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LED人工光源能显著提高生产效率和效益

2019-6-20 16:54| 发布者: 御城雪| 查看: 9474| 评论: 0|原作者: 宋昌斌,高霄龙,仇登高,刘鹰,王朝夕,谢海忠,杨华,姚然,王军喜

摘要: 中国水产频道报道,受水处理成本的压力,我国水产养殖模式仍主要以流水养殖、半封闭循环水养殖为主,真正意义上的全循环水养殖工厂的比例极少。
  中国水产频道报道,

  受水处理成本的压力,我国水产养殖模式仍主要以流水养殖、半封闭循环水养殖为主,真正意义上的全循环水养殖工厂的比例极少。流水养殖和半封闭养殖方式产量低、耗能大、效率低,与先进国家技术密集型的循环水养殖系统相比,无论在设备、工艺、产量和效益等方面都存在相当大的差距。近年来,虽然不乏“高大上”的自动化养殖工厂出现,但从全国工厂化养殖单产数据可看出,许多地区的工厂化养殖的状况是“人工养殖池+厂房外壳”,设施设备投入少且单产较低。
  
  工业化养殖是依托现代工业基础建立起来的集约化养殖模式,其中也包括了光照系统。近年来,工厂化水产养殖对光照的要求越来越高,而LED灯具由于具有小体积、长寿命、光效高、可控性好等优点,在工厂化水产养殖光照中的应用具有潜在的优势,因此近几年来备受业界的关注。
  
  工厂化水产养殖车间的光照现状
  
  目前相对于水系统处理、营养饵料研发、育苗技术研究及病害防治,光照对鱼生长与生殖的影响研究比较少,对在水产养殖车间光源的使用更是简单粗放,绝大多数养殖工厂建成时没有二次光照深度设计。长期以来,在工厂化养殖车间使用的人工光源绝大多数使用的是传统光源。主要有高压钠灯、荧光灯、金属卤素灯、白炽灯等,这些光源的突出缺点是光效低、防水等级低、能耗大、运行成本高;使用荧光灯,不能调光。
  
  民用建筑室内常用的直管荧光灯,紧凑型单端荧光灯。这种光源目前优势是购买方便、安装简便。可是在养殖行业使用这种光源带来的问题很多,甚至是不能克服的问题。一是这种产品平均寿命在1万小时左右,但在潮湿环境下,寿命往往几千个小时,在鱼池上方换灯极不方便。二是这种气体放电灯不能调光,光要素不能满足个体鱼类在不同生长时期光需求调控等诸多问题。
  
  此外,荧光灯的废弃会严重污染水源,一只节能灯的灯管平均含有0.5毫克的汞,人食用汞污染鱼后造成二次危害,若渗入地下会污染大约180吨水。传统气体放电光源已经不适应绿色环保、节能减排及优化光参数的要求。粗放的光环境是商品鱼孵化率低、营养生长率低,饵料系数高的原因之一。最后一点传统光源没有智能控制,瞬间开关致鱼应激反应,造成鱼免疫力下降,严重导致死亡。
  
  光照在工厂化水产养殖的重要作用
  
  光照是引起鱼类代谢系统的指导因子。光照通过鱼视觉器官、脑中枢神经系统,影响内分泌脑垂体活动,进而影响鱼行为与代谢生长系统。光作为能量进入水域生态系统,不仅为生命鱼类带来必须的水生动植物能量,而且可以独立的对鱼类的摄食、生殖、内分泌起着直接或间接地重要的影响。
  
  鱼类生理学家已经研究清楚光照明显抑制鱼类松果体合成与分泌褪黑激素。对鱼类下丘脑-脑垂体-性腺轴具有一定调节作用,鱼类褪黑激素参与生殖、发育和生长方面的调节。
  
  随着半导体技术的发展,各种波长、大小功率的LED芯片被开发出来并广泛应用于各行业,人们逐渐认识到LED人工光照作为一种物理手段,不仅可以增加水产养殖生长效率,促进鱼类生长,而且可以调控鱼类的性腺发育,获得绿色高品质的食品。
  
  现代工厂化水产养殖光照是指按照鱼类光环境需求规律和水产养殖的生产目标要求,利用人工光创造适宜光环境或弥补自然光照的不足,调控鱼类的生长发育和繁殖,以实现水产养殖业“优质、高产、生态、安全”生产目标的一种农艺物理措施。
  
  工厂化水产养殖LED灯具要求
  
  由于水产养殖车间养殖池、生物滤池等设施有大量的流动循环水,而且有的养殖品种是海水鱼,因此车间湿度都会达到90%以上,盐度都在30左右,而且灯具安装在养殖池流水上方不容易更换,所以要求这些灯具的寿命达到3万小时,防护等级IP65,防腐等级WF2。运用有线及无线两种组网通信技术,其中有线网络采用RS485组网技术,无线网络采用Zigbee自组网技术,可实现单灯及集群控制,达到渐亮渐灭等功能。无论选择线型灯、还是点光源组成的灯型,主要考虑的依据是养殖池几何形状与灯具的配光曲线。
  
  有时选择球泡灯、线型管灯主要是从成本角度考虑,因为这两种灯型是全球室内功能性照明的主力灯型,产销量量巨大,所以其成本较低。但球泡灯头必须是密闭防水,T8或T5管需要加上透明的PC三防罩。随着市场的扩大,可以针对性的设计专用的LED水产光照灯具。
  
  在布置养殖车间光环境的基本原则是:硬骨鱼类与贝类需要的光照强度有相当大差别,深水鱼的光强应弱一些,但河口浑浊水例外;海水与淡水鱼有相当大的差别,他们喜好的光色有差别;全部光照与全部黑暗对鱼生长发育都不利;亲鱼产卵孵化、幼鱼、成鱼对光环境的需求有差别;光环境只是一个影响条件,还要与温度、水质、饵料等配合。
  
  工厂化循环水养殖灯具系统主要考虑光照三要素及池体几何形状要求;还要考虑实现高效化养殖商品鱼;灯具系统耐潮湿(湿度>85%)、耐腐蚀和高低温;长期稳定不间断运行; 灯具智能控制系统,比如消除商品鱼的应激反应;幼鱼与成鱼光强度不同;光周期可以调控性腺发育。
  


  光色、光强和光周期的选择
  
  褪黑激素对鱼类下丘脑-脑垂体-性腺轴具有一定调节作用。鱼类褪黑激素合成与分泌的节律主要受到光照和温度的影响,鱼类褪黑激素参与生殖、发育和生长方面的调节。光照尤其是光周期明显抑制鱼类松果体合成与分泌褪黑激素。人工营造光照环境的三个重要因子是光色、光强和光周期。只有给出这3个主要参数,灯具厂家才能生产出符合要求的灯具。如海水中层鱼类的视色素适于接受蓝色的短光谱波段,视觉细胞大部分由视杆细胞组成。春夏季节产卵的鱼是长光照型鱼,秋冬季节产卵的鱼是短光照型鱼。
  
  灯具二次配光设计
  
  传统灯具的透镜与反光罩配光方式基本不适合水产车间养鱼池光照覆盖要求,循环水养鱼池形状特点大都是规则几何形状,所以LED 的透镜与反光罩要配合一起设计,采用高折射率的透镜材料,既要水面光斑均匀,又要恰好覆盖整个鱼池,以节约电能。其次根据鱼池水深浅程度不同,应考虑光源发光强度并科学地采用公式准确计算。
  
  防护等级安全要求
  
  防护等级应满足设计要求, 并符合GB7000. 5-2007。水产养殖车间湿度大都在90%以上,所以对灯具防水要求比较高,防护等级标准要达到IP65,如果为节能考虑将灯具安装到养殖鱼池水下,IP等级至少达到IP67以上。养殖车间灯具的安装位置容易与人接触,如果紧固螺钉触及带电电路板等情况漏电,在车间潮湿环境下,极易使人触电,造成危险。所以选择灯具时,一要注意防护等级IP 是否达到IP65 以上;二要用隔离式恒流电源,留有最小爬电距离,并且最好使用集中式外置电源,集中式外置电源是指采用一个大功率的AC /DC 开关电源,统一供电。
  
  色温与显色指数
  
  在水产养殖生产中,一般不要求这两个光源指标。但是需要长波长的光谱能量分布时,可以增加CIE 定义CRI 中的R9 饱和红色比例,即增加封装中的氮化物红色荧光粉;需要短波长的光谱能量分布时,可以用色温较高的白色光源。因此,某些场合的长波长单色光可以用色温低、显色指数高的白光代替,短波长的可以用色温较高的白光代替。这样设计优点有: 一是白光非常有益于车间操作人员的视觉健康; 二是白光大量用于功能性照明,养殖业一次设备采购成本可以大大降低。
  
  灯具的开关
  
  瞬间开、关照明灯具对大西洋鲑、河豚、石斑等鱼类,以及对虾会产生应激反应。当鱼、虾处于应急反应状态时,会释放应激激素,血液与组织成分发生变化,呼吸频率与心率发生改变,免疫水平降低,导致易染病和寄生虫,不但繁殖生长受到影响,严重增加死亡率。
  
  所以开关时要逐渐亮、逐渐灭,才能消除光对鱼的胁迫。解决这个问题需要LED智能控制,现在考虑的其中一个方案是采用微处理器MCU控制实时时钟RTC 与PWM 波形输出的方式实现。其中RTC可精确到秒为单位,用户可自行设置渐变间隔;LED 的亮度调节则通过调节PWM波形占空比来实现。占空比可采用分级方式,一般可分为0-100 级。这种渐变方式会有效地避免LED光源的瞬间开与关对鱼虾类产生应激反应。
  
  总结
  
  若能确定影响某种鱼类的生理节律、摄食行为和繁殖性能的光照参数,就可以采用适宜的LED光源,按照国家相关标准,根据灯具的效率、寿命和价格做综合性的技术经济分析比较,正确地营造出适合水产养殖要求的光环境,以促使LED光源在工厂化高效水产养殖产业中发挥更大的作用。(本文作者:宋昌斌,高霄龙,仇登高,刘鹰,王朝夕,谢海忠,杨华,姚然,王军喜。如有版权问题,敬请联系wx@ktlbearing.com
  


  【关键字】:LED  灯光  效率  效益  水产养殖
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