать как систему солнечной электростанции башни. [7] : 7–12 Вместо того, чтобы занимать сотни акров, система поместится на гораздо меньшей площади, например, на плоской крыше коммерческого здания, сказал он. Предлагаемая система будет использовать энергию солнечного света для обогрева и охлаждения здания или для обеспечения ввода для тепловых промышленных процессов, таких как обработка продуктов питания. Охлаждение будет осуществляться с помощью абсорбционного охладителя . Рор предположил, что система будет «более надежной и более рентабельной на квадратный метр отражающей поверхности», чем большие солнечные электростанции башни, отчасти потому, что она не будет жертвовать 80 процентами энергии, собранной в процессе ее преобразования в электричество. [7] : 9
Стоимость гелиостатов составляет 30–50 % от первоначальных капиталовложений в солнечные электростанции башенного типа в зависимости от энергетической политики и экономической структуры страны, в которой они расположены. [8] [9] Представляет интерес разработка менее дорогих гелиостатов для крупномасштабного производства, чтобы солнечные электростанции башенного типа могли производить электроэнергию по ценам, более конкурентоспособным по сравнению со стоимостью традиционных угольных или атомных электростанций .
Помимо стоимости, при сравнении конструкций гелиостатов следует учитывать такие факторы, как процент отражения солнечного света (т. е. альбедо ) и устойчивость к воздействию окружающей среды.
Один из способов, которым инженеры и исследователи пытаются снизить стоимость гелиостатов, — это замена традиционной конструкции гелиостата на ту, которая использует меньшее количество более легких материалов. Традиционная конструкция для отражающих компонентов гелиостата использует второе поверхностное зеркало. Сэндвич-структура зеркала обычно состоит из стальной структурной опоры, клеевого слоя, защитного медного слоя, слоя отражающего серебра и верхнего защитного слоя толстого стекла. [8] Этот традиционный гелиостат часто называют стеклянно-металлическим гелиостатом. Альтернативные конструкции включают в себя последние исследования клея, композита и тонкой пленки, чтобы добиться снижения стоимости материалов и веса. Некоторые примеры альтернативных конструкций отражателей — посеребренные полимерные отражатели, сэндвичи из полиэстера, армированного стекловолокном (GFRPS) и алюминизированные отражатели. [10] Проблемы с этими более поздними конструкциями включают расслоение защитных покрытий, снижение процента отражения солнечного света в течение длительных периодов воздействия солнца и высокие производственные затраты.
Движение большинства современных гелиостатов использует двухосную моторизованную систему, управляемую компьютером, как описано в начале этой статьи. Почти всегда первичная ось вращения вертикальна, а вторичная горизонтальна, поэтому зеркало находится на альт-азимутальной монтировке .
Одной из простых альтернатив является вращение зеркала вокруг полярно-выровненной первичной оси, приводимое в движение механическим, часто часовым механизмом, со скоростью 15 градусов в час, компенсируя вращение Земли относительно Солнца. Зеркало выровнено так, чтобы отражать солнечный свет вдоль той же полярной оси в направлении одного из небесных полюсов . Существует перпендикулярная вторичная ось, позволяющая время от времени вручную регулировать зеркало (ежедневно или реже по мере необходимости), чтобы компенсировать сдвиг склонения Солнца в зависимости от сезонов. Настройка часов привода также может время от времени корректироваться, чтобы компенсировать изменения в уравнении времени . Цель может быть расположена на той же полярной оси, что и первичная ось вращения зеркала, или второе, неподвижное зеркало может использоваться для отражения света от полярной оси к цели, где бы она ни находилась. Этот вид крепления зеркала и привода часто используется с солнечными печами , такими как отражатели Шеффлера . [11] [12] [13] Для этого применения зеркало может быть вогнутым , чтобы концентрировать солнечный свет на посуде для приготовления пищи.
Выравнивание по альт -азимуту и полярной оси — это две из трех ориентаций для двухосных креплений, которые обычно используются или использовались для зеркал гелиостатов. Третья — это расположение по оси цели , в котором первичная ось направлена на цель, на которую должен отражаться солнечный свет. Вторичная ось перпендикулярна первичной. Гелиостаты, управляемые датчиками света, использовали эту ориентацию. Небольшая рука несет датчики, которые управляют двигателями, поворачивающими руку вокруг двух осей, так что она направлена на солнце, включая солнечный трекер. Простое механическое устройство делит пополам угол между первичной осью, направленной на цель, и рукой, направленной на Солнце. Зеркало установлено таким образом, что его отражающая поверхность перпендикулярна этой биссектрисе. Этот тип гелиостата использовался для дневного освещения до появления дешевых компьютеров, но после появления первоначального оборудования для управления датчиками.
Существуют конструкции гелиостата, не требующие точной ориентации осей вращения. Например, могут быть датчики света, расположенные близко к цели, которые посылают сигналы двигателям, чтобы они корректировали выравнивание зеркала всякий раз, когда луч отраженного света отклоняется от цели. Направления осей должны быть известны лишь приблизительно, поскольку система является самокорректирующейся. Однако есть и недостатки, например, зеркало необходимо вручную выравнивать каждое утро и после любого длительного периода облачности, поскольку отраженный луч, когда он появляется снова, не попадает на датчики, поэтому система не может исправить ориентацию зеркала. Существуют также геометрические проблемы, которые ограничивают функционирование гелиостата, когда направления Солнца и цели, видимые из зеркала, сильно различаются. Из-за недостатков эта конструкция никогда не использовалась широко, но некоторые люди экспериментируют с ней.
Обычно зеркало гелиостата движется со скоростью, составляющей 1/2 углового движения Солнца. Существует еще одно устройство, которое удовлетворяет определению гелиостата, но имеет движение зеркала, составляющее 2/3 движения Солнца. [14]
Иногда использовались и многие другие типы гелиостатов. Например, в самых ранних гелиостатах, которые использовались для дневного освещения в Древнем Египте, слуги или рабы выравнивали зеркала вручную, без использования какого-либо механизма. (В Египте есть места, где это делается и сегодня, для удобства туристов. В фильме 1997 года «Пятый элемент» египетский мальчик держит зеркало, чтобы осветить стену внутри пещеры для вымышленного археолога.) В 19 веке были изготовлены сложные часовые гелиостаты, которые могли отражать солнечный свет на цель в любом направлении, используя только одно зеркало, минимизируя потери света и автоматически компенсируя сезонные движения Солнца. Некоторые из этих устройств все еще можно увидеть в музеях, но сегодня они не используются в практических целях. Иногда любители придумывают специальные конструкции, которые работают приблизительно, в каком-то определенном месте, без какого-либо теоретического обоснования. По сути, возможно неограниченное количество таких конструкций.
