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.
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Consulte el artículo " Heliostato " para obtener más información sobre los espejos solares utilizados para la energía terrestre.
Componentes
Sustrato de vidrio o metal
El sustrato es la capa mecánica que mantiene la forma del espejo.
El vidrio también se puede utilizar 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, ya que 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 la "primera superficie", reflejará parte de la energía solar incidente, debido a que el coeficiente de reflexión causado por su índice de refracción es más alto que el 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 cuando la luz entra en el espejo.
Los sustratos metálicos ("reflectores de espejo de metal") también se pueden utilizar en reflectores solares. El Centro de Investigación Glenn de la NASA , por ejemplo, utilizó un espejo que comprende una superficie de aluminio reflectante sobre un panal metálico [1] como unidad reflectora prototipo 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 recubrimiento especial para proteger la superficie. Los reflectores de metal ofrecen algunas ventajas sobre los reflectores de vidrio, ya que son livianos y más fuertes que el vidrio y relativamente económicos. La capacidad de conservar la forma parabólica en los reflectores es otra ventaja y, normalmente, los requisitos del bastidor auxiliar se reducen en más del 300%. El revestimiento reflectante de la superficie superior permite una mejor eficiencia.
Capa reflectante
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 película fina de metal 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 usa 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 ] La ubicación de 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.
Capa de interferencia
Puede ubicarse una capa de interferencia en la primera superficie del sustrato de vidrio. [2] Se puede utilizar para adaptar la reflectancia. También puede diseñarse para reflectancia difusa de radiación casi ultravioleta, con el fin de evitar que pase a través del sustrato de vidrio. Esto mejora sustancialmente la reflexión 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 dióxido de titanio .
Aplicaciones solares térmicas
La intensidad de la energía solar térmica 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 80–100 ° C (176–212 ° F). Esto es útil para calentar espacios y calentar agua. Para aplicaciones de temperatura más alta, como cocinar o suministrar un motor térmico o turbina - generador eléctrico , esta energía debe concentrarse.
Aplicaciones terrestres
Se han construido sistemas solares térmicos para producir energía solar concentrada (CSP), para generar electricidad. [3] [4] La gran torre de energía solar Sandia Lab utiliza un motor Stirling calentado por un concentrador de espejos solares . [5] Otra configuración es el sistema de canal. [6]
Aplicación de energía espacial
Se han propuesto sistemas de energía "solar dinámica" para diversas aplicaciones de naves espaciales , incluidos los satélites de energía solar , en los que un reflector enfoca la luz solar en un motor térmico como el de ciclo Brayton . [7]
Aumento fotovoltaico
Las células fotovoltaicas (PV) que pueden convertir la radiación solar directamente en electricidad son bastante caras por unidad de área. Algunos tipos de células fotovoltaicas, por ejemplo, el arseniuro de galio , si se enfrían, son capaces de convertir de manera eficiente hasta 1000 veces más radiación que la que proporciona normalmente la simple exposición a la luz solar directa.
En pruebas realizadas por Sewang Yoon y Vahan Garboushian, para Amonix Corp. [8] 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 las fotocélulas dispongan de refrigeración externa. De manera similar, las celdas multifuncionales de mayor eficiencia también mejoran su rendimiento con alta concentración. [9]
Aplicación terrestre
Hasta la fecha, no se han realizado pruebas a gran escala sobre este concepto. Es de suponer que esto se debe a que el mayor coste de los reflectores y la refrigeración generalmente no se justifica económicamente.
Aplicación de satélite de energía solar
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 ligeros y más baratos que las grandes áreas equivalentes de células fotovoltaicas. La corporación Boeing estudió varias opciones . [10] 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 potencia se transmite a las estaciones receptoras en la tierra. .
Reflectores espaciales para iluminación nocturna
Otra propuesta de concepto espacial avanzado es la noción de reflectores espaciales que reflejan la luz solar en pequeños puntos en el lado nocturno de la Tierra para proporcionar iluminación nocturna. Uno de los primeros proponentes de este concepto fue el Dr. Krafft Arnold Ehricke , quien escribió sobre sistemas llamados "Lunetta", "Soletta", "Biosoletta" y "Powersoletta". [11] [12]
Rusia realizó una serie preliminar de experimentos denominada Znamya ("Banner"), utilizando prototipos de velas solares que habían sido reutilizados como espejos. Znamya-1 fue una prueba en tierra. El 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, el Progress desplegó el reflector. [13] [14] Esta misión tuvo éxito porque el espejo se desplegó, aunque no iluminó la Tierra. El siguiente vuelo Znamya-2.5 falló. [15] [16] 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 las farolas. [17] Se ha expresado escepticismo con respecto a la viabilidad tecnológica del plan. [18]
Ver también
- Cilindro parabólico
- Colector solar térmico
- Fotovoltaica
- Solar pasivo
- Seguidor solar
- Pistola solar
Referencias
- ^ Centro de investigación Glenn de la NASA, 1987 Programa de investigación de pequeñas empresas de fase II, "Mejora de la faceta del espejo", Cinética solar, Resumen archivado de Dallas, TX
- ^ "Espejo solar, proceso para su fabricación y su uso" . 12 de diciembre de 1993 . Consultado el 3 de mayo de 2007 .
- ^ Sandia Labs - Descripción general de tecnologías CSP
- ^ PowerTower El gran diseño desarrollado por Sandia National Labs Archivado el 17 de noviembre de 2004 en la Wayback Machine.
- ^ Sandia Lab - Motor de plato solar Archivado el 17 de noviembre de 2004 en la Wayback Machine.
- ↑ Sandia Lab - Trough System Archivado el 28 de octubre de 2004 en la Wayback Machine.
- ^ Mason, Lee S .; Richard K. Shaltens; James L. Dolce; Robert L. Cataldo (enero de 2002). "Estado del desarrollo de conversión de energía de ciclo Brayton en NASA GRC" (PDF) . Centro de Investigación Glenn de la NASA . NASA TM-2002-211304. Archivado desde el original (PDF) el 13 de octubre de 2006 . Consultado el 25 de febrero de 2007 .
- ^ Yoon, Sewang; Vahan Garboushian (sin fecha). "Dependencia de temperatura reducida de voltaje de circuito abierto de célula solar fotovoltaica de alta concentración (Voc) a niveles de alta concentración" . Amonix Corp. Archivado desde el original el 2 de febrero de 2007 . Consultado el 25 de febrero de 2007 .
- ^ G. Landis, D. Belgiovani y D. Scheiman, "Coeficiente de temperatura de células solares espaciales multifuncionales como una función de concentración", 37ª Conferencia de especialistas fotovoltaicos de IEEE , Seattle WA, 19-24 de junio de 2011.
- ^ Potter, Seth D .; Harvey J. Willenberg; Mark W. Henley; Steven R. Kent (6 de mayo de 1999). "Opciones de arquitectura para la energía solar espacial" (PDF) . XIV Conferencia de Alta Frontera . Princeton, Nueva Jersey, EE.UU .: Instituto de Estudios Espaciales . Consultado el 25 de febrero de 2007 .
- ^ Ehricke, Krafft Arnold (1 al 4 de septiembre de 1999). "Power Soletta: Un sol industrial para Europa - Posibilidades de un suministro económicamente viable con energía solar". Raumfahrtkongress, 26 (en alemán). 14 . Berlín, Alemania Occidental: Hermann-Oberth-Gesellschaft. págs. 85–87. Código bibliográfico : 1977hogr ... 14 ... 85E .
- ^ Ehricke, Krafft Arnold (enero-febrero de 1978). "El imperativo extraterrestre" . Revisión de la Universidad del Aire . Fuerza Aérea de los Estados Unidos . XXIX (2) . Consultado el 25 de febrero de 2007 .
- ^ McDowell, Jonathan (10 de febrero de 1993). "Informe espacial de Jonathan - No 143 - Mir" . Informe espacial de Jonathan . Jonathan McDowell . Consultado el 25 de febrero de 2007 .
- ^ Wade, Mark (sin fecha). "Mir EO-12" . Enciclopedia Astronautica . Mark Wade . Consultado el 25 de febrero de 2007 .
- ^ BBC, Sci / Tech: Znamya falls to Earth , 4 de febrero de 1999 (consultado el 24 de agosto de 2011)
- ^ Wade, Mark (sin fecha). "Mir News 453: Znamya 2.5" . Enciclopedia Astronautica . Mark Wade. Archivado desde el original el 30 de septiembre de 2007 . Consultado el 25 de febrero de 2007 .
- ^ Xiao, Bang (18 de octubre de 2018). "China planea lanzar una luna artificial lo suficientemente brillante como para reemplazar las farolas en 2020" . ABC News . Consultado el 4 de octubre de 2019 .
- ^ Viernes, Nathaniel Scharping | Publicado; 26 de octubre; 2018. "Por qué la luna artificial de China probablemente no funcionará" . Astronomy.com . Consultado el 18 de septiembre de 2020 .CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )