Heliostats/pt

Um helióstato é um dispositivo que inclui um espelho, geralmente plano, que gira de forma a refletir a luz solar em direção a um alvo predeterminado, compensando os movimentos aparentes do Sol no céu. O alvo pode ser um objeto físico distante do helióstato ou uma direção no espaço. Para isso, a superfície refletora do espelho é mantida perpendicular à bissetriz do ângulo entre as direções do Sol e do alvo, conforme visto do espelho. Em quase todos os casos, o alvo permanece estacionário em relação ao helióstato, de modo que a luz é refletida em uma direção fixa.

Os principais usos dos helióstatos são para iluminação natural (levando luz do dia a um espaço que, de outra forma, seria mal iluminado) e na geração de eletricidade em usinas termossolares. Eles também são ocasionalmente usados, ou foram usados ​​no passado, em topografia, astronomia e outras ciências, para produzir temperaturas muito altas em fornos solares, para melhorar a iluminação na agricultura e para direcionar a luz solar constante para fogões solares. Durante o século XIX, foram usados ​​por pintores e outros artistas para fornecer iluminação constante e brilhante às suas obras.

Os helióstatos devem ser diferenciados dos rastreadores solares, que apontam sempre diretamente para o sol no céu. No entanto, alguns tipos de helióstato incorporam rastreadores solares, juntamente com componentes adicionais para dividir o ângulo entre o sol, o espelho e o alvo.

Ocasionalmente, há relatos de incêndios e outros tipos de danos causados ​​por helióstatos. Se o espelho for ligeiramente côncavo, como pode ocorrer acidentalmente durante a fabricação de espelhos baratos que deveriam ser planos, ele pode focalizar (concentrar) a luz solar em um alvo a certa distância. Por exemplo, se o raio de curvatura da concavidade for de 100 metros, ele focalizará em um alvo a 50 metros de distância. A distância focal é metade do raio de curvatura. Além disso, um helióstato reflete a luz solar por períodos prolongados em um alvo estacionário, podendo elevar sua temperatura a níveis perigosos. Portanto, qualquer pessoa que construa ou utilize um helióstato deve tomar as precauções adequadas para garantir que ele não reflita a luz solar em nada que possa ser inflamável ou suscetível a danos pelo calor.

A palavra "heliostato" deriva do grego "helios", que significa "sol", e "stat", que significa "estacionário". Está relacionada a várias palavras em inglês que se referem ao sol, e também ao nome do gás hélio, que foi descoberto espectroscopicamente no sol antes de ser conhecido na Terra. Não tem relação com o grego ou o latim "helix", que significa "espiral", nem com palavras em inglês derivadas dele, como "helicopter" (helicóptero).

Embora helióstatos que refletem a luz em alvos móveis sejam ocasionalmente (muito raramente) usados ​​(veja "Máquinas para Fins Específicos", abaixo), a grande maioria dos helióstatos é projetada para refletir a luz solar em uma direção fixa, em direção a um alvo estacionário. Nos parágrafos seguintes, assume-se que o alvo está estacionário.

Os primeiros helióstatos conhecidos também eram os mais simples. Eram usados ​​para iluminação natural no antigo Egito, há mais de 4.000 anos. Os interiores dos edifícios egípcios eram ricamente decorados e seriam danificados pela fumaça das tochas acesas. Em vez disso, espelhos de metal polido eram usados ​​para refletir a luz solar dentro dos edifícios. Servos ou escravos moviam os espelhos manualmente para manter a luz solar refletida na direção correta conforme o sol se movia no céu. (Isso ainda acontece em alguns lugares no Egito, para o benefício dos turistas.) Esse tipo de operação manual ainda é viável hoje em dia e pode ser o método preferido em alguns países em desenvolvimento. Sugeriu-se que animais, como macacos, poderiam ser treinados para mover os espelhos, mas nenhum esforço sério parece ter sido feito nesse sentido.

Um tipo simples de helióstato semiautomático utiliza um espelho montado de forma a poder ser girado por um mecanismo de relojoaria em torno de um eixo paralelo ao eixo de rotação da Terra. O mecanismo gira o espelho uma vez a cada 24 horas na direção oposta à rotação da Terra. O espelho é orientado de forma a refletir a luz solar ao longo do mesmo eixo polar que o seu eixo de rotação. Nos equinócios, isso significa que o espelho está inclinado a 45 graus em relação ao eixo. Em outras épocas do ano, esse ângulo de inclinação precisa ser ajustado conforme o Sol se move para o norte e para o sul. Pivôs permitem que esse ajuste seja feito manualmente a cada poucos dias. Além disso, o ajuste do relógio precisa ser alterado ocasionalmente para compensar a Equação do Tempo, um pequeno movimento sazonal do Sol no sentido leste-oeste. Isso também é feito manualmente. O feixe de luz refletido ao longo do eixo polar pelo espelho giratório é interceptado por um segundo espelho fixo, que reflete a luz em qualquer direção desejada. Este tipo de máquina pode funcionar automaticamente por alguns dias, mas requer ajustes manuais com bastante frequência para acompanhar os movimentos sazonais do sol. Além disso, é claro, o mecanismo precisa ser dado corda e os espelhos limpos periodicamente.

Uma versão simplificada desse tipo de helióstato é usada ocasionalmente para cozinhar com energia solar em países em desenvolvimento. Não há um segundo espelho. Em vez disso, o recipiente de cozimento é posicionado no eixo polar em torno do qual o espelho gira, e o espelho é alinhado de forma a refletir a luz solar continuamente sobre ele. Naturalmente, o alinhamento e o ajuste do relógio precisam ser feitos manualmente de vez em quando para compensar os movimentos sazonais do sol. Frequentemente, o espelho é côncavo, para concentrar a luz solar no recipiente de cozimento. Esse projeto simplificado só funciona se o alvo estiver no eixo polar.

Foram criados helióstatos mecânicos mais sofisticados que utilizam apenas um espelho para refletir a luz solar em um alvo em qualquer direção, e outros ainda mais elaborados que acompanham automaticamente os movimentos sazonais do sol, além do seu movimento diário. São máquinas muito complexas. Alguns dos mais conhecidos foram criados pelo físico francês J.T. Silbermann no século XIX. Eles foram usados ​​em experimentos científicos de óptica, antes da existência da luz elétrica. Além disso, Silbermann era amigo de vários artistas renomados que usavam seus helióstatos para projetar feixes de luz estáticos sobre os temas que pintavam. Isso significava que a aparência dos temas não mudava conforme o sol se movia no céu. Alguns dos helióstatos de Silbermann ainda existem, e muitas réplicas foram feitas. São considerados obras de arte em si mesmos e, às vezes, são vendidos por preços altíssimos.

Se houver eletricidade disponível, helióstatos que utilizam sensores de luz para localizar o sol no céu são viáveis. Um projeto simples utiliza um eixo principal de rotação alinhado com o alvo para o qual a luz deve ser refletida. O eixo secundário é perpendicular ao primeiro. Sensores enviam sinais para motores que giram em torno de ambos os eixos, de modo que um pequeno braço, que suporta os sensores, aponte para o sol. (Assim, este projeto incorpora um rastreador solar.) Um mecanismo de engrenagens divide ao meio o ângulo entre o braço que aponta para o sol e o eixo principal de rotação. Isso determina a direção para a qual a perpendicular ao espelho deve ser apontada.

Outro projeto utiliza sensores de luz para determinar a posição do feixe de luz refletido, em vez da posição do sol. Os sensores são localizados próximos ao alvo e protegidos por sombra, de modo que respondem apenas à luz que chega até eles na direção do espelho. No início de cada dia, o espelho é alinhado manualmente. A partir de então, se o feixe de luz refletido se desviar do alvo, os sensores detectam o erro e enviam sinais para motores que giram o espelho para a orientação correta. Este é um projeto muito simples e barato que não envolve a determinação da posição do sol no céu, nem a bissecção de qualquer ângulo. No entanto, apresenta desvantagens. Por razões geométricas, só pode ser usado se o alvo estiver aproximadamente ao sul do espelho (em latitudes temperadas do norte). Além disso, o sol precisa brilhar de forma relativamente contínua. Se ficar encoberto por nuvens por um longo período, quando reaparecer, o feixe de luz refletido não atingirá o alvo e os sensores, impedindo o realinhamento do espelho. Versões modificadas deste projeto são mais adequadas para períodos nublados. Algumas possuem sensores adicionais, posicionados mais longe do alvo. Outras incluem algum tipo de memória para que, quando o sol estiver encoberto, o espelho recupere o mesmo alinhamento que tinha no mesmo horário do dia anterior. Essas modificações melhoram o desempenho da máquina, mas comprometem sua simplicidade e baixo custo essenciais.

Embora os modelos de helióstatos acima mencionados, bem como outros modelos mecânicos e controlados por sensores, existam, eles não são utilizados na grande maioria dos helióstatos em operação atualmente. Em vez disso, a maioria dos helióstatos é controlada por computadores. O software utilizado calcula, com base na teoria astronômica, a posição do Sol no céu. Sensores não são necessários, e o cálculo leva em consideração os movimentos diários e sazonais do Sol. As informações necessárias são simplesmente a posição do helióstato na superfície da Terra, como latitude e longitude, além da hora e data. Após o cálculo da posição do Sol, essa informação é combinada com a direção para a qual a luz deve ser refletida, que também precisa ser fornecida, para calcular a direção da bissetriz do ângulo necessário. O computador então envia sinais de controle para motores que giram o espelho para a orientação correta. Todo esse processo se repete a cada poucos segundos, mantendo o espelho alinhado corretamente.

Para fins de iluminação natural, espelhos individuais controlados por seus próprios computadores costumam ser suficientes. No entanto, para a geração de energia solar térmica, "campos" de espelhos heliostáticos, frequentemente centenas deles, são usados ​​para refletir grandes quantidades de luz solar em uma caldeira ou outro coletor de calor. O calor é usado para produzir vapor, que aciona turbinas para gerar eletricidade. Normalmente, apenas um único computador controla todos os espelhos.

Campos de helióstatos também são usados ​​em fornos solares, mas, nesse caso, eles são alinhados para produzir feixes de luz paralelos ao eixo de um grande refletor parabólico fixo, no qual a luz dos helióstatos incide. O parabólico focaliza a luz com precisão em um pequeno alvo, que, consequentemente, se aquece bastante. Temperaturas superiores a 3500 graus Celsius (cerca de 6300 graus Fahrenheit) já foram alcançadas dessa forma. Atualmente, esses dispositivos são experimentais, mas prevê-se que possam ser utilizados em diversos processos industriais.

Embora helióstatos controlados por computador pareçam complexos e provavelmente impraticáveis ​​em países em desenvolvimento, eles podem ser facilmente utilizados onde há eletricidade e os equipamentos necessários. Computadores pequenos são hoje muito baratos. Diversas empresas vendem helióstatos completos ou kits para sua montagem. Quem desejar projetar seu próprio hardware pode utilizar softwares gratuitos, de código aberto e de domínio público. Por exemplo, no site www.green-life-innovators.org, há um programa chamado Sunalign que realiza todos os cálculos necessários para o funcionamento de um helióstato. Ele está disponível em BASIC, Perl e C. O site também oferece uma explicação detalhada de como o código funciona e diversos outros materiais relacionados ao sol. Para acessar esse material, clique no seguinte link: Link

Os helióstatos são por vezes acoplados a telescópios astronômicos para permitir a observação contínua do Sol sem que o telescópio precise ser movido. Para isso, o espelho do helióstato precisa ser extremamente plano e deve se mover com muita precisão na direção correta para refletir a luz para o telescópio.

Máquinas ligeiramente diferentes, chamadas "siderostatos" e "celostatos" (do latim "estrela" e "céu"), têm sido usadas para permitir a observação de outros corpos astronômicos, além do Sol, com telescópios fixos. Como as estrelas se movem pelo céu um pouco mais rápido que o Sol, os espelhos dessas máquinas precisam se mover um pouco mais rápido que o espelho de um helióstato. Geralmente, o nome "siderostato" é usado para uma máquina com um único espelho, e "celostato" para uma com dois espelhos, semelhante a um dos helióstatos mecânicos descritos na seção anterior.

Os topógrafos utilizam helióstatos como fontes de luz extremamente brilhantes. Por exemplo, um helióstato pode ser colocado no topo de uma montanha e alinhado de forma a refletir a luz solar em direção a um observador distante. O observador utiliza um teodolito para medir a direção da bússola e o ângulo de elevação do helióstato, conforme visto de sua localização. O helióstato é então apontado para outro observador, que repete o procedimento. As observações podem ser posteriormente combinadas para gerar um levantamento topográfico da área. Os helióstatos são tão brilhantes que já foram observados a distâncias de 300 quilômetros ou mais, sob luz solar direta, permitindo o levantamento de grandes áreas. Os helióstatos fabricados para esse fim são chamados de "heliotrópios" . Eles precisam ser robustos, fáceis de transportar e capazes de serem instalados e alinhados com facilidade em locais remotos.

Helióstatos especializados têm sido testados ocasionalmente para refletir a luz solar em alvos móveis, como aeronaves. Essas aeronaves carregam equipamentos que utilizam a energia solar para fins como o funcionamento dos motores ou a operação de transmissores de rádio ou televisão. Os espelhos nesses helióstatos precisam se mover para levar em consideração os movimentos tanto do sol quanto do alvo.

Deve ficar claro que os helióstatos, especialmente os controlados por computador, são uma tecnologia apropriada para diversas atividades ambientalmente sustentáveis ​​em economias desenvolvidas, como a geração de eletricidade a partir da energia solar. No entanto, também existem boas aplicações para eles que são adequadas em países mais pobres.

A mais óbvia dessas desvantagens é a iluminação natural. Muitas pessoas nos países em desenvolvimento vivem em prédios sem janelas. Mesmo durante o dia, queimam madeira ou outros materiais orgânicos para se iluminarem. Isso acarreta diversas consequências negativas. A madeira é consumida, agravando o desmatamento. O ar interno fica muito poluído com a fumaça e os gases produzidos pela combustão, causando danos à saúde dos moradores. Incêndios acidentais são iniciados. As coisas ficam sujas. E assim por diante.

Assim como faziam os antigos egípcios, hoje em dia é possível usar helióstatos simples para direcionar a luz solar para dentro dos edifícios. Dispositivos semelhantes aos egípcios, com espelhos que giram manualmente, são muito fáceis e baratos de construir. Espelhos produzidos comercialmente não são necessários. Espelhos de boa qualidade podem ser feitos, por exemplo, colando papel alumínio em placas planas ou pedaços de papelão.

As escolas são muito adequadas para iluminação natural por meio de helióstatos. Geralmente, as salas de aula são internas, portanto não há risco de livros e outros materiais serem danificados pela chuva, mas a luz interna precisa ser bastante intensa para que as pessoas possam ler e escrever com facilidade. Espelhos de helióstatos podem ser usados ​​para atingir esse objetivo. Clínicas médicas e outros edifícios também são adequados. As clínicas costumam estar localizadas em áreas com tecnologia mais avançada, portanto, helióstatos automáticos, movidos a mecanismos de relógio ou eletricidade, podem ser utilizados.

Os helióstatos simples também são frequentemente úteis para outros fins. Podem melhorar a iluminação das plantações, aumentando o crescimento das plantas. Também podem proporcionar melhores condições de vida para os animais. Em uma fazenda de iguanas na República Dominicana, por exemplo, helióstatos simples mantêm os animais aquecidos e saudáveis ​​durante os meses de inverno.

Os helióstatos podem ser úteis para cozinhar com energia solar, pois seus espelhos refletem tanto o calor quanto a luz do sol. Geralmente, é mais fácil girar o espelho de um helióstato do que girar um fogão solar inteiro conforme o sol se move no céu. O helióstato emite um feixe fixo de luz e calor sobre o fogão. Os helióstatos também podem ser usados ​​para intensificar o calor solar que atinge um fogão, seja direcionando a luz solar para o mesmo fogão com vários deles, seja somando-se ao calor recebido diretamente do sol.

Costuma-se afirmar que a luz solar refletida por um espelho de helióstato é muito perigosa para a visão de quem a observa. Na verdade, isso não é uma preocupação séria. Se o espelho for plano, mesmo que seja um refletor perfeito (o que nunca acontece), a imagem do sol vista nele não é mais brilhante do que o sol real no céu. Olhar para ela não é mais perigoso do que olhar para o sol de verdade. É perigoso olhar fixamente para o sol por um período prolongado, e é igualmente perigoso olhar para o reflexo do sol em um espelho plano de helióstato, mas não há necessidade de tomar precauções para evitar exposições breves.

Esta seção contém informações indiretamente relacionadas a helióstatos e suas aplicações, mas que podem ser de interesse para alguns leitores.

Os helióstatos não são dispositivos amplamente conhecidos, nem mesmo entre os autores de dicionários e enciclopédias. Muitas dessas obras contêm informações incorretas ou desatualizadas.

Alguns dicionários e enciclopédias confundem helióstatos com rastreadores solares. Isso está simplesmente errado.

Outras definições e descrições datam essencialmente do início do século XIX. Naquela época, o uso de espelhos movidos manualmente para iluminação natural pelos antigos egípcios era desconhecido. Foi redescoberto após a decifração da escrita hieroglífica egípcia, na sequência da descoberta da Pedra de Roseta em 1799. (Trata-se de uma placa de pedra, ainda existente, que contém uma longa inscrição escrita em hieróglifos e grego. Ela proporcionou aos estudiosos uma visão inestimável da estrutura e do significado dos hieróglifos egípcios.) No início do século XIX, todos os helióstatos eram instrumentos de laboratório usados ​​para experimentos ópticos. Como os fabricados por Silbermann, eram movidos a mecanismos de relojoaria. As definições de helióstatos, escritas naquela época, os descrevem como instrumentos científicos com espelhos movidos a mecanismos de relojoaria para refletir a luz solar em alvos estacionários. Naquela época, essas definições eram adequadas. No entanto, algumas delas ainda são usadas em obras de referência modernas. Elas não mencionam projetos mais recentes, nem os usos atuais das máquinas, nem as do antigo Egito. Pouquíssimos dos helióstatos atualmente em uso são corretamente descritos por essas definições e descrições antigas, que deveriam ser atualizadas, como foi feito aqui.

A grande maioria dos helióstatos se enquadra nas categorias descritas em "Tipos de Helióstato", acima. No entanto, ocasionalmente encontram-se máquinas que não se enquadram nessas categorias. Frequentemente, elas foram construídas por amadores.

Provavelmente, os mais comuns são máquinas que são essencialmente iguais aos helióstatos mecânicos, mas que são acionadas por outros tipos de mecanismo, como relógios elétricos ou eletrônicos.

Existem também dispositivos que quase desafiam a descrição. Por exemplo, há alguns anos, o autor deste texto conheceu um carpinteiro aposentado que tinha uma oficina improvisada em sua garagem. Ele tinha um espelho do lado de fora para refletir a luz do dia. O espelho era movido por um conjunto de motores elétricos, polias e pedaços de barbante. O carpinteiro não tinha nenhum conhecimento teórico relevante, não conhecia a palavra "heliostato" e desconhecia que alguém já tivesse feito algo semelhante. Mesmo assim, por tentativa e erro, ele conseguiu fazer seu dispositivo funcionar, não perfeitamente, mas o suficiente para o seu propósito. Infelizmente, ele esperava ficar famoso e fazer fortuna vendendo sua "invenção".

O cientista grego Arquimedes, hoje mais conhecido por seu trabalho sobre a flutuabilidade (Princípio de Arquimedes), viveu na cidade de Siracusa, então uma colônia grega localizada na costa da ilha da Sicília. Por volta de 215 a.C., Siracusa foi atacada por navios romanos. Conta-se que Arquimedes ajudou na defesa da cidade organizando pessoas para segurar um grande número de espelhos, usando-os para concentrar a luz solar sobre os navios, algo semelhante a um campo de helióstatos concentrando a luz solar em uma usina solar térmica moderna. Os navios teriam sido incendiados pelo calor solar concentrado. Testes modernos dessa ideia lançaram dúvidas sobre a história. Os navios teriam que permanecer imóveis perto dos espelhos por longos períodos antes de pegarem fogo. Além disso, manter todos os espelhos alinhados com precisão manualmente no calor da batalha teria sido extremamente difícil. Se houver alguma verdade por trás da história, é mais provável que a luz dos espelhos tenha servido para ofuscar os romanos, reduzindo sua capacidade de lutar.

Curiosamente, acredita-se que Arquimedes tenha estudado em Alexandria, no Egito, que na época era outra colônia grega. Lá, ele provavelmente teria visto os egípcios usando helióstatos simples para iluminar seus edifícios com luz natural. Isso poderia tê-lo interessado em diferentes usos de espelhos.

A história verídica a seguir está incluída aqui, pois pode ser instrutiva para quem estiver pensando em construir um helióstato.

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Na década de 1980, projetei, construí e programei um helióstato controlado por computador para trazer mais luz solar para a sala de estar da minha casa. Era uma máquina simples, com o espelho em uma montagem altazimutal, de modo que o eixo principal de rotação era vertical e o outro horizontal. O programa que rodava em seu computador — um antigo Commodore VIC 20 — foi desenvolvido a partir de um programa anterior que eu havia escrito, que calculava a posição do sol no céu com base na teoria astronômica.

Descrever o helióstato em detalhes seria inútil. Ele foi construído com componentes que já estão obsoletos há muito tempo. Hoje em dia, replicá-lo seria praticamente impossível. Quem quiser projetar um helióstato deve começar do zero.

No entanto, aconteceu algo enquanto eu testava a máquina que talvez valha a pena compartilhar...

Moro no Canadá, aproximadamente a meio caminho entre o Equador e o Polo Norte. Visto daqui, o sol sempre se move no sentido horário no céu, nascendo a leste, passando para o sul por volta do meio-dia e se pondo a oeste. Como o espelho do helióstato se move para refletir a luz solar em uma direção constante, era óbvio para mim que o mecanismo de azimute da máquina sempre giraria no sentido horário. De fato, cheguei a cogitar usar um motor para esse mecanismo que girasse apenas no sentido horário. Mudei de ideia apenas porque era conveniente usar motores idênticos nos dois mecanismos. Como o mecanismo de elevação (altitude) muda de direção conforme o sol nasce e se põe, usei motores, na verdade motores de passo, que podem girar em ambos os sentidos.

Quando montei a máquina pela primeira vez e comecei a testá-la, encontrei alguns problemas simples que resolvi facilmente. Na vez seguinte, fiquei feliz ao ver que ela inicializou e moveu o espelho para refletir a luz solar na direção correta. Parecia estar funcionando corretamente. Mas, ao observá-la por um tempo, percebi, para meu espanto, que o mecanismo de azimute estava girando no sentido anti-horário. Obviamente, isso estava errado. Desliguei a máquina e comecei a procurar a causa do problema no hardware e no software. Sem sucesso. Tudo parecia estar como deveria, mas o mecanismo de azimute continuava girando no sentido errado.

Então fiz outra observação intrigante. Embora o espelho estivesse girando no sentido anti-horário, continuava refletindo a luz solar na direção correta! O aparelho parecia estar funcionando corretamente, mas incorretamente ao mesmo tempo.

Após alguma perplexidade, percebi o que estava acontecendo. Era por volta do meio-dia em um dia de verão, então o sol estava alto no céu ao sul. A janela pela qual eu queria que o helióstato refletisse a luz solar ficava aproximadamente ao norte do espelho, e não muito mais alta do que ele. O espelho precisava estar apontado na direção que dividia ao meio o ângulo entre as direções do sol e da janela, visto do espelho. Naquele momento, a direção de apontamento era bem ao norte . Conforme o sol se movia de leste para oeste, essa direção de apontamento também se movia de leste para oeste. Mas, como estava ao norte do zênite, esse movimento era anti-horário em azimute. Meu helióstato estava realizando essa rotação anti-horária de forma absolutamente correta.

Foi surpreendente perceber que aquela máquina, que eu havia projetado e programado, era aparentemente mais inteligente do que eu. Ela havia calculado corretamente para onde ir, embora minhas expectativas estivessem erradas.

Outra constatação foi que apenas pura sorte permitiu que a máquina funcionasse corretamente. Se eu tivesse usado um motor no mecanismo de acionamento azimutal que girasse apenas no sentido horário, o qual eu tinha certeza que funcionaria corretamente, a máquina teria sido incapaz de girar na direção correta. Imagino quanto tempo eu teria levado para descobrir o problema!

Alguns meses depois, conforme o sol do meio-dia se punha no céu com a aproximação do inverno, surgiu uma situação em que a direção de apontamento do espelho estava quase verticalmente para cima em algum momento próximo ao meio-dia. Os ângulos de elevação do sol e da janela, vistos do espelho, eram iguais, e seus azimutes estavam separados por 180 graus, de modo que a bissetriz apontava verticalmente para cima. Nessa situação, um pequeno movimento da bissetriz, conforme o sol se movia para oeste, causava uma grande mudança em seu azimute. Isso fazia com que o mecanismo de azimute do helióstato girasse muito rapidamente, cerca de 180 graus em apenas alguns segundos! Eu não esperava que a máquina se movesse tão rapidamente, já que o sol se move muito lentamente no céu. Em um dia, o mecanismo girou no sentido anti-horário, pois a bissetriz estava passando logo ao norte do zênite. No dia seguinte, a bissetriz passou logo ao sul do zênite, e o mecanismo girou no sentido horário. Na primavera, ocorreu o inverso, quando o sol se moveu para o norte. Claro que, como o espelho estava deitado de costas, apontando para cima, a rápida rotação em torno do eixo vertical não causou muita alteração na direção de apontamento.

Os helióstatos podem ser máquinas muito contra-intuitivas!

DOwenWilliams 17:23, 5 de julho de 2010 (UTC) David Williams

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Para quem estiver pensando em projetar e construir um helióstato, aqui vai um pouco mais de informação sobre o helióstato controlado por VIC que construí na década de 1980. (Veja "Experiência Inusitada com um Helióstato", acima.) O espelho era fixado em um suporte altazimutal, de modo que um de seus dois motores de passo girava o conjunto em torno de um eixo vertical, ou seja, em azimute. O conjunto incluía o segundo motor de passo e o eixo horizontal em torno do qual ele girava o espelho, ou seja, em elevação ou altitude. Havia dois microinterruptores que fechavam quando as duas rotações atingiam posições específicas. Quando montei a máquina pela primeira vez, determinei a direção da bússola da posição onde o interruptor de azimute fechava e o ângulo de elevação onde o interruptor de altitude fechava por meio de experimentação e medição, e inseri esses valores no software.

O software incluía uma rotina de inicialização que era executada sempre que a máquina era reiniciada, por exemplo, após uma queda de energia, e também todas as manhãs ao nascer do sol. Os dois motores giravam até que seus respectivos interruptores fechassem. Em seguida, giravam lentamente nas direções opostas, contando os passos até que os interruptores abrissem. Isso colocava o espelho em uma orientação conhecida e também media as folgas nos motores. Durante o dia, o computador enviava o número necessário de instruções de passo aos motores para girar o espelho até a orientação desejada. Além disso, quando a direção de qualquer uma das rotações mudava, instruções de passo adicionais eram enviadas para compensar a folga. Isso significava que a máquina compensava automaticamente o desgaste de seus componentes mecânicos.

Ao pôr do sol, ou seja, quando o software determinava que o ângulo de elevação do sol se tornava negativo, a máquina girava o espelho para que ficasse voltado para baixo. Isso servia para reduzir o acúmulo de poeira em sua superfície. O espelho permanecia nessa posição até o nascer do sol, quando a rotina de inicialização era executada.

Os fios que levam ao motor de elevação e ao seu microinterruptor poderiam ter se torcido até se romperem se o motor de azimute tivesse girado muitas vezes em uma única direção. Para evitar isso, o software automaticamente fazia o motor de azimute girar uma volta completa na direção oposta se ele tivesse girado mais de uma volta completa desde o ponto inicial, onde o microinterruptor fechou.

O relógio interno do VIC era usado para fornecer a hora e a data ao heliostato. Claro que, como qualquer outro relógio, ele não marcava o tempo perfeitamente. Portanto, o software incluía uma rotina que me permitia redefinir o relógio sem interromper o programa do heliostato. Uma característica do relógio do VIC era a possibilidade de ajustar sua velocidade com precisão. Meu software fazia esse ajuste automaticamente sempre que eu redefinia o relógio. Ele registrava a data de cada redefinição e calculava o quanto a velocidade deveria ser ajustada para otimizar a precisão. Após duas ou três redefinições, a precisão da marcação do tempo era de poucos segundos por ano.

Para tornar a máquina capaz de sobreviver a breves interrupções na alimentação CA, adicionei um capacitor de alto valor essencialmente em paralelo com o capacitor da fonte de alimentação do VIC. No entanto, carregar esse capacitor grande rapidamente sobrecarregaria o transformador e o retificador, possivelmente danificando-os. Portanto, coloquei um resistor e um diodo em paralelo entre si e em série com o capacitor grande. A corrente de carga passava pelo resistor, o que a limitava a um valor baixo. O capacitor levava vários minutos para carregar. Durante uma interrupção de energia, o capacitor descarregava através do diodo na velocidade necessária para manter o computador funcionando. Essa configuração eliminou as falhas do computador devido a oscilações de energia. Ainda era possível que os motores de passo ficassem ligeiramente dessincronizados, mas isso era corrigido automaticamente na manhã seguinte, quando a rotina de inicialização era executada.

Projetei e construí uma unidade de interface que alimentava os motores de passo e os conectava, juntamente com os microinterruptores, ao computador. Essa unidade era alimentada diretamente pela rede elétrica. Ela recebia pequenos sinais de controle do computador, os convertia para a voltagem necessária e os enviava aos motores. Era capaz de gerar duas voltagens diferentes: uma alta, que era aplicada aos motores durante a execução dos passos, e uma baixa, usada apenas para mantê-los parados. Como os motores permaneciam parados na maior parte do tempo, o uso da baixa voltagem economizava energia e evitava o superaquecimento. O computador indicava qual voltagem deveria ser usada. Pouco antes de cada passo ser executado, o software fazia o computador selecionar a alta voltagem e retornar à baixa voltagem quando o movimento fosse temporariamente interrompido.

Nada disso tem importância teórica, mas demonstra os tipos de aspectos que devem ser considerados ao projetar uma máquina operacional.

DOwenWilliams ( discussão ) 22h47min de 31 de outubro de 2010 (UTC) David Williams

• cálculos relacionados ao Sol

• Página do helióstato no Open Source Ecology com muitos projetos e aplicações de código aberto.
• A página Sunalign da Green Life Innovators contém software de helióstato de código aberto, teoria astronômica, programas relacionados, etc.