Helióstato

Un helióstato ( del griego antiguo ἥλιος ( hḗlios ) ' sol ' y στατός ( statós ) ' de pie ' ) es un dispositivo que refleja la luz solar hacia un objetivo, girando para compensar el movimiento aparente del Sol . El reflector suele ser un espejo plano .  

El objetivo puede ser un objeto físico, distante del helióstato, o una dirección en el espacio. Para ello, la superficie reflectante del espejo se mantiene perpendicular a la bisectriz del ángulo entre la dirección del Sol y la del objetivo, vista desde el espejo. En casi todos los casos, el objetivo permanece fijo con respecto al helióstato, por lo que la luz se refleja en una dirección fija. Según fuentes contemporáneas, el helióstato, como se le denominó inicialmente, fue inventado por Willem 's Gravesande (1688-1742). ^{[ 1 ]} Otros posibles inventores son Giovanni Alfonso Borelli (1608-1679) y Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736). ^{[ 2 ]} Un helióstato diseñado por George Johnstone Storey forma parte de la colección del Science Museum Group . ^{[ 3 ]}

Actualmente, la mayoría de los heliostatos se utilizan para iluminación natural o para la producción de energía solar concentrada , generalmente para generar electricidad. También se emplean a veces en la cocina solar . Algunos se utilizan experimentalmente para reflejar haces de luz solar estáticos hacia telescopios solares . Antes de la disponibilidad de láseres y otras luces eléctricas, los heliostatos se utilizaban ampliamente para producir haces de luz intensos y estacionarios con fines científicos y de otro tipo.

La mayoría de los heliostatos modernos se controlan mediante ordenadores. El ordenador recibe la latitud y longitud de la posición del heliostato en la Tierra, así como la fecha y la hora. A partir de estos datos, utilizando la teoría astronómica , calcula la dirección del Sol vista desde el espejo, es decir, su rumbo y ángulo de elevación. A continuación, conociendo la dirección del objetivo, el ordenador calcula la dirección de la bisectriz del ángulo requerido y envía señales de control a los motores , a menudo motores paso a paso , para que giren el espejo y lo alineen correctamente. Esta secuencia de operaciones se repite con frecuencia para mantener el espejo correctamente orientado.

Las grandes instalaciones, como las centrales termosolares, incluyen campos de heliostatos compuestos por numerosos espejos. Normalmente, todos los espejos de dicho campo están controlados por un único ordenador.

Existen tipos más antiguos de helióstatos que no utilizan ordenadores, incluyendo algunos que se operan parcial o totalmente de forma manual o mediante relojería , o que se controlan mediante sensores de luz . Estos últimos son ahora bastante raros.

Los heliostatos deben distinguirse de los seguidores solares , que apuntan directamente al sol en el cielo. Sin embargo, algunos tipos más antiguos de heliostatos incorporan seguidores solares, junto con componentes adicionales para dividir el ángulo entre el sol, el espejo y el objetivo.

Un siderostato es un dispositivo similar diseñado para seguir una estrella más tenue , en lugar del Sol.

En una central termosolar, como las de The Solar Project o la planta PS10 en España, un amplio campo de heliostatos concentra la energía del sol en un único colector para calentar un fluido como agua o sal fundida. Este fluido circula por un intercambiador de calor para calentar el agua, producir vapor y, posteriormente, generar electricidad mediante una turbina de vapor.

En los hornos solares experimentales, como el de Odeillo (Francia), se utiliza una disposición de heliostatos algo diferente. Todos los espejos de los heliostatos envían haces de luz paralelos con precisión a un gran reflector paraboloide, que los enfoca con exactitud. Los espejos deben estar lo suficientemente cerca del eje del paraboloide para reflejar la luz solar en él a lo largo de líneas paralelas a dicho eje, por lo que el campo de heliostatos debe ser estrecho. Se utiliza un sistema de control de bucle cerrado . Los sensores detectan si alguno de los heliostatos está ligeramente desalineado. En caso afirmativo, envían señales para corregirlo.

Se ha propuesto que las altas temperaturas generadas podrían utilizarse para dividir el agua y producir hidrógeno de forma sostenible. ^{[ 4 ]}

Los heliostatos más pequeños se utilizan para iluminación natural y calefacción. En lugar de muchos heliostatos grandes que concentran la energía solar en un solo punto (como en una planta de energía solar de torre), un solo heliostato, generalmente de 1 o 2 metros cuadrados, refleja la luz solar no concentrada a través de una ventana o claraboya. Un heliostato pequeño, instalado en el exterior, ya sea en el suelo o en una estructura como un tejado, se mueve en dos ejes (arriba/abajo e izquierda/derecha) para compensar el movimiento constante del Sol. De esta forma, la luz solar reflejada permanece fija en el punto de luz (por ejemplo, la ventana).

El Genzyme Center, sede corporativa de Genzyme Corp. en Cambridge, Massachusetts, utiliza heliostatos 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 pequeños heliostatos 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 usaría la energía de la luz solar para calentar y enfriar un edificio o para proporcionar energía para procesos industriales térmicos, como el procesamiento de alimentos. El enfriamiento se realizaría con un enfriador 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 heliostatos representan entre el 30 % y el 50 % de la inversión inicial para las centrales solares de torre, dependiendo de la política energética y el marco económico del país donde se ubican. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Es de interés diseñar heliostatos menos costosos para su fabricación a gran escala, de modo que las centrales solares de torre puedan producir electricidad a costos más competitivos que los de las centrales convencionales de carbón o nucleares .

Además del coste, el porcentaje de reflectividad solar (es decir, el albedo ) y la durabilidad ambiental son factores que deben tenerse en cuenta al comparar diseños de helióstatos.

Una forma en que los ingenieros e investigadores intentan reducir los costos de los heliostatos es reemplazando el diseño convencional por uno que utiliza menos materiales y más ligeros. Un diseño convencional para los componentes reflectantes del heliostato utiliza un espejo de segunda 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 reflectante de plata y una capa protectora superior de vidrio grueso. ^{[ 8 ]} Este heliostato convencional se conoce a menudo como heliostato de vidrio/metal. Los diseños alternativos incorporan investigaciones recientes sobre adhesivos, compuestos y películas delgadas para lograr una reducción de costos de materiales y 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 en el porcentaje de reflectividad solar durante largos períodos de exposición al sol y 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 describió al inicio de este artículo. Casi siempre, el eje de rotación primario es vertical y el secundario horizontal, por lo que el espejo está montado sobre una montura altazimutal .

Una alternativa sencilla consiste en que el espejo gire alrededor de un eje primario alineado con el polo  , impulsado por un mecanismo mecánico, a menudo de relojería, a 15 grados por hora, compensando así 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 dirección a uno de los polos celestes . Un eje secundario perpendicular permite el ajuste manual ocasional del espejo (diariamente o con menos frecuencia, según sea necesario) para compensar la variación de la declinación solar con las estaciones. El reloj de accionamiento también puede ajustarse ocasionalmente para compensar los cambios en la ecuación del tiempo . El objetivo puede ubicarse en el mismo eje polar que el eje de rotación primario del espejo, o bien se puede utilizar un segundo espejo fijo para reflejar la luz desde el eje polar hacia el objetivo, dondequiera que este se encuentre. Este tipo de montaje y accionamiento del 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 sobre el recipiente de cocción.

Las alineaciones altazimutal y de eje polar son dos de las tres orientaciones para monturas de dos ejes que se utilizan, o se han utilizado, comúnmente para espejos de helióstatos. La tercera es la disposición de eje objetivo , 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 helióstatos controlados por sensores de luz han utilizado esta orientación. Un pequeño brazo lleva sensores que controlan motores que giran el brazo alrededor de los dos ejes, de modo que apunta hacia el sol, incorporando un seguidor solar. Un sencillo mecanismo 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 manera que su superficie reflectante sea perpendicular a esta bisectriz. Este tipo de helióstato se utilizaba para la iluminación natural antes de la disponibilidad de ordenadores económicos, pero después de la disponibilidad inicial de hardware de control de sensores.

Existen diseños de helióstatos que no requieren una orientación exacta de los ejes de rotación. Por ejemplo, se pueden instalar sensores de luz cerca del objetivo que envían señales a motores para corregir la alineación del espejo cuando el haz de luz reflejada se desvía del objetivo. Las direcciones de los ejes solo necesitan conocerse de forma aproximada, ya que el sistema es intrínsecamente autocorrectivo. Sin embargo, presenta desventajas, como la necesidad de realinear manualmente el espejo cada mañana y después de periodos prolongados de nubosidad, puesto que el haz reflejado, al reaparecer, no llega a los sensores, impidiendo así que el sistema corrija la orientación del espejo. Además, 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 estas desventajas, este diseño nunca se ha utilizado de forma generalizada, aunque 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. Existe otra configuración que cumple con la definición de helióstato, pero cuyo movimiento del espejo es dos tercios del movimiento del Sol. ^{[ 14 ]}

También se han utilizado ocasionalmente muchos otros tipos de heliostatos. En los primeros heliostatos, por ejemplo, que se usaban para iluminar el interior en el antiguo Egipto, los sirvientes o esclavos mantenían los espejos alineados manualmente, sin ningún tipo de mecanismo. (Hay lugares en Egipto donde esto se sigue haciendo hoy en día, 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). Durante el siglo XIX se fabricaron elaborados heliostatos mecánicos que podían reflejar la luz solar hacia un objetivo en cualquier dirección usando un solo espejo, minimizando las pérdidas de luz, y que compensaban 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. Los aficionados a veces idean diseños ad hoc que funcionan aproximadamente, en algún lugar en particular, sin ninguna justificación teórica. Es posible un número prácticamente ilimitado de tales diseños.

• Heliógrafo , un dispositivo similar que no realiza seguimiento, utilizado para la comunicación.
• energía renovable
• Rjukan , una ciudad de Noruega que utiliza un helióstato para iluminar una parte de la plaza del pueblo durante los meses de invierno.
• Célula solar
• cocina solar
• Energía solar
• energía solar térmica
• seguidor solar

• Cornu, MA (1900). "Sobre la ley de rotación diurna del campo óptico del siderostato y el heliostato". Astrophys. J. 11 : 148. Bibcode : 1900ApJ....11..148C . doi : 10.1086/140677 .
• Hartmann, W.; Schorr, RRE (1928). "Beitrag zur Geschichte und Theorie der astronomischen Instrumente mit rotierendem Planspiegel und fester Reflexrichtung  : (Heliostat, Siderostat, Zölostat, Uranostat)". Astron. Verh. Hamburguesa Sternw . 3 : 1– 36. Bibcode : 1928AAHam...4....1H .
• Mills, AA (1985). "Heliostatos, siderostatos y celostatos: una revisión de instrumentos prácticos para aplicaciones astronómicas". J. Br. Astron. Assoc . 95 (3): 89. Bibcode : 1985JBAA...95...89M .
• Plummer, HC (1905). "Notas sobre el celostato y el siderostato" . Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 65 (1): 487– 501. Bibcode : 1905nocs.book.....P . doi : 10.1093/mnras/65.5.487 .
• Turner, HH (1901). "Sobre la compensación mecánica de la rotación del campo de un siderostato" . Mon. Not. R. Astron. Soc . 61 (23): 122. Bibcode : 1901MNRAS..61..122T . doi : 10.1093/mnras/61.3.122 .

• Campo de 63 heliostatos en el horno solar de Odeillo.
• Hornos solares en Odeillo
• Descripción general de los materiales reflectores para helióstatos
• Software gratuito para helióstatos Sunalign y material relacionado.