あやしい水槽

海水魚 サンゴ 海藻  あやしい記事とピンボケ写真.そして誤字脱字...

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水槽と照明 その5 蛍光灯照明のモデリング 

このところ色々アクシデントがあって,このシリーズは前回の記事から
かなり時間が空いてしまいましたが,しつこく続けますよ.

最近,学生の頃から愛用していた光学系のシミュレーションツールから
他のツールに乗り換えようとしているのですが,練習として蛍光灯の
モデルを作って遊んでみました.

作ったモデルはこれ.

今も使っている,ニッソーのリアルインバーターライト600です.
18WのFL20S管を3本搭載してます.
水槽は60のワイドにしてみました.なのでサイズは60×45×45cm^3
蛍光灯の設置高さは,蛍光灯の中心が水面より10cmになるようにしています.
照明器具の寸法は実物を測定してモデル化してあります.
反射板の材質はオリジナルでは鉄板を白色に塗装したものですが,
うちでは高輝度アルミ板を切って貼り付けてあります.
バルクのアルミの反射率は可視光域では95%ほどですが,
めんどくさかったので,モデルでは100%として計算しました.

水は海水として屈折率は1.33,水深は42cmとしました.
今回は海水での光の吸収は考慮していません.

まず光線を飛ばしてみます.
Model_60wide2.jpg
1本の蛍光灯から光線をランダムに70本飛ばした結果です.

3Dでは分かりにくいので,2Dにして正面と側面からみた様子です.
Model_60wide_ray.jpg

これまでの記事で実施した手計算どおり,ガラス側面での反射がかなりあります.
また,水面に浅い角度(入射角度が大)の時に,水中へは伝播せずに
反射されることも分かります.

次に各水深での光の強度分布を計算してみました.
20W型のFL20S蛍光灯(ただしリアルインバータライトは18W)の
発光エネルギーは1本あたり3Wとしました.
蛍光灯の20Wというのは投入電力のことで,簡単に説明するとAC100Vを繋ぐと
電力として20Wを消費すると言うことです.
ややこしいですが,電力20Wのうち,蛍光灯を点灯させるための電気回路で
4~6Wくらい消費します.その残り約15Wうち光エネルギーに変換されるのは
モノにもよりますが20%程度.
よって蛍光灯から発せられる光エネルギーは2~3Wです.

この3W3本(計9W)から得られる強度分布は下記のようになります.
図の縦方向が60cmの辺にあたります.

水深 1cm(蛍光灯から11cm)
Model_60wide_depth110mm.jpg
ピーク放射照度:46.9W/m^2
全放射束:5.14W



水深 10cm(蛍光灯から20cm)
Model_60wide_depth200mm.jpg
ピーク放射照度:34.2W/m^2
全放射束:4.97W



水深 20cm(蛍光灯から30cm)
Model_60wide_depth300mm.jpg
ピーク放射照度:24.1W/m^2
全放射束:4.86W



水深 30cm(蛍光灯から40cm)
Model_60wide_depth400amm.jpg
ピーク放射照度:22.6W/m^2
全放射束:4.78W



水深 42cm(蛍光灯から52cm) 水槽底です
Model_60wide_depth520mm.jpg
ピーク放射照度:22.4W/m^2
全放射束:4.69W


右側のチャートは,単位面積あたりの光エネルギー(W)を示しています.
単位は 1×10^1W/m^2 です.
赤色が照度が高くて,青色が低いとこを示しています.

水深が浅いうちは中央部の照度が高く,深くなると均一化する様子が
分かります.
面白いのは,水深が深くなると中央部よりサイド(45cmの辺)部の
ほうが照度が高くなることです.また水槽の前と後ろのサイドでは
60cmの辺の中央部で照度が低くなっています.
60ワイド水槽にこの照明器具では,能力が不足しているのでしょうね.

光エネルギー9Wのうち,水槽の底まで届いたのは4.69Wで,
効率は52%でした.意外とロスしています.
実際には反射板の反射率はもっと悪いと容易に想像できますし,
水面も波立っているので,更にロスが大きくなると思われます.
全てを考慮すると効率は40%位になるかもしれませんね.



と,こんな感じで面白い結果が得られましたので,
今度はメタハラでもやってみようと思います.

反射板の形状と蛍光灯の位置関係が分かれば簡単にモデルが
作れるので,皆さんの照明器具も解析しますよ.
メタハラ,LEDも可能です.


※解析はノンシーケンシャルモデルで実施して,照度解析には
モンテカルロ解析法を用いました.


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この記事に対するコメント

待ってました!蛍光灯!
今回は特に目からウロコ落ちまくりの内容でした。感激です!
蛍光灯の20Wは2~3Wにしかならないのですか。。LEDではどうなっていくのか気になります。次回に期待しています。

深度による強度分布ですが、いままで我が家の水槽で謎に包まれていた部分を全てクリアしてくれました。
というのも、我が家の水槽の中段(蛍光灯から20~30cm)のサイド付近ではサンゴの色が上手く発色してくれなかったのです。それでもって一番端に移してみたり、底に置いたりすると綺麗に発色するようになったのです。
我が家での一例を挙げるとトゲエダコモンやキャピタタ、チヂミトサカがまさにその緑色の部分に配置してしまったことによって調子を落としてしまったのです。隅に置いたり、底に置いたりすることで調子が上がって不思議だなと思っていましたが、ハナアレジーさんのお陰で謎が解けました。
今度記事にしてみます。その際はこの記事をリンクさせていただきますね^^ 画像もパクっていいですか^^;?
2Dの正面と側面の色線ですが、赤い線のところに強照明を必要とするサンゴ、青や緑の線のところにそれほど光を必要としないサンゴを置けばいいということですよね。これはレイアウト革命ですね!
長コメ失礼しました;
【2009/07/15 04:06】
URL | しかぱっち #- *編集*

今まで、照明の真下がどんな深さでも照度が高いと思ってました^^;
こんなに違うもんなんですね^^
目からウロコです。
メタハラもお願いします♪
【2009/07/15 21:37】
URL | ヒゲオヤジ #- *編集*

しかぱっちさん

そんなにおっしゃっていただけるとモチベーションが保てそうです(^^

蛍光体で波長変換しているタイプの白色LEDもようやく蛍光灯のエネルギー変換効率に
追いついたところなので,光エネルギーとしては投入電力の20%くらいですかね.
ただしRGB3色で白色を得ているタイプのものは,まだその半分くらいじゃないでしょうか.
メタハラの代わりになるのはまだまだだと思います.

深度が深くなるとサイドが明るくなるのはガラス面からの反射だと思います.
後でこのあたりの検証をしてみます.

>画像もパクっていいですか^^;?
どうぞご自由に使ってください.配置でサンゴがどう変化したのか興味があります.

2Dの光線の色は3本の蛍光灯にそれぞれ色を割り当てただけで,
線の粗密が明暗を表しています.
これも後で修正しますね.
【2009/07/16 22:23】
URL | ハナアレジー #- *編集*

ヒゲオヤジさん

上のコメントでも書いたのですが,ガラス面の反射光が
寄与しているようです.
なのでガラスのコケ取りは大切ですね.

ただ,ガラス面の反射光は照明の設置高さや配光特性に大きく
影響されるので,灯具が変われば分布も異なると思います.

メタハラもそのうちやりますんで,気長にお待ちください(^^
【2009/07/16 22:28】
URL | ハナアレジー #- *編集*

こんばんわ^^
初めて書き込みさせていただきます。

これはすごいですねー^^
素人考えではど真ん中=一番明るいとおもっていたのですが、
水槽では違うことがこれでよくわかりますね。

メタハラ期待してまっています^^
【2009/07/16 23:05】
URL | cozmic #- *編集*

ハナアレジーさん、
凄い解析です!!!う~ん、素人の私ではできないです。。。
以前お話しましたPAR値になりますが、どのくらいのロスになるのか測定した人がいます。中々面白いので是非下のリンク先の写真を見て下さい。
http://s677.photobucket.com/albums/vv138/taka-tech/?action=view¤t=MingPAR.jpg
上記のリンクは、T5蛍光灯での結果です。灯具直下と水面下直下で30%ほどのPAR値が失われています。底辺りでは、60%以上のロスになっています。
今度家のT5蛍光灯を解析していただけませんでしょうか?
8x54Wで大きさは120cmx45cmで、水槽サイズ120cmX46cmX51cm(深さ)の上部15cmの所に設置しています。反射板は、各蛍光灯に1つずつ付いており、メーカー公表値では98%反射できるようです。
個人的に興味があるのは、反射板が各蛍光灯についているのといないときの違いと蛍光灯設置箇所が15cmのときと10cmのときの違いです。
お忙しいとは思いますが、お時間あるときにでもお願いいたします。
本当に感動ものの記事です。
【2009/07/17 07:32】
URL | TAKA #- *編集*

cozmicさん

はじめまして.コメントありがとうございます.
この結果はうちの器材を一例としてるので,構成が変われば結果も
多少異なったものになるんじゃないかと思っています.
とはいえ,ガラス面での反射って影響が大きいので
コケ掃除は大切ですね.
うちではサボリがちですが(^^;

メタハラもやってみるつもりなので,お待ち下さいね(^^

【2009/07/17 08:22】
URL | ハナアレジー #- *編集*

TAKAさん

私も照明光学は専門外なので勉強しながらやってますよ(^^
PAR値の実測は非常に参考になりますね.
シミュレーションの結果と照らし合わせて考えると
色々なことが分かりそうですね.

Takaさんの照明のモデルを作成するにあたり,
いくつか寸法が必要なので教えてもらえますか?
次の記事に一時的に図をのせてあります.
【2009/07/17 14:49】
URL | ハナアレジー #- *編集*

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