Grundlagen der Optik Lumen und PAR; Bemessung der Beleuchtungsleistung

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Anke Burgstaller
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1 Grundlagen der Optik Lumen und PAR; Bemessung der Beleuchtungsleistung Vorwort: Nachfolgend werde ich versuchen einige grundlegende Punkte der Optik näher zu erläutern und deren Relevanz zu unserem Hobby - der Aquaristik - aufzuzeigen. Sämtliche Inhalte sind mit größter Sorgfalt und nach bestem Wissen zusammengetragen. Eine Garantie auf absolute Richtigkeit kann ich natürlich trotzdem nicht übernehmen. Im ersten Teil dieses Dokuments wird auf die verschiedenen gängigen Einheiten zur Messung von Strahlung im sichtbaren Bereich eingegangen. Die immer wieder Fragen zur Auslegung der Beleuchtungsleistung an mich herangetragen werden, habe ich mich entschlossen im zweiten Teil des Dokument unsere Methode zur Auslegung einer Beleuchtung für ein Becken zu beschreiben. Ich werde hier bewusst keine Vergleich oder Bewertungen zu anderen Methoden für die Auslegung der Beleuchtungsleistung vornehmen. Jedoch sei mir die Anmerkung erlaubt, dass ich eine Auslegung anhand der Literzahl für nicht geeignet halte.

Abhängig von der weiteren Verwendung und dem Grund für die Messungen kommen unterschiedliche Messgrößen zur Anwendung.

2 Was ist Licht: Definition:...als Licht bezeichnet man den Teil der elektromagnetischen Strahlung, der für das menschliche Auge sichtbar ist Wie wird es gemessen? Abhängig von der weiteren Verwendung und dem Grund für die Messungen kommen unterschiedliche Messgrößen zur Anwendung. Eine der gängigsten Einheiten für die Bewertung gemessener Strahlung ist das Lumen. Lumen Definition: Lumen beschreibt den Strahlungsfluss unter Berücksichtigung der Wahrnehmungsfähigkeit des menschlichen Auges. Man erhält den Lumen-Wert indem der gemessene Strahlungsfluss spektral mit der Empfindlichkeitskurve des Auges gewichtet wird.

3 PAR-Wert (engl.: Photosynthetically Active Radiation / photosynthetisch aktive Strahlung) Als PAR-Wert wird oft die Photonenflussdichte im Wellenlängenbereich von nm bezeichnet. (Anzahl der Photonen pro Sekunde pro m2) Gemessen wird hierbei die Anzahl an Photonen im Wellenlängenbereich zwischen 400nm und 700nm. Um die gemessenen Werte handlicher zu halten, wird die Anzahl der gemessenen Photonen dabei in Molarer Menge angegeben. 1 Mol entsprechen 6, * Photonen (gemäß Avogadro-Konstante). 1µMol sind entsprechend 1 Millionstel Mol also 6, * Photonen. Durch die Verwendung der Photonenanzahl als Basis des PAR-Wertes ergibt sich eine Wellenlängenabhängigkeit. Langwelliges Licht erzeugt bei gleichem Strahlungsfluss einen höheren PAR-Wert. Dies ist darin begründet, dass kurzwellige Photonen mehr Energie enthalten als langwellige. Unter der Annahme, dass ein Leuchtmittel 100% Wirkungsgrad hätte also die komplette elektrische Energie in optische Strahlung umgewandelt wird erhält man die folgenden Maximalwerte. Hierbei handelt es sich um das theoretische Maximum (Konversionswirkungsgrad 100%). Höhere PAR Werte pro Watt elektrischer Leistung sind physikalisch nicht möglich.

4 Andere Maßeinheiten Neben den genannten Einheiten wie Lumen und PAR existiert noch eine Vielzahl anderer Maßeinheiten für die Bestimmung von sichtbarer Strahlung. Hierbei wird z.b. der PAR Wert als Basis verwendet und spektral mit den Absorptionskurven der zu beleuchtenden Lebewesen oder Gegenstände gewichtet. Dadurch erhält man dann den nutzbaren Anteil des PAR Werts, oder der PUR Wert (engl.: Photosynthetically Usable Radiation / photosynthetisch nutzbare Strahlung). Messverfahren wie PUR setzt allerdings eine genaue Kenntnis der Absorptionseigenschaften des zu beleuchtenden Objekts voraus. Außerdem erfordert es den Einsatz eines Spektroradiometers zur Messung der spektralen Strahlungsanteile.

5 Ermittlung der benötigten Beleuchtungsleistung Wie bereits im Vorwort angesprochen möchte ich an dieser Stelle eine Möglichkeit aufzeigen, wie man zumindest als etwas bessere Daumenformel die passende Lichtleistung für ein Becken bestimmen kann. Da man im Regelfall keinen Zugriff auf die Datenblätter der verwendeten Komponenten in der Leuchte hat ist es jedoch nötig eine ganze Reihe an Annahmen zu treffen. Annahmen: - Das abgestrahlte Spektrum der Leuchte ist für den aquaristischen Einsatz geeignet. - Die zu betrachtende Leuchte ist so ausgelegt, dass das Becken komplett ausgeleuchtet wird. Vorgehensweise: 1. Ermittlung der zu bestrahlenden Fläche 2. Festlegung des zu erreichenden PAR Werts soll SPS oder nur LPS im Becken gepflegt werden 3. Ermittlung der Wirkungsgradkette 4. Berechnung der Leuchtenleistung 1. Ermittlung der zu bestrahlenden Fläche Im ersten Schritt sollte eine grobe Abschätzung der zu beleuchtenden Fläche des Aquariums vorgenommen werden. Je nach geplanter oder vorhandener Riffstruktur ist etwa die Aquarien-Grundfläche ein guter Anhaltswert. 2. Festlegung des zu erreichenden PAR Werts: Für die Auswahl der Beleuchtungsstärke ist es initial wichtig sich darüber klar zu werden welche Art von Tiere eigentlich im Becken gehalten werden soll und wie deren Ansprüche bezüglich der Bestrahlungsstärke sind. In der Vergangenheit konnte ich ganz gute Erfahrungen mit den folgenden Pauschalwerten machen: Zielwert SPS Besatz: Zielwert LPS Besatz: µmol/qm/s µmol/qm/s

6 3. Wirkungsgradkette: Netzteil (AC/DC) LED - Treiberstufe LED Lichtlenkung Deckglas Wasseroberfläche Absorption im Wasser Netzteil: Die Wirkungsgrade des Netzteils hängen stark von der Qualität des eingesetzten Produkts ab. Hier findet man Wirkungsgrade zwischen 65% - 95%. Zumindest bei den europäischen Markenherstellern gehe ich von Werten oberhalb 90% aus. LED Treiberstufe: Bei sorgfältigem Design sind Werte im Bereich bis oberhalb 95% möglich. Integriert käufliche Varianten liegen meist um die 90% LED: Bei der Effizienz der LEDs gibt es diverse Punkte die Einfluss nehmen. Von Seiten des technischen Leuchtendesign sind dies z.b. der gewählte Arbeitspunkt (Bestromung der LED) und die Temperatur der LED. Von Seiten der Materialbeschaffung die gewählte Helligkeitsgruppe was einen merklichen Einfluss auf die Materialkosten hat. Zuletzt hat auch noch die Wellenlänge der LED einen Einfluss auf den Wirkungsgrad. Die Konversionswirkungsgrade liegen bei günstigen LEDs im Bereich von 30%, hochwertige können mittlerweile bis zu 55% erreichen. Lichtlenkung durch Linsen/Reflektoren: In einem gut angepassten System liegt der Wirkungsgrad bei Linsen etwa bei 90-92%. Hochverspiegelte Reflektoren können im Neuzustand je nach Reflektormaterial bis etwa 97% erreichen. Deckglas: Bei den Verlusten des Deckglases handelt es sich überwiegend um Reflektionsverluste. Wirkungsgrad ~ 92% (4% Verlust pro Grenzschicht) Wasseroberfläche: Auch hier treten Verluste durch Reflektion im Bereich von etwa 5% auf. Wirkungsgrad ~ 95% Absorption im Wasser: Die Absorption des Wassers von sich aus sehr Wellenlängenabhängig. Beleuchtet man spektral ausgeglichen und geht man von gängigen Aquarientiefen aus, werden in Summe etwa 5%-10% absorbiert.

7 Ausgehend von einem qualitativ hochwertigen Produkt, wie es voraussichtlich für sämtliche namhafte Produkte aus europäischer Herstellung zutrifft, ergibt sich beispielhaft folgende Wirkungsgradkette: Netzteil: 91% LED Treiberstufe: 93% LED: 48% Lichtlenkung durch Linsen/Reflektoren: 92% Deckglas: 92% Wasseroberfläche: 95% Absorption im Wasser: 95% Gesamtwirkungsgrad: 0,91*0,93*0,48*0,92*0,92*0,95*0,95 = 0,31 Rund 31% der elektrisch aufgenommen Leistung wird als Nutzstrahlung im Becken verwertet.

8 4. Berechnung der Leuchtenleistung Musterbecken: 1m x 60 cm zu bestrahlende Fläche (laut Punkt 1): ~(1m x 60 cm) = 0,6qm Besatz mit SPS: Zielwert: 450 µmol/m2/s Gesamtwirkungsgrad: 0,31 Konversionfaktor: 4,2 µmol/s/watt Der Konversionsfaktor von 4,2 µmol/s/watt wurde ermittelt aus dem theoretisch maximalen Konversionsfaktor und der Annahme, dass das Beleuchtungsspektrum den Bereich zwischen 400 und 600nm gleichmäßig abdeckt. Leuchtenanschlussleistung = (Zielwert * zu bestrahlende Fläche) / (Konversionsfaktor * Gesamtwirkungsgrad) Leuchtenleistung = (450 µmol/qm/s * 0,6qm) / (4,2 µmol/s/watt * 0,31) = 207 Watt Falls Fragen aufkommen sollten jederzeit gerne im Forum ig-meeresaquaristik.de, per PN oder auch gerne per Mail an die info@illutronix.de Viele Grüße, Dietmar

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