ヘリオスタット
ウィーンの計器製作者エクリングによるヘリオスタット（1850年頃）
フランスのテミス実験ステーションにあるヘリオスタット。鏡は経緯台上で回転する。
カリフォルニア州ダゲット近郊にあるソーラー・ツー太陽熱発電プロジェクト。ヘリオスタットのあらゆる鏡は、太陽光を塔の受光器に連続的に反射します。
スペイン、セビリア近郊にある11MWのPS10。この写真が撮影された当時、空気中の塵によって収束する光が見えるようになっていた。
フランスのピレネー＝オリアンタル地方オデイヨの太陽炉は、最高3,500℃（6,330℉）の温度に達することができる。

ヘリオスタット（古代ギリシャ語のἥλιος ( hḗlios ) 「太陽」とστατός ( statós ) 「立つ」に由来）は、太陽光を目標物に向けて反射し、太陽の見かけの動きを補正する装置である。反射鏡は通常、平面鏡である。   

ターゲットは、ヘリオスタットから離れた物理的な物体、または空間内の方向である可能性があります。これを行うには、鏡の反射面を、鏡から見た太陽とターゲットの方向の間の角度の二等分線に垂直に保ちます。ほとんどの場合、ターゲットはヘリオスタットに対して静止しているため、光は固定方向に反射されます。当時の資料によると、最初にヘリオスタタと呼ばれたこの装置は、ウィレム・グラヴェサンデ（1688–1742）によって発明されました。[ 1 ]他に、ジョヴァンニ・アルフォンソ・ボレッリ（1608–1679）とダニエル・ガブリエル・ファーレンハイト（1686–1736）が候補に挙がっています。[ 2 ]ジョージ・ジョンストン・ストーリーが設計したヘリオスタットは、サイエンス・ミュージアム・グループのコレクションに収蔵されています。[ 3 ]

現在、ほとんどのヘリオスタットは、採光や集光型太陽熱発電（通常は発電）に使用されています。また、ソーラークッキングにも使用されることがあります。さらに、静止した太陽光線を太陽望遠鏡に反射させる実験的な用途で使用されているヘリオスタットもいくつかあります。レーザーやその他の電灯が普及する以前は、ヘリオスタットは科学研究などの目的で、強力で静止した光線を生成するために広く使用されていました。

現代のヘリオスタットのほとんどはコンピュータによって制御されています。コンピュータは、ヘリオスタットの地球上の位置の緯度と経度、そして日時を受け取ります。これらの情報から天文学理論を用いて、鏡から見た太陽の方向（例えば、方位角や仰角）を計算します。次に、目標の方向が与えられると、コンピュータは必要な角度の二等分線の方向を計算し、モーター（多くの場合ステッピングモーター）に制御信号を送り、鏡を正しい方向に回転させます。この一連の動作は、鏡を正しい方向に維持するために頻繁に繰り返されます。

太陽熱発電所のような大規模な施設には、多数の鏡からなるヘリオスタットのフィールドが含まれます。通常、このようなフィールド内のすべての鏡は、1台のコンピュータによって制御されます。

コンピュータを使用しない古いタイプのヘリオスタットも存在します。これには、部分的または全体的に手動または時計仕掛けで操作されるものや、光センサーで制御されるものなどが含まれます。これらは現在では非常に稀です。

ヘリオスタットは、空の太陽を直接指し示す太陽追跡装置や太陽追尾装置とは区別する必要があります。ただし、古いタイプのヘリオスタットの中には、太陽追跡装置に加えて、太陽と鏡とターゲットの角度を二等分する追加部品を組み込んだものもあります。

シデロスタットは、太陽ではなく、 より暗い星を追跡するように設計された同様の装置です。

大規模プロジェクト

ソーラー・プロジェクトやスペインのPS10発電所のような太陽熱発電所では、ヘリオスタットを広範囲に配置させることで太陽エネルギーを単一の集光器に集光し、水や溶融塩などの媒体を加熱します。媒体は熱交換器を通過し、水を加熱して蒸気を発生させ、蒸気タービンで発電します。

フランスのオデイヨにある実験用太陽炉のような、フィールドにおけるヘリオスタットの配置は、やや異なる。ヘリオスタットのすべてのミラーは、正確に平行な光線を大型の放物面反射鏡に送り込み、そこで正確に焦点を合わせます。ミラーは放物面の軸に平行な線に沿って太陽光を反射させるため、放物面の軸に十分近い位置に設置する必要があるため、ヘリオスタットの視野は狭くする必要があります。閉ループ制御システムが採用されています。センサーは、ヘリオスタットのいずれかにわずかな位置ずれがあるかどうかを検知します。もしずれている場合は、それを修正するための信号が送信されます。

発生した高温を利用して水を分解し、持続的に水素を生産できるのではないかと提案されている。[ 4 ]

小規模プロジェクト

小型のヘリオスタットは、採光や暖房に使用されます。タワー型太陽光発電所のように、多数の大型ヘリオスタットが単一の対象物に太陽光を集光するのとは異なり、通常1～2平方メートル程度の単一のヘリオスタットが、集光されていない太陽光を窓や天窓から反射します。屋外の地面や屋根などの建物構造物に設置された小型ヘリオスタットは、太陽の絶え間ない動きを補正するために、上下と左右の2軸で移動します。これにより、反射された太陽光は対象物（窓など）に固定されます。

マサチューセッツ州ケンブリッジにあるジェンザイム社の本社であるジェンザイムセンターでは、屋上に設置されたヘリオスタットを使って12階建てのアトリウムに太陽光を直接取り込んでいます。[ 5 ] [ 6 ]

ブルース・ローアは2009年の記事で、小型ヘリオスタットを太陽光発電タワーシステムのように利用できる可能性を示唆した。[ 7 ] : 7–12 このシステムは、数百エーカーもの土地を占有する代わりに、商業ビルの平らな屋上のようなはるかに小さな面積に収まると彼は述べた。提案されたシステムは、太陽光のエネルギーを利用して建物を冷暖房したり、食品加工などの熱産業プロセスに電力を供給したりする。冷却は吸収冷凍機によって行われる。ローアは、このシステムは大型の太陽光発電タワープラントよりも「反射面積1平方メートルあたりの信頼性と費用対効果が高い」と提案した。これは、収集した電力を電力に変換する過程で80%も無駄にしないためである。[ 7 ] : 9

デザイン

ヘリオスタットのコストは、設置国のエネルギー政策や経済体制に応じて、太陽光発電タワー発電所の初期資本投資の30～50％を占めます。[ 8 ] [ 9 ]大規模製造向けに安価なヘリオスタットを設計し、太陽光発電タワー発電所が従来の石炭火力発電所や原子力発電所のコストよりも競争力のあるコストで電力を生産できるようにすることが重要です。

ヘリオスタットの設計を比較する際には、コストの他に、太陽光反射率（アルベド）と環境耐久性も考慮すべき要素です。

技術者や研究者がヘリオスタットのコストを下げようとしている方法の 1 つは、従来のヘリオスタットの設計を、使用する材料を少なくして軽量なものに置き換えることです。ヘリオスタットの反射部品の従来の設計では、第 2 の表面ミラーを使用します。サンドイッチ状のミラー構造は、一般的に鋼鉄の構造サポート、接着層、保護用の銅層、反射用の銀層、および厚いガラスの上部保護層で構成されます。[ 8 ]この従来のヘリオスタットは、ガラス / 金属ヘリオスタットと呼ばれることがよくあります。代替設計では、材料コストと重量の削減を実現するために、最近の接着剤、複合材、および薄膜の研究が取り入れられています。代替反射器設計の例としては、銀メッキポリマー反射器、ガラス繊維強化ポリエステル サンドイッチ (GFRPS)、アルミニウム反射器などがあります。[ 10 ]これらの最近の設計の問題としては、保護コーティングの層間剥離、長期間の太陽光への露出による太陽光反射率の低下、製造コストの高さなどが挙げられます。

追跡の代替手段

現代のヘリオスタットのほとんどは、この記事の冒頭で概説したように、コンピュータ制御の2軸モーターシステムを採用しています。ほとんどの場合、主回転軸は垂直、副回転軸は水平であるため、鏡は高度方位マウントに設置されます。

1 つの単純な代替案は、極軸に揃った主軸の周りを鏡が回転し、機械式 (多くの場合は時計仕掛け) の機構によって 1 時間あたり 15 度の速度で駆動され、太陽に対する地球の自転を補正することです。鏡は、天の極のいずれかの方向に同じ極軸に沿って太陽光を反射するように調整されます。垂直な副軸があるため、季節による太陽の赤緯のシフトを補正するために、鏡を時々手動で調整できます (毎日、または必要に応じてより少ない頻度で) 。駆動クロックの設定も、均時差の変化を補正するために時々調整できます。ターゲットは、鏡の主回転軸である同じ極軸上に配置することも、2 番目の固定鏡を使用して、ターゲットがどこにあっても極軸からの光をターゲットの方向に反射することもできます。この種類の鏡マウントおよび駆動装置は、シェフラー反射鏡などのソーラー クッカーでよく使用されます。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]この用途では、調理器具に太陽光を集中させるために 鏡を凹面にすることができる。

経緯台と極軸の配置は、ヘリオスタットミラーで一般的に使用されている、または使用されてきた 2 軸マウントの 3 つの方向のうちの 2 つです。3 つ目はターゲット軸配置で、主軸は太陽光を反射するターゲットを指します。副軸は主軸に垂直です。光センサーで制御されるヘリオスタットでは、この方向が使用されています。小さなアームにセンサーが搭載されており、このセンサーがモーターを制御します。モーターは 2 つの軸を中心にアームを回転させ、太陽を追尾する装置を組み込んで太陽に向けます。単純な機械配置により、ターゲットを指す主軸と太陽を指すアームの間の角度が二等分されます。ミラーは、反射面がこの二等分線に垂直になるように取り付けられます。このタイプのヘリオスタットは、安価なコンピューターが利用可能になる前、センサー制御ハードウェアが最初に利用可能になった後に、 日光採光に使用されました。

回転軸の正確な方向設定を必要としないヘリオスタット設計もあります。例えば、ターゲットの近くに光センサーを配置し、反射光がターゲットから逸れた際にモーターに信号を送り、ミラーの位置を修正するといったものです。このシステムは本質的に自己修正機能を備えているため、軸の方向はおおよその既知で十分です。しかし、反射光が再び現れた際にセンサーに届かず、システムがミラーの方向を修正できないため、毎朝、また長時間の曇りの後にはミラーを手動で再調整する必要があるといった欠点もあります。また、ミラーから見た太陽とターゲットの方向が大きく異なる場合、ヘリオスタットの機能を制限する幾何学的な問題もあります。これらの欠点のため、この設計はこれまで広く使用されたことはありませんが、実験的に使用している人もいます。

通常、ヘリオスタットの鏡は太陽の角運動の半分の速度で移動します。ヘリオスタットの定義を満たしながら、鏡の運動速度が太陽の運動の2/3である別の配置もあります。[ 14 ]

他にも様々な種類のヘリオスタットが時折使用されてきました。例えば、古代エジプトで採光のために使われた最初期のヘリオスタットでは、召使いや奴隷が何らかの機構を使わずに手動で鏡の位置を調整していました。（現在でもエジプトには、観光客のためにこの作業を行っている場所があります。1997年の映画『フィフス・エレメント』では、エジプトの少年が架空の考古学者のために洞窟の壁を照らすために鏡を持っています。）19世紀には、精巧なゼンマイ仕掛けのヘリオスタットが作られました。これは、たった一枚の鏡で太陽光をあらゆる方向の目標に反射させ、光の損失を最小限に抑え、太陽の季節変動を自動的に補正することができました。これらの装置のいくつかは今でも博物館で見ることができますが、今日では実用的には使用されていません。アマチュアが、理論的な根拠なしに、特定の場所で近似的に機能するアドホックな設計を思いつくことがあります。このような設計は、基本的に無限に考えられます。

参照

参考文献

  1. ^『芸術科学新完全辞典』第2巻、ロンドン、1763年、1600ページ
  2. ^ピーター・ファン・デル・スター、ダニエル・ガブリエル・ファーレンハイトのライプニッツとブールハーヴェへの手紙、ライデン、1983年、p. 7.
  3. ^ 「故G・ジョンストン・ストーニー博士（理学博士、FRS）、1875年頃考案されたヘリオスタット」サイエンス・ミュージアム・グループ. 2022年6月20日閲覧。
  4. ^ Graf, D.; Monnerie, N.; Roeb, M.; Schmitz, M.; Sattler, C. (2008). 「熱化学サイクルと電気分解による太陽光水素生成の経済比較」. International Journal of Hydrogen Energy . 33 (17): 4511– 4519. Bibcode : 2008IJHE...33.4511G . doi : 10.1016/j.ijhydene.2008.05.086 .
  5. ^米国グリーンビルディング協会：LEEDケーススタディ、 2009年12月1日アーカイブ、 Wayback Machine
  6. ^ジェンザイムセンター施設管理者ルー・カポッツィ氏へのインタビュー 2010年1月8日アーカイブ、 Wayback Machine
  7. ^ a b Rohr, B. (2009年春). 「小型ヘリオスタットの将来性」(PDF) . Northeast Sun. 2010年12月26日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2010年1月25日閲覧。
  8. ^ a b Mar, R.; Swearengen, J. (1981). 「太陽熱エネルギーシステムにおける材料の問題」.太陽エネルギー材料. 5 : 37– 41. Bibcode : 1981SoEnM...5...37M . doi : 10.1016/0165-1633(81)90057-5 .
  9. ^ Ortega, JI; Burgaleta, JI; Téllez, FLM (2008). 「溶融塩を熱伝達流体として用いるセントラルレシーバーシステム太陽光発電所」. Journal of Solar Energy Engineering . 130 (2): 024501– 024506. Bibcode : 2008ATJSE.13007210O . doi : 10.1115/1.2807210 .
  10. ^ Kennedy, CE; Terwilliger, K. (2005). 「候補太陽光反射板の光学的耐久性」. Journal of Solar Energy Engineering . 127 (2): 262– 268. doi : 10.1115/1.1861926 .
  11. ^シェフラー反射鏡Archived 2008-04-22 at the Wayback Machine、2011年6月5日閲覧。
  12. ^シェフラーコミュニティキッチンに関するメモArchived 2011-08-14 at the Wayback Machine David Delaney, rev 22-Feb-2009, retrieved 5-June-2011
  13. ^ solarcooking.orgのイラスト、2011年6月5日ダウンロード
  14. ^ 「レッドロックエネルギーヘリオスタット」。

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