一個水產養殖場LED光照工程應用效果分析

杜建軍，熊 巍，雷堡樂，陳 濤，李 榮，蘇 鵬，宋昌斌

(1.深圳市超頻三科技股份有限公司，廣東 深圳 518116；2.大連富谷食品有限公司，遼寧 大連 116400；3.中國科學院半導體研究所，北京 100083)

引言

目前國內大部分水產養殖車間使用的光照燈具仍然是傳統的日光燈等。如何選擇適合特定養殖水產動物的繁殖、生長發育、品質調控所需要的光環境參數，一直是困擾養殖戶的問題。由于LED具有節能環保、壽命長、智能可調控等優點，其在設施水產養殖行業中的應用優勢日益凸顯。

1 設計指導原則

水產動物的光照在很多方面與植物光照相比有明顯的區別。植物光照光譜主要是紅藍二色[1]，而水產截然不同，以魚類為例，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[2]。即，水產動物特有生理結構決定了它們特有的感光敏感度和趨光特性。因為水產動物種類2萬種以上[3]，每一物種在上億年進化的環境棲息地，如海水、淡水、深層、淺層、河口、溪流光環境迥然不同，進化出視覺神經器官對光譜色的反應與偏好都大相徑庭，并且不同種類和處于不同發育階段的水產動物對光譜色的喜好和趨光性表現不同。比如大菱鲆(Scophthalmusmaximus)受精卵發育、孵化期間，選擇橙光和全光譜作為光源，顯著提高苗種成活率。在大菱鲆開始變態及變態完成后，采用藍光作為光源，有助于提高特定生長率[4]。因此在現代水產養殖業中，對LED光照光譜提出了更高的集約、操作便利及智能控制要求。為調節水產動物的生理節律、攝食行為、性腺發育，在水產養殖LED光源設計時，需要實驗得出個體種類的光譜喜好需求參數，然后根據不同生長階段的水產個體需要的光譜色，運用智能控制系統進行有序調節實現。從而，增加水產養殖生長效率，提高商品魚的產量。

2 工程概況

2.1 LED燈具車間布置

表1 養殖車間燈具數量分布表

電源為LED提供恒定電流。節點控制器(SG200)接收Zigbee信號，通過0～10V調光線控制執行電源電流輸出。網關(SG600)將Wifi信號傳為Zigbee信號，并通過Zigbee協議與節點控制器實現通訊。設計燈具有控制要求，平板電腦將指令通過路由器傳遞給網關。

苗種培育區選用LED全光譜燈，100～300 lx可調光強，漸開漸滅防止應激反應，防水防潮。采用加三防罩可調光的T8燈管及防水泛光燈，光強接近100 lx。采用懸掛方式安裝，防水達到IP65，防腐達到WF2。具有Zigbee協議自組網功能，實現通過移動終端實時傳輸信號(圖3)。

圖1 黃條養殖車間布燈控制示意圖

圖2 紅鰭東方鲀養殖車間布燈控制示意圖

圖3 Zigbee協議無線控制流程圖

2.2 管理模式

2.3 運營維護

項目通過對水產養殖照明系統日常維護工作，使整個照明系統始終處于良好的工作狀態。將燈具規格與使用說明書、車間組網示意圖及燈具分布圖、車間SG600網關IP列表、軟件操作說明文件交付使用方，定期對智能照明控制系統進行檢查，及時處理端子連接掉線等問題。對運行維護人員進行系統的技術培訓，重點培訓輸入及讀取Zigbee自組網技術管理信息系統參數，使其能熟悉設備、系統和運行狀況，熟悉操作和故障處理，正確地進行操作和判斷LED燈具運行狀況，掌握一般的LED燈具維修技能。

3 應用效果分析

3.1 LED光環境養殖的比較效益

水產科研研究表明[5，6]：黃光對紅鰭東方鲀仔稚魚生長、發育具有促進作用；黃光和紅光組歐洲舌齒鱸的消化酶活力高，有利于歐洲舌齒鱸幼魚消化吸收飼料中的蛋白質和淀粉，所以用色溫2 500 K、T8三防燈管適應紅鰭東方鲀仔稚魚、歐洲舌齒鱸幼魚光照生理生長要求。同時Zigbee協議自組網功能實現漸亮漸滅，消除水產動物應激反應，提高其免疫力，減少病害發生。

表2 LED與白熾燈光環境下3種魚類2種生長指標比較表

按富谷公司年產量1 000噸水產品計算，與傳統燈具相比，項目實施1年后實際統計，水產品產量年增量超5%，即每年增加水產品超50噸。按照其珍品魚類平均80元/kg來計算：每年能增加經濟效益400萬元，效益顯著。

3.3 節能效果

項目初始計劃采用882盞傳統節能燈，考慮到LED光源光譜可變、耗能低等因素，且可智能控制，因此改為LED燈具。采用18 W T8三防燈管211盞，40 W LED防水泛光燈337盞、60 W 280盞、24 W LED工礦燈35盞工程實施用燈可滿足要求。平均按照每天20 h、一個月30 d、電費1元/度來計算(表3)。

表3 LED燈具代替傳統燈具節能表

由表3可知，每月能節約2萬余度電，年節電預計超20萬度，節能效果明顯。

3.4 模式推廣

繼本工程項目后，超頻三公司為杭州恒澤生態農業公司完成了基于LED光照調控的養殖加州鱸示范場總計7 237 m2，其中循環水車間3 040 m2、魚跑道2 900 m2、工廠化循環水育苗基地1 297 m2，并運用采用Zigbee 自組網控制技術。經相關專家現場驗收鑒定，室內循環水養殖配套LED光環境調控較普通光照對照組的特定生長率(SGR)提高9.6%；池塘循環流水養殖的特定生長率(SGR)提高6.6%，達到設計與使用要求，情況良好。黃山鼎新生態農業公司養殖的光唇魚、山東圣航水產公司養殖的大菱鲆等養殖場也有小規模使用LED光照，結果表明仔魚的成活率及特殊生長率都有不同程度的提高。

3.5 小結

由于工程時間限制，LED光源選擇是在參考現有理論與文獻基礎上設計的，而對養殖水產動物光譜敏感性、輻射光強及光周期的實驗是在后期進行的，因此光源設計沒有達到精準地步。因為一些海水魚類在仔稚期對光敏感性有可塑性，所以在條件允許下，應該事先實驗取得關鍵光要素參數[8]。在工程應用中，光照強度概念不容易被科學地使用。水產動物光度系統用描述光輻射能的輻射度量學或光量子通量密度為宜，但建筑照明按人的視覺效應進行度量，光強評價采用lx(勒克斯)標準，所以在工程設計中我們采用的是lx照度單位，以使水產使用者對輻射強度有直觀感受。

4 結語

據統計，2016年我國工廠化水產養殖面積是6554.83萬m2，若20 m2一盞燈，需330萬盞。養殖車間所用燈功率視不同養殖品種在20～80 W。若取平均價格500元/盞，則LED燈具加上智能控制系統的潛在市場規模至少16.5億元[9]，LED光照應用在水產養殖這一細分領域很有前景。目前，在水產養殖業中絕大多數使用的是傳統光源，即便是使用LED光源，有些養殖戶也是按照人眼的舒適性布置養殖車間光環境。所以，傳統光照觀念已經落后于養殖業精準工業集約化發展要求。本光照工程的實施，為水產養殖與照明業跨界融合、科學地實施LED光照工程提供了有益的實踐經驗。