مرآة شمسية

الركيزة هي الطبقة الميكانيكية التي تحافظ على شكل المرآة.

يمكن استخدام الزجاج كطبقة واقية لحماية الطبقات الأخرى من التآكل والصدأ. ورغم هشاشة الزجاج، إلا أنه مادة مثالية لهذا الغرض، نظرًا لشفافيته العالية (فقدان بصري منخفض)، ومقاومته للأشعة فوق البنفسجية ، وصلابته النسبية (مقاومته للتآكل)، وخموله الكيميائي، وسهولة تنظيفه. يتكون الزجاج من طبقة زجاجية مصقولة ذات خصائص نقل بصري عالية في نطاقي الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء ، وهو مصمم لنقل الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء. يعكس السطح العلوي، المعروف باسم "السطح الأول"، جزءًا من الطاقة الشمسية الساقطة، نظرًا لمعامل انعكاسه العالي الناتج عن معامل انكساره الأعلى من الهواء. تنتقل معظم الطاقة الشمسية عبر الطبقة الزجاجية إلى الطبقات السفلية للمرآة، مع احتمال حدوث انكسار طفيف ، وذلك تبعًا لزاوية سقوط الضوء عند دخوله المرآة.

يمكن استخدام الركائز المعدنية ("عاكسات المرايا المعدنية") في عاكسات الطاقة الشمسية. فعلى سبيل المثال، استخدم مركز جلين للأبحاث التابع لناسا مرآةً تتكون من سطح ألومنيوم عاكس على هيكل معدني على شكل قرص عسل ^{[ 1 ]} كوحدة عاكسة نموذجية لنظام طاقة مقترح لمحطة الفضاء الدولية . وتستخدم إحدى التقنيات ألواح عاكسة مركبة من الألومنيوم، محققةً انعكاسية تزيد عن 93% ومغطاة بطبقة طلاء خاصة لحماية السطح. توفر العاكسات المعدنية بعض المزايا مقارنةً بالعواكس الزجاجية، فهي خفيفة الوزن وأكثر متانة من الزجاج وأقل تكلفة نسبيًا. ومن المزايا الأخرى القدرة على الحفاظ على الشكل القطعي المكافئ في العاكسات، وعادةً ما يتم تقليل متطلبات الإطار الفرعي بأكثر من 300% . كما أن طبقة الطلاء العاكسة على السطح العلوي تُحسّن الكفاءة.

صُممت الطبقة العاكسة لتعكس أكبر قدر ممكن من الطاقة الشمسية الساقطة عليها، عائدةً عبر الركيزة الزجاجية. تتكون هذه الطبقة من غشاء معدني رقيق عالي الانعكاس، عادةً ما يكون من الفضة أو الألومنيوم ، ولكن في بعض الأحيان من معادن أخرى. ونظرًا لحساسية الطبقة المعدنية للتآكل والصدأ، فإنها عادةً ما تكون محمية بالركيزة الزجاجية العلوية، وقد تُغطى الطبقة السفلية بطبقة واقية، مثل طبقة من النحاس والورنيش .

على الرغم من استخدام الألومنيوم في المرايا الشائعة، إلا أنه لا يُستخدم دائمًا كطبقة عاكسة في المرايا الشمسية. يُزعم أن استخدام الفضة كطبقة عاكسة يُحسّن الكفاءة، نظرًا لكونها المعدن الأكثر انعكاسًا. ويعود ذلك إلى معامل انعكاس الألومنيوم في نطاق الأشعة فوق البنفسجية . وضع طبقة الألومنيوم على السطح الخارجي يُعرّضها لعوامل التجوية، مما يُقلل من مقاومتها للتآكل ويجعلها أكثر عرضة للخدش. إضافة طبقة واقية إلى الألومنيوم من شأنه أن يُقلل من انعكاسيته.

قد توضع طبقة تداخل على السطح الأول للركيزة الزجاجية. ^{[ 2 ]} ويمكن استخدامها لضبط الانعكاس. كما يمكن تصميمها لانعكاس الأشعة فوق البنفسجية القريبة بشكل منتشر، لمنعها من المرور عبر الركيزة الزجاجية. وهذا يُحسّن بشكل كبير الانعكاس الكلي للأشعة فوق البنفسجية القريبة من المرآة. ويمكن تصنيع طبقة التداخل من عدة مواد، حسب معامل الانكسار المطلوب، مثل ثاني أكسيد التيتانيوم .

تعمل أنظمة التبريد السلبي للمرايا على خفض درجات الحرارة عن طريق عكس الإشعاع الشمسي مع حماية قاعدة المرايا من اختراق الحرارة. ^{[ 4 ]} قد تنخفض فعالية هذه الأنظمة مع تراكم الغبار على المرايا، حيث يؤدي تراكم الغبار إلى خفض فعالية المرآة بنسبة 63%. ومع ذلك، يمكن تنظيف المرايا ذاتيًا بواسطة المطر (مما يقلل معدل الاتساخ إلى 18.6%) أو تنظيفها يدويًا. ^{[ 5 ]}

على الصعيد المحلي، تم تطبيق أنظمة التبريد بالمرايا السلبية لخفض استهلاك الطاقة المستخدمة لتبريد المباني السكنية والتجارية، وبالتالي تقليل الحاجة إلى تكييف الهواء . ^{[ 3 ]} وقد ثبت أن وضع أسطح عاكسة سلبية على الأسطح يقلل من استهلاك الكهرباء وتكاليف التبريد، حيث أظهرت إحدى الدراسات انخفاضًا في التكاليف بنسبة 15%. ^{[ 6 ]}

رغم اقتراح استخدام المرايا الشمسية كشكل من أشكال إدارة الإشعاع الشمسي على نطاق عالمي، إلا أن هناك حاجة إلى مزيد من البيانات والتمويل. وقد يؤدي رفع مستوى الوعي بإمكانات التبريد الإشعاعي السلبي في خفض التكاليف، فضلاً عن دوره في الحد من الإشعاع الشمسي، إلى زيادة تطبيقاته. ^{[ 6 ]} ويرى باحثون يدعمون تطبيقات التبريد بالمرايا السلبية على نطاق واسع، مثل يي تاو من مركز أبحاث الطاقة المتجددة (MEER)، أن إزالة ثاني أكسيد الكربون وحدها لن تكون كافية بالسرعة اللازمة لمنع ارتفاع درجات الحرارة العالمية من تجاوز مستويات تهدد الحياة. ^{[ 7 ]}

تم إنشاء أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية لإنتاج الطاقة الشمسية المركزة (CSP) لتوليد الكهرباء. ^{[ 8 ] [ 9 ]} يستخدم برج الطاقة الشمسية الضخم في مختبر سانديا محرك ستيرلينغ يتم تسخينه بواسطة مُركِّز مرآة شمسية . ^{[ 10 ]} وهناك تصميم آخر هو نظام الأحواض. ^{[ 11 ]}

تم اقتراح أنظمة الطاقة "الديناميكية الشمسية" لتطبيقات المركبات الفضائية المختلفة ، بما في ذلك أقمار الطاقة الشمسية ، حيث يقوم عاكس بتركيز ضوء الشمس على محرك حراري مثل دورة برايتون . ^{[ 12 ]}

لم تُجرَ حتى الآن أي اختبارات واسعة النطاق على هذا المفهوم. يُفترض أن السبب في ذلك هو أن التكلفة المتزايدة للعواكس والتبريد لا تُبررها الجدوى الاقتصادية عموماً.

نظريًا، بالنسبة لتصميمات أقمار الطاقة الشمسية الفضائية ، يمكن للمرايا الشمسية أن تقلل من تكاليف الخلايا الكهروضوئية وتكاليف الإطلاق، نظرًا لأنها من المتوقع أن تكون أخف وزنًا وأقل تكلفة من الخلايا الكهروضوئية ذات المساحات الكبيرة المكافئة. وقد درست شركة بوينغ عدة خيارات في هذا الصدد. ^{[ 15 ]} في الشكل 4، المعنون "البنية 4: عجلة هاريس المدارية"، يصف المؤلفون نظامًا من المرايا الشمسية يُستخدم لزيادة طاقة بعض المجمعات الشمسية القريبة، والتي تُنقل منها الطاقة إلى محطات الاستقبال على الأرض.