概念
集魚燈
發光二極體
發光二極體(L ight Emitting Diode, LED)是一種場致發光光源,是可直接將電能轉化為可見光和輻射能的半導體器件。LED 的發光原理是利用固體半導體晶片作為發光材料,當兩端加上正向電壓,半導體材料的PN 結中注入的空穴與電子複合時引起光子發射而產生光,直接把電能轉換為光能,屬冷光源。使用LED 半導體照明已被公認為是一種節能環保的重要途徑。日本從2005 年開始,研究使用藍色LED 集魚燈來替代金屬鹵化物集魚燈,以達到節省能源消耗、改善工作環境等目的。其燃油消費量僅為傳統魷釣船的1 /3,釣獲率也相當於(甚至超越)傳統魷釣船。我國也有企業和高校正在進行LED 集魚燈的研究與開發,並取得了一定成果。
設計
設計要求
LED 水下集魚燈應符合以下幾方面要求:光源具有較大照射範圍、足夠的照度,並能適用於誘集魚群;啟動操作簡單迅速;燈具堅固、耐震,水密耐壓;耐用。
LED 控制與驅動系統
LED控制與驅動系統框圖採用數位化控制電路 ，整個電路由以嵌入式微控制器(MCU)作核心的控制系統電路、驅動電路和LED 光源點陣三部分構成 。LED 水下集魚燈用高亮度LED 作為光源。LED 雖然光效很高,但單只LED 所發出的光通量還不夠大,為了實現較大照射範圍和足夠的照度,必須採用多隻LED 組合在一起使用。首先根據水下集魚燈集魚所需要達到的照射範圍與照度確定總功率,在此基礎上選擇一定功率的多隻LED 來達到所需的總功率。由1 只紅(R ) 、1 只綠(G) 、1 只藍(B)根據配色要求構成1個三基色發光單元。多個三基色發光單元的組合是通過單元電路板實現,在陣列結構上通過先分單元後組合的方式,呈線形、矩形、圓形、內外半圓柱面及部分球面的分布,保證光向四周發射。
三基色LED點列陣示意圖LED 驅動電路採用積體電路驅動, LED 驅動時需要先將直流電流通過高效率的開關穩壓器降壓和變換成恆流源,才能輸出恆定的電流驅動LED 發光。顯示電路分為紅、綠、藍3 個模組, 3 個模組與MCU 的連線方式也相同。MCU 通過信號線與模組中各LED 驅動電路相連線。通過內置於MCU 中的控制程式,由MCU 向LED 驅動集成塊傳送控制信號和數據, LED 驅動集成塊根據控制信號和數據要求,對每一隻LED 實現單獨控制。若MCU 連續向各個LED 驅動集成塊不斷發出控制信號和數據,使每隻LED 都受到連續的協調控制。如果控制LED 以魚眼分辨不出的閃爍頻率快速亮滅,並且控制LED 在每一個亮滅周期內發光時間的占空比,就能起到控制LED 發光亮度的效果。通過對每隻LED 發光亮度的控制,使每隻LED 產生256 級灰度等級。對3 個模組內的每隻紅光、綠光、藍光LED 同時進行控制,3 種光色LED 按照不同的灰度等級任意組合,能夠產生16 777 216 種彩色效果。將多個三基色發光單元組合成一定結構的顯示點列 ,按照這種控制方式,就能顯示出各種顏色、多種圖像的動態顯示效果,從而實行誘魚。
無線供電電源
如果LED 水下集魚燈採用電纜線供電,使用時電纜線容易破損折斷,多個LED 水下集魚燈一起操作時容易纏繞,非常麻煩。本文設計的LED 水下集魚燈用蓄電池供電,並利用無線供電技術為蓄電池充電。無線供電系統包括電能傳送單元和電能接收單元兩部分。電能傳送單元主要由交直流電源電路、功率放大輸出電路、驅動電路、振盪電路、基準電壓電路、控制保護電路以及發射線圈L1 (變壓器初級)組成,電能接收單元主要包括接收線圈L2 (變壓器次級) 、高頻整流濾波電路和負載組成 。
無線供電系統結構框圖.無線供電系統 ，工作時輸入端將交流電經全橋整流電路變換成直流電,或用漁船的直流電源直接為系統供電,直流電流通過振盪電路逆變轉換成高頻交流電,經功率放大輸出電路放大後供給發射線圈L1。通過發射線圈L1 與接收線圈L2 耦合電能,接收線圈L2 輸出的電流經高頻整流濾波電路變換成直流電提供給負載(電池)進行充電。一個電能傳送單元可以對多個電能接收單元發射電磁波進行充電。電能傳送單元與電能接收單元可以用一對一、一對多、多對一、多對多和網路分布方式充電。無線供電技術套用於LED 水下集魚燈,不需要在LED 水下集魚燈上安裝接口及導線,使LED 水下集魚燈具有高度可靠的防水性能。
散熱
由於LED 消耗的能量除轉換為光能外,幾乎都是熱能,而且只能以熱傳導的形式傳出,所以散熱設計是LED 能否成功套用的關鍵技術。在熱傳輸設計方面,要計算直接接觸LED 器件散熱體的熱容量。較大的熱容量可以較好地吸收和平衡瞬間的熱衝擊,防止由於瞬間過流產生的高溫對LED 器件的熱損壞。還要考慮散熱器件的熱傳輸平衡條件和傳輸量,讓集魚燈內部LED 器件上發出的熱量能夠順利地傳到集魚燈外部的海水中。設計時通過封裝基板解決散熱的問題,在散熱基板上做貫通孔,使散熱基板直接與海水接觸,讓海水在貫通孔內循環,達到降溫目的。
封裝
LED 水下集魚燈的防護等級是IP68,要求徹底防水,可以長時間浸在一定壓力的水中使用。LED 水下集魚燈燈體結構外殼材質為不鏽鋼(或鋁合金) ,燈具玻璃為鋼化玻璃,採用矽橡膠密封圈進行密封。LED 體積小,封裝靈活,能排成點、線、面等形式安裝。採用無線供電技術的LED 水下集魚燈可以做成球形、直管形等各種形狀和大小不同的水下集魚燈。
特點
節能環保
近年來,燃油價格大幅度上漲,光誘捕魚漁業在燃油上的投入比重也大為增加,有時熱光源集魚燈的燃油消耗要占到漁船總燃油消耗的50%以上。由此可見,用在集魚燈上的燃油消耗費用己經對光誘捕魚業的經營效益產生了比較明顯的影響。金屬鹵化物燈存在光效低、耗電量大、電能大部分轉化為熱能的不足。LED 的光譜幾乎全部集中在可見光頻段,光效率可達80% ～90% ,因此功耗低,在相同的照明效果下,比金屬鹵化物燈節能。 金屬鹵化物燈發出的光線中含有大量的紫外線和紅外線輻射,光誘漁船作業時會對漁船工作人員健康造成傷害,也會對中上層趨光魚類,特別是視覺系統發育尚未完善的幼、稚魚造成一定的傷害。LED 是冷光源,沒有紅外線和紫外線的成分,沒有輻射污染,能有效防止漁場生態被破壞。另外,金屬鹵化物燈內的填充物中有汞或其它重金屬,在使用過程中破損和廢棄後的燈都會對人身健康和環境造成危害,而LED 使用中不產生有害物質,廢棄物可回收,沒有污染,不含汞元素,屬於典型的綠色光源。
光譜性能好
金屬鹵化物燈的光譜較寬,且發光方向為整個立體空間,不利於配光和光線的有效利用。而LED 光譜為分立的光譜,譜線較窄,半高全寬在30 nm 左右,各類的LED 有不同峰值波長,可以在光合有效輻射範圍內方便地匹配出各種不同的光譜結構。LED 色彩豐富、鮮艷,可以有多樣化的色調選擇和配光,並且LED 發光大部分集中會聚於中心,發散角較小,可以有效地控制眩光。LED 發光對電流的回響速度極快,只需通過調整電流就可以調節光的強度和顏色。
安全可靠,使用壽命長
由於漁業生產工況條件特殊,燈和燈具經常在海浪中拍打和在船舶搖晃中工作,因此必須具備良好的防震和防水性能。金屬鹵化物燈有玻璃泡、燈絲等易損壞部件,易碎,耐震性差,而且需要上百伏特的工作電壓,壽命一般為3000 h。當用作水下集魚燈時,必須先放進水裡再開燈,出水時必須先熄燈再提出水面。操作麻煩,稍有不慎燈泡就有可能爆炸,造成觸電事故[ 11 ] 。LED 是用環氧樹脂封裝固態光源,使用低電壓(單個LED 只需1. 5～4. 0 V 的直流電壓) 、低電流驅動,使用壽命可高達6 萬～10 萬h;也是一種全固體結構,能經得起震動、衝擊而不至於損壞,非正常報廢率很小,維護極為方便。
套用
生產實踐表明,影響光誘集魚效果的首要因素是光源,它包括光源強度、燈光顏色、燈具的配置等。例如,在暗適應條件下,藍圓鰺幼、成魚對藍、綠色光的趨光率最高,對紅光的趨光率最低。由暗適應向明適應過渡後,引起趨光率最高的顏色光移向黃、綠色光。在暗適應和明適應條件下,鮐魚都對紫光和紅光有最大的趨光率。LED 水下集魚燈通電工作後,整個系統由軟體控制運行。根據不同漁場的客觀情況、誘集目標魚類的生理和生態的不同特點,來配置光源的亮度、顏色以及動態變化效果來誘魚。用戶通過遙控器,或者通過LED 水下集魚燈上的控制鍵來設定集魚燈顯示內容,以便符合實際需要。LED 水下集魚燈能顯示出魚喜歡的食物、同類、各種事物的圖像等來誘集魚群,還能顯示出魚的天敵等相關圖像來驅集魚群、控制魚群。實行科學捕撈,合理開發利用漁業資源,保護魚類繁衍增殖,達到可持續發展的目標。 目前,LED 水下集魚燈的成本較高, LED 光源的光通量、一致性、可靠性還有待提高。LED集魚燈節能效果在日本魷釣業已經得到證實,但是LED 集魚燈的普及情況仍然不佳。改用LED 集魚燈的魷釣船,是否具長期、持續性的漁獲效果,還需要確認。對於LED 水下集魚燈套用研究目前還處於起步階段,缺乏系統的研究資料和成果。但隨著科學技術的不斷發展,各種技術的完善,LED 水下集魚燈將會成為一種主要的助漁設備,具有廣闊的套用前景。
