300 W型綠光LED集魚(yú)燈的光學(xué)特性

錢(qián)衛(wèi)國(guó)，陳新軍，雷林

(1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海201306;2.國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海201306;3.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201306)

光誘漁業(yè)除了研究捕撈對(duì)象的生物學(xué)特性［1-2］、資源分布和海洋環(huán)境狀況［3-5］等內(nèi)容外，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)捕撈生產(chǎn)輔助設(shè)備的研究。集魚(yú)燈是光誘漁業(yè)中的誘魚(yú)和集魚(yú)裝置，其燈光強(qiáng)度、光強(qiáng)分布范圍以及集魚(yú)燈種類的選擇等都會(huì)極大地影響誘魚(yú)和集魚(yú)的效果［6］。近年來(lái)，漁船之間的光力競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，使得集魚(yú)燈能耗問(wèn)題更為嚴(yán)重［7-9］。另外，目前漁船上普遍采用金屬鹵化物集魚(yú)燈［6，10］，由于此種燈沒(méi)有定向性使得光源浪費(fèi)嚴(yán)重，而且所產(chǎn)生的紫外線對(duì)船員身體的影響較大。在全球能源日益緊張的形勢(shì)下，漁業(yè)同樣面臨燃油危機(jī)的重大挑戰(zhàn)［11］，這也將制約著中國(guó)光誘漁業(yè)的持續(xù)發(fā)展。因此，如何降低成本，提高生產(chǎn)效益，是當(dāng)前中國(guó)遠(yuǎn)洋和近海光誘漁業(yè)急需研究的重要課題。

從目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究來(lái)看，LED(Lightemitting diode，發(fā)光二極管)集魚(yú)燈的研制和開(kāi)發(fā)應(yīng)用，可為解決上述問(wèn)題提供可能。為此，本研究中作者對(duì)所研制的300 W型綠光LED集魚(yú)燈進(jìn)行了光學(xué)性能測(cè)試，并與傳統(tǒng)的1 kW型金屬鹵化物集魚(yú)燈進(jìn)行了比較，以期為L(zhǎng)ED集魚(yú)燈在中國(guó)光誘漁業(yè)中的應(yīng)用提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 綠光LED集魚(yú)燈 由上海海洋大學(xué)魷釣技術(shù)組與上海嘉寶電子協(xié)力電子有限公司合作，經(jīng)過(guò)大量的前期調(diào)查和方案設(shè)計(jì)，在LED集魚(yú)燈第一代產(chǎn)品 (300 W型白光)研發(fā)的基礎(chǔ)上［12］，又開(kāi)發(fā)研制了LED集魚(yú)燈第二代產(chǎn)品 (300 W型綠光)(圖1)。綜合考慮該綠光LED集魚(yú)燈的設(shè)計(jì)，初步認(rèn)為其不僅具有白光300 W型LED集魚(yú)燈的各種優(yōu)良性能［12］，而且放射的綠光在海水中的透過(guò)率更高，有效地避免了不必要的光能浪費(fèi);另外，其光譜范圍 (490～560 nm)與頭足類對(duì)光譜的吸收峰值范圍 (波長(zhǎng)為 460～530 nm)十分接近［13-16］，更適合于對(duì)頭足類的誘集。

1.1.2 1 kW型金屬鹵化物集魚(yú)燈 根據(jù)上海海洋大學(xué)魷釣技術(shù)組的前期研究資料［6］，1 kW型金屬鹵化物集魚(yú)燈的基本參數(shù)見(jiàn)表1，其配光曲線見(jiàn)圖2。使用極坐標(biāo)方程對(duì)該集魚(yú)燈發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行擬合，得到配光曲線極坐標(biāo)函數(shù)如下:

圖1 300 W型綠光LED集魚(yú)燈及點(diǎn)亮狀態(tài)Fig.1 Green light LED lamp(300 W)for fish aggregation and luminescence

圖2 1 kW型金屬鹵化物集魚(yú)燈及其配光曲線Fig.2 The metal halide lamp(1 kW)for fish aggregation and its distribution of luminous intensity

表1 1 kW型金屬鹵化物集魚(yú)燈的基本參數(shù)Tab.1 The basic parameters of domestic metal halide lamp(1 kW)for fish aggregation

式中:Iθ為發(fā)光強(qiáng)度 (坎德拉，cd);θ為方位角(弧度)。

1.1.3 測(cè)量?jī)x器 采用加拿大Satlantic公司生產(chǎn)的Hyperspectral profiler II高光譜剖面儀，其光譜測(cè)量范圍為348～802 nm，測(cè)量深度為0～100 m，水深精確度為0.1 m，分辨率為0.01 m。

1.2 測(cè)量方法

于2011年4月16日19:30—21:30(測(cè)量時(shí)，天氣多云，無(wú)背景光影響)在浙江省舟山市浙江興業(yè)公司碼頭，對(duì)舟山寧泰遠(yuǎn)洋漁業(yè)公司“金海827”號(hào)輪船安裝的LED集魚(yú)燈和1 kW型金屬鹵化物集魚(yú)燈 (簡(jiǎn)稱為金鹵燈)，分別進(jìn)行了光譜測(cè)量。“金海827”號(hào)輪船總長(zhǎng)為43.5 m，設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)為37.0 m，型寬為7.60 m，型深為3.80 m，平均吃水為2.80 m。1 kW金鹵燈距離上甲板3.3 m，距離下甲板5.9 m，距離碼頭平面5.0 m，燈間距0.58 m;LED集魚(yú)燈距離上甲板3.8 m，距離下甲板6.4 m，距離碼頭平面5.5 m，燈間距0.1 m。集魚(yú)燈布置情況參見(jiàn)圖3和圖4。

測(cè)量時(shí)，分別開(kāi)啟綠光LED集魚(yú)燈30盞，以及船左側(cè)一列金屬鹵化物集魚(yú)燈62盞，在船側(cè)的碼頭平面設(shè)置54個(gè)測(cè)光點(diǎn) (6行、9列)，利用高光譜剖面儀進(jìn)行測(cè)光 (圖4)。

圖3 “金海827”號(hào)輪船的集魚(yú)燈分布示意圖Fig.3 Arrangement of fish aggregation lamps on the squid jigging vessel known as Jinhai No.827

圖4 集魚(yú)燈測(cè)光示意圖Fig.4 The illuminance measurement of fish aggregation lamps

2 結(jié)果

2.1 兩種集魚(yú)燈的光譜比較

綠光LED集魚(yú)燈和1 kW型金屬鹵化物集魚(yú)燈的光譜輻照度情況見(jiàn)圖5。從圖5可以看出，綠光LED集魚(yú)燈的光譜輻射量主要集中在綠光波段(490～560 nm);而1 kW型金屬鹵化物集魚(yú)燈的光譜范圍很大，不僅包含整個(gè)可見(jiàn)光 (波長(zhǎng)為380～760 nm)，并有部分紫外和紅外光線，同時(shí)部分波段 (如 360、400、430、480、510、540、590 nm波長(zhǎng)附近等)還出現(xiàn)峰值。綠光LED集魚(yú)燈與1 kW型金屬鹵化物集魚(yú)燈相比，發(fā)光波段僅為綠色光譜部分，不產(chǎn)生紫外線，不會(huì)對(duì)船員的眼睛和皮膚產(chǎn)生負(fù)面影響。

圖5 兩種集魚(yú)燈的光譜分布Fig.5 Spectral distribution of the fish aggregation lamps

2.2 兩種集魚(yú)燈光譜輻照度分布的比較

根據(jù)光通量計(jì)算公式［12］，分別對(duì)綠光LED集魚(yú)燈 (總功率9 kW)和1 kW型金屬鹵化物集魚(yú)燈 (總功率62 kW)各個(gè)不同測(cè)光點(diǎn)的輻射量的測(cè)量值按公式 (2)進(jìn)行積分，可計(jì)算得到不同測(cè)光點(diǎn)處的光通量，并得到照度值 (表2和表3)。

式中:F為光通量 (lm);Km為輻射量和光度量之間的比例系數(shù)，其值為683 lm/W;V(λ)為無(wú)量綱系數(shù);P(λ)為輻射通量 (W)。

從表2和表3可見(jiàn)，在同一測(cè)光點(diǎn)，綠光LED集魚(yú)燈的照度值均高于1 kW型金屬鹵化物集魚(yú)燈，所有測(cè)光點(diǎn)照度均高出10 lx以上。特別是正對(duì)LED集魚(yú)燈布置 (D～I(xiàn)列，圖4)的測(cè)光點(diǎn)，其第1行～第4行的照度要比1 kW型集魚(yú)燈高出100～750 lx。由此可見(jiàn)，總功率為9 kW的LED集魚(yú)燈在所測(cè)量平面的照度值，要高于總功率為62 kW的1 kW型集魚(yú)燈的照度值。因此，從理論上來(lái)說(shuō)，使用綠光LED集魚(yú)燈替代或部分替代原有的金屬鹵化物燈，可以在船體附近獲得較好的燈光照度。

表2 綠光LED集魚(yú)燈(總功率9 kW)在各測(cè)光點(diǎn)的照度Tab.2 The illuminance of green light LED fish aggregation lamps with total power of 9 kW lx

表3 1 kW型金屬鹵化物燈(總功率62 kW)在各測(cè)光點(diǎn)的照度Tab.3 The illuminance of metal halide lamps(1 kW)with total power of 62 kW lx

2.3 兩種集魚(yú)燈在空氣中的衰減系數(shù)

以測(cè)光中心位置E列數(shù)據(jù)為例，對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到62個(gè)1 kW型集魚(yú)燈在空氣中的衰減公式為y=2990.1e－0.2494x(R2=0.9523)，衰減系數(shù)為0.2494;30個(gè)綠光LED集魚(yú)燈在空氣中的衰減公式為y=3573.9e－0.2527x(R2=0.9875)，衰減系數(shù)為0.2527。從圖6可見(jiàn)，綠光LED集魚(yú)燈在空氣中的能量衰減速度要略大于1 kW型金屬鹵化物集魚(yú)燈。

圖6 兩種集魚(yú)燈不同距離的照度Fig.6 The illuminance in different distance of the two kinds of fish aggregation lamps

2.4 兩種集魚(yú)燈的水中照度分布

集魚(yú)燈水中照度的計(jì)算方法參見(jiàn)文獻(xiàn) ［6］、［10］，根據(jù)“金海827”號(hào)輪船的集魚(yú)燈布置參數(shù) (圖3)，使用自行開(kāi)發(fā)的水上集魚(yú)燈水下光場(chǎng)計(jì)算系統(tǒng)V1.0(軟件登記號(hào)為2010SR042147)，計(jì)算獲得船舷左前側(cè) (距離船艏16.5 m處，也即綠色LED集魚(yú)燈的中間位置)0～200 m不同深度的照度。在海水光學(xué)衰減系數(shù)為0.2時(shí)，計(jì)算獲得1 kW型金屬鹵化物集魚(yú)燈總功率為62 kW時(shí)的水中照度;綠光LED集魚(yú)燈總功率為9 kW時(shí)的水中照度參考點(diǎn)光源計(jì)算模式［6］。使用Surfer 8.0軟件繪制等值曲線圖，獲得水中照度的斷面分布如圖7、圖8所示。

從圖7可見(jiàn)，1 kW型集魚(yú)燈總功率為62 kW時(shí)，離船水平距離40 m以內(nèi)的照度值較高，多為100 lx以上，特別是離船10 m以內(nèi)近表層的水中照度可達(dá)1 000 lx以上。10 lx照度最深可至20 m水深，離船水平距離最遠(yuǎn)為70 m左右;0.1 lx照度最深可至40 m水深，離船水平距離最遠(yuǎn)為200 m左右。

圖7 1 kW型金屬鹵化物集魚(yú)燈總功率為62 kW時(shí)的水中等照度曲線分布Fig.7 Contours of underwater irradiance of metal halide lamps(1 kW)with total power of 62 kW

從圖8可見(jiàn)，綠光LED集魚(yú)燈總功率為9 kW時(shí)，離船水平距離40 m以內(nèi)的照度值較高，多為10 lx以上，特別是離船20 m以內(nèi)的近表層的水中照度可達(dá)100 lx以上。10 lx照度最深可至30 m水深，離船水平距離最遠(yuǎn)為36 m左右;0.1 lx照度最深可約至65 m水深，離船水平距離最遠(yuǎn)為50 m左右。

圖8 LED集魚(yú)燈總功率9 kW時(shí)的水中等照度曲線分布Fig.8 Contours of underwater irradiance of greenlight LED fish aggregation lamps with total power of 9 kW

假設(shè)0.01 lx為誘集魷魚(yú)的最低照度，1 kW金屬鹵化物集魚(yú)燈 (62 kW)和LED集魚(yú)燈 (9 kW)兩種集魚(yú)燈在水平方向上，0.01 lx照度分布的最遠(yuǎn)距離分別約為550 m和70 m;在垂直方向上，0.01 lx照度分布的最深距離分別約為50 m和85 m?？梢?jiàn)，盡管功率相差很大，但使用綠光LED集魚(yú)燈能有效增加對(duì)深層魷魚(yú)的吸引范圍;而在水平方向上，LED集魚(yú)燈的有效誘集距離要低于金屬鹵化物集魚(yú)燈，這主要是由于所測(cè)LED集魚(yú)燈是與甲板成45°角布置，故其光線無(wú)法向水平方向傳遞很遠(yuǎn)。

3 討論與分析

LED燈被稱為世界上最新的第四代光源，其具有長(zhǎng)壽命、低消耗、定向性和無(wú)光源污染等優(yōu)點(diǎn)［17］，于20世紀(jì)90年代后期被逐步推廣到海洋捕撈業(yè)中。日本和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的有關(guān)部門(mén)已較為成功地將LED集魚(yú)燈推廣應(yīng)用到秋刀魚(yú)舷提網(wǎng)和燈光圍網(wǎng)漁業(yè)中［18-21］。但由于LED發(fā)光模塊具有散熱慢的缺點(diǎn)，不易將單燈燈具的功率設(shè)計(jì)的太大，因而日本和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)所開(kāi)發(fā)的LED集魚(yú)燈的單燈功率都較小，一般為60～220 W。本課題組采用水冷卻技術(shù) (該項(xiàng)技術(shù)已申請(qǐng)專利)，有效解決了LED集魚(yú)燈燈具發(fā)熱的問(wèn)題，可使LED集魚(yú)燈的單個(gè)燈具功率超過(guò)300 W，為在漁船上合理布置安裝LED集魚(yú)燈提供了更好的條件。

與當(dāng)前普遍使用的白光金屬鹵化物集魚(yú)燈相比，綠光LED集魚(yú)燈在海水中傳播時(shí)能量損耗小，因而具有更好的穿透性，光線能有效到達(dá)較深的水層。同時(shí)，綠光LED集魚(yú)燈的光譜輻射量主要集中在綠光波段 (490～560 nm)，該波段與柔魚(yú)等所喜好的藍(lán)綠光波段相近［13，16］，這有利于吸引捕撈對(duì)象靠近漁船。但綠光LED集魚(yú)燈在實(shí)際漁業(yè)中的集魚(yú)效果尚需進(jìn)一步研究。

相關(guān)研究認(rèn)為，青色LED綜合光源效率為金屬鹵化物燈的32倍以上，在確保魷釣漁獲量不變的情況下，可節(jié)省燃油總量的50%以上［18］。本研究結(jié)果表明，綠光LED集魚(yú)燈具有諸多的優(yōu)良性能，如壽命長(zhǎng)，電力消耗低，發(fā)熱少，能瞬間點(diǎn)燈熄燈，在海中的透過(guò)率高，使用低壓電源，不需要安裝安定器 (鎮(zhèn)流器)，不產(chǎn)生紫外線等，能夠滿足光誘漁業(yè)的需要，且節(jié)約能耗的潛力巨大。

LED具有廣闊的應(yīng)用前景是不爭(zhēng)的事實(shí)，但LED漁用集魚(yú)燈的研發(fā)工作仍處于初級(jí)階段。盡管目前國(guó)產(chǎn)LED集魚(yú)燈已有部分批次的產(chǎn)品，且已開(kāi)展了漁業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)，但還有許多研究工作有待進(jìn)一步跟進(jìn)，比如:單燈功率大小的確定，主要光譜的選擇，LED集魚(yú)燈在船上的合理布置，不同漁業(yè)方式及不同捕撈對(duì)象的總功率的確定，同時(shí)還需進(jìn)行光譜測(cè)量和輻照度測(cè)定等。這些研究工作的深入開(kāi)展，都需要得到相關(guān)職能部門(mén)和企業(yè)的支持。

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