新型小功率LED節(jié)能集魚燈的特性及應用

茍瀚儒，李德堂，方懂平，李同蘭

（1.浙江海洋大學船舶與機電工程學院，浙江舟山 316022；2.舟山巨洋技術(shù)開發(fā)有限公司，浙江舟山 316041；3.舟山市卓林船舶設計有限公司，浙江舟山 316000）

利用魚類具有的趨光特性，通過光誘聚集魚群而達到捕獲魚類，是一種很普遍的海上捕撈作業(yè)方式。隨著光電技術(shù)的飛速發(fā)展，LED在漁業(yè)領域等到了廣泛應用。目前多數(shù)遠洋漁船還是采用傳統(tǒng)的金鹵燈以及功率較大的LED集魚燈等，由柴油發(fā)電機提供相關出海作業(yè)的全部電力需求，其能源消耗約占發(fā)電機輸出功率的70%左右，是捕撈生產(chǎn)的主要成本。此外，燃油的消耗嚴重制約了漁船的出海作業(yè)時間，影響了捕魚效果。同時，對環(huán)境的持續(xù)污染日益嚴重，紫外線對人體的輻射造成的傷害也逐漸受到關注。如何提高漁業(yè)產(chǎn)業(yè)效益并合理降低成本，對我國遠洋漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展至關重要[1]。

國內(nèi)外諸多學者對LED集魚燈進行了積極的探索和研制。錢衛(wèi)國等[2-3]對480 W LED集魚燈以及平板型300 W LED集魚燈的光學屬性進行測試，研究操作需求和成本計算，并從光譜角度解釋不同波段透射率的捕撈效果?？紫楹榈萚4]嘗試通過改變燈光顏色和入射角度來提高漁獲產(chǎn)量。除此之外，國內(nèi)不少學者針對漁船的油耗情況從不同角度進行分析與研究[5-6]；有的學者研究了可以實現(xiàn)自動控制的集魚燈和水下LED集魚燈板[7-8]；有的學者從大功率新型LED集魚燈和對燈源輻射的角度入手對LED集魚燈進行改進和推廣[9-10]，還有一些學者通過研究不同漁船上所安裝集魚燈的作業(yè)間距入手[10-11]，最大程度的提高集魚燈的捕獲效率，實現(xiàn)降低能耗的目的。

1 小功率節(jié)能型集魚燈的參數(shù)選配

針對目前傳統(tǒng)的千瓦級金鹵燈（鹵素燈）和大功率的LED集魚燈，能耗高，重量大的缺陷，在設計開發(fā)COB小功率節(jié)能型集魚燈過程中，項目組優(yōu)化應用了中國科學院工程熱物理所研發(fā)的微槽群復合相變散熱器，結(jié)合中國科學院工程熱物理所的LED熱管理整燈集成熱設計技術(shù)，采用優(yōu)質(zhì)集成光源和中國科學院LED特殊陶瓷COB封裝技術(shù)，形成獨有的光學分布高透光PC透鏡，同時燈體采用船用專業(yè)防腐材質(zhì)，經(jīng)過專業(yè)表面處理，具有防鹽霧腐蝕特性，各項參數(shù)見表1。

表1 COB小功率節(jié)能型集魚燈各項參數(shù)Tab.1 The parameters of COB low power energy-saving fish lamp

2 新型COB小功率節(jié)能型集魚燈的性能

2.1 散熱性能

中國科學院工程熱物理研究所研發(fā)的微槽群復合相變LED散熱技術(shù)，常用于高熱流密度和大功率電力設備等，是達到國際領先水平的新一代冷卻技術(shù)，具有冷卻能力強、無功耗冷卻、重量輕、體積小和成本低、環(huán)保等優(yōu)勢。結(jié)合LED照明散熱的技術(shù)特點，將該技術(shù)成功應用于本小功率LED集魚燈的研發(fā)。如圖1所示，相對于其他5種典型散熱技術(shù)，微槽群復合相變冷卻器的導熱系數(shù)可達106 W（/m·℃），具有取熱強度大、均溫性好、散熱效率高，芯片溫升小、壽命長等優(yōu)勢，燈體的冷凝裝置為多槽道并采用鋁合金材料，解決了傳統(tǒng)大功率LED燈具的散熱難題，大大增加了集魚燈的使用壽命，同時也提高了漁民使用集魚燈進行捕魚作業(yè)的安全性。

圖1 6種散熱技術(shù)對照Fig.1 Comparison of six heat dissipation technologies

2.2 光譜性能

傳統(tǒng)金鹵燈的光譜較寬，發(fā)光方式為散光，光線的利用率不高。而LED燈光譜較窄，為分立的光譜，，聚光效果好，可以有效地控制眩光。不同類的LED有不同的峰值波長，顏色色彩較為多變，能夠自由地進行色調(diào)和光譜結(jié)構(gòu)的搭建和調(diào)和。LED發(fā)光對電流的響應速度極快，只需通過調(diào)整電流就可以調(diào)節(jié)光的強度和顏色[12]。

通過將每一個波段能量值進行積分計算，發(fā)現(xiàn)LED集魚燈的能量相對值總和為285，金鹵燈為1 300，可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)金鹵燈的能量相對值是LED集魚燈的4.5倍，但從能耗角度來算，傳統(tǒng)金鹵燈能耗為LED集魚燈的6.6倍。LED集魚燈與傳統(tǒng)金鹵燈的波普如圖2所示。從圖2中可以看出，LED集魚燈在380～400 nm波段的強度明顯低于金鹵燈，該波段屬于近紫外線波段，長時間照射會造成漁業(yè)捕撈工作者皮膚黑色素沉淀，加速皮膚的老化，對漁業(yè)作業(yè)者健康造成較大的危害[13]。

圖2 LED集魚燈與傳統(tǒng)金鹵燈波普分布比較Fig.2 Curve of spectrum distribution of LED lamp and MHL

COB小功率節(jié)能型集魚燈還具有以下光譜特性：

（1）范圍廣、捕魚區(qū)域大，能吸引更多魚群；

（2）光照方向性強，針對海面照度，燈具有效利用率高；

（3）穿透力強、海水照射深度深。

2.3 節(jié)能環(huán)保性能

金屬鹵化物燈存在光效低、耗電量大、電能大部分轉(zhuǎn)化為熱能等問題，在能源損耗和經(jīng)濟效益方面日漸趨于疲態(tài)。

LED的光譜大多為可見光頻段，避免了紫外線和紅外線的輻射污染，有效的避免了對趨光魚類和漁業(yè)工人造成健康傷害，且相比于傳統(tǒng)金鹵燈其油耗更低，也更符合節(jié)能環(huán)保的發(fā)展理念[14]。另外，傳統(tǒng)金鹵燈內(nèi)含有汞和其他對人身體有危害的重金屬元素，長期使用所造成的危害較大；而LED集魚燈在使用中不產(chǎn)生光污染，不含汞等重金屬元素，具有安全性好、無紫外線輻射、無汞等重金屬污染的特點，屬于典型的綠色光源。

2.4 其他設計參數(shù)

該產(chǎn)品的封裝防護等級達到了IP68，抗高壓且擁有良好的水密性。金屬鹵化物燈運行時需要較高的工作電壓，且部件結(jié)構(gòu)較易損壞，使用時長約為3 000 h[12]。而經(jīng)過試驗測試，COB小功率節(jié)能型集魚燈使用壽命長達50 000 h，封裝密封性好，能在惡略工況下工作，較傳統(tǒng)金鹵燈和大功率LED集魚燈而言，重量輕、維護成本低，具有良好的經(jīng)濟安全性能，適合遠洋漁業(yè)的工作。

3 具體產(chǎn)品對比分析

3.1 與傳統(tǒng)金鹵燈對比

將COB小功率節(jié)能型集魚燈與傳統(tǒng)金鹵燈集魚燈（圖3）進行各項參數(shù)的比對，并將燈體的各項運行參數(shù)記錄繪制成表，見表2。

圖3 傳統(tǒng)金鹵燈與COB小功率節(jié)能型集魚燈Fig.3 Traditional gold halide lamp and COB small power energy-saving fish lamp

對比試驗過程中，將傳統(tǒng)金鹵燈與COB小功率節(jié)能型集魚燈各選取100盞，進行能耗計算，傳統(tǒng)金鹵燈和COB小功率節(jié)能型集魚燈每盞燈功率分別為1 000 W和240 W，按每日8 h工作時長計算其各自的能耗，計算結(jié)果二者能耗對比（表3）。

3.2 與大功率LED集魚燈的對比

COB小功率節(jié)能型集魚燈與大功率LED集魚燈實船安裝對比效果見表4。對比結(jié)果顯示，雖然福建某型號LED集魚燈能夠滿足現(xiàn)場作業(yè)需求，但單個燈體體型大，安裝較為笨重，燈體單元出現(xiàn)故障時無法一比一維修替換，成本較高，而相比較之下，新型COB節(jié)能型集魚具有燈體輕便、安裝維修簡潔明了、燈體可以進行一比一替換等優(yōu)勢。集魚燈燈體和漁船安裝效果如圖4、圖5所示。

3.3 現(xiàn)場試驗

本文以舟山附近海域為試驗基地，試驗分別在兩條漁船兩側(cè)相同位置安裝同等數(shù)量共60盞小功率LED集魚燈和500 W LED集魚燈，并與另一艘安裝傳統(tǒng)金鹵燈的本地漁船在舟山海域進行漁業(yè)測試。

COB小功率節(jié)能型集魚燈現(xiàn)場應用效果如圖6所示，通過漁船搭載運行試驗，對比安裝傳統(tǒng)金鹵燈的漁船，在相同作業(yè)時間內(nèi)，本產(chǎn)品捕魚作業(yè)用于照明的油料節(jié)省近70%，整體用油量節(jié)省近40%，漁業(yè)產(chǎn)量較之前也有所提高，經(jīng)濟效益顯著。也驗證了COB小功率節(jié)能型集魚燈的各項性能參數(shù)與優(yōu)化選配一致。

表2 COB小功率節(jié)能型集魚燈與傳統(tǒng)金鹵燈的參數(shù)比較Tab.2 The COB low power energy-saving fish lamp is compared with the parameters of traditional gold halide lamps

表3 COB小功率節(jié)能型集魚燈與傳統(tǒng)金鹵集魚燈的耗油對比Tab.3 The comparison of the oil consumption of COB low power energy-saving fish lamp with traditional gold halide lamps

表4 COB小功率節(jié)能型集魚燈與福建某型號LED集魚燈的參數(shù)比較Tab.4 Comparison of parameters between COB low power energy-saving fish lamp and traditional gold halide lamp

圖4 福建某型號LED集魚燈及產(chǎn)品實裝Fig.4 A type of LED fish lamp and installation diagram produced in fujian province

圖5 COB小功率節(jié)能型集魚燈及產(chǎn)品實裝Fig.5 COB small power energy-saving fish lamp and installation drawing

4 結(jié)論

通過新型COB小功率節(jié)能型集魚燈、傳統(tǒng)金鹵燈和大功率LED集魚燈的分析與試驗對比，結(jié)果表明：新型COB小功率節(jié)能型LED集魚燈可有效降低漁船能源消耗，減少海洋環(huán)境的污染，同時也給漁業(yè)人員的工作環(huán)境帶來很大的改觀，在日漸發(fā)展的遠洋漁業(yè)中將會顯示出較強的市場競爭力和潛力。