LED誘捕燈的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

龔雅萍

（浙江海洋學(xué)院海運(yùn)學(xué)院，浙江舟山 316004）

誘捕燈是光誘漁業(yè)作業(yè)中最主要的裝備之一，起到誘魚和集魚的作用。隨著漁業(yè)捕撈模式的改變，對(duì)誘捕燈光源的要求也越來(lái)越高，穩(wěn)定、可靠、高效率、環(huán)保節(jié)能的誘捕燈應(yīng)用具有重要的意義。而LED屬于冷光源，與現(xiàn)有金屬鹵化物燈比較，具有高效、節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、光波長(zhǎng)度可選的特點(diǎn)。

1 燈光誘捕集魚的原理

燈光捕魚技術(shù)中的光誘集魚技術(shù)，是以魚類對(duì)光色的趨光性為其理論依據(jù)的。魚類屬于近視眼，但對(duì)光照、顏色、物體形狀與運(yùn)動(dòng)中的網(wǎng)具均能作出靈敏的反應(yīng)。通常魚類對(duì)光的反應(yīng)有3種：正向趨光性、負(fù)趨光性、對(duì)光線無(wú)反應(yīng)。

而不同種類的魚對(duì)光的敏感性不同。以頭足類魚為例，此類魚的視網(wǎng)膜對(duì)光譜的吸收峰值在465～495 nm[1-2]。其次，影響誘捕集魚的另一原因是魚類喜愛棲息集群的照度。當(dāng)誘捕燈的照度適宜時(shí)，會(huì)引起魚類的正向趨光反應(yīng)；當(dāng)照度不適宜時(shí)，即產(chǎn)生不良感光區(qū)，使魚類的趨光性減弱，甚至離開。一般誘捕燈光場(chǎng)分布如圖1。

圖1 誘捕燈光源分布示意圖Fig.1 Light trap resource distribution

（1）不良感光區(qū)：緊靠集魚燈的照明區(qū)。此處光線極強(qiáng)，超過了魚類等動(dòng)物的眼所能忍受的范圍。一般魚類在此區(qū)域都表現(xiàn)負(fù)趨光反應(yīng)，迅速離去。

（2）良好感光區(qū)：在不良感光區(qū)外圍的照明區(qū)域。這個(gè)區(qū)域的光照強(qiáng)度適合于魚眼的視覺要求，因此在這個(gè)區(qū)域內(nèi)魚類會(huì)主動(dòng)趨向光源，游聚集群，即為趨光區(qū)域。

（3）微弱感光區(qū)：是良好感光區(qū)外圍的光照區(qū)域，魚類通常是無(wú)法做出正趨光反應(yīng)和負(fù)趨光反應(yīng)的。

（4）不感光區(qū)：是照明區(qū)的最外圍的區(qū)域。不能為魚類所感受。

不同發(fā)光強(qiáng)度的光源，前面的三個(gè)區(qū)域的大小不一樣。而對(duì)同一功率的光源來(lái)說，不同種類的魚，對(duì)這三個(gè)光照區(qū)域的反應(yīng)也不相同。此外，水的透明度、深度和水底的反光程度等都會(huì)影響這三個(gè)區(qū)域的大小。這三個(gè)區(qū)域的大小就意味著人工光源的誘集魚類的范圍，是其實(shí)際效能的重要指標(biāo)。一般魚類的適宜照度分布見表1[5]。

表1 幾種魚類的適宜照度Tab.1 Proper illumination for fishes

2 LED的光學(xué)特性及節(jié)能效果

2.1 LED 的光學(xué)特性

LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，可以直接把電能轉(zhuǎn)化為光和輻射能，LED具有功耗低、體積小，發(fā)光效率高，響應(yīng)時(shí)間極短，光色純，結(jié)構(gòu)牢固，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。LED的核心即為半導(dǎo)體的晶片，由環(huán)氧樹脂進(jìn)行封裝起來(lái)[3]。LED發(fā)光的顏色由波長(zhǎng)決定，是由形成P-N節(jié)材料決定的。因此根據(jù)不同魚類對(duì)光譜敏感程度的不同，LED誘捕燈可直接短波段光源，即475～500 nm的波長(zhǎng)，燈光呈藍(lán)色，對(duì)海水的穿透力大。

2.2 LED 的節(jié)能效果

目前國(guó)內(nèi)漁船捕撈所用誘捕燈均為金屬鹵化物燈，功率大，一般水面誘捕燈功率為1 000～2 000 W，在正常捕魚作業(yè)時(shí)耗費(fèi)漁船用電總功率的50%左右。而1艘漁船的成本使用費(fèi)中，柴油成本占捕撈成本的60%，傳統(tǒng)誘捕燈耗電量占捕撈成本的30%以上。其次，傳統(tǒng)的捕魚所用金屬鹵化物燈使用壽命為8 000 h，由于燈具使用時(shí)溫度很高，容易出現(xiàn)意外損壞而降低了使用壽命，因此漁船出海捕撈時(shí)需配備相當(dāng)數(shù)量的燈泡，使捕撈成本大大提高?，F(xiàn)以單船分別使用金屬鹵化物燈和LED燈為例進(jìn)行比較說明。

表2 金屬鹵化物燈和LED誘捕燈使用情況比較表Tab.2 Comparison of metal halide and LED lamp

由表2可見，若按每艘船用LED誘捕燈全部換成金屬鹵化物燈計(jì)算，每年可節(jié)省近62萬(wàn)元。由于國(guó)內(nèi)近海漁業(yè)資源的匱乏，漁業(yè)捕撈的重點(diǎn)發(fā)展方向?yàn)檫h(yuǎn)洋漁業(yè)，目前，我國(guó)魷釣船有500多艘[6]，且中大型魷釣船的數(shù)量在大幅度增加，若所有的漁船均使用LED誘捕燈，其節(jié)能量是非常驚人的。

3 LED誘捕燈的設(shè)計(jì)

LED誘捕燈應(yīng)滿足以下幾方面的要求：

（1）性能要求：光源有較大的照射范圍，具有足夠的照度，能適應(yīng)魚群的光譜范圍要求；啟動(dòng)操作準(zhǔn)確方便迅速；照明設(shè)備節(jié)能環(huán)保低碳；燈具堅(jiān)固、防震、防風(fēng)防搖晃、抗沖擊、耐腐蝕，水密耐壓；LED光源和燈具完全滿足漁業(yè)作業(yè)的要求。

（2）LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)：LED驅(qū)動(dòng)器必須具備恒流源、高效率、低損耗、低溫升的特性，通過研究電流脈動(dòng)變化對(duì)LED芯片壽命的影響研究，對(duì)LED電流回路精度進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，在LED等的額定電壓上浮25%的范圍內(nèi)時(shí)，電流穩(wěn)定在5%以內(nèi)，使之達(dá)到恒流源的目標(biāo)，并使驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)換效率達(dá)95%。通過試驗(yàn)可知，如輸出10 W的驅(qū)動(dòng)電源，當(dāng)效率達(dá)95%時(shí)，其損耗是0.5 W，當(dāng)效率只有85%時(shí)，其損耗是1.7 W，后者損耗比前者大3倍多，在同等條件下，前者的溫度卻比后者低10～15℃。而鋁基板溫度的高低則直接影響LED的使用壽命。

（3）散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：LED芯片的溫度決定了燈具的使用壽命與光效。有實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明：LED自身溫度每上升5℃，光通量就下降3%，而溫度在105～85℃之間，每降低10℃，壽命可增加1倍。LED芯片的最適宜溫度為65℃以下。由此，通過對(duì)散熱片的優(yōu)化設(shè)計(jì)，強(qiáng)化散熱片翅片的結(jié)構(gòu)，確定翅片各幾何尺寸的最優(yōu)值，滿足LED誘捕燈在通過空氣自然對(duì)流及輻射作用將熱量帶走的情況下的翅片散熱結(jié)構(gòu)，選用鋁材陰極氧化處理，有效控制節(jié)溫的升高，延長(zhǎng)LED誘捕燈光源的使用壽命。

（4）燈具防搖晃裝置的設(shè)計(jì)：船舶在漁業(yè)作業(yè)過程中，受柴油機(jī)振動(dòng)和波浪的影響，使船舶始終處于一定的搖晃狀態(tài)，針對(duì)這一現(xiàn)象，設(shè)計(jì)出特殊的誘捕燈結(jié)構(gòu)，克服LED光源具有較強(qiáng)指向性的缺陷，使船舶不管處于何種晃動(dòng)狀態(tài)，誘捕燈始終處于特定的照射區(qū)域。

由于漁船處于海洋腐蝕與潮濕的環(huán)境中，對(duì)誘捕燈組件有腐蝕和導(dǎo)電作用，通過對(duì)防腐與防水材料的選擇，達(dá)到所水面誘捕燈所需要的要求。

4 LED誘捕燈的應(yīng)用

LED誘捕燈節(jié)能效果在日本的魷釣業(yè)與秋刀魚捕撈中已經(jīng)得到證實(shí)，但LED誘捕燈的普及率仍然不佳。改用LED誘捕燈的魷釣船，是否具有持續(xù)性的集魚效果，還需要進(jìn)一步確認(rèn)[7]，對(duì)于LED誘捕燈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功率確定及持續(xù)應(yīng)用情況需要進(jìn)行進(jìn)一步的海上試驗(yàn)。隨著科學(xué)的進(jìn)步及各項(xiàng)技術(shù)的完善，LED誘捕燈必將成為今后的光誘漁業(yè)作業(yè)的重要裝備，具有良好的市場(chǎng)發(fā)展前景。

[1]俞文釗,何大仁,鄭玉水.藍(lán)圓鲹、鮐魚對(duì)等能光譜色的趨光反應(yīng)[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1972(2):126-130.

[2]今村豊.火光利用の漁業(yè)にっぃて[J].日本水產(chǎn)學(xué)會(huì)誌,1972,38(8):877-880.

[3]呂 正,姚和軍.發(fā)光二極管的發(fā)展現(xiàn)狀與市場(chǎng)前景[J].現(xiàn)代計(jì)量測(cè)試,2005(8):8-11

[4]楊羅定.LED在海洋漁業(yè)誘捕中的應(yīng)用[C]//海峽兩岸第十七屆照明科技與營(yíng)銷研討會(huì)專題報(bào)告論文集，2010:27-36.

[5]中國(guó)遠(yuǎn)洋漁業(yè)信息網(wǎng).光誘魷釣漁業(yè)技術(shù)之四[EB/OL].(2006-11-22).http://www.cndwf.com/news.asp?news_id=176&page.

[6]錢衛(wèi)國(guó).魷釣漁業(yè)中集魚燈的優(yōu)化配置研究[D].上海:上海水產(chǎn)大學(xué),2005:1-144.

[7]中國(guó)遠(yuǎn)洋漁業(yè)信息網(wǎng).日本魷釣船改用LED集魚燈成績(jī)出色[EB/OL].（2008-08-21）[2012-05-27].http://www.cndwf.com/news.asp?news_id=2090.