Solarspiegel

Ein Solarspiegel besteht aus einem Substrat mit einer reflektierenden Schicht zur Reflexion der Sonnenenergie und in den meisten Fällen einer Interferenzschicht. Es kann sich um einen Planspiegel oder um parabolische Anordnungen von Solarspiegeln handeln, die einen hohen Reflexionsgrad für Solarenergiesysteme erzielen.

Weitere Informationen zu Solarspiegeln, die für die terrestrische Energiegewinnung eingesetzt werden, finden Sie im Artikel „ Heliostat “.

Das Substrat ist die mechanische Schicht, die den Spiegel in Form hält.

Glas kann auch als Schutzschicht eingesetzt werden, um die anderen Schichten vor Abrieb und Korrosion zu schützen. Obwohl Glas spröde ist, eignet es sich gut für diesen Zweck, da es hochtransparent (geringe optische Verluste), UV- beständig , relativ hart (abriebfest), chemisch inert und gut zu reinigen ist. Es besteht aus Floatglas mit hoher optischer Transmission im sichtbaren und infraroten Bereich und ist so konfiguriert, dass es sichtbares Licht und Infrarotstrahlung durchlässt. Die Oberseite, die sogenannte „erste Oberfläche“, reflektiert aufgrund ihres höheren Brechungsindex einen Teil der einfallenden Sonnenenergie . Der größte Teil der Sonnenenergie wird durch das Glassubstrat in die unteren Schichten des Spiegels übertragen, gegebenenfalls unter Brechung , abhängig vom Einfallswinkel des Lichts.

Metallische Substrate („Metallspiegelreflektoren“) können auch in Solarreflektoren eingesetzt werden. Das NASA Glenn Research Center verwendete beispielsweise einen Spiegel mit einer reflektierenden Aluminiumoberfläche auf einem metallischen Wabenkern ^{[ 1 ]} als Prototyp für ein geplantes Stromversorgungssystem der Internationalen Raumstation . Eine Technologie nutzt Aluminium-Verbundreflektorplatten, die eine Reflektivität von über 93 % erreichen und mit einer speziellen Oberflächenbeschichtung versehen sind. Metallreflektoren bieten gegenüber Glasreflektoren einige Vorteile: Sie sind leichter, stabiler und vergleichsweise kostengünstig. Ein weiterer Vorteil ist die Beibehaltung der parabolischen Form, wodurch sich der Bedarf an Unterkonstruktionen in der Regel um mehr als 300 % reduziert. Die Oberflächenbeschichtung ermöglicht eine höhere Effizienz.

Die reflektierende Schicht ist so konzipiert, dass sie die einfallende Sonnenenergie maximal durch das Glassubstrat zurückreflektiert. Sie besteht aus einem hochreflektierenden, dünnen Metallfilm, üblicherweise aus Silber oder Aluminium , gelegentlich aber auch aus anderen Metallen. Aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber Abrieb und Korrosion ist die Metallschicht in der Regel durch das (Glas-)Substrat geschützt, und die Unterseite kann mit einer Schutzschicht, beispielsweise einer Kupferschicht und Lack, versehen sein .

Obwohl Aluminium in herkömmlichen Spiegeln verwendet wird, dient es nicht immer als reflektierende Schicht für Solarspiegel. Die Verwendung von Silber als reflektierende Schicht soll zu höheren Wirkungsgraden führen, da Silber das am besten reflektierende Metall ist. Dies liegt am Reflexionsgrad von Aluminium im UV- Bereich des Spektrums . Befindet sich die Aluminiumschicht auf der Oberfläche, ist sie der Witterung ausgesetzt, was die Korrosionsbeständigkeit des Spiegels verringert und ihn anfälliger für Abrieb macht. Eine zusätzliche Schutzschicht auf dem Aluminium würde dessen Reflexionsvermögen reduzieren.

Auf der ersten Oberfläche des Glassubstrats kann eine Interferenzschicht aufgebracht werden. ^{[ 2 ]} Diese dient zur gezielten Einstellung des Reflexionsvermögens. Sie kann auch so ausgelegt sein, dass sie diffuse Reflexionen von nahem Ultraviolettlicht bewirkt und dessen Durchdringen durch das Glassubstrat verhindert. Dadurch wird die Gesamtreflexion von nahem Ultraviolettlicht am Spiegel deutlich erhöht. Die Interferenzschicht kann je nach gewünschtem Brechungsindex aus verschiedenen Materialien wie beispielsweise Titandioxid bestehen .

Die Nutzung von Solarspiegeln als passive Form der Strahlungskühlung tagsüber zur Steuerung der Sonneneinstrahlung wurde vorgeschlagen, um lokale Temperaturanstiege zu bekämpfen und die globale Erwärmung zu verringern . ^{[ 3 ]} Die Vorschläge konzentrierten sich auf die Verwendung von Solarspiegeln sowohl auf der Erdoberfläche als auch im Weltraum.

Passive Spiegelkühlsysteme senken die Temperaturen, indem sie Sonnenstrahlung reflektieren und gleichzeitig die Spiegelbasis vor Wärmeeinstrahlung schützen. ^{[ 4 ]} Die Wirksamkeit solcher Systeme kann durch Staubablagerungen auf den Spiegeln beeinträchtigt werden; eine maximale Staubablagerung reduziert die Spiegeleffektivität um bis zu 63 %. Spiegel können jedoch durch Regen „selbstreinigen“ (wodurch die Verschmutzungsrate auf 18,6 % sinkt) oder manuell gereinigt werden. ^{[ 5 ]}

Auf lokaler Ebene wurden passive Spiegelkühlsysteme eingesetzt, um den Energieverbrauch für die Kühlung von Wohn- und Geschäftsgebäuden zu senken und so den Bedarf an Klimaanlagen zu reduzieren . ^{[ 3 ]} Es hat sich gezeigt, dass passive Spiegelflächen auf Dächern den Stromverbrauch und die Kühlkosten senken; in einer Fallstudie konnte eine Kostenreduzierung von 15 % erzielt werden. ^{[ 6 ]}

Obwohl der Einsatz von Solarspiegeln zur Steuerung der Sonneneinstrahlung im globalen Maßstab vorgeschlagen wurde, sind weitere Daten und finanzielle Mittel erforderlich. Ein gesteigertes Bewusstsein für das Potenzial passiver Strahlungskühlung zur Kostensenkung sowie ihre Rolle bei der Reduzierung der Sonneneinstrahlung könnte die Anwendungsbereiche erweitern. ^{[ 6 ]} Forscher wie Ye Tao vom MEER, die passive Spiegelkühlung im großen Maßstab befürworten, argumentieren, dass die alleinige Entfernung von Kohlendioxid nicht schnell genug wirkt, um zu verhindern, dass der globale Temperaturanstieg lebensbedrohliche Werte überschreitet. ^{[ 7 ]}

Die Intensität der solaren Wärmeenergie aus der Sonneneinstrahlung an der Erdoberfläche beträgt bei klarem Himmel etwa 1 Kilowatt pro Quadratmeter (0,093 kW/ft²) Fläche senkrecht zur Sonneneinstrahlung . Bei unkonzentrierter Solarenergie liegt die maximale Kollektortemperatur bei etwa 80–100 °C. Dies eignet sich für Raumheizung und Warmwasserbereitung. Für Anwendungen mit höheren Temperaturen, wie Kochen oder die Versorgung einer Wärmekraftmaschine oder eines Turbinengenerators , muss diese Energie konzentriert werden.

Zur Erzeugung von konzentrierter Solarenergie (CSP) für die Stromerzeugung wurden Solarthermieanlagen gebaut . ^{[ 8 ] [ 9 ]} Der große Solarturm des Sandia National Laboratory nutzt einen Stirlingmotor, der durch einen Solarspiegelkonzentrator beheizt wird . ^{[ 10 ]} Eine weitere Bauart ist das Parabolrinnensystem. ^{[ 11 ]}

Für verschiedene Anwendungen in der Raumfahrt , darunter Solarenergiesatelliten , wurden „solardynamische“ Energiesysteme vorgeschlagen , bei denen ein Reflektor Sonnenlicht auf eine Wärmekraftmaschine, beispielsweise vom Typ des Brayton-Zyklus , fokussiert . ^{[ 12 ]}

Photovoltaikzellen (PV-Zellen), die Sonnenstrahlung direkt in Strom umwandeln , sind pro Flächeneinheit recht teuer. Einige PV-Zellentypen, z. B. Galliumarsenidzellen , können, wenn sie gekühlt werden, bis zu 1000-mal so viel Strahlung effizient umwandeln, wie normalerweise durch direkte Sonneneinstrahlung zugeführt wird.

Tests von Sewang Yoon und Vahan Garboushian für Amonix Corp. ^{[ 13 ]} zeigten, dass der Wirkungsgrad von Siliziumsolarzellen mit steigender Konzentration proportional zum Logarithmus der Konzentration zunimmt, sofern eine externe Kühlung der Fotozellen gewährleistet ist. Auch hocheffiziente Mehrfachsolarzellen weisen bei hoher Konzentration eine Leistungssteigerung auf. ^{[ 14 ]}

Bislang wurden keine groß angelegten Tests dieses Konzepts durchgeführt. Vermutlich liegt dies daran, dass die höheren Kosten für die Reflektoren und die Kühlung im Allgemeinen wirtschaftlich nicht gerechtfertigt sind.

Theoretisch könnten Solarspiegel bei weltraumgestützten Solarenergiesatelliten die Kosten für Photovoltaikzellen und den Start senken, da sie voraussichtlich leichter und kostengünstiger als gleich große Photovoltaikzellenflächen sind. Die Boeing Corporation untersuchte verschiedene Optionen. ^{[ 15 ]} In ihrer Abbildung 4 mit der Bildunterschrift „Architektur 4. GEO Harris Wheel“ beschreiben die Autoren ein System von Solarspiegeln, das die Leistung nahegelegener Solarkollektoren verstärkt. Der so erzeugte Strom wird anschließend zu Empfangsstationen auf der Erde übertragen.

Ein weiterer fortschrittlicher Vorschlag für ein Weltraumkonzept ist die Idee von Weltraumreflektoren, die Sonnenlicht auf kleine Punkte auf der Nachtseite der Erde lenken, um dort für Beleuchtung zu sorgen. Ein früher Befürworter dieses Konzepts war Dr. Krafft Arnold Ehricke , der über Systeme mit den Bezeichnungen „Lunetta“, „Soletta“, „Biosoletta“ und „Powersoletta“ schrieb. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Russland führte eine Vorversuchsreihe namens Znamya („Banner“) durch, bei der Prototypen von Sonnensegeln zu Spiegeln umfunktioniert wurden. Znamya-1 war ein Bodentest. Znamya-2 startete am 27. Oktober 1992 an Bord der Progress-M-15- Versorgungsmission zur Raumstation Mir. Nach dem Abkoppeln von Mir entfaltete die Progress den Reflektor. ^{[ 18 ] [ 19 ]} Diese Mission war insofern erfolgreich, als der Spiegel entfaltet wurde, obwohl er die Erde nicht beleuchtete. Der nächste Flug, Znamya-2.5, schlug fehl. ^{[ 20 ] [ 21 ]} Znamya-3 fand nie statt.

Im Jahr 2018 kündigte Chengdu in China Pläne an, drei Solarreflektoren in die Erdumlaufbahn zu bringen, um den Stromverbrauch der Straßenbeleuchtung zu reduzieren. ^{[ 22 ]} Es wurden jedoch Zweifel an der technischen Machbarkeit des Vorhabens geäußert. ^{[ 23 ]}

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