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 que se utilizan para lograr un factor de reflexión sustancialmente concentrado para los 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.
El vidrio también puede utilizarse como capa protectora para proteger las demás 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 a que el coeficiente de reflexión causado por su índice de refracción es 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 algo de refracción , dependiendo del ángulo de incidencia a medida que la luz ingresa al espejo.
Los sustratos metálicos ("Reflectores de Espejo Metálico") también pueden utilizarse en reflectores solares. El Centro de Investigación Glenn de la NASA , por ejemplo, utilizó un espejo que comprendía una superficie de aluminio reflectante 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, logrando más del 93% de reflectividad y recubiertos con un revestimiento especial para la protección de la superficie. Los reflectores metálicos ofrecen algunas ventajas sobre los reflectores de vidrio, ya que son livianos y más fuertes que el vidrio y relativamente económicos. La capacidad de mantener la forma parabólica en los reflectores es otra ventaja, y normalmente los requisitos del bastidor auxiliar se reducen en más del 300%. El revestimiento de reflexión 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, de vuelta a través del sustrato de vidrio. La capa está compuesta por una película metálica fina muy reflectante, normalmente plata o aluminio , pero ocasionalmente otros metales. Debido a la sensibilidad a la abrasión y la corrosión, la capa metálica suele estar protegida por el sustrato (de vidrio) en la parte superior, y la parte inferior puede estar cubierta con un revestimiento protector, como una capa de cobre y barniz .
A pesar del uso de aluminio en espejos genéricos, no siempre se utiliza como capa reflectante para un espejo solar. Se afirma que el uso de 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 . [ cita requerida ] 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.
Una capa de interferencia puede estar ubicada en la primera superficie del sustrato de vidrio. [2] Puede usarse para adaptar la reflectancia. También puede estar diseñada para la reflectancia difusa de la radiación cercana al ultravioleta, con el fin de evitar que pase a través del sustrato de vidrio. Esto mejora sustancialmente la reflexión general de la radiación cercana al ultravioleta del espejo. La capa de interferencia puede estar hecha de varios materiales, dependiendo del índice de refracción deseado, como el 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 con el fin de abordar los aumentos de temperatura locales, así como para 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 pasivos de refrigeración de espejos reducen las temperaturas al reflejar la radiación solar y al mismo tiempo proteger la base de los espejos de la penetración del calor. [4] La eficacia de estos sistemas puede verse reducida por la acumulación de polvo en los espejos; la máxima acumulación de polvo reduce la eficacia 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 pueden ser limpiados por humanos. [5]
A escala local, se han implementado sistemas de enfriamiento pasivo con espejos para reducir el consumo de energía utilizado para enfriar edificios residenciales y comerciales y, de esta manera, 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 enfriamiento; un estudio de caso redujo los costos en un 15 %. [6]
Si bien se ha propuesto el uso de espejos solares como una forma de gestión de la radiación solar a escala global, se necesitan más datos y fondos. Una mayor conciencia sobre el potencial del enfriamiento radiativo pasivo para reducir los 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 por espejo pasivo a gran escala, como Ye Tao de MEER, sostienen que la eliminación del dióxido de carbono por sí sola no funcionará lo suficientemente rápido como para evitar que los aumentos de temperatura globales superen los niveles que amenazan la vida. [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 unos 80–100 °C (176–212 °F). Esto es útil para calentar espacios y calentar agua. Para aplicaciones de mayor temperatura, como cocinar o alimentar un motor térmico o una turbina - generador eléctrico , esta energía debe estar concentrada.
Se han construido sistemas solares térmicos para producir energía solar concentrada (CSP), para generar electricidad. [8] [9] La gran torre de energía solar Sandia Lab utiliza un motor Stirling calentado por un concentrador de espejo solar . [10] Otra configuración es el sistema de canaleta. [11]
Se han propuesto sistemas de energía "solar dinámica" para diversas aplicaciones espaciales , incluidos los satélites de energía solar , donde un reflector enfoca la luz solar sobre un motor térmico como el de ciclo Brayton . [12]
Las células fotovoltaicas (FV), que pueden convertir la radiación solar directamente en electricidad , son bastante caras por unidad de superficie. Algunos tipos de células fotovoltaicas, como las de arseniuro de galio , si se enfrían, son capaces de convertir de manera eficiente hasta 1000 veces más radiación que la que normalmente se obtiene con la simple exposición a la luz solar directa.
En pruebas realizadas por Sewang Yoon y Vahan Garboushian para Amonix Corp. [13] se demostró que la eficiencia de conversión de las células solares de silicio aumenta a niveles más altos de concentración, de manera proporcional al logaritmo de la concentración, siempre que las fotocélulas dispongan de refrigeración externa. De manera similar, las células multiunión de mayor eficiencia también mejoran su rendimiento con una concentración alta. [14]
Hasta la fecha no se han realizado pruebas a gran escala de este concepto. Probablemente esto se debe a que el aumento del coste de los reflectores y la refrigeración no suele justificarse 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 económicos que las áreas grandes equivalentes de células fotovoltaicas. La corporación Boeing estudió varias opciones . [15] En su Fig. 4, titulada "Arquitectura 4. Rueda de Harris GEO", los autores describen un sistema de espejos solares utilizados para aumentar la potencia de algunos colectores solares cercanos, desde los cuales la energía se transmite a las 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]
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 terrestre. 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 la Mir, Progress desplegó el reflector. [18] [19] Esta misión tuvo éxito en que el espejo se desplegó, aunque no iluminó la Tierra. [ cita requerida ] El siguiente vuelo Znamya-2.5 fracasó. [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 con respecto a la viabilidad tecnológica del plan. [23]
