Heliostats/id
Heliostat adalah perangkat yang dilengkapi cermin, biasanya cermin datar, yang berputar untuk terus memantulkan sinar matahari ke sasaran yang telah ditentukan, mengimbangi gerakan matahari yang tampak di langit. Sasarannya bisa berupa objek fisik, yang jauh dari heliostat, atau arah di angkasa. Untuk melakukan ini, permukaan cermin yang memantulkan dijaga tegak lurus terhadap garis bagi sudut antara arah matahari dan sasaran seperti yang terlihat dari cermin. Dalam hampir setiap kasus, sasarannya diam relatif terhadap heliostat, sehingga cahaya dipantulkan ke arah yang tetap.
Penggunaan utama heliostat adalah untuk penerangan alami (memancarkan cahaya matahari ke ruang yang biasanya kurang terang), dan untuk pembangkit listrik di stasiun tenaga surya termal. Heliostat juga kadang-kadang digunakan, atau pernah digunakan di masa lalu, dalam survei, astronomi, dan ilmu pengetahuan lainnya, untuk menghasilkan suhu yang sangat tinggi dalam tungku surya, untuk meningkatkan penerangan untuk pertanian, dan untuk mengarahkan sinar matahari terus-menerus ke kompor surya. Selama abad ke-19, heliostat digunakan oleh pelukis dan seniman lain untuk memberikan penerangan yang konstan dan terang pada subjek mereka.
Heliostat harus dibedakan dari pelacak surya atau pelacak matahari, yang selalu menunjuk langsung ke matahari di langit. Namun, beberapa jenis heliostat menggabungkan pelacak matahari, bersama dengan komponen tambahan untuk membagi dua sudut cermin matahari-target.
Peringatan
Ada laporan sesekali tentang kebakaran dan bentuk kerusakan lain yang disebabkan oleh heliostat. Jika cermin sedikit cekung, seperti yang mungkin terjadi secara tidak sengaja selama pembuatan cermin murah yang seharusnya datar, ia dapat memfokuskan (memusatkan) sinar matahari ke target yang agak jauh darinya. Misalnya, jika jari-jari kelengkungan cekungan adalah 100 meter, ia akan fokus ke target yang berjarak 50 meter. Panjang fokus adalah setengah dari jari-jari kelengkungan. Selain itu, heliostat memantulkan sinar matahari untuk jangka waktu yang lama ke target yang diam, yang mungkin memungkinkan suhunya naik ke tingkat yang berbahaya. Oleh karena itu, siapa pun yang membangun atau menggunakan heliostat harus mengambil tindakan pencegahan yang tepat untuk memastikan bahwa ia tidak memantulkan sinar matahari ke apa pun yang mungkin mudah terbakar atau rentan terhadap kerusakan karena panas.
Arti
Kata "heliostat" berasal dari bahasa Yunani "helios" yang berarti "matahari" dan "stat" yang berarti "diam". Kata ini terkait dengan berbagai kata bahasa Inggris yang merujuk pada matahari, dan juga dengan nama gas helium, yang ditemukan secara spektroskopis di matahari sebelum dikenal di bumi. Kata ini tidak terkait dengan kata Yunani atau Latin "helix" yang berarti "spiral", atau dengan kata bahasa Inggris yang diturunkan darinya seperti "helikopter".
Jenis Heliostat
Meskipun heliostat yang memantulkan cahaya ke target yang bergerak kadang-kadang (sangat jarang) digunakan (lihat "Mesin Tujuan Khusus", di bawah), sebagian besar heliostat dirancang untuk memantulkan sinar matahari ke arah yang tetap, ke arah target yang diam. Dalam paragraf berikut, diasumsikan bahwa target tersebut diam.
Heliostat yang Dioperasikan Secara Manual
Heliostat yang paling awal dikenal juga merupakan yang paling sederhana. Heliostat digunakan untuk penerangan siang hari di Mesir kuno, lebih dari 4000 tahun yang lalu. Bagian dalam bangunan Mesir didekorasi dengan rumit, dan akan rusak oleh asap dari obor yang menyala. Sebaliknya, cermin logam yang dipoles digunakan untuk memantulkan sinar matahari di dalam ruangan. Para pelayan atau budak menggerakkan cermin secara manual untuk terus memantulkan sinar matahari ke arah yang benar saat matahari bergerak melintasi langit. (Ini masih dilakukan di beberapa tempat di Mesir, untuk kepentingan wisatawan.) Operasi manual semacam ini, tentu saja, masih dapat dipraktikkan saat ini, dan mungkin merupakan metode yang lebih disukai dalam beberapa situasi dunia ketiga. Telah disarankan bahwa hewan seperti monyet dapat dilatih untuk menggerakkan cermin, tetapi tampaknya tidak ada upaya serius yang dilakukan untuk melakukan ini.
Heliostat Mesin Jam
Jenis heliostat semi-otomatis yang sederhana menggunakan cermin yang dipasang sehingga dapat diputar oleh mekanisme jarum jam pada sumbu yang sejajar dengan sumbu rotasi bumi. Jarum jam memutar cermin sekali setiap 24 jam ke arah yang berlawanan dengan rotasi bumi. Cermin diorientasikan sehingga memantulkan sinar matahari sepanjang sumbu kutub yang sama dengan sumbu rotasinya. Pada ekuinoks, ini berarti cermin miring pada sudut 45 derajat terhadap sumbu. Pada waktu lain dalam setahun, sudut kemiringan ini harus diubah saat matahari bergerak ke utara dan selatan. Poros disediakan untuk memungkinkan penyesuaian ini dilakukan dengan tangan setiap beberapa hari. Selain itu, pengaturan jam harus divariasikan sesekali untuk memperhitungkan Persamaan Waktu, gerakan musiman kecil matahari dari timur ke barat. Ini juga dilakukan secara manual. Berkas cahaya yang dipantulkan sepanjang sumbu kutub oleh cermin yang berputar dicegat oleh cermin kedua yang diam, yang memantulkan cahaya ke arah yang diinginkan. Jenis mesin ini dapat bekerja secara otomatis selama beberapa hari, tetapi memerlukan penyesuaian ulang secara manual cukup sering untuk mengikuti pergerakan matahari secara musiman. Selain itu, tentu saja, jarum jam harus diputar dan cermin harus dibersihkan secara berkala.
Versi sederhana dari jenis heliostat ini terkadang digunakan untuk memasak dengan tenaga surya di negara berkembang. Tidak ada cermin kedua. Sebagai gantinya, wadah memasak terletak pada sumbu kutub tempat cermin pertama berputar, dan cermin tersebut disejajarkan sehingga memantulkan sinar matahari secara terus-menerus ke atasnya. Tentu saja, penyelarasan dan pengaturan jam harus disesuaikan secara manual sesekali untuk mengimbangi pergerakan musiman matahari. Sering kali, cermin tersebut cekung, sehingga dapat memusatkan sinar matahari ke wadah memasak. Desain yang disederhanakan ini hanya dapat berfungsi jika target berada pada sumbu kutub.
Heliostat jarum jam yang lebih rumit telah dibuat yang hanya menggunakan satu cermin untuk memantulkan sinar matahari ke target di segala arah, dan bahkan yang lebih rumit yang secara otomatis mengikuti gerakan musiman matahari serta gerakan hariannya. Mereka adalah mesin yang sangat rumit. Beberapa yang terkenal dibuat oleh fisikawan Prancis JT Silbermann pada abad ke-19. Mereka digunakan dalam eksperimen ilmiah di bidang optik, sebelum adanya lampu listrik. Selain itu, Silbermann adalah teman dari beberapa seniman terkemuka yang menggunakan heliostatnya untuk menyinari sinar cahaya yang tidak bergerak ke subjek yang mereka lukis. Ini berarti bahwa penampilan subjek tidak berubah saat matahari bergerak melintasi langit. Beberapa heliostat Silbermann masih ada, dan banyak replikanya telah dibuat. Mereka dianggap sebagai karya seni itu sendiri, dan terkadang dijual dengan harga yang sangat tinggi.
Heliostat Dikendalikan oleh Sensor Cahaya
Jika listrik tersedia, heliostat yang menggunakan sensor cahaya untuk menemukan matahari di langit dapat digunakan. Desain sederhana menggunakan sumbu rotasi utama yang sejajar untuk menunjuk sasaran yang akan dipantulkan cahaya. Sumbu sekunder tegak lurus dengan sumbu pertama. Sensor mengirimkan sinyal ke motor yang berputar di sekitar kedua sumbu sehingga lengan kecil, yang membawa sensor, menunjuk ke arah matahari. (Jadi desain ini menggabungkan pelacak matahari.) Mekanisme roda gigi membagi dua sudut antara lengan penunjuk matahari dan sumbu rotasi utama. Ini memberikan arah di mana tegak lurus ke cermin harus diarahkan.
Desain lain menggunakan sensor cahaya untuk menentukan posisi sinar cahaya yang dipantulkan, bukan posisi matahari. Sensor ditempatkan dekat dengan target dan diarsir sehingga hanya merespons cahaya yang mencapainya dari arah cermin. Pada awal setiap hari, cermin disejajarkan dengan tangan. Sejak saat itu, jika sinar cahaya yang dipantulkan menjauh dari target, sensor mendeteksi kesalahan dan mengirim sinyal ke motor yang memutar cermin ke arah yang benar. Ini adalah desain yang sangat sederhana dan murah yang tidak melibatkan penentuan posisi matahari di langit, atau pembagian sudut mana pun. Namun, desain ini memiliki kekurangan. Karena alasan geometris, desain ini hanya dapat digunakan jika target kira-kira berada di selatan cermin (di lintang utara beriklim sedang). Selain itu, matahari harus bersinar cukup terus-menerus. Jika tertutup awan untuk waktu yang lama, saat matahari muncul kembali, sinar cahaya yang dipantulkan tidak mengenai target dan sensor, sehingga mereka tidak dapat menyelaraskan kembali cermin. Versi modifikasi dari desain ini lebih baik dalam bertahan hidup pada periode berawan. Beberapa memiliki sensor tambahan yang ditempatkan lebih jauh dari target. Yang lain menyertakan semacam memori sehingga, saat matahari terhalang, cermin akan berada pada posisi yang sama seperti pada waktu yang sama di hari sebelumnya. Modifikasi ini memang meningkatkan kinerja mesin, tetapi merusak kesederhanaan dan murahnya mesin tersebut.
Heliostat yang Dikendalikan Komputer
Meskipun desain heliostat di atas dan desain mekanis serta sensor lainnya memang ada, desain tersebut tidak digunakan di sebagian besar heliostat yang sekarang beroperasi. Sebaliknya, sebagian besar heliostat dikendalikan oleh komputer. Perangkat lunak yang digunakan menghitung, berdasarkan teori astronomi, posisi matahari di langit. Sensor tidak diperlukan, dan perhitungan memperhitungkan pergerakan matahari harian dan musiman. Informasi yang harus tersedia hanyalah posisi heliostat di permukaan bumi, seperti lintang dan bujur, serta waktu dan tanggal. Setelah posisi matahari dihitung, informasi tersebut digabungkan dengan arah pantulan cahaya, yang juga harus disediakan, untuk menghitung arah garis bagi sudut yang diperlukan. Komputer kemudian mengirimkan sinyal kontrol ke motor yang memutar cermin ke arah yang benar. Seluruh proses ini diulang setiap beberapa detik, sehingga cermin tetap sejajar dengan benar.
Untuk keperluan pencahayaan alami, cermin individual yang dikontrol oleh komputernya sendiri seringkali sudah cukup. Namun, untuk pembangkitan daya termal surya, "lapangan" cermin heliostat, seringkali ratusan jumlahnya, digunakan untuk memantulkan sejumlah besar sinar matahari ke boiler atau kolektor panas lainnya. Panas tersebut digunakan untuk menghasilkan uap, yang menggerakkan turbin untuk menghasilkan listrik. Biasanya, hanya satu komputer yang mengendalikan semua cermin.
Bidang heliostat juga digunakan dalam tungku surya, tetapi dalam kasus ini semuanya disejajarkan untuk menghasilkan berkas cahaya yang semuanya sejajar dengan sumbu reflektor parabola besar yang diam, tempat cahaya dari heliostat bersinar. Parabola memfokuskan cahaya secara akurat ke target kecil, yang karenanya menjadi sangat panas. Temperatur yang melebihi 3500 derajat Celsius (sekitar 6300 derajat F) telah diproduksi dengan cara ini. Saat ini perangkat ini masih dalam tahap percobaan, tetapi diantisipasi bahwa perangkat ini dapat digunakan dalam berbagai proses industri.
Meskipun heliostat yang dikendalikan komputer terdengar rumit, dan mungkin tidak praktis dalam situasi dunia ketiga, heliostat dapat digunakan dengan mudah jika listrik dan peralatan yang diperlukan tersedia. Komputer kecil sekarang sangat murah. Beberapa perusahaan menjual heliostat lengkap, atau kit yang dapat digunakan untuk membangun heliostat. Jika seseorang ingin merancang perangkat kerasnya sendiri, ia dapat menggunakan perangkat lunak domain publik yang gratis dan bersumber terbuka. Misalnya, di situs web www.green-life-innovators.org terdapat program bernama Sunalign yang melakukan semua perhitungan yang diperlukan untuk menjalankan heliostat. Program ini tersedia dalam BASIC, Perl, dan C. Situs web tersebut juga memiliki penjelasan terperinci tentang cara kerja kode, dan berbagai materi lain yang terkait dengan matahari. Untuk mengakses materi ini, klik tautan berikut: Tautan
Mesin Tujuan Khusus
Heliostat terkadang dipasang pada teleskop astronomi untuk memungkinkan pengamatan matahari secara terus-menerus tanpa harus menggerakkan teleskop. Untuk tujuan ini, cermin heliostat harus sangat datar dan harus bergerak dengan sangat tepat agar cahaya dapat dipantulkan ke dalam teleskop.
Mesin yang sedikit berbeda, disebut "siderostat" dan "coelostat" (dari kata Latin untuk "bintang" dan "langit"), telah digunakan untuk memungkinkan benda-benda astronomi lainnya, selain matahari, diamati dengan teleskop stasioner. Karena bintang-bintang bergerak melintasi langit sedikit lebih cepat daripada matahari, cermin-cermin mesin ini harus bergerak sedikit lebih cepat daripada cermin heliostat. Secara umum, nama "siderostat" digunakan untuk mesin dengan satu cermin, dan "coelostat" untuk mesin dengan dua cermin, mirip dengan salah satu heliostat yang bekerja seperti jarum jam yang dijelaskan di bagian sebelumnya.
Para surveyor telah menggunakan heliostat sebagai lampu yang sangat terang. Misalnya, sebuah heliostat dapat ditempatkan di gunung, dan disejajarkan sehingga memantulkan sinar matahari ke pengamat yang jauh. Pengamat menggunakan teodolit untuk mengukur arah kompas dan sudut elevasi heliostat seperti yang terlihat dari lokasinya. Heliostat kemudian diarahkan ke pengamat lain, yang melakukan hal yang sama. Pengamatan tersebut kemudian dapat digabungkan untuk menghasilkan survei area tersebut. Heliostat sangat terang sehingga dapat diamati dari jarak 300 kilometer atau lebih di bawah sinar matahari penuh, sehingga memungkinkan area yang luas untuk disurvei. Heliostat yang dibuat untuk tujuan ini disebut "heliotrop" . Heliostat harus kokoh, mudah diangkut, dan dapat dipasang dan disejajarkan dengan mudah di lokasi terpencil.
Heliostat khusus kadang-kadang diuji untuk memantulkan sinar matahari ke target yang bergerak, seperti pesawat terbang. Pesawat terbang membawa peralatan yang menggunakan energi matahari untuk keperluan seperti menjalankan mesin, atau mengoperasikan pemancar radio atau televisi. Cermin di heliostat ini harus bergerak untuk memperhitungkan gerakan matahari dan target.
Aplikasi di Negara Berkembang
Sudah seharusnya jelas bahwa heliostat, terutama yang dikendalikan komputer, merupakan teknologi yang tepat untuk berbagai aktivitas ramah lingkungan di negara maju, seperti pembangkitan listrik dari energi matahari. Akan tetapi, ada juga penggunaan yang baik dan tepat di negara miskin.
Yang paling jelas di antaranya adalah cahaya alami. Banyak orang di negara berkembang tinggal di gedung tanpa jendela. Bahkan di siang hari, mereka membakar kayu atau bahan organik lainnya untuk menyediakan penerangan. Hal ini memiliki beberapa konsekuensi yang tidak diharapkan. Kayu terbakar, memperburuk penggundulan hutan. Udara dalam ruangan menjadi sangat tercemar dengan asap dan gas yang dihasilkan oleh pembakaran, yang menyebabkan efek buruk pada kesehatan penghuninya. Kebakaran yang tidak disengaja terjadi. Segala sesuatu menjadi kotor. Dan seterusnya.
Sama seperti yang dilakukan orang Mesir kuno, orang-orang saat ini dapat menggunakan heliostat sederhana untuk mengarahkan sinar matahari ke dalam bangunan mereka. Perangkat yang mirip dengan milik orang Mesir, dengan cermin yang diputar secara manual, sangat mudah dan murah untuk dibuat. Cermin yang diproduksi secara komersial tidak diperlukan. Cermin yang cukup bagus dapat dibuat, misalnya, dengan menempelkan aluminium foil pada papan datar atau potongan kardus.
Sekolah sangat cocok untuk pencahayaan alami dengan heliostat. Umumnya, ruang kelas berada di dalam ruangan sehingga tidak ada risiko buku dan materi lain rusak karena hujan, tetapi cahaya di dalam ruangan harus cukup terang, sehingga orang dapat membaca dan menulis dengan mudah. Cermin heliostat dapat digunakan untuk mencapai hal ini. Klinik medis dan bangunan lain juga cocok. Klinik sering kali terletak di tempat-tempat yang memiliki teknologi yang agak lebih tinggi, sehingga heliostat otomatis yang menggunakan jarum jam atau listrik dapat digunakan.
Heliostat sederhana juga sering berguna untuk tujuan lain. Heliostat dapat meningkatkan pencahayaan tanaman, sehingga meningkatkan pertumbuhan tanaman. Heliostat juga dapat membuat kehidupan hewan menjadi lebih baik. Di peternakan iguana di Republik Dominika, misalnya, heliostat sederhana menjaga hewan tetap hangat dan sehat selama bulan-bulan musim dingin.
Heliostat dapat berguna untuk memasak dengan tenaga surya karena cermin memantulkan panas matahari, serta cahayanya. Biasanya lebih mudah untuk memutar cermin heliostat daripada memutar seluruh kompor surya saat matahari bergerak melintasi langit. Heliostat memancarkan sinar cahaya dan panas yang tidak bergerak ke kompor. Heliostat juga dapat digunakan untuk mengintensifkan panas matahari yang mencapai kompor, dengan menempatkan beberapa di antaranya mengarahkan sinar matahari ke kompor yang sama, atau dengan menambah panas yang diterima langsung dari matahari.
Bahaya bagi Penglihatan
Sering kali diklaim bahwa sinar matahari yang dipantulkan oleh cermin heliostat sangat berbahaya bagi penglihatan siapa pun yang melihatnya. Padahal, ini bukanlah masalah serius. Jika cermin itu datar, bahkan jika itu adalah reflektor sempurna (yang tidak pernah benar), bayangan matahari yang terlihat di dalamnya tidak lebih terang daripada matahari asli di langit. Meliriknya tidak lebih berbahaya daripada melirik matahari asli. Menatap matahari dalam waktu lama berbahaya, dan sama berbahayanya jika menatap pantulan matahari di cermin heliostat datar, tetapi tidak perlu mengambil tindakan pencegahan untuk menghindari paparan singkat.
Informasi Miselan
Bagian ini ditujukan untuk informasi yang secara tidak langsung terkait dengan heliostat dan penggunaannya, tetapi mungkin menarik bagi beberapa pembaca.
Informasi yang Membingungkan dan Membingungkan dalam Karya Referensi
Heliostat bukanlah perangkat yang dikenal luas, bahkan di kalangan penulis kamus dan ensiklopedia. Banyak dari karya-karya ini mengandung informasi yang tidak benar atau sudah ketinggalan zaman.
Beberapa kamus dan ensiklopedia menyamakan heliostat dengan pelacak matahari. Ini jelas salah.
Yang lain memiliki definisi dan deskripsi yang pada dasarnya berasal dari awal abad ke-19. Pada saat itu, penggunaan cermin yang digerakkan secara manual untuk penerangan siang hari oleh orang Mesir kuno belum dikenal. Penggunaan ini ditemukan kembali setelah tulisan hieroglif Mesir diuraikan, menyusul penemuan Batu Rosetta pada tahun 1799. (Ini adalah lempengan batu yang masih ada, yang memuat prasasti panjang yang ditulis dalam hieroglif dan Yunani. Prasasti ini memberi para sarjana wawasan yang sangat berharga tentang struktur dan makna hieroglif Mesir.) Pada awal tahun 1800-an, semua heliostat adalah instrumen laboratorium yang digunakan untuk eksperimen optik. Seperti yang dibuat oleh Silbermann, heliostat digerakkan oleh jarum jam. Definisi heliostat yang ditulis saat itu menggambarkannya sebagai instrumen ilmiah dengan cermin yang digerakkan oleh jarum jam untuk memantulkan sinar matahari pada target yang diam. Pada saat itu, definisi ini memadai. Namun, beberapa di antaranya masih digunakan dalam karya referensi modern. Tidak disebutkan desain yang lebih baru, atau penggunaan mesin saat ini, atau yang ada di Mesir kuno. Sangat sedikit heliostat yang digunakan saat ini yang dijelaskan dengan benar oleh definisi dan deskripsi lama ini, yang semuanya harus diperbarui seperti yang telah dilakukan di sini.
Heliostat Non-Konvensional
Sebagian besar heliostat termasuk dalam kategori yang dijelaskan dalam "Jenis Heliostat" di atas. Namun, terkadang ditemukan mesin yang tidak termasuk dalam kategori tersebut. Sering kali, mesin tersebut dibuat oleh penggemar amatir.
Mungkin yang paling umum adalah mesin yang pada dasarnya sama dengan heliostat jarum jam, tetapi digerakkan oleh jenis mekanisme lain, seperti jam listrik atau elektronik.
Perangkat yang hampir tidak dapat dijelaskan juga ada. Misalnya, beberapa tahun yang lalu penulis ini bertemu dengan seorang tukang kayu pensiunan yang memiliki bengkel hobi di garasinya. Ia memiliki cermin di luar ruangan untuk memantulkan cahaya matahari ke dalamnya. Cermin tersebut digerakkan oleh susunan motor listrik, katrol, dan potongan tali. Tukang kayu tersebut tidak memiliki pengetahuan teoritis yang relevan, tidak mengetahui kata "heliostat", dan tidak menyadari bahwa ada orang lain yang pernah melakukan hal serupa. Namun, melalui percobaan dan kesalahan, ia berhasil membuat perangkatnya berfungsi, tidak dengan baik, tetapi cukup baik untuk tujuannya. Sayangnya, ia berharap untuk mendapatkan ketenaran dan kekayaannya dengan menjual "penemuannya".
Senjata Matahari Archimedes
Ilmuwan Yunani Archimedes, yang kini dikenal karena karyanya tentang daya apung (Prinsip Archimedes), tinggal di kota Syracuse, yang saat itu merupakan koloni Yunani yang terletak di pesisir pulau Sisilia. Sekitar tahun 215 SM, Syracuse diserang oleh bangsa Romawi yang menggunakan kapal. Konon Archimedes membantu pertahanannya dengan mengorganisasi orang-orang untuk memegang sejumlah besar cermin, menggunakannya untuk memfokuskan sinar matahari ke kapal, seperti ladang heliostat yang memfokuskan sinar matahari di pembangkit listrik tenaga surya modern. Kapal-kapal tersebut terbakar oleh panas matahari yang terkonsentrasi. Uji coba modern terhadap gagasan ini telah menimbulkan keraguan terhadap cerita tersebut. Kapal-kapal tersebut harus tetap diam di dekat cermin untuk waktu yang lama sebelum terbakar. Selain itu, menjaga agar semua cermin tetap sejajar dengan tangan di tengah panasnya pertempuran akan sangat sulit. Jika ada kebenaran di balik kisah tersebut, kemungkinan besar cahaya dari cermin tersebut berfungsi untuk menyilaukan bangsa Romawi, sehingga mengurangi kemampuan mereka untuk berperang.
Menariknya, Archimedes diperkirakan pernah belajar di Alexandria, Mesir, yang saat itu merupakan koloni Yunani lainnya. Di sana, ia mungkin melihat orang Mesir menggunakan heliostat sederhana untuk menerangi bangunan mereka. Hal ini mungkin membuatnya tertarik pada berbagai penggunaan cermin.
Pengalaman Aneh dengan Heliostat
Kisah nyata berikut disertakan di sini karena mungkin dapat menjadi pelajaran bagi siapa pun yang berencana membangun heliostat.
- --------------------------------------------------------------------------------
Pada tahun 1980-an, saya merancang, membangun, dan memprogram heliostat yang dikendalikan komputer untuk membawa lebih banyak sinar matahari ke ruang tamu rumah saya. Itu adalah mesin sederhana, dengan cermin pada dudukan alt-azimuth, sehingga sumbu utama rotasi adalah vertikal dan sumbu lainnya horizontal. Program yang berjalan di komputernya - Commodore VIC 20 kuno - dikembangkan dari program sebelumnya yang saya tulis yang menghitung posisi matahari di langit dari teori astronomi.
Menjelaskan heliostat secara terperinci tidak ada gunanya. Heliostat dibangun dari komponen yang sudah lama ketinggalan zaman. Saat ini, hampir mustahil untuk menduplikasinya. Siapa pun yang ingin merancang heliostat harus memulainya dari awal.
Namun, ada sesuatu yang terjadi saat saya menguji mesin itu yang mungkin layak dibagikan...
Saya tinggal di Kanada, kira-kira di tengah-tengah antara Khatulistiwa dan Kutub Utara. Dilihat dari sini, matahari selalu bergerak searah jarum jam di langit, terbit di timur, bergerak ke selatan sekitar tengah hari, dan terbenam di barat. Karena cermin heliostat bergerak untuk terus memantulkan sinar matahari ke arah yang konstan, jelas bagi saya bahwa penggerak azimuth mesin akan selalu berputar searah jarum jam. Bahkan, saya mempertimbangkan untuk menggunakan motor untuk penggerak itu yang hanya akan berputar searah jarum jam. Saya berubah pikiran hanya karena lebih mudah menggunakan motor yang identik di kedua penggerak. Karena penggerak elevasi (ketinggian) berubah arah saat matahari terbit dan terbenam, saya menggunakan motor, sebenarnya stepper, yang dapat berputar ke kedua arah.
Ketika saya pertama kali menyiapkan mesin dan mulai mengujinya, saya menemui beberapa masalah sederhana yang dapat saya atasi dengan mudah. Saat saya mencobanya lagi, saya senang melihat bahwa mesin itu menginisialisasi dirinya sendiri dan menggerakkan cerminnya sehingga memantulkan sinar matahari ke arah yang benar. Mesin itu tampaknya bekerja dengan baik. Namun, ketika saya mengamatinya sebentar, saya melihat dengan cemas bahwa penggerak azimuth berputar berlawanan arah jarum jam. Jelas, itu salah. Saya menghentikan mesin dan mulai mencari penyebab masalah di perangkat keras dan perangkat lunak. Dalam hal itu, saya tidak berhasil. Semuanya tampak sebagaimana mestinya, tetapi penggerak azimuth terus berputar ke arah yang salah.
Lalu saya membuat pengamatan membingungkan lainnya. Meskipun cermin itu berputar berlawanan arah jarum jam, cermin itu terus memantulkan sinar matahari ke arah yang benar! Benda itu tampaknya berfungsi dengan baik, tetapi juga salah pada saat yang sama.
Bahasa Indonesia: Setelah sedikit kebingungan, saya menyadari apa yang sedang terjadi. Saat itu sekitar tengah hari pada hari musim panas, jadi matahari tinggi di langit selatan. Jendela tempat saya ingin heliostat memantulkan sinar matahari kira-kira berada di utara cermin, dan tidak jauh lebih tinggi darinya. Cermin harus diarahkan ke arah yang membagi dua sudut antara arah matahari dan jendela, seperti yang terlihat dari cermin. Pada saat itu, arah bidik tinggi ke utara . Saat matahari bergerak dari timur ke barat, arah bidik ini juga bergerak dari timur ke barat. Tetapi karena berada di utara zenith, gerakan ini berlawanan arah jarum jam dalam azimuth. Heliostat saya benar-benar melakukan rotasi berlawanan arah jarum jam ini dengan benar.
Sungguh mengejutkan saat menyadari bahwa mesin ini, yang telah saya rancang dan program, ternyata lebih pintar daripada saya. Mesin itu telah mengetahui dengan tepat arah pergerakannya, meskipun ekspektasi saya salah.
Kesadaran lain adalah bahwa hanya keberuntungan semata yang memungkinkan mesin bekerja dengan baik. Jika saya menggunakan motor pada penggerak azimuth yang hanya berputar searah jarum jam, yang saya yakin akan bekerja dengan baik, mesin tidak akan mampu berputar ke arah yang benar. Saya bertanya-tanya berapa lama waktu yang saya perlukan untuk mengetahui apa yang salah!
Beberapa bulan kemudian, saat matahari siang hari tenggelam lebih rendah di langit saat musim dingin mendekat, muncul situasi di mana arah bidik cermin hampir vertikal ke atas pada suatu waktu menjelang tengah hari. Sudut elevasi matahari dan jendela, seperti yang terlihat dari cermin, sama, dan azimutnya terpisah 180 derajat, sehingga garis bagi sudut menunjuk vertikal ke atas. Dalam situasi itu, gerakan kecil garis bagi, saat matahari bergerak ke barat, menyebabkan perubahan besar dalam azimut garis bagi. Ini membuat penggerak azimut heliostat berputar sangat cepat, sekitar 180 derajat hanya dalam beberapa detik! Saya tidak menyangka mesin itu bergerak cepat seperti itu, karena matahari bergerak sangat lambat di langit. Pada suatu hari, penggerak berputar berlawanan arah jarum jam, karena garis bagi itu lewat tepat di utara zenith. Pada hari berikutnya, garis bagi itu lewat tepat di selatan zenith, dan penggerak berputar searah jarum jam. Kebalikannya terjadi di musim semi, saat matahari bergerak ke utara. Tentu saja, karena cermin itu terletak terbalik, mengarah ke atas, rotasi cepat pada sumbu vertikal tidak menyebabkan banyak perubahan pada arah bidikan.
Heliostat dapat menjadi mesin yang sangat berlawanan dengan intuisi!
DOwenWilliams 17:23, 5 Juli 2010 (UTC) David Williams
- ---------------------------------------------------------------------------------
Beberapa Detail Teknis Lainnya
Demi siapa pun yang berpikir untuk merancang dan membangun heliostat, berikut sedikit informasi tentang heliostat yang dikendalikan VIC yang saya buat pada tahun 1980-an. (Lihat "Pengalaman Aneh dengan Heliostat", di atas.) Cermin itu dipasang pada dudukan alt-azimuth, jadi salah satu dari dua motor steppernya memutar rakitan pada sumbu vertikal, yaitu dalam azimuth. Rakitan itu mencakup motor stepper kedua dan sumbu horizontal tempat cermin diputar, yaitu dalam elevasi atau ketinggian. Ada dua sakelar mikro yang menutup saat kedua putaran mencapai posisi tertentu. Saat pertama kali menyiapkan mesin, saya menentukan arah kompas dari posisi saat sakelar azimuth tertutup dan sudut elevasi saat sakelar ketinggian tertutup melalui eksperimen dan pengukuran, dan menuliskan besaran ini ke dalam perangkat lunak.
Perangkat lunak tersebut menyertakan rutinitas inisialisasi yang dijalankan setiap kali mesin dinyalakan ulang, misalnya setelah listrik padam, dan juga setiap pagi saat matahari terbit. Kedua drive tersebut bergerak berputar hingga sakelar masing-masing tertutup. Kemudian, drive tersebut bergerak perlahan ke arah yang berlawanan, menghitung langkah hingga sakelar terbuka. Hal ini menempatkan cermin ke dalam orientasi yang diketahui, dan juga mengukur backlash pada drive. Pada siang hari, komputer mengirimkan sejumlah instruksi langkah yang diperlukan ke motor untuk memutar cermin ke orientasi yang diperlukan. Selain itu, ketika arah putaran berubah, instruksi langkah tambahan dikirimkan untuk mengatasi backlash. Ini berarti bahwa mesin secara otomatis mengompensasi keausan komponen mekanisnya.
Saat matahari terbenam setiap malam, yaitu saat perangkat lunak menentukan bahwa sudut elevasi matahari menjadi negatif, mesin memutar cermin sehingga menghadap ke bawah. Hal ini dilakukan untuk mengurangi penumpukan debu di permukaannya. Cermin tetap berada di posisi ini hingga matahari terbit, saat rutinitas inisialisasi dijalankan.
Kabel yang menuju ke penggerak elevasi dan sakelar mikronya dapat terpilin hingga putus jika penggerak azimuth telah berputar berkali-kali dalam satu arah. Untuk menghindari hal ini, perangkat lunak secara otomatis membuat penggerak azimuth berputar satu putaran penuh ke arah yang berlawanan jika sebelumnya telah berputar lebih dari satu putaran penuh dari titik awalnya, tempat sakelar mikronya tertutup.
Jam internal VIC digunakan untuk memberi waktu dan tanggal pada heliostat. Tentu saja, seperti jam lainnya, jam ini tidak memiliki waktu yang sempurna. Oleh karena itu, perangkat lunak menyertakan rutinitas yang memungkinkan saya menyetel ulang jam tanpa menghentikan program heliostat. Fitur jam VIC adalah kecepatannya dapat disesuaikan dengan tepat. Perangkat lunak saya melakukan penyesuaian itu secara otomatis setiap kali saya menyetel ulang jam. Perangkat lunak ini mencatat tanggal saat setiap penyetelan ulang dilakukan, dan menghitung seberapa banyak kecepatan yang harus disesuaikan untuk mengoptimalkan penunjuk waktu. Setelah dua atau tiga kali penyetelan ulang, penunjuk waktu menjadi akurat hingga beberapa detik per tahun.
Agar mesin mampu bertahan dari gangguan singkat daya AC, saya menambahkan kapasitor bernilai tinggi yang pada dasarnya paralel dengan kapasitor yang dimiliki VIC dalam catu dayanya. Namun, pengisian kapasitor besar ini dengan cepat akan membebani transformator dan penyearah, yang mungkin merusaknya. Oleh karena itu, saya memasang resistor dan dioda secara paralel satu sama lain dan secara seri dengan kapasitor besar. Arus pengisian melewati resistor, yang membatasinya ke nilai yang rendah. Kapasitor membutuhkan waktu beberapa menit untuk terisi daya. Selama gangguan daya, kapasitor mengeluarkan daya melalui dioda secepat yang diperlukan untuk menjaga komputer tetap berjalan. Pengaturan ini menghilangkan kerusakan komputer karena kedipan daya. Motor stepper masih mungkin sedikit keluar dari langkah, tetapi ini secara otomatis diperbaiki keesokan paginya ketika rutinitas inisialisasi dijalankan.
Saya merancang dan membangun unit antarmuka yang menyalurkan daya ke motor stepper dan menghubungkannya, dan sakelar mikro, dengan komputer. Unit ini mengambil daya langsung dari pasokan AC. Unit ini menerima sinyal kontrol kecil dari komputer, mengubahnya ke voltase yang diperlukan, dll., dan menyalurkannya ke motor. Unit ini mampu menghasilkan dua voltase berbeda, voltase tinggi yang disalurkan ke motor saat motor menjalankan langkah, dan voltase rendah yang digunakan hanya untuk menahan motor agar tetap diam. Karena motor diam hampir sepanjang waktu, penggunaan voltase rendah menghemat daya dan mencegah motor menjadi panas. Komputer memberi sinyal voltase mana yang harus dihasilkan. Tepat sebelum langkah diambil, perangkat lunak membuat komputer memilih voltase tinggi, dan kembali ke voltase rendah saat langkah selesai sementara.
Tak satu pun dari ini yang penting secara teoritis, tetapi ini menunjukkan hal-hal yang harus dipertimbangkan saat merancang mesin operasional.
DOwenWilliams ( bicara ) 22:47, 31 Oktober 2010 (UTC) David Williams
Lihat juga
Tautan Eksternal
- Halaman Heliostat di Open Source Ecology dengan banyak proyek dan aplikasi sumber terbuka
- Halaman Sunalign Green Life Innovators dengan perangkat lunak heliostat sumber terbuka, teori astronomi, program terkait, dll.
