Гелиостаты: устройства слежения за солнцем

Введение

Солнечный трекер
Солнечные трекеры

Гелиостат (от гелиоса, греческого слова для солнца, и stat, означающего «неподвижный») – это устройство, включающее в себя зеркало, обычно плоское, которое поворачивается таким образом, чтобы постоянно отражать солнечный свет в направлении заранее определенной цели, компенсируя кажущиеся движения Солнца в небе. Целью может быть физический объект, удаленный от гелиостата, или направление в пространстве. Для этого отражающая поверхность зеркала поддерживается перпендикулярно биссектрисе угла между направлениями на Солнце и на цель, как видно из зеркала. В подавляющем большинстве случаев цель неподвижна относительно гелиостата, поэтому свет отражается в фиксированном направлении. Согласно современным источникам, гелиостат, как его первоначально называли, был изобретен Виллемом ’с Гравезанде (1688–1742). Среди других претендентов – Джованни Альфонсо Борелли (1608–1679) и Даниэль Габриэль Фаренгейт (1686–1736). Гелиостат, разработанный Джорджем Джонстоном Стори, находится в коллекции Научной музейной группы. В настоящее время большинство гелиостатов используются для дневного освещения или для производства концентрированной солнечной энергии, как правило, для выработки электроэнергии. Они также иногда применяются в солнечных печах. Некоторые из них экспериментально используются для отражения неподвижных лучей солнечного света в солнечные телескопы. До появления лазеров и других электрических источников света гелиостаты широко использовались для получения интенсивных, неподвижных пучков света в научных и других целях. Большинство современных гелиостатов управляются компьютерами. Компьютеру задаются широта и долгота местоположения гелиостата на Земле, а также время и дата. На основе этих данных, используя астрономическую теорию, он вычисляет направление на Солнце, как видно из зеркала, например, его азимут и угол возвышения. Затем, зная направление на цель, компьютер вычисляет направление требуемой биссектрисы угла и посылает управляющие сигналы на двигатели, часто шаговые, чтобы повернуть зеркало в правильное положение. Эта последовательность операций часто повторяется для поддержания правильной ориентации зеркала. Крупные установки, такие как солнечные тепловые электростанции, включают поля гелиостатов, состоящие из множества зеркал. Обычно всеми зеркалами в таком поле управляет один компьютер. Существуют более старые типы гелиостатов, которые не используют компьютеры, в том числе те, которые частично или полностью управляются вручную, по часовой системе или световыми датчиками. Сейчас они встречаются довольно редко. Гелиостаты следует отличать от солнечных трекеров, которые наводятся непосредственно на Солнце в небе. Однако некоторые старые типы гелиостатов включают в себя солнечные трекеры, а также дополнительные компоненты для определения биссектрисы угла между направлением на Солнце и на цель. Сидеростат – это аналогичное устройство, предназначенное для слежения за более тусклой звездой, а не за Солнцем.

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.

Крупномасштабные проекты

В солнечной тепловой электростанции, такой как проекты The Solar Project или электростанция PS10 в Испании, обширное поле гелиостатов фокусирует солнечную энергию на едином коллекторе для нагрева теплоносителя, например воды или расплавленной соли. Теплоноситель проходит через теплообменник для нагрева воды, производства пара и последующей генерации электроэнергии с помощью паровой турбины. Несколько иная компоновка поля гелиостатов используется в экспериментальных солнечных печах, таких как печь в Одеильо (Франция). Все зеркала гелиостатов направляют точно параллельные лучи света в большой параболоидный отражатель, который фокусирует их в одну точку. Зеркала должны быть расположены достаточно близко к оси параболоида, чтобы отражать солнечный свет вдоль линий, параллельных оси, поэтому поле гелиостатов должно быть узким. Используется система управления с обратной связью. Датчики определяют, не произошло ли небольшое отклонение в положении какого-либо из гелиостатов. В случае отклонения, они посылают сигналы для его корректировки. Предложено использовать высокие температуры, достигаемые в установке, для разложения воды с целью устойчивого производства водорода.

Маломасштабные проекты

Меньшие гелиостаты используются для дневного освещения и отопления. Вместо множества больших гелиостатов, фокусирующихся на единой цели для концентрации солнечной энергии (как на солнедной электростанции с центральным приемником), один гелиостат, обычно размером около 1 или 2 квадратных метров, отражает неконцентрированный солнечный свет через окно или световой фонарь. 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 неподвижным относительно цели (например, окна). Центр Джензиме, корпоративная штаб-квартира Genzyme Corp. в Кембридже, штат Массачусетс, использует гелиостаты на крыше для направления солнечного света в свой 12-этажный атриум. В статье 2009 года Брюс Рор предположил, что небольшие гелиостаты можно использовать аналогично системе солнедной электростанции с центральным приемником. Вместо того чтобы занимать сотни акров, система поместится на гораздо меньшей площади, например, на плоской крыше коммерческого здания, – заявил он. Предлагаемая система будет использовать энергию солнечного света для нагрева и охлаждения здания или для обеспечения ввода в тепловые промышленные процессы, такие как переработка продуктов питания. Охлаждение будет осуществляться с помощью абсорбционного чиллера. Рор предположил, что система будет "более надежной и экономически эффективной на квадратный метр отражающей поверхности", чем крупные солнечные электростанции с центральным приемником, отчасти потому, что она не будет терять 80 процентов собранной энергии в процессе ее преобразования в электричество. Представляет интерес разработка менее дорогих гелиостатов для крупномасштабного производства, чтобы солнечные электростанции могли производить электроэнергию по ценам, более конкурентоспособным по сравнению со стоимостью электроэнергии, вырабатываемой традиционными угольными или атомными электростанциями. Помимо стоимости, процент солнечной отражательной способности (т.е. альбедо) и экологическая стойкость являются факторами, которые следует учитывать при сравнении конструкций гелиостатов. Один из способов снижения стоимости гелиостатов, который используют инженеры и исследователи, – замена традиционной конструкции на более легкую, использующую меньшее количество материалов. Традиционная конструкция отражающих компонентов гелиостата использует зеркало со второй поверхностью. Эта многослойная конструкция обычно состоит из стального несущего каркаса, клеевого слоя, защитного медного слоя, слоя отражающего серебра и верхнего защитного слоя из толстого стекла. Проблемы с этими более новыми конструкциями включают в себя расслоение защитных покрытий, снижение процентной солнечной отражательной способности при длительном воздействии солнечного света и высокие производственные затраты.

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.

Альтернативные варианты отслеживания

Большинство современных гелиостатов используют двух осевую моторизованную систему, управляемую компьютером, как описано в начале этой статьи. Почти всегда первичная ось вращения вертикальна, а вторичная – горизонтальна, поэтому зеркало установлено на монтировке типа альт-азимут. Простой альтернативой является вращение зеркала вокруг полярной оси, выровненной вдоль полярной звезды, приводимой в движение механическим, часто часовым механизмом, со скоростью 15 градусов в час, компенсируя вращение Земли относительно Солнца. Зеркало выровнено таким образом, чтобы отражать солнечный свет вдоль той же полярной оси в направлении одного из небесных полюсов. Присутствует перпендикулярная вторичная ось, позволяющая периодически вручную корректировать положение зеркала (ежедневно или реже, по мере необходимости) для компенсации изменения склонения Солнца в зависимости от времени года. Настройку часового механизма также можно периодически корректировать для компенсации изменений в уравнении времени. Цель может быть расположена на той же полярной оси, что и первичная ось вращения зеркала, либо второе, неподвижное зеркало может использоваться для отражения света от полярной оси к цели, где бы она ни находилась. Этот тип крепления и привода зеркала часто используется с солнечными концентраторами, такими как рефлекторы Шеффлера. В этом случае зеркало может быть вогнутым, чтобы концентрировать солнечный свет на емкости для приготовления пищи. Альт-азимутальная и полярная ориентации – две из трех распространенных ориентаций для двух осевых монтировок, используемых или использовавшихся для зеркал гелиостатов. Третья – ориентация по оси цели, в которой первичная ось направлена к цели, на которую необходимо отразить солнечный свет. Вторичная ось перпендикулярна первичной. Гелиостаты, управляемые световыми датчиками, использовали эту ориентацию. Небольшой рычаг несет датчики, которые управляют двигателями, поворачивающими рычаг вокруг двух осей, так что он направлен на Солнце, реализуя солнечный трекер. Простая механическая схема делит пополам угол между первичной осью, направленной на цель, и рычагом, направленным на Солнце. Зеркало установлено таким образом, чтобы его отражающая поверхность была перпендикулярна этой биссектрисе. Этот тип гелиостата использовался для дневного освещения до появления недорогих компьютеров, но после появления первых устройств управления на основе датчиков. Существуют конструкции гелиостатов, которые не требуют точной ориентации осей вращения. Например, рядом с целью могут быть установлены световые датчики, которые посылают сигналы двигателям для корректировки положения зеркала всякий раз, когда отраженный луч отклоняется от цели. Направления осей должны быть известны лишь приблизительно, поскольку система по своей природе самокорректируется. Однако существуют и недостатки, например, необходимость ручной перенастройки зеркала каждое утро и после продолжительной пасмурной погоды, поскольку отраженный луч, когда он снова появляется, может не попадать на датчики, и система не сможет скорректировать ориентацию зеркала. Существуют также геометрические ограничения, которые снижают эффективность гелиостата, когда направления на Солнце и на цель, видимые из зеркала, сильно различаются. Из-за этих недостатков эта конструкция не получила широкого распространения, хотя некоторые люди экспериментируют с ней. Обычно зеркало гелиостата движется со скоростью, составляющей 1/2 угловой скорости движения Солнца. Существует и другая схема, удовлетворяющая определению гелиостата, но имеющая движение зеркала, равное 2/3 движения Солнца. Также иногда использовались и другие типы гелиостатов. В самых ранних гелиостатах, например, которые использовались для дневного освещения в Древнем Египте, слуги или рабы вручную поддерживали зеркала в нужном положении, не используя никаких механизмов. (В Египте до сих пор существуют места, где это делается для развлечения туристов. В фильме 1997 года «Пятый элемент» египетский мальчик держит зеркало, чтобы осветить стену внутри пещеры для вымышленного археолога.) В XIX веке были созданы сложные часовые гелиостаты, которые могли отражать солнечный свет в любом направлении, используя только одно зеркало, минимизируя потери света и автоматически компенсируя сезонные движения Солнца. Некоторые из этих устройств до сих пор можно увидеть в музеях, но в настоящее время они не используются в практических целях. Любители иногда разрабатывают нестандартные конструкции, которые работают приблизительно в определенном месте без какой-либо теоретической основы. Существует практически неограниченное количество таких конструкций.

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.