Uno specchio solare contiene un substrato con uno strato riflettente per riflettere l’energia solare e nella maggior parte dei casi uno strato di interferenza. Questo può essere uno specchio planare o array parabolici di specchi solari usati per ottenere un fattore di riflessione sostanzialmente concentrato per i sistemi di energia solare.

Vedere l’articolo “Eliostato” per ulteriori informazioni sugli specchi solari usati per l’energia terrestre.

componenti

Substrato di vetro o metallo
Il substrato è lo strato meccanico che tiene in forma lo specchio.

Il vetro può anche essere usato come strato protettivo per proteggere gli altri strati dall’abrasione e dalla corrosione. Sebbene il vetro sia fragile, è un buon materiale per questo scopo, perché è altamente trasparente (basse perdite ottiche), resistente alla luce ultravioletta (UV), abbastanza duro (resistente all’abrasione), chimicamente inerte e abbastanza facile da pulire. È composto da un vetro float con elevate caratteristiche di trasmissione ottica nelle gamme visibile e infrarossa, ed è configurato per trasmettere luce visibile e radiazione infrarossa. La superficie superiore, nota come “prima superficie”, rifletterà parte dell’energia solare incidente, a causa del coefficiente di riflessione causato dall’indice di rifrazione superiore all’aria. La maggior parte dell’energia solare viene trasmessa attraverso il substrato di vetro agli strati inferiori dello specchio, possibilmente con una certa rifrazione, a seconda dell’angolo di incidenza quando la luce entra nello specchio.

I substrati metallici (“Metal Mirror Reflector”) possono essere utilizzati anche nei riflettori solari. Il NASA Glenn Research Center, ad esempio, ha utilizzato uno specchio comprendente una superficie riflettente in alluminio su un nido d’ape metallico come un prototipo di unità riflettore per un sistema di alimentazione proposto per la Stazione Spaziale Internazionale. Una tecnologia utilizza pannelli riflettenti compositi in alluminio, che raggiungono una riflettività superiore al 93% e rivestiti con un rivestimento speciale per la protezione della superficie. I riflettori in metallo offrono alcuni vantaggi rispetto ai riflettori in vetro, poiché sono leggeri e più resistenti del vetro e relativamente poco costosi. La possibilità di mantenere la forma parabolica nei riflettori è un altro vantaggio, e normalmente i requisiti del telaio ausiliario sono ridotti di oltre il 300%. Il rivestimento di riflessione superficiale superiore consente una migliore efficienza.

Strato riflettente
Lo strato riflettente è progettato per riflettere la quantità massima di energia solare incidente su di esso, attraverso il substrato di vetro. Lo strato comprende un film metallico altamente riflettente, solitamente argento o alluminio, ma occasionalmente altri metalli. A causa della sensibilità all’abrasione e alla corrosione, lo strato di metallo è solitamente protetto dal substrato (di vetro) sulla parte superiore e il fondo può essere coperto con un rivestimento protettivo, ad esempio uno strato di rame e una vernice.

Nonostante l’uso dell’alluminio in specchi generici, l’alluminio non è sempre usato come strato riflettente per uno specchio solare. Si sostiene che l’uso dell’argento come strato riflettente porti a livelli di efficienza più elevati, perché è il metallo più riflettente. Ciò è dovuto al fattore di riflessione dell’alluminio nella regione UV dello spettro. L’individuazione dello strato di alluminio sulla prima superficie lo espone agli agenti atmosferici, il che riduce la resistenza dello specchio alla corrosione e lo rende più suscettibile all’abrasione. L’aggiunta di uno strato protettivo all’alluminio ridurrebbe la sua riflettività.

Strato di interferenza
Uno strato di interferenza può essere posizionato sulla prima superficie del substrato di vetro. Può essere utilizzato per personalizzare la riflettanza. Può anche essere progettato per la riflettanza diffusa della radiazione vicino all’ultravioletto, al fine di evitare che passi attraverso il substrato di vetro. Ciò migliora sostanzialmente la riflessione generale della radiazione vicino all’ultravioletto dallo specchio. Lo strato di interferenza può essere costituito da diversi materiali, a seconda dell’indice di rifrazione desiderato, come il biossido di titanio.

Applicazioni solari termiche
L’intensità dell’energia solare termica dalla radiazione solare sulla superficie della terra è di circa 1 chilowatt per metro quadrato (0,093 kW / sq ft), di area normale alla direzione del sole, in condizioni di cielo sereno. Quando l’energia solare non è concentrata, la temperatura massima del collettore è di circa 80-100 ° C (176-212 ° F). Questo è utile per il riscaldamento dell’ambiente e per il riscaldamento dell’acqua. Per applicazioni a temperature più elevate, come la cottura o la fornitura di un motore termico o di un generatore elettrico a turbina, questa energia deve essere concentrata.

Applicazioni terrestri
I sistemi solari termici sono stati costruiti per produrre energia solare concentrata (CSP), per generare elettricità. La grande torre solare di Sandia Lab utilizza un motore Stirling riscaldato da un concentratore di specchi solari. Un’altra configurazione è il sistema di trogolo.

Applicazione di energia spaziale
I sistemi energetici “a energia solare” sono stati proposti per varie applicazioni di veicoli spaziali, compresi i satelliti per l’energia solare, in cui un riflettore focalizza la luce del sole su un motore termico come il tipo di ciclo Brayton.

Aumento fotovoltaico
Le celle fotovoltaiche (PV) che possono convertire la radiazione solare direttamente in elettricità sono piuttosto costose per unità di superficie. Alcuni tipi di celle fotovoltaiche, ad es. l’arseniuro di gallio, se raffreddato, è in grado di convertire in modo efficiente fino a 1.000 volte la quantità di radiazioni normalmente fornita dalla semplice esposizione alla luce diretta del sole.

Nei test effettuati da Sewang Yoon e Vahan Garboushian, per Amonix Corp. l’efficienza di conversione delle celle solari di silicio è aumentata a livelli più elevati di concentrazione, proporzionale al logaritmo della concentrazione, a condizione che alle fotocellule sia disponibile un raffreddamento esterno. Allo stesso modo, le celle a più alte prestazioni con efficienza aumentano anche le prestazioni con alta concentrazione.

Applicazione terrestre
Ad oggi non sono stati eseguiti test su larga scala su questo concetto. Presumibilmente ciò è dovuto al fatto che l’aumento dei costi dei riflettori e del raffreddamento generalmente non è giustificato dal punto di vista economico.

Applicazione satellitare energia solare
Teoricamente, per i progetti di satelliti per l’energia solare basati sullo spazio, gli specchi solari potrebbero ridurre i costi delle celle fotovoltaiche ei costi di lancio dal momento che dovrebbero essere sia più leggeri sia meno costosi rispetto alle equivalenti grandi aree di celle fotovoltaiche. Diverse opzioni sono state studiate da Boeing Corporation. Nella loro Fig. 4, intitolata “Architettura 4. GEO Harris Wheel”, gli autori descrivono un sistema di specchi solari usati per aumentare la potenza di alcuni collettori solari vicini, da cui la potenza viene poi trasmessa alle stazioni riceventi sulla terra.

Riflettori spaziali per illuminazione notturna
Un’altra proposta avanzata di concept spaziale è la nozione di Space Reflector che riflette la luce del sole su piccoli punti sul lato notturno della Terra per fornire illuminazione notturna. Un primo sostenitore di questo concetto fu il Dr. Krafft Arnold Ehricke, che scrisse di sistemi chiamati “Lunetta”, “Soletta”, “Biosoletta” e “Powersoletta”.

Una serie preliminare di esperimenti chiamata Znamya (“Banner”) fu eseguita dalla Russia, usando prototipi di vela solare che erano stati riproposti come specchi. Znamya-1 è stato un test di terra. Znamya-2 è stato lanciato a bordo della missione di rifornimento Progress M-15 alla stazione spaziale di Mir il 27 ottobre 1992. Dopo essere sganciato da Mir, il Progresso ha schierato il riflettore. Questa missione ebbe successo in quanto lo specchio si schierò, anche se non illuminò la Terra. Il prossimo volo Znamya-2.5 fallì. Znamya-3 non ha mai volato.