新型小功率LED節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.舟山巨洋技術開發有限公司，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方式。隨著光電技術的飛速發展，LED在漁業領域等到了廣泛應用。目前多數遠洋漁船還是采用傳統的金鹵燈以及功率較大的LED集魚燈等，由柴油發電機提供相關出海作業的全部電力需求，其能源消耗約占發電機輸出功率的70%左右，是捕撈生產的主要成本。此外，燃油的消耗嚴重制約了漁船的出海作業時間，影響了捕魚效果。同時，對環境的持續污染日益嚴重，紫外線對人體的輻射造成的傷害也逐漸受到關注。如何提高漁業產業效益并合理降低成本，對我國遠洋漁業的可持續發展至關重要[1]。

國內外諸多學者對LED集魚燈進行了積極的探索和研制。錢衛國等[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量。除此之外，國內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間距入手[10-11]，最大程度的提高集魚燈的捕獲效率，實現降低能耗的目的。

1 小功率節能型集魚燈的參數選配

針對目前傳統的千瓦級金鹵燈（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COB小功率節能型集魚燈過程中，項目組優化應用了中國科學院工程熱物理所研發的微槽群復合相變散熱器，結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，采用優質集成光源和中國科學院LED特殊陶瓷COB封裝技術，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防腐材質，經過專業表面處理，具有防鹽霧腐蝕特性，各項參數見表1。

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

2 新型COB小功率節能型集魚燈的性能

2.1 散熱性能

中國科學院工程熱物理研究所研發的微槽群復合相變LED散熱技術，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，具有冷卻能力強、無功耗冷卻、重量輕、體積小和成本低、環保等優勢。結合LED照明散熱的技術特點，將該技術成功應用于本小功率LED集魚燈的研發。如圖1所示，相對于其他5種典型散熱技術，微槽群復合相變冷卻器的導熱系數可達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的安全性。

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

2.2 光譜性能

傳統金鹵燈的光譜較寬，發光方式為散光，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和光譜結構的搭建和調和。LED發光對電流的響應速度極快，只需通過調整電流就可以調節光的強度和顏色[12]。

通過將每一個波段能量值進行積分計算，發現LED集魚燈的能量相對值總和為285，金鹵燈為1 300，可以發現，傳統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，傳統金鹵燈能耗為LED集魚燈的6.6倍。LED集魚燈與傳統金鹵燈的波普如圖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捕撈工作者皮膚黑色素沉淀，加速皮膚的老化，對漁業作業者健康造成較大的危害[13]。

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

COB小功率節能型集魚燈還具有以下光譜特性：

（1）范圍廣、捕魚區域大，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 節能環保性能

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等問題，在能源損耗和經濟效益方面日漸趨于疲態。

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工人造成健康傷害，且相比于傳統金鹵燈其油耗更低，也更符合節能環保的發展理念[14]。另外，傳統金鹵燈內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

該產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，且部件結構較易損壞，使用時長約為3 000 h[12]。而經過試驗測試，COB小功率節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，具有良好的經濟安全性能，適合遠洋漁業的工作。

3 具體產品對比分析

3.1 與傳統金鹵燈對比

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

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

對比試驗過程中，將傳統金鹵燈與COB小功率節能型集魚燈各選取100盞，進行能耗計算，傳統金鹵燈和COB小功率節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。對比結果顯示，雖然福建某型號LED集魚燈能夠滿足現場作業需求，但單個燈體體型大，安裝較為笨重，燈體單元出現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勢。集魚燈燈體和漁船安裝效果如圖4、圖5所示。

3.3 現場試驗

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相同位置安裝同等數量共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金鹵燈的本地漁船在舟山海域進行漁業測試。

COB小功率節能型集魚燈現場應用效果如圖6所示，通過漁船搭載運行試驗，對比安裝傳統金鹵燈的漁船，在相同作業時間內，本產品捕魚作業用于照明的油料節省近70%，整體用油量節省近40%，漁業產量較之前也有所提高，經濟效益顯著。也驗證了COB小功率節能型集魚燈的各項性能參數與優化選配一致。

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

表3 COB小功率節能型集魚燈與傳統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小功率節能型集魚燈與福建某型號LED集魚燈的參數比較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小功率節能型集魚燈及產品實裝Fig.5 COB small power energy-saving fish lamp and installation drawing

4 結論

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