LED水下集魚燈的研究與設(shè)計方案
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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。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行作業(yè),還可以在白天將大型柔魚聚集在較深水層進行捕獲 ,水下集魚燈于20世紀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://butianyuan.cn/article/201612/325948.htm發(fā)光二極管(L ight Emitting Diode, LED)是一種場致發(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,研究使用藍色LED集魚燈來替代金屬鹵化物集魚燈,以達到節(jié)省能源消耗、改善工作環(huán)境等目的。其燃油消費量僅為傳統(tǒng)魷釣船的1 /3,釣獲率也相當于(甚至超越)傳統(tǒng)魷釣船。我國也有企業(yè)和高校正在進行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
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;啟動操作簡單迅速;燈具堅固、耐震,水密耐壓;耐用。
1. 1 LED控制與驅(qū)動系統(tǒng)
采用數(shù)字化控制電路,整個電路由以嵌入式微控制器(MCU)作核心的控制系統(tǒng)電路、驅(qū)動電路和LED光源點陣三部分構(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來達到所需的總功率。由1 只紅(R ) 、1 只綠(G) 、1只藍(B)根據(jù)配色要求構(gòu)成1個三基色發(fā)光單元。多個三基色發(fā)光單元的組合是通過單元電路板實現(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)動電路采用集成電路驅(qū)動, LED驅(qū)動時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LED發(fā)光。顯示電路分為紅、綠、藍3 個模塊, 3個模塊與MCU的連接方式也相同。MCU通過信號線與模塊中各LED驅(qū)動電路相連接。通過內(nèi)置于MCU中的控制程序,由MCU向LED驅(qū)動集成塊發(fā)送控制信號和數(shù)據(jù), LED驅(qū)動集成塊根據(jù)控制信號和數(shù)據(jù)要求,對每一只LED實現(xiàn)單獨控制。若MCU連續(xù)向各個LED驅(qū)動集成塊不斷發(fā)出控制信號和數(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在每一個亮滅周期內(nèi)發(fā)光時間的占空比,就能起到控制LED發(fā)光亮度的效果。通過對每只LED發(fā)光亮度的控制,使每只LED產(chǎn)生256級灰度等級。對3個模塊內(nèi)的每只紅光、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(chǎn)生16 777 216種彩色效果。將多個三基色發(fā)光單元組合成一定結(jié)構(gòu)的顯示點列(圖2) ,按照這種控制方式,就能顯示出各種顏色、多種圖像的動態(tài)顯示效果,從而實行誘魚。
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(shè)計的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)動電路、振蕩電路、基準電壓電路、控制保護電路以及發(fā)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(圖3) 。
無線供電系統(tǒng)工作時輸入端將交流電經(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載(電池)進行充電。一個電能發(fā)送單元可以對多個電能接收單元發(fā)射電磁波進行充電。電能發(fā)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(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)計是LED能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。在熱傳輸設(shè)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沖擊,防止由于瞬間過流產(chǎn)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(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(nèi)循環(huán)[ 7 ] ,達到降溫目的。
1. 4 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(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行密封。LED體積小,封裝靈活,能排成點、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
2. 1 節(jié)能環(huán)保
近年來,燃油價格大幅度上漲,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用己經(jīng)對光誘捕魚業(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(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對人身健康和環(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)光方向為整個立體空間,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)光大部分集中會聚于中心,發(fā)散角較小,可以有效地控制眩光。LED發(fā)光對電流的響應(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。當用作水下集魚燈時,必須先放進水里再開燈,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(huán)氧樹脂封裝固態(tài)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(qū)動,使用壽命可高達6萬～10萬h;也是一種全固體結(jié)構(gòu),能經(jīng)得起震動、沖擊而不至于損壞,非正常報廢率很小,維護極為方便。
3 LED水下集魚燈的應(yīng)用
生產(chǎn)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(yīng)條件下,藍圓鲹幼、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(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,整個系統(tǒng)由軟件控制運行。根據(jù)不同漁場的客觀情況、誘集目標魚類的生理和生態(tài)的不同特點,來配置光源的亮度、顏色以及動態(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。實行科學(xué)捕撈,合理開發(fā)利用漁業(yè)資源,保護魚類繁衍增殖,達到可持續(xù)發(fā)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
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