LED水下集魚燈的研究與設(shè)計(jì)方案
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集魚燈是光誘魷釣作業(yè)中最主要的助漁設(shè)備,可分為水上燈和水下燈兩類。水下集魚燈具有節(jié)能、誘集范圍廣、穿透水層深等特點(diǎn)。水下集魚燈不僅可以在晚上將深層的柔魚誘集到較淺的水層進(jìn)行作業(yè),還可以在白天將大型柔魚聚集在較深水層進(jìn)行捕獲 ,水下集魚燈于20世紀(jì)90年代以來被廣泛應(yīng)用到魷釣作業(yè)中,其光源以金屬鹵化物燈為主,屬熱光源。
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201612/325948.htm發(fā)光二極管(L ight Emitting Diode, LED)是一種場(chǎng)致發(fā)光光源,是可直接將電能轉(zhuǎn)化為可見光和輻射能的半導(dǎo)體器件。LED 的發(fā)光原理是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料,當(dāng)兩端加上正向電壓,半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中注入的空穴與電子復(fù)合時(shí)引起光子發(fā)射而產(chǎn)生光,直接把電能轉(zhuǎn)換為光能,屬冷光源。使用LED半導(dǎo)體照明已被公認(rèn)為是一種節(jié)能環(huán)保的重要途徑。
日本從2005年開始,研究使用藍(lán)色LED集魚燈來替代金屬鹵化物集魚燈,以達(dá)到節(jié)省能源消耗、改善工作環(huán)境等目的。其燃油消費(fèi)量僅為傳統(tǒng)魷釣船的1 /3,釣獲率也相當(dāng)于(甚至超越)傳統(tǒng)魷釣船。我國也有企業(yè)和高校正在進(jìn)行LED集魚燈的研究與開發(fā),并取得了一定成果。
1 LED水下集魚燈的設(shè)計(jì)
LED水下集魚燈應(yīng)符合以下幾方面要求:光源具有較大照射范圍、足夠的照度,并能適用于誘集魚群;啟動(dòng)操作簡單迅速;燈具堅(jiān)固、耐震,水密耐壓;耐用。
1. 1 LED控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
采用數(shù)字化控制電路,整個(gè)電路由以嵌入式微控制器(MCU)作核心的控制系統(tǒng)電路、驅(qū)動(dòng)電路和LED光源點(diǎn)陣三部分構(gòu)成(圖1) 。
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(fā)出的光通量還不夠大,為了實(shí)現(xiàn)較大照射范圍和足夠的照度,必須采用多只LED組合在一起使用。首先根據(jù)水下集魚燈集魚所需要達(dá)到的照射范圍與照度確定總功率,在此基礎(chǔ)上選擇一定功率的多只LED來達(dá)到所需的總功率。由1 只紅(R ) 、1 只綠(G) 、1只藍(lán)(B)根據(jù)配色要求構(gòu)成1個(gè)三基色發(fā)光單元。多個(gè)三基色發(fā)光單元的組合是通過單元電路板實(shí)現(xiàn),在陣列結(jié)構(gòu)上通過先分單元后組合的方式,呈線形、矩形、圓形、內(nèi)外半圓柱面及部分球面的分布,保證光向四周發(fā)射。
LED驅(qū)動(dòng)電路采用集成電路驅(qū)動(dòng), LED驅(qū)動(dòng)時(shí)需要先將直流電流通過高效率的開關(guān)穩(wěn)壓器降壓和變換成恒流源,才能輸出恒定的電流驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光。顯示電路分為紅、綠、藍(lán)3 個(gè)模塊, 3個(gè)模塊與MCU的連接方式也相同。MCU通過信號(hào)線與模塊中各LED驅(qū)動(dòng)電路相連接。通過內(nèi)置于MCU中的控制程序,由MCU向LED驅(qū)動(dòng)集成塊發(fā)送控制信號(hào)和數(shù)據(jù), LED驅(qū)動(dòng)集成塊根據(jù)控制信號(hào)和數(shù)據(jù)要求,對(duì)每一只LED實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制。若MCU連續(xù)向各個(gè)LED驅(qū)動(dòng)集成塊不斷發(fā)出控制信號(hào)和數(shù)據(jù),使每只LED都受到連續(xù)的協(xié)調(diào)控制 。
如果控制LED以魚眼分辨不出的閃爍頻率快速亮滅,并且控制LED在每一個(gè)亮滅周期內(nèi)發(fā)光時(shí)間的占空比,就能起到控制LED發(fā)光亮度的效果。通過對(duì)每只LED發(fā)光亮度的控制,使每只LED產(chǎn)生256級(jí)灰度等級(jí)。對(duì)3個(gè)模塊內(nèi)的每只紅光、綠光、藍(lán)光LED同時(shí)進(jìn)行控制, 3種光色LED按照不同的灰度等級(jí)任意組合,能夠產(chǎn)生16 777 216種彩色效果。將多個(gè)三基色發(fā)光單元組合成一定結(jié)構(gòu)的顯示點(diǎn)列(圖2) ,按照這種控制方式,就能顯示出各種顏色、多種圖像的動(dòng)態(tài)顯示效果,從而實(shí)行誘魚。
1. 2 無線供電電源
如果LED水下集魚燈采用電纜線供電,使用時(shí)電纜線容易破損折斷,多個(gè)LED水下集魚燈一起操作時(shí)容易纏繞,非常麻煩。本文設(shè)計(jì)的LED水下集魚燈用蓄電池供電,并利用無線供電技術(shù)為蓄電池充電。
無線供電系統(tǒng)包括電能發(fā)送單元和電能接收單元兩部分。電能發(fā)送單元主要由交直流電源電路、功率放大輸出電路、驅(qū)動(dòng)電路、振蕩電路、基準(zhǔn)電壓電路、控制保護(hù)電路以及發(fā)射線圈L1 (變壓器初級(jí))組成,電能接收單元主要包括接收線圈L2 (變壓器次級(jí)) 、高頻整流濾波電路和負(fù)載組成(圖3) 。
無線供電系統(tǒng)工作時(shí)輸入端將交流電經(jīng)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(tǒng)供電,直流電流通過振蕩電路逆變轉(zhuǎn)換成高頻交流電,經(jīng)功率放大輸出電路放大后供給發(fā)射線圈L1。通過發(fā)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(jīng)高頻整流濾波電路變換成直流電提供給負(fù)載(電池)進(jìn)行充電。一個(gè)電能發(fā)送單元可以對(duì)多個(gè)電能接收單元發(fā)射電磁波進(jìn)行充電。電能發(fā)送單元與電能接收單元可以用一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)一、多對(duì)多和網(wǎng)絡(luò)分布方式充電。無線供電技術(shù)應(yīng)用于LED水下集魚燈,不需要在LED水下集魚燈上安裝接口及導(dǎo)線,使LED水下集魚燈具有高度可靠的防水性能。
1. 3 散熱
由于LED消耗的能量除轉(zhuǎn)換為光能外,幾乎都是熱能,而且只能以熱傳導(dǎo)的形式傳出,所以散熱設(shè)計(jì)是LED能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。在熱傳輸設(shè)計(jì)方面,要計(jì)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沖擊,防止由于瞬間過流產(chǎn)生的高溫對(duì)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(nèi)部LED器件上發(fā)出的熱量能夠順利地傳到集魚燈外部的海水中。設(shè)計(jì)時(shí)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(nèi)循環(huán)[ 7 ] ,達(dá)到降溫目的。
1. 4 封裝
LED水下集魚燈的防護(hù)等級(jí)是IP68,要求徹底防水,可以長時(shí)間浸在一定壓力的水中使用。LED水下集魚燈燈體結(jié)構(gòu)外殼材質(zhì)為不銹鋼(或鋁合金) ,燈具玻璃為鋼化玻璃,采用硅橡膠密封圈進(jìn)行密封。LED體積小,封裝靈活,能排成點(diǎn)、線、面等形式安裝。采用無線供電技術(shù)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。
2 LED水下集魚燈的特點(diǎn)
2. 1 節(jié)能環(huán)保
近年來,燃油價(jià)格大幅度上漲,光誘捕魚漁業(yè)在燃油上的投入比重也大為增加,有時(shí)熱光源集魚燈的燃油消耗要占到漁船總?cè)加拖牡?0%以上 。由此可見,用在集魚燈上的燃油消耗費(fèi)用己經(jīng)對(duì)光誘捕魚業(yè)的經(jīng)營效益產(chǎn)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(zhuǎn)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(dá)80% ～90% ,因此功耗低,在相同的照明效果下,比金屬鹵化物燈節(jié)能。
金屬鹵化物燈發(fā)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(yè)時(shí)會(huì)對(duì)漁船工作人員健康造成傷害,也會(huì)對(duì)中上層趨光魚類,特別是視覺系統(tǒng)發(fā)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?jié)O場(chǎng)生態(tài)被破壞。另外,金屬鹵化物燈內(nèi)的填充物中有汞或其它重金屬,在使用過程中破損和廢棄后的燈都會(huì)對(duì)人身健康和環(huán)境造成危害,而LED使用中不產(chǎn)生有害物質(zhì),廢棄物可回收,沒有污染,不含汞元素,屬于典型的綠色光源。
2. 2 光譜性能好
金屬鹵化物燈的光譜較寬,且發(fā)光方向?yàn)檎麄€(gè)立體空間,不利于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范圍內(nèi)方便地匹配出各種不同的光譜結(jié)構(gòu)。LED 色彩豐富、鮮艷,可以有多樣化的色調(diào)選擇和配光,并且LED發(fā)光大部分集中會(huì)聚于中心,發(fā)散角較小,可以有效地控制眩光。LED發(fā)光對(duì)電流的響應(yīng)速度極快,只需通過調(diào)整電流就可以調(diào)節(jié)光的強(qiáng)度和顏色。
2. 3 安全可靠,使用壽命長
由于漁業(yè)生產(chǎn)工況條件特殊,燈和燈具經(jīng)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3 000 h。當(dāng)用作水下集魚燈時(shí),必須先放進(jìn)水里再開燈,出水時(shí)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(huán)氧樹脂封裝固態(tài)光源,使用低電壓(單個(gè)LED只需1. 5～4. 0 V的直流電壓) 、低電流驅(qū)動(dòng),使用壽命可高達(dá)6萬～10萬h;也是一種全固體結(jié)構(gòu),能經(jīng)得起震動(dòng)、沖擊而不至于損壞,非正常報(bào)廢率很小,維護(hù)極為方便。
3 LED水下集魚燈的應(yīng)用
生產(chǎn)實(shí)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(qiáng)度、燈光顏色、燈具的配置等。例如,在暗適應(yīng)條件下,藍(lán)圓鲹幼、成魚對(duì)藍(lán)、綠色光的趨光率最高,對(duì)紅光的趨光率最低。由暗適應(yīng)向明適應(yīng)過渡后,引起趨光率最高的顏色光移向黃、綠色光。在暗適應(yīng)和明適應(yīng)條件下,鮐魚都對(duì)紫光和紅光有最大的趨光率。
LED水下集魚燈通電工作后,整個(gè)系統(tǒng)由軟件控制運(yùn)行。根據(jù)不同漁場(chǎng)的客觀情況、誘集目標(biāo)魚類的生理和生態(tài)的不同特點(diǎn),來配置光源的亮度、顏色以及動(dòng)態(tài)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(shè)定集魚燈顯示內(nèi)容,以便符合實(shí)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(guān)圖像來驅(qū)集魚群、控制魚群。實(shí)行科學(xué)捕撈,合理開發(fā)利用漁業(yè)資源,保護(hù)魚類繁衍增殖,達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。
目前,LED水下集魚燈的成本較高, LED 光源的光通量、一致性
評(píng)論