Введение
Тип зеркала, предназначенного для использования с солнечным светом.
Солнечное зеркало состоит из подложки с отражающим слоем для отражения солнечной энергии, и в большинстве случаев – интерференционного слоя. Это может быть плоское зеркало или параболические системы солнечных зеркал, используемые для достижения существенно увеличенного коэффициента отражения в солнечных энергетических системах. Подробнее о солнечных зеркалах, применяемых для наземной энергетики, см. статью "Гелиостат".
Стеклянная или металлическая подложка
Подложка – это механический слой, который сохраняет форму зеркала. Стекло также может использоваться в качестве защитного слоя для защиты других слоев от истирания и коррозии. Несмотря на хрупкость, стекло является хорошим материалом для этой цели, поскольку оно обладает высокой прозрачностью (низкими оптическими потерями), устойчиво к ультрафиолетовому излучению (УФ), достаточно твердое (устойчиво к истиранию), химически инертно и легко очищается. Оно состоит из флоат-стекла с высокими оптическими характеристиками пропускания в видимом и инфракрасном диапазонах и предназначено для пропускания видимого света и инфракрасного излучения. Верхняя поверхность, известная как "первая поверхность", отражает часть падающей солнечной энергии из-за коэффициента отражения, обусловленного более высоким показателем преломления по сравнению с воздухом. Большая часть солнечной энергии проходит через стеклянную подложку к нижним слоям зеркала, возможно, с некоторым преломлением, в зависимости от угла падения света при его входе в зеркало. Металлические подложки ("Металлические зеркальные отражатели") также могут использоваться в солнечных отражателях. Например, исследовательский центр NASA Glenn Research Center использовал зеркало, состоящее из отражающей алюминиевой поверхности на металлическом сотовом заполнении, в качестве прототипа отражателя для предлагаемой энергосистемы Международной космической станции. Одна из технологий использует алюминиевые композитные отражающие панели, обеспечивающие отражающую способность более 93% и покрытые специальным покрытием для защиты поверхности. Металлические отражатели обладают рядом преимуществ перед стеклянными, так как они легче и прочнее стекла, а также относительно недороги. Способность сохранять параболическую форму является еще одним преимуществом, и требования к несущей конструкции обычно снижаются более чем на 300%. Отражающее покрытие верхней поверхности обеспечивает более высокую эффективность.
Отражающий слой
Отражающий слой предназначен для отражения максимального количества солнечной энергии, падающей на него, обратно через стеклянную подложку. Слой состоит из тонкой металлической пленки, как правило, из серебра или алюминия, но иногда и из других металлов. Ввиду чувствительности к истиранию и коррозии, металлический слой обычно защищен (стеклянной) подложкой сверху, а снизу может быть покрыт защитным слоем, например, медным слоем и лаком. Несмотря на то, что алюминий используется в обычных зеркалах, он не всегда применяется в качестве отражающего слоя в солнечных зеркалах. Использование серебра в качестве отражающего слоя, как утверждается, обеспечивает более высокую эффективность, поскольку это наиболее отражающий металл. Это связано с более низким коэффициентом отражения алюминия в ультрафиолетовой области спектра. Размещение алюминиевого слоя на первой поверхности подвергает его воздействию атмосферных факторов, что снижает устойчивость зеркала к коррозии и повышает его подверженность истиранию. Добавление защитного слоя к алюминию снизит его отражающую способность.
Интерференционный слой
На первой поверхности стеклянной подложки может быть нанесен интерференционный слой. Он может использоваться для настройки отражательной способности. Также он может быть разработан для рассеянного отражения ближнего ультрафиолетового излучения, чтобы предотвратить его прохождение через стеклянную подложку. Это значительно повышает общее отражение ближнего ультрафиолетового излучения от зеркала. Интерференционный слой может состоять из нескольких материалов, в зависимости от требуемого показателя преломления, например, диоксида титана.
Приложения для пассивного зеркального охлаждения
Использование солнечных зеркал как метода пассивного дневного радиационного охлаждения для управления солнечной радиацией было предложено для решения проблемы локального повышения температуры и снижения глобального потепления. Рассматривались варианты применения солнечных зеркал как на поверхности Земли, так и в космическом пространстве.
Наземные применения
Пассивные системы охлаждения зеркал снижают температуру, отражая солнечное излучение и одновременно защищая основание зеркал от проникновения тепла. Эффективность таких систем может снижаться из-за накопления пыли на зеркалах, причём максимальное накопление пыли уменьшает эффективность зеркал на 63%. Однако зеркала могут самоочищаться под дождем (снижая скорость загрязнения до 18,6%) или очищаться вручную. На локальном уровне пассивные системы охлаждения зеркал используются для снижения энергопотребления при охлаждении жилых и коммерческих зданий, тем самым уменьшая потребность в кондиционировании воздуха. Хотя возможность использования солнечных зеркал в качестве метода управления солнечным излучением в глобальном масштабе рассматривалась, для этого требуются дополнительные данные и финансирование. Повышение осведомленности о потенциале пассивного радиационного охлаждения для снижения затрат и его роли в уменьшении солнечного излучения может способствовать расширению областей применения.
Солнечная тепловая энергетика
Интенсивность солнечной тепловой энергии, получаемой от солнечного излучения на поверхности Земли, составляет около , на единицу площади, нормальной к направлению Солнца, при ясной погоде. Когда солнечная энергия не сконцентрирована, максимальная температура коллектора составляет около . Это полезно для отопления помещений и нагрева воды. Для применения при более высоких температурах, например, для приготовления пищи или питания теплового двигателя или турбогенератора, эта энергия должна быть сконцентрирована.
Наземные применения
Солнечные тепловые системы были созданы для получения концентрированной солнечной энергии (CSP) с целью выработки электроэнергии. На большой солнечной электростанции Sandia Lab используется двигатель Стирлинга, нагреваемый солнечным зеркальным концентратором. Другая конфигурация – система параболических зеркал.
Применение энергии в космосе
"Солнечные динамические" энергетические системы были предложены для различных применений в космических аппаратах, включая спутники солнечной энергии, где отражатель фокусирует солнечный свет на тепловую машину, например, цикла Брэйтона.
Фотоэлектрическое увеличение
Фотоэлектрические элементы (ФЭ), способные преобразовывать солнечное излучение непосредственно в электричество, достаточно дороги в пересчете на единицу площади. Некоторые типы фотоэлементов, например, арсенид галлия, при охлаждении способны эффективно преобразовывать в 1000 раз больше излучения, чем при обычном воздействии прямых солнечных лучей. В тестах, проведенных Sewang Yoon и Vahan Garboushian для Amonix Corp., показано, что эффективность преобразования кремниевых солнечных элементов возрастает с увеличением уровня концентрации, пропорционально логарифму концентрации, при наличии внешнего охлаждения фотоэлементов. Аналогично, многопереходные элементы с более высокой эффективностью также демонстрируют улучшение характеристик при высокой концентрации.
Наземное применение
На сегодняшний день масштабные испытания данной концепции не проводились. Вероятно, это обусловлено тем, что возросшая стоимость отражателей и системы охлаждения, как правило, не является экономически целесообразной.
Применение солнечной энергии в спутниковых системах
Теоретически, в конструкциях спутников для космической солнечной энергетики, солнечные зеркала могут снизить стоимость фотоэлектрических элементов и затраты на запуск, поскольку они, как ожидается, будут легче и дешевле, чем эквивалентные по площади фотоэлектрические панели. Корпорация Boeing изучила несколько вариантов. В их рисунке 4, озаглавленном "Архитектура 4. GEO Harris Wheel", авторы описывают систему солнечных зеркал, используемых для увеличения мощности расположенных поблизости солнечных коллекторов, с которых затем энергия передается на приемные станции на Земле.
Космические отражатели для ночного освещения
Еще одним передовым концептом освоения космоса является идея использования космических отражателей, которые направляют солнечный свет на небольшие участки на ночной стороне Земли для обеспечения ночного освещения. Одним из первых сторонников этой идеи был доктор Крафт Арнольд Эрикке, который писал о системах под названием "Лунетта", "Солетта", "Биосолетта" и "Поверсолетта". Россия провела предварительную серию экспериментов под названием "Знамя", используя прототипы солнечных парусов, переоборудованные в зеркала. "Знамя-1" представляло собой наземное испытание. "Знамя-2" был запущен на борту грузового корабля "Прогресс М-15" к космической станции "Мир" 27 октября 1992 года. После отстыковки от "Мира", "Прогресс" развернул отражатель. Эта миссия была признана успешной, так как зеркало было развернуто, хотя и не обеспечило освещение Земли. Следующий запуск "Знамя-2.5" закончился неудачей. "Знамя-3" так и не состоялся. В 2018 году город Чэнду (Китай) объявил о планах вывода на орбиту Земли трех солнечных отражателей с целью снижения потребления электроэнергии для уличного освещения. Однако высказываются сомнения в технологической реализуемости этого плана.