Гелиостат (от Helios , греческое слово солнца , и стат , как и в стационарном) представляет собой устройство , которое включает в себя зеркало, как правило, плоское зеркало , которое поворачивает таким образом , чтобы сохранить отражая солнечный свет к заранее определенной цели, компенсируя солнце очевидного движения в небе. Целью может быть физический объект, удаленный от гелиостата или направление в космосе. Чтобы сделать это, отражающая поверхность зеркала удерживается перпендикулярно к биссектрисе от угламежду направлением солнца и целью, если смотреть в зеркало. Практически в каждом случае цель неподвижна относительно гелиостата, поэтому свет отражается в фиксированном направлении. Согласно современным источникам, гелиостата, как ее сначала называли, была изобретена Виллемом Грейвзандом (1688–1742). [1] Другие претенденты - Джованни Альфонсо Борелли (1608–1679) и Даниэль Габриэль Фаренгейт (1686–1736). [2]
В настоящее время большинство гелиостатов используются для дневного освещения или для производства концентрированной солнечной энергии , обычно для выработки электроэнергии. Их также иногда используют при приготовлении пищи на солнечной энергии . Некоторые из них используются экспериментально для отражения неподвижных лучей солнечного света в солнечные телескопы . До появления лазеров и другого электрического освещения гелиостаты широко использовались для получения интенсивных стационарных лучей света в научных и других целях.
Большинство современных гелиостатов управляются компьютерами. Компьютер получает широту и долготу положения гелиостата на Земле, а также время и дату. Исходя из них, используя астрономическую теорию, он вычисляет направление солнца, если смотреть из зеркала, например, его пеленг по компасу и угол возвышения. Затем, учитывая направление цели, компьютер вычисляет направление требуемого биссектрисы угла и посылает управляющие сигналы двигателям , часто шаговым двигателям , чтобы они поворачивали зеркало в правильное положение. Эта последовательность операций часто повторяется для правильной ориентации зеркала.
Крупные установки, такие как солнечно-тепловые электростанции, включают в себя поля гелиостатов, состоящих из множества зеркал. Обычно все зеркала в 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 по часам или контролируются световыми датчиками . Сейчас это довольно редко.
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 для разделения угла между солнечным зеркалом и целью.
Сидеростат похожего устройство , которое предназначено следовать более слабым звездам , а не солнце.
Крупномасштабные проекты [ править ]
В солнечной тепловой электростанции, как таковые из солнечного проекта или PS10 завода в Испании, широкое поле гелиостатов фокусируется сила солнца на один коллектор для нагрева среды , такой как вода или расплавленной соли. Среда проходит через теплообменник, нагревая воду, производя пар, а затем вырабатывая электричество через паровую турбину.
Несколько иное расположение гелиостатов в поле используется в экспериментальных солнечных печах, например, в Одейо , Франция. Все зеркала гелиостата направляют точно параллельные пучки света в большой параболоидальный отражатель, который обеспечивает их точную фокусировку. Зеркала должны быть расположены достаточно близко к оси параболоида, чтобы отражать в него солнечный свет вдоль линий, параллельных оси, поэтому поле гелиостатов должно быть узким. Используется система управления с обратной связью . Датчики определяют, не смещен ли какой-либо из гелиостатов. Если так, они посылают сигналы, чтобы исправить это.
Было высказано предположение, что возникающие высокие температуры можно использовать для устойчивого разделения воды с образованием водорода. [3]
Маломасштабные проекты [ править ]
Меньшие гелиостаты используются для дневного освещения и обогрева. Вместо множества больших гелиостатов, фокусирующихся на одной цели для концентрации солнечной энергии (как в солнечной электростанции), один гелиостат обычно размером около 1-2 квадратных метров отражает неконцентрированный солнечный свет через окно или световой люк. Небольшой гелиостат, установленный снаружи на земле или на строительной конструкции, такой как крыша, перемещается по двум осям (вверх / вниз и влево / вправо), чтобы компенсировать постоянное движение солнца. Таким образом, отраженный солнечный свет остается фиксированным на цели (например, на окне).
Genzyme Center, штаб-квартира Genzyme Corp. в Кембридже, штат Массачусетс, использует гелиостаты на крыше, чтобы направлять солнечный свет в свой 12-этажный атриум. [4] [5]
В статье 2009 года Брюс Рор предположил, что небольшие гелиостаты можно использовать как солнечную энергетическую башню. [6] 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 производственных процессов, таких как обработка продуктов питания. Охлаждение будет осуществляться с помощью абсорбционного чиллера . Г-н Рор предположил, что система будет «более надежной и более рентабельной на квадратный метр отражающей площади», чем большие солнечные электростанции, отчасти потому, что она не будет жертвовать 80% энергии, собранной в процессе преобразования. это к электричеству. [7]
Дизайн [ править ]
Затраты на гелиостат составляют 30-50% от первоначальных капиталовложений в солнечные электростанции башенного типа в зависимости от энергетической политики и экономических условий в стране расположения. [8] [9] Представляет интерес разработка менее дорогих гелиостатов для крупномасштабного производства, чтобы солнечные электростанции с башнями могли производить электричество по ценам, более конкурентоспособным по сравнению с затратами на обычные угольные или атомные электростанции .
Помимо стоимости, при сравнении конструкций гелиостатов следует учитывать процент солнечной отражательной способности (т. Е. Альбедо ) и устойчивость к окружающей среде.
Один из способов, которым инженеры и исследователи пытаются снизить затраты на гелиостаты, - это замена традиционной конструкции гелиостата на конструкцию, в которой используется меньше и легче материалов. В обычной конструкции отражающих компонентов гелиостата используется второе поверхностное зеркало. Зеркальная структура в виде сэндвича обычно состоит из стальной структурной опоры, адгезионного слоя, защитного слоя меди, слоя отражающего серебра и верхнего защитного слоя из толстого стекла. [8]Этот традиционный гелиостат часто называют гелиостатом стекло / металл. Альтернативные конструкции включают недавние исследования адгезивов, композитов и тонких пленок с целью снижения стоимости материалов и снижения веса. Некоторыми примерами альтернативных конструкций отражателей являются отражатели из посеребренного полимера, сэндвичи из армированного стекловолокном полиэстера (GFRPS) и отражатели из алюминия. [10] Проблемы с этими более поздними конструкциями включают расслоение защитных покрытий, снижение процента отражения солнечного света в течение длительного периода пребывания на солнце и высокие производственные затраты.
Альтернативы отслеживания [ править ]
Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . ( ноябрь 2011 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
В движении большинства современных гелиостатов используется двухосная моторизованная система, управляемая компьютером, как описано в начале этой статьи. Почти всегда основная ось вращения вертикальна, а вторичная - горизонтальна, поэтому зеркало находится на альт-азимутальной монтировке .
Одна простая альтернатива - это вращение зеркала вокруг первичной оси, выровненной по полярности , с приводом от механического, часто часового механизма, со скоростью 15 градусов в час, компенсируя вращение Земли относительно Солнца. Зеркало ориентировано так, чтобы отражать солнечный свет вдоль той же полярной оси в направлении одного из небесных полюсов . Имеется перпендикулярная вторичная ось, позволяющая время от времени регулировать зеркало вручную (ежедневно или реже, по мере необходимости), чтобы компенсировать смещение склонения солнца в зависимости от времени года. Настройка часов привода также может иногда корректироваться, чтобы компенсировать изменения в уравнении времени.. Мишень может быть расположена на той же полярной оси, что и основная ось вращения зеркала, или может использоваться второе неподвижное зеркало для отражения света от полярной оси к цели, где бы это ни находилось. Такой тип крепления зеркала и привода часто используется с солнечными плитами , такими как отражатели Шеффлера . [11] [12] [13] В этом случае зеркало может быть вогнутым , чтобы концентрировать солнечный свет на посуде для приготовления пищи.
В альте-азимутальное и полярная ось выравнивание два из трех ориентаций для двух осей опор , которые являются или были, обычно используемыми для гелиостатов зеркал. Третья - целевая ось.расположение, при котором основная ось направлена на цель, от которой должен отражаться солнечный свет. Вторичная ось перпендикулярна первичной. Эту ориентацию использовали гелиостаты, управляемые светочувствительными датчиками. Маленькая рука несет датчики, которые управляют двигателями, которые вращают руку вокруг двух осей, так что она указывает на солнце, включая солнечный трекер. Простое механическое устройство делит угол между главной осью, указывающей на цель, и рукой, указывающей на солнце, пополам. Зеркало установлено так, чтобы его отражающая поверхность была перпендикулярна этой биссектрисе. Этот тип гелиостата использовался для дневного освещения до появления дешевых компьютеров, но после того, как появилось оборудование для управления датчиками.
Существуют конструкции гелиостатов, которые не требуют точной ориентации осей вращения. Например, рядом с целью могут быть датчики света, которые посылают сигналы на двигатели, чтобы они исправляли выравнивание зеркала всякий раз, когда луч отраженного света дрейфует от цели. Направления осей должны быть известны только приблизительно, поскольку система по своей сути самокорректируется. Однако есть недостатки, такие как то, что зеркало необходимо вручную настраивать каждое утро и после любого продолжительного периода облачности, поскольку отраженный луч, когда он снова появляется, не попадает в датчики, поэтому система не может исправить ориентацию зеркала. Существуют также геометрические проблемы, которые ограничивают работу гелиостата, когда направления солнца и цели, если смотреть в зеркало, сильно различаются.Из-за недостатков эта конструкция никогда не использовалась широко, но некоторые люди экспериментируют с ней.
Обычно зеркало гелиостата перемещается со скоростью, равной 1/2 углового движения Солнца. Есть еще одна конструкция, которая удовлетворяет определению гелиостата, но имеет зеркальное движение, которое составляет 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 выровняли зеркала вручную, без использования каких-либо механизмов. (В Египте есть места, где это делается сегодня для туристов. В фильме «Пятый элемент»египетский мальчик держит зеркало, чтобы осветить стену внутри пещеры для вымышленного археолога.) В 19 веке были созданы сложные гелиостаты с часовым механизмом, которые могли отражать солнечный свет к цели в любом направлении, используя только одно зеркало, сводя к минимуму потери света, и которые автоматически компенсируется сезонное движение солнца. Некоторые из этих устройств еще 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.
См. Также [ править ]
- Гелиограф , аналогичное устройство без слежения, используемое для связи
- Возобновляемая энергия
- Солнечная батарея
- Солнечная плита
- Солнечная энергия
- Солнечная тепловая энергия
- Солнечный трекер
Ссылки [ править ]
- ^ Новый и полный словарь искусств и наук, том 2, Лондон, 1763, стр. 1600
- ↑ Питер ван дер Стар, Письма Даниэля Габриэля Фаренгейта Лейбницу и Бурхаве , Лейден, 1983, стр. 7.
- ^ Graf, D .; Monnerie, N .; Roeb, M .; Schmitz, M .; Саттлер, К. (2008). «Экономическое сравнение производства солнечного водорода с помощью термохимических циклов и электролиза». Международный журнал водородной энергетики . 33 (17): 4511–4519. DOI : 10.1016 / j.ijhydene.2008.05.086 .
- ^ Совет по экологическому строительству США: Примеры из практики LEED, заархивированные 01.12.2009 в Wayback Machine
- ↑ Интервью с Лу Капоцци, управляющим объектами Genzyme Center. Архивировано 8 января 2010 г. на Wayback Machine.
- ^ Рор, Б. «Перспективы малых гелиостатов». Северо-восточное солнце. Весна 2009. pp.7-12 не работает ссылка "Архивная копия" (PDF) . Архивировано 26 декабря 2010 года . Проверено 25 января 2010 . CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ) CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ); резервная копия pdf доступна в
- ^ Рор, Б. «Перспективы малых гелиостатов». Северо-восточное солнце. Весна 2009. стр.9 « Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 26 декабря 2010 года . Проверено 25 января 2010 . CS1 maint: archived copy as title (link)
- ^ a b Mar, R .; Сверенген, Дж. (1981). «Материальные проблемы в системах солнечной тепловой энергии». Материалы солнечной энергии . 5 : 37–41. Bibcode : 1981SoEnM ... 5 ... 37M . DOI : 10.1016 / 0165-1633 (81) 90057-5 .
- ^ Ортега, JI; Burgaleta, JI; Телес, FLM (2008). "Солнечная электростанция с центральной приемной системой, использующая расплавленную соль в качестве теплоносителя". Журнал солнечной энергетики . 130 (2): 024501–024506. DOI : 10.1115 / 1.2807210 .
- ^ Кеннеди, CE; Тервиллигер, К. (2005). «Оптическая стойкость потенциальных солнечных отражателей». Журнал солнечной энергетики . 127 (2): 262–268. DOI : 10.1115 / 1.1861926 .
- ^ Scheffler-рефлектор архивации 2008-04-22 в Wayback Machine , извлекаться 5-июнь-2011
- ^ Заметки о кухнях сообщества Scheffler Дэвид Делани, ред. 22 февраля 2009 г., получено 5 июня 2011 г.
- ^ Иллюстрация с сайта solarcooking.org , загружена 5 июня 2011 г.
- ^ http://www.redrok.com/main.htm#2/3motion
Внешние ссылки [ править ]
- Поле 63 гелиостатов на Одейо солнечной печи
- Солнечные печи в Одейо
- Обзор материалов отражателя гелиостата
- Бесплатное программное обеспечение для гелиостата Sunalign и сопутствующие материалы
- Корню, Массачусетс (1900). «О законе суточного вращения оптического поля сидеростата и гелиостата». Astrophys. Дж . 11 : 148. Bibcode : 1900ApJ .... 11..148C . DOI : 10.1086 / 140677 .
- Тернер, HH (1901). «О механической компенсации вращения поля сидеростата» . Пн. Нет. R. Astr. Soc . 61 (23): 122. Полномочный код : 1901MNRAS..61..122T . DOI : 10.1093 / MNRAS / 61.3.122 .
- Пламмер, ХК (1905). «Заметки о целостате и сидеростате». Ежемесячно Нет. Royal Astron. Soc . 65 (1): 487–501. Bibcode : 1905nocs.book ..... P . DOI : 10,1093 / MNRAS / 65.6.487 (неактивный 2021-01-14).CS1 maint: DOI inactive as of January 2021 (link)
- Hartmann, W .; Шорр, RRE (1928). "Beitrag zur Geschichte und Theorie der astronomischen Instrumente mit rotierendem planspiegel und fester Reflexrichtung: (Heliostat, Siderostat, Zölostat, Uranostat)". Astron. Верх. Hamburger Sternw . 3 : 1–36. Bibcode : 1928AAHam ... 4 .... 1H .
- Миллс, AA (1985). «Гелиостаты, сидеростаты и целостаты: обзор практических инструментов для астрономических приложений». J. Brit. Astr. Доц . 95 (3): 89. Bibcode : 1985JBAA ... 95 ... 89M .
