Um espelho solar contém um substrato com uma camada refletiva para refletir a energia solar e, na maioria dos casos, uma camada de interferência. Pode ser um espelho plano ou parabólicos de espelhos solares usados ​​para alcançar um fator de reflexão substancialmente concentrado para sistemas de energia solar.

Consulte o artigo “Heliostat” para mais informações sobre espelhos solares usados ​​para energia terrestre.

Componentes

Substrato de vidro ou metal
O substrato é a camada mecânica que mantém o espelho em forma.

O vidro também pode ser usado como uma camada protetora para proteger as outras camadas contra abrasão e corrosão. Embora o vidro seja frágil, é um bom material para esse fim, pois é altamente transparente (baixas perdas óticas), resistente à luz ultravioleta (UV), bastante duro (resistente à abrasão), quimicamente inerte e bastante fácil de limpar. É composto de um vidro float com características de alta transmissão óptica nas faixas visível e infravermelha, e é configurado para transmitir luz visível e radiação infravermelha. A superfície superior, conhecida como “primeira superfície”, refletirá parte da energia solar incidente, devido ao coeficiente de reflexão causado por seu índice de refração ser maior que o ar. A maior parte da energia solar é transmitida através do substrato de vidro para as camadas inferiores do espelho, possivelmente com alguma refração, dependendo do ângulo de incidência à medida que a luz entra no espelho.

Substratos de metal (“Metal Mirror Reflectors”) também podem ser usados ​​em refletores solares. O Centro de Pesquisa Glenn da NASA, por exemplo, usou um espelho que compreende uma superfície refletiva de alumínio em um favo metálico como um protótipo de unidade refletor para um sistema de energia proposto para a Estação Espacial Internacional. Uma tecnologia utiliza painéis refletores compostos de alumínio, atingindo mais de 93% de refletividade e revestidos com um revestimento especial para proteção de superfície. Os refletores de metal oferecem algumas vantagens sobre os refletores de vidro, pois são leves e mais fortes que o vidro e relativamente baratos. A capacidade de reter a forma parabólica nos refletores é outra vantagem, e normalmente os requisitos da subtrama são reduzidos em mais de 300%. O revestimento de reflexão da superfície superior permite uma melhor eficiência.

Camada reflexiva
A camada refletora é projetada para refletir a quantidade máxima de energia solar incidente sobre ela, de volta através do substrato de vidro. A camada compreende um filme fino de metal altamente reflexivo, geralmente prata ou alumínio, mas ocasionalmente outros metais. Devido à sensibilidade à abrasão e à corrosão, a camada de metal é geralmente protegida pelo substrato (de vidro) no topo, e o fundo pode ser coberto com um revestimento protetor, como uma camada de cobre e verniz.

Apesar do uso de alumínio em espelhos genéricos, o alumínio nem sempre é usado como camada reflexiva para um espelho solar. O uso da prata como camada reflexiva é reivindicado para levar a níveis mais altos de eficiência, porque é o metal mais reflexivo. Isto é devido ao fator de reflexão do alumínio na região UV do espectro. A localização da camada de alumínio na primeira superfície a expõe ao intemperismo, o que reduz a resistência do espelho à corrosão e a torna mais suscetível à abrasão. Adicionar uma camada protetora ao alumínio reduziria sua refletividade.

Camada de interferência
Uma camada de interferência pode estar localizada na primeira superfície do substrato de vidro. Pode ser usado para adaptar a refletância. Também pode ser projetado para reflectância difusa de radiação ultravioleta próxima, a fim de evitar que ela passe através do substrato de vidro. Isto aumenta substancialmente a reflexão global da radiação ultravioleta do espelho. A camada de interferência pode ser feita de vários materiais, dependendo do índice de refração desejado, como o dióxido de titânio.

Aplicações térmicas solares
A intensidade da energia solar térmica da radiação solar na superfície da Terra é de cerca de 1 quilowatt por metro quadrado (0,093 kW / sq ft), de área normal à direção do sol, sob condições de céu claro. Quando a energia solar é não concentrada, a temperatura máxima do coletor é de cerca de 80 a 100 ° C (176 a 212 ° F). Isso é útil para aquecimento de ambientes e aquecimento de água. Para aplicações de temperaturas mais altas, como cozinhar ou fornecer um motor térmico ou gerador elétrico de turbina, essa energia deve ser concentrada.

Aplicações terrestres
Os sistemas solares térmicos foram construídos para produzir energia solar concentrada (CSP), para gerar eletricidade. A grande torre de energia solar Sandia Lab usa um motor Stirling aquecido por um concentrador de espelho solar. Outra configuração é o sistema de vale.

Aplicação de energia espacial
Sistemas de energia “dinâmicos solares” têm sido propostos para várias aplicações de espaçonaves, incluindo satélites de energia solar, onde um refletor focaliza a luz do sol em um motor térmico como o tipo de ciclo de Brayton.

Aumento fotovoltaico
As células fotovoltaicas (PV), que podem converter a radiação solar diretamente em eletricidade, são bastante caras por unidade de área. Alguns tipos de células fotovoltaicas, por exemplo, arseneto de gálio, se resfriadas, são capazes de converter eficientemente até 1.000 vezes a quantidade de radiação normalmente fornecida pela exposição direta à luz solar direta.

Em testes feitos por Sewang Yoon e Vahan Garboushian, a eficiência da conversão de células solares de silício da Amonix Corp é mostrada para aumentar em níveis mais altos de concentração, proporcional ao logaritmo da concentração, desde que haja resfriamento externo disponível para as fotocélulas. Da mesma forma, células multijuncionais de maior eficiência também melhoram em desempenho com alta concentração.

Aplicação terrestre
Até hoje, nenhum teste em larga escala foi realizado neste conceito. Presumivelmente, isso ocorre porque o aumento do custo dos refletores e do resfriamento geralmente não é justificado economicamente.

Aplicação satélite de energia solar
Teoricamente, para projetos de satélites solares com base no espaço, os espelhos solares poderiam reduzir os custos das células fotovoltaicas e os custos de lançamento, uma vez que se espera que sejam mais leves e mais baratos do que as grandes áreas equivalentes de células fotovoltaicas. Várias opções foram estudadas pela corporação Boeing. Em sua Figura 4. legendado “Arquitetura 4. GEO Harris Wheel”, os autores descrevem um sistema de espelhos solares usados ​​para aumentar a potência de alguns coletores solares próximos, a partir dos quais a energia é então transmitida para estações receptoras na Terra.

Refletores espaciais para iluminação noturna
Outra proposta avançada de conceito de espaço é a noção de refletores espaciais que refletem a luz do sol em pequenos pontos no lado noturno da Terra para fornecer iluminação noturna. Um dos primeiros proponentes desse conceito foi o Dr. Krafft Arnold Ehricke, que escreveu sobre sistemas chamados “Lunetta”, “Soletta”, “Biosoletta” e “Powersoletta”.

Uma série preliminar de experimentos chamada Znamya (“Banner”) foi realizada pela Rússia, usando protótipos de vela solar que foram reaproveitados como espelhos. Znamya-1 foi um teste no solo. O Znamya-2 foi lançado a bordo da missão de reabastecimento Progress M-15 para a estação espacial Mir em 27 de outubro de 1992. Depois de desacoplar da Mir, o Progress utilizou o refletor. Esta missão foi bem sucedida em que o espelho implantado, embora não iluminar a Terra. O próximo voo Znamya-2.5 falhou. Znamya-3 nunca voou.