Солнечное зеркало содержит подложку с отражающим слоем для отражения солнечной энергии и в большинстве случаев интерференционный слой. Это может быть плоское зеркало или параболические массивы солнечных зеркал, используемые для достижения существенно концентрированного коэффициента отражения для солнечных энергетических систем.
См. Статью «Гелиостат» для получения дополнительной информации о солнечных зеркалах, используемых для наземной энергии.
Компоненты
Стекло или металлическая подложка
Подложка представляет собой механический слой, который удерживает зеркало в форме.
Стекло также может использоваться в качестве защитного слоя для защиты других слоев от истирания и коррозии. Хотя стекло является хрупким, это хороший материал для этой цели, поскольку он является высокопрозрачным (низкие оптические потери), устойчивым к ультрафиолетовому излучению (УФ), довольно твердым (устойчивым к истиранию), химически инертным и довольно легко очищаемым. Он состоит из флоат-стекла с высокими характеристиками оптической передачи в видимом и инфракрасном диапазонах и сконфигурирован для передачи видимого света и инфракрасного излучения. Верхняя поверхность, известная как «первая поверхность», будет отражать часть падающей солнечной энергии из-за коэффициента отражения, вызванного его показателем преломления выше воздуха. Большая часть солнечной энергии передается через стеклянную подложку в нижние слои зеркала, возможно с некоторым преломлением, в зависимости от угла падения, когда свет попадает в зеркало.
Металлические подложки («Металлические отражатели зеркал») также могут использоваться в солнечных отражателях. Исследовательский центр NASA Glenn, например, использовал зеркало, содержащее отражающую алюминиевую поверхность на металлической соте в качестве прототипа отражателя для предлагаемой энергосистемы для Международной космической станции. Одна технология использует алюминиевые композитные отражающие панели, обеспечивая отражательную способность более 93% и покрытую специальным покрытием для защиты поверхности. Металлические отражатели обладают некоторыми преимуществами по сравнению с стеклянными отражателями, поскольку они легки и прочнее стекла и относительно недороги. Способность сохранять параболическую форму в отражателях является еще одним преимуществом, и обычно требования к субкадрам сокращаются более чем на 300%. Поверхностное отражающее покрытие позволяет повысить эффективность.
Светоотражающий слой
Отражающий слой предназначен для отражения максимального количества солнечной энергии, падающей на него, обратно через стеклянную подложку. Слой содержит высокоотражающую тонкую металлическую пленку, обычно либо серебро, либо алюминий, но иногда другие металлы. Из-за чувствительности к истиранию и коррозии слой металла обычно защищается (стеклянной) подложкой сверху, а нижняя часть может быть покрыта защитным покрытием, таким как медный слой и лак.
Несмотря на использование алюминия в общих зеркалах, алюминий не всегда используется в качестве отражающего слоя для солнечного зеркала. Использование серебра в качестве отражающего слоя, как утверждается, приводит к более высоким уровням эффективности, поскольку оно является наиболее отражающим металлом. Это связано с коэффициентом отражения алюминия в УФ-области спектра. Расположение алюминиевого слоя на первой поверхности обеспечивает его выветривание, что снижает устойчивость зеркала к коррозии и делает его более восприимчивым к истиранию. Добавление защитного слоя к алюминию уменьшит его отражательную способность.
Уровень помех
Интерференционный слой может быть расположен на первой поверхности стеклянной подложки. Его можно использовать для адаптации коэффициента отражения. Он также может быть спроектирован для диффузного отражения ультрафиолетового излучения, чтобы предотвратить его прохождение через стеклянную подложку. Это существенно улучшает общее отражение ультрафиолетового излучения от зеркала. Интерференционный слой может быть выполнен из нескольких материалов в зависимости от желаемого показателя преломления, такого как диоксид титана.
Солнечные тепловые приложения
Интенсивность солнечной тепловой энергии от солнечной радиации на поверхности земли составляет около 1 киловатт на квадратный метр (0,093 кВт / кв. Фут) от площади, нормальной по отношению к направлению солнца, в условиях ясного неба. Когда солнечная энергия не концентрируется, максимальная температура коллектора составляет около 80-100 ° C (176-212 ° F). Это полезно для обогрева помещений и нагрева воды. Для применений с более высокой температурой, таких как приготовление пищи или снабжение тепловым двигателем или турбогенератором, эта энергия должна быть сконцентрирована.
Наземные приложения
Солнечные тепловые системы построены для производства концентрированной солнечной энергии (CSP) для производства электроэнергии. Большая солнечная башня Sandia Lab использует двигатель Стирлинга, нагретый солнечным зеркальным концентратором. Другая конфигурация — это система желоба.
Применение космической энергии
«Солнечные динамические» энергетические системы были предложены для различных применений космических аппаратов, включая солнечные энергетические спутники, где отражатель фокусирует солнечный свет на тепловом двигателе, таком как тип цикла Брайтона.
Фотогальваническое увеличение
Фотовольтаические ячейки (PV), которые могут преобразовывать солнечное излучение непосредственно в электричество, довольно дороги на единицу площади. Некоторые типы фотоэлементов, например арсенид галлия, если они охлаждаются, способны эффективно преобразовывать в 1000 раз больше радиации, как это обычно обеспечивается простым воздействием прямого солнечного света.
Показано, что в тестах, проведенных Sewang Yoon и Vahan Garboushian, эффективность преобразования кремниевых солнечных элементов в Amonix Corp. возрастает при более высоких концентрациях, пропорциональных логарифму концентрации, при условии, что внешнее охлаждение доступно для фотоэлементов. Аналогичным образом, высокоэффективные многоэлементные ячейки также улучшают производительность с высокой концентрацией.
Наземное приложение
На сегодняшний день на эту концепцию не проводилось крупномасштабное тестирование. Предположительно, это связано с тем, что повышенная стоимость рефлекторов и охлаждения обычно экономически не оправдана.
Применение солнечной энергии
Теоретически, для космических спутниковых конструкций космических систем солнечные зеркала могут снизить затраты на фотоэлемент и затраты на запуск, поскольку ожидается, что они будут как легче, так и дешевле, чем эквивалентные большие площади фотоэлементов. Несколько вариантов были изучены корпорацией Boeing. На рисунке 4. под заголовком «Архитектура 4. GEO Harris Wheel» авторы описывают систему солнечных зеркал, используемых для увеличения мощности некоторых близлежащих солнечных коллекторов, из которых мощность затем передается на приемные станции на земле.
Космические отражатели для ночного освещения
Еще одно предварительное предложение концепции космического пространства — понятие космических отражателей, отражающих солнечный свет на небольших пятнах на ночной стороне Земли для обеспечения ночного освещения. Ранним сторонником этой концепции был доктор Краффт Арнольд Эрике, который писал о системах под названием «Лунетта», «Солетта», «Биосолетта» и «Пауэрсолетта».
Предварительная серия экспериментов под названием Знамя («Баннер») была выполнена Россией, используя прототипы солнечных парусов, которые были перепрофилированы как зеркала. Знамя-1 была наземным испытанием. «Знамя-2» была запущена на борту экспедиции «Прогресс М-15» на космическую станцию «Мир» 27 октября 1992 года. После открепления от «Мира» Прогресс развернул отражатель. Эта миссия была успешной в том, что зеркало развернуто, хотя оно не освещало Землю. Следующий рейс Знамя-2,5 провалился. Знамя-3 никогда не летела.