Кіріспе
Күн сәулесіне арналған айна – күн энергиясын шағылыстыруға арналған рефлективті қабаты бар, көбінесе интерференциялық қабаты бар субстраттан тұрады. Бұл жазық айна немесе күн энергиясы жүйелері үшін күрт шоғырланған шағылысу коэффициентін қамтамасыз етуге қолданылатын күн айналарының параболалық жиынтығы болуы мүмкін. Жердегі энергияға қолданылатын күн айналары туралы толық ақпаратты "Гелиостат" мақаласынан қараңыз.
A solar mirror contains a substrate with a reflective layer for reflecting the solar energy, and in most cases an interference layer. This may be a planar mirror or parabolic arrays of solar mirrors used to achieve a substantially concentrated reflection factor for solar energy systems. See article "Heliostat" for more information on solar mirrors used for terrestrial energy.
Шыны немесе металл субстрат
Субстрат – айнаны пішінде ұстап тұратын механикалық қабат. Шыны басқа қабаттарды тозу мен коррозиядан қорғау үшін қорғаныш қабаты ретінде де қолданылуы мүмкін. Шыны сынғыш болғанымен, бұл мақсат үшін жақсы материал, себебі ол жоғары мөлдірлікке (төмен оптикалық жоғалтулар), ультракүлгін сәулесіне (УК) төзімділікке, жеткілікті қаттылыққа (тозуға төзімділік), химиялық инерттілікке және тазалауға оңай болады. Ол көрінетін және инфрақызыл диапазондарда жоғары оптикалық өткізгіштік қасиеттері бар флот-шынынан тұрады және көрінетін жарық пен инфрақызыл сәулеленуді өткізуге бейімделген. "Бірінші бет" деп аталатын үстіңгі бет, ауадан жоғары сындыру көрсеткішінен туындаған шағылысу коэффициентінің салдарынан, күн энергиясының бір бөлігін шағылыстырады. Күн энергиясының көп бөлігі шыны субстрат арқылы айнаның төменгі қабаттарына, жарық айнаға кірген бұрышына байланысты, кейбір сыну арқылы өтеді. Металл субстраттар ("Металл айна шағылыстырғыштар") күн шағылыстырғыштарында да қолданылуы мүмкін. Мысалы, NASA Glenn Research Center халықаралық ғарыш станциясы үшін жобаланған қуат жүйесінің прототипі ретінде металл ұялы құрылымға жабысқан алюминий бетінен тұратын айнаны пайдаланды. Бір технология алюминий композиттік шағылыстырғыш панельдерді қолданады, олар 93%-дан астам шағылысқа ие және бетін қорғау үшін арнайы жабынмен жабылған. Металл шағылыстырғыштар шыны шағылыстырғыштарға қарағанда жеңілдік және беріктік тұрғысынан артықшылықтарға ие, сондай-ақ салыстырмалы түрде арзан. Шағылыстырғыштардың параболалық пішіндерін сақтау мүмкіндігі де бір артықшылық, және әдетте субкадр талаптары 300%-дан астамға төмендейді. Үстіңгі беттің шағылыстыру жабыны тиімділікті арттырады.
Жарық түсіретін қабат
Ойнатушы қабат күн энергиясының оған түскен максималды мөлшерін шыны субстрат арқылы кері шағылыстыру үшін жасалған. Бұл қабат жоғары шағылыстыратын жұқа металл қабатынан тұрады, көбінесе күміс немесе алюминийден, бірақ кейде басқа металдардан да болуы мүмкін. Металл қабаты сызатқа және коррозияға сезімтал болғандықтан, әдетте жоғарыдағы (шыны) субстратпен қорғалады, ал төменгі жағы мыс қабаты мен лак сияқты қорғаныш қабаттарымен жабылуы мүмкін. Жалпы айналарда алюминий қолданылса да, алюминий әрқашан күн айнасы үшін шағылыстыратын қабат ретінде қолданылмайды. Күміс шағылыстыратын қабат ретінде қолданылса, тиімділік деңгейі жоғарылайды деп есептеледі, себебі күміс – ең шағылыстыратын металл. Бұл алюминийдің спектрдің ультракөк сәуле (UV) аймағындағы шағылысу коэффициентіне байланысты. Алюминий қабатын бірінші бетке орналастырса, ол ауа-райының әсеріне ұшырайды, бұл айнаның коррозияға төзімділігін азайтады және сызатқа түсу қаупін арттырады. Алюминийге қорғаныш қабатын қосса, оның шағылысу қабілеті төмендейді.
Интерференциялық қабат
Шыны субстраттың бірінші бетінде кедергі қабаты орналасуы мүмкін. Оны жарықтандыру қасиетін қалыптастыру үшін пайдалануға болады. Бұған қоса, ол ультракүлгін сәулеленудің таралуын болдырмау үшін, оны шашыратуға арналған болуы мүмкін. Бұл айнадан ультракүлгін сәулеленудің жалпы кернеуін едәуір арттырады. Кедергі қабаты қажетті сындыру көрсеткішіне байланысты, мысалы, титан диоксиді сияқты бірнеше материалдан жасалуы мүмкін.
Пассивті айнамен салқындату
Күн сәулесін басқару мақсатымен күндізгі радиациялық салқындатудың пассивті түрі ретінде күн айналарын қолдану, жергілікті температураның көтерілуімен күресуге және жаһандық жылынуды төмендетуге бағытталған. Ұсыныстарда күн айналарын Жер бетінде де, ғарышта да пайдалану қарастырылған.
Жер бетіндегі қолдану
Пассивті айналарды салқындату жүйелері күн сәулесін шағылыстырып температураны төмендетеді, сонымен қатар айналардың негізін жылудың енуінен қорғайды. Мұндай жүйелердің тиімділігі айна беттерінде шаң жиналуымен азаяды, ең көп шаң жиналу жағдайында айнаның тиімділігі 63%-ға төмендейді. Дегенмен, айналар жаңбырдың арқасында "өзін-өзі тазартады" (ластану қарқынын 18,6%-ға дейін төмендетеді) немесе адамдар тарапынан тазаланады. Жергілікті масштабта пассивті айналарды салқындату жүйелері тұрғын және коммерциялық ғимараттарды салқындатуға жұмсалатын энергияны азайту және кондиционерге деген қажеттілікті азайту мақсатында қолданылып келеді. Күн сәулесін басқарудың бір түрі ретінде күн айналарын глобальдық деңгейде қолдану ұсынылған, бірақ одан әрі зерттеулер мен қаржыландыру қажет. Пассивті радиациялық салқындатудың шығындарды төмендету әлеуеті және күн сәулесін азайтудағы рөлі туралы хабардарлықты арттыру арқылы қолданылу аймағын кеңейтуге болады.
Күн энергиясының жылулық қолдануы
Жер бетіндегі күн сәулесінен түсетін күн жылу энергиясының қарқындылығы, ашық аспан жағдайында күнге қарай перпендикуляр бетте шамамен . Күн энергиясы шоғырланбаған жағдайда коллектордың максималды температурасы шамамен . Бұл кеңістікті жылыту және суды қыздыру үшін пайдалы. Тамақ пісіру сияқты жоғары температураны қажет ететін қолданулар үшін, немесе жылу қозғалтқышын немесе турбиналық электр генераторын қуатпен қамтамасыз ету үшін, бұл энергияны шоғырландыру қажет.
Жер бетіндегі қолдану
Күн энергиясын пайдалану үшін күн энергиясын шоғырландыру жүйелері (CSP) құрылды, олар электр энергиясын өндіруге арналған. Үлкен Сандия Ұлттық зертханасының күн электр станциясы күн көздерін шоғырландыратын айналар арқылы қыздырылатын Стирлинг қозғалтқышын қолданады. Тағы бір конфигурация – ойықты жүйе.
Ғарыш энергиясын қолдану
"Күндік динамикалық" энергия жүйелері әртүрлі ғарыш аппараттарына қолдану үшін ұсынылған, оның ішінде күн энергиясы спутниктеріне, онда рефлектор күн сәулесін Брейтон циклы сияқты жылу машинасына шоғырландырады.
Фотоэлектрлік кеңейту
Күн сәулесін тікелей электр энергиясына айналдыратын фотоэлектрлік элементтер (ФЭЭ) бірлік аумаққа өте қымбат. ФЭЭ-нің кейбір түрлері, мысалы, галлий арсениді, салқындатылғанда, әдетте тікелей күн сәулесінен түсетін сәулеленудің 1000 есе көп мөлшерін тиімді түрде түрлендіре алады. Севанг Юн мен Вахан Гарбушиан жасаған сынақтарда Amonix Corp. кремнийлі күн батареяларының түрлендіру тиімділігі концентрация деңгейі жоғарылаған сайын артатыны көрсетілді, бұл арту концентрацияның логарифміне пропорционалды, егер фотоэлементтерге сыртқы салқындату мүмкіндігі болса. Сол сияқты, жоғары тиімділігі бар көп қималы элементтер де жоғары концентрацияда жақсы жұмыс істейді.
Жер бетіндегі қолдану
Бүгінгі күнге дейін осы ұғымды кең ауқымда сынау жүргізілген жоқ. Бұл, әдетте, рефлекторлардың және жалпы суыту жүйесінің құнының артуы экономикалық тұрғыдан тиімді болмағандықтан болуы мүмкін.
Күн энергиясын спутниктік қолдану
Теориялық тұрғыдан алғанда, ғарыштағы күн энергиясын өндіруші спутниктерді жобалауда күн айналары фотоэлементтердің және ұшыру шығындарының қымбаттығын төмендетуге мүмкіндік береді, себебі олар фотоэлементтердің сомасымен салыстырғанда жеңіл және арзан болуы күтілуде. Боинг корпорациясы бірнеше нұсқаны зерттеді. Олардың 4-суреті, "Сәулет 4. GEO Harris Wheel" деп аталатын еңбекте авторлар жақын жердегі күн жинағыштарының қуатын күшейту үшін қолданылатын күн айналарының жүйесін сипаттайды, ал қуат содан кейін жердегі қабылдау станцияларына жіберіледі.
Түнгі жарықтандыруға арналған кеңістіктік шағылыстырғыштар
Тағы бір озық ғарыш концепциясы – ғарыш рефлекторларының идеясы, олар Жердің түнгі жағындағы шағын аймақтарға күн сәулесін шағылыстырып, түнгі уақытта жарықтандыруды қамтамасыз етуге арналған. Бұл идеяны алғаш ұсынған доктор Крэфт Арнольд Эрике болды, ол "Люнетта", "Солетта", "Биосолетта" және "Пуэрсолетта" деп аталатын жүйелер туралы жазған. Ресей "Znamya" ("Ту") деген алдын ала эксперименттер сериясын жүргізді, онда күн желкендерінің прототиптері айна ретінде қайта қолданылды. Znamya 1 – жердегі сынақ болды. Znamya 2 1992 жылғы 27 қазанда "Мир" ғарыш станциясына "Прогресс М 15" жабдықтау миссиясымен ұшырылды. "Мир" станциясынан ажыратылғаннан кейін "Прогресс" рефлекторды жайды. Бұл миссия айнаның жайылғанымен сәтті аяқталды, бірақ ол Жерді жарықтандырмады. Znamya 2.5 келесі рейсі сәтсіз аяқталды. Znamya 3 жолға шықпады. 2018 жылы Чэнду, Қытай, Жердің орбитасына үш күн рефлекторын орналастыру жоспарларын жариялады, бұл көше шамдарын қуаттау үшін қажетті электр энергиясын азайтуға бағытталған. Бұл жоспардың технологиялық тұрғыдан мүмкін болуына қатысты күмәндер айтылуда.