1 июня 2026
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНИЧЕСКОГО КОНЦЕНТРАТОРА
1. Конструктивные особенности базовой системы SOLARGY SW C
В системах SOLARGY SW C используется усечённая зеркальная шахта с углом усечения 30° от вертикали, закрытая плоской призматической линзой из Plexiglas. Такая геометрия увеличивает площадь светоприёмного устья по сравнению с перпендикулярным сечением:
- Диаметр тубуса 530 мм → перпендикулярное сечение S⟂ = π·(0,53/2)² ≈ 0,2206 м².
- При усечении 30° эллиптическое устье имеет площадь S30 = π·(0,53/2)·(0,53/(2·cos30°)) = π·0,265·0,306 ≈ 0,2547 м².
- Увеличение площади: 0,2547 / 0,2206 ≈ 1,1547 → +15,5% (теоретически).
В технической документации SOLARGY указана площадь 0,27 м² и прирост +18% – возможно, из-за других допусков или фактического эллипса. В данной работе теоретическая модель использует точный угол 30°.
2. Теоретическая модель эффективности узлов
Расчёты выполнены в соответствии с файлами «Расчет концентратора полный.xlsx» и «Расчет концентратора.xlsx».
2.1. Наклонное светоприёмное устье (боковой концентратор)
При угле наклона α = 30° и диаметре шахты D = 400 мм (или 900 мм):
- Высота боковой стенки: H = D·tgα.
- Площадь дополнительного отражателя: Sбк = π·D·H / 2.
- Площадь проекции устья: Sсу = π·(D/1000)² / (4·cosα).
- Общая эффективная площадь узла: Sузла = Sсш + Sбк, где Sсш – поперечное сечение шахты.
- Коэффициент эффективности концентратора = Sузла / Sсш. Для D=400 мм: Sсш=0,12566 м², Sбк=0,0725 м² → коэффициент ≈ 1,577.
Вывод: Теоретически боковой концентратор увеличивает собирающую способность в 1,58 раза (+58%) по сравнению с прямым срезом. В реальности потери на отражениях и угле входа снижают этот выигрыш.
2.2. Светопроводная шахта (цилиндрический тубус)
Коэффициент отражения зеркальной поверхности (серебро с защитным покрытием) принят ρ = 0,998 (99,8%). Для луча, падающего под углом θ к оси, количество отражений на длине L: n = ⌊L / (D·tgθ)⌋. Эффективность шахты для данного угла: ρn. Интегрированием по всем углам получена средняя эффективность:
- Для L = 1 м, D = 0,4 м средняя эффективность ≈ 0,99 (99%).
- С учётом потерь на входном стекле (купол) и рассеивателе (множитель 0,92³·0,9 ≈ 0,70) общая эффективность системы «купол + шахта» составляет около 0,69–0,70.
Это хорошо согласуется с экспериментом: прямой тубус длиной 600 мм без стекла дал эффективность 0,942 (потеря 5,8%), а со стеклом – 0,85 (потеря 15%).
2.3. Конический концентратор
Параметры исследованного концентратора: длина Lk = 760 мм, входной диаметр Dвх = 530 мм, выходной Dвых = 450 мм.
- Геометрический коэффициент концентрации по площади: (530/450)² ≈ 1,387 (+38,7%).
- Угол конуса: j = arctg((530-450)/2 / 760) = arctg(80/760) ≈ 6,0°.
- Предельный угол приёма: θmax = 90° - j ≈ 84°. В расчётах принят угол входа P = 40°.
- Максимальный теоретический коэффициент концентрации для двумерного концентратора с углом приёма P: Cmax = 1 / sin P. При P=40°, Cmax ≈ 1,555.
Геометрический коэффициент 1,387 меньше предельного 1,555, поэтому концентратор может работать без потерь света в пределах угла 40°.
Результат трассировки лучей (по формулам Excel): для угла входа 40° луч делает 1–2 отражения и успешно выходит из концентратора. Потери на отражениях при ρ=0,998 составляют менее 1% на каждое отражение. Таким образом, теоретическая эффективность концентратора должна быть близка к геометрическому коэффициенту (1,387).
3. Экспериментальные данные (натурные измерения)
Испытания проводились на масштабной модели с размерами, указанными в файле «803 Исследование конического концентратора.xlsx». Ниже приведены результаты для конического концентратора (530→450 мм) и комбинации с боковым концентратором (устанавливался поверх конического).
3.1. Конический концентратор – отдельно
Высокая освещённость (облачное солнце, 68–74 лк)
| Конфигурация | Δ, % (эксперимент) | Теоретический предел (геом. коэф.) |
|---|---|---|
| Без стекла | +73,1% | +38,7% (геом.) |
| Прозрачное стекло | +64,5% | +38,7% × 0,85 (потери стекла) ≈ +18% |
| Матовое стекло | −40,4% | не применимо |
Наблюдение: Экспериментальный прирост значительно превышает теоретический геометрический коэффициент (73% против 38%). Это объясняется тем, что в эксперименте при облачном солнце присутствует рассеянный свет, который собирается не только с площади входного устья, но и с боковых направлений (благодаря наклонным стенкам концентратора). Простая модель по площади не учитывает сбор рассеянного излучения.
Низкая освещённость (облачно, 5–12 лк)
| Конфигурация | Δ, % (эксперимент) |
|---|---|
| Без стекла | +14,3% |
| Прозрачное стекло | +9,2% |
| Матовое стекло | −34,2% |
3.2. Комбинация конического и бокового концентраторов
Боковой концентратор устанавливался поверх конического. Результаты (низкая освещённость):
| Конфигурация | Δ, % (эксперимент) | Теоретический коэфф. (Sузла/Sсш) |
|---|---|---|
| Конический + боковой (без стекла) | +40,3% | 1,577 (боковой) × 1,387 (конический) ≈ 2,186 → +118% |
| + прозрачное стекло | +28,9% | |
| + рассеиватель | +13,7% | |
| + матовое стекло | −22,4% |
Теоретический максимальный прирост от комбинации (без учёта потерь) составляет +118%, что намного выше экспериментальных +40%. Расхождение связано с тем, что боковой концентратор эффективен только для узкого диапазона углов, а в облачную погоду свет падает хаотично. Кроме того, потери на отражениях в двух последовательных концентраторах возрастают.
4. Сравнение теории и эксперимента
| Устройство | Теоретический max прирост | Экспериментальный прирост (без стекла) | Причина расхождения |
|---|---|---|---|
| Прямой тубус | ≈0% (потери на отражениях ~1%) | −5,8% (выс. осв.) / +0,6% (низк. осв.) | Хорошее согласие, погрешность измерений |
| Конический концентратор | +38,7% (геом.) | +73% (выс. осв.) / +14% (низк. осв.) | При высокой освещённости рассеянный свет даёт дополнительный выигрыш; при низкой – ближе к геометрическому |
| Конический + боковой | +118% (геом.) | +40% (низк. осв.) | Боковой концентратор малоэффективен при облачной погоде из-за широкого углового распределения света |
Общий вывод по сравнению: Теоретические модели дают верхнюю границу возможного прироста. В реальных условиях при рассеянном освещении (облачно) эффективность ниже из-за потерь на отражениях и неоптимальных углов. Однако при ярком солнце и рассеянном свете (облачное солнце) конический концентратор показывает удивительно высокий результат (73%), что указывает на его способность собирать свет не только с геометрической площади, но и с боковых направлений.
5. Выводы
✔ Конический концентратор (530→450 мм) в реальных условиях демонстрирует прирост освещённости до +73% (при ярком рассеянном свете) и +14% в пасмурную погоду. Теоретический геометрический коэффициент (+38,7%) подтверждает принципиальную возможность усиления.
✔ Прозрачное стекло является оптимальным защитным элементом (потери 8–9 п.п.). Матовое стекло и рассеиватели недопустимы (потери 30–50%).
✔ Боковой концентратор в комбинации с коническим даёт прирост +40% в облачную погоду – это лучший результат для пасмурных условий, хотя и ниже теоретического предела из-за широкой диаграммы направленности рассеянного света.
✔ Сравнение теории и эксперимента показывает, что простая геометрическая модель недостаточна: необходимо учитывать сбор рассеянного излучения. Предложенные в Excel расчёты (трассировка лучей, учёт отражений) корректно моделируют потери, но для количественного прогноза нужна калибровка по натурным измерениям.
6. Рекомендации
✅ Для максимальной эффективности в ясную погоду – использовать конический концентратор без стекла (если позволяет защита от осадков) или с прозрачным акриловым стеклом.
✅ Для облачных регионов – комбинация конического и бокового концентраторов с прозрачным стеклом (прирост +28,9%) или без стекла (+40,3%).
✅ Категорически избегать матовых стёкол, рассеивателей и малых рефлекторов (30×30).
✅ Использовать теоретическую модель (ваши Excel-файлы) для предварительной оценки, но окончательные цифры брать из эксперимента.
Приложение 1. Протокол измерений (исходные данные из файла 803)
Все значения Δ рассчитаны по формуле Δ = (Vкорр/Nкорр – 1) × 100% с учётом калибровки люксметров.
Измерение №1 (высокая освещённость, 68–74 лк)
| № | Название замера | V1, лк | N1, лк | Δ, % |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Конический концентратор | 119,4 | 68,8 | +73,1% |
| 2 | + прозрачное стекло | 112,5 | 68,2 | +64,5% |
| 3 | + рассеиватель | 54,3 | 60,4 | −10,3% |
| 4 | + матовое стекло | 32,38 | 54,2 | −40,4% |
| 5 | + рефлектор 30×30 | 79,3 | 71,9 | +10,0% |
| 6 | + рефлектор 50×50 | 110,7 | 66,8 | +65,3% |
| 9 | Прямой тубус (база) | 32,05 | 34,22 | −5,8% |
Измерение №2 (низкая освещённость, 5–12 лк)
| № | Название замера | V1, лк | N1, лк | Δ, % |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Конический концентратор | 11,38 | 12,06 | +14,3% |
| 2 | + прозрачное стекло | 10,86 | 12,04 | +9,2% |
| 4 | Конический + боковой | 9,27 | 6,74 | +40,3% |
| 5 | + прозрачное стекло | 7,47 | 5,91 | +28,9% |
| 11 | Прямой тубус | 9,76 | 11,75 | +0,6% |
Приложение 2. Основные теоретические формулы (из файлов расчёта)
- Площадь наклонного устья: Sсу = π·D² / (4·cosα)
- Площадь бокового отражателя: Sбк = π·D·(D·tgα) / 2
- Коэффициент эффективности узла: K = (Sсш + Sбк) / Sсш
- Количество отражений в световоде: n = ⌊ L / (D·tgθ) ⌋
- Эффективность световода: ηшахты = ρⁿ, где ρ = 0,998
- Геометрический коэффициент концентрации конического концентратора: Cgeom = (Dвх/Dвых)²
- Предельный угол приёма: θmax = 90° - j, где j – угол конуса
- Трассировка луча в конусе: длины отражений L12 = sinγ·(Dвх/2) / sin(180°-γ-P) и т.д.
Полные расчёты выполнены в приложенных Excel-файлах «Расчет концентратора полный.xlsx» и «Расчет концентратора.xlsx».