Тропики на подоконнике
Выращивание тропических растений в нетропическом климате
ЗОО клуб Каталог Статьи Карта сайта Поиск О нас Контакт Аквариум TopTropicals.com

Тропики на подоконнике
Выращивание тропических растений в нетропическом климате

ЗОО клуб
Каталог
Статьи
Карта сайта
Поиск
О нас
Контакт
Аквариум
TopTropicals.com

Тропики /

Сравнение источников света в аквариуме с растениями



 

Как сравнивать лампы

Критерии для сравнения ламп, которые нужно использовать в пресноводном аквариуме с растениями всегда включают некоторую долю персонального вкуса. Мы делаем не только то, что нужно растениям для хорошего роста, мы также хотим, чтобы аквариум выглядел хорошо. Конечно, мы должны попытаться обеспечить во-первых "сильное" или "яркое" освещение (безотносительно значения терминов), в большинстве случаев, руководствуясь правилом типа " ватты на галлон". Однако это - не предмет этой статьи. Мы интересуемся здесь эффективностью вместо этого. То есть имея фиксированное количество электроэнергии (Ватты), как мы можем получить максимальный возможный "свет", одновременно сохраняя симпатичный вид нашего аквариума?

Если у кого то есть много места на вершине аквариума, не имеется никаких беспокойств с экономией электроэнергии, и имеется тугой кошелек, первичные критерии выбора для ламп должны быть основаны на их визуально значимых параметрах типа количества люменов, цветовой температуре и индексе цветопередачи (CRI). Если растениям не нравится это, только добавляют дополнительные лампы, пока не понравится. Если однако имеются пространственные ограничения (например вследствии экзотической геометрии аквариума, что является моим случаем!) и-или забота о бюджете во время начальной установки и долгосрочного обслуживания (мой случай также!), нужно попытаться спроектировать эффективную осветительную установку. В этом случае и эффективность (КПД) и характеристика производительности каждой потенциальной лампы должна быть принята во внимание в большей подробности. В частности большее количество соответствующих параметров чем только выход люменов должно быть рассмотрено. Но что это за параметры, и какие значения мы должны искать?

Моя цель при написании этой статьи состоит в том, чтобы предоставить эту дополнительную информацию относительно используемых ламп (или пригодных для использования) в аквариуме с растениями, с численными результатами, выраженными в стандартных физических единицах. Это - не моя цель рекомендовать специфические типы или марки ламп; информация приводится здесь с единственной целью предоставления возможности читателю принимать более информированные решения при проектировании системы освещения.

Следующий раздел вводит некоторую терминологию, используемую в работе. Вы можете пропустить ее, если Вы знакомы с предметом. Последующие разделы кратко обсуждают методику и используемые данные, и представляют результаты. Имеется приложение с указателями на первичные источники данных, детальное описание порядка расчетов и ошибок и пример использования данных, представленных здесь.

к началу страницы назад

 

Люмен, люкс, PAR ..., что это такое?

Искусственные источники света обычно оцениваются, основываясь на их световом потоке в люменах. Люмен - единица измерения потока или световой энергии, испускаемой источником света (в единицу времени). Эта величина не включает всю энергию, которую источник испускает, но только энергию с длинами волны, способными к воздействию на человеческий глаз. Следовательно, люмен определен таким способом, чтобы быть взвешенным человеческой глазной спектральной чувствительностью. Если мы начертим эту чувствительность как функцию длины волны света (построим так называемую кривую photopic), мы видим, что она имеет приблизительно форму колокола, подъем контуров изображения вокруг длины волны 550 нанометров (nm), "зеленая" область видимой части спектра, и спад на длинных (красные) и коротких (синие) длинах волн. См. чертеж здесь. Поэтому два источника света, которые испускают ту же самую общую сумму энергии, могут иметь значительно различные значения в люменах, в зависимости от того, сколько этой энергии сконцентрировано вокруг региона 550 nm.

Другая единица измерения, часто цитируемая в разговоре относительно выходного оптического сигнала - люкс(lux). Люкс - мера освещения, не потока (flux). Поток (flux) относится к энергии света, которая излучается источником. Освещение относится к энергии света, которая достигает поверхности приема. Люкс эквивалентен lumens/m2. Люкс не может быть вычислен только от данных источника света. Дополнительная информация относительно геометрии освещения, рефлекторов, расстояний, пройденных сред (стеклянные покрытия, вода) должна быть принята во внимание.

Другие показатели имели обыкновение описывать качество света, связанное с его визуальными характеристиками - цветовая температура и индекс цветопередачи (CRI). Цветовая температура определена как температура, которую совершенный электромагнитный радиатор ("абсолютно черное тело") должен иметь, чтобы испустить свет с тем же самым "цветом" как и рассматриваемый источник света. Более высокая цветовая температура означает более синий цвет, низкая температура, более красный цвет. Цветовая температура выражена в градусах Кельвина. CRI показывает, как близко к их "истинному цвету (true color)" источник света может показывать объекты, освещенные им. "Совершенный" источник света имел бы CRI 100, меньшие значения означают, что цвета сдвинуты от их "истинного" оттенка и насыщения. Много людей знакомы с изменением цвета, который имеет место, когда кто-то купил одежду в магазине с искусственным освещением и затем понимает, что под естественным (солнечным) освещением цвета не совсем те же самые. Если бы магазин использовал лампы с высоким CRI , то искажение цвета было бы намного меньшее или не значимое вообще. (На самом деле это не совсем верно, поскольку, например, лампа накаливания имеет CRI=100, по определению. Более подробно про эти термины можно прочитать здесь - MD)

Легко предположить, исходя из сказанного в предыдущем параграфе, что эти два параметра также строго связаны с характеристиками человеческого зрения. Фактически, определение термина "цвет", используемое выше, непосредственно основано на психофизических экспериментах, выполненных с человеческими особями и стандартизировано CIE (Commission Internationale d'Eclairage) приблизительно 60 лет назад. Другими словами, цветовая температура и CRI - параметры, полностью основанные на характеристиках человеческого зрительного аппарата, и могут не нести абсолютно никакого значения, когда применяются в других контекстах.

Лабораторные испытания показали, что процесс фотосинтеза, который имеет место у растений при интенсивном освещении, имеет очень отличающуюся от человеческого глаза спектральную чувствительность. Фактически, фотосинтез наименее эффективен в области вокруг 550 nm. Большинство света, способного к стимулированию реакции фотосинтеза является или красным или синим. Другими словами, листья растений главным образом отражают зеленый свет, в то время как они поглащают красный и синий с более высокой эффективностью. Экспериментальный факт, который подтверждает это, независимо от любого лабораторного измерения, это факт, что много растений выглядят зелеными! Переносные полевые приборы используемые для определения фотосинтеза на растущих растениях, часто эксплуатируют этот факт, используя как источник света пару красных и синих светодиодов вместо белого источника света.

Кривая, которая получается при изображении эффективности фотосинтеза как функции длины волны, названа "Photosynthesis Action Spectrum". Это - эквивалент кривой photopic для фотосинтеза. Кривая обычно c двумя пиками, с максимумами вокруг 420 (синего) и 670 (красного) nm и "точки минимума" вокруг 550 nm. Кривая резко падает ниже 400 nm и выше 700 nm. Пики широки и не столь явны как центральный пик в кривой чувствительности глаза. Имеется все еще существенный ответ в зеленой области вокруг 550 nm. См. типичную кривую здесь. Многие разновидности растений могут показывать cпецифичные action spectra (спектры действия), которые заметно отличаются от этой "усредненной" кривой. В некоторых случаях не имеется никакого пика одной из красных или синих областей. Важный пункт - то, что фотосинтез, имеет намного более широкую область чувствительности от длины волны, чем человеческий глаз, с меньшей зависимостью от специфичных, узких регионов длинн волн. Таким образом, источники света, которые выглядят очень различными для нас, могут "выглядеть" одинаковыми для растений. Наоборот, источники света, которые выглядят одинаковыми для нас, могут "выглядеть" очень отличными для растений, все в зависимости от их специфичных спектральных характеристик.

В некоторых источниках мы также видим ссылки на "plant growth spectrum (спектр роста растения)". Это не должно пониматься как эквивалент action spectrum . Action spectrum имеет точное значение в терминах количества (в moles/sec/площади поверхности листа) углекислоты, использованной растением, подвергнутых измерению. "Рост", с другой стороны, может быть определен многими различными путями (высота? вес? вес сухой массы растения?) который может очень cильно различаться для разных разновидностей, так что это едва ли может быть хорошим стандартом для целей сравнения.

Базируясь на Photosynthesis Action Spectrum, изготовители ламп придумали люминесцентные "plant bulbs (лампы для растений)". Они в основном излучают большинство их света в диапазоне длин волн, которые являются более эффективными для фотосинтеза, а именно на красном и синем концах видимой области спектра. Как и ожидалось, эти источники света выглядят тусклыми для человеческого глаза и, следовательно, имеют недостаточные оценки в люменах. Также, их цветовая температура и оценки CRI немного, если вообще что либо значат. В конце концов, эти лампы не были разработаны для человеческого взгляда.

Стандартная мера, которая определяет количество энергии доступной для фотосинтеза - "Photosynthetic Active Radiation" (aka "Photosynthetic Available Radiation") или PAR. В отличие от люмена, которая принимает во внимание характеристики человеческого восприятия, PAR - невзвешенная мера. Она учитывает с равным весом весь свет, излученный источником света, в диапазоне волн между 400 и 700 nm. PAR также отличается от люмена тем фактом, что это не прямая мера энергии. Она выражается в "числе фотонов в секунду", чьй отношения с "энергия в секунду" (мощность) зависят от спектральной кривой источника света. Один не может быть непосредственно преобразован в другой без спектральной кривой.

Причина для выражения PAR в числе фотонов вместо энергетических единиц - то, что реакция фотосинтеза имеет место, когда фотон поглощен растением, независимо от того какова длина волны фотона (или энергия) (предполагается что она находится в диапазоне между 400 и 700 nm). То есть если данное число синих фотонов поглощено растением, количество фотосинтеза, который имеет место - точно то же самое, как когда то же самое число красных фотонов поглощено. Для удобства, число фотонов обычно приводится в литературе в единицах μmole (микромолях), или μEinsteins (микроэйнштейнах). Один микроэйнштейн эквивалентен 6.02017 фотонов. Другое важное отличие - то что обычно PAR приводится как мера освещения родственная люксу, таким образом связана с поверхностью приема. PAR обычно измеряется в μEinstein/(sec m2).

Таким образом мы видим из вышеприведенного, что для того, чтобы оценить источники света при использовании для растений, мы не можем, в принципе, полностью полагаться на человеко зависимый критерий, оценку в люменах. К сожалению, изготовители приводят мало информации в этом аспекте. Потребляемую мощность в Ваттах и оценки в люменах просто получить, и для многих ламп, спектральные характеристики тоже приводятся. Хотя многие из их не изображены в физически значимых единицах (типа Watt/nanometer), делая трудным сравнение различных изделий. Данные PAR никогда не приводятся, потому что они зависят от детальной геометрии освещения, которая изменяется от установки к установке.

к началу страницы назад

 

Методика

Однако, имея доступ к спектральным характеристикам в относительных единицах, и показателям в люменах и Ваттах для лампы, возможно получить несколько полезных параметров лампы. Например, общий показатель эффективности может быть посчитан, сравнивая теоретический выход в люменах, который лампа должна иметь, с ее фактическим выходом в люменах. Этот кпд не зависит и от спектра лампы и от чувствительности человеческого глаза, вопреки часто используемому показателю люмен/ватт. Кпд, вычисленный таким образом, может использоваться затем, чтобы нормализовать спектр из относительных в абсолютные физические единицы типа Watt/nm. Тогда становится проще вычислить другие параметры в стандартных физических единицах.

Например, можно вычислить общее количество фотонов, сгенерированных за секунду в интервале от 400 до 700 nm, которое связано непосредственно с характеристиками PAR лампы. Если все другие параметры, которые затрагивают световой поток в аквариум (рефлекторы, покровное стекло, глубину воды и ее прозрачность, физические размеры) сохраняются постоянными, эта поток-подобная единица PAR может использоваться непосредственно, чтобы сравнить различные лампы, без конфликтов преобразования показателей к единицам освещения. Другая возможность состоит в том, чтобы взвесить показатели PAR со средним Photosynthesis Action Spectrum, таким образом генерируя кривую качества, родственную оценке в люменах, но для растения, а не для человека. Величина, полученная таким образом, обычно называется в литературе "Photosynthetic Usable Radiation (Фотосинтетическая Пригодная для использования Радиация)" или PUR. Все эти фигуры, взятые вместе должны сделать выбор конкретной лампы более объективным процессом.

к началу страницы назад

 

Данные

Для выполнения вычислений, я использовал только спектральные кривые и данные ламп, которые я мог получить из сети, также как некоторые опубликованные в сети photosynthesis action spectra (спектры действия фотосинтеза). Я также должен был написать короткую компьютерную программу. Подробности и указатели на исходные данные можно посмотреть в приложении

Первоначально, я получил данные для большинства normal-output люминесцентных ламп, так как это - тип ламп, в которых я был прежде всего заинтересованный. Но эта методология общая и применима к любому источнику света. Самые последнии результаты включают данные для metal halides (метало-галоидных), power compacts (компактных), HO и VHO люминесцентных ламп, галогенных, двух mercury vapon (ртутных) ламп, high pressure sodium (натриевая высокого давления), а также для солнечного спектра.

Основная проблема при сравнении нормированных спектров света связана со спектральной разрешающей способностью. Грубо говоря, это - количество точек спектральных характеристик, которые имеет график. Чем лучше разрешающая способность, тем больше подробностей и информации спектральный чертеж передает. Опубликованные спектры ламп охватывают относительно большой диапазон спектральных разрешающих способностей, и точное сравнение может быть сделано только между спектрами с одинаковой, или примерно одинаковой, разрешающей способностью. К счастью большая часть этих изданных спектров имеет разрешающие способности в более узком диапазоне от 5 до 10 nm. Это позволяет произвести относительно честное сравнение большинства ламп, приводя к ошибкам в вычисленных параметрах только в несколько процентов. Несколько спектров в выборке, которые имеют меньшее (лучшее) или большее разрешение, были численно приведены (ухудшены) к номиналу c разрешением в 5 nm, чтобы быть непосредственно сравненными с основной частью данных. Несколько спектров с очень плохим разрешением представлены отдельно и не могут быть надежно сравнены с другими.

к началу страницы назад

 

Результаты

Основные результаты представлены в таблицах, приведенных ниже. Производители лампы Hagen издали спектры, которые ясно показывают систематическое искажение в профилях спектра излучения, не вызванных характеристиками спектрофотометра, но, более вероятно, врачеванием в отделе маркетинга. Такие данные не могут быть сравнены с другими лампами, разве очень приблизительно, так что их данные сообщены в отдельной таблице. Хотя относительное сравнение среди ламп Hagen все еще остается возможным (с долей сомнения).

По той же самой причине, на которую указывалось в предыдущем разделе, очень трудно визуально сравнить спектральные чертежи с очень различным разрешением. В частности узкая, сильная эмиссионная характеристика современных флуоресцентных фосфоров, может выглядеть очень различающейся в чертежах даже с маленькими различиями в разрешающей способности, делая трудным объективное визуальное сравнение. Этот факт должен быть учтен при исследовании библиотеки нормированных спектральных чертежей. Интегральные количества типа тех что приведены в таблицах намного меньше склонные к эффектам различия спектральной разрешающей способности и дают намного лучший объективный критерий. Спектральные чертежи могут быть полезны, хотя, всегда необходимо иметь в виду эффект разрешающей способности.

Колонки в первых двух таблицах означают:

ADV850

32

9700

3100

0.32

46.2

1.44

22.8

11.5

7.2

0.63 HPS Dlx

100

22650

7300

0.32

140

1.40

72.8

10.1

53.8

5.33 MHN

150

34500

11250

0.33

207

1.38

116

45.0

47.7

1.06 Iwasaki65

150

37700

12000

0.32

199

1.33

107

46.6

35.2

0.75 Dulux54

55

16400

4800

0.29

72.2

1.31

36.3

19.6

10.3

0.52 Pentron41 HO

54

17800

5000

0.28

69.5

1.29

32.0

13.7

12.0

0.88 Panasonic67

96

28600

8100

0.28

123

1.28

60.7

30.6

17.3

0.57 Aquarelle

38

8100

2380

0.29

48.2

1.27

29.1

18.8

6.9

0.37 MH

250

82500

23000

0.28

310

1.25

152

67.6

32.2

0.48 TLD950 36 9100 2350 0.26 42.8 1.19 23.4 8.5 10.0 1.18 GE SPX65 40 11600 3050 0.26 46.2 1.15 24.0 13.8 5.1 0.37 PLL950 55 14800 3800 0.26 62.8 1.14 32.8 15.5 10.7 0.69 Triton 40 9000 2200 0.24 43.2 1.08 25.1 14.9 7.2 0.48 GE Fresh & Salt 40 10000 2350 0.24 42.6 1.06 23.2 12.4 7.6 0.62 Cool White 40 12600 3050 0.24 42.4 1.06 20.5 9.3 5.7 0.61 Daylight Dlx 40 10400 2550 0.25 42.3 1.06 23.2 11.9 6.2 0.52 Ott CF 23 5000 1200 0.24 24.0 1.04 14.4 7.5 4.6 0.61 Gro-Lux 40 5100 1200 0.23 41.2 1.03 27.4 9.7 15.5 1.6 VitaLite 40 8200 2340

0.29

41.0

1.02

22.2

8.6

8.7

1.01 Warm White

40

14000

3100

0.22

40.7

1.02

18.1

6.1

6.6

1.08 Cool White Dlx

40

9500

2250

0.24

40.5

1.01

22.4

8.6

9.4

1.09 Warm White Dlx

40

9400

2200

0.23

39.8

1.00

21.4

5.9

11.6

1.97 Perfecto

40

6800

1500

0.22

39.5

0.989

25.3

9.8

12.6

1.28 C50

40

10100

2250

0.22

39.2

0.980

21.2

8.1

8.8

1.09 Osram Biolux

40

10200

2400

0.24

38.1

0.953

20.4

10.2

4.5

0.44 P&A

40

8900

1900

0.21

37.7

0.943

20.9

5.4

12.0

2.22 VHO Cool White

115

36000

7500

0.21

105.

0.916

51.4

23.0

14.2

0.62 AgroLite

40

7800

1600

0.21

33.6

0.841

19.2

5.4

11.1

2.05 GE Freshwater

40

8500

1425

0.17

30.8

0.771

18.4

6.9

9.1

1.33 TL950

32

13000

2000

0.15

22.7

0.709

8.9

2.0

2.4

1.19 MV

100

42300

4300

0.1

46.2

0.46

17.8

7.1

4.3

0.60 Wonderlite

160

31500

3125

0.1

56.9

0.356

32.1

14.3

10.3

0.72 Halogen

60

1100

730

0.65

15.8

0.263

8.7

1.2

6.1

4.69 Sun light

40

9300

2000

0.22

39.9

0.999

22.8

8.6

10.0

1.17

 

PowerGlo

40

8900

2200

0.25

43.2

1.08

25.7

14.9

5.8

0.39 SunGlo

40

13100

3100

0.24

42.4

1.06

20.6

9.7

4.8

0.49 AquaGlo

40

4600

960

0.21

38.5

0.964

27.9

11.5

14.6

1.27 FloraGlo

40

12100

2180

0.18

34.3

0.857

16.7

3.4

9.2

2.69

 

Расшифровка названий ламп:

 

ADV850

Philips Advantage fluorescent, 5000K F32T8/ADV850 HPS Dlx

High Pressure Sodium deluxe Philips Ceramalux Comfort C100S54/C/M MHN

Philips dense-line emitter metal halide 4100K CRI 80 (MHN150/TD/840) Iwasaki 65

Iwasaki 6500K metal halide Dulux 54

Osram Dulux L 5400K 82 CRI compact fluorescent Pentron 41 HO

Osram/Sylvania T5 HO fluorescent 4100 K (FP54/841/HO) Panasonic 67

6700K Panasonic compact fluorescent PC96W67K Aquarelle

Philips Aquarelle 10,000 K fluorescent for freshwater aquaria MH

Generic, non-coated metal halide 4000K CRI65 (from Philips catalog) TLD950

Philips full spectrum fluorescent 'TL'D/90 de Luxe 5300 K CRI > 95 GE SPX65

GE SPX65 6500 K fluorescent PLL950

Philips PL-L/950 5300K high-CRI (91) compact fluorescent Triton

Interpet Triton GE Fresh & Salt

GE AquaRays Fresh & Saltwater fluorescent (F40T12/AR/FS) Cool White

Generic 4100 K cool white fluorescent F40T12CW (average of two spectra) Daylight Dlx

GE Daylight Deluxe fluorescent Ott CF

Screw-in full-spectrum compact fluorescent Gro-Lux

"Original" Sylvania Gro-Lux (not the wide spectrum variety) VitaLite

Vita-Lite fluorescent Warm White

Generic 3000 K warm white fluorescent F40T12WW (average of two spectra) Cool White Dlx.

Generic 4200 K cool white fluorescent deluxe F40T12CWX (average of two spectra) Warm White Dlx.

Generic 3000 K warm white deluxe fluorescent F40T12WWX (average of two spectra) Perfecto

Perfecto-A-Lamp (a wide-spectrum grolux) C50

Full spectrum T12 5000K fluorescent: GE Sunshine (or Chroma 50), Philips Colortone, Sylvania Designer (average of three spectra). Osram Biolux

Osram Biolux fluorescent P&A

GE Plant & Aquarium fluorescent VHO Cool White

Very High Output version of the 4100 K cool white fluorescent (Osram F48T12CW/VHO/LT) AgroLite

Philips Agro-Lite fluorescent F40T12AGRO GE Freshwater

GE AquaRays Freshwater fluorescent (F40T12/AR/FR) (a modified, lower efficiency grolux) TL950

Philips TL950 5000K fluorescent very high CRI (98) F32T8/TL950 MV

Deluxe Mercury Vapor Philips H38MP-100/DX 3700 K, CRI 45 Wonderlite

Self-ballasted screw-in mercury vapor R40 flood ligth with special "plant" spectrum made by Westron Halogen

Spot halogen Philips Masterline Par 16 (60PAR16/H/NSP) 2950K Sun light

Theoretical bulb that perfectly reproduces sun light (at 5000 K) with the average efficiency of a full spectrum NO fluorescent. PowerGlo

Hagen PowerGlo fluorescent SunGlo

Hagen SunGlo fluorescent AquaGlo

Hagen AquaGlo fluorescent (a wide-spectrum grolux) FloraGlo

Hagen FloraGlo fluorescent

 

Мы можем сделать несколько заключений из этих данных:

Этот параметр зависит от формы спектральной кривой лампы. Он показыает насколько хорошо согласуется эта кривая с кривой чувствительности глаза, и как далека она - от совершенно ровного (в единицах фотонов) спектра. Снова, большое различие в значениях люмен/PAR в вышеупомянутой таблице - прямое cледствие недостаточной корреляции между этими двумя параметрами.

Показатель люмен/PAR был бы полезен, например, помогая выбрать лампы, которые и выглядят ярко для наших глаз, и излучают достаточное количество света на красном и синем концах спектра. Лампы высоко расположенные в таблице имеют спетр хорошо соответствующий кривой чувствительности глаза, таким образом c недостаточным красным и синим излучением. Расположенные в конце таблицы лампы, напротив, выглядят тусклыми для наших глаз, но производят большую часть их излучения на красном и синем концах спектра. Лампы с плоским спектром, как и ожидалось, являются теми, что показывая лучшее равновесие, занимают место близко к центру списка.

Другой показатель спектрального равновесия может быть получен вычислением, насколько близок коэффициент R/B к истинному солнечному свету. Как ожидалось, лампы с высоким показателем CRI TL950 и TLD950 очень близки к солнечному свету. Недорогие C50 и часть halophosphors расположены за ними, вместе с более дорогим Vita-Lite. Лампы для растений имеют тенденцию производить излишек красного света, и более эффективные лампы имеют тенденцию быть более синими. Чрезвычайный случай среди флуоресцентных ламп - лампа Aquarelle, которая занимает место как наиболее эффективная флуоресцентная в PUR/Watt и самая синяя также. Исключение в этом "правиле" - HPS Deluxe лампа, которая создает много красного света, несмотря на ее высокую производительность. Если вы верите, как делают много людей, что красные и синие области спектра управляют ростом растения различными путями, нужно брать параметр R/B во внимание при выборе лампы. Обратите внимание, что не имеется никаких прямых отношений с цветовой температурой, которая является критерием основанным на восприятии человеческим глазом - и бессмысленна в этом контексте (так как она определена в очень узком диапазоне длин волны).

Достаточно просто, используя данные из таблицы, вычислить показатели для смешанных/многоламповых конфигураций, просто складывая показатели отдельных ламп, взвешенные числом ламп каждого типа, масштабируя вклады фактической мощностью лампы. Поэтому должно быть достаточно несложно создать оптимальную смесь ламп, удовлетворяющую заданным конструктивным ограничением. Конечно, эти ограничения могут оказывать существенное влияние на конечный результа. Например, T5 лампа типа Pentron HO может выиграть при ее использовании с оптимизированными зеркальными рефлекторами, и более высокой рабочей температуры чем компактные лампы, T8 и T12 лампы, давая более высокоий общий КПД световой арматуры. См. пример. Также, дополнительная ошибка может появляться при масштабировании номинальной мощности ламп. И флуоресцентные, и MH (metal halide - меалло-галоидные) лампы различных размеров / мощностей могут иметь слегка различную эффективность преобразования электроэнергии в свет.

Все вычисленные результаты точны настолько, насколько позволяют опубликованные производителем спектральные кривые, данные о люменах и ваттах. Я оцениваю, что ошибки в вычисленных параметрах должны быть, самое большее, в несколько процентов для лучших данных, и до 10-15% для самых плохих. См. приложение.

Нормализованные спектральные кривые

Процедура расчета, описанная в статье, вычисляет, как производный продукт, спектральные графики, нормализованные к любому нужному набору физических единиц. Я выбрал представление по горизонтальной оси в нанометрах (nm), и по вертикальной оси в (μE/s)/(Watt/nm). Таким образом, графики эффективно показывают, как показатель PAReff на единицу длины волны изменяется как функция от длины волны.

При использовании такого выбора единиц для осей координат лампы могут напрямую сравниваться в терминах эффективности. Помните, что могут быть небольшие различия в эффективности когда сравниваете лампы одного вида, но разной мощности. Например, 250 ваттная MH может быть более эффективной, чем 150 ваттная MH того же производителя/типа. Графики не берут во внимание подобные эффекты.

Использование на графиках в качестве единиц фотонов вместо обычных энергетических единиц делает возможным прямое сравнение ламп величинах, которые "видит" процесс фотосинтеза. Насколько мне известно, представление спектра ламп в таких единицах еще не публиковалось.

Помните, что масштаб по вертикали охватывает разный диапазон на каждом графике. Чтобы облегчить сравнение кривых на различных графиках, Cool White флуоресцентная лампа используется для справки, и приведена на всех графиках черным цветом. Таким образом возможно сравнить спектр на различных графиках, основываясь на его сравнении с Cool White.

Спектры, нарисованные на этих фигурах не были пересчитаны к каким либо стандартам, общему спектральному разрешению. Они показанны точно так, как были опубликованы, за исключением единиц по вертикальной оси. Это необходимо принять во внимание когда сравниваете острые спектральные характеристики спектров с разным разрешением. Например, the GE Fresh & Saltwater лампа представляется имеющей более интенсивную эмиссию в диапазоне 600-620 nm чем Triton. Однако это только артефакт, созданный меньшим разрешением с которым спектр Triton был опубликован. Что должно сравниваться - так это интеграл под кривой, это и есть то как сведенные в таблицу данные в этой статье были расчитаны.

Горизонтальный масштаб охватывает один и тот же диапазон длин волн на всех графиках. Этто же самый диапазон использовался для определения PAR. Лампы были сгруппированны на каждом графике приблизительно в соответствии с их эффективностью. Графики достаточно хорошо детализированы и не выводятся хорошо в web бровсере. Приведены ссылки для доступа и к JPEG и PostScript версии диаграмм. PS формат более предпочтителен, так как графики могут быть увеличены без потери информации.

Первый график(JPEG, PS) иллюстрирует газоразрядные лампы высокой интенсивности (HID). Заметьте насколько несходны могут быть спектры с различной степенью "полноты". Низкая эффективность mercury vapor ламп очевидна, так как они едва производят какое либо излучение за пределами нескольких узких регионов. Спектр Wonderlite MV выглядит гораздо лучше, но все еще страдает от низкой эффективности. Также для заметки чрезвычайно большое количество красного света произведенное HPS лампами.

Этот график (JPEG, PS) иллюстрирует пять наиболее эффективных флуоресцентных ламп, включенных в выборку, плюс Pentron HO лампу. Как примечание - факт, что у них очень похожий спектр, типичный для tri-phosphor или редкоземельных ламп. Заметьте что несмотря на пиковую природу этих спектров, они настолько эффективны, что даже в большинстве "долин" (диапазонов длинн волн с минимальной эмиссией) еще достаточно излучения, чтобы конкурировать с лампами с широкимспектром (full-spectrum).

Этот график (JPEG, PS) иллюстрирует спектр слегка в меньшей степени эффективных флуоресцентных ламп, которые еще во власти отличительных черт(показателей) tri-phosphor ламп. Заметьте что Daylight Deluxe также может быть включена в семейство полноспектральных ламп. Заметьте также большое количество синего, производимое лампой Triton, обыгрываемой в этом отношении только лампой Aquarelle.

Этот график (JPEG, PS) иллюстрирует спектр ламп для растений ("plant" bulbs). Это лампы, созданные для того, чтобы соответствовать Photosynthesis Action Spectrum. Основное свойство этого спектра - сильное красное излучение с пиком вокруг 650 nm. Вокруг этого пика и в сторону красных длин волн, эти лампы более эффективны чем любые другие лампы в этом примере, за исключением HPS. Лампа, которая показывает несомненно лучшее соответствие с action spectrum, это оригинальная GroLux. Лампа Agrolite также претендует на звание plant bulb, но ее спектр - типичен для Warm White Deluxe halophosphor fluorescent.

Этот график (JPEG, PS) иллюстрирует флуоресцентные лампы с полным спектром, а следующий (JPEG, PS) иллюстрирует halophosphor fluorescents. GE Plant & Aquarium лампа была включена сюда, так как она выглядит, в основном, как слегка модифицированная версия обобщенной Warm White Deluxe fluorescent.

Этот график (JPEG, PS) иллюстрирует низкоэффективные флуоресцентные Philips TL950, вкручивающиеся в стандартный патрон, Ott компактные флуоресцентные, и галогенные лампы. Обратите внимание насколько галогенные лампы плохи в сравнении со всем остальным в этой выборке. Ott компактные флуоресцентные лампы имеют спектр который выглядит достаточно хорошо при сравнении с остальными из этой выборки, делая их возможной заменой для крышек с лампами накаливания.

Что касается ламп Hagen (JPEG, PS), вопреки неопределенности оригинального спектра, возможно сделать некоторые интересные заключения из нормализованных спектральных графиков. Первое, любой может увидеть, что PowerGlo лампа это просто не полностью нагруженная (используемая при уменьшем токе и/или напряжении) версия лампы Triton. Такая же кривая люминесценции фосфора (несмотря на сдвинутые длины волн) но меньшая эффективность. Лампа SunGlo - это просто перепакованная Cool White (говорите о завышенной цене!) и AquaGlo - это типа GroLux лампы, аналогичной Perfecto. FloraGlo сочетает низкую эффективность со спектром, почти полностью лишенным синего и зеленого, что означает что ее CRI невысок.

 

к началу страницы назад

 

Приложение

Источники данных:

Спектры ламп:

Световой поток:

Photosynthesis action spectra:

Кривая чувствительности глаза:

Первая зарегистрированная версия была сделана с кривой, оцифрованой от http://www.reefnet.on.ca/gearbag/wwwlux.html. Текущая таблица использует таблицу 1988 CIE'S (благодарность Роджеру Миллеру)

Определение люмена:

http://www.cs.indiana.edu/hyplan/kuzimmer/IES/section3.2.html

Шаги, для вычисления сведенных в таблицу показателей:

Вышеупомянутая процедура вычисляет PAR в единицах μE/s, а не в μE/(s m2). Это потому, что расчеты начаты с со светового потока в люменах в противоположность освещенности ( люкс = lumen/m2), чтобы не принимать во внимание среду, в которой распространяется свет.. Другими словами, расчет произведен для источника света, в то время как PAR обычно определяется для приемника света.

Источники ошибок:

Основной источник погрешности - сам спектр. Кажется, что изготовители либо используют спектрофотометры с очень низкой разрешающей способностью, либо сглаживают кривые преднамеренно (чтобы скрыть частную информацию?). Хотя несколько спектров имеют очень хорошее спектральное разрешение, но большинство показывает шире чем ожидаемая эмиссию. Tri-phosphor лампы, в особенности, излучают большую часть энергии в нескольких узких областях длины волны, и если эти области не имеют достаточное число точек, то результат в люменах и PAR имеет существенные ошибки. Спектры для "Glo" ламп (Hagen) очень сглажены и показывают подозрительные изменения в длинах волны основного излучения, поэтому ожидайте значительных ошибок в них. Я делал некоторые численные эксперименты, немного изменяя линии спектра, и по ширине и по интенсивности. Я также численно ухудшал спектральную разрешающую способность лучших спектров в выборке на известные значения, чтобы проверить, насколько этот эффект воздействует на измеренные количества. Базируясь на этих экспериментах, я оценивю, что теоретически световой поток в люменах может быть определн с погрешностью 5-8 % в самых плохих случаях и, вероятно, 1-2 % в лучших случаях.

Второй источник погрешности - опубликованный световой поток в люменах. Для некоторых ламп изготовитель предоставляет и начальные и design (после определенного срока службы) люмены. Для большинства ламп приведена только единственное значение, которое в большинстве случаев предполагается начальным световым потоком. Но никогда нельзя быть уверенным, и сравнение точно, только если используется одно и тоже определение. Результаты - также зависят от условия, что опубликованные потребляемые мощности ламп - фактически потребляемые лампами мощности, а не номинальные значения.

Менее важный источник погрешности воздействует только на измерения PUR, и это следствие факта, что не имеется единственного photosynthesis action spectrum, который может применяться ко всем разновидностям растений. Некоторые разновидности показывают очень интенсивный ответ в синей области и почти никакой в красной, другие показывают более сбалансированный ответ. Кривая, которую я выбрал, имеет красные и синие пики с одинаковыми значениями.

Пример

Давайте попытаемся использовать данные, представленные здесь, в реальной ситуации. Я возьму конфигурацию освещения, используемого в настоящее время на моем аквариуме (46 гал) с выгнутым передним стеклом и попробую оценить, каков должен быть уровень света на грунте. Освещение представляет из себя 2 рефлектора, расположенных вдоль аквариума.. В одной установлено две 55 ваттных компактных (power compact) флуоресцентных лампы, в другой одна 30 ваттная T-12 люминесцентная лампа.

Полное PAR излучение двух ламп PC (одна Dulux54 и одна PLL950), согласно таблице, составляет 72.2 + от 62.8 = 135 μE/s. Для 30 ваттной лампы (AquaGlo) мы масштабируем коэффициентом мощности: 35.8/40 X 30 = 26.9 μE/s.

Мы должны принять во внимание факт, что все данные в таблице были вычислены, предполагая начальный световой поток в люменах. Мы применим поправочный коэффициент, чтобы оценить потери в середине жизни, скажем 10%. Поэтому две лампы PC "среднего возраста" будут производить 122 μE/s и 30 ваттная лампа произведет 24.2 &my;E/s.

Каждый из рефлекторов различен, поэтому их вклады в фактическое количество света, направляемого в воду, должны быть посчитаны отдельно.

Необработанные значения PAR, представленные в основной таблице, определяют количество полного излучения каждой лампы во всех пространственных направлениях. Простая лампа, помещенная выше водной поверхности, будет излучать большую часть света вне воды, из-за отсутствия рефлектора. Свет теряется за счет частичного отражение на поверхности воды и т.д.. Для люминесцентной лампы, помещенной параллельно и около водной поверхности, мы можем оценить, что потери из-за этих факторов будут порядка 75%. То есть приблизительно только 25% света, который покидает лампу, попадает в воду. Добавление рефлектора значительно увеличивает эту эффективность. Предположим, что рефлектор компактной лампы направляет приблизительно 50% выходящего света назад в воду и второй рефлектор для отдельной флуоресцентной лампы направляет назад 30%. Имейте в виду, что все эти коэффициенты - очень грубое приближение реальной ситуации.

Поэтому общая сумма света, испускаемого арматурой для PC в воду была бы 122 X 0.25 + (122 X 0.75) X 0.50 = 76.3 μE/s. Для отдельной флуоресцентной арматуры, 24.2 X 0.25 + (24.2 X 0.75) X 0.30 = 11.5 μE/s.

Давайте не забывать покровное стекло. Примем (согласно данным имеющимся на Krib), что 10 % будет потеряно из-за грязного стекла. Теперь мы можем сложтиь общее количество света PAR, который попадет в воду: (76.3 + 11.5) X 0.90 = 79.0 μE/s.

Что касается света, который фактически достигает субстрата, мы должны только принять во внимание поглощение и рассеивание света водой. Из-за полного внутреннего отражения на внутренней поверхности раздела стекло/вода, поведение аквариума очень похоже на волновод (волоконный световод - другой пример). Так не имеется никакого эффекта ослабления по закону обратных геометрических квадратов. Согласно данным, приводимым в Aquatic Plant Maillist, слой пресной водны глубиной 16 дюймов, должен поглощать приблизительно 50% света. Таким образом общая сумма света PAR, который достигает нашего субстрата - 79.0 X 0.50 = 39.5 μE/s.

Теперь давайте вспомним, что наши данные PAR - для суммарного потока, а не освещенности. Предположим в качестве первого приближения, что световой поток внутри воды освещает весь субстрат равномерно. Это - не слишком плохая аппроксимация в случае длинных люминесцентных ламп, которые охватывают полную длину аквариума. Некоторые области получат несколько меньшее количество света, некоторые области - большее, но среднее число не будет слишком различаться. Для моего 36 " длиной X 14 " шириной (средней) аквариума, поверхность - 0.32 квадратных метра. Так что наше заключительное число для освещения PAR - 39.5 / 0.32 = 123 μE/(s m2).

Теперь мы можем наконец сравнивать этот уровень освещения с тем, что растения фактически требуют. Данные, зарегистрированные на Aquatic Plant Maillist, говорят, что точка компенсации для фотосинтеза у водных растений - между 15 и 80 μE/(s m2), и значения ниже 100 μE/(s m2) должно рассматриваться как низкая освещенность. Если это имеет место, мы видим, что моя установка должна быть способна "поднимать" фотосинтезом выше компенсационной точки для большинства растений, но не много. Я не должен ожидать, например, увидеть пузырьки кислорода на внизу аквариума, около грунта. И это – именно то, что я наблюдаю.

Можно идти от обратного и, начиная с предопределенного требования освещенности, идти к верху водяного столба, чтобы найти, какой поток PAR нужно обеспечить осветительными арматурами, и таким образом, какая комбинация ламп / рефлекторов и т.п. должна использоваться.

Напечатано с разрешения

 

© 2002 - TopTropicals.com

Коммерческое использование материалов без нашего письменного согласия запрещено.
При использовании материалов ссылка на UKROP.info / TopTropicals.com обязательна.