Гелиостат - Heliostat

Эта статья о солнечных устройствах слежения. Для оборудования оптической связи см. Гелиограф.
Гелиостат венского производителя приборов Эклинг (ок. 1850 г.)

А гелиостат (от helios, греческое слово для солнце, и стат, как в стационарном) - это устройство, которое включает в себя зеркало, обычно плоское зеркало, который поворачивается так, чтобы продолжать отражать солнечный свет в сторону заранее определенной цели, компенсируя видимые движения солнца в небе. Целью может быть физический объект, удаленный от гелиостата или направление в пространстве. Для этого отражающую поверхность зеркала держат перпендикуляр к биссектриса из угол между 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 Виллема Gravesande (1688-1742).[1] Другие претенденты Джованни Альфонсо Борелли (1608-1679) и Даниэль Габриэль Фаренгейт (1686-1736).[2]

В настоящее время большинство гелиостатов используются для дневной свет или для производства концентрированная солнечная энергия, обычно для выработки электроэнергии. Они также иногда используются в солнечная кулинария. Некоторые используются экспериментально или для отражения неподвижных лучей солнечного света в солнечные телескопы. До появления лазеры и другие электрические фонари, гелиостаты широко использовались для получения интенсивных стационарных лучей света в научных и других целях.

Большинство современных гелиостатов управляются компьютерами. Компьютеру дается широта и долгота положения гелиостата на Земле, а также времени и даты. Из них, используя астрономический теория, он вычисляет направление солнца, если смотреть из зеркала, например пеленг по компасу и угол места. Затем, учитывая направление цели, компьютер вычисляет направление требуемого биссектрисы угла и отправляет управляющие сигналы на моторы, довольно часто шаговые двигатели, поэтому они повернут зеркало в правильное положение. Эта последовательность операций часто повторяется, чтобы зеркало было правильно ориентировано.

Крупные установки, такие как солнечно-тепловые электростанции, включают: поля гелиостатов состоящий из множества зеркал. Обычно все зеркала в таком поле управляются одним компьютером.

Существуют старые типы гелиостатов, которые не используют компьютеры, в том числе те, которые частично или полностью управляются вручную или вручную. часовой механизм, или управляются светомдатчики. Сейчас это довольно редко.

Гелиостаты следует отличать от солнечные трекеры или солнечные трекеры, которые указывают прямо на солнце в небе. Однако некоторые старые типы гелиостатов включают в себя солнечные трекеры вместе с дополнительными компонентами для разделения угла пополам между солнцем, зеркалом и целью.

А сидеростат похожее устройство, которое разработано, чтобы следить за более слабым звезда, а не солнце.

Гелиостат на ТЕМИСА экспериментальная станция во Франции. Зеркало вращается на альтазимутальное крепление.
В Солнечный Два солнечно-тепловой энергетический проект рядом Даггетт, Калифорния. Каждое зеркало в поле гелиостатов непрерывно отражает солнечный свет на приемник на вышке.
11 МВт PS10 недалеко от Севильи в Испании. Когда был сделан этот снимок, пыль в воздухе делала видимым сходящийся свет.
В солнечная печь в Одейо в Восточные Пиренеи во Франции может достигать температуры до 3500 ° C (6330 ° F)

Масштабные проекты

На солнечно-тепловой электростанции, например на Солнечный проект или PS10 Завод в Испании, широкий спектр гелиостатов фокусирует энергию солнца на одном коллекторе для нагрева среды, такой как вода или расплавленная соль. Среда проходит через теплообменник, нагревая воду, производя пар, а затем вырабатывая электричество через паровую турбину.

Несколько иное расположение гелиостатов в поле используется на экспериментальных солнечных печах, например, на Одейо, во Франции. 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. А замкнутый цикл используется система управления. 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]

Малые проекты

Меньшие гелиостаты используются для дневной свет и отопление. 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] По его словам, вместо того, чтобы занимать сотни акров, система уместится на гораздо меньшей площади, например на плоской крыше коммерческого здания. Предлагаемая система будет использовать энергию солнечного света для обогрева и охлаждения здания или для обеспечения тепловых промышленных процессов, таких как обработка пищевых продуктов. Охлаждение будет производиться абсорбционный чиллер. Г-н Рор предположил, что система будет «более надежной и более рентабельной на квадратный метр отражающей поверхности», чем большие солнечные электростанции, отчасти потому, что она не будет жертвовать 80% энергии, собранной в процессе преобразования это к электричеству.[7]

дизайн

Затраты на гелиостат составляют 30-50% от первоначальных капитальных вложений в солнечные электростанции с опорой на башни 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 электроэнергию по ценам, более конкурентоспособным по сравнению с традиционным углем или углем. атомная энергия затраты на растения.

Помимо стоимости, процент солнечной отражательной способности (т.е. альбедо ) и устойчивость к окружающей среде - факторы, которые следует учитывать при сравнении конструкций гелиостатов.

Гелиостат и внешний приемник.jpg

Один из способов, которым инженеры и исследователи пытаются снизить стоимость гелиостатов, - 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 конструкционной основы, 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, чтобы снизить стоимость материалов и снизить вес. 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 солнечной отражательной способности при длительном пребывании на солнце и высокие производственные затраты.

Альтернативы отслеживания

В движении большинства современных гелиостатов используется двухосная моторизованная система, управляемая компьютером, как описано в начале этой статьи. Почти всегда первичная ось вращения вертикальна, а вторичная горизонтальна, поэтому зеркало находится на альт-азимутальная монтировка.

Одна простая альтернатива - вращение зеркала вокруг полярное выравнивание первичная ось, приводимая в движение механическим, часто часовым, механизмом со скоростью 15 градусов в час, компенсирующей вращение Земли относительно Солнца. Зеркало ориентировано так, чтобы отражать солнечный свет вдоль той же полярной оси в направлении одного из небесные полюса. Имеется перпендикулярная вторичная ось, позволяющая время от времени регулировать зеркало вручную (ежедневно или реже, по мере необходимости), чтобы компенсировать смещение солнечного света. склонение с сезонами. Настройка часов привода также может иногда корректироваться, чтобы компенсировать изменения в Уравнение 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 она ни находилась. Такой тип крепления зеркала и привода часто используется с солнечные плиты, такие как Отражатели Шеффлера.[11][12][13] Для этого приложения зеркало может быть вогнутый, чтобы сосредоточить солнечный свет на посуде для приготовления пищи.

В альт-азимут и полярная ось юстировки - это две из трех ориентаций для двухосных креплений, которые обычно используются или использовались для зеркал гелиостата. Третий - это 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 датчиками света. Маленькая рука несет датчики, управляющие двигателями, которые поворачивают руку вокруг двух осей, так что она указывает на солнце. (Таким образом, эта конструкция включает в себя 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 дневной свет до появления дешевых компьютеров, но после того, как появится оборудование для сенсорного управления.

Существуют конструкции гелиостатов, для которых не требуется точная ориентация осей вращения. Например, рядом с целью могут быть датчики света, которые посылают сигналы на двигатели, чтобы они корректировали выравнивание зеркала всякий раз, когда луч отраженного света дрейфует от цели. Направления осей должны быть известны только приблизительно, так как система по своей сути самокорректируется. Однако есть недостатки, такие как то, что зеркало необходимо вручную настраивать каждое утро и после любого длительного 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]

Время от времени 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 делают сегодня на благо 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 для этого случая конструкции, которые работают приблизительно, в каком-то конкретном месте, без какого-либо теоретического обоснования. Таких конструкций возможно практически неограниченное количество.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Новый и полный словарь искусств и наук, том 2, Лондон, 1763 г., стр. 1600
  2. ^ Питер ван дер Стар, Письма Даниэля Габриэля Фаренгейта Лейбницу и Бурхаве, Лейден, 1983, стр. 7
  3. ^ 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. Дои:10.1016 / j.ijhydene.2008.05.086.
  4. ^ Совет по экологическому строительству США: примеры из практики LEED В архиве 2009-12-01 в Wayback Machine
  5. ^ Интервью с Лу Капоцци, управляющим объектами Genzyme Center В архиве 8 января 2010 г. Wayback Machine
  6. ^ Рор Б. «Перспективы малых гелиостатов». Северо-восточное солнце. Весна 2009. pp.7-12 ссылка не работает «Архивная копия» (PDF). Архивировано 26 декабря 2010 года.. Получено 2010-01-25.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт) CS1 maint: BOT: статус исходного URL-адреса неизвестен (ссылка на сайт); резервное копирование PDF доступно в
  7. ^ Рор Б. «Перспективы малых гелиостатов». Северо-восточное солнце. Весна 2009. с.9. «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2010-12-26. Получено 2010-01-25.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт)
  8. ^ а б Mar, R .; Сверенген Дж. (1981). «Вопросы материалов в системах солнечной тепловой энергии». Материалы для солнечной энергии. 5: 37–41. Дои:10.1016/0165-1633(81)90057-5.
  9. ^ Ortega, J. I .; Burgaleta, J. I .; Телес, Ф. Л. М. (2008). «Солнечная электростанция с центральной приемной системой, использующая расплавленную соль в качестве теплоносителя». Журнал солнечной энергетики. 130 (2): 024501–024506. Дои:10.1115/1.2807210.
  10. ^ Kennedy, C.E .; Тервиллигер, К. (2005). «Оптическая стойкость потенциальных солнечных отражателей». Журнал солнечной энергетики. 127 (2): 262–268. Дои:10.1115/1.1861926.
  11. ^ Отражатель Шеффлера В архиве 2008-04-22 на Wayback Machine, дата обращения 5 июня 2011 г.
  12. ^ Заметки о кухнях Scheffler Community Дэвид Делани, версия от 22 февраля 2009 г., получено 5 июня 2011 г.
  13. ^ Иллюстрация на solarcooking.org, скачано 5 июня 2011 г.
  14. ^ http://www.redrok.com/main.htm#2/3motion

внешние ссылки