Heliostats/zh
定日镜是一种包含一面镜子（通常是平面镜）的装置，该镜子可以旋转，将阳光反射至预定目标，从而补偿太阳在天空中的视运动。目标可以是远离定日镜的物理物体，也可以是空间中的某个方向。为此，镜子的反射面必须保持垂直于从镜子上看到的太阳方向与目标方向夹角的角平分线。在几乎所有情况下，目标相对于定日镜都是静止的，因此光线的反射方向是固定的。
定日镜的主要用途是采光（将日光引入原本照明不足的空间），以及用于太阳能热发电站的发电。它们有时也用于（或过去曾用于）测量、天文学和其他科学领域，例如在太阳能炉中产生极高的温度，改善农业照明，以及将恒定的阳光引导到太阳能灶上。在19世纪，画家和其他艺术家使用定日镜为他们的创作主题提供恒定明亮的照明。
定日镜应与太阳追踪器或太阳追踪器区分开来，后者始终直指天空中的太阳。然而，某些类型的定日镜会集成太阳追踪器，并附加其他组件来平分太阳镜-目标角。
警告
偶尔会有关于定日镜引起火灾和其他形式损害的报道。如果镜面略微凹陷（在制造本应是平面的廉价镜子时可能会意外产生这种凹陷），它可能会将阳光聚焦（集中）到距离其有一定距离的目标上。例如，如果凹面的曲率半径为 100 米，它将聚焦到 50 米外的目标上。焦距是曲率半径的一半。此外，定日镜会将阳光长时间反射到固定目标上，可能使其温度升高到危险水平。因此，任何建造或使用定日镜的人都应采取适当的预防措施，确保其不会将阳光反射到任何易燃或易受热损坏的物体上。
意义
“heliostat”一词源于希腊语“helios”（意为“太阳”）和“stat”（意为“静止的”）。它与许多指代太阳的英语词汇有关，也与氦气的名称有关。氦气在地球上被发现之前，就已经在太阳上通过光谱发现了它。它与希腊语或拉丁语“helix”（意为“螺旋”）无关，也与诸如“helicopter”（直升机）等源自该词的英语词汇无关。
定日镜类型
虽然偶尔（非常罕见）会使用将光线反射到移动目标上的定日镜（参见下文“专用设备”），但绝大多数定日镜的设计目的是将阳光沿固定方向反射至静止目标。以下段落中，假设目标是静止的。
手动定日镜
已知最早的定日镜也是最简单的。它们在4000多年前的古埃及用于采光。埃及建筑的内部装饰精美，容易被火炬燃烧产生的烟雾损坏。因此，人们使用抛光的金属镜子将阳光反射到室内。仆人或奴隶手动移动镜子，以确保随着太阳在天空中移动，将阳光反射到正确的方向。（埃及的一些地方仍在这样做，以方便游客参观。）当然，这种手动操作在今天仍然可行，并且在某些第三世界地区可能是首选方法。有人提出可以训练猴子等动物来移动镜子，但似乎没有人认真尝试过。
发条定日镜
一种简单的半自动定日镜使用一个安装好的镜子，它可以通过一个发条装置绕与地球自转轴平行的轴线旋转。发条装置每24小时转动镜子一次，方向与地球自转方向相反。镜子的朝向使其反射的阳光沿着与其自转轴相同的极轴。在春分时，这意味着镜子与自转轴呈45度角。在一年中的其他时间，随着太阳南北移动，这个倾斜角必须改变。装置设有枢轴，以便每隔几天手动进行一次调整。此外，时钟的设置也需要偶尔调整，以适应时间均时差，即太阳在东西方向的轻微季节性运动。这也是手动调整的。旋转镜子沿极轴反射的光束会被另一个固定的镜子拦截，该镜子将光线反射到任何所需的方向。这种机器可以自动运行几天，但需要相当频繁地手动调整，以跟踪太阳的季节性运动。当然，也需要定期上发条并清洁镜子。
发展中国家有时会使用这种定日镜的简化版本进行太阳能烹饪。它没有第二面镜子。烹饪容器位于一面镜子旋转的极轴上，镜子的校准方式是将阳光连续反射到烹饪容器上。当然，为了补偿太阳的季节性变化，需要偶尔手动调整校准和时钟的设置。通常，镜子是凹面的，以便将阳光集中到烹饪容器上。这种简化的设计只有在目标位于极轴上时才能发挥作用。
人们已经制造出更精密的钟表定日镜，它们只使用一面镜子将阳光反射到任何方向的目标上，而更精密的定日镜可以自动跟踪太阳的季节性运动和每日运动。它们是非常复杂的机器。一些著名的定日镜是由法国物理学家 JT Silbermann 在 19 世纪制造的。在电灯出现之前，它们就被用于光学科学实验。此外，Silbermann 还是几位杰出艺术家的朋友，这些艺术家使用他的定日镜将静止的光束照射到他们正在绘画的物体上。这意味着物体的外观不会随着太阳在天空中移动而改变。Silbermann 的一些定日镜仍然存在，并且已经制作了许多复制品。它们本身被视为艺术品，有时可以卖出很高的价格。
由光传感器控制的定日镜
如果有电，使用光传感器定位太阳位置的定日镜是可行的。一种简单的设计是使用一根旋转主轴，使其指向需要反射光线的目标。副轴与主轴垂直。传感器向电机发送信号，电机绕两个轴旋转，使承载传感器的小臂指向太阳。（因此，这种设计包含一个太阳跟踪器。）齿轮机构将指向太阳的臂与旋转主轴之间的夹角平分。这决定了镜面垂线必须指向的方向。
另一种设计使用光传感器来确定反射光束的位置，而不是太阳的位置。传感器位于目标附近，并被遮蔽，因此它们仅对从镜面方向到达的光线做出反应。每天开始时，镜面都会手动校准。此后，如果反射光束偏离目标，传感器会检测到误差，并向电机发送信号，使镜面转向正确的方向。这是一种非常简单且成本低廉的设计，无需确定太阳在天空中的位置，也无需进行任何角度的二等分。然而，它也有缺点。由于几何原因，它只能在目标大致位于镜面南侧（北温带地区）时使用。此外，太阳必须持续照射。如果太阳长时间被云层遮挡，当它重新出现时，反射光束将无法到达目标和传感器，因此它们无法重新校准镜面。这种设计的改进版本更适合阴天使用。有些望远镜配备了额外的传感器，放置在距离目标更远的地方。有些望远镜则配备了某种记忆功能，这样当太阳被遮挡时，镜子就能保持与前一天同一时间相同的校准状态。这些改进确实提升了机器的性能，但却损害了其本质上的简洁性和廉价性。
计算机控制定日镜
虽然上述定日镜以及其他机械和传感器控制的定日镜设计确实存在，但目前运行的绝大多数定日镜并未采用这些设计。相反，大多数定日镜由计算机控制。它们使用的软件根据天文学理论计算出太阳在天空中的位置。无需传感器，计算过程考虑了太阳的每日和季节性运动。所需信息仅仅是定日镜在地球表面的位置（例如经纬度）以及时间和日期。计算出太阳位置后，将其与光的反射方向（也必须提供）结合起来，以计算出所需角平分线的方向。然后，计算机向电机发送控制信号，使电机将镜子旋转到正确的方向。整个过程每隔几秒钟重复一次，以确保镜子保持正确对准。
对于采光来说，通常由各自计算机控制的单个镜面就足够了。然而，对于太阳能热发电来说，通常需要数百个定日镜组成的“场”，将大量的阳光反射到锅炉或其他集热器上。产生的热量被用来产生蒸汽，驱动涡轮机发电。通常情况下，只需一台计算机控制所有镜面。
定日镜场也用于太阳能炉，但在这种情况下，它们会全部对齐，以产生与大型固定抛物面反射器的轴线平行的光束，定日镜发出的光线会照射到反射器上。抛物面将光线精确聚焦到一个小目标上，因此该目标会变得非常热。通过这种方式，温度已经超过3500摄氏度（约6300华氏度）。目前，这些装置仍处于实验阶段，但预计未来可能会应用于各种工业过程。
虽然计算机控制的定日镜听起来很复杂，而且在第三世界国家可能不太实用，但在电力和必要设备齐全的地方，它们却很容易使用。小型计算机现在非常便宜。一些公司出售完整的定日镜，或可供组装的套件。如果有人想设计自己的硬件，可以使用免费的开源公共软件。例如，在网站 www.green-life-innovators.org 上，有一个名为 Sunalign 的程序，它可以完成运行定日镜所需的所有计算。它支持 BASIC、Perl 和 C 语言。该网站还详细解释了代码的工作原理，以及各种与太阳相关的其他资料。要访问这些资料，请点击以下链接：链接
专用机器
定日镜有时会安装在天文望远镜上，以便望远镜无需移动即可连续观测太阳。为此，定日镜的镜面必须极其精确地平坦，并且必须以正确的方式精确移动，才能将光线反射到望远镜中。
一些略有不同的机器被称为“恒星定日镜”（siderostats）和“天体定日镜”（coelostats，分别来自拉丁语中“恒星”和“天空”），它们被用来用固定望远镜观测太阳以外的其他天体。由于恒星在天空中的移动速度略快于太阳，因此这些机器的镜面移动速度必须略快于定日镜的镜面。通常，“恒星定日镜”指单镜机器，“天体定日镜”指双镜机器，类似于上一节描述的带发条的定日镜。
测量员曾将定日镜用作非常明亮的光源。例如，可以将定日镜放置在山上，并调整其位置，使其将阳光反射到远处的观察者。观察者使用经纬仪测量从其所在位置看到的定日镜的罗盘方位和仰角。然后将定日镜转向另一位观察者，后者也进行同样的操作。之后，可以将这些观测结果结合起来，对区域进行测量。定日镜非常明亮，即使在阳光充足的情况下，也能从300公里或更远的地方进行观测，从而可以对大面积区域进行测量。为此目的而制造的定日镜被称为“转日镜”。它们必须坚固耐用、易于运输，并且能够在偏远地区轻松安装和调整。
专门的定日镜偶尔会被测试用于将阳光反射到移动目标上，例如飞机。飞机携带的设备利用太阳能来驱动发动机、操作无线电或电视发射机等。这些定日镜中的反射镜必须移动，以便同时考虑太阳和目标的运动。
发展中国家的应用
应当明确的是，定日镜，尤其是计算机控制的定日镜，是适用于发达经济体各种环保活动（例如利用太阳能发电）的技术。然而，它们在较贫穷的国家也有其适用的良好用途。
其中最明显的就是自然采光。发展中国家的许多人居住在没有窗户的建筑物中。即使在白天，他们也会燃烧木材或其他有机材料来照明。这会带来一些不良后果。木材被消耗，加剧了森林砍伐。燃烧产生的烟雾和气体使室内空气变得非常污染，对居住者的健康造成不良影响。意外火灾的发生，物品被弄脏等等。
正如古埃及人一样，如今人们可以使用简单的定日镜将阳光引导到建筑物内。类似埃及的装置，其镜面可手动旋转，制造起来非常简单且成本低廉。无需商业化生产的镜子。例如，将铝箔粘贴到平板或纸板上，即可制作出足够好的镜子。
学校非常适合使用定日镜进行日光照明。通常，教室位于室内，因此不存在书籍和其他材料被雨水损坏的风险，但室内光线必须足够明亮，以便人们轻松阅读和书写。定日镜可以用来实现这一点。医疗诊所和其他建筑物也适合使用。诊所通常位于技术较为先进的地方，因此可以使用发条或电力驱动的自动定日镜。
简单的定日镜通常也有其他用途。它们可以改善农作物的光照，促进植物生长。它们还能改善动物的生活。例如，在多米尼加共和国的一个鬣蜥养殖场，简单的定日镜在冬季为动物们提供了温暖健康的环境。
定日镜可用于太阳能烹饪，因为镜子可以反射太阳的热量和光线。随着太阳在天空中移动，转动定日镜的镜子通常比转动整个太阳能灶更容易。定日镜将静止的光束和热量照射到灶上。定日镜还可以增强到达灶的太阳热量，方法是将多个定日镜将阳光照射到同一个灶上，或者增加直接从太阳接收的热量。
对视力的危害
人们常说，定日镜反射的阳光对任何观看它的人的视力都非常危险。事实上，这并不是什么严重的问题。如果镜面是平面的，即使它是一个完美的反射器（但这绝不是事实），在其中看到的太阳图像也不会比天空中真正的太阳更亮。瞥一眼它并不比瞥一眼真正的太阳更危险。长时间盯着太阳看是危险的，盯着平面定日镜反射的太阳同样危险，但无需采取预防措施来避免短暂的暴露。
杂项信息
本节提供与定日镜及其用途间接相关的信息，但可能会引起一些读者的兴趣。
参考文献中令人困惑和混淆的信息
定日镜并非广为人知的装置，即使在词典和百科全书的编撰者中也是如此。许多此类著作包含的信息不正确或已过时。
有些词典和百科全书将定日镜与太阳追踪器混淆。这完全是错误的。
其他定日镜的定义和描述基本上可以追溯到 19 世纪初。当时，古埃及人使用手动镜子采光的做法还不为人所知。1799 年发现罗塞塔石碑后，埃及象形文字被破译，人们才重新发现这一点。（这块石碑至今仍存在，上面刻有用象形文字和希腊文书写的长篇铭文。它为学者们了解埃及象形文字的结构和含义提供了宝贵的信息。）19 世纪初，所有定日镜都是用于光学实验的实验室仪器。就像 Silbermann 制造的那些一样，它们由钟表驱动。当时对定日镜的定义是，它们是一种科学仪器，带有由钟表驱动的镜子，可以将阳光反射到固定目标上。在当时，这些定义已经足够了。然而，其中一些定义仍在现代参考书中使用。他们既没有提及最新的设计，也没有提及这些机器的现代用途，甚至没有提及古埃及的用途。如今使用的定日镜中，极少有能用这些古老的定义和描述进行正确描述的，这些定义和描述都应该像本文一样进行更新。
非常规定日镜
绝大多数定日镜都符合上文“定日镜类型”中所述的类别。然而，偶尔也会发现不符合要求的装置。这些装置通常是由业余爱好者建造的。
最常见的可能是本质上与发条定日镜相同的机器，但由其他类型的机制驱动，例如电动或电子钟。
一些几乎难以描述的装置也存在。例如，几年前，笔者遇到一位退休木匠，他在车库里开了个业余工作室。他在户外放了一面镜子，用来反射日光。镜子由电动机、滑轮和绳子组成，通过一系列装置移动。这位木匠没有任何相关的理论知识，不知道“定日镜”这个词，也不知道其他人做过类似的事情。然而，通过反复试验，他终于让这台装置运转起来，虽然效果不佳，但足以满足他的目的。不幸的是，他希望通过出售自己的“发明”来名利双收。
阿基米德的太阳武器
古希腊科学家阿基米德以其关于浮力（阿基米德原理）的研究而闻名，他生活在锡拉库萨城，锡拉库萨当时是希腊的殖民地，位于西西里岛的海岸。大约公元前215年，罗马人乘船攻打锡拉库萨。据说阿基米德组织人们举起大量镜子，用它们将阳光聚焦到船上，帮助锡拉库萨保卫城市，类似于现代太阳能热电站中利用日光反射镜聚焦阳光的场景。然而，这些船只却被聚集的太阳热量点燃。现代对这一说法的验证使人们对此说法产生了怀疑。船只必须长时间靠近镜子静止不动才能着火。此外，在激烈的战斗中，用手将所有镜子精确对准也极其困难。如果这个故事是真的，那么更有可能的是，镜子发出的光线使罗马人眼花缭乱，削弱了他们的战斗力。
有趣的是，阿基米德被认为曾在埃及亚历山大学习，那里当时是希腊的另一个殖民地。在那里，他可能见过埃及人使用简单的定日镜来为建筑物提供日光照明。这可能让他对镜子的不同用途产生了兴趣。
定日镜的奇异经历
这里收录了以下真实故事，因为它可能对任何考虑建造定日镜的人都有指导意义。
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早在20世纪80年代，我就设计、建造并编写了一台计算机控制的定日镜，以便将更多的阳光引入我家的客厅。这是一台简单的机器，镜子安装在一个方位角支架上，因此主轴垂直，另一轴水平。运行在它的计算机——一台古老的Commodore VIC 20——上的程序，是由我之前编写的一个程序发展而来的，该程序根据天文理论计算太阳在天空中的位置。
详细描述定日镜毫无意义。它是由早已过时的组件构建的。如今，复制它几乎是不可能的。任何想要设计定日镜的人都应该从零开始。
然而，当我测试机器时发生了一些值得分享的事情......
我住在加拿大，大约位于赤道和北极的中间。从这里看，太阳总是顺时针在天空中运行，从东方升起，中午时分向南经过，最后在西方落下。由于定日镜的反射镜会不断移动以保持反射阳光的方向恒定，因此我显然认为这台机器的方位角驱动器会始终顺时针旋转。事实上，我曾考虑为该驱动器使用一个只能顺时针旋转的电机。我改变主意只是因为在两个驱动器中使用相同的电机更方便。由于高度（海拔）驱动器会随着太阳的升起和落下而改变方向，所以我使用了可以双向旋转的电机（实际上是步进电机）。
我第一次安装好机器并开始测试时，遇到了几个简单的问题，但很快就解决了。下次再试的时候，我很高兴地看到它完成了初始化，并移动了镜子，以便将阳光反射到正确的方向。它看起来运行正常。但是，我观察了一会儿，沮丧地发现方位驱动器逆时针旋转。显然，这是错误的。我关掉机器，开始在硬件和软件中寻找问题的原因。结果一无所获。一切似乎都正常，但方位驱动器却一直朝着错误的方向旋转。
然后我又发现了一个令人费解的现象。虽然镜子是逆时针旋转的，但它却能把阳光反射到正确的方向！这玩意儿看起来运转正常，但同时又有点不对劲。
经过一番困惑之后，我意识到发生了什么。当时正值夏日正午，太阳高悬在南方的天空。我希望定日镜反射阳光的窗口大致位于镜子的北面，并且比镜子高不了多少。从镜子看，镜子必须对准太阳方向与窗口夹角的二等分方向。当时，瞄准方向在北面高处。随着太阳从东向西移动，这个瞄准方向也从东向西移动。但由于它位于天顶的北面，所以这个运动在方位角上是逆时针的。我的定日镜完全正确地执行了这个逆时针旋转。
我惊讶地发现，这台由我设计和编程的机器竟然比我聪明得多。尽管我的预期是错误的，但它却正确地判断出了应该朝哪个方向移动。
另一个认识是，这台机器能正常工作完全是运气好。如果我在方位驱动器中使用一个只能顺时针旋转的电机（我确信它能正常工作），机器就无法向正确的方向旋转。我不知道我得花多长时间才能找出问题所在！
几个月后，随着冬季的临近，正午的太阳逐渐下沉，出现了一种情况：接近中午时分，镜子的瞄准方向几乎垂直向上。从镜子上看，太阳和窗户的仰角相等，方位角相差180度，因此角平分线垂直向上。在这种情况下，随着太阳向西移动，角平分线的微小移动会导致角平分线方位角发生巨大变化。这使得定日镜的方位驱动器旋转得非常快，几秒钟内就旋转了大约180度！我没想到这台机器会旋转得这么快，因为太阳在天空中移动得非常慢。有一天，驱动器逆时针旋转，因为角平分线刚好经过天顶的北边。第二天，角平分线刚好经过天顶的南边，驱动器顺时针旋转。春季则发生了相反的情况，因为太阳向北移动。当然，由于镜子是背面朝上放置的，绕垂直轴的快速旋转并没有对瞄准方向造成太大的变化。
定日镜可能是非常违反直觉的机器！
DOwenWilliams 2010 年 7 月 5 日 17:23 (UTC) David Williams
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更多技术细节
为了方便任何正在考虑设计和建造定日镜的人，以下是我在 20 世纪 80 年代建造的 VIC 控制定日镜的一些信息。（参见上文“定日镜的奇特体验”）镜面安装在地平方位角支架上，因此其两个步进电机中的一个使组件绕垂直轴（即方位角）旋转。该组件包含第二个步进电机和水平轴，镜面绕该轴旋转（即仰角或高度角）。有两个微动开关，当两个旋转达到特定位置时，它们会闭合。最初设置机器时，我通过实验和测量确定了方位角开关闭合位置的罗盘方位角以及高度角开关闭合位置的仰角，并将这些量写入软件。
该软件包含一个初始化例程，该例程在机器重新启动时（例如断电后）以及每天早晨日出时执行。两个驱动器步进转动，直到各自的开关闭合。然后，它们缓慢地朝相反方向移动，计数步数，直到开关断开。这使镜子处于已知的方向，并测量驱动器中的间隙。在白天，计算机向电机发送必要数量的步进指令，以将镜子转到所需的方向。此外，当任一旋转方向发生变化时，都会发送额外的步进指令来消除间隙。这意味着机器会自动补偿其机械部件的磨损。
每天傍晚日落时，即当软件判断太阳的仰角变为负值时，机器就会将镜子调至朝下。这是为了减少灰尘在镜子表面的积聚。镜子会一直保持这个位置，直到日出时执行初始化程序。
如果方位角驱动器朝一个方向旋转多次，连接仰角驱动器及其微动开关的电线可能会扭曲直至断裂。为了避免这种情况，如果方位角驱动器之前已从起始点（微动开关闭合的位置）旋转超过一整圈，软件会自动使方位角驱动器朝相反方向旋转一整圈。
VIC 的内部时钟用于向定日镜提供时间和日期。当然，与其他时钟一样，它并非精准计时。因此，软件包含一个例程，允许我在不停止定日镜程序的情况下重置时钟。VIC 时钟的一个特点是其速度可以进行微调。每当我重置时钟时，我的软件都会自动进行这项调整。它会记录每次重置的日期，并计算出需要调整多少速度才能优化计时。经过两三次重置后，计时精度达到了每年几秒的水平。
为了使机器能够承受交流电源的短暂中断，我添加了一个高值电容器，基本上与VIC电源中的电容器并联。然而，快速充电这个大电容器会使变压器和整流器过载，并可能损坏它们。因此，我并联了一个电阻器和二极管，并与大电容器串联。充电电流流过电阻器，从而将其限制在一个较低的值。电容器需要几分钟才能充电。在电源中断期间，电容器会通过二极管以保持计算机运行所需的速度放电。这种安排消除了由于电源闪烁导致的计算机崩溃。步进电机仍然可能出现轻微的失步，但第二天早上执行初始化例程时会自动纠正。
我设计并制作了一个接口单元，用于为步进电机供电，并将电机、微动开关与计算机连接起来。该单元直接从交流电源供电。它接收来自计算机的微弱控制信号，将其转换为所需的电压等，然后将其馈送到电机。它能够产生两种不同的电压：一种高压电压在电机执行步进动作时馈送到电机；另一种低压电压仅用于保持电机静止。由于电机大部分时间处于静止状态，使用低压电压可以节省功耗并防止电机过热。计算机会发出信号指示应产生哪种电压。在执行步进动作之前，软件会让计算机选择高压电压，并在步进动作暂时完成时返回低压电压。
这些都不具有任何理论重要性，但它确实表明了在设计操作机器时必须考虑的事情。
DOwenWilliams (讨论) 2010 年 10 月 31 日 22:47 (UTC) David Williams
参见
外部链接
- 开源生态中的定日镜页面，其中包含许多开源项目和应用程序
- 绿色生活创新者Sunalign页面包含开源定日镜软件、天文理论、相关程序等。
