Heliostatos
Un helióstato es un dispositivo que incluye un espejo, generalmente un espejo plano, que gira para reflejar la luz solar hacia un objetivo predeterminado, compensando los movimientos aparentes del sol en el cielo. 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 las direcciones del sol y el objetivo visto desde el espejo. En casi todos los casos, el objetivo es estacionario en relación con el helióstato, por lo que la luz se refleja en una dirección fija.
Los principales usos de los helióstatos son la iluminación natural (llevar la luz natural a un espacio que de otro modo estaría mal iluminado) y la generación de electricidad en centrales solares térmicas. También se utilizan ocasionalmente, o se han utilizado en el pasado, en topografía, astronomía y otras ciencias, para producir temperaturas muy altas en hornos solares, para mejorar la iluminación en la agricultura y para dirigir la luz solar constante hacia las cocinas solares. Durante el siglo XIX, los pintores y otros artistas los utilizaban para proporcionar una iluminación constante y brillante a sus temas.
Los helióstatos deben distinguirse de los seguidores solares, que siempre apuntan directamente al sol en el cielo. Sin embargo, algunos tipos de helióstatos incorporan seguidores solares, junto con componentes adicionales para dividir en dos el ángulo sol-espejo-objetivo.
Contenido
Advertencia
Se han recibido informes ocasionales de incendios y otras formas de daños causados por helióstatos. Si el espejo es ligeramente cóncavo, como puede producirse por accidente durante la fabricación de espejos baratos que se supone que son planos, puede enfocar (concentrar) la luz solar sobre un objetivo que se encuentra a cierta distancia de él. Por ejemplo, si el radio de curvatura de la concavidad es de 100 metros, enfocará un objetivo que se encuentra a 50 metros de distancia. La distancia focal es la mitad del radio de curvatura. Además, un helióstato refleja la luz solar durante períodos prolongados de tiempo sobre un objetivo estacionario, lo que puede permitir que su temperatura aumente hasta un nivel peligroso. Por lo tanto, cualquier persona que construya o utilice un helióstato debe tomar las precauciones adecuadas para asegurarse de que no refleje la luz solar sobre nada que pueda ser inflamable o susceptible de dañarse por el calor.
Significado
La palabra "helióstato" se deriva del griego "helios", que significa "sol", y "stat", que significa "estacionario". Está relacionada con varias palabras inglesas que hacen referencia al sol, y también con el nombre del gas helio, que se descubrió espectroscópicamente en el sol antes de que se conociera en la Tierra. No está relacionada con el griego o el latín "helix", que significa "espiral", ni con palabras inglesas derivadas de él, como "helicóptero".
Tipos de helióstatos
Aunque en ocasiones (muy raramente) se utilizan helióstatos que reflejan la luz sobre objetivos móviles (véase "Máquinas para fines especiales", más adelante), la gran mayoría de los helióstatos están diseñados para reflejar la luz solar en una dirección fija, hacia un objetivo estacionario. En los párrafos siguientes, se supone que el objetivo es estacionario.
Heliostatos de accionamiento manual
Los primeros helióstatos conocidos también fueron los más simples. Se utilizaban para iluminar el antiguo Egipto, hace más de 4000 años. Los interiores de los edificios egipcios estaban decorados con gran esmero y se habrían dañado con el humo de las antorchas encendidas. En su lugar, se utilizaban espejos de metal pulido para reflejar la luz solar en el interior. Los sirvientes o esclavos movían los espejos manualmente para seguir reflejando la luz solar en las direcciones correctas a medida que el sol se movía por el cielo. (Esto todavía se hace en algunos lugares de Egipto, para el beneficio de los turistas). Este tipo de operación manual, por supuesto, todavía se puede practicar hoy en día, y puede ser el método preferido en algunas situaciones del tercer mundo. Se ha sugerido que se podría entrenar a animales como los monos para mover los espejos, pero no parece que se haya hecho ningún esfuerzo serio para hacerlo.
Heliostatos mecánicos
Un tipo sencillo de helióstato semiautomático utiliza un espejo montado de forma que pueda girar mediante un mecanismo de relojería sobre un eje paralelo al eje de rotación de la Tierra. El mecanismo de relojería hace girar el espejo una vez cada 24 horas en la dirección opuesta a la rotación de la Tierra. El espejo está orientado de forma que refleja la luz solar a lo largo del mismo eje polar que su eje de rotación. En un equinoccio, esto significa que el espejo está inclinado 45 grados respecto del eje. En otras épocas del año, este ángulo de inclinación debe modificarse a medida que el sol se mueve hacia el norte y el sur. Se proporcionan pivotes para permitir que este ajuste se realice a mano cada pocos días. Además, la configuración del reloj debe variarse ocasionalmente para tener en cuenta la ecuación del tiempo, un pequeño movimiento estacional del sol de este a oeste. Esto también se hace manualmente. El haz de luz que se refleja a lo largo del eje polar por el espejo giratorio es interceptado por un segundo espejo estacionario, que refleja la luz en cualquier dirección deseada. Este tipo de máquina puede funcionar automáticamente durante unos días, pero requiere un reajuste manual con bastante frecuencia para seguir los movimientos estacionales del sol. Además, por supuesto, hay que darle cuerda al mecanismo y limpiar los espejos periódicamente.
En los países en desarrollo, a veces se utiliza una versión simplificada de este tipo de helióstato para cocinar con energía solar. No hay un segundo espejo, sino que el recipiente para cocinar se encuentra en el eje polar alrededor del cual gira el espejo y el espejo está alineado de manera que refleja la luz solar de forma continua. Por supuesto, la alineación y la configuración del reloj deben ajustarse manualmente de vez en cuando para compensar los movimientos estacionales del sol. A menudo, el espejo es cóncavo, de manera que concentra la luz solar en el recipiente para cocinar. Este diseño simplificado solo puede funcionar si el objetivo está en el eje polar.
Se han fabricado helióstatos mecánicos más elaborados que utilizan un solo espejo para reflejar la luz del sol sobre un objetivo en cualquier dirección, e incluso otros más elaborados que siguen automáticamente los movimientos estacionales del sol, así como su movimiento diario. Son máquinas muy complejas. Algunos de los más conocidos fueron fabricados por el físico francés JT Silbermann en el siglo XIX. Se utilizaron en experimentos científicos en óptica, antes de la existencia de la luz eléctrica. Además, Silbermann era amigo de varios artistas distinguidos que utilizaban sus helióstatos para proyectar rayos de luz inmóviles sobre los sujetos que estaban pintando. Esto significaba que la apariencia de los sujetos no cambiaba a medida que el sol se movía por el cielo. Algunos de los helióstatos de Silbermann todavía existen, y se han hecho muchas réplicas de ellos. Se consideran obras de arte en sí mismos, y a veces se venden a precios muy altos.
Heliostatos controlados por sensores de luz
Si se dispone de electricidad, se pueden utilizar helióstatos que utilizan sensores de luz para localizar el sol en el cielo. Un diseño sencillo utiliza un eje principal de rotación que está alineado para apuntar al objetivo hacia el que se debe reflejar la luz. El eje secundario es perpendicular al primero. Los sensores envían señales a motores que giran alrededor de ambos ejes de modo que un pequeño brazo, que lleva los sensores, apunta hacia el sol. (Por lo tanto, este diseño incorpora un seguidor solar). Un mecanismo de engranajes divide en dos el ángulo entre el brazo que apunta al sol y el eje principal de rotación. Esto da la dirección en la que debe apuntar la perpendicular al espejo.
Otro diseño utiliza sensores de luz para determinar la posición del haz de luz reflejado, en lugar de la del sol. Los sensores están ubicados cerca del objetivo y están sombreados para que respondan solo a la luz que les llega desde la dirección del espejo. Al comienzo de cada día, el espejo se alinea a mano. A partir de ese momento, si el haz de luz reflejado se aleja del objetivo, los sensores detectan el error y envían señales a los motores que giran el espejo a la orientación correcta. Este es un diseño muy simple y barato que no implica ninguna determinación de la posición del sol en el cielo, ni la bisección de ningún ángulo. Sin embargo, tiene desventajas. Por razones geométricas, se puede utilizar solo si el objetivo está aproximadamente al sur del espejo (en latitudes templadas del norte). Además, el sol debe brillar de forma bastante continua. Si está oscurecido por nubes durante mucho tiempo, cuando reaparece, el haz de luz reflejado no alcanza al objetivo ni a los sensores, por lo que no pueden realinear el espejo. Las versiones modificadas de este diseño son mejores para sobrevivir a los períodos nublados. Algunos tienen sensores adicionales, colocados más lejos del objetivo. Otros incluyen algún tipo de memoria para que, cuando el sol se oculte, el espejo tenga la misma alineación que tenía a la misma hora del día anterior. Estas modificaciones mejoran el rendimiento de la máquina, pero estropean su simplicidad y su bajo coste.
Helióstatos controlados por ordenador
Aunque existen los diseños de helióstatos antes mencionados y otros diseños mecánicos y controlados por sensores, no se utilizan en la gran mayoría de los helióstatos que están en funcionamiento actualmente. En su lugar, la mayoría de los helióstatos están controlados por ordenadores. El software que utilizan calcula, a partir de la teoría astronómica, dónde se encuentra el sol en el cielo. No se necesitan sensores y el cálculo tiene en cuenta tanto los movimientos diarios como los estacionales del sol. La información que debe estar disponible es simplemente la posición del helióstato sobre la superficie de la Tierra, como latitud y longitud, y la hora y la fecha. Una vez calculada la posición del sol, se combina con la dirección en la que se reflejará la luz, que también debe proporcionarse, para calcular la dirección de la bisectriz del ángulo requerida. A continuación, el ordenador envía señales de control a los motores que giran el espejo hasta la orientación correcta. Todo este proceso se repite cada pocos segundos, de modo que el espejo se mantenga correctamente alineado.
Para la iluminación natural, los espejos individuales controlados por sus propios ordenadores suelen ser suficientes. Sin embargo, para la generación de energía solar térmica, se utilizan "campos" de espejos helióstatos, a menudo cientos de ellos, para reflejar grandes cantidades de luz solar sobre una caldera u otro colector de calor. El calor se utiliza para producir vapor, que impulsa turbinas para generar electricidad. Por lo general, un solo ordenador controla todos los espejos.
Los campos de helióstatos también se utilizan en hornos solares, pero en este caso están todos alineados para producir haces de luz que son todos paralelos al eje de un gran reflector paraboloide estacionario, en el que brilla la luz de los helióstatos. El paraboloide enfoca la luz con precisión sobre un objetivo pequeño, que por lo tanto se calienta mucho. De esta manera se han logrado temperaturas superiores a los 3500 grados Celsius (aproximadamente 6300 grados F). En la actualidad, estos dispositivos son experimentales, pero se prevé que puedan usarse en varios procesos industriales.
Aunque los heliostatos controlados por ordenador parecen complejos y probablemente no serían prácticos en situaciones del tercer mundo, se pueden utilizar con bastante facilidad donde se dispone de electricidad y del equipo necesario. Los ordenadores pequeños son ahora muy baratos. Varias empresas venden heliostatos completos o kits a partir de los cuales se pueden construir. Si alguien quiere diseñar su propio hardware, puede utilizar software libre, de código abierto y de dominio público. Por ejemplo, en el sitio web www.green-life-innovators.org hay un programa llamado Sunalign que realiza todos los cálculos necesarios para hacer funcionar un heliostato. Está disponible en BASIC, Perl y C. El sitio web también tiene una explicación detallada de cómo funciona el código y una variedad de otro material relacionado con el sol. Para acceder a este material, haga clic en el siguiente enlace: Enlace
Máquinas para usos especiales
A veces se colocan helióstatos en los telescopios astronómicos para permitir la observación continua del sol sin que el telescopio tenga que moverse. Para ello, el espejo del helióstato debe ser extremadamente plano y moverse con mucha precisión en la dirección correcta para reflejar la luz hacia el telescopio.
Se han utilizado aparatos ligeramente diferentes, llamados "siderostatos" y "celostatos" (de las palabras latinas "estrella" y "cielo"), para poder observar otros cuerpos astronómicos, además del sol, con telescopios estacionarios. Como las estrellas se mueven por el cielo ligeramente más rápido que el sol, los espejos de estos aparatos tienen que moverse ligeramente más rápido que el espejo de un helióstato. Generalmente, el nombre "siderostato" se utiliza para un aparato con un solo espejo, y "celostato" para uno con dos espejos, similar a uno de los helióstatos mecánicos descritos en la sección anterior.
Los agrimensores han utilizado helióstatos como luces muy brillantes. Por ejemplo, un helióstato puede colocarse en una montaña y alinearse de manera que refleje la luz del sol hacia un observador que se encuentre lejos. El observador utiliza un teodolito para medir la orientación de la brújula y el ángulo de elevación del helióstato tal como se ve desde su ubicación. Luego, el helióstato se gira hacia otro observador, que hace lo mismo. Las observaciones se pueden combinar más tarde para producir un estudio del área. Los helióstatos son tan brillantes que se han observado desde distancias de 300 kilómetros o más a plena luz del sol, lo que permite estudiar grandes áreas. Los helióstatos que se fabrican para este propósito se denominan "heliotropos" . Tienen que ser resistentes, fáciles de transportar y capaces de instalarse y alinearse fácilmente en ubicaciones remotas.
En ocasiones se han probado helióstatos especializados para reflejar la luz solar sobre objetivos en movimiento, como aviones. Los aviones llevan equipos que utilizan la energía solar para hacer funcionar los motores o un transmisor de radio o televisión, por ejemplo. Los espejos de estos helióstatos tienen que moverse para tener en cuenta los movimientos tanto del sol como del objetivo.
Aplicaciones para el mundo en desarrollo
Debe quedar claro que los helióstatos, especialmente los controlados por ordenador, son una tecnología adecuada para diversas actividades respetuosas del medio ambiente en las economías desarrolladas, como la generación de electricidad a partir de la energía solar. Sin embargo, también tienen aplicaciones interesantes que son adecuadas para los países más pobres.
La más evidente de ellas es la iluminación natural. En los países en desarrollo, muchas personas viven en edificios sin ventanas. Incluso durante el día, queman madera u otros materiales orgánicos para iluminarse. Esto tiene varias consecuencias desafortunadas. Se consume madera, lo que agrava la deforestación. El aire interior se contamina mucho con el humo y los gases producidos por la combustión, lo que provoca efectos nocivos para la salud de los habitantes. Se encienden incendios accidentales. Las cosas se ensucian. Y así sucesivamente.
Al igual que los antiguos egipcios, hoy en día la gente puede utilizar heliostatos sencillos para dirigir la luz solar hacia sus edificios. Los dispositivos similares a los egipcios, con espejos que se giran manualmente, son muy fáciles y baratos de construir. No es necesario fabricar espejos comerciales. Se pueden fabricar espejos de calidad adecuada, por ejemplo, pegando papel de aluminio a tablas planas o trozos de cartón.
Las escuelas son muy adecuadas para la iluminación natural mediante helióstatos. Por lo general, las aulas están en el interior, por lo que no hay riesgo de que los libros y otros materiales se dañen con la lluvia, pero la luz en el interior tiene que ser bastante brillante, para que la gente pueda leer y escribir fácilmente. Se pueden utilizar espejos con helióstatos para lograr esto. Los consultorios médicos y otros edificios también son adecuados. Los consultorios suelen estar ubicados en lugares donde se dispone de tecnología algo superior, por lo que se pueden utilizar helióstatos automáticos que utilizan un mecanismo de relojería o electricidad.
Los heliostatos simples también suelen ser útiles para otros fines. Pueden mejorar la iluminación de los cultivos, aumentando el crecimiento de las plantas. También pueden mejorar la vida de los animales. En una granja de iguanas en la República Dominicana, por ejemplo, los heliostatos simples mantienen a los animales calientes y saludables durante los meses de invierno.
Los heliostatos pueden ser útiles para cocinar con energía solar, ya que los espejos reflejan el calor del sol, así como su luz. Normalmente es más fácil girar un espejo de heliostato que girar una cocina solar entera a medida que el sol se mueve por el cielo. El heliostato proyecta un haz inmóvil de luz y calor sobre la cocina. Los heliostatos también se pueden utilizar para intensificar el calor solar que llega a una cocina, haciendo que varios de ellos dirijan la luz solar hacia la misma cocina, o sumando calor al que se recibe directamente del sol.
Peligro para la vista
Se suele afirmar que la luz del sol reflejada por un espejo helióstato es muy peligrosa para la vista de quien lo mire. En realidad, no se trata de un problema grave. Si el espejo es plano, incluso si es un reflector perfecto (lo que nunca es cierto), la imagen del sol que se ve en él no es más brillante que el sol real en el cielo. Mirarlo no es más peligroso que mirar el sol real. Es peligroso mirar fijamente al sol durante un período prolongado de tiempo, y es igualmente peligroso mirar fijamente el reflejo del sol en un espejo helióstato plano, pero no es necesario tomar precauciones para evitar exposiciones breves.
Información micelar
Esta sección es para información que está relacionada indirectamente con los helióstatos y sus usos, pero que puede ser interesante para algunos lectores.
Información confusa y confusa en obras de referencia
Los heliostatos son aparatos poco conocidos, incluso entre los autores de diccionarios y enciclopedias. Muchas de estas obras contienen información incorrecta o desactualizada.
Algunos diccionarios y enciclopedias confunden los helióstatos con los seguidores solares, lo cual es sencillamente erróneo.
Otros tienen definiciones y descripciones que datan esencialmente de principios del siglo XIX. En esa época, el uso de espejos movidos manualmente para la iluminación natural en el antiguo Egipto era desconocido. Fue redescubierto después de que se descifrara la escritura jeroglífica egipcia, tras el descubrimiento de la Piedra de Rosetta en 1799. (Se trata de una placa de piedra, que todavía existe, que lleva una larga inscripción escrita tanto en jeroglíficos como en griego. Dio a los académicos una visión invaluable de la estructura y el significado de los jeroglíficos egipcios). A principios del siglo XIX, todos los helióstatos eran instrumentos de laboratorio utilizados para experimentos ópticos. Al igual que los fabricados por Silbermann, funcionaban con un mecanismo de relojería. Las definiciones de helióstatos, escritas en esa época, los describen como instrumentos científicos con espejos accionados por un mecanismo de relojería para reflejar la luz solar en objetivos estacionarios. En ese momento, estas definiciones eran adecuadas. Sin embargo, algunas de ellas todavía se utilizan en obras de referencia modernas. No se mencionan diseños más recientes, ni usos actuales de las máquinas, ni tampoco los del antiguo Egipto. Muy pocos de los helióstatos que se utilizan actualmente están correctamente descritos por estas antiguas definiciones y descripciones, que deberían actualizarse como se ha hecho aquí.
Heliostatos no convencionales
La gran mayoría de los helióstatos encajan en las categorías descritas en "Tipos de helióstatos", más arriba. Sin embargo, a veces se encuentran máquinas que no lo hacen. Con frecuencia, han sido construidas por aficionados.
Probablemente las más comunes son máquinas que son esencialmente iguales a los helióstatos de relojería, pero que son accionadas por otros tipos de mecanismos, como relojes eléctricos o electrónicos.
También existen dispositivos que casi desafían toda descripción. Por ejemplo, hace unos años el autor de este artículo conoció a un carpintero jubilado que tenía un taller de bricolaje en su garaje. Tenía un espejo al aire libre para reflejar la luz del día en él. El espejo se movía mediante un conjunto de motores eléctricos, poleas y trozos de cuerda. El carpintero no tenía conocimientos teóricos relevantes, no conocía la palabra "helióstato" y no sabía que alguien más hubiera hecho algo similar. Sin embargo, a base de ensayo y error, había logrado que su dispositivo funcionara, no bien, pero lo suficientemente bien para su propósito. Desafortunadamente, esperaba lograr fama y fortuna vendiendo su "invento".
El arma solar de Arquímedes
El científico griego Arquímedes, conocido hoy por su trabajo sobre la flotabilidad (Principio de Arquímedes), vivió en la ciudad de Siracusa, que entonces era una colonia griega situada en la costa de la isla de Sicilia. Hacia el año 215 a. C., Siracusa fue atacada por los romanos en sus barcos. Se dice que Arquímedes ayudó a su defensa organizando a la gente para que sostuviera un gran número de espejos y los utilizara para enfocar la luz solar sobre los barcos, algo así como un campo de helióstatos que concentrara la luz solar en una central solar térmica moderna. Los barcos se incendiaron por el calor solar concentrado. Las pruebas modernas de esta idea han puesto en duda la historia. Los barcos habrían tenido que permanecer estacionarios cerca de los espejos durante largos períodos de tiempo antes de incendiarse. Además, mantener todos los espejos alineados con precisión a mano en el calor de la batalla habría sido extremadamente difícil. Si hay algo de verdad en la historia, es más probable que la luz de los espejos sirviera para deslumbrar a los romanos, reduciendo su capacidad de lucha.
Curiosamente, se cree que Arquímedes estudió en Alejandría, Egipto, que en aquel entonces era otra colonia griega. Allí, probablemente vio a los egipcios utilizar helióstatos sencillos para iluminar sus edificios. Esto podría haberle interesado en los diferentes usos de los espejos.
Experiencias extrañas con un helióstato
La siguiente historia real se incluye aquí porque puede resultar instructiva para cualquiera que esté pensando en construir un helióstato.
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En los años 80 diseñé, construí y programé un helióstato controlado por ordenador para que entrara más luz solar en el salón de mi casa. Era una máquina sencilla, con el espejo montado en una montura altazimutal, de modo que el eje principal de rotación era vertical y el otro horizontal. El programa que se ejecutaba en su ordenador (un antiguo Commodore VIC 20) se desarrolló a partir de un programa anterior que había escrito y que calculaba la posición del sol en el cielo a partir de la teoría astronómica.
Describir detalladamente el helióstato no tendría sentido. Se construyó con componentes que ya hace tiempo que están obsoletos. Hoy en día, duplicarlo sería casi imposible. Quien quiera diseñar un helióstato debe empezar desde cero.
Sin embargo, sucedió algo mientras estaba probando la máquina que podría valer la pena compartir...
Vivo en Canadá, a medio camino entre el Ecuador y el Polo Norte. Visto desde aquí, el sol siempre se mueve en el sentido de las agujas del reloj en el cielo, saliendo por el este, pasando al sur alrededor del mediodía y poniéndose por el oeste. Como el espejo del helióstato se mueve para seguir reflejando la luz solar en una dirección constante, para mí era obvio que el mecanismo de acimut de la máquina siempre giraría en el sentido de las agujas del reloj. De hecho, contemplé la posibilidad de utilizar un motor para ese mecanismo que girara solo en el sentido de las agujas del reloj. Cambié de opinión solo porque era conveniente utilizar motores idénticos en los dos mecanismos. Como el mecanismo de elevación (altitud) cambia de dirección cuando sale y se pone el sol, utilicé motores, en realidad motores paso a paso, que podían girar en ambos sentidos.
Cuando configuré la máquina por primera vez y comencé a probarla, me encontré con un par de problemas simples que pude solucionar fácilmente. La siguiente vez que la probé, me alegré de ver que se inicializaba sola y movía su espejo para reflejar la luz del sol en la dirección correcta. Parecía estar funcionando correctamente. Pero, mientras la observaba por un tiempo, vi con consternación que el controlador de acimut estaba girando en sentido contrario a las agujas del reloj. Obviamente, eso estaba mal. Detuve la máquina y comencé a buscar en el hardware y el software la causa del problema. En eso, no tuve éxito. Todo parecía estar como debía estar, pero el controlador de acimut seguía girando en sentido contrario.
Luego hice otra observación desconcertante: aunque el espejo giraba en sentido contrario a las agujas del reloj, ¡siguió reflejando la luz del sol en la dirección correcta! El aparato parecía funcionar correctamente, pero al mismo tiempo no.
Después de un rato de desconcierto, me di cuenta de lo que estaba pasando. Eran las doce del mediodía de un día de verano, por lo que el sol estaba alto en el cielo del sur. La ventana a través de la cual quería que el helióstato reflejara la luz del sol estaba aproximadamente al norte del espejo, y no mucho más arriba que él. El espejo tenía que apuntar en la dirección que bisecaba el ángulo entre las direcciones del sol y la ventana, tal como se ve desde el espejo. En ese momento, la dirección de apuntado estaba alta hacia el norte . A medida que el sol se movía de este a oeste, esta dirección de apuntado también se movía de este a oeste. Pero como estaba al norte del cenit, este movimiento era en sentido contrario a las agujas del reloj en acimut. Mi helióstato estaba realizando absolutamente correctamente esta rotación en sentido contrario a las agujas del reloj.
Fue sorprendente darme cuenta de que esta máquina, que yo había diseñado y programado, era aparentemente más inteligente que yo. Había descubierto correctamente en qué dirección moverse, aunque mis expectativas eran erróneas.
Otra cosa que me di cuenta fue que sólo la pura suerte había permitido que la máquina funcionara correctamente. Si hubiera utilizado un motor en el mecanismo de acimut que girara sólo en el sentido de las agujas del reloj, algo que estaba seguro de que funcionaría correctamente, la máquina no habría podido girar en la dirección correcta. ¡Me pregunto cuánto tiempo me habría llevado darme cuenta de lo que estaba mal!
Unos meses después, cuando el sol del mediodía se hundía en el cielo a medida que se acercaba el invierno, surgió una situación en la que la dirección de puntería del espejo era casi vertical hacia arriba en algún momento cerca del mediodía. Los ángulos de elevación del sol y la ventana, vistos desde el espejo, eran iguales y sus acimutes estaban separados por 180 grados, por lo que la bisectriz del ángulo apuntaba verticalmente hacia arriba. En esa situación, un pequeño movimiento de la bisectriz, cuando el sol se movía hacia el oeste, causaba un gran cambio en el acimut de la bisectriz. Esto hizo que el mecanismo de acimut del helióstato girara muy rápidamente, ¡unos 180 grados en apenas unos segundos! No esperaba que la máquina se moviera tan rápidamente, ya que el sol se mueve muy lentamente en el cielo. Un día, el mecanismo giró en sentido contrario a las agujas del reloj, ya que la bisectriz pasaba justo al norte del cenit. Al día siguiente, la bisectriz pasaba justo al sur del cenit y el mecanismo giró en el sentido de las agujas del reloj. En primavera, el movimiento del sol hacia el norte se produjo a la inversa. Como el espejo estaba boca abajo y apuntaba hacia arriba, la rápida rotación sobre el eje vertical no alteró mucho la dirección de la mira.
¡Los helióstatos pueden ser máquinas muy contrarias a la intuición!
David Williams 17:23 5 julio 2010 (UTC) David Williams
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Algunos detalles técnicos más
Para aquellos que estén pensando en diseñar y construir un helióstato, aquí les dejo un poco más sobre el helióstato controlado por VIC que construí en los años 80 (ver "Experiencia extraña con un helióstato", más arriba). El espejo se sostenía en un soporte altazimutal, de modo que uno de sus dos motores paso a paso hacía girar el conjunto sobre un eje vertical, es decir, en azimut. El conjunto incluía el segundo motor paso a paso y el eje horizontal sobre el que giraba el espejo, es decir, en elevación o altitud. Había dos microinterruptores que se cerraban cuando las dos rotaciones alcanzaban posiciones específicas. Cuando configuré la máquina por primera vez, determiné la posición de la brújula en la que se cerraba el interruptor de azimut y el ángulo de elevación en el que se cerraba el interruptor de altitud mediante experimentos y mediciones, y escribí estas cantidades en el software.
El software incluía una rutina de inicialización que se ejecutaba siempre que se reiniciaba la máquina, por ejemplo, después de un corte de energía, y también todas las mañanas al amanecer. Los dos motores se movían hasta que sus respectivos interruptores se cerraban. Luego, se movían lentamente en direcciones opuestas, contando los pasos hasta que se abrían los interruptores. Esto colocaba el espejo en una orientación conocida y también medía las holguras en los motores. Durante el día, el ordenador enviaba la cantidad necesaria de instrucciones de paso a paso a los motores para girar el espejo a la orientación requerida. Además, cuando cambiaba la dirección de rotación de cualquiera de las dos, se enviaban instrucciones de paso adicionales para compensar la holgura. Esto significaba que la máquina compensaba automáticamente el desgaste de sus componentes mecánicos.
Al atardecer de cada noche, es decir, cuando el software determinaba que el ángulo de elevación del sol era negativo, la máquina giraba el espejo para que quedara orientado hacia abajo. Esto era para reducir la acumulación de polvo en su superficie. El espejo permanecía en esta posición hasta el amanecer, cuando se ejecutaba la rutina de inicialización.
Los cables que van al mecanismo de elevación y a su microinterruptor podrían haberse torcido hasta romperse si el mecanismo de azimut hubiera girado muchas veces en una sola dirección. Para evitarlo, el software hizo que el mecanismo de azimut girara automáticamente una vuelta completa en la dirección opuesta si previamente había girado más de una vuelta completa desde su punto de partida, donde se cerró su microinterruptor.
El reloj interno del VIC se utilizaba para indicar la hora y la fecha al helióstato. Por supuesto, como cualquier otro reloj, no marcaba la hora a la perfección. Por lo tanto, el software incluía una rutina que me permitía reiniciar el reloj sin detener el programa del helióstato. Una característica del reloj del VIC era que su velocidad podía ajustarse con precisión. Mi software hacía ese ajuste automáticamente cada vez que reiniciaba el reloj. Mantenía un registro de la fecha en que se realizaba cada reinicio y calculaba cuánto debía ajustarse la velocidad para optimizar el cronometraje. Después de dos o tres reinicios, el cronometraje era preciso con una diferencia de unos pocos segundos por año.
Para que la máquina fuera capaz de sobrevivir a breves interrupciones de la corriente alterna, agregué un capacitor de alto valor, esencialmente en paralelo con el capacitor que el VIC tenía en su fuente de alimentación. Sin embargo, cargar rápidamente este capacitor grande habría sobrecargado el transformador y el rectificador, posiblemente dañándolos. Por lo tanto, coloqué una resistencia y un diodo en paralelo entre sí y en serie con el capacitor grande. La corriente de carga pasaba por la resistencia, lo que la limitaba a un valor bajo. El capacitor tardaba varios minutos en cargarse. Durante una interrupción de la energía, el capacitor se descargaba a través del diodo tan rápido como fuera necesario para mantener la computadora en funcionamiento. Esta disposición eliminaba los bloqueos de la computadora debido a parpadeos de energía. Todavía era posible que los motores paso a paso se desfasaran ligeramente, pero esto se corrigió automáticamente a la mañana siguiente cuando se ejecutó la rutina de inicialización.
Diseñé y construí una unidad de interfaz que alimentaba los motores paso a paso y los conectaba, junto con los microinterruptores, a la computadora. Esta unidad tomaba la energía directamente de la fuente de alimentación de CA. Recibía pequeñas señales de control de la computadora, las cambiaba al voltaje necesario, etc., y las alimentaba a los motores. Era capaz de producir dos voltajes diferentes, uno alto que se alimentaba a los motores mientras ejecutaban pasos, y un voltaje más bajo que se usaba solo para mantener los motores estacionarios. Dado que los motores estaban estacionarios la mayor parte del tiempo, el uso del voltaje bajo conservaba la energía y evitaba que los motores se calentaran. La computadora indicaba qué voltaje debía producirse. Justo antes de que se realizaran los pasos, el software hacía que la computadora seleccionara el voltaje alto y volviera al voltaje bajo cuando se completaba temporalmente el paso a paso.
Nada de esto tiene importancia teórica, pero sí muestra el tipo de cosas que deben tenerse en cuenta al diseñar una máquina operativa.
DOwenWilliams ( discusión ) 22:47 31 oct 2010 (UTC) David Williams
Ver también
Enlaces externos
- Página de heliostatos en Open Source Ecology con muchos proyectos y aplicaciones de código abierto
- Página Sunalign de Green Life Innovators con software de helióstatos de código abierto, teoría astronómica, programas relacionados, etc.
