Was heißt "Heliostat"?

Der Begriff "Heliostat" kommt aus dem Astronomiewesen und umschreibt die erforderliche Technik um ein astronomisches Teleskop, sich bewegenden Gestirnen, automatisch nachzuführen.

Welches physikalische Prinzip benutzt der Heliostat?

"Licht-Einfalls-Winkel gleich Licht-Ausfalls-Winkel".

Wozu benötigt man Heliostate?

Heliostate lenken Sonnenlicht mit einem Spiegel in dunkle Ecken und in die Tiefe von Gebäuden.

Aus was ist ein Heliostat zusammengesetzt?

Der Heliostat besteht im wesentlichen aus drei Bau- und Funktions-Gruppen: Dem Reflektor (Spiegel), dem Zwei-Achs-Rotor der den Spiegel trägt und bewegt und dem Rechner mit einem astronomischen Programm.

• Der Reflektor ist ein Fassaden-Flach-Spiegel, dessen Besonderheit die Planität der Oberfläche ist.
• Die spezielle Leistung des Zwei-Achs-Rotors liegt in der hohen Ausricht-Genauigkeit und der Fähigkeit große Windkräfte aufzunehmen.
• Die Steuer- und Rechen-Einheit beinhaltet neben dem astronomischen Programm, eine Uhr mit Kalender und den Kepler-Daten der Erde und der Sonne.

Welche Reflektor-Größen und -Formen stehen z. Z zur Verfügung?

• 0,8 m² Reflektor-Fläche – 1,0 m Ø rund
• 1,8 m² Reflektor-Fläche – 1,5 m Ø rund
• 3,0 m² Reflektor-Fläche – 1,5 m x 2,12 m achteckig
• 5,5 m² Reflektor-Fläche – 2,45 m x 2,45 m achteckig

Wo steht die Außeneinheit (Reflektor und Rotor)?

Vorzugsweise nördlich vom Ziel-Punkt wird die Außen-Einheit (Rotor mit Spiegel) angebracht. Ist der Standort nord-westlich vom Zielpunkt kann mehr die Morgensonne und weniger die Abendsonne genutzt werden. Ist der Standort nord-östlich vom Zielpunkt hat man mehr Abendsonne und weniger Morgensonne.

Welche Kabellängen bzw. Distanz kann zwischen Rotor und Steuergerät liegen?

max. 200 m!

Wieviel Drähte gehören zur Verbindung zwischen Rotor und Steuergerät?

10 x 0,6 mm² (Telefonkabel) und 4 x 1,5 mm² (Netzkabel)

Wie schnell und wie häufig bewegt sich der Spiegel?

Jeweils nach ca. 1/10tel Grad Sonnen-Fortschritt (entsprechend ca. 20 Sek. Zeit) werden die zwei integrierten Motore derart betätigt, daß der Versatz des Reflexes zurück korrigiert wird. Dabei beträgt die Laufzeit des Motors nur etwa 1/10tel Sekunde! Danach wartet das System wieder für 20 Sekunden. Wird am Abend der Sonnenuntergang erreicht, dreht der Rotor den Spiegel in eine Position die vorher vom Betreiber der Anlage bestimmt wurde und verharrt dort bis zum Sonnenaufgang.

Wie weit kann der Heliostat vom Zielpunkt entfernt stehen?

Er wurde schon 4 m vom Zielpunkt plaziert – mithin sehr nah und sehr konturenscharf. Theoretisch sind noch geringere Entfernungen mšglich. Dabei besteht die Gefahr, daß das Ziel den Heliostat abschattet. Interessanter ist die Plazierung in größeren Entfernungen: Die hohe Planität des Reflektors und die Präzision des Antriebes erlauben es, die Rotor/Spiegel-Einheit bis zu ca. 200 m (!) vom Ziel-Punkt entfernt zu plazieren, jedoch abhängig von der Zielgröße. Der Vorteil dieses Merkmals liegt in der Fähigkeit, sich weit im Hintergrund zu verstecken und die ästhetischen Gegebenheiten vor Ort am Zielpunkt nicht zu stören. Gleichermaßen läßt sich damit das Sonnen-Licht in große Tiefen von Gebäuden leiten. In 100 m Entfernung entspricht 20 Sekunden Sonnen-Fortlauf ca. 20 cm Reflex-Versatz!

Was ist die Projektions-Fläche des Spiegels?

Fallen die Sonnenstrahlen senkrecht auf den Spiegel, ist das Reflektionsbild in etwa so groß wie der Spiegel. Fallen die Sonnenstrahlen von seitlichen, flachen Winkeln auf den Spiegel, reduziert sich das Reflex-Bild auf die Projektionsfläche des Spiegels. Wird das Sonnenlicht genau 90° umgelenkt, so ergibt sich eine Reduktion um Faktor 0,7. So wird z. B. aus einem runden Spiegel, ein ovaler Reflex mit entsprechender Reduktion.

Streut der Heliostat das Licht oder wird es gebündelt?

Durch die Größe der Sonnenscheibe (Öffnungs-Winkel ca. 0,6°) und durch Ungenauigkeiten des Spiegels ergibt sich eine Streuung des Sonnenlichtes: In 100 m Entfernung vergrößert sich der Reflex – bei planer Reflektierung – um ca. Faktor 1,5 der Spiegel-Ausdehnung.

Wie kann ich das Licht auf ein anderes Ziel bringen?

Da das System erlaubt, bis zu 50 Ziele durch den Benutzer der Anlage vorzuprogrammieren, können – durch einfachen Tastendruck – Umleitungen auf andere "Sonnen-Licht-Bedarfs-Flächen" gelenkt werden: Küche, Wohnstube, Kinderzimmer, Kellerfenster usw. Oder im Außenbereich auf Sitzgruppen, Sonnenliegen oder Kinder-Spielecken!

Wie programmiere ich ein neues Ziel?

Mit Blick auf den Sonnen-Reflex, kann man am internen Steuergerät – mit den 4 Tasten "Hinauf", "Hinab", "Rechts" oder "Links" – den Reflex auf ein neues Ziel "fahren" und mit einer weiteren Taste abspeichern. Die Nummer dieses Speicherplatzes kann jederzeit durch Knopfdruck angewählt werden.

Welche Art von Spiegel wird verwendet?

Der verwendete Spiegel ist – je nach gewählter Art – ein Aluminium-Spiegel oder ein Hinterglas-Mineralglas-Spiegel. Achtung: Die Mineralglas-Spiegel filtern den UV-Anteil im Sonnen-Licht heraus (bedauerlich oder erwünscht?). Der Aluminium-Spiegel transferiert auch den UV-Anteil. Beide Versionen übertragen den Infrarot-Anteil, und damit die Wärme-Energie!

Wie muß man sich die Licht-Menge vorstellen, die über einen Heliostaten an ein Ziel gebracht werden kann?

Unsere vier Heliostat-Typen werden durch die Spiegelgrößen unterschieden: mit 0,8 m², 1,8 m², 3,0 m² und 5,5 m² Fläche . Der Licht-Gewinn dieser Systeme entspricht in etwa dem Licht-Gewinn eines gleich großen Fensters – das jedoch ständig zur Sonne ausgerichtet ist.

Wie kann man im Vorhinein einen Eindruck über die Licht-Leistung und Wirkung eines Heliostaten gewinnen?

Dazu nehmen Sie bitte einen Haushalts-Spiegel (z. B. Garderoben-Spiegel) und leiten Sie damit, von Hand geführt, das Sonnenlicht von verschiedenen infragekommenden Punkten auf das Ziel – möglichst morgens, mittags und abends. Und lassen Sie sich von der Licht-Fülle beeindrucken.

>>> mehr Info zu diesem Aspekt <<<

Welche Energie-Menge kann der Heliostat transportieren?

Hier einige Zahlen zur übertragenen Energie: In unseren Breiten wird gemein hin mit einer durchschnittlichen Sonnen-Einstrahlung von ca. 1000 Watt peak pro m² gerechnet. Der Wirkungsgrad der verwendeten-Spiegel liegt bei ca. 85 %. Falls man bereit ist eine mittlere Projektions-Reduzierung von F = 0,7 anzunehmen, kann man mit einem Energie-Eintrag von ca. 600 Watt pro m² Spiegel rechnen. Und das an ca. 1400 bis 1800 Stunden pro Jahr in unseren Breiten.

Wie wirkt sich die zusätzliche Energie-Zuführung – über einen Heliostat – in ein Gebäude aus?

Leitet man z. B. den Reflex auf ein Fenster, so sind die Effekte und Reaktionen so, als würde das Sonnenlicht direkt – ohne Zwischen-Umlenkung – auf das Fenster fallen – natürlich leicht (ca. 15 – 20 %) reduziert. In der Praxis kann man feststellen, daß Heizkörper-Thermostate sofort herunterregeln – eben wie bei direkter Sonnen-Einstrahlung.

Behindern Fensterscheiben die Sonnen-Einstrahlung?

Ja! Jedoch ist es die gleiche Behinderung wie bei direkter Sonnen-Einstrahlung.

Wie wirkt sich der Heliostat und das reflektierte Licht auf Fauna und Flora aus?

Da bei dem Heliostaten nur mit planen Spiegeln gearbeitet wird, ergeben sich weder Konzentrationen des Lichts noch Aufweitungen. Vergleichen kann man die zu erwartenden Effekte mit denen einer Glas-Fassade an Hochhäusern. Das umgelenkte Licht ist normales Sonnenlicht.

Wie fühlt sich das umgelenkte Sonnen-Licht an?

Begibt man sich in den umgelenkten Sonnen-Strahl, so kann man nicht unterscheiden, ob das Sonne pur oder Sonne umgelenkt ist. Man fühlt nur Sonne.

Kann man fühlen, daß kein UV-Licht im umgelenkten Sonnenstrahl ist?

Nein! Man spürt nur Licht, Wärme und Wohlbehagen – eben Sonne.

Ist das reflektierte Licht gefährlich?

Nein! Bei den Heliostaten wird nur mit planen Spiegeln gearbeitet. Es ergeben sich weder Konzentrationen des Lichts noch Aufweitungen. Das umgelenkte Licht ist weiterhin Sonnenlicht – unverdünnt und unverdichtet.

Wo liegt der Wirkungsgrad eines Heliostaten?

Kennt man die Wirkungsgrade von allen Varianten der hergebrachten Solar-Technik, so hat man es bei einem Heliostaten mit einem so überragenden Wirkungsgrad (ca. 80 % !) zu tun, wie bis vor kurzem nicht vorstellbar. Und weil dieser Wirkungsgrad so gut ist, kann man es sich leisten, das Licht ein oder mehrere Male zusätzlich umzuleiten. Diese Umlenkung kann sowohl im Gebäude, als auch außerhalb stattfinden. Üblicherweise werden diese zusätzlichen Umleitungen mit einem fest montierten Spiegel realisiert. Mit diesen Mitteln kann beispielsweise die Sonne von Süden her in ein Gebäude geleitet werden oder von oben senkrecht in den Bau.

Wie ist das Erscheinungsbild des Spiegel-Reflexes auf einer Fasade mit Fenstern und im Haus?

>>> Klicken Sie hier, um sich ein Demo-Video herunterzuladen! <<<

Wie schnell bewegt sich der Heliostat-Reflex von einem Ziel zum anderen?

Ca. 4°/Sek., entsprechend 1,4 m in 1 Sekunde bei 20 m Distanz zwischen Spiegel und Ziel.

Was kann man mit dem großen Lichtfleck im Gebäude machen?

Man kann es z. B. auf eine schwarze Fläche leiten, um dort vor Ort kurzwelliges Sonnenlicht in langwellige Wärme zu transformieren. Oder man benutzt eine weiße Wand als Diffusor. Herrlich, die ganze Umgebung ist hell und freundlich (und warm ebenso!). Oder das Licht wird mit speziellen, im Handel befindlichen Reflektor-Blechen gestreut. Der perfekteste Diffusor jedoch ist "Perlleinwand" eine Film- und Dia-Projektions-Leinwand mit wahrhaft berauschenden Ergebnissen. Man muß es gesehen haben!

Wozu ist der Heliostat besser geeignet, zur Licht- oder Wärme-Lenkung?

Energie gewinnen aus dem unerschöpflichen Sonnen-Vorrat ist sicher eine wichtige Aufgabe für ein solches System. Wichtiger noch erscheint uns die Möglichkeit, Sonnenlicht, Naturlicht für Arbeit, Freizeit und Spiel, auch in der Tiefe eines Gebäudes, für Gesundheit und Wohlbefinden bereitzustellen. Diesen Standpunkt nimmt auch die Mehrheit der Besitzer und Nutzer solcher Anlagen ein.

Wie hoch ist der Energie-Verbrauch eines Heliostats?

Nach Sonnen-Untergang und während der Nacht bis Sonnen-Aufgang wird bei normaler Netzversorgung (230 V AC) 16 Watt benötigt, ebenso in den 20 Sekunden zwischen den einzelnen Spiegel-Korrekturen. Die Motore laufen jeweils nach 20 Sekunden für nur ca. 100 mSek.! Für diese sehr kurze Periode wird nur max. 50 Watt gezogen. Alles in allem viel weniger als eine ganz kleine Glühbirne.

Welche Windlasten kann ein Heliostat unbeschädigt überstehen?

Eine der besonderen Leistungen der Anlage ist Fähigkeit große Windlasten aufzunehmen. Zu den 4 genannten Versionen gehören folgende max. zulässigen Windgeschwindigkeiten:

• 0,8 m² Reflektor-Fläche – 1,0 m Ø rund     —     200 km/h = 56 m/sek. = 17 Beaufort
• 1,8 m² Reflektor-Fläche – 1,5 m Ø rund     —     170 km/h = 46 m/sek. = 15 Beaufort
• 3,0 m² Reflektor-Fläche – 1,5 m x 2,12 m achteckig     —     150 km/h = 39 m/sek. = 13 Beaufort
• 5,5 m² Reflektor-Fläche – 2,45 m x 2,45 m achteckig     —     110 km/h = 30 m/sek. = 11 Beaufort

Wer kann eine solche Anlage installieren?

Gleichermaßen sind Schlosserei- und Metallbau-Betriebe wie auch Elektro-Unternehmen für Montage, Installation und Inbetriebnahme geeignet.

Ist eine wissenschaftliche Bau-Begleitung erforderlich?

Nein. Es sind das Wissen und die Fähigkeiten erforderlich wie z. B. zur Montage und Installation einer Dach-TV-Antenne oder z. B. eines Tor-Antriebes an einem Grundstücktor nötig ist.

Wo liegenden die Besonderheiten beim Hinterglas-Mineral-Flachspiegel?

Der verwendete Hinterglas-Spiegel ist ein Mineral-Flachspiegel (DIN 1238). Diese Art von Spiegeln filtern den UV-Anteil im Sonnen-Licht heraus (bedauerlich oder erwünscht?). Der Infrarot-Anteil – und damit die Wärme-Energie – wird jedoch voll übertragen! Der Mineralglas-Reflektor hat ein deutlich höheres Gewicht, ist aber besonders pflegeleicht. Er hat einen Reflektions-Wirkungsgrad von von ca. 85 % mit einer sehr geringen Oberflächenwelligkeit. Wegen des Silbergehaltes der Spiegelschicht muß von Korrosion/Alterung der Spiegelschicht in feuchter Umgebung ausgegangen werden! Je nach den Umweltbedingungen tritt das 'Blindwerden' früher oder später auf. Wie man es z. B. von Verkehrsspiegeln her kennt, bilden sich zu Beginn kleine stumpfe Punkte, die später zu Flächen werden können. Dieser Spiegel unterliegt witterungs- und umweltbedingter Leistungsabschwächung und -alterung, und ist daher als Verschleißteil anzusehen!

Wo liegen die Vor- und Nachteile von Aluminium-Reflektoren?

Aluminium-Reflektoren sind leicht und daher vorteilhaft bei der Installation und Handhabung. Das niedrige Gewicht schont Getriebe und Mechanik während des Alltagsbetriebs. Alu-Reflektoren sind bedeutend schlagunempfindlicher als Glas-Spiegel. Harte Stöße können Beulen verursachen, jedoch keine Risse oder gar Scherben.

Der Reflektions-Wirkungsgrad ist hoch: über 90 %! Nachteilig ist, daß die Schnittkanten des Aluminiums nachträglich korrodieren können. Hervorzuheben ist, daß diese Korrosion eine vorübergehende, zeitlich begrenzte Erscheinung ist: Diese Aluminium-Korrosion ist ein 'natürlicher Eloxier-Vorgang'. Sobald die Eloxal-Schicht stark genug ist (1 bis 2 mm), stoppt dieser Vorgang und die Eloxal-Schicht bildet die natürliche Schutzschicht. Erkennbar ist diese Eloxal-Schicht an einer hellgrauen Fläche, die von der Schnittkante ausgeht und eine kleinen Rahmen um den Spiegel bildet.

Geschichtliches

großer Uhrwerk-Heliostat

Wie fühlt sich das umgelenkte Sonnenlicht an?