定日鏡

維也納儀器製造商約翰埃克林製作的定日鏡（約1850年）。
位於法國的實驗站，在特彌斯 (太陽能發電廠)，安裝於經緯儀上的定日鏡。
位於加州達蓋特附近的Solar Two。定日鏡場中的每面鏡子都會持續將陽光反射到塔上的接收器上。
西班牙塞維利亞附近的11MW PS10太陽能發電塔。拍攝這張照片時，空氣中的塵埃使得匯聚的光束變得可見。
位於法國東庇里牛斯省山脈的奧迪略（Odeillo）的太陽能爐，最高溫度可達到 3,500 °C（6,330 °F）。

定日鏡（來自古希臘語 ἥλιος (hḗlios)，意即：“sun”,和 στατός (statós)，意即：“standing”） 是一種將陽光反射到目標的裝置，並旋轉以補償太陽的視運動。 反射器通常是平面鏡。

目標物通常視是特定的物體、遠離定日鏡或空間方向。因此，鏡面的反射面保持在鏡面垂直所見太陽與目標方向之間角度的二等分處。幾乎所有情況下，目標相對於定日鏡是靜止的，因此光線會朝向固定方向反射。根據現有的資料，定日鏡的最初發明者稱為威廉的赫拉弗桑德（1688–1742）[1]。其他競爭者包括喬瓦尼·阿方索·博雷利（1608–1679）和丹尼爾·加布里埃爾·華倫海特（1686–1736）[2]。由喬治·約翰斯通·斯托尼設計的定日鏡，收藏在倫敦科學博物館[3]。

目前，大多數定日鏡用於採光，或生產通常用於發電的太陽熱能。它們有時也用於太陽能烹飪。少數用於實驗性地將靜止的陽光束反射到太陽望遠鏡中。在雷射和其他電子光源尚未普及之前，定日鏡被廣泛用於產生強且固定的光束，用於科學及其他用途。

現代的定日鏡大多數由電腦控制。電腦會獲得定日鏡在地球上位置的緯度與經度，以及時間和日期。根據這些，利用天文理論計算出從鏡子中看到的太陽方位，例如：其羅盤方位與仰角。接著，根據目標方向，電腦計算所需角平分線方向，並將控制訊號傳送至電動機，通常是步進馬達，使其將鏡面轉向正確對齊。此操作序列頻繁重複，以保持鏡面的指向正確。

大型設施如太陽能熱電站則包含由多面鏡組成的「定日鏡場」。通常，這類場地中所有的鏡子都由單一電腦控制。

有些較舊的定日鏡不使用電腦，包括部分或全部手動操作或由機械操作，或由光感測器控制。這在現在已經相當罕見。

定日鏡應與直接指向天空中太陽的太陽追蹤器區分開來。然而，有一些較舊的定日鏡內建了太陽追蹤器，並有額外元件用來將太陽、鏡面與目標的角度一分為二。

「定星儀」是一種類似的裝置，設計用來追蹤較暗的恆星，而非太陽。

大型專案

像在西班牙的太陽能發電廠（如太陽能計畫或 索盧卡爾複合體#PS10 電廠），一大批定日鏡將太陽能量集中於單一集熱器，以加熱水或熔鹽等介質。介質通過熱交換器加熱水，產生蒸汽，然後透過蒸汽渦輪機發電。

在實驗性太陽能爐中，例如在法國位於奧迪略的太陽能爐。 所有定日鏡的鏡子都會將精確平行的光束送入大型拋物面反射器，使其能精確聚焦。鏡面必須靠近拋物面軸線，才能沿著與軸線平行的線條反射陽光，因此定日鏡的視場必須很窄。使用一個閉環控制系統，感測器會判斷定日鏡是否有輕微錯位。如果是這樣，他們會發送訊號來修正。

有人提出：產生的高溫可以用來永續分解水來產生氫氣[4]。

小型專案

較小的定日鏡則用於採光]和加熱。與許多大型定日鏡集中太陽能（如太陽能電塔廠）不同，通常約1至2平方公尺大小的單一定日鏡會透過窗戶或天窗反射非集中的陽光。一個安裝在戶外地面或建築結構如屋頂上的小型定日鏡，會沿著兩個軸（上下和左右）移動，以補償太陽持續的運動。如此一來，反射的陽光會固定在目標（例如窗戶）上。

位於麻薩諸塞州劍橋的基因酶中心，基因酶公司的企業總部，使用安裝在屋頂上定日鏡將陽光引入12層樓高的中庭[5][6]。

在2009年的一篇文章中，布魯斯·羅爾（英語：Bruce Rohr）建議小型定日鏡可以像太陽能塔一樣使用[7]: 7–12 。他說系統不會佔用數百英畝，而是能安裝在更小的區域，就像商業大樓的平屋頂一樣。該系統將利用陽光中的能量來加熱和冷卻建築物，或為工業熱能流程如食品加工提供能源。冷卻將透過吸收冷卻器進行。羅爾提出該系統在每平方米反射面積上「更可靠且更具成本效益」，部分原因是它不會在轉換成電力的過程中犧牲80%的電力[7]: 9 。

設計

視當地能源政策與經濟架構而定，定日鏡的成本佔太陽能電塔電廠初期資本投資的30-50%[8][9]。設計較便宜的定日鏡以供大規模製造具有吸引力，使太陽能塔電廠能以比傳統煤炭或核能發電廠更具競爭力的成本生產電力。

除了成本外，太陽反射率百分比（即反照率）及環境耐久性也是在比較定日鏡設計時應考慮的因素。

工程師和研究人員試圖降低定日鏡成本的一種方式，是用使用更少且更輕的材料取代傳統定日鏡設計。傳統的定日鏡反射元件設計採用第二面鏡面。這種三明治狀的鏡面結構通常由鋼製結構支撐：一層黏著層、一層保護銅層、一層反光銀層，以及一層厚玻璃的頂層保護層組成[8]。這種傳統的定日鏡通常被稱為玻璃/金屬定日鏡。另類設計則結合近期的黏著劑、複合材料及薄膜研究，以提升材料成本與重量減輕。一些替代反光鏡設計的例子包括鍍銀聚合物反光鏡、玻璃纖維強化聚酯夾層（GFRPS）以及鋁化反光鏡[10]。這些較新設計的問題包括保護塗層剝離、長時間曝曬太陽時反射率百分比下降，以及製造成本高昂。

追蹤替代方案

大多數現代定日鏡的運動採用雙軸電動系統，並如本文開頭所述，由電腦控制。幾乎所有主旋轉軸都是垂直的，次要旋轉軸是水平的，因此鏡子安裝在經緯儀支架上。

一個簡單的替代方案是讓鏡子繞著一個極座標的主軸旋轉，該主軸由一個機械式、通常是發條機構驅動，機制為每小時轉15度，補償地球相對於太陽的自轉。鏡面會對準，使陽光沿著同一極軸，朝向其中一個天極反射。有一個垂直的次軸，允許偶爾手動調整鏡面（有必要時每日或更頻繁），以補償太陽赤緯隨季節的偏移。驅動時鐘的設定有時也會調整，以補償均時差的變化。目標可以位於與鏡子主要旋轉軸相同的極軸上，或者無論目標所在位置，使用第二個固定鏡子將光線從極軸反射到目標方向。這種鏡面安裝與驅動常用於太陽灶，例如謝夫勒反射器[11][12][13]。在此應用中，鏡面可為凹面，以集中陽光照射於烹調器皿。

「經緯儀」與「極軸」對齊是定日鏡常見的三種雙軸安裝方式中的兩種。第三種是「目標軸」排列，主軸指向太陽光被反射的目標，次軸垂直於主軸。由光感測器控制的定日鏡也採用了這種指向。小型手臂搭載感測器，控制馬達，將手臂繞兩軸旋轉，使其指向太陽，並內建太陽追蹤器。一個簡單的機械結構將主軸（指向目標）與臂（指向太陽）之間的角度等分為二。鏡面安裝時，反射面與此平分面垂直。這種定日鏡在廉價電腦尚未普及之前，但在初期的感測器控制硬體出現之後，就用於建築物的採光。

有些定日鏡的設計不需要旋轉軸有任何精確的方向。例如，目標附近可能有光感測器，會向馬達發送訊號，使馬達在反射光束偏離目標時修正鏡面的對齊。因為系統本質上具有自我修正能力，軸的方向只需近似已知。然而，也有缺點，例如鏡子必須每天早晨手動重新校準，且在長時間陰霾後，反射光束重新出現時會錯過感測器，系統無法校正鏡子的方向。此外，當太陽與目標（從鏡子中看到的方向）差異很大時，也存在幾何問題，限制了定日鏡的運作。由於有缺點，這種設計從未被廣泛使用，但有人會嘗試。

通常，定日鏡的運動速率約為太陽角運動的一半。還有另一種結構符合定日鏡的定義，但其鏡像運動約為太陽運動的三分之二[14]。

許多其它類型的定日儀偶爾也被使用。例如，在古埃及最早用於日照的定日 鏡中，沒有任何機械裝置，只由僕人或奴隸手動保持鏡面對齊（埃及有些地方至今仍這麼做，為了旅遊業的利益。在1997年電影《第五元素》中，一名埃及男孩手持鏡子照亮洞穴內的牆壁，為虛構的考古學家提供畫面。）。 19世紀製造了精密的發條定日鏡，僅用一面鏡子就能將陽光反射到任意方向，減少光損失，並自動補償太陽的季節性運動。其中一些裝置至今仍可在博物館中見到，但現今已不再用於實際用途。業餘愛好者有時會提出「臨時」設計，在特定地點大致運作，但沒有理論依據。此類設計的數量幾乎有無限可能。

相關條目

參考文獻

  1. ^ A New and Complete Dictionary of Arts and Sciences, vol 2, London, 1763, p. 1600
  2. ^ Pieter van der Star, Daniel Gabriel Fahrenheit's Letters to Leibniz and Boerhaave, Leiden, 1983, p. 7.
  3. ^ Heliostat, contrived by the late G. Johnstone Stoney, D.Sc., F.R.S., c. 1875.. Science Museum Group. [20 June 2022]. （原始内容存档于2025-02-22）. 
  4. ^ Graf, D.; Monnerie, N.; Roeb, M.; Schmitz, M.; Sattler, C. Economic comparison of solar hydrogen generation by means of thermochemical cycles and electrolysis. International Journal of Hydrogen Energy. 2008, 33 (17): 4511–4519. Bibcode:2008IJHE...33.4511G. doi:10.1016/j.ijhydene.2008.05.086. 
  5. ^ U.S. Green Building Council: LEED Case Studies 互联网档案馆的存檔，存档日期2009-12-01.
  6. ^ Interview with Lou Capozzi, Facilities Manager of Genzyme Center 互联网档案馆的存檔，存档日期January 8, 2010，.
  7. ^ 7.0 7.1 Rohr, B. The Promise of Small Heliostats (PDF). Northeast Sun. Spring 2009 [2010-01-25]. （原始内容 (PDF)存档于2010-12-26）. 
  8. ^ 8.0 8.1 Mar, R.; Swearengen, J. Materials issues in solar thermal energy systems. Solar Energy Materials. 1981, 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. Central Receiver System Solar Power Plant Using Molten Salt as Heat Transfer Fluid. Journal of Solar Energy Engineering. 2008, 130 (2): 024501–024506. Bibcode:2008ATJSE.13007210O. doi:10.1115/1.2807210. 
  10. ^ Kennedy, C. E.; Terwilliger, K. Optical Durability of Candidate Solar Reflectors. Journal of Solar Energy Engineering. 2005, 127 (2): 262–268. doi:10.1115/1.1861926. 
  11. ^ The Scheffler-Reflector 互联网档案馆的存檔，存档日期2008-04-22., retrieved 5-June-2011
  12. ^ Notes on Scheffler Community Kitchens 互联网档案馆的存檔，存档日期2011-08-14. David Delaney, rev 22-Feb-2009, retrieved 5-June-2011
  13. ^ Illustration at solarcooking.org （页面存档备份，存于互联网档案馆）, downloaded 5-June-2011
  14. ^ Red Rock Energy Heliostats. 

延伸閱讀

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  • Hartmann, W.; Schorr, R. R. E. Beitrag zur Geschichte und Theorie der astronomischen Instrumente mit rotierendem Planspiegel und fester Reflexrichtung : (Heliostat, Siderostat, Zölostat, Uranostat). Astron. Verh. Hamburger Sternw. 1928, 3: 1–36. Bibcode:1928AAHam...4....1H. 
  • Mills, A. A. Heliostats, Siderostats, and Coelostats: A Review of Practical Instruments for Astronomical Applications. J. Br. Astron. Assoc. 1985, 95 (3): 89. Bibcode:1985JBAA...95...89M. 
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  • Turner, H. H. On mechanically compensating the rotation of the field of a siderostat. Mon. Not. R. Astron. Soc. 1901, 61 (23): 122. Bibcode:1901MNRAS..61..122T. doi:10.1093/mnras/61.3.122 可免费查阅. 

外部連結

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