Un helióstato (de helios , la palabra griega para sol , y stat , como en estacionario) es un dispositivo que incluye un espejo, generalmente un espejo plano , que gira para seguir reflejando la luz solar hacia un objetivo predeterminado, compensando la aparente luz del sol. movimientos en el cielo. El objetivo puede ser un objeto físico, distante del helióstato o una dirección en el espacio. Para hacer esto, la superficie reflectante del espejo se mantiene perpendicular a la bisectriz del ánguloentre las direcciones del sol y el objetivo como se ve desde el espejo. En casi todos los casos, el objetivo está estacionario en relación con el helióstato, por lo que la luz se refleja en una dirección fija. Según fuentes contemporáneas, la heliostata, como se la llamó al principio, fue inventada por Gravesande de Willem (1688-1742). [1] Otros contendientes son Giovanni Alfonso Borelli (1608-1679) y Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736). [2]
Hoy en día, la mayoría de los helióstatos se utilizan para la iluminación natural o para la producción de energía solar concentrada , generalmente para generar electricidad. También se utilizan a veces en la cocina solar . Algunos se utilizan experimentalmente para reflejar rayos de luz solar inmóviles en telescopios solares . Antes de la disponibilidad de láseres y otras luces eléctricas, los helióstatos se usaban ampliamente para producir haces de luz estacionarios e intensos con fines científicos y de otro tipo.
La mayoría de los helióstatos modernos están controlados por computadoras. A la computadora se le da la latitud y longitud de la posición del helióstato en la tierra y la hora y fecha. A partir de estos, utilizando la teoría astronómica , calcula la dirección del sol visto desde el espejo, por ejemplo, la orientación de la brújula y el ángulo de elevación. Luego, dada la dirección del objetivo, la computadora calcula la dirección de la bisectriz de ángulo requerida y envía señales de control a los motores , a menudo motores paso a paso , para que giren el espejo a la alineación correcta. Esta secuencia de operaciones se repite con frecuencia para mantener el espejo correctamente orientado.
Las grandes instalaciones, como las centrales térmicas solares, incluyen campos de helióstatos que comprenden muchos espejos. Por lo general, todos los espejos en dicho campo están controlados por una sola computadora.
Hay tipos más antiguos de helióstatos que no utilizan computadoras, incluidos los que son operados total o parcialmente a mano o por un mecanismo de relojería , o que están controlados por sensores de luz . Estos son ahora bastante raros.
Los helióstatos deben distinguirse de los seguidores solares o los seguidores solares que apuntan directamente al sol en el cielo. Sin embargo, algunos tipos más antiguos de helióstatos incorporan seguidores solares, junto con componentes adicionales para bisecar el ángulo del objetivo del espejo del sol.
Un siderostato es un dispositivo similar que está diseñado para seguir una estrella más débil , en lugar del sol.
Proyectos a gran escala [ editar ]
En una central termosolar, como las de The Solar Project o la planta PS10 en España, un amplio campo de helióstatos concentra la energía solar en un único colector para calentar un medio como el agua o la sal fundida. El medio viaja a través de un intercambiador de calor para calentar agua, producir vapor y luego generar electricidad a través de una turbina de vapor.
En los hornos solares experimentales, como el de Odeillo , en Francia, se utiliza una disposición algo diferente de helióstatos en un campo . Todos los espejos de helióstatos envían haces de luz paralelos con precisión a un gran reflector paraboloidal que los enfoca con precisión. Los espejos deben ubicarse lo suficientemente cerca del eje del paraboloide para reflejar la luz solar en él a lo largo de líneas paralelas al eje, por lo que el campo de helióstatos debe ser estrecho. Se utiliza un sistema de control de circuito cerrado . Los sensores determinan si alguno de los helióstatos está ligeramente desalineado. Si es así, envían señales para corregirlo.
Se ha propuesto que las altas temperaturas generadas podrían usarse para dividir el agua produciendo hidrógeno de manera sostenible. [3]
Proyectos a pequeña escala [ editar ]
Los helióstatos más pequeños se utilizan para la iluminación natural y la calefacción. En lugar de muchos helióstatos grandes que se enfocan en un solo objetivo para concentrar la energía solar (como en una planta de torre de energía solar), un solo helióstato generalmente de aproximadamente 1 o 2 metros cuadrados de tamaño refleja la luz solar no concentrada a través de una ventana o tragaluz. Un pequeño helióstato, instalado en el suelo o en la estructura de un edificio como un techo, se mueve en dos ejes (arriba / abajo e izquierda / derecha) para compensar el movimiento constante del sol. De esta manera, la luz solar reflejada permanece fija en el objetivo (por ejemplo, ventana).
Genzyme Center, la sede corporativa de Genzyme Corp. en Cambridge, Massachusetts, usa heliostatos en el techo para dirigir la luz del sol hacia su atrio de 12 pisos. [4] [5]
En un artículo de 2009, Bruce Rohr sugirió que pequeños helióstatos podrían usarse como un sistema de torre de energía solar. [6] En lugar de ocupar cientos de acres, el sistema encajaría en un área mucho más pequeña, como la azotea de un edificio comercial, dijo. El sistema propuesto utilizaría la energía de la luz solar para calentar y enfriar un edificio o para proporcionar insumos para procesos industriales térmicos como el procesamiento de alimentos. El enfriamiento se realizaría con un enfriador de absorción . El Sr. Rohr propuso que el sistema sería "más confiable y más rentable por metro cuadrado de área reflectante" que las grandes plantas de torre de energía solar, en parte porque no sacrificaría el 80 por ciento de la energía recolectada en el proceso de conversión. a la electricidad. [7]
Diseño [ editar ]
Los costos de los helióstatos representan entre el 30 y el 50% de la inversión de capital inicial para las plantas de energía de torre de energía solar, según la política energética y el marco económico del país de ubicación. [8] [9] Es interesante diseñar helióstatos menos costosos para la fabricación a gran escala, de modo que las plantas de energía solar de torre puedan producir electricidad a costos más competitivos que los costos de las centrales nucleares o de carbón convencionales .
Además del costo, el porcentaje de reflectividad solar (es decir, el albedo ) y la durabilidad ambiental son factores que deben considerarse al comparar los diseños de helióstatos.
Una forma en que los ingenieros e investigadores están intentando reducir los costos de los helióstatos es reemplazando el diseño de helióstatos convencional por uno que use menos materiales y más livianos. Un diseño convencional para los componentes reflectantes del helióstato utiliza un segundo espejo de superficie. La estructura de espejo tipo sándwich generalmente consta de un soporte estructural de acero, una capa adhesiva, una capa protectora de cobre, una capa de plata reflectante y una capa protectora superior de vidrio grueso. [8]Este helióstato convencional a menudo se denomina helióstato de vidrio / metal. Los diseños alternativos incorporan investigaciones recientes de adhesivos, compuestos y películas delgadas para reducir los costos de materiales y reducir el peso. Algunos ejemplos de diseños de reflectores alternativos son los reflectores de polímero plateado, los sándwiches de poliéster reforzado con fibra de vidrio (GFRPS) y los reflectores aluminizados. [10] Los problemas con estos diseños más recientes incluyen la delaminación de los recubrimientos protectores, la reducción del porcentaje de reflectividad solar durante largos períodos de exposición al sol y los altos costos de fabricación.
Alternativas de seguimiento [ editar ]
Este artículo necesita citas adicionales para su verificación . ( noviembre de 2011 ) ( Aprenda cómo y cuándo eliminar este mensaje de plantilla ) |
El movimiento de la mayoría de los helióstatos modernos emplea un sistema motorizado de dos ejes, controlado por computadora, como se describe al comienzo de este artículo. Casi siempre, el eje de rotación principal es vertical y el secundario horizontal, por lo que el espejo está en un montaje de azimut alternativo .
Una alternativa simple es que el espejo gire alrededor de un eje primario alineado polarmente, impulsado por un mecanismo mecánico, a menudo un reloj, a 15 grados por hora, compensando la rotación de la tierra con respecto al sol. El espejo está alineado para reflejar la luz solar a lo largo del mismo eje polar en la dirección de uno de los polos celestes . Hay un eje secundario perpendicular que permite el ajuste manual ocasional del espejo (diariamente o con menos frecuencia según sea necesario) para compensar el cambio en la declinación del sol con las estaciones. La configuración del reloj de la unidad también se puede ajustar ocasionalmente para compensar los cambios en la ecuación del tiempo.. El objetivo se puede ubicar en el mismo eje polar que es el eje de rotación principal del espejo, o se puede usar un segundo espejo estacionario para reflejar la luz desde el eje polar hacia el objetivo, donde sea que esté. Este tipo de montaje y accionamiento de espejo se utiliza a menudo con cocinas solares , como los reflectores Scheffler . [11] [12] [13] Para esta aplicación, el espejo puede ser cóncavo para concentrar la luz solar en el recipiente de cocción.
Las alineaciones de alt-azimut y eje polar son dos de las tres orientaciones para montajes de dos ejes que son, o han sido, comúnmente utilizadas para espejos de helióstatos. El tercero es el eje objetivoDisposición en la que el eje primario apunta hacia el objetivo en el que se reflejará la luz solar. El eje secundario es perpendicular al primario. Los heliostatos controlados por sensores de luz han utilizado esta orientación. Un pequeño brazo lleva sensores que controlan motores que hacen girar el brazo alrededor de los dos ejes, por lo que apunta hacia el sol, incorporando un seguidor solar. Una disposición mecánica simple divide en dos el ángulo entre el eje principal, que apunta al objetivo, y el brazo, que apunta al sol. El espejo está montado de modo que su superficie reflectante sea perpendicular a esta bisectriz. Este tipo de helióstato se utilizó para la iluminación natural antes de la disponibilidad de computadoras baratas, pero después de la disponibilidad inicial del hardware de control de sensores.
Hay diseños de helióstatos que no requieren que los ejes de rotación tengan una orientación exacta. Por ejemplo, puede haber sensores de luz cerca del objetivo que envían señales a los motores para que corrijan la alineación del espejo siempre que el haz de luz reflejada se desvíe del objetivo. Las direcciones de los ejes solo necesitan conocerse aproximadamente, ya que el sistema es intrínsecamente autocorregible. Sin embargo, existen desventajas, como que el espejo tiene que realinearse manualmente cada mañana y después de cualquier período nublado prolongado, ya que el rayo reflejado, cuando reaparece, pierde los sensores, por lo que el sistema no puede corregir la orientación del espejo. También existen problemas geométricos que limitan el funcionamiento del helióstato cuando las direcciones del sol y el objetivo, visto desde el espejo, son muy diferentes.Debido a las desventajas, este diseño nunca se ha utilizado comúnmente, pero algunas personas experimentan con él.
Por lo general, el espejo del helióstato se mueve a una velocidad que es la mitad del movimiento angular del sol. Hay otra disposición que satisface la definición de helióstato pero tiene un movimiento de espejo que es 2/3 del movimiento del sol. [14]
También se han utilizado ocasionalmente muchos otros tipos de helióstatos. En los primeros helióstatos, por ejemplo, que se utilizaban para la iluminación natural en el antiguo Egipto, los sirvientes o esclavos mantenían los espejos alineados manualmente, sin utilizar ningún tipo de mecanismo. (Hay lugares en Egipto donde esto se hace hoy, en beneficio de los turistas. En la película El quinto elementoun niño egipcio sostiene un espejo para iluminar una pared dentro de una cueva para un arqueólogo ficticio.) Durante el siglo XIX se hicieron elaborados helióstatos mecánicos que podían reflejar la luz solar hacia un objetivo en cualquier dirección utilizando solo un espejo, minimizando las pérdidas de luz, y que compensado automáticamente por los movimientos estacionales del sol. Algunos de estos dispositivos todavía se pueden ver en los museos, pero hoy en día no se utilizan con fines prácticos. Los aficionados a veces presentan diseños ad hoc que funcionan aproximadamente, en un lugar en particular, sin ninguna justificación teórica. Es posible un número esencialmente ilimitado de tales diseños.
Ver también [ editar ]
- Heliógrafo , un dispositivo sin seguimiento similar, utilizado para la comunicación.
- Energía renovable
- Célula solar
- Cocina solar
- Energía solar
- Energía solar térmica
- Seguidor solar
Referencias [ editar ]
- ^ Un diccionario nuevo y completo de artes y ciencias, vol 2, Londres, 1763, p. 1600
- ^ Pieter van der Star, Cartas de Daniel Gabriel Fahrenheit a Leibniz y Boerhaave , Leiden, 1983, p. 7.
- ^ Graf, D .; Monnerie, N .; Roeb, M .; Schmitz, M .; Sattler, C. (2008). "Comparación económica de la generación de hidrógeno solar mediante ciclos termoquímicos y electrólisis". Revista Internacional de Energía de Hidrógeno . 33 (17): 4511–4519. doi : 10.1016 / j.ijhydene.2008.05.086 .
- ^ Consejo de construcción ecológica de EE. UU .: estudios de caso de LEED archivados el 1 de diciembre de 2009 en Wayback Machine
- ^ Entrevista con Lou Capozzi, Gerente de Instalaciones del Centro Genzyme Archivado el 8 de enero de 2010 en Wayback Machine.
- ^ Rohr, B. "La promesa de pequeños helióstatos". Noreste Sun. Primavera de 2009. El enlace de las páginas 7-12 está roto "Copia archivada" (PDF) . Archivado desde el original el 26 de diciembre de 2010 . Consultado el 25 de enero de 2010 . CS1 maint: copia archivada como título ( enlace ) CS1 maint: bot: estado de URL original desconocido ( enlace ); copia de seguridad de pdf disponible en
- ^ Rohr, B. "La promesa de pequeños helióstatos". Noreste Sun. Primavera de 2009. Pág.9 "Copia archivada" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 26 de diciembre de 2010 . Consultado el 25 de enero de 2010 . CS1 maint: archived copy as title (link)
- ↑ a b Mar, R .; Swearengen, J. (1981). "Problemas de materiales en sistemas de energía solar térmica". Materiales de energía solar . 5 : 37–41. Código Bibliográfico : 1981SoEnM ... 5 ... 37M . doi : 10.1016 / 0165-1633 (81) 90057-5 .
- ^ Ortega, JI; Burgaleta, JI; Téllez, FLM (2008). "Planta de energía solar del sistema receptor central utilizando sal fundida como fluido de transferencia de calor". Revista de Ingeniería de Energía Solar . 130 (2): 024501–024506. doi : 10.1115 / 1.2807210 .
- ^ Kennedy, CE; Terwilliger, K. (2005). "Durabilidad óptica de los reflectores solares candidatos". Revista de Ingeniería de Energía Solar . 127 (2): 262–268. doi : 10.1115 / 1.1861926 .
- ↑ The Scheffler-Reflector Archivado el 22de abril de 2008en la Wayback Machine , consultado el 5 de junio de 2011
- ^ Notas sobre las cocinas comunitarias de Scheffler David Delaney, rev. 22 de febrero de 2009, consultado el 5 de junio de 2011
- ^ Ilustración en solarcooking.org , descargado el 5 de junio de 2011
- ^ http://www.redrok.com/main.htm#2/3motion
Enlaces externos [ editar ]
- Campo de 63 heliostatos en el Horno Solar de Odeillo
- Hornos Solares en Odeillo
- Descripción general de los materiales del reflector de helióstatos
- Software gratuito de helióstatos Sunalign y material relacionado
- Cornu, MA (1900). "Sobre la ley de rotación diurna del campo óptico del siderostato y helióstato". Astrophys. J . 11 : 148. Código Bibliográfico : 1900ApJ .... 11..148C . doi : 10.1086 / 140677 .
- Turner, HH (1901). "Sobre la compensación mecánica de la rotación del campo de un siderostato" . Lun. No. R. Astron. Soc . 61 (23): 122. Código bibliográfico : 1901MNRAS..61..122T . doi : 10.1093 / mnras / 61.3.122 .
- Plummer, HC (1905). "Notas sobre el Coelostat y Siderostat". Mensual No. Royal Astron. Soc . 65 (1): 487–501. Bibcode : 1905nocs.book ..... P . doi : 10.1093 / mnras / 65.6.487 (inactivo 2021-01-14).CS1 maint: DOI inactive as of January 2021 (link)
- Hartmann, W .; Schorr, RRE (1928). "Beitrag zur Geschichte und Theorie der astronomischen Instrumente mit rotierendem Planspiegel und fester Reflexrichtung: (Heliostato, Siderostat, Zölostat, Uranostat)". Astron. Verh. Hamburger Sternw . 3 : 1–36. Código Bibliográfico : 1928AAHam ... 4 .... 1H .
- Mills, AA (1985). "Heliostatos, siderostatos y celóstatos: una revisión de instrumentos prácticos para aplicaciones astronómicas". J. Brit. Astr. Assoc . 95 (3): 89. Código bibliográfico : 1985JBAA ... 95 ... 89M .
