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 del sol hacia un objetivo predeterminado, compensando la luz aparente 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 ángulo entre las direcciones del Sol y el objetivo visto desde el espejo. En casi todos los casos, el objetivo está estacionario con respecto al helióstato, por lo que la luz se refleja en una dirección fija. Según fuentes contemporáneas, los heliostatos, como se los llamó al principio, fueron inventados por Willem's Gravesande (1688-1742). [1] Otros contendientes son Giovanni Alfonso Borelli (1608-1679) y Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736). [2] Un heliostato diseñado por George Johnstone Storey se encuentra en la colección del Science Museum Group . [3]
Hoy en día, la mayoría de los helióstatos se utilizan para iluminación natural o para la producción de energía solar concentrada , normalmente para generar electricidad. A veces también se utilizan en la cocina solar . Algunos se utilizan experimentalmente para reflejar rayos inmóviles de luz solar en telescopios solares . Antes de la disponibilidad de láseres y otras luces eléctricas, los helióstatos se usaban ampliamente para producir rayos de luz intensos y estacionarios con fines científicos y de otro tipo.
La mayoría de los helióstatos modernos están controlados por computadoras. La computadora recibe la latitud y longitud de la posición del helióstato en la Tierra y la hora y la fecha. A partir de ellos, utilizando la teoría astronómica , calcula la dirección del Sol visto desde el espejo, por ejemplo, su rumbo y ángulo de elevación. Luego, dada la dirección del objetivo, la computadora calcula la dirección de la bisectriz del ángulo requerida y envía señales de control a los motores , a menudo motores paso a paso , para que giren el espejo hasta la alineación correcta. Esta secuencia de operaciones se repite con frecuencia para mantener el espejo correctamente orientado.
Las grandes instalaciones, como las centrales solares térmicas, incluyen campos de helióstatos compuestos por muchos espejos. Normalmente, todos los espejos de un campo de este tipo están controlados por una única computadora.
Hay tipos más antiguos de helióstatos que no utilizan ordenadores, incluidos los que se accionan parcial o totalmente a mano o mediante un mecanismo de relojería , o que están controlados por sensores de luz . Ahora son bastante raros.
Los helióstatos deben distinguirse de los seguidores solares o de los seguidores solares que apuntan directamente al sol en el cielo. Sin embargo, algunos tipos más antiguos de heliostato incorporan seguidores solares, junto con componentes adicionales para dividir el ángulo del espejo solar en dos.
Un siderostato es un dispositivo similar que está diseñado para seguir una estrella más débil , en lugar del Sol.
En una central termosolar, como las de The Solar Project o la planta PS10 en España, un amplio campo de helióstatos concentra la energía del Sol en un único colector para calentar un medio como agua o sales fundidas. 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 los helióstatos en un campo. Todos los espejos de helióstato envían haces de luz exactamente paralelos a un gran reflector parabólico que los enfoca con precisión. Los espejos deben ubicarse lo suficientemente cerca del eje del paraboloide para reflejar la luz solar hacia él a lo largo de líneas paralelas al eje, por lo que el campo de los 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 utilizarse para dividir el agua produciendo hidrógeno de forma sostenible. [4]
Los helióstatos más pequeños se utilizan para iluminación natural y calefacción. En lugar de muchos helióstatos grandes centrados 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 exterior, en el suelo o en la estructura de un edificio, como un tejado, se mueve en dos ejes (arriba/abajo e izquierda/derecha) para compensar el movimiento constante del sol. De este modo, la luz solar reflejada permanece fija en el objetivo (p. ej., una ventana).
Genzyme Center, sede corporativa de Genzyme Corp. en Cambridge, Massachusetts, utiliza helióstatos en el techo para dirigir la luz solar hacia su atrio de 12 pisos. [5] [6]
En un artículo de 2009, Bruce Rohr sugirió que los helióstatos pequeños podrían usarse como un sistema de torre de energía solar. [7] : 7–12 En lugar de ocupar cientos de acres, el sistema cabría en un área mucho más pequeña, como la azotea plana 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 una enfriadora de absorción . 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 electricidad. [7] : 9
Los costos de los helióstatos representan entre el 30% y el 50% de la inversión de capital inicial para las plantas de energía solar de torre, dependiendo de la política energética y el marco económico del país de ubicación. [8] [9] Es interesante diseñar heliostatos menos costosos para la fabricación a gran escala, de modo que las plantas de energía de torre solar puedan producir electricidad a costos más competitivos que los costos de las plantas de energía nuclear o de carbón convencionales .
Además del costo, el porcentaje de reflectividad solar (es decir, albedo ) y la durabilidad ambiental son factores que deben considerarse al comparar diseños de helióstatos.
Una forma en que los ingenieros e investigadores están intentando reducir los costos de los helióstatos es reemplazando el diseño de helióstato convencional por uno que utilice menos materiales y más livianos. Un diseño convencional para los componentes reflectantes del helióstato utiliza un segundo espejo de superficie. La estructura del 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 sobre adhesivos, compuestos y películas delgadas para lograr costos de materiales y reducción de 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 las capas protectoras, la reducción del porcentaje de reflectividad solar durante largos períodos de exposición al sol y los altos costos de fabricación.
El movimiento de la mayoría de los heliostatos 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 primario es vertical y el secundario horizontal, por lo que el espejo está sobre una montura alt-azimutal .
Una alternativa sencilla es que el espejo gire alrededor de un eje primario alineado polarmente , impulsado por un mecanismo mecánico, a menudo de relojería, a 15 grados por hora, compensando la rotación de la Tierra en relación con el Sol. El espejo está alineado para reflejar la luz solar a lo largo del mismo eje polar en dirección a 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 conducción también se puede ajustar ocasionalmente para compensar los cambios en la ecuación del tiempo . El objetivo puede ubicarse 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, dondequiera 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 monturas de dos ejes que se usan, o se han usado, comúnmente para espejos de helióstatos. El tercero es la disposición del eje objetivo en la que el eje primario apunta hacia el objetivo en el que se debe reflejar la luz solar. El eje secundario es perpendicular al primario. Los helióstatos 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, de modo que apunte hacia el sol, incorporando un seguidor solar. Una sencilla disposición mecánica divide en dos el ángulo entre el eje primario, que apunta al objetivo, y el brazo, que apunta al Sol. El espejo se monta de modo que su superficie reflectante sea perpendicular a esta bisectriz. Este tipo de helióstato se utilizaba para 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 cada vez que el haz de luz reflejada se aleja del objetivo. Las direcciones de los ejes sólo deben conocerse de forma aproximada, ya que el sistema se autocorrige intrínsecamente. Sin embargo, existen desventajas, como que el espejo debe realinearse manualmente cada mañana y después de un período prolongado de nubosidad, ya que el haz reflejado, cuando reaparece, no alcanza 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 del objetivo, vistas desde el espejo, son muy diferentes. Debido a sus desventajas, este diseño nunca se ha utilizado comúnmente, pero algunas personas experimentan con él.
Normalmente, 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 especular que es 2/3 del movimiento del Sol. [14]
Ocasionalmente también se han utilizado muchos otros tipos de helióstatos. En los primeros heliostatos, 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 hoy en día se hace esto, para beneficio de los turistas. En la película de 1997 El quinto elemento, un niño egipcio sostiene un espejo para iluminar una pared dentro de una cueva para un arqueólogo ficticio). del siglo XIX que podía reflejar la luz solar hacia un objetivo en cualquier dirección usando un solo espejo, minimizando las pérdidas de luz y compensando automáticamente los movimientos estacionales del Sol. Algunos de estos dispositivos aún se pueden ver en museos, pero hoy en día no se utilizan con fines prácticos. A los aficionados a veces se les ocurren diseños ad hoc que funcionan de forma aproximada, en algún lugar concreto, sin ninguna justificación teórica. Es posible un número esencialmente ilimitado de tales diseños.
