Күнге бағытталған айналар және олардың қолданылуы

Кіріспе

Күнді бақылау құрылғысы
Күнді бақылау құрылғылары

Гелиостат (гелиос, грек тілінде «күн» деген сөзден және «стат» – тұрақты деген сөзден) – әдетте жазық айнадан тұратын, күн сәулесін алдын ала белгіленген нысанаға бағыттап, айналдырып, Күннің аспандағы көрінетін қозғалысын өтеуге арналған құрылғы. Нысана гелиостаттан алыс орналасқан физикалық зат немесе кеңістіктегі бағыт болуы мүмкін. Мұны іске асыру үшін айнаның шағылыстыратын беті, айнадан көрінетін Күн мен нысана бағыттары арасындағы бұрыштың биссектрисасына перпендикуляр күйде ұсталады. Көбінесе нысана гелиостатқа қатысты тұрақты болады, сондықтан жарық белгілі бір бағытта шағылысады. Қазіргі деректерге сәйкес, гелиостатты алғаш Виллем 'с Гравесанде (1688–1742) ойлап тапқан. Басқа үміткерлер – Джованни Альфонсо Борелли (1608–1679) және Даниэль Габриэль Фаренгейт (1686–1736). Джордж Джонстон Стори жасаған гелиостат ғылым мұражайының коллекциясында сақталуда. Бүгінде гелиостаттардың көпшілігі күндізгі жарықтандыру үшін немесе шоғырланған күн энергиясын өндіру үшін, әдетте электр энергиясын алу үшін қолданылады. Олар кейде күнмен пісіруге де пайдаланылады. Аз ғана саны эксперименттік мақсатта, күн сәулесінің жылжымайтын сәулелерін күн телескоптарына бағыттау үшін қолданылады. Лазерлер мен басқа электр жарықтарының пайда болуына дейін гелиостаттар ғылыми және басқа да мақсаттар үшін қарқынды, тұрақты жарық сәулелерін жасау үшін кеңінен қолданылды. Көптеген қазіргі заманғы гелиостаттар компьютерлермен басқарылады. Компьютерге гелиостаттың Жер бетіндегі орнының ендік және бойлық координаталары, сондай-ақ уақыт және күні енгізіледі. Осы мәліметтерді пайдаланып, астрономиялық теория бойынша, айнадан көрінетін Күннің бағыты, мысалы, компас бағыты мен көтерілу бұрышы есептеледі. Содан кейін нысананың бағыты ескеріле отырып, компьютер қажетті бұрыш биссектрисасының бағытын есептейді және басқару сигналдарын мотораларға, көбінесе басқыш мотораларға жіберіп, айнаны дұрыс бағытқа бұрады. Бұл операциялар тізбегі айнаның дұрыс бағытталуын сақтау үшін үнемі қайталанады. Күн энергиясын жылумен электр станциялары сияқты ірі орналымдарда көптеген айналардан тұратын гелиостаттар жиынтығы болады. Әдетте, мұндай алқаптағы барлық айналарды бір компьютер басқарады. Компьютерді пайдаланбайтын, қолмен немесе сағаттық механизмдермен ішінара немесе толығымен басқарылатын, немесе жарық сенсорларымен басқарылатын гелиостаттардың ескі түрлері де бар. Қазір олар сирек кездеседі. Гелиостаттарды аспандағы Күнге тікелей бағытталған күн трекерлерінен ажырату керек. Дегенмен, кейбір ескі гелиостат түрлерінде күн трекерлері және күн айнасы мен нысана арасындағы бұрышты екіге бөлуге арналған қосымша компоненттер бар. Сидеростат – Күннің орнына әлсіз жұлдызды бақылауға арналған ұқсас құрылғы.

A heliostat (from helios, the Greek word for sun, and stat, as in stationary) is a device that includes a mirror, usually a plane mirror, which turns so as to keep reflecting sunlight toward a predetermined target, compensating for the Sun's apparent motions in the sky. The target may be a physical object, distant from the heliostat, or a direction in space. To do this, the reflective surface of the mirror is kept perpendicular to the bisector of the angle between the directions of the Sun and the target as seen from the mirror. In almost every case, the target is stationary relative to the heliostat, so the light is reflected in a fixed direction. According to contemporary sources the heliostata, as it was called at first, was invented by Willem 's Gravesande (1688–1742). Other contenders are Giovanni Alfonso Borelli (1608–1679) and Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736). A Heliostat designed by George Johnstone Storey is in the Science Museum Group collection. Nowadays, most heliostats are used for daylighting or for the production of concentrated solar power, usually to generate electricity. They are also sometimes used in solar cooking. A few are used experimentally to reflect motionless beams of sunlight into solar telescopes. Before the availability of lasers and other electric lights, heliostats were widely used to produce intense, stationary beams of light for scientific and other purposes. Most modern heliostats are controlled by computers. The computer is given the latitude and longitude of the heliostat's position on the Earth and the time and date. From these, using astronomical theory, it calculates the direction of the Sun as seen from the mirror, e. g. its compass bearing and angle of elevation. Then, given the direction of the target, the computer calculates the direction of the required angle bisector, and sends control signals to motors, often stepper motors, so they turn the mirror to the correct alignment. This sequence of operations is repeated frequently to keep the mirror properly oriented. Large installations such as solar thermal power stations include fields of heliostats comprising many mirrors. Usually, all the mirrors in such a field are controlled by a single computer. There are older types of heliostat which do not use computers, including ones that are partly or wholly operated by hand or by clockwork, or are controlled by light sensors. These are now quite rare. Heliostats should be distinguished from solar trackers or sun trackers that point directly at the sun in the sky. However, some older types of heliostat incorporate solar trackers, together with additional components to bisect the sun mirror target angle. A siderostat is a similar device which is designed to follow a fainter star, rather than the Sun.

Үлкен жобалар

Күн энергиясының жылу электр стансасында, мысалы, The Solar Project немесе Испаниядағы PS10 зауытында, кең аумақты гелиостаттар Күннің қуатын су немесе балқыған тұз сияқты ортаны қыздыру үшін бір коллекторға шоғырландырады. Бұл орта жылу алмастырғыш арқылы суды қыздырып, бу шығарып, содан кейін бу турбинасы арқылы электр энергиясын өндіреді. Франциядағы Одейлодағы күнмен жұмыс істейтін эксперименталды пештерде гелиостаттардың орналасуы сәл өзгеше. Барлық гелиостат айналары үлкен параболоидты шағылыстырғышқа дәл параллель жарық сәулелерін жібереді, осылайша оларды нақты фокусқа жеткізеді. Айналар параболоид осіне жеткілікті жақын орналасуы керек, сондықтан күн сәулесі осіне параллель түзулер бойымен оған шағылыруы керек, демек гелиостаттардың алабы тар болуы керек. Жабық циклді басқару жүйесі қолданылады. Сенсорлар гелиостаттардың біреуінің сәл бұрыс орналасқанын анықтайды. Егер олай болса, түзету сигналдары жіберіледі. Жоғары температураны суды бөліп, тұрақты түрде сутек өндіру үшін пайдалану ұсынылған.

Шағын жобалар

Кіші гелиостаттар күндізгі жарықтандыру және жылыту үшін қолданылады. Көптеген ірі гелиостаттар күн энергиясын шоғырландыру үшін бір нысанаға бағытталғаннан гөрі (күн энергиясын өндіруші мұнаралардағыдай), әдетте 1 немесе 2 шаршы метр көлеміндегі бір гелиостат терезе немесе люк арқылы шоғырланбаған күн сәулесін шағылыстырады. Сыртта, жерге немесе ғимарат құрылысына, мысалы, шатырға орнатылған кішкентай гелиостат, Күннің үнемі қозғалысын өтеу үшін екі осьте (жоғары/төмен және сол/оң) қозғалады. Осылайша, шағылысқан күн сәулесі нысанада (мысалы, терезеде) тұрақтап қалады. Гензим орталығы, Гензим корпорациясының Кембридж, Массачусетс штатындағы бас кеңсесі, 12 қабатты атриумына күн сәулесін бағыттау үшін шатырында гелиостаттарды пайдаланады. Брюс Рор 2009 жылғы мақаласында кішкентай гелиостаттарды күн энергиясы мұнарасы жүйесі сияқты пайдалануға болатынын ұсынды. Оның сөзіне қарағанда, жүздеген гектар жерді қажет ететін жүйе, коммерциялық ғимараттың жалпақ шатыры сияқты кішкентай аумаққа сыяды. Ұсынылған жүйе күн сәулесіндегі энергияны ғимаратты жылыту және салқындату үшін немесе тамақ өңдеу сияқты жылулық өнеркәсіптік процестерге қолдану үшін пайдаланады. Салқындату сіңіру салқындатқышы арқылы жүзеге асырылады. Рор бұл жүйенің "шағылысқан бетінің әр шаршы метріне сенімді және тиімді" болатынын айтты, себебі ол энергияны электр энергиясына айналдыру кезінде жиналған қуаттың 80 пайызын жоғалтпайды. Іріктемелі өндіріс үшін арзан гелиостаттарды жобалау маңызды, сонда күн энергиясы мұнаралары электр энергиясын дәстүрлі көмір және ядролық электр станцияларымен бәсекелесе алатын бағамен өндіре алады. Гелиостаттың конструкциясын салыстырғанда, оның құнымен қатар, күн сәулесінің шағылысу пайызы (яғни альбедо) және қоршаған ортаға төзімділігі де ескерілуі керек. Инженерлер мен зерттеушілер гелиостаттардың құнын төмендету үшін дәстүрлі гелиостат дизайнын азырақ және жеңіл материалдарды қолданатын нұсқамен алмастыруға тырысады. Гелиостаттың шағылыстыратын бөліктерінің дәстүрлі дизайны екінші беттік айнаны пайдаланады. Сандықша тәрізді айна конструкциясы әдетте болаттан жасалған құрылымдық тірек, жабысқақ қабат, қорғаныш мыс қабат, шағылыстыратын күміс қабат және қалың шыныдан жасалған жоғарғы қорғаныш қабаттан тұрады. Бұл жаңа конструкциялардың проблемаларына қорғаныш қаптамасының қабаттануы, ұзақ күнге ұшырағанда күн сәулесінің шағылысу пайызының төмендеуі және жоғары өндіріс шығындары жатады.

Smaller heliostats are used for daylighting and heating. Instead of many large heliostats focusing on a single target to concentrate solar power (as in a solar power tower plant), a single heliostat usually about 1 or 2 square meters in size reflects non concentrated sunlight through a window or skylight. A small heliostat, installed outside on the ground or on a building structure like a roof, moves on two axes (up/down and left/right) in order to compensate for the constant movement of the Sun. In this way, the reflected sunlight stays fixed on the target (e. g. window). Genzyme Center, corporate headquarters of Genzyme Corp. in Cambridge, Massachusetts, uses heliostats on the roof to direct sunlight into its12 story atrium. In a 2009 article, Bruce Rohr suggested that small heliostats could be used like a solar power tower system. Instead of occupying hundreds of acres, the system would fit in a much smaller area, like the flat rooftop of a commercial building, he said. The proposed system would use the power in sunlight to heat and cool a building or to provide input for thermal industrial processes like processing food. The cooling would be performed with an absorption chiller. Rohr proposed that the system would be "more reliable and more cost effective per square meter of reflective area" than large solar power tower plants, in part because it would not be sacrificing 80 percent of the power collected in the process of converting it to electricity. It is of interest to design less expensive heliostats for large scale manufacturing, so that solar power tower power plants may produce electricity at costs more competitive to conventional coal or nuclear power plants costs. Besides cost, percent solar reflectivity (i. e. albedo) and environmental durability are factors that should be considered when comparing heliostat designs. One way that engineers and researchers are attempting to lower the costs of heliostats is by replacing the conventional heliostat design with one that uses fewer, lighter materials. A conventional design for the heliostat's reflective components utilizes a second surface mirror. The sandwich like mirror structure generally consists of a steel structural support, an adhesive layer, a protective copper layer, a layer of reflective silver, and a top protective layer of thick glass. Problems with these more recent designs include delamination of the protective coatings, reduction in percent solar reflectivity over long periods of sun exposure, and high manufacturing costs.

Трекердің баламалы тәсілдері

Қазіргі заманғы гелиостаттардың көбісі осы мақаланың басында айтылғандай, екі осьті, компьютермен басқарылатын қозғалыс жүйесін қолданады. Көбінесе, негізгі айналу осі тік, ал екіншісі көлденең болады, сондықтан айна альт-азимуттық орнатуда орналасады. Бір қарапайым балама – айнаның полярлық сәйкестендірілген негізгі осьтің айналасында айналуы, оны механикалық, көбінесе сағаттық механизм сағатына 15 градус жылдамдықпен қозғалтады, бұл Жердің Күнге қатысты айналуын өтеуге мүмкіндік береді. Айна полярлық ось бойымен күн сәулесін аспан полюстерінің біріне қарай шағылыстырады. Күннің жыл мезгілдеріне қарай болатын өзгерістерді өтеу үшін айнаны қолмен реттеуге (күн сайын немесе қажет болған жағдайда жиірек) мүмкіндік беретін перпендикуляр екінші ось бар. Қозғалыс сағатының орнатылуын уақыт теңдеуіндегі өзгерістерді өтеу үшін кейде реттеуге болады. Нысана айнаның негізгі айналу осі болып табылатын сол полярлық осьте орналасуы мүмкін, немесе екінші, стационарлық айнаны полярлық осьтен нысанаға қарай жарықты қай жерде болса да, кері қайтаруға болады. Мұндай айналы монтаждау және қозғалтқыш көбінесе Scheffler рефлекторлары сияқты күн пештерімен қолданылады. Бұл жағдайда айна күн сәулесін пісіру ыдысына шоғырландыру үшін қуыс болуы мүмкін. Альтазимуттық және полярлық осьтің сәйкестендірілуі – гелиостат айналары үшін әдетте қолданылатын немесе қолданылған екі осьті тіректердің екі түрі. Үшіншісі – нысаналық осьтің орналасуы, онда негізгі ось күн сәулесі қайтарылатын нысанаға қарай бағытталады. Екінші ось негізгіге перпендикуляр. Жарық сенсорлары арқылы басқарылатын гелиостаттар осы бағытты пайдаланған. Кішкентай қол сенсорларды тасымалдайды, олар екі осьті айналдыратын қозғалтқыштарды басқарады, сондықтан ол Күнге қарай бағытталған күнді бақылау құралын қамтиды. Қарапайым механикалық құрылым негізгі осьтің нысанаға және қолдың Күнге қарай бағытталуы арасындағы бұрышты екіге бөледі. Айна осы биссекторға перпендикуляр орналасқан. Гелиостаттың бұл түрі арзан компьютерлер пайда болғанға дейін, бірақ сенсорлық басқару аппараттары қолжетімді болғаннан кейін күндізгі жарық үшін қолданылды. Гелиостаттың айналу осьтерінің нақты бағытын талап етпейтін конструкциялар да бар. Мысалы, нысанаға жақын жарық сенсорлары болуы мүмкін, олар оқшауланған жарық сәулесі нысанадан алыстағанда айнаның туралауын түзету үшін моторларға сигнал жібереді. Осьтердің бағыттары шамамен белгілі болуы жеткілікті, өйткені жүйе өзін-өзі түзетуге қабілетті. Алайда, кемшіліктері бар, мысалы, айна әр таңда және ұзақ бұлтты ауа-райыдан кейін қолмен қайтадан туралануы керек, өйткені шағылысқан сәуле қайта пайда болғанда сенсорларды өткізіп жібереді, сондықтан жүйе айнаның бағытын түзетуге қабілетсіз. Геометриялық проблемалар да бар, олар айнадан көрінетін Күн мен нысананың бағыты өте әртүрлі болған кезде гелиостаттың жұмысын шектейді. Бұл дизайнның кемшіліктеріне байланысты ол кеңінен қолданылмаған, бірақ кейбір адамдар оны тәжірибеден өткізеді. Әдетте, гелиостат айнасы Күннің бұрыштық қозғалысының 1/2 жылдамдығымен қозғалады. Гелиостат анықтамасын қанағаттандыратын, бірақ айна қозғалысы Күн қозғалысының 2/3 бөлігін құрайтын тағы бір құрылым бар. Гелиостаттардың басқа да көптеген түрлері кейде қолданылған. Мысалы, ежелгі Египетте күндізгі жарық үшін пайдаланылған ең алғашқы гелиостатта, қызметшілер немесе құлдар айналарды кез келген механизмді пайдаланбай, қолмен түзетіп ұстады. (Египетте қазір де туристердің игілігі үшін осылай жасалатын жерлер бар. 1997 жылы түсірілген "Бесінші элемент" фильмінде мысырлық бала көркем археолог үшін үңгірдің ішіндегі қабырғаны жарықтандыру үшін айна ұстайды.) ХІХ ғасырда күрделі сағатпен жұмыс істейтін гелиостаттар жасалды, олар тек бір айнаны қолдана отырып, кез-келген бағыттағы нысанаға күн сәулесін көрсететін, жарық жоғалтуды азайтатын және Күннің маусымдық қозғалыстарын автоматты түрде өтейтін. Бұл құрылғылардың кейбіреулерін әлі күнге дейін музейлерде көруге болады, бірақ олар қазіргі уақытта практикалық мақсаттарда қолданылмайды. Әдетте әуесқойлар кез-келген теориялық негіздемесіз белгілі бір жерде шамамен жұмыс істейтін арнайы жобалар жасайды. Мұндай жобалардың саны шексіз болуы мүмкін.

The movement of most modern heliostats employs a two axis motorized system, controlled by computer as outlined at the start of this article. Almost always, the primary rotation axis is vertical and the secondary horizontal, so the mirror is on an alt azimuth mount. One simple alternative is for the mirror to rotate around a polar aligned primary axis, driven by a mechanical, often clockwork, mechanism at 15 degrees per hour, compensating for the Earth's rotation relative to the Sun. The mirror is aligned to reflect sunlight along the same polar axis in the direction of one of the celestial poles. There is a perpendicular secondary axis allowing occasional manual adjustment of the mirror (daily or less often as necessary) to compensate for the shift in the Sun's declination with the seasons. The setting of the drive clock can also be occasionally adjusted to compensate for changes in the Equation of Time. The target can be located on the same polar axis that is the mirror's primary rotation axis, or a second, stationary mirror can be used to reflect light from the polar axis toward the target, wherever that might be. This kind of mirror mount and drive is often used with solar cookers, such as Scheffler reflectors. For this application, the mirror can be concave, so as to concentrate sunlight onto the cooking vessel. The alt azimuth and polar axis alignments are two of the three orientations for two axis mounts that are, or have been, commonly used for heliostat mirrors. The third is the target axis arrangement in which the primary axis points toward the target at which sunlight is to be reflected. The secondary axis is perpendicular to the primary one. Heliostats controlled by light sensors have used this orientation. A small arm carries sensors that control motors that turn the arm around the two axes, so it points toward the sun, incorporating a solar tracker. A simple mechanical arrangement bisects the angle between the primary axis, pointing to the target, and the arm, pointing to the Sun. The mirror is mounted so its reflective surface is perpendicular to this bisector. This type of heliostat was used for daylighting prior to the availability of cheap computers, but after the initial availability of sensor control hardware. There are heliostat designs which do not require the rotation axes to have any exact orientation. For example, there may be light sensors close to the target which send signals to motors so that they correct the alignment of the mirror whenever the beam of reflected light drifts away from the target. The directions of the axes need be only approximately known, since the system is intrinsically self correcting. However, there are disadvantages, such as that the mirror has to be manually realigned every morning and after any prolonged cloudy spell, since the reflected beam, when it reappears, misses the sensors, so the system cannot correct the orientation of the mirror. There are also geometrical problems which limit the functioning of the heliostat when the directions of the Sun and the target, as seen from the mirror, are very different. Because of the disadvantages, this design has never been commonly used, but some people do experiment with it. Typically, the heliostat mirror moves at a rate that is 1/2 the angular motion of the Sun. There is another arrangement that satisfies the definition of a heliostat yet has a mirror motion that is 2/3rd of the motion of the Sun. Many other types of heliostat have also occasionally been used. In the very earliest heliostats, for example, which were used for daylighting in ancient Egypt, servants or slaves kept the mirrors aligned manually, without using any kind of mechanism. (There are places in Egypt where this is done today, for the benefit of tourists. In the 1997 film The Fifth Element an Egyptian boy holds a mirror to illuminate a wall inside a cave for a fictional archaeologist.) Elaborate clockwork heliostats were made during the 19th Century which could reflect sunlight to a target in any direction using only a single mirror, minimizing light losses, and which automatically compensated for the Sun's seasonal movements. Some of these devices are still to be seen in museums, but they are not used for practical purposes today. Amateurs sometimes come up with ad hoc designs which work approximately, in some particular location, without any theoretical justification. An essentially limitless number of such designs are possible.