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ヘリオスタット（古代ギリシャ語のἥλιος（hḗlios）「太陽」とστατός（statós）「立つ」に由来）は、太陽の見かけの動きを補正するために回転しながら、太陽光を目標に向けて反射する装置である。反射板は通常、平面鏡である。
ターゲットは、ヘリオスタットから離れた物理的な物体、または空間内の方向である可能性があります。これを行うには、鏡の反射面を、鏡から見た太陽とターゲットの方向の間の角度の二等分線に垂直に保ちます。ほとんどの場合、ターゲットはヘリオスタットに対して静止しているため、光は固定された方向に反射されます。当時の資料によると、当初ヘリオスタタと呼ばれていたものは、ウィレム・グレイヴサンデ（1688～1742）によって発明されました。[ 1 ]他の候補者としては、ジョヴァンニ・アルフォンソ・ボレッリ（1608～1679）とダニエル・ガブリエル・ファーレンハイト（1686～1736）が挙げられます。[ 2 ]ジョージ・ジョンストン・ストーレイが設計したヘリオスタットは、サイエンス・ミュージアム・グループのコレクションにあります。[ 3 ]
現在、ほとんどのヘリオスタットは、自然採光や集光型太陽光発電（主に発電）に利用されています。また、太陽熱調理にも用いられることがあります。ごく一部は、静止した太陽光を太陽望遠鏡に反射させるための実験的な装置として使用されています。レーザーやその他の電灯が普及する以前は、ヘリオスタットは科学研究などの目的で、強力で静止した光線を生成するために広く用いられていました。
現代のヘリオスタットのほとんどはコンピュータによって制御されています。コンピュータには、地球上のヘリオスタットの位置の緯度と経度、時刻と日付が与えられます。これらの情報から、天文学理論を用いて、鏡から見た太陽の方向、つまり方位角と仰角を計算します。次に、目標の方向が与えられると、コンピュータは必要な角度二等分線の方向を計算し、モーター（多くの場合ステッピングモーター）に制御信号を送って、鏡を正しい位置に回転させます。この一連の操作は、鏡の向きを適切に保つために頻繁に繰り返されます。
太陽熱発電所のような大規模な施設には、多数の鏡からなるヘリオスタット群が設置されている。通常、このようなヘリオスタット群にあるすべての鏡は、1台のコンピュータによって制御される。
コンピューターを使用しない古いタイプのヘリオスタットも存在し、その中には部分的にまたは完全に手動式、時計仕掛け式、あるいは光センサーで制御されるものなどがある。しかし、これらは現在では非常に稀である。
ヘリオスタットは、空の太陽を直接捉えるソーラートラッカーやサントラッカーとは区別されるべきである。ただし、一部の旧型ヘリオスタットには、ソーラートラッカーに加え、太陽・ミラー・ターゲットの角度を二等分するための追加部品が組み込まれている。
シデロスタットは、太陽ではなく、より暗い恒星を追跡するように設計された、同様の装置である。
ザ・ソーラー・プロジェクトやスペインのPS10発電所のような太陽熱発電所では、広範囲に設置されたヘリオスタット（太陽追尾装置）が太陽光を単一の集光器に集光し、水や溶融塩などの媒体を加熱します。加熱された媒体は熱交換器を通過して水を温め、蒸気を発生させ、蒸気タービンを通して発電します。
フランスのオデイヨにあるような実験用太陽炉では、フィールド内にやや異なる配置のヘリオスタットが用いられています。すべてのヘリオスタットミラーは、正確に平行な光線を大きな放物面反射鏡に送り込み、そこで光線は精密に集光されます。ミラーは、太陽光を放物面の軸に平行な線に沿って反射させるために、放物面の軸に十分近い位置に配置する必要があり、そのためヘリオスタットのフィールドは狭くなければなりません。閉ループ制御システムが用いられています。センサーは、いずれかのヘリオスタットがわずかにずれていないかを検出し、ずれている場合は、それを修正するための信号を送信します。
発生した高温を利用して水を分解し、持続可能な方法で水素を生成することが提案されている。[ 4 ]
小型のヘリオスタットは、自然採光や暖房に使用されます。太陽光発電タワーのように、多数の大型ヘリオスタットが単一のターゲットに集光して太陽光発電を行うのではなく、通常1～2平方メートル程度の単一のヘリオスタットが、集光されていない太陽光を窓や天窓を通して反射します。屋外の地面や屋根などの建物構造に設置される小型ヘリオスタットは、太陽の絶え間ない動きを補正するために、上下左右の2軸で動きます。このようにして、反射された太陽光はターゲット（例えば窓）に固定されます。
マサチューセッツ州ケンブリッジにあるジェンザイム社の本社であるジェンザイムセンターは、屋上に設置されたヘリオスタットを使用して、12階建てのアトリウムに太陽光を導いている。[ 5 ] [ 6 ]
2009年の記事で、ブルース・ローアは小型ヘリオスタットを太陽光発電タワーシステムのように利用できると提案した。[ 7 ]： 7-12数百エーカーもの広大な敷地を必要とする従来のシステムとは異なり、このシステムは商業ビルの平らな屋上など、はるかに小さな面積に収まると彼は述べた。提案されたシステムは、太陽光のエネルギーを利用して建物の冷暖房を行ったり、食品加工などの熱を利用した工業プロセスにエネルギーを供給したりする。冷却には吸収式チラーが用いられる。ローアは、このシステムは大型太陽光発電タワーよりも「反射面積1平方メートルあたりの信頼性が高く、コスト効率も優れている」と提案した。その理由の一つは、収集したエネルギーの80%を電力に変換する過程で無駄にしないからである。[ 7 ]： 9
太陽熱発電タワー発電所の初期設備投資の30～50％は、立地国のエネルギー政策や経済状況によって異なる。[ 8 ] [ 9 ]大規模生産に適した、より安価な太陽熱発電タワー発電所を設計することは重要であり、そうすることで、従来の石炭火力発電所や原子力発電所のコストよりも競争力のあるコストで発電できるようになる。
ヘリオスタットの設計を比較する際には、コストに加えて、太陽光反射率（すなわちアルベド）と環境耐久性も考慮すべき要素である。
エンジニアや研究者がヘリオスタットのコストを下げるために試みている方法の 1 つは、従来のヘリオスタット設計を、より少ない軽量の材料を使用する設計に置き換えることです。ヘリオスタットの反射コンポーネントの従来の設計では、2 面ミラーを使用します。サンドイッチ状のミラー構造は、一般的に、鋼鉄製の構造サポート、接着層、保護用の銅層、反射用の銀層、および厚いガラスの最上層の保護層で構成されています。[ 8 ]この従来のヘリオスタットは、ガラス/金属ヘリオスタットと呼ばれることがよくあります。代替設計では、材料コストと重量の削減を実現するために、最近の接着剤、複合材、および薄膜の研究が取り入れられています。代替反射器設計の例としては、銀メッキポリマー反射器、ガラス繊維強化ポリエステルサンドイッチ (GFRPS)、およびアルミニウムメッキ反射器などがあります。[ 10 ]これらのより新しい設計の問題には、保護コーティングの剥離、長期間の太陽光照射による太陽光反射率の低下、および製造コストの高さなどがあります。
現代のヘリオスタットのほとんどは、この記事の冒頭で述べたように、コンピュータ制御による2軸モーター駆動システムを採用しています。ほとんどの場合、主回転軸は垂直、副回転軸は水平であるため、ミラーは経緯台式架台に取り付けられています。
簡単な代替案の一つは、地球の太陽に対する自転を補正するために、機械式（多くの場合、時計仕掛け）の機構によって毎時 15 度の速度で回転する、極軸に沿った主軸を中心に鏡を回転させる方法です。鏡は、天の極の 1 つと同じ極軸に沿って太陽光を反射するように調整されます。垂直な副軸があり、季節による太陽の赤緯の変化を補正するために、鏡を時々手動で調整できます (毎日、または必要に応じてそれよりも少ない頻度で) 。駆動時計の設定も、均時差の変化を補正するために時々調整できます。ターゲットは、鏡の主回転軸と同じ極軸上に配置することも、2 つ目の固定鏡を使用して極軸からターゲット (どこにあっても) に向かって光を反射することもできます。この種の鏡のマウントと駆動装置は、シェフラー反射鏡などのソーラークッカーでよく使用されます。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]この用途では、鏡は凹面鏡にすることができ、太陽光を調理容器に集中させることができます。
高度方位角と極軸のアライメントは、ヘリオスタットミラーに一般的に使用されている、または使用されていた2軸マウントの3つの方向のうちの2つです。3つ目は、主軸が太陽光を反射するターゲットを指すターゲット軸配置です。副軸は主軸に垂直です。光センサーで制御されるヘリオスタットはこの方向を使用してきました。小型アームにはセンサーが取り付けられており、センサーがモーターを制御してアームを2つの軸を中心に回転させ、太陽に向け、太陽追尾装置を組み込みます。単純な機械的機構により、ターゲットを指す主軸と太陽を指すアームの間の角度を二等分します。ミラーは、その反射面がこの二等分線に垂直になるように取り付けられます。このタイプのヘリオスタットは、安価なコンピューターが利用可能になる前、しかしセンサー制御ハードウェアが最初に利用可能になった後に、日照に使用されました。
回転軸の向きを厳密に指定する必要のないヘリオスタット設計も存在します。例えば、ターゲット付近に光センサーを設置し、反射光がターゲットからずれるたびにモーターに信号を送ることで、ミラーの向きを自動的に補正する方式があります。このシステムは本質的に自己補正機能を備えているため、軸の方向はおおよそ把握していれば十分です。しかし、欠点もあります。例えば、反射光が再び現れた際にセンサーに当たらないため、ミラーの向きを補正できず、毎朝や曇天が続いた後には手動でミラーの位置を調整しなければなりません。また、ミラーから見た太陽とターゲットの方向が大きく異なる場合、ヘリオスタットの動作を制限する幾何学的な問題も発生します。こうした欠点があるため、この設計は広く普及していませんが、実験的に採用している人もいます。
通常、ヘリオスタットの鏡は太陽の角運動の 1/2 の速度で動きます。ヘリオスタットの定義を満たしながらも、鏡の動きが太陽の動きの 2/3 である別の配置もあります。[ 14 ]
他にも様々なタイプのヘリオスタットが時折使用されてきました。例えば、古代エジプトで採光に使われていた最も初期のヘリオスタットでは、召使いや奴隷が何らかの機構を使わずに手動で鏡の位置を調整していました。（現在でもエジプトには観光客のためにこの方法が行われている場所があります。1997年の映画『フィフス・エレメント』では、エジプトの少年が架空の考古学者のために洞窟内の壁を照らす鏡を持っています。）19世紀には、1枚の鏡だけであらゆる方向に太陽光を反射し、光の損失を最小限に抑え、太陽の季節的な動きを自動的に補正する精巧な時計仕掛けのヘリオスタットが作られました。これらの装置の一部は今でも博物館で見ることができますが、今日では実用的な目的では使用されていません。アマチュアが理論的な根拠なしに、特定の場所で近似的に機能するアドホックな設計を考案することもあります。このような設計は、ほぼ無限に考えられます。