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    LED人工光源能顯著提高生產效率和效益

    2019-6-20 16:54| 發布者: 御城雪| 查看: 18584| 評論: 0|原作者: 宋昌斌,高霄龍,仇登高,劉鷹,王朝夕,謝海忠,楊華,姚然,王軍喜

    摘要: 中國水產頻道報道,受水處理成本的壓力,我國水產養殖模式仍主要以流水養殖、半封閉循環水養殖為主,真正意義上的全循環水養殖工廠的比例極少。
      中國水產頻道報道,

      受水處理成本的壓力,我國水產養殖模式仍主要以流水養殖、半封閉循環水養殖為主,真正意義上的全循環水養殖工廠的比例極少。流水養殖和半封閉養殖方式產量低、耗能大、效率低,與先進國家技術密集型的循環水養殖系統相比,無論在設備、工藝、產量和效益等方面都存在相當大的差距。近年來,雖然不乏“高大上”的自動化養殖工廠出現,但從全國工廠化養殖單產數據可看出,許多地區的工廠化養殖的狀況是“人工養殖池+廠房外殼”,設施設備投入少且單產較低。
      
      工業化養殖是依托現代工業基礎建立起來的集約化養殖模式,其中也包括了光照系統。近年來,工廠化水產養殖對光照的要求越來越高,而LED燈具由于具有小體積、長壽命、光效高、可控性好等優點,在工廠化水產養殖光照中的應用具有潛在的優勢,因此近幾年來備受業界的關注。
      
      工廠化水產養殖車間的光照現狀
      
      目前相對于水系統處理、營養餌料研發、育苗技術研究及病害防治,光照對魚生長與生殖的影響研究比較少,對在水產養殖車間光源的使用更是簡單粗放,絕大多數養殖工廠建成時沒有二次光照深度設計。長期以來,在工廠化養殖車間使用的人工光源絕大多數使用的是傳統光源。主要有高壓鈉燈、熒光燈、金屬鹵素燈、白熾燈等,這些光源的突出缺點是光效低、防水等級低、能耗大、運行成本高;使用熒光燈,不能調光。
      
      民用建筑室內常用的直管熒光燈,緊湊型單端熒光燈。這種光源目前優勢是購買方便、安裝簡便。可是在養殖行業使用這種光源帶來的問題很多,甚至是不能克服的問題。一是這種產品平均壽命在1萬小時左右,但在潮濕環境下,壽命往往幾千個小時,在魚池上方換燈極不方便。二是這種氣體放電燈不能調光,光要素不能滿足個體魚類在不同生長時期光需求調控等諸多問題。
      
      此外,熒光燈的廢棄會嚴重污染水源,一只節能燈的燈管平均含有0.5毫克的汞,人食用汞污染魚后造成二次危害,若滲入地下會污染大約180噸水。傳統氣體放電光源已經不適應綠色環保、節能減排及優化光參數的要求。粗放的光環境是商品魚孵化率低、營養生長率低,餌料系數高的原因之一。最后一點傳統光源沒有智能控制,瞬間開關致魚應激反應,造成魚免疫力下降,嚴重導致死亡。
      
      光照在工廠化水產養殖的重要作用
      
      光照是引起魚類代謝系統的指導因子。光照通過魚視覺器官、腦中樞神經系統,影響內分泌腦垂體活動,進而影響魚行為與代謝生長系統。光作為能量進入水域生態系統,不僅為生命魚類帶來必須的水生動植物能量,而且可以獨立的對魚類的攝食、生殖、內分泌起著直接或間接地重要的影響。
      
      魚類生理學家已經研究清楚光照明顯抑制魚類松果體合成與分泌褪黑激素。對魚類下丘腦-腦垂體-性腺軸具有一定調節作用,魚類褪黑激素參與生殖、發育和生長方面的調節。
      
      隨著半導體技術的發展,各種波長、大小功率的LED芯片被開發出來并廣泛應用于各行業,人們逐漸認識到LED人工光照作為一種物理手段,不僅可以增加水產養殖生長效率,促進魚類生長,而且可以調控魚類的性腺發育,獲得綠色高品質的食品。
      
      現代工廠化水產養殖光照是指按照魚類光環境需求規律和水產養殖的生產目標要求,利用人工光創造適宜光環境或彌補自然光照的不足,調控魚類的生長發育和繁殖,以實現水產養殖業“優質、高產、生態、安全”生產目標的一種農藝物理措施。
      
      工廠化水產養殖LED燈具要求
      
      由于水產養殖車間養殖池、生物濾池等設施有大量的流動循環水,而且有的養殖品種是海水魚,因此車間濕度都會達到90%以上,鹽度都在30左右,而且燈具安裝在養殖池流水上方不容易更換,所以要求這些燈具的壽命達到3萬小時,防護等級IP65,防腐等級WF2。運用有線及無線兩種組網通信技術,其中有線網絡采用RS485組網技術,無線網絡采用Zigbee自組網技術,可實現單燈及集群控制,達到漸亮漸滅等功能。無論選擇線型燈、還是點光源組成的燈型,主要考慮的依據是養殖池幾何形狀與燈具的配光曲線。
      
      有時選擇球泡燈、線型管燈主要是從成本角度考慮,因為這兩種燈型是全球室內功能性照明的主力燈型,產銷量量巨大,所以其成本較低。但球泡燈頭必須是密閉防水,T8或T5管需要加上透明的PC三防罩。隨著市場的擴大,可以針對性的設計專用的LED水產光照燈具。
      
      在布置養殖車間光環境的基本原則是:硬骨魚類與貝類需要的光照強度有相當大差別,深水魚的光強應弱一些,但河口渾濁水例外;海水與淡水魚有相當大的差別,他們喜好的光色有差別;全部光照與全部黑暗對魚生長發育都不利;親魚產卵孵化、幼魚、成魚對光環境的需求有差別;光環境只是一個影響條件,還要與溫度、水質、餌料等配合。
      
      工廠化循環水養殖燈具系統主要考慮光照三要素及池體幾何形狀要求;還要考慮實現高效化養殖商品魚;燈具系統耐潮濕(濕度>85%)、耐腐蝕和高低溫;長期穩定不間斷運行; 燈具智能控制系統,比如消除商品魚的應激反應;幼魚與成魚光強度不同;光周期可以調控性腺發育。
      


      光色、光強和光周期的選擇
      
      褪黑激素對魚類下丘腦-腦垂體-性腺軸具有一定調節作用。魚類褪黑激素合成與分泌的節律主要受到光照和溫度的影響,魚類褪黑激素參與生殖、發育和生長方面的調節。光照尤其是光周期明顯抑制魚類松果體合成與分泌褪黑激素。人工營造光照環境的三個重要因子是光色、光強和光周期。只有給出這3個主要參數,燈具廠家才能生產出符合要求的燈具。如海水中層魚類的視色素適于接受藍色的短光譜波段,視覺細胞大部分由視桿細胞組成。春夏季節產卵的魚是長光照型魚,秋冬季節產卵的魚是短光照型魚。
      
      燈具二次配光設計
      
      傳統燈具的透鏡與反光罩配光方式基本不適合水產車間養魚池光照覆蓋要求,循環水養魚池形狀特點大都是規則幾何形狀,所以LED 的透鏡與反光罩要配合一起設計,采用高折射率的透鏡材料,既要水面光斑均勻,又要恰好覆蓋整個魚池,以節約電能。其次根據魚池水深淺程度不同,應考慮光源發光強度并科學地采用公式準確計算。
      
      防護等級安全要求
      
      防護等級應滿足設計要求, 并符合GB7000. 5-2007。水產養殖車間濕度大都在90%以上,所以對燈具防水要求比較高,防護等級標準要達到IP65,如果為節能考慮將燈具安裝到養殖魚池水下,IP等級至少達到IP67以上。養殖車間燈具的安裝位置容易與人接觸,如果緊固螺釘觸及帶電電路板等情況漏電,在車間潮濕環境下,極易使人觸電,造成危險。所以選擇燈具時,一要注意防護等級IP 是否達到IP65 以上;二要用隔離式恒流電源,留有最小爬電距離,并且最好使用集中式外置電源,集中式外置電源是指采用一個大功率的AC /DC 開關電源,統一供電。
      
      色溫與顯色指數
      
      在水產養殖生產中,一般不要求這兩個光源指標。但是需要長波長的光譜能量分布時,可以增加CIE 定義CRI 中的R9 飽和紅色比例,即增加封裝中的氮化物紅色熒光粉;需要短波長的光譜能量分布時,可以用色溫較高的白色光源。因此,某些場合的長波長單色光可以用色溫低、顯色指數高的白光代替,短波長的可以用色溫較高的白光代替。這樣設計優點有: 一是白光非常有益于車間操作人員的視覺健康; 二是白光大量用于功能性照明,養殖業一次設備采購成本可以大大降低。
      
      燈具的開關
      
      瞬間開、關照明燈具對大西洋鮭、河豚、石斑等魚類,以及對蝦會產生應激反應。當魚、蝦處于應急反應狀態時,會釋放應激激素,血液與組織成分發生變化,呼吸頻率與心率發生改變,免疫水平降低,導致易染病和寄生蟲,不但繁殖生長受到影響,嚴重增加死亡率。
      
      所以開關時要逐漸亮、逐漸滅,才能消除光對魚的脅迫。解決這個問題需要LED智能控制,現在考慮的其中一個方案是采用微處理器MCU控制實時時鐘RTC 與PWM 波形輸出的方式實現。其中RTC可精確到秒為單位,用戶可自行設置漸變間隔;LED 的亮度調節則通過調節PWM波形占空比來實現。占空比可采用分級方式,一般可分為0-100 級。這種漸變方式會有效地避免LED光源的瞬間開與關對魚蝦類產生應激反應。
      
      總結
      
      若能確定影響某種魚類的生理節律、攝食行為和繁殖性能的光照參數,就可以采用適宜的LED光源,按照國家相關標準,根據燈具的效率、壽命和價格做綜合性的技術經濟分析比較,正確地營造出適合水產養殖要求的光環境,以促使LED光源在工廠化高效水產養殖產業中發揮更大的作用。(本文作者:宋昌斌,高霄龍,仇登高,劉鷹,王朝夕,謝海忠,楊華,姚然,王軍喜。如有版權問題,敬請聯系wx@fishfirst.cn
      


      【關鍵字】:LED  燈光  效率  效益  水產養殖
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