使用水冷型LED集鱼灯系统的设计和性能评估（一）

植物灯光谱技术 · 2018-12-03

作者：배봉성*·안희춘1·권기진2·박성욱·박창두·이경훈

韩国釜山619-902国家渔业研究开发所渔业系统工程部

韩国港农210-861国家渔业研究开发所东海渔业研究所养殖产业部

韩国汉城150-038韩国测试研究所绿色LED照明小组

审校：许东

译注：集鱼灯市场规模巨大，集鱼灯与植物灯同属LED生物光的应用，集鱼灯试错成本极高，需要科学的实验方法参考，本文比较完整的论述了LED集鱼灯海上捕捞实验，实验数据值得借鉴，对集鱼灯产业的研究与应用有很好的参考作用。

本文内容较长，分三次发布。

绪论

集鱼灯灯是在夜间诱集鱼的工具，但是，应用集鱼灯的石油成本在50吨级船舶上高达近一亿韩元，在小于10吨的船舶情况下也高达四千万韩元。这笔费用几乎占渔业总费用的30-40％。随着石油价格的上涨，渔业的经营状况越来越糟。因此，开发经济型集鱼灯，解决渔业经营难的问题迫在眉睫。本研究的目的是利用LED开发一种用于鱿鱼和带鱼捕捞的集鱼灯，其具有优异的效率和耐久性。一个集鱼灯具有大约160瓦的容量，并且五个集鱼灯安装在一个铝板上，通过海水流动可以带走LED向外部发出产生的热量。开发集鱼灯是以有效的鱿鱼捕捞和诱鱼操作为方向。可以控制该集鱼灯引诱鱼群的运动方向，因为安装集鱼灯的铝板可以被控制为上下方向。集鱼灯的光色有白色和蓝色。白色光是聚集水平方向的鱼群，蓝色光是聚集垂直方向的鱼群。在开发这种集鱼灯后，船上建立了60-110个灯具进行了捕鱼。其效果是：在鱿鱼捕捞消耗的能量减少到39％，在带鱼捕捞减少了68％的消耗能量。捕获的效果优于其他捕捞船。

概论

为了捕鱼而采用了很多种方法。特别是在我国（译注：韩国）有多种捕鱼的方法，其中有夜间捕捞渔的方法。使用这种方法的渔业有船网渔业、烽燧渔业、超望渔业等，在我国，渔业渔船的势力最大。目前捕渔船的情况是，鱿鱼的钓船大约是3750艘（沿岸渔船约3000艘，近海渔船约750艘），带鱼船的渔船约为1100艘（沿岸渔船约1050艘，近海渔船约50艘），是非常重要的渔业。以鱿鱼为对象，捕鱿鱼中采用灯光而产生油类费用，50吨级渔船年约1亿韩元，10吨级渔船年约4千万韩元，占渔船的油耗30-40%，占总费用的65%，目前主要使用的灯是金卤灯，一个金卤灯电力消耗量为1.5kW，并且在不必要的领域里浪费70%的光，所以不必要能量的消耗很多。因此，非常需要开发新的集鱼灯系统，可以大幅度减少石油消耗。

为了开发这种系统，对系统的分析以及系统的特性和捕鱼量之间的关系进行调查是非常重要的。An and Choo（1993）研究了一条钓船渔船在捕捞区与捕捞量的关系，而Inada（1988）、Choi and Arakawa（2001）和Jo 等人（2006）测量了渔船周围的水下光谱辐照度，作为该研究的结果，水的穿透能力与灯具的捕捞性能之间的关系变得清楚。

另一方面，从几年前开始，以新的光源控制系统为基础，以5万小时以上的耐久性来体现所需光质与光量的LED（发光二极管）是最大的开发对象，LED元件的发光效率每年都创新高。船用发展的可能性很好。现在以日本和我国为中心，正在开发LED灯，在鱿鱼业和秋刀渔业中证明了LED等各种各样的性能，对于此相关的研究达到实用化。

对LED等光辐射及水中投影特性的研究（Choi、2006）、发光二极管的行为特性研究（Bae et .2008）、一项关于高亮度LED和光源的单位功率辐射特性和辐射剂量的研究（Choi，2008），用于渔船的机载LED集鱼灯系统的设计和性能评估（Bae等，2009）。有捕渔船用的孔冷式LED系统的设计及性能评价（2009）等。本项研究的目的是设计和制造一个水冷式LED散热器，它可以比空气冷却型更有效地降低LED产生的热量，并应用在捕鱼船上。

系统的设计及制作

水冷式LED集鱼灯的外观和安装结构如图1所示。系统考虑到二次光学设计与灯具结构设计，LED灯的波长（颜色），LED元件的最小芯片单元尺寸，LED元件的布置方法，封装方法，冷却方法，安装结构，光辐射的总量，布置位置和角度以及光发射方法（Kim等，2006）。用于测试的前照灯是水冷式，用海水有效地冷却LED灯产生的热量。五个LED前照灯单元连接到一个铝制散热板上。另外，每个板的两端具有进水孔或出水孔，海水可以通过这两个孔流动进行冷却。由LED灯板的背面与冷却面板紧密接触，并且冷却面板内部允许海水通过，有效地带走热量。此外，如果水冷系统密封不好，它将在整个系统中引起非常严重的后果，特别是当冷却面板里的海水在冬天结冰后无法冷却。因此，在不使用时，水冷式集鱼灯管路不应有水，弹性硅胶材料用于密封部分，而塑料材料则用于防盐。

①发光模块 ②铝灯体

③凸透镜 ④LED芯片

⑤冷却水入口 ⑥冷却水出口

⑦上支撑线槽 ⑧下支撑线槽

使用的LED芯片是LumiLED（美国），标称功耗是2W，电流是700 mA。LED的光源功率为160 W（灯具耗电250 W），把蓝色和淡绿色的光色混合在一起使用，并使用蓝色和黄-绿色波长的光各半的配置，集成封装提高混光性能，视觉表现出白色。透镜（直径80mm，中心高度30mm）附接到光源的外部，使得反射到LED侧的光可以向前会聚。

安装在面板上的前灯安装在两根钢丝绳上，这两根钢丝绳在前桅杆和船尾桅杆之间平行连接，两条支线分别穿过灯具绳板的顶部和底部。另外，可以调节两条支撑线之间的连接角度，使得集鱼灯在有效的方向上发射。与地面的中心线的角度设定为与垂直方向成约63度，使得金卤灯与LED集鱼灯与船弦的角度符合。

测试中使用的集鱼灯的性能是根据NFRDI 8001的检测标准和方法进行的，NFRDI 8001是LED照明灯的认证标准，测试项目包括照明特性，电压波动，闪烁寿命，工作耐久性，有效光通量和有效光效。 NFRDI 8001标准基于KS光照检验标准，是食品，农业，林业和渔业部LED灯的质量控制标准。有效光通量和有效发光效率是沿着有效拾取方向的光的光通量，（Lee et al。，1985）。功率分析仪（PPA2530，Newtons4th Co.）用于测量灯具性能，测试电压、电流和功率。发光强度分布采用（GO-DS，LMT Co.）分光仪。