헬리오스타트

Heliostat
이 기사는 태양 추적 장치에 관한 것이다.광통신장비의 경우 Heliograph를 참조하십시오.
빈 악기 메이커 에클링의 헬리오스타트 (1850년경)
프랑스의 THéMIS 실험 스테이션의 헬리오스타트.미러는 Altazimuth 마운트에서 회전합니다.
캘리포니아 다게트 근교의 태양열 2극 열발전 프로젝트입니다.헬리오스타트 분야의 모든 거울은 타워의 수신기에 햇빛을 지속적으로 반사합니다.
스페인 세비야 인근에 있는 11MW PS10.이 사진을 찍었을 때 공기 중의 먼지가 모여드는 빛을 보이게 했다.
프랑스 피레네 오리엔탈레스 오데요의 태양열로는 최대 3,500°C(6,330°F)의 온도에 도달할 수 있습니다.

헬리오스탯(helios, 그리스어로 태양을 뜻하는 단어, 그리고 stat에서 온 것)은 거울, 보통 평면 거울이 포함된 장치로, 하늘에서 태양의 명백한 움직임을 보상하기 위해 미리 정해진 목표물을 향해 햇빛을 계속 반사하도록 회전합니다.대상은 헬리오스탯에서 멀리 떨어져 있는 물리적 물체이거나 우주의 방향일 수 있습니다.이를 위해 거울의 반사면을 거울에서 본 태양 방향과 목표물 사이의 각도의 이등분선에 대해 수직으로 유지한다.거의 모든 경우에 표적은 헬리오스탯에 대해 정지되어 있기 때문에 빛이 일정한 방향으로 반사됩니다.현대 자료에 따르면 헬리오스타타는 처음에는 빌럼의 그라베산드 (1688–1742)[1]에 의해 발명되었다고 한다.다른 경쟁자들은 조반니 알폰소 보렐리 (1608–1679)와 다니엘 가브리엘 화씨 (1686–1736)이다.[2]조지 존스톤 스토리가 디자인한 헬리오스타트는 과학박물관 그룹 [3]소장품이다.

오늘날, 대부분의 헬리오스타트는 햇빛을 쬐거나 주로 전기를 생산하기 위해 집중 태양 에너지를 생산하는 데 사용됩니다.그것들은 또한 때때로 태양열 요리에 사용된다.몇 개는 태양 망원경에 움직이는 태양 광선을 반사시키기 위해 실험적으로 사용된다.레이저와 다른 전등이 보급되기 전에, 헬리오스타트는 과학적이고 다른 목적을 위해 강렬한 정지된 빛을 내는 데 널리 사용되었다.

대부분의 현대의 헬리오스타트는 컴퓨터에 의해 제어된다.이 컴퓨터에는 지구상의 헬리오스탯 위치 위도와 경도, 그리고 시간과 날짜가 주어집니다.이것들로부터, 천문학 이론을 이용하여, 그것은 거울에서 본 태양의 방향, 예를 들어 나침반 방위 및 입면각을 계산합니다.그런 다음, 목표의 방향을 지정하면 컴퓨터는 필요한 각도 이등분선의 방향을 계산하고 제어 신호를 모터(종종 스테퍼 모터)로 전송하여 거울을 올바른 정렬로 돌립니다.미러의 방향을 올바르게 유지하기 위해 이 일련의 작업을 자주 반복합니다.

태양열 발전소와 같은 대형 시설에는 많은 거울로 구성된 헬리오스타트 필드가 있습니다.일반적으로 이러한 분야의 모든 미러는 단일 컴퓨터에 의해 제어됩니다.

컴퓨터를 사용하지 않는 구형 헬리오스탯이 있는데, 여기에는 수동 또는 시계 장치에 의해 부분 또는 전체가 작동되거나 광센서에 의해 제어되는 것이 포함된다.이것들은 이제 꽤 희귀하다.

헬리오스타트는 태양 추적기나 하늘의 태양을 직접 가리키는 태양 추적기와 구별되어야 한다.그러나 일부 오래된 형태의 헬리오스탯은 태양 거울-표적 각도를 이등분하기 위한 추가 구성 요소와 함께 태양 추적기를 포함하고 있다.

시데로스타트는 태양이 아닌 희미한 별을 따라가도록 고안된 비슷한 장치이다.

대규모 프로젝트

태양열 발전소에서는 태양 프로젝트나 스페인의 PS10 발전소와 같은 광활한 태양 에너지원이 하나의 집열기에 태양 에너지를 집중시켜 물이나 녹은 소금과 같은 매체를 가열합니다.이 매체는 열교환기를 통해 물을 가열하고 증기를 발생시킨 다음 증기 터빈을 통해 전기를 발생시킵니다.

들판에 있는 헬리오스타트의 다소 다른 배열은 프랑스의 오데요와 같은 실험적인 태양 용해로에서 사용됩니다.모든 헬리오스탯 거울은 정확하게 평행한 빛을 큰 포물선 반사경으로 보내 정확한 초점을 맞춘다.거울은 태양빛을 반사할 수 있도록 포물체의 축에 충분히 가깝게 위치해야 한다. 따라서 태양계의 영역은 좁아야 한다.클로즈드 루프 제어 시스템이 사용됩니다.센서는 헬리오스타트가 약간 잘못 정렬되었는지 여부를 판단합니다.만약 그렇다면, 그들은 그것을 수정하기 위해 신호를 보낸다.

생성된 고온을 [4]수소를 지속적으로 생성하는 물을 분할하는 데 사용할 수 있다는 제안이 제기되었습니다.

소규모 프로젝트

소형 헬리오스타트는 채광과 난방에 사용됩니다.태양광 발전소를 집중시키기 위해 하나의 표적에 초점을 맞추는 많은 대형 헬리오스타트 대신, 보통 약 1~2평방미터 크기의 헬리오스타트는 창문이나 천창을 통해 집중되지 않은 햇빛을 반사한다.지상이나 지붕과 같은 건물 구조 위에 설치된 작은 헬리오스탯은 태양의 지속적인 움직임을 보상하기 위해 두 개의 축(위/아래 및 왼쪽/오른쪽)으로 움직입니다.이렇게 하면 반사된 햇빛이 대상(예: 창문)에 고정된 상태로 유지됩니다.

매사추세츠주 캠브리지에 있는 Genzyme사의 본사 Genzyme Center는 옥상에 있는 헬리오스타트를 이용하여 12층짜리 [5][6]아트리움으로 햇빛을 보낸다.

2009년 한 기사에서, 브루스 로는 작은 헬리오스타트가 태양 발전 타워 [7]: 7–12 시스템처럼 사용될 수 있다고 제안했다.수백 에이커를 차지하는 대신, 이 시스템은 상업용 건물의 평평한 지붕과 같은 훨씬 더 작은 지역에 들어갈 것이라고 그는 말했다.제안된 시스템은 햇빛의 전력을 사용하여 건물을 가열 및 냉각하거나 식품 가공과 같은 열 산업 공정의 입력을 제공할 수 있습니다.냉각은 흡수식 냉각기로 이루어집니다.Rohr는 이 시스템이 대형 태양광 발전소보다 "반사 면적 1평방미터당 더 안정적이고 비용 효율적일 것"이라고 제안했는데,[7]: 9 부분적으로 이 시스템이 전기로 전환하는 과정에서 수집된 전력의 80%를 희생시키지 않을 것이기 때문이다.

설계.

헬리오스타트 비용은 태양광 발전소에 대한 초기 자본 투자의 30-50%를 차지한다.[8][9]태양광 발전소가 기존 석탄이나 원자력 발전소 비용보다 더 경쟁력 있는 비용으로 전기를 생산할 수 있도록 대규모 제조를 위해 저렴한 헬리오스타트를 설계하는 것이 관심사다.

비용 외에도 태양 반사율(알베도)과 환경 내구성은 헬리오스타트 설계를 비교할 때 고려해야 할 요소이다.

A Heliostat and External receiver.jpg

기술자들과 연구자들이 헬리오스타트의 비용을 낮추기 위해 시도하는 한 가지 방법은 기존의 헬리오스타트 디자인을 더 적은 양의 가벼운 재료를 사용하는 것으로 대체하는 것이다.헬리오스탯의 반사 부품에 대한 기존 디자인은 두 번째 표면 미러를 사용합니다.샌드위치 모양의 거울 구조는 일반적으로 강철 구조 지지대, 접착층, 보호 구리층, 반사 은층 및 두꺼운 유리 상단 보호층으로 [8]구성됩니다.이 일반적인 헬리오스타트는 종종 유리/금속 헬리오스타트라고 합니다.대안 설계에는 최근 접착제, 복합 및 박막 연구가 통합되어 재료 비용과 경량화를 실현합니다.대체 리플렉터 설계의 예로는 은도금 폴리머 리플렉터, 유리섬유 강화 폴리에스테르 샌드위치(GFRPS), 알루미늄 도금 리플렉터 [10]등이 있습니다.이러한 최신 설계에는 보호 코팅의 박리, 장시간 태양 노출에 따른 태양 반사율 감소, 높은 제조 비용이 포함된다.

대체 수단 추적

대부분의 현대식 헬리오스타트의 이동에는 2축 전동 시스템이 사용되며, 이 문서의 시작 부분에 설명된 대로 컴퓨터로 제어됩니다.거의 항상 1차 회전 축은 수직이고 2차 수평이므로 미러는 Alt-Azimuth 마운트 위에 있습니다.

한 가지 간단한 대안은 거울이 태양에 대한 지구의 회전을 보상하는 기계적인, 종종 시계 장치인 메커니즘에 의해 구동되는 극으로 정렬된 1차 축을 중심으로 회전하는 것입니다.거울은 태양빛을 같은 극축을 따라 천구의 극 중 하나의 방향으로 반사하도록 정렬되어 있습니다.수직 보조 축이 있어 계절에 따른 태양의 편각 변화를 보상하기 위해 거울을 가끔 수동으로 조정할 수 있습니다(매일 또는 필요에 따라 적게 조정).시간 방정식의 변화를 보정하기 위해 드라이브 클럭 설정을 가끔 조정할 수도 있습니다.대상은 거울의 1차 회전축과 동일한 극축에 위치할 수도 있고, 두 번째 고정 거울을 사용하여 극축에서 대상을 향해 빛을 반사할 수도 있습니다.이러한 미러 마운트 및 드라이브는 쉐플러 리플렉터와 [11][12][13]같은 태양열 조리기와 함께 자주 사용됩니다.따라서 거울을 오목하게 만들어 조리용기에 햇빛을 집중시킬 수 있다.

Alt-Azimuth 및 Polar-axis 정렬은 두 축 마운트의 세 가지 방향 중 두 가지이며, 일반적으로 헬리오스타트 미러에 사용됩니다.세 번째는 1차 축이 햇빛이 반사되는 대상을 가리키는 목표축 배치입니다.보조 축은 기본 축과 수직입니다.광센서에 의해 제어되는 헬리오스타트는 이 방향을 사용해 왔다.작은 팔은 두 축을 중심으로 팔을 회전시키는 모터를 제어하는 센서를 가지고 있어서 태양 추적기를 내장하여 태양을 가리킵니다.간단한 기계적 배열은 대상을 가리키는 기본 축과 태양을 가리키는 팔 사이의 각도를 이등분합니다.거울은 반사면이 이등분선에 수직이 되도록 장착되어 있습니다.이러한 유형의 헬리오스탯은 저렴한 컴퓨터가 보급되기 전에는 채광용으로 사용되었지만 센서 제어 하드웨어가 처음 보급된 후에는 사용되었습니다.

회전축이 정확한 방향을 가질 필요가 없는 헬리오스탯 설계가 있습니다.예를 들어, 반사광의 빔이 타깃으로부터 멀어질 때마다 미러의 정렬을 보정하기 위해 모터에 신호를 보내는 광센서가 타깃 근처에 있을 수 있습니다.시스템은 본질적으로 자가 보정이기 때문에 축의 방향은 대략적으로만 알 필요가 있습니다.그러나 반사된 빔이 다시 나타날 때 센서를 놓치기 때문에 시스템은 미러의 방향을 수정할 수 없기 때문에 매일 아침 및 장기간 흐린 후 미러를 수동으로 재배치해야 하는 등의 단점이 있습니다.또한 거울에서 본 태양과 대상의 방향이 매우 다를 때 헬리오스탯의 기능을 제한하는 기하학적 문제도 있습니다.단점 때문에 이 디자인은 일반적으로 사용된 적이 없지만, 실험적으로 사용하는 사람도 있습니다.

일반적으로 헬리오스탯 거울은 태양의 1/2 각운동의 속도로 움직입니다.태양운동의 3분의 [14]2에 해당하는 거울운동을 가진 태양행성의 정의를 만족시키는 또 다른 배열이 있다.

다른 많은 종류의 헬리오스타트도 가끔 사용되어 왔다.예를 들어 고대 이집트에서 햇빛을 쬐기 위해 사용되었던 가장 초기의 헬리오스타트에서는 하인이나 노예들이 어떤 종류의 메커니즘도 사용하지 않고 거울을 수동으로 정렬시켰다.(이집트에는 관광객의 이익을 위해 오늘날 이런 일이 행해지는 곳이 있다.영화 "The Fifth Element"에서 이집트 소년이 가상의 고고학자를 위해 동굴 안의 벽을 비추기 위해 거울을 들고 있다.)19세기에는 거울 하나로 햇빛을 어느 방향으로든 반사시켜 빛의 손실을 최소화하고 태양의 계절적 움직임을 자동으로 보상하는 정교한 시계장치 헬리오스타트가 만들어졌다.이러한 장치들 중 일부는 여전히 박물관에서 볼 수 있지만, 오늘날에는 실용적인 목적으로 사용되지 않는다.아마추어는 때때로 이론적인 정당성 없이 특정 장소에서 대략적으로 작동하는 임시 설계를 생각해냅니다.본질적으로 무한한 수의 그러한 설계가 가능하다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ 예술과 과학에 관한 새롭고 완전한 사전, 제2권, 런던, 1763, 페이지 1600
  2. ^ 피터 반 데 스타, 다니엘 가브리엘 화렌하이트의 라이프니츠와 보어하브에게 보내는 편지, 레이든, 1983, 7페이지.
  3. ^ "Heliostat, contrived by the late G. Johnstone Stoney, D.Sc., F.R.S., c. 1875". Science Museum Group. Retrieved 20 June 2022.
  4. ^ Graf, D.; Monnerie, N.; Roeb, M.; Schmitz, M.; Sattler, C. (2008). "Economic comparison of solar hydrogen generation by means of thermochemical cycles and electrolysis". International Journal of Hydrogen Energy. 33 (17): 4511–4519. doi:10.1016/j.ijhydene.2008.05.086.
  5. ^ 미국 그린빌딩협의회: LEED 도입사례 2009-12-01년 Wayback Machine 아카이브
  6. ^ 2010년 1월 8일 Wayback Machine에서 아카이브된 Genzyme Center 퍼실리티 매니저 Lou Capozi 인터뷰
  7. ^ a b Rohr, B. (Spring 2009). "The Promise of Small Heliostats" (PDF). Northeast Sun. Archived from the original (PDF) on 2010-12-26. Retrieved 2010-01-25.
  8. ^ a b Mar, R.; Swearengen, J. (1981). "Materials issues in solar thermal energy systems". Solar Energy Materials. 5: 37–41. Bibcode:1981SoEnM...5...37M. doi:10.1016/0165-1633(81)90057-5.
  9. ^ Ortega, J. I.; Burgaleta, J. I.; Téllez, F. L. M. (2008). "Central Receiver System Solar Power Plant Using Molten Salt as Heat Transfer Fluid". Journal of Solar Energy Engineering. 130 (2): 024501–024506. doi:10.1115/1.2807210.
  10. ^ Kennedy, C. E.; Terwilliger, K. (2005). "Optical Durability of Candidate Solar Reflectors". Journal of Solar Energy Engineering. 127 (2): 262–268. doi:10.1115/1.1861926.
  11. ^ Scheffler-Reflector Archived 2008-04-22 Wayback Machine에서 2011년 6월 5일 취득
  12. ^ Scheffler 커뮤니티 키친에 관한 메모 David Delaney(2009년 2월 22일 개정판), 2011년 6월 5일 회수
  13. ^ 일러스트 solarcooking.org, 2011년 6월 5일 다운로드
  14. ^ "Red Rock Energy Heliostats".

외부 링크