宋昌斌，高霄龍，仇登高，劉 鷹，王朝夕，謝海忠，楊 華，姚 然，王軍喜

(1.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 100083；2.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071；3.福建省水產(chǎn)研究所，福建 廈門 361012)

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工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖LED燈具選擇的分析與建議

宋昌斌1，高霄龍2，仇登高3，劉 鷹2，王朝夕2，謝海忠1，楊 華1，姚 然1，王軍喜1

(1.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 100083；2.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071；3.福建省水產(chǎn)研究所，福建 廈門 361012)

闡述了LED光源對(duì)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的重要性，介紹了養(yǎng)殖車間光照的現(xiàn)狀，并根據(jù)魚類對(duì)光環(huán)境三要素一般的適應(yīng)需求規(guī)律、針對(duì)燈具在特定使用環(huán)境下的要求進(jìn)行了分析與建議，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖車間如何正確選擇LED燈具具有指導(dǎo)意義。

LED光源；光環(huán)境；燈具選擇；工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)

引言

我國(guó)是世界水產(chǎn)養(yǎng)殖第一大國(guó)。2012年，中國(guó)漁業(yè)經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值17321.88億元，同比增長(zhǎng)15.44%；水產(chǎn)品總產(chǎn)量5907.68萬(wàn)噸，比上年增長(zhǎng)5.43%；水產(chǎn)養(yǎng)殖面積808.84萬(wàn)公頃，比上年增長(zhǎng)3.23%[1]，食用魚類養(yǎng)殖產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的69.8%[2]。目前，水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)高技術(shù)支撐的工業(yè)化養(yǎng)殖模式的需求日增，其中包括營(yíng)造科學(xué)的人工光環(huán)境等。光照是魚類代謝系統(tǒng)的主導(dǎo)因子，光作為能量進(jìn)入水域生態(tài)系統(tǒng)，不僅為水生動(dòng)植物注入必需的能量，而且可以獨(dú)立地對(duì)魚類的攝食、生殖、內(nèi)分泌起著直接或間接地影響[3]?，F(xiàn)代工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖光照是指按照魚類光環(huán)境需求規(guī)律和水產(chǎn)養(yǎng)殖的生產(chǎn)目標(biāo)，利用人工光照創(chuàng)造適宜光環(huán)境或彌補(bǔ)自然光照的不足，調(diào)控魚類的生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖，以實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)“優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、生態(tài)、安全”生產(chǎn)目標(biāo)的一種農(nóng)藝物理措施。

目前，有關(guān)光照對(duì)魚生長(zhǎng)與生殖影響的研究比較少，水產(chǎn)養(yǎng)殖車間光源的使用簡(jiǎn)單粗放，絕大多數(shù)養(yǎng)殖工廠建成時(shí)沒(méi)有二次光照設(shè)計(jì)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到LED人工光照作為一種物理手段，不僅可以增加水產(chǎn)養(yǎng)殖生長(zhǎng)效率，而且可以促進(jìn)魚類生長(zhǎng)、控制魚類性腺發(fā)育，獲得綠色高品質(zhì)的食品。LED是安全、健康的“綠色光源”，廢棄后無(wú)污染，環(huán)保節(jié)能。當(dāng)今，LED光源已經(jīng)規(guī)模化的應(yīng)用在植物工廠、家禽養(yǎng)殖業(yè)中，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)也必將越來(lái)越多的應(yīng)用LED人工光源，通過(guò)人工光環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖按需生產(chǎn)的功能，顯著提高生產(chǎn)效率和效益。

1 水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)車間光源的現(xiàn)狀

長(zhǎng)期以來(lái)，在水產(chǎn)養(yǎng)殖車間使用的人工光源絕大多數(shù)是民用建筑室內(nèi)常用的直管熒光燈或緊湊型熒光燈。熒光燈是利用低氣壓的汞蒸氣在放電過(guò)程中輻射紫外線，從而使熒光粉發(fā)出可見光的原理發(fā)光的。這種光源目前優(yōu)勢(shì)是購(gòu)買方便、安裝簡(jiǎn)捷。然而，在水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)使用這種光源引起的問(wèn)題很多，甚至是不能克服的問(wèn)題。首先這種產(chǎn)品平均壽命在1萬(wàn)個(gè)小時(shí)左右，但在潮濕環(huán)境下壽命往往只有幾千個(gè)小時(shí)。其次是這種氣體放電燈不能調(diào)光，不能滿足魚類個(gè)體在不同生長(zhǎng)時(shí)期的光需求。而且，熒光燈的廢棄會(huì)嚴(yán)重污染水源。有研究表明，水環(huán)境汞污染愈重，水生動(dòng)物含汞量愈高。汞容易被動(dòng)物體吸收和富集，不易被動(dòng)物體排除，更不能被動(dòng)物體分解。它經(jīng)食物鏈進(jìn)行傳遞，會(huì)對(duì)人的身體造成傷害[4]。一個(gè)節(jié)能燈的燈管平均含有2～3mg的汞[5-6]，1mg的汞能使360噸水受到污染[7]，若燈管在養(yǎng)殖池破碎會(huì)立刻污染整個(gè)車間的養(yǎng)殖水體。因此，傳統(tǒng)氣體放電光源已經(jīng)不適應(yīng)綠色環(huán)保、節(jié)能減排以及優(yōu)化光環(huán)境參數(shù)的要求。

2 生產(chǎn)車間燈具選擇

根據(jù)公開出版的相關(guān)文獻(xiàn)或通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得魚類的生理節(jié)律、攝食行為、生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖性能的最佳光環(huán)境參數(shù)，可以確定LED燈具的芯片波長(zhǎng)、功率及電子控制系統(tǒng)。同時(shí)，根據(jù)芯片封裝形式、透鏡配光、燈具外型、防護(hù)等級(jí)就可以設(shè)計(jì)整體燈具，并生產(chǎn)出科學(xué)適用的LED燈具，應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的光照環(huán)境中。

燈具已有國(guó)家、行業(yè)或地方標(biāo)準(zhǔn)的，應(yīng)符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求；對(duì)沒(méi)有國(guó)家、行業(yè)或地方標(biāo)準(zhǔn)的，針對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)用的特殊場(chǎng)合，LED燈具至少應(yīng)滿足下列要求。

2.1 光色、光強(qiáng)和光周期的選擇

褪黑激素對(duì)魚類下丘腦-腦垂體-性腺軸具有一定調(diào)節(jié)作用。魚類褪黑激素合成與分泌的節(jié)律主要受到光照和溫度的影響，魚類褪黑激素參與生殖、發(fā)育和生長(zhǎng)方面的調(diào)節(jié)。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[8]。人工營(yíng)造光照環(huán)境的三個(gè)重要因子是光色、光強(qiáng)和光周期。只有給出這3個(gè)主要參數(shù)，燈具廠家才能生產(chǎn)出符合要求的燈具。

目前工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的主要品種有石斑魚、鯛類、鮭鱒魚、鲆鰈類、鱸魚、鰤?mèng)~、黑鮶條紋鱸、河豚、美國(guó)紅魚等幾十種[9]。每種魚在獨(dú)特的地理環(huán)境條件下生長(zhǎng)發(fā)育，包括鹽度、溫度、水深、海流、含氧量、營(yíng)養(yǎng)鹽、海拔、地形地質(zhì)、食物資源量與食物鏈結(jié)構(gòu)，以及歷史上的海陸變遷等。在上億年的野生環(huán)境生活進(jìn)化中，魚類形成了獨(dú)特的生理、行為、感覺(jué)適應(yīng)等，種群在長(zhǎng)期的進(jìn)化適應(yīng)過(guò)程中，與自然環(huán)境相互作用，使個(gè)體選擇適合度達(dá)到最大的生存光環(huán)境。如海水中層魚類的視色素適于接受藍(lán)色的短光譜波段，視覺(jué)細(xì)胞大部分由視桿細(xì)胞組成[10]。春夏季節(jié)產(chǎn)卵的魚是長(zhǎng)光照型魚，秋冬季節(jié)產(chǎn)卵的魚是短光照型魚。已有實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)人工調(diào)節(jié)光環(huán)境，對(duì)長(zhǎng)光照的魚提前把日照時(shí)間比自然狀態(tài)延長(zhǎng)一些，對(duì)短光照型的魚提前把日照時(shí)間比自然狀態(tài)縮短一些，通常能使魚類提前成熟和產(chǎn)卵。許多研究證明秋季產(chǎn)卵的鮭鱒魚類就是這種情況，即光周期對(duì)魚性腺等的影響最為明顯[8-11]。其次光色、光強(qiáng)的因素也不可忽視，比如歐洲鱸與鰨目幼魚在符合其野生環(huán)境的藍(lán)光條件下，達(dá)到最佳發(fā)育速率[12]。250 lx光照時(shí)中華鱘可獲得最佳孵化率(83.9%)[13]。配置光色時(shí)，要考慮魚類視覺(jué)色素中視紫紅質(zhì)與視紫質(zhì)的比例，即產(chǎn)卵場(chǎng)是在淡水還是在海水[8]。

養(yǎng)殖廠家需要根據(jù)養(yǎng)殖魚類品種，查閱相關(guān)文獻(xiàn)及開展前期的光環(huán)境實(shí)驗(yàn)，根據(jù)不同種類的在自然環(huán)境魚洄游的水深或棲息特點(diǎn)，可以大致推算出需要的光環(huán)值，再選擇合適的燈具。最后現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，篩選出最優(yōu)的光環(huán)境參數(shù)。

2.2 燈具二次配光設(shè)計(jì)

水產(chǎn)養(yǎng)殖魚池有育苗池、成魚池、親魚池等，多為水泥池、塑膠池或玻璃鋼池，形狀有圓形、長(zhǎng)方形、長(zhǎng)圓形、環(huán)道型等。方形魚池邊長(zhǎng)一般為6～7m，養(yǎng)殖鮃鰈魚類池深0.8～1.0m，養(yǎng)殖游泳類，如真鯛、石斑魚、美國(guó)紅魚等，水深1.8～2.0m[14]。

傳統(tǒng)燈具的透鏡與反光罩配光方式基本不適合水產(chǎn)車間養(yǎng)魚池光照覆蓋要求，循環(huán)水養(yǎng)魚池形狀特點(diǎn)大都是規(guī)則幾何形狀，所以LED的透鏡與反光罩要配合一起設(shè)計(jì)，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(gè)魚池，以節(jié)約電能。其次根據(jù)魚池水深淺程度不同，應(yīng)考慮光源發(fā)光強(qiáng)度并科學(xué)地采用公式準(zhǔn)確計(jì)算[15]。

2.3 防護(hù)等級(jí)安全要求

防護(hù)等級(jí)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，并符合 GB 7000.5—2007。水產(chǎn)養(yǎng)殖車間濕度大都在90%以上，所以對(duì)燈具防水要求比較高，防護(hù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要達(dá)到IP65，如果為節(jié)能考慮將燈具安裝到養(yǎng)殖魚池水下，IP等級(jí)至少達(dá)到IP67以上。養(yǎng)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(huán)境下，極易使人觸電，造成危險(xiǎn)。所以選擇燈具時(shí)，一要注意防護(hù)等級(jí)IP是否達(dá)到IP65以上；二是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(gè)大功率的AC/DC開關(guān)電源，統(tǒng)一供電。

2.4 色溫與顯色指數(shù)

建筑照明設(shè)計(jì)必須有色溫(Tc)與顯色指數(shù)(Ra)的要求。色溫用Tc表示，單位為K。光源的輻射在可見區(qū)和絕對(duì)黑體的輻射完全相同時(shí)，此時(shí)黑體的溫度就稱為此光源的色溫。低色溫光源的紅輻射相對(duì)說(shuō)要多些，色溫提高后藍(lán)輻射的比例增加。顯色指數(shù)用Ra表示，顯色指數(shù)是表現(xiàn)物質(zhì)本來(lái)的顏色指標(biāo)。顯色指數(shù)越高，越接近物質(zhì)本來(lái)的顏色，其數(shù)值接近100，顯色性最好。在水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中，一般不要求這兩個(gè)光源指標(biāo)。但是需要長(zhǎng)波長(zhǎng)的光譜能量分布時(shí)，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[16]；需要短波長(zhǎng)的光譜能量分布時(shí)，可以用色溫較高的白色光源。因此，某些場(chǎng)合的長(zhǎng)波長(zhǎng)單色光可以用色溫低、顯色指數(shù)高的白光代替，短波長(zhǎng)的可以用色溫較高的白光代替。這樣設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)有：一是白光非常有益于車間操作人員的視覺(jué)健康；二是白光大量用于功能性照明，養(yǎng)殖業(yè)一次設(shè)備采購(gòu)成本可以大大降低。

2.5 燈具的開關(guān)

瞬間開、關(guān)照明燈具對(duì)大西洋鮭、河豚、石斑等魚類，以及對(duì)蝦會(huì)產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)。當(dāng)魚、蝦處于應(yīng)急反應(yīng)狀態(tài)時(shí)，會(huì)釋放應(yīng)激激素，血液與組織成分發(fā)生變化，呼吸頻率與心率發(fā)生改變，免疫水平降低，導(dǎo)致易染病和寄生蟲，不但繁殖生長(zhǎng)受到影響，嚴(yán)重增加死亡率[17]。所以開關(guān)時(shí)要逐漸亮、逐漸滅，才能消除光對(duì)魚的脅迫。解決這個(gè)問(wèn)題需要LED智能控制，現(xiàn)在考慮的其中一個(gè)方案是采用微處理器MCU控制實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC與PWM波形輸出的方式實(shí)現(xiàn)。其中RTC可精確到秒為單位，用戶可自行設(shè)置漸變間隔；LED的亮度調(diào)節(jié)則通過(guò)調(diào)節(jié)PWM波形占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)。占空比可采用分級(jí)方式，一般可分為0～100級(jí)。這種漸變方式會(huì)有效地避免LED光源的瞬間開與關(guān)對(duì)魚蝦類產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)。

3 結(jié)論

工廠化養(yǎng)殖車間不同于自然環(huán)境，需要采用人工光照方式。一般來(lái)說(shuō)，全光照與全黑暗對(duì)魚生長(zhǎng)發(fā)育都不利[12-18]。光環(huán)境只是一個(gè)影響魚類行為的重要因子，還要與溫度、水質(zhì)、餌料等因子共同配置。目前在國(guó)內(nèi)，關(guān)于光環(huán)境因子對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖的研究較少，養(yǎng)殖車間的光照與燈具安裝更是粗放式的隨意布置。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到LED光源作為一種物理手段，可以更好地增加水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)效率，獲得規(guī)?；⒕G色、高品質(zhì)魚類產(chǎn)品。若能確定影響某種魚類的生理節(jié)律、攝食行為和繁殖性能的光照參數(shù)，就可以采用適宜的LED光源，按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)燈具的效率、壽命和價(jià)格做綜合性的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較，正確地營(yíng)造出適合水產(chǎn)養(yǎng)殖要求的光環(huán)境，以促使LED光源在工廠化高效水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮更大的作用。

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第8屆中日韓照明大會(huì)征文通知

中國(guó)照明學(xué)會(huì)、日本照明學(xué)會(huì)及韓國(guó)照明電氣設(shè)備學(xué)會(huì)共同組織，由日本照明學(xué)會(huì)主辦的“第8屆中日韓照明大會(huì)”(The 8th Lighting Conference of China, Japan and Korea)將于2015年8月20-21日在日本京都市京都女子大學(xué)舉行。此次會(huì)議將以“創(chuàng)造舒適的照明環(huán)境”(Creating Comfortable Lighting Environment)為主題，就照明科技的發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)、光照環(huán)境人體工學(xué)、照明環(huán)境的設(shè)計(jì)等議題廣泛展開交流和研討。衷心希望各位理事、專家及廣大科技人員積極為本次會(huì)議提交論文和專題報(bào)告，并積極參加這一地區(qū)性的國(guó)際交流活動(dòng)。提交論文的具體要求如下：

1) 論文應(yīng)以英語(yǔ)撰寫并以A4紙2～4頁(yè)為限。

2) 論文摘要的申請(qǐng)截止日期：2015年5月7日，字?jǐn)?shù)500字以內(nèi)(5月29日通知作者本人是否錄用)。

3) 論文手稿提交的截止日期：2015年6月30日。

4) 摘要及全文均應(yīng)按照附件中模板的格式提交，并請(qǐng)選擇主觀意愿發(fā)表的方式供組織者決定。

5) 請(qǐng)將論文摘要和全文發(fā)到會(huì)議專設(shè)郵箱：cjk_2015@126.com。經(jīng)審核后，統(tǒng)一發(fā)給會(huì)議主辦方。

聯(lián)系人：關(guān)靖齡 聯(lián)系人：崔哲

電 話： 010-65815905 電 話：021-65982929

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The Analysis and Suggestion of LED Lamp Selection in Industial Aquaculture Systems

Song Changbin1, Gao Xiaolong2, Qiu Denggao3, Liu Ying2, Wang Zhaoxi2,Xie Haizhong1, Yang Hua1, Yao Ran1, Wang Junxi1

(1.InstituteofSemiconductors,ChineseAcademyofSciences,Beijing100083,China;2.InstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,Qingdao266071,China;3.FisheriesResearchInstituteofFujian,Xiamen361012,China)

This paper illustrates the importance of the LED light source in the recirculating aquaculture systems, introducing the current status of lighting in aquaculture workshop, and providing some useful analysis and suggestions in accordance with the required principle of three light environment parameters in fish and the requirements of lamps in specific contexts, which would be instructive and meaningful to how to choose the suitable LED lamps in aquaculture workshop.

LED light source; light environment; lamps selection; industrial aquaculture systems

中國(guó)科學(xué)院科技創(chuàng)新交叉與合作團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(編號(hào)：32509101)，國(guó)家863項(xiàng)目“植物工廠LED節(jié)能光源及光環(huán)境智能控制技術(shù)” (編號(hào)：2013AA103001)

宋昌斌，E-mail:chbsong@semi.ac.cn

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.021