新型小功率LED节能集鱼灯的特性及应用

苟瀚儒，李德堂，方懂平，李同兰

（1.浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山 316022；2.舟山巨洋技术开发有限公司，浙江舟山 316041；3.舟山市卓林船舶设计有限公司，浙江舟山 316000）

利用鱼类具有的趋光特性，通过光诱聚集鱼群而达到捕获鱼类，是一种很普遍的海上捕捞作业方式。随着光电技术的飞速发展，LED在渔业领域等到了广泛应用。目前多数远洋渔船还是采用传统的金卤灯以及功率较大的LED集鱼灯等，由柴油发电机提供相关出海作业的全部电力需求，其能源消耗约占发电机输出功率的70%左右，是捕捞生产的主要成本。此外，燃油的消耗严重制约了渔船的出海作业时间，影响了捕鱼效果。同时，对环境的持续污染日益严重，紫外线对人体的辐射造成的伤害也逐渐受到关注。如何提高渔业产业效益并合理降低成本，对我国远洋渔业的可持续发展至关重要[1]。

国内外诸多学者对LED集鱼灯进行了积极的探索和研制。钱卫国等[2-3]对480 W LED集鱼灯以及平板型300 W LED集鱼灯的光学属性进行测试，研究操作需求和成本计算，并从光谱角度解释不同波段透射率的捕捞效果。孔祥洪等[4]尝试通过改变灯光颜色和入射角度来提高渔获产量。除此之外，国内不少学者针对渔船的油耗情况从不同角度进行分析与研究[5-6]；有的学者研究了可以实现自动控制的集鱼灯和水下LED集鱼灯板[7-8]；有的学者从大功率新型LED集鱼灯和对灯源辐射的角度入手对LED集鱼灯进行改进和推广[9-10]，还有一些学者通过研究不同渔船上所安装集鱼灯的作业间距入手[10-11]，最大程度的提高集鱼灯的捕获效率，实现降低能耗的目的。

1 小功率节能型集鱼灯的参数选配

针对目前传统的千瓦级金卤灯（卤素灯）和大功率的LED集鱼灯，能耗高，重量大的缺陷，在设计开发COB小功率节能型集鱼灯过程中，项目组优化应用了中国科学院工程热物理所研发的微槽群复合相变散热器，结合中国科学院工程热物理所的LED热管理整灯集成热设计技术，采用优质集成光源和中国科学院LED特殊陶瓷COB封装技术，形成独有的光学分布高透光PC透镜，同时灯体采用船用专业防腐材质，经过专业表面处理，具有防盐雾腐蚀特性，各项参数见表1。

表1 COB小功率节能型集鱼灯各项参数Tab.1 The parameters of COB low power energy-saving fish lamp

2 新型COB小功率节能型集鱼灯的性能

2.1 散热性能

中国科学院工程热物理研究所研发的微槽群复合相变LED散热技术，常用于高热流密度和大功率电力设备等，是达到国际领先水平的新一代冷却技术，具有冷却能力强、无功耗冷却、重量轻、体积小和成本低、环保等优势。结合LED照明散热的技术特点，将该技术成功应用于本小功率LED集鱼灯的研发。如图1所示，相对于其他5种典型散热技术，微槽群复合相变冷却器的导热系数可达106 W（/m·℃），具有取热强度大、均温性好、散热效率高，芯片温升小、寿命长等优势，灯体的冷凝装置为多槽道并采用铝合金材料，解决了传统大功率LED灯具的散热难题，大大增加了集鱼灯的使用寿命，同时也提高了渔民使用集鱼灯进行捕鱼作业的安全性。

图1 6种散热技术对照Fig.1 Comparison of six heat dissipation technologies

2.2 光谱性能

传统金卤灯的光谱较宽，发光方式为散光，光线的利用率不高。而LED灯光谱较窄，为分立的光谱，，聚光效果好，可以有效地控制眩光。不同类的LED有不同的峰值波长，颜色色彩较为多变，能够自由地进行色调和光谱结构的搭建和调和。LED发光对电流的响应速度极快，只需通过调整电流就可以调节光的强度和颜色[12]。

通过将每一个波段能量值进行积分计算，发现LED集鱼灯的能量相对值总和为285，金卤灯为1 300，可以发现，传统金卤灯的能量相对值是LED集鱼灯的4.5倍，但从能耗角度来算，传统金卤灯能耗为LED集鱼灯的6.6倍。LED集鱼灯与传统金卤灯的波普如图2所示。从图2中可以看出，LED集鱼灯在380～400 nm波段的强度明显低于金卤灯，该波段属于近紫外线波段，长时间照射会造成渔业捕捞工作者皮肤黑色素沉淀，加速皮肤的老化，对渔业作业者健康造成较大的危害[13]。

图2 LED集鱼灯与传统金卤灯波普分布比较Fig.2 Curve of spectrum distribution of LED lamp and MHL

COB小功率节能型集鱼灯还具有以下光谱特性：

（1）范围广、捕鱼区域大，能吸引更多鱼群；

（2）光照方向性强，针对海面照度，灯具有效利用率高；

（3）穿透力强、海水照射深度深。

2.3 节能环保性能

金属卤化物灯存在光效低、耗电量大、电能大部分转化为热能等问题，在能源损耗和经济效益方面日渐趋于疲态。

LED的光谱大多为可见光频段，避免了紫外线和红外线的辐射污染，有效的避免了对趋光鱼类和渔业工人造成健康伤害，且相比于传统金卤灯其油耗更低，也更符合节能环保的发展理念[14]。另外，传统金卤灯内含有汞和其他对人身体有危害的重金属元素，长期使用所造成的危害较大；而LED集鱼灯在使用中不产生光污染，不含汞等重金属元素，具有安全性好、无紫外线辐射、无汞等重金属污染的特点，属于典型的绿色光源。

2.4 其他设计参数

该产品的封装防护等级达到了IP68，抗高压且拥有良好的水密性。金属卤化物灯运行时需要较高的工作电压，且部件结构较易损坏，使用时长约为3 000 h[12]。而经过试验测试，COB小功率节能型集鱼灯使用寿命长达50 000 h，封装密封性好，能在恶略工况下工作，较传统金卤灯和大功率LED集鱼灯而言，重量轻、维护成本低，具有良好的经济安全性能，适合远洋渔业的工作。

3 具体产品对比分析

3.1 与传统金卤灯对比

将COB小功率节能型集鱼灯与传统金卤灯集鱼灯（图3）进行各项参数的比对，并将灯体的各项运行参数记录绘制成表，见表2。

图3 传统金卤灯与COB小功率节能型集鱼灯Fig.3 Traditional gold halide lamp and COB small power energy-saving fish lamp

对比试验过程中，将传统金卤灯与COB小功率节能型集鱼灯各选取100盏，进行能耗计算，传统金卤灯和COB小功率节能型集鱼灯每盏灯功率分别为1 000 W和240 W，按每日8 h工作时长计算其各自的能耗，计算结果二者能耗对比（表3）。

3.2 与大功率LED集鱼灯的对比

COB小功率节能型集鱼灯与大功率LED集鱼灯实船安装对比效果见表4。对比结果显示，虽然福建某型号LED集鱼灯能够满足现场作业需求，但单个灯体体型大，安装较为笨重，灯体单元出现故障时无法一比一维修替换，成本较高，而相比较之下，新型COB节能型集鱼具有灯体轻便、安装维修简洁明了、灯体可以进行一比一替换等优势。集鱼灯灯体和渔船安装效果如图4、图5所示。

3.3 现场试验

本文以舟山附近海域为试验基地，试验分别在两条渔船两侧相同位置安装同等数量共60盏小功率LED集鱼灯和500 W LED集鱼灯，并与另一艘安装传统金卤灯的本地渔船在舟山海域进行渔业测试。

COB小功率节能型集鱼灯现场应用效果如图6所示，通过渔船搭载运行试验，对比安装传统金卤灯的渔船，在相同作业时间内，本产品捕鱼作业用于照明的油料节省近70%，整体用油量节省近40%，渔业产量较之前也有所提高，经济效益显著。也验证了COB小功率节能型集鱼灯的各项性能参数与优化选配一致。

表2 COB小功率节能型集鱼灯与传统金卤灯的参数比较Tab.2 The COB low power energy-saving fish lamp is compared with the parameters of traditional gold halide lamps

表3 COB小功率节能型集鱼灯与传统金卤集鱼灯的耗油对比Tab.3 The comparison of the oil consumption of COB low power energy-saving fish lamp with traditional gold halide lamps

表4 COB小功率节能型集鱼灯与福建某型号LED集鱼灯的参数比较Tab.4 Comparison of parameters between COB low power energy-saving fish lamp and traditional gold halide lamp

图4 福建某型号LED集鱼灯及产品实装Fig.4 A type of LED fish lamp and installation diagram produced in fujian province

图5 COB小功率节能型集鱼灯及产品实装Fig.5 COB small power energy-saving fish lamp and installation drawing

4 结论

通过新型COB小功率节能型集鱼灯、传统金卤灯和大功率LED集鱼灯的分析与试验对比，结果表明：新型COB小功率节能型LED集鱼灯可有效降低渔船能源消耗，减少海洋环境的污染，同时也给渔业人员的工作环境带来很大的改观，在日渐发展的远洋渔业中将会显示出较强的市场竞争力和潜力。