الهيليوستات

الهيليوستات ( من اليونانية القديمة ἥλιος ( hḗlios ) بمعنى " الشمس " و στατός ( statós ) بمعنى " الوقوف " ) هو جهاز يعكس ضوء الشمس نحو هدف، ويدور لتعويض الحركة الظاهرية للشمس . وعادةً ما يكون العاكس عبارة عن مرآة مستوية .  

قد يكون الهدف جسمًا ماديًا بعيدًا عن الهيليوستات، أو اتجاهًا في الفضاء. ولتحقيق ذلك، يُحافظ على سطح المرآة العاكس عموديًا على منصف الزاوية بين اتجاهي الشمس والهدف كما يُرى من المرآة. في معظم الحالات، يكون الهدف ثابتًا بالنسبة للهيليوستات، لذا ينعكس الضوء في اتجاه ثابت. وفقًا للمصادر المعاصرة، فإن الهيليوستاتا، كما كانت تُسمى في البداية، اخترعها ويليم غرافيساند (1688-1742). ^{[ 1 ]} ومن بين المخترعين الآخرين جيوفاني ألفونسو بوريلي (1608-1679) ودانيال غابرييل فهرنهايت (1686-1736). ^{[ 2 ]} يوجد هيليوستات من تصميم جورج جونستون ستوري ضمن مجموعة متحف العلوم . ^{[ 3 ]}

تُستخدم معظم المرايا الشمسية حاليًا للإضاءة الطبيعية أو لإنتاج الطاقة الشمسية المركزة ، وعادةً لتوليد الكهرباء. كما تُستخدم أحيانًا في الطهي الشمسي . ويُستخدم عدد قليل منها تجريبيًا لعكس أشعة الشمس الثابتة إلى التلسكوبات الشمسية . قبل ظهور الليزر وأنواع الإضاءة الكهربائية الأخرى، كانت المرايا الشمسية تُستخدم على نطاق واسع لإنتاج حزم ضوئية مكثفة وثابتة لأغراض علمية وغيرها.

تُتحكم معظم المرايا الشمسية الحديثة بواسطة الحواسيب. يُزوّد ​​الحاسوب بخط العرض وخط الطول لموقع المرآة الشمسية على سطح الأرض، بالإضافة إلى الوقت والتاريخ. ومن هذه البيانات، وباستخدام النظرية الفلكية ، يحسب الحاسوب اتجاه الشمس كما يُرى من المرآة، أي اتجاهها على البوصلة وزاوية ارتفاعها. ثم، بناءً على اتجاه الهدف، يحسب الحاسوب اتجاه منصف الزاوية المطلوب، ويرسل إشارات تحكم إلى المحركات ، وغالبًا ما تكون محركات خطوية ، لتحريك المرآة إلى الوضع الصحيح. وتُكرر هذه العملية بشكل متكرر للحفاظ على توجيه المرآة بشكل سليم.

تتضمن المنشآت الكبيرة، مثل محطات الطاقة الشمسية الحرارية، حقولاً من المرايا العاكسة التي تتكون من العديد من المرايا. وعادةً ما يتم التحكم في جميع المرايا في هذا الحقل بواسطة جهاز كمبيوتر واحد.

توجد أنواع أقدم من المرايا الشمسية لا تستخدم أجهزة الكمبيوتر، بما في ذلك تلك التي يتم تشغيلها جزئيًا أو كليًا يدويًا أو بواسطة آلية الساعة ، أو يتم التحكم فيها بواسطة مستشعرات الضوء . وهذه الأنواع نادرة جدًا الآن.

ينبغي التمييز بين المرايا الشمسية وأجهزة تتبع الشمس التي تُوجّه مباشرةً نحو الشمس في السماء. مع ذلك، تتضمن بعض الأنواع القديمة من المرايا الشمسية أجهزة تتبع الشمس، بالإضافة إلى مكونات إضافية لتقسيم زاوية الشمس-المرآة-الهدف إلى نصفين.

جهاز "سيدروستات" هو جهاز مشابه مصمم لمتابعة نجم خافت بدلاً من الشمس.

في محطة الطاقة الشمسية الحرارية، مثل محطات مشروع الطاقة الشمسية أو محطة PS10 في إسبانيا، يقوم حقل واسع من المرايا الشمسية بتركيز طاقة الشمس على مُجمِّع واحد لتسخين وسط مثل الماء أو الملح المنصهر. ينتقل هذا الوسط عبر مبادل حراري لتسخين الماء، وإنتاج البخار، ثم توليد الكهرباء بواسطة توربين بخاري.

يُستخدم ترتيب مختلف نوعًا ما للمرايا العاكسة في حقل في أفران الطاقة الشمسية التجريبية، مثل فرن أوديلو في فرنسا. تُرسل جميع مرايا هذه الأفران حزمًا ضوئية متوازية بدقة إلى عاكس مكافئ كبير، ما يُركّزها بدقة متناهية. يجب أن تكون المرايا قريبة بما يكفي من محور القطع المكافئ لتعكس ضوء الشمس إليه على طول خطوط موازية للمحور، لذا يجب أن يكون حقل المرايا العاكسة ضيقًا. يُستخدم نظام تحكم ذو حلقة مغلقة ، حيث تُحدد أجهزة الاستشعار ما إذا كان أي من المرايا العاكسة غير مُحاذٍ بشكل طفيف، وفي حال وجود انحراف، تُرسل إشارات لتصحيحه.

وقد اقترح البعض إمكانية استخدام درجات الحرارة العالية المتولدة لتحليل الماء وإنتاج الهيدروجين بطريقة مستدامة. ^{[ 4 ]}

تُستخدم المرايا الشمسية الصغيرة للإضاءة الطبيعية والتدفئة. فبدلاً من استخدام العديد من المرايا الشمسية الكبيرة التي تُركز على هدف واحد لتركيز الطاقة الشمسية (كما هو الحال في محطات الطاقة الشمسية البرجية)، تعكس مرآة شمسية واحدة، عادةً ما تكون مساحتها حوالي متر مربع أو مترين مربعين، ضوء الشمس غير المُركز عبر نافذة أو فتحة سقف. تتحرك المرآة الشمسية الصغيرة، المثبتة في الخارج على الأرض أو على هيكل مبنى كالسقف، على محورين (أعلى/أسفل ويسار/يمين) لتعويض الحركة المستمرة للشمس. وبهذه الطريقة، يبقى ضوء الشمس المنعكس ثابتًا على الهدف (مثل النافذة).

يستخدم مركز جينزايم، المقر الرئيسي لشركة جينزايم في كامبريدج، ماساتشوستس، مرايا شمسية على السطح لتوجيه ضوء الشمس إلى ردهته المكونة من 12 طابقًا. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

في مقال نُشر عام ٢٠٠٩، اقترح بروس روهر استخدام المرايا الشمسية الصغيرة كنظام أبراج الطاقة الشمسية. ^{[ ٧ ] : ٧-١٢} وأوضح أن النظام، بدلاً من أن يشغل مئات الأفدنة، سيتناسب مع مساحة أصغر بكثير، مثل سطح مبنى تجاري مسطح. سيستخدم النظام المقترح طاقة ضوء الشمس لتدفئة وتبريد المباني، أو لتوفير الطاقة اللازمة للعمليات الصناعية الحرارية، مثل تصنيع الأغذية. وسيتم التبريد باستخدام مبرد امتصاص . وأشار روهر إلى أن النظام سيكون "أكثر موثوقية وأقل تكلفة لكل متر مربع من المساحة العاكسة" من محطات أبراج الطاقة الشمسية الكبيرة، ويعود ذلك جزئيًا إلى أنه لن يُهدر ٨٠٪ من الطاقة المُجمّعة في عملية تحويلها إلى كهرباء. ^{[ ٧ ] : ٩}

تُمثل تكاليف المرايا الشمسية ما بين 30% و50% من الاستثمار الرأسمالي الأولي لمحطات الطاقة الشمسية البرجية، وذلك تبعًا لسياسة الطاقة والإطار الاقتصادي في البلد المُضيف. ^{[ 8 ] [ 9 ]} ومن المهم تصميم مرايا شمسية أقل تكلفة للتصنيع على نطاق واسع، بحيث تُنتج محطات الطاقة الشمسية البرجية الكهرباء بتكاليف أكثر تنافسية من تكاليف محطات الطاقة التقليدية التي تعمل بالفحم أو الطاقة النووية .

إلى جانب التكلفة، تعتبر نسبة الانعكاس الشمسي (أي البياض ) والمتانة البيئية من العوامل التي يجب مراعاتها عند مقارنة تصميمات الهيليوستات.

إحدى الطرق التي يحاول المهندسون والباحثون من خلالها خفض تكاليف المرايا الشمسية هي استبدال التصميم التقليدي بتصميم يستخدم مواد أقل وأخف وزنًا. يعتمد التصميم التقليدي للمكونات العاكسة للمرايا الشمسية على مرآة سطحية ثانية. يتكون هيكل المرآة، الشبيه بطبقات الساندويتش، عادةً من دعامة فولاذية، وطبقة لاصقة، وطبقة نحاسية واقية، وطبقة من الفضة العاكسة، وطبقة علوية واقية من الزجاج السميك. ^{[ 8 ]} يُشار إلى هذه المرايا الشمسية التقليدية غالبًا باسم المرايا الشمسية الزجاجية/المعدنية. تستخدم التصاميم البديلة أحدث الأبحاث في مجال المواد اللاصقة والمواد المركبة والأغشية الرقيقة لتقليل تكاليف المواد والوزن. من أمثلة تصاميم العاكسات البديلة: عاكسات البوليمر المطلية بالفضة، وطبقات البوليستر المقوى بالألياف الزجاجية (GFRPS)، والعاكسات المطلية بالألومنيوم. ^{[ 10 ]} تشمل مشاكل هذه التصاميم الحديثة انفصال الطبقات الواقية، وانخفاض نسبة الانعكاس الشمسي مع التعرض الطويل لأشعة الشمس، وارتفاع تكاليف التصنيع.

تعتمد حركة معظم المرايا الشمسية الحديثة على نظام آلي ثنائي المحاور، يتم التحكم فيه بواسطة الحاسوب كما هو موضح في بداية هذه المقالة. في أغلب الأحيان، يكون محور الدوران الرئيسي رأسيًا والثانوي أفقيًا، لذا فإن المرآة مثبتة على حامل سمتي-ارتفاعي .

أحد البدائل البسيطة هو أن تدور المرآة حول محور قطبي رئيسي، مدفوعة بآلية ميكانيكية، غالبًا ما تكون آلية ساعة، بمعدل 15  درجة في الساعة، لتعويض دوران الأرض بالنسبة للشمس. تُحاذى المرآة لعكس ضوء الشمس على طول المحور القطبي نفسه في اتجاه أحد القطبين السماويين . يوجد محور ثانوي عمودي يسمح بإجراء تعديل يدوي للمرآة من حين لآخر (يوميًا أو بوتيرة أقل حسب الحاجة) لتعويض تغير ميل الشمس مع تغير الفصول. يمكن أيضًا ضبط ساعة المحرك من حين لآخر لتعويض التغيرات في معادلة الزمن . يمكن وضع الهدف على المحور القطبي نفسه الذي يمثل محور الدوران الرئيسي للمرآة، أو يمكن استخدام مرآة ثانية ثابتة لعكس الضوء من المحور القطبي نحو الهدف، أينما كان. يُستخدم هذا النوع من حوامل المرايا ومحركاتها غالبًا مع أجهزة الطهي الشمسية ، مثل عاكسات شيفلر . ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} بالنسبة لهذا التطبيق، يمكن أن تكون المرآة مقعرة ، وذلك لتركيز ضوء الشمس على وعاء الطهي.

يُعدّ كلٌّ من محور الارتفاع -السمت ومحور القطب من بين ثلاثة اتجاهات شائعة الاستخدام، أو كانت شائعة، في حوامل المرايا الهيليوستاتية ثنائية المحور. أما الاتجاه الثالث فهو ترتيب محور الهدف ، حيث يشير المحور الرئيسي نحو الهدف المراد عكس ضوء الشمس عليه، بينما يكون المحور الثانوي عموديًا عليه. وقد استُخدم هذا الاتجاه في الهيليوستات التي تُتحكّم بها مستشعرات الضوء. يحمل ذراع صغير مستشعرات تتحكّم بمحركات تُدير الذراع حول المحورين، بحيث يشير نحو الشمس، مُدمجًا بذلك جهاز تتبّع شمسي. يعمل ترتيب ميكانيكي بسيط على تنصيف الزاوية بين المحور الرئيسي، المُشير إلى الهدف، والذراع، المُشير إلى الشمس. تُثبّت المرآة بحيث يكون سطحها العاكس عموديًا على هذا المنصف. استُخدم هذا النوع من الهيليوستات للإضاءة الطبيعية قبل توفّر الحواسيب الرخيصة، ولكن بعد التوفّر الأولي لأجهزة التحكّم بالمستشعرات.

توجد تصاميم للمرايا العاكسة لا تتطلب توجيهًا دقيقًا لمحاور الدوران. على سبيل المثال، قد توجد مستشعرات ضوئية قريبة من الهدف تُرسل إشارات إلى المحركات لتصحيح محاذاة المرآة كلما انحرف شعاع الضوء المنعكس عن الهدف. يكفي معرفة اتجاهات المحاور تقريبًا، لأن النظام يُصحح نفسه تلقائيًا. مع ذلك، توجد عيوب، منها ضرورة إعادة محاذاة المرآة يدويًا كل صباح وبعد أي فترة طويلة من الغيوم، لأن الشعاع المنعكس، عند ظهوره مجددًا، لا يصل إلى المستشعرات، وبالتالي لا يستطيع النظام تصحيح اتجاه المرآة. كما توجد مشاكل هندسية تحد من عمل المرآة العاكسة عندما يكون اتجاه الشمس والهدف، كما يُرى من المرآة، مختلفًا جدًا. بسبب هذه العيوب، لم يُستخدم هذا التصميم على نطاق واسع، لكن بعض الباحثين يُجرون تجارب عليه.

عادةً، تتحرك مرآة الهيليوستات بسرعة تساوي نصف الحركة الزاوية للشمس. وهناك ترتيب آخر يُلبي تعريف الهيليوستات، لكن حركة مرآته تساوي ثلثي حركة الشمس. ^{[ 14 ]}

استُخدمت أنواع أخرى كثيرة من المرايا الشمسية في بعض الأحيان. ففي أقدم المرايا الشمسية، على سبيل المثال، والتي استُخدمت للإضاءة الطبيعية في مصر القديمة، كان الخدم أو العبيد يُحافظون على محاذاة المرايا يدويًا، دون استخدام أي آلية. (لا تزال هذه الطريقة مُتبعة في بعض الأماكن في مصر اليوم، من أجل السياح. ففي فيلم " العنصر الخامس" عام ١٩٩٧ ، يحمل صبي مصري مرآة لإضاءة جدار داخل كهف لعالم آثار خيالي). صُنعت مرايا شمسية مُعقدة تعمل بآلية الساعة خلال القرن التاسع عشر، قادرة على عكس ضوء الشمس إلى هدف في أي اتجاه باستخدام مرآة واحدة فقط، مما يُقلل من فقدان الضوء، وتُعوض تلقائيًا عن حركة الشمس الموسمية. لا يزال بالإمكان رؤية بعض هذه الأجهزة في المتاحف، لكنها لا تُستخدم لأغراض عملية اليوم. أحيانًا يبتكر الهواة تصاميم مؤقتة تعمل بشكل تقريبي في مواقع مُحددة، دون أي أساس نظري. عدد هذه التصاميم لا حصر له.

• الهيليوغراف ، وهو جهاز مشابه غير مخصص للتتبع، يستخدم للاتصالات
• الطاقة المتجددة
• ريوكان ، وهي بلدة في النرويج تستخدم جهاز الهيليوستات لإضاءة جزء من ساحة المدينة خلال أشهر الشتاء
• الخلية الشمسية
• طباخ شمسي
• طاقة شمسية
• الطاقة الحرارية الشمسية
• جهاز تتبع الطاقة الشمسية

• كورنو، م.أ. (1900). "حول قانون الدوران اليومي للمجال البصري للمرآة الشمسية والمرآة الشمسية". مجلة الفيزياء الفلكية 11 : 148. رمز Bibcode : 1900ApJ....11..148C . doi : 10.1086/140677 .
• هارتمان، دبليو؛ شور، آر آر إي (1928). "Beitrag zur Geschichte und Theorie der astronomischen Instrumente mit rotierendem Planspiegel und fester Reflexrichtung  : (Heliostat, Siderostat, Zölostat, Uranostat)". أسترون. فيره. همبرغر ستيرنو . 3 : 1– 36. بيب كود : 1928AAHam...4....1H .
• ميلز، أ.أ. (1985). "الهيليوستات، والسيدروستات، والكويلوستات: مراجعة للأجهزة العملية للتطبيقات الفلكية". مجلة الجمعية الفلكية البريطانية 95 ( 3): 89. رمز Bibcode : 1985JBAA...95...89M .
• بلامر، إتش سي (1905). "ملاحظات حول الكويلوستات والسيدروستات" . الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية . 65 (1): 487-501 . Bibcode : 1905nocs.book.....P . doi : 10.1093/mnras/65.5.487 .
• تيرنر، هـ. هـ. (1901). "حول التعويض الميكانيكي لدوران مجال تلسكوب حديدي" . الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية 61 ( 23): 122. رمز Bibcode : 1901MNRAS..61..122T . doi : 10.1093/mnras/61.3.122 .

• حقل من 63 مرآة شمسية في فرن أوديلو الشمسي
• أفران تعمل بالطاقة الشمسية في أوديلو
• نظرة عامة على مواد عاكسات الهيليوستات
• برنامج Sunalign المجاني للمرايا الشمسية والمواد ذات الصلة