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. Puede ser un espejo plano o conjuntos parabólicos de espejos solares utilizados para lograr un factor de reflexión sustancialmente concentrado para sistemas de energía solar.
Consulte el artículo " Helióstato " para obtener más información sobre los espejos solares utilizados para la energía terrestre.
El sustrato es la capa mecánica que mantiene la forma del espejo.
También se puede utilizar vidrio como capa protectora para proteger las otras capas de la abrasión y la corrosión. Aunque el vidrio es frágil, es un buen material para este propósito porque es muy 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 "primera superficie", reflejará parte de la energía solar incidente, debido al coeficiente de reflexión provocado por su índice de refracción mayor que el del aire. La mayor parte de la energía solar se transmite a través del sustrato de vidrio a las capas inferiores del espejo, posiblemente con cierta refracción , dependiendo del ángulo de incidencia cuando la luz ingresa al espejo.
También se pueden utilizar sustratos metálicos ("Reflectores de espejo metálico") en reflectores solares. El Centro de Investigación Glenn de la NASA , por ejemplo, utilizó un espejo compuesto por una superficie reflectante de aluminio sobre un panal metálico [1] como prototipo de unidad reflectora para un sistema de energía propuesto para la Estación Espacial Internacional . Una tecnología utiliza paneles reflectores compuestos de aluminio, que logran una reflectividad superior al 93 % y están recubiertos con un revestimiento especial para proteger la superficie. Los reflectores de metal ofrecen algunas ventajas sobre los reflectores de vidrio, ya que son livianos, más resistentes que el vidrio y relativamente económicos. La capacidad de conservar la forma parabólica de los reflectores es otra ventaja y normalmente los requisitos del subchasis se reducen en más del 300%. El revestimiento reflectante de la superficie superior permite una mejor eficiencia.
La capa reflectante está diseñada para reflejar la máxima cantidad de energía solar que incide sobre ella, a través del sustrato de vidrio. La capa comprende una fina película metálica 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 (vidrio) en la parte superior y la parte inferior puede cubrirse con una capa protectora, como una capa de cobre y barniz .
A pesar del uso de aluminio en espejos genéricos, el aluminio no siempre se utiliza como capa reflectante para un espejo solar. Se afirma que el uso de plata como capa reflectante conduce a mayores niveles de eficiencia, porque es el metal más reflectante. Esto se debe al factor de reflexión del aluminio en la región UV del espectro . [ cita necesaria ] Ubicar la capa de aluminio en la primera superficie la expone a la intemperie, lo que reduce la resistencia del espejo a la corrosión y lo hace más susceptible a la abrasión. Agregar una capa protectora al aluminio reduciría su reflectividad.
Puede estar situada una capa de interferencia sobre la primera superficie del sustrato de vidrio. [2] Se puede utilizar para adaptar la reflectancia. También puede diseñarse para la reflectancia difusa de la radiación ultravioleta cercana, a fin de evitar que atraviese el sustrato de vidrio. Esto mejora sustancialmente el reflejo general de la radiación casi ultravioleta del espejo. La capa de interferencia puede estar hecha de varios materiales, dependiendo del índice de refracción deseado, como por ejemplo dióxido de titanio .
Se ha propuesto el uso de espejos solares como una forma de enfriamiento radiativo pasivo durante el día para la gestión de la radiación solar para abordar los aumentos de temperatura locales y disminuir el calentamiento global . [3] Las propuestas se han centrado en el uso de espejos solares tanto en la superficie de la Tierra como en el espacio.
Los sistemas de enfriamiento pasivo de espejos reducen las temperaturas al reflejar la radiación solar y al mismo tiempo protegen la base de los espejos de la penetración del calor. [4] La efectividad de tales sistemas puede verse reducida con la acumulación de polvo en los espejos, y la acumulación máxima de polvo reduce la efectividad de los espejos en un 63%. Sin embargo, los espejos pueden "autolimpiarse" con la lluvia (lo que reduce la tasa de suciedad al 18,6%) o ser limpiados por humanos. [5]
A escala local, se han implementado sistemas de enfriamiento de espejos pasivos para reducir el consumo de energía utilizado para enfriar edificios residenciales y comerciales y así compensar la necesidad de aire acondicionado . [3] Cuando se colocan superficies de espejos pasivos en los techos, se ha demostrado que reducen el consumo de electricidad y los costos de refrigeración; un estudio de caso redujo los costos en un 15 %. [6]
Si bien se ha propuesto el uso de espejos solares como forma de gestión de la radiación solar a escala global, se necesitan más datos y financiación. Una mayor conciencia sobre el potencial del enfriamiento radiativo pasivo para reducir costos, así como su papel en la reducción de la radiación solar, puede aumentar las aplicaciones. [6] Los investigadores que apoyan las aplicaciones de enfriamiento pasivo de espejos a gran escala, como Ye Tao de MEER, argumentan que la eliminación de dióxido de carbono por sí sola no funcionará lo suficientemente rápido como para evitar que los aumentos de temperatura global superen niveles potencialmente mortales. [7]
La intensidad de la energía solar térmica procedente de la radiación solar en la superficie de la Tierra es de aproximadamente 1 kilovatio por metro cuadrado (0,093 kW/pie cuadrado), 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 a 100 °C (176 a 212 °F). Esto es útil para calentar espacios y calentar agua. Para aplicaciones de mayor temperatura, como cocinar , o alimentar un motor térmico o un generador eléctrico de turbina , esta energía debe concentrarse.
Se han construido sistemas solares térmicos para producir energía solar concentrada (CSP) para generar electricidad. [8] [9] La gran torre de energía solar de Sandia Lab utiliza un motor Stirling calentado por un concentrador de espejo solar . [10] Otra configuración es el sistema de canal. [11]
Se han propuesto sistemas de energía "solar dinámica" 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 del tipo de ciclo Brayton . [12]
Las células fotovoltaicas (PV), que pueden convertir la radiación solar directamente en electricidad, son bastante caras por unidad de superficie. Algunos tipos de células fotovoltaicas, por ejemplo el arseniuro de galio , si se enfrían, son capaces de convertir eficientemente hasta 1.000 veces más radiación que la que normalmente se proporciona mediante una simple exposición a la luz solar directa.
En pruebas realizadas por Sewang Yoon y Vahan Garboushian, para Amonix Corp. [13] se muestra que la eficiencia de conversión de las células solares de silicio aumenta a niveles más altos de concentración, proporcional al logaritmo de la concentración, siempre que haya refrigeración externa disponible para las fotocélulas. De manera similar, las celdas multiunión de mayor eficiencia también mejoran su rendimiento con alta concentración. [14]
Hasta la fecha no se han realizado pruebas a gran escala sobre este concepto. Probablemente esto se debe a que el aumento del coste de los reflectores y de la refrigeración generalmente no está justificado económicamente.
En teoría, para los diseños de satélites de energía solar basados en el espacio , los espejos solares podrían reducir los costos de las células fotovoltaicas y los costos de lanzamiento, ya que se espera que sean más livianos y más baratos que grandes áreas equivalentes de células fotovoltaicas. La corporación Boeing estudió varias opciones . [15] En su Fig. 4, titulada "Arquitectura 4. GEO Harris Wheel", los autores describen un sistema de espejos solares utilizados para aumentar la potencia de algunos colectores solares cercanos, desde los cuales la energía luego se transmite a estaciones receptoras en la Tierra. .
Otra propuesta de concepto espacial avanzado es la noción de reflectores espaciales que reflejan la luz solar sobre 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 , quien escribió sobre sistemas llamados "Lunetta", "Soletta", "Biosoletta" y "Powersoletta". [16] [17]
Rusia realizó una serie preliminar de experimentos llamados Znamya ("Banner"), utilizando prototipos de velas solares que habían sido reutilizados como espejos. Znamya-1 fue una prueba en tierra. Znamya-2 fue lanzado 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, Progress desplegó el reflector. [18] [19] Esta misión tuvo éxito porque el espejo se desplegó, aunque no iluminó la Tierra. [ cita necesaria ] El siguiente vuelo Znamya-2.5 falló. [20] [21] Znamya-3 nunca voló.
En 2018, Chengdu , China, anunció planes para colocar tres reflectores solares en órbita alrededor de la Tierra con la esperanza de reducir la cantidad de electricidad necesaria para alimentar el alumbrado público. [22] Se ha expresado escepticismo respecto de la viabilidad tecnológica del plan. [23]
