Купол — первый элемент, который встречает свет. От его материала и формы зависит, какая доля потока вообще попадёт в шахту световода.
Свет, проходящий перпендикулярно через светопрозрачный материал, на выходе теряет разную долю потока: поликарбонат — до 12%, стекло — до 10%, органическое стекло (Plexiglass) — до 8%. Под углом потери растут, а с какого-то момента свет через материал уже не проходит. Причина — предельный угол отражения и показатель преломления материала.
Рисунок 1. Предельный угол отражения.
Эффективность купола зависит от высоты, формы и кривизны. Плоская форма снижает КПД почти на треть по сравнению с обычным полусферическим куполом — особенно при низком солнце: рано утром, поздно вечером и зимой.
Рисунок 2. Формы куполов: a — сферический; b — усечённый конус; c — цилиндрический; d — усечённый цилиндр; e — кристалловидный; f — частично кристалловидный с линзами; g — грибовидный.
Светоулавливающий купол выполнен из ПММА (полиметилметакрилата). У этого материала высокая прозрачность, которая не меняется со временем; химическая инертность, позволяющая применять разные чистящие средства; стойкость к абразивным воздействиям, благодаря которой поверхность долго сохраняет вид. Оптические свойства ПММА тоже высокие.
Прямой и диффузный солнечный свет, проходящий через конический купол с нанесёнными по периметру линзами (выполненными по подобию линз Френеля), теряет от 15% до 30% потока. Потери складываются из поглощения материалом купола — не менее 10% для поликарбоната — и примерно 2% при переходе света через изгиб трубы.
Рисунок 3. Разновидности купола в форме усечённой полусферы.
Такая конструкция купола направлена на юг и работает не на преломлении, как линза Френеля, а на предельных углах отражения. Сбор светового потока увеличивается почти на 30%: в устье световода поступает не 92% захваченного света, а 122%. Даже при низких углах солнца свет устремляется в шахту световода.
Купол — лишь один из светопрозрачных элементов на пути луча. По техническому паспорту коэффициент пропускания светособирающей линзы составляет свыше 92–94%, термобарьера — свыше 92–94%, светорассеивателя — свыше 92%. Общий коэффициент светопропускания системы получается перемножением: 0,94 × 0,94 × 0,94 × 0,94 = 0,78.
Отражающая способность зеркального тубуса — свыше 99,8%, поэтому основные потери приходятся именно на светопрозрачные элементы, а не на длину шахты. Индекс цветопередачи света на выходе — CRI 99, то есть цвета в помещении выглядят так же, как под настоящим дневным светом.
Эффективность использования солнечных световодов выражается формулой:
где τc — коэффициент пропускания купола и промежуточной линзы; τd — коэффициент пропускания диффузора; Кm — коэффициент эксплуатации, он показывает количество чисток в год; К1 — обобщающий коэффициент вводного и выходного устройства; ξ — эффективность светопропускания светоотражающего канала. Она зависит от коэффициента отражения канала ρ, длины l и диаметра D световода, а также угла входа света θ.
Эффективность светопропускания светоотражающего канала:
Угол θ — угол входа лучей в световод от его оси. Когда световод стоит перпендикулярно горизонтальной кровле, θ равен зенитному расстоянию Солнца.
Поскольку у купола в форме усечённой полусферы зависимость от угла θ снижается, эффективность световода растёт примерно на 30%.
