Un espejo solar contiene un sustrato con una capa reflectante para reflejar la energía solar y, en la mayoría de los casos, una capa de interferencia. Este puede ser un espejo plano o matrices parabólicas de espejos solares utilizados para lograr un factor de reflexión sustancialmente concentrado para los sistemas de energía solar.
Consulte el artículo «Heliostat» para obtener más información sobre los espejos solares utilizados para la energía terrestre.
Componentes
Sustrato de vidrio o metal
El sustrato es la capa mecánica que mantiene el espejo en forma.
El vidrio también se puede usar como capa protectora para proteger a las otras capas de la abrasión y la corrosión. Aunque el vidrio es frágil, es un buen material para este propósito, ya que es altamente transparente (bajas pérdidas ópticas), resistente a la luz ultravioleta (UV), bastante duro (resistente a la abrasión), químicamente inerte y bastante fácil de limpiar. Está compuesto por un vidrio flotado con altas características de transmisión óptica en los rangos visible e infrarrojo, y está configurado para transmitir luz visible y radiación infrarroja. La superficie superior, conocida como la «primera superficie», reflejará parte de la energía solar incidente, debido al coeficiente de reflexión causado por su índice de refracción que es más alto que el aire. La mayor parte de la energía solar se transmite a través del sustrato de vidrio a las capas inferiores del espejo, posiblemente con alguna refracción, dependiendo del ángulo de incidencia a medida que la luz ingresa al espejo.
Los sustratos metálicos («Metal Mirror Reflectors») también se pueden usar en reflectores solares. El Centro de Investigación Glenn de la NASA, por ejemplo, utilizó un espejo que comprende una superficie de aluminio reflectante en un panal metálico como una unidad de reflector prototipo para un sistema de energía propuesto para la Estación Espacial Internacional. Una tecnología utiliza paneles reflectores compuestos de aluminio, logrando más del 93% de reflectividad y recubiertos con un recubrimiento especial para la protección de la superficie. Los reflectores de metal ofrecen algunas ventajas sobre los reflectores de vidrio, ya que son livianos y más resistentes que el vidrio y relativamente económicos. La capacidad de conservar la forma parabólica en los reflectores es otra ventaja, y normalmente los requisitos del bastidor auxiliar se reducen en más del 300%. El recubrimiento de reflexión de la superficie superior permite una mejor eficiencia.
Capa reflectante
La capa reflectante está diseñada para reflejar la cantidad máxima de energía solar incidente sobre ella, a través del sustrato de vidrio. La capa comprende una película delgada de metal altamente reflectante, generalmente plata o aluminio, pero ocasionalmente otros metales. Debido a la sensibilidad a la abrasión y la corrosión, la capa de metal generalmente está protegida por el sustrato (de vidrio) en la parte superior, y la parte inferior puede cubrirse con un revestimiento protector, como una capa de cobre y barniz.
A pesar del uso de aluminio en los espejos genéricos, el aluminio no siempre se usa como la capa reflectante para un espejo solar. Se afirma que el uso de la plata como capa reflectante conduce a niveles de eficiencia más altos, porque es el metal más reflectante. Esto se debe al factor de reflexión del aluminio en la región UV del espectro. La ubicación de la capa de aluminio en la primera superficie la expone a la intemperie, lo que reduce la resistencia del espejo a la corrosión y la hace más susceptible a la abrasión. Agregar una capa protectora al aluminio reduciría su reflectividad.
Capa de interferencia
Una capa de interferencia puede estar ubicada en la primera superficie del sustrato de vidrio. Se puede usar para adaptar la reflectancia. También se puede diseñar para la reflectancia difusa de la radiación casi ultravioleta, con el fin de evitar que pase a través del sustrato de vidrio. Esto mejora sustancialmente la reflexión general de la radiación casi ultravioleta del espejo. La capa de interferencia puede estar hecha de varios materiales, dependiendo del índice de refracción deseado, tal como dióxido de titanio.
Aplicaciones solares térmicas
La intensidad de la energía solar térmica de la radiación solar en la superficie de la tierra es de aproximadamente 1 kilovatio por metro cuadrado (0.093 kW / sq ft), de área normal a la dirección del sol, en condiciones de cielo despejado. Cuando la energía solar no está concentrada, la temperatura máxima del colector es de aproximadamente 80-100 ° C (176-212 ° F). Esto es útil para calentar espacios y calentar agua. Para aplicaciones a temperaturas más altas, como cocinar o suministrar un motor térmico o un generador eléctrico de turbina, esta energía debe concentrarse.
Aplicaciones terrestres
Los sistemas solares térmicos se han construido para producir energía solar concentrada (CSP), para generar electricidad. La gran torre de energía solar de Sandia Lab utiliza un motor Stirling calentado por un concentrador de espejo solar. Otra configuración es el sistema de canal.
Aplicación de energía espacial
Se han propuesto sistemas energéticos «solares dinámicos» para diversas aplicaciones de naves espaciales, incluidos los satélites de energía solar, donde un reflector enfoca la luz solar hacia un motor térmico, como el tipo de ciclo Brayton.
Aumento fotovoltaico
Las células fotovoltaicas (PV) que pueden convertir la radiación solar directamente en electricidad son bastante caras por unidad de área. Algunos tipos de células fotovoltaicas, por ejemplo, el arseniuro de galio, si se enfrían, son capaces de convertir eficientemente hasta 1.000 veces la cantidad de radiación que normalmente proporciona la exposición simple a la luz solar directa.
En pruebas realizadas por Sewang Yoon y Vahan Garboushian, para Amonix Corp., la eficiencia de conversión de células solares de silicio aumenta a niveles más altos de concentración, proporcionales al logaritmo de la concentración, siempre que haya un enfriamiento externo disponible para las fotocélulas. De forma similar, las células multijunction de mayor eficacia también mejoran en rendimiento con alta concentración.
Aplicación terrestre
Hasta la fecha, no se han realizado pruebas a gran escala en este concepto. Presumiblemente, esto se debe a que el mayor costo de los reflectores y la refrigeración en general no se justifica económicamente.
Aplicación satelital de energía solar
En teoría, para los diseños de satélites de energía solar basados en el espacio, los espejos solares podrían reducir los costos de las celdas fotovoltaicas y los costos de lanzamiento, ya que se espera que sean más ligeros y más baratos que las áreas grandes equivalentes de celdas fotovoltaicas. Varias opciones fueron estudiadas por la corporación Boeing. En su Fig. 4. titulada «Arquitectura 4. Rueda GEO Harris», los autores describen un sistema de espejos solares utilizados para aumentar el poder de algunos colectores solares cercanos, desde los cuales la potencia se transmite a las estaciones receptoras en la tierra.
Reflectores espaciales para iluminación nocturna
Otra propuesta de concepto de espacio avanzado es la noción de Reflectores Espaciales que reflejan la luz del sol en pequeños puntos en el lado nocturno de la Tierra para proporcionar iluminación nocturna. Uno de los primeros defensores de este concepto fue el Dr. Krafft Arnold Ehricke, que escribió sobre los sistemas llamados «Lunetta», «Soletta», «Biosoletta» y «Powersoletta».
Una serie preliminar de experimentos llamada Znamya («Banner») fue realizada por Rusia, utilizando prototipos de velas solares que habían sido reutilizados como espejos. Znamya-1 fue una prueba de tierra. Znamya-2 se lanzó a bordo de la misión de reabastecimiento Progress M-15 a la estación espacial Mir el 27 de octubre de 1992. Después de desacoplarse de Mir, el Progress desplegó el reflector. Esta misión tuvo éxito porque el espejo se desplegó, aunque no iluminó la Tierra. El siguiente vuelo Znamya-2.5 falló. Znamya-3 nunca voló.