Un miroir solaire contient un substrat avec une couche réfléchissante pour réfléchir l’énergie solaire et, dans la plupart des cas, une couche d’interférence. Cela peut être un miroir plan ou des réseaux paraboliques de miroirs solaires utilisés pour obtenir un facteur de réflexion sensiblement concentré pour les systèmes d’énergie solaire.

Voir l’article « Héliostat » pour plus d’informations sur les miroirs solaires utilisés pour l’énergie terrestre.

Composants

Substrat en verre ou en métal
Le substrat est la couche mécanique qui maintient le miroir en forme.

Le verre peut également être utilisé comme couche protectrice pour protéger les autres couches de l’abrasion et de la corrosion. Bien que le verre soit cassant, c’est un bon matériau car il est très transparent (faibles pertes optiques), résistant à la lumière ultraviolette (UV), assez dur (résistant à l’abrasion), chimiquement inerte et assez facile à nettoyer. Il est composé d’un verre flotté avec des caractéristiques de transmission optique élevées dans le visible et l’infrarouge, et est configuré pour transmettre la lumière visible et le rayonnement infrarouge. La surface supérieure, appelée « première surface », reflétera une partie de l’énergie solaire incidente, en raison du coefficient de réflexion causé par son indice de réfraction supérieur à celui de l’air. La majeure partie de l’énergie solaire est transmise par le substrat en verre aux couches inférieures du miroir, éventuellement avec une certaine réfraction, en fonction de l’angle d’incidence à mesure que la lumière pénètre dans le miroir.

Des substrats métalliques (« réflecteurs de miroir en métal ») peuvent également être utilisés dans les réflecteurs solaires. Par exemple, le centre de recherche de la NASA Glenn a utilisé un miroir comprenant une surface réfléchissante en aluminium sur un nid d’abeilles métallique en tant qu’unité de réflecteur prototype pour un système d’alimentation proposé pour la station spatiale internationale. Une technologie utilise des panneaux réflecteurs composites en aluminium, réalisant une réflectivité supérieure à 93% et revêtue d’un revêtement spécial pour la protection des surfaces. Les réflecteurs en métal offrent certains avantages par rapport aux réflecteurs en verre, car ils sont légers et plus résistants que le verre et relativement peu coûteux. La possibilité de conserver une forme parabolique dans les réflecteurs est un autre avantage, et les exigences relatives aux sous-châssis sont normalement réduites de plus de 300%. Le revêtement réfléchissant de la surface supérieure permet une meilleure efficacité.

Couche réfléchissante
La couche réfléchissante est conçue pour refléter la quantité maximale d’énergie solaire incidente sur le substrat en verre. La couche comprend un film métallique mince hautement réfléchissant, habituellement de l’argent ou de l’aluminium, mais occasionnellement d’autres métaux. En raison de la sensibilité à l’abrasion et à la corrosion, la couche métallique est généralement protégée par le substrat (en verre) du dessus et le fond peut être recouvert d’un revêtement protecteur tel qu’une couche de cuivre et un vernis.

Malgré l’utilisation de l’aluminium dans les miroirs génériques, l’aluminium n’est pas toujours utilisé comme couche réfléchissante pour un miroir solaire. L’utilisation de l’argent comme couche réfléchissante est censée conduire à des niveaux d’efficacité plus élevés, car c’est le métal le plus réfléchissant. Ceci est dû au facteur de réflexion de l’aluminium dans la région UV du spectre. En positionnant la couche d’aluminium sur la première surface, il est exposé aux intempéries, ce qui réduit la résistance du miroir à la corrosion et le rend plus sensible à l’abrasion. L’ajout d’une couche protectrice à l’aluminium réduirait sa réflectivité.

Couche d’interférence
Une couche d’interférence peut être située sur la première surface du substrat en verre. Il peut être utilisé pour adapter la réflectance. Il peut également être conçu pour une réflectance diffuse du rayonnement proche ultraviolet, afin d’éviter son passage à travers le substrat de verre. Cela améliore sensiblement la réflexion globale du rayonnement ultraviolet proche du miroir. La couche d’interférence peut être constituée de plusieurs matériaux, en fonction de l’indice de réfraction souhaité, tel que le dioxyde de titane.

Applications thermiques solaires
L’intensité de l’énergie solaire thermique provenant du rayonnement solaire à la surface de la Terre est d’environ 1 kilowatt par mètre carré (0,093 kW / pi²), soit une superficie normale à celle du soleil, par temps clair. Lorsque l’énergie solaire n’est pas concentrée, la température maximale du capteur est d’environ 80–100 ° C (176–212 ° F). Ceci est utile pour le chauffage et le chauffage de l’eau. Pour les applications à plus haute température, telles que la cuisson ou l’alimentation d’un moteur thermique ou d’un générateur à turbine électrique, cette énergie doit être concentrée.

Applications terrestres
Des systèmes solaires thermiques ont été construits pour produire de l’énergie solaire concentrée (CSP), génératrice d’électricité. La grande tour solaire Sandia Lab utilise un moteur Stirling chauffé par un concentrateur à miroir solaire. Une autre configuration est le système à auge.

Application de puissance spatiale
Des systèmes d’énergie « à dynamique solaire » ont été proposés pour diverses applications d’engins spatiaux, notamment des satellites solaires, où un réflecteur concentre la lumière solaire sur un moteur thermique tel que le type à cycle de Brayton.

Augmentation photovoltaïque
Les cellules photovoltaïques (PV), capables de convertir directement le rayonnement solaire en électricité, sont assez chères par unité de surface. Certains types de cellules photovoltaïques, par exemple l’arséniure de gallium, si elles sont refroidies, sont capables de convertir efficacement jusqu’à 1 000 fois plus de rayonnements que la simple exposition à la lumière directe du soleil.

Dans les tests effectués par Sewang Yoon et Vahan Garboushian, pour Amonix Corp., l’efficacité de conversion des cellules solaires en silicium augmente à des niveaux de concentration plus élevés, proportionnellement au logarithme de la concentration, à condition que les photocellules disposent d’un refroidissement externe. De même, les cellules multijonction à plus haute efficacité améliorent également les performances avec une concentration élevée.

Application terrestre
À ce jour, aucun test à grande échelle n’a été effectué sur ce concept. Cela est probablement dû au fait que le coût accru des réflecteurs et du refroidissement n’est généralement pas économiquement justifié.

Application satellite d’énergie solaire
Théoriquement, les miroirs solaires pourraient réduire les coûts des cellules photovoltaïques et les coûts de lancement, car ils devraient être plus légers et moins chers que les grandes surfaces équivalentes de cellules photovoltaïques. Plusieurs options ont été étudiées par Boeing Corporation. Dans leur figure 4 intitulée «Architecture 4. GEO Harris Wheel», les auteurs décrivent un système de miroirs solaires utilisés pour augmenter la puissance de certains capteurs solaires à proximité, à partir desquels la puissance est ensuite transmise aux stations de réception de la Terre.

Réflecteurs spatiaux pour éclairage de nuit
Une autre proposition avancée de concept d’espace est la notion de réflecteurs spatiaux qui réfléchissent la lumière du soleil sur de petits points du côté nocturne de la Terre pour fournir un éclairage nocturne. Un des premiers partisans de ce concept était le Dr Krafft Arnold Ehricke, qui a écrit sur les systèmes appelés « Lunetta », « Soletta », « Biosoletta » et « Powersoletta ».

Une série préliminaire d’expériences appelée Znamya (« Bannière ») a été réalisée par la Russie à l’aide de prototypes de voiles solaires qui ont été réutilisés comme miroirs. Znamya-1 était un test au sol. Znamya-2 a été lancé à bord de la mission de réapprovisionnement Progress M-15 à la station spatiale Mir le 27 octobre 1992. Après avoir été détaché de Mir, le Progress a déployé le réflecteur. Cette mission a été un succès dans la mesure où le miroir a été déployé, bien qu’il n’ait pas illuminé la Terre. Le prochain vol Znamya-2.5 a échoué. Znamya-3 n’a jamais volé.