Гелиостат (от helios , греческого слова, обозначающего солнце , и stat , как от слова «постоянный») — это устройство, которое включает в себя зеркало, обычно плоское , которое поворачивается так, чтобы продолжать отражать солнечный свет в направлении заранее определенной цели, компенсируя видимое влияние Солнца. движения в небе.
Целью может быть физический объект, удаленный от гелиостата, или направление в пространстве. Для этого отражающую поверхность зеркала держат перпендикулярно биссектрисе угла между направлениями Солнца и цели, если смотреть из зеркала . Почти в каждом случае цель неподвижна относительно гелиостата, поэтому свет отражается в фиксированном направлении. Согласно современным источникам, гелиостата, как ее сначала называли, была изобретена Гравесандом Виллемом (1688–1742). [1] Другими претендентами являются Джованни Альфонсо Борелли (1608–1679) и Даниэль Габриэль Фаренгейт (1686–1736). [2] Гелиостат, спроектированный Джорджем Джонстоном Стори, находится в коллекции Группы Музея науки . [3]
В настоящее время большинство гелиостатов используются для дневного освещения или для производства концентрированной солнечной энергии , обычно для выработки электроэнергии. Их также иногда используют в солнечной кулинарии . Некоторые из них используются экспериментально для отражения неподвижных лучей солнечного света в солнечные телескопы . До появления лазеров и других видов электрического освещения гелиостаты широко использовались для создания интенсивных стационарных лучей света для научных и других целей.
Большинство современных гелиостатов управляются компьютерами. Компьютеру передаются широта и долгота положения гелиостата на Земле, а также время и дата. На основе этих данных, используя астрономическую теорию, он вычисляет направление Солнца, если смотреть в зеркало, например, направление по компасу и угол возвышения. Затем, учитывая направление цели, компьютер вычисляет направление необходимого угла-биссектрисы и посылает управляющие сигналы двигателям , часто шаговым двигателям , чтобы они поворачивали зеркало в правильное положение. Эту последовательность операций повторяют часто, чтобы зеркало было правильно ориентировано.
Крупные установки, такие как солнечные тепловые электростанции, включают в себя поля гелиостатов , состоящие из множества зеркал. Обычно все зеркала на таком поле управляются одним компьютером.
Существуют более старые типы гелиостатов, в которых не используются компьютеры, в том числе те, которые частично или полностью управляются вручную или часовым механизмом или контролируются датчиками освещенности . 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 в себя солнечные трекеры вместе с дополнительными компонентами, делящими угол между солнечным зеркалом и целью пополам.
Сидеростат — это похожее устройство, которое предназначено для наблюдения за более слабой звездой , а не за Солнцем .
На солнечно-тепловых электростанциях, таких как The Solar Project или электростанция PS10 в Испании, широкий спектр гелиостатов фокусирует солнечную энергию на одном коллекторе для нагрева такой среды, как вода или расплавленная соль. Среда проходит через теплообменник для нагрева воды, производства пара, а затем выработки электроэнергии через паровую турбину.
Несколько иное расположение гелиостатов в полевых условиях используется в экспериментальных солнечных печах, например, в Одейо во Франции. Все зеркала гелиостата направляют точно параллельные лучи света в большой параболоидный отражатель, который точно фокусирует их. Зеркала должны быть расположены достаточно близко к оси параболоида, чтобы отражать в него солнечный свет по линиям, параллельным оси, поэтому поле действия гелиостатов должно быть узким. Используется замкнутая система управления . Датчики определяют, не смещен ли какой-либо из гелиостатов. Если это так, они посылают сигналы, чтобы исправить это.
Было предложено использовать образующиеся высокие температуры для устойчивого расщепления воды с получением водорода. [4]
Гелиостаты меньшего размера используются для дневного освещения и отопления. Вместо множества больших гелиостатов, фокусирующихся на одной цели для концентрации солнечной энергии (как в башне солнечной электростанции), 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 конструкции здания, например на крыше, перемещается по двум осям (вверх/вниз и влево/вправо), чтобы компенсировать постоянное движение Солнца. Таким образом, отраженный солнечный свет остается зафиксированным на цели (например, на окне).
Центр Genzyme, штаб-квартира корпорации 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 башенную солнечную электростанцию. [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 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 площади», чем крупные солнечные электростанции, отчасти потому, что она не будет жертвовать 80 процентами энергии, собранной в процессе преобразования ее в энергию. электричество. [7] : 9
Затраты на гелиостат составляют 30-50% первоначальных капиталовложений в солнечные электростанции с башней в зависимости от энергетической политики и экономической ситуации в стране расположения. [8] [9] Представляет интерес разработка менее дорогих гелиостатов для крупномасштабного производства, чтобы солнечные электростанции с башнями могли производить электроэнергию по ценам, более конкурентоспособным по сравнению с затратами на традиционные угольные или атомные электростанции .
Помимо стоимости, коэффициент отражения солнечной энергии (т.е. альбедо ) и устойчивость к воздействию окружающей среды являются факторами, которые следует учитывать при сравнении конструкций гелиостатов.
Одним из способов, с помощью которого инженеры и исследователи пытаются снизить стоимость гелиостатов, является замена традиционной конструкции гелиостата на конструкцию, в которой используется меньшее количество более легких материалов. В традиционной конструкции отражающих компонентов гелиостата используется второе поверхностное зеркало. Сэндвич-структура зеркала обычно состоит из стальной несущей конструкции, клеевого слоя, защитного медного слоя, слоя отражающего серебра и верхнего защитного слоя из толстого стекла. [8] Этот обычный гелиостат часто называют стеклянно-металлическим гелиостатом. Альтернативные конструкции включают недавние исследования клеев, композитов и тонких пленок, позволяющие снизить затраты на материалы и вес. Некоторыми примерами альтернативных конструкций отражателей являются 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 солнечной энергии в течение длительных периодов воздействия солнца и высокие производственные затраты.
В движении большинства современных гелиостатов используется двухосная моторизованная система, управляемая компьютером, как описано в начале этой статьи. Почти всегда основная ось вращения вертикальная, а вторичная горизонтальная, поэтому зеркало находится на альт-азимутальной монтировке .
Одной из простых альтернатив является вращение зеркала вокруг главной оси, выровненной по полярности , приводимой в движение механическим, часто часовым механизмом, со скоростью 15 градусов в час, компенсируя вращение Земли относительно Солнца. Зеркало настроено таким образом, чтобы отражать солнечный свет вдоль одной и той же полярной оси в направлении одного из полюсов мира . Имеется перпендикулярная вторичная ось, позволяющая время от времени вручную регулировать зеркало (ежедневно или реже, при необходимости), чтобы компенсировать изменение склонения Солнца в зависимости от сезона. Время от времени настройку часов привода можно корректировать, чтобы компенсировать изменения в уравнении времени . Мишень может быть расположена на той же полярной оси, что и основная ось вращения зеркала, или можно использовать второе стационарное зеркало для отражения света от полярной оси к цели, где бы она ни находилась. Этот тип крепления и привода зеркала часто используется с солнечными плитами , такими как рефлекторы Шеффлера . [11] [12] [13] В этом случае зеркало может быть вогнутым , чтобы концентрировать солнечный свет на посуде для приготовления пищи.
Выравнивание по азимуту и полярной оси — это две из трех ориентаций двухосных креплений, которые обычно используются или использовались для зеркал гелиостата. Третий — это расположение целевой оси , при котором основная ось направлена на цель, от которой должен отражаться солнечный свет. Вторичная ось перпендикулярна первичной. Гелиостаты, управляемые датчиками света, использовали эту ориентацию. Стрелковая рука оснащена датчиками, которые управляют двигателями, которые поворачивают руку вокруг двух осей, так что она направлена на солнце, включая солнечный трекер. Простое механическое устройство делит пополам угол между основной осью, указывающей на цель, и рычагом, указывающим на Солнце. Зеркало установлено так, чтобы его отражающая поверхность была перпендикулярна этой биссектрисе. Этот тип гелиостата использовался для дневного освещения до появления дешевых компьютеров, но после первоначального появления аппаратного обеспечения сенсорного управления.
Существуют конструкции гелиостатов, которые не требуют точной ориентации осей вращения. Например, рядом с целью могут быть датчики освещенности, которые посылают сигналы двигателям, чтобы они корректировали выравнивание зеркала всякий раз, когда луч отраженного света отклоняется от цели. Направления осей необходимо знать лишь приблизительно, поскольку система по своей сути является самокорректирующейся. Однако есть и недостатки, например, зеркало необходимо вручную выравнивать каждое утро и после продолжительной облачности, поскольку отраженный луч, когда он появляется снова, не попадает в датчики, поэтому система не может скорректировать ориентацию зеркала. Существуют также геометрические проблемы, которые ограничивают функционирование гелиостата, когда направления Солнца и цели, если смотреть 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, равной 1/2 углового движения Солнца. Существует еще одно устройство, которое удовлетворяет определению гелиостата, но имеет зеркальное движение, 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 сегодня для удобства туристов. В фильме 1997 года « Пятый элемент» египетский мальчик держит зеркало, чтобы осветить стену внутри пещеры для вымышленного археолога.) 19-го века, который мог отражать солнечный свет к цели в любом направлении, используя только одно зеркало, сводя к минимуму потери света и автоматически компенсируя сезонные движения Солнца. Некоторые из этих устройств до сих пор можно увидеть в музеях, но сегодня они не используются в практических целях. Любители иногда придумывают специальные конструкции, которые работают приблизительно в каком-то конкретном месте без какого-либо теоретического обоснования. Возможно практически неограниченное количество таких конструкций.
