水产养殖人工LED光照设计方案应考虑的主要问题

1、水产养殖人工LED光照设计方案的探讨报告内容一、了解水生物的野生环境二、重视水生物视觉生理结构三、水生物吸收光差异四、防止设计光照极端化五、常见的自然光谱与人工光谱六、光环境的智能调控七、光强单位的换算八、光强与成本的核算九、设计前需要模拟光强十、灯具的选型2008-2014全国水产工厂化养殖面积（单位：万m3）年份 总面积 海水面积 淡水面积2008 2907 974 19302009 3301 1236 20652010 3855 1261 25942011 3597 1490 21072012 4504 1924 25802013 4974 2172 28022014 6133 2565

2、 3268数据来源：2009-2015全国渔业统计年鉴全国水产工厂化养殖面积增长图数据来源：2009-2015全国渔业统计年鉴总面积海水面积淡水面积水产养殖光照的市场前景2013年陆基工厂化养殖总产量约为38.55万吨，占我国水产养殖总产量的0.85%。据2015年全国渔业统计年鉴：2014年全国陆基工厂化水产养殖规模达到5833万m比2008年2904m3增加100.86%，6年年均增长16.8%，工厂化水产养殖发展潜力巨大。同时光照需求相应增大。光的本质光是辐射能的一部分，即具有刺激视觉器官特性的辐射能。 物理学的观点：光是电磁波谱的一部分，具有波粒二重性。物体发射或反射波长的辐射能，作用

3、人的眼睛，可看见该物体。 在1666年，牛顿使一束自然光线通过棱镜，发现光束包含组成彩虹的全部颜色。 自然白光的颜色是连续光谱混合而成的。从无线电波到光波，从X射线到 射线，都属于电磁波的范畴，只是波长不同而已。人眼、鱼眼感觉到光谱辐射能的波长分别在380780nm、430-620nm之间， 仅是辐射能中很小的一部分。波长从380nm向780nm增加时，人眼的主观感觉依波长从长到短表现为红色、橙色、黄色、绿色、青色、蓝色和紫色顺序逐渐变化。/m/nm1014101210101081061041021146106104103极远远声频电磁振荡无线电波中1.5106近红770622597577毫米

4、波红外光橙黄可见光绿蓝紫492455紫外光10-210-410-610-810-10X射线390近射线30020010远宇宙射线极远光照的作用与目的消除应激反应福利化养殖与营养生产人工光照目的提高亲鱼孵化率抑制性腺发育工厂化水产养殖需要光设计蓝色粮仓建筑设计外观效果图光环境设计前的准备：熟悉厂房基建结构、养殖品种，建筑照明设计图纸，现场勘查，与养殖企业交流。确定光照三要素光照生长、育苗、性腺发育光色光强光周期一、了解水生物的野生环境水生动物在索饵、繁衍、捕猎和躲避猎杀及群聚，每一种行为都离不开光。它们演化成视觉神经生理结构，通过视网膜与松果体的光感受器接收光息，以同步最佳利用栖息地的光环境，所

5、以设计光环境前要从水产品种的野生环境入手品。鱼视觉生理结构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。鱼类有发达的眼睛，构造和高等脊椎动物的眼睛相似，适应水中生活有自身的特点。鱼类眼球内层视网膜由感光视锥细胞和视杆细胞组成。视锥细胞接纳光波长短，司色觉，有辨色与精细分辨能力，但必须在亮光视觉条件下才能起作用。视杆细胞接纳光线强弱，司光觉，光敏感性高，无辨色和精细分辨能力。大多数板腮类、深海鱼类和夜行性鱼类无辨色能力。大多数硬骨鱼类和七思鳗可辨色。数据摘自林浩然鱼类生理学2011版水生物吸收光差异鱼类贝类或软体水生动物有发达的眼睛，眼结构与高等脊椎动物

6、基本相似。眼睛构造简单，通常无柄无头眼，多板纲一部分只有微眼。少数星鲨板腮鱼类等与大多数硬骨鱼类一样有视锥细胞视杆细胞。视力很弱，甚至无眼，只靠皮肤感光。怕惊动。光照强度1-千级Lx 百级居多。1-百级Lx，十级居多。设计不要极端化1、除在洞穴、深海的物种，水生动物几乎全靠光存活。车间光照全黑暗与全天高强度的光照都不可取。2、完全某一种光色也不可取。3、比如太平洋蓝鳍金枪鱼为大洋海岸性洄游性鱼类，一般生活在0-100米的海水中蓝鳍金枪幼鱼在小于15Lx光照下，明显出现焦虑的行为反应，生存率降低。全天黑暗欧洲鲈鱼的孵化率很低，不到30%。欧洲幼鲈鱼24小时光照出现畸形。4、设计极端的光环境要谨慎

7、，并有理论与实验依据。 水中光色变化规律右图近海岸浅海，水色变化是：海洋水深 0-10（m）10-2020-30深绿30-50蓝绿颜色变化 白-淡绿 绿左图深海水色变化大致是：海洋水深（m）0-5050-100100-150 150-200颜色变化白-淡蓝 淡蓝-蓝 蓝-深蓝 深蓝-暗蓝Image courtesy of Kyle Carothers, NationalOceanic and Atmospheric Administration（NOAA-OE）设计不要极端化570-620nm长波长光谱的合理趋向性图430-560nm 短波长光谱的合理趋向性图水产车间设计光环境必须考虑人眼视觉

8、舒适性常见的自然光谱与人工光谱游奎、刘鹰等（2005）的实验证明金卤灯照明凡纳滨对虾的特定生长率比日光灯照明时要高55.89 %，并改善其体色，他们认为主要原因是灯具接近太阳光谱所致。太阳光谱分布图1、LED发出的白光大部分以InGaN蓝色芯片激发稀土黄色荧光粉的混色制成。2、由于此种混色方案中，蓝光光谱为主峰，而红光光谱的偏少，使得此类白光LED色温只能是5000K以上的高色温低显色性的光源。3、如果增加氮化物荧光粉成分，可以降低色温，提高显色指数，但光视效率降低。白光LED光谱与5500K太阳光谱对比图人工连续多芯片光谱中科院半导体所连续多光谱光源分布图中科院半导体所全光谱与太阳光谱拟合图

9、人工光的显色性显色性: 与参考标准光源相比较时，光源显现物体颜色的特性。显色指数: 在具有合理允差的色适应状态下，被测光源照明物体的心理物理色与参比光源照明同一色样的心理物理色符合程度的度量。符号为Ra，优显色性Ra: 91-100良好显色性 Ra: 81-90中等显色性 Ra: 51-80差显色性 Ra: 21-50人工光的色温当某一种光源(热辐射光源)的色品与某一温度下的完全辐射体(黑体)的色品完全相同时，完全辐射体(黑体)的温度简称色温。符号为Tc, 单位为K。高（冷）色温、中色温、低色温的区间值分别是：高（冷）色温5300K中色温3300K-5300K低色温3300K高、中、低三种色温

10、白光光谱分布图无论色温低或显色指数高都不是连续的自然太阳光谱。设计前模拟光强模拟光强依据白色光谱软件照明计算。目前市场上十几种设计计算软件，建议免费软件是DIALux, 这款软件易学易用、引入数据简便、系统引入光度数据开放，结果评估准确及光照场景输出直观真实。一边长为4米的正方形养殖池，上方2.9米悬挂，整灯光效70Lm/W，18瓦灯具。模拟空间伪彩图模拟光强分布等照度图设计前模拟光强水面平均光强：28lx，最小光强：10lx，最大光强：62lx，最小值/平均照度：0.36, 维护系数：0.80。光环境的智能调控建立智能光照管理系统：集中管理系统网关设备调光控制器电源与光源通信网络接口协议Zi

11、gBee、PLC、RS485、以太网和GPRS等多种物联网和IT技术，实现单灯开关、调光、监测计量等管理功能。光环境的智能调控1、PLC：利用现有电力线，通过载波方式传输信号。RS485：采用双绞线屏蔽电缆传输差分信号。ZigBee：无线控制协议传输信号。2、ZigBee特色：网络中需要一个集中节点来管理整个网络，完成ZigBee协议到互联网协议的转换。每个灯须安装对其发出指令硬件调光管理装置。3、如果仅渐亮渐灭控制功能，可建立触摸屏独立循环控制系统。触控屏给调光控制模块发送调光指令，输出0/1-10V调光信号给LED灯具的调光驱动，实现LED灯的渐亮或渐暗变化。光强与成本的核算1、 LED灯

12、具最大成本问题在于它的功率。2、决定成本的最大因素是光强决定功率。3、市场上大功率的灯具5-8元/瓦，即上百瓦的灯具，价格在1千元左右。4、针对养殖品种设置适宜的光功率是降低成本的关键因素。光色与光强相比优选光谱降低成本大西洋鳕鱼栖息深度在沿海500-600米水域；大洋底栖性鱼类，也能进入微咸水域，栖息范围广泛，繁殖地一般在洋底。设计考虑特点：深海、产卵场海水、幼鱼海底、皮色暗。Migaud .H等(2009) 观察到大西洋幼鳕鱼在三种不同的光谱、三种不同的光强条件下，短波长的光谱对生长率贡献大于增加光强。所以在光强与光谱都起到同样作用下，要优选光谱，降低灯具功率，减少成本。选下限阈值减低成本

13、1、每种鱼对光的反应都不同。但是绝大部分鱼需要最小临界值的光去生长。2、极少深海底栖或浑浊水鱼只需低于1Lx或根本没有光。3、光如果太强，鱼有压力或导致死亡。增大光强并不能有效提高存活、生长率，设计时不妨取下限。幼体的金枪鱼栖息在海洋的表层水域，一般不超过50米水深。斜带石斑鱼常栖息于大陆沿岸和大岛屿。设计这二种幼鱼光照的特点：浅海、硬骨鱼类、光亮刺激阈值高。Tomoki Honryo（2012）的实验：夜晚对太平洋金枪幼鱼设置150Lx（成活率75.8%）以上光强，可以大幅度降低养殖的死亡率。如果增大光强不能有效提高成活率，不妨取此下限阈值150Lx。Wang（2013）等研究，320115

14、0 lx的能显著提高斜带石斑幼鱼的成活率、相对增重及特定生长率，不妨取此下限阈值320Lx。不使用调光低的灯具降低成本1、要求智能控制调光灯具。光强变化1-100%。2、比如一只100瓦的灯具，经常设置在50%、即50瓦的亮度工作，一次成本投入必须是100瓦的芯片等配置，这种设计得不偿失。可订制50瓦功率灯具，备用少量50瓦灯具。短时间需要加大光照时，可以考虑使用备用灯具，增加辐射照度。3、光强80%-90%，投饵时100%可以考虑。灯具的选型水产LED可选择球泡灯、线型管灯、工矿灯、投光灯等灯型LED灯具注意技术参数投标灯具型号DZK-50DZK-30输入电压频率范围总谐波失真(THD)光源

15、功率LED封装恒流源功率灯具总功率功率因数(PF)LED发光效率LED维持光通量灯具效率AC85265V47Hz63Hz20%50WCOB60W51W30WCOB40W32W0.95110Lm/W4675Lm2800Lm85%6500KRa70色温显色指数(CRI)光源光衰减灯具开关次数二次配光配光曲线/光斑出光角10000h10%，50000h25%10000次内磨砂玻璃透镜圆形光斑120使用寿命30000小时灯头主材质防护等级铝合金IP55工作温度-3050光源光能转化的评价指标对于光照强度单位Lx(勒克斯)，这是在380nm-780nm的可见光范围内，以对人眼视觉效应最强555nm波长光

16、为基准，按人眼的视觉效应对不同波长的光区别计算进行度量的。评价光能转化的效用应该从鱼类生理行为的角度进行度量，各种鱼类对不同光色的感光灵敏度不同，没有鱼类光谱响应曲线，即鱼类视觉光度系统，用于Lx水产的评价是不适宜。用辐射照度或辐射出度，单位为W/m 2 ，或J /s （焦耳每秒），也有光量子通量密度molm2s-1鱼类光照文献研究原则性总结1、光照明显抑制鱼类松果体合成与分泌褪黑激素。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。2、硬骨类与贝类需要的光照强度相差几十倍。3、海水与淡水、深海与浅海、夜行与昼出、板腮与硬骨鱼视神经细胞皆有差别。前者鱼以短波长为主, 后者鱼长波长。4、全部光照与全部黑暗对鱼生长