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為什麼要照燈

動物受光、溫度、溼度或地心引力等刺激,所產生運動或位置改變等反應稱為趨性;其中,魚類趨光性就是魚類對於光源刺激的方向所引起的定位特性。因魚類趨光特性的不同,捕撈作業有下列三種:

一、沿近海燈火漁業:主要捕撈魚種為鯖、鰹、鰺,捕撈方式為扒網及棒受網,利用聲納搜尋魚群,扒網船噸位較大多配備有小筏,筏上備有集魚燈使魚群聚集,此時母船釋放圍網快速將魚群包圍後,收攏魚網後將魚群撈起。而棒受網噸位較小,船舷兩側裝設有長竿,用其將網具張開包圍魚群後撈起。

二、秋刀魚:捕撈方式為棒受網,透過聲納追蹤魚群選定捕撈地點,開啟集魚燈吸引到足量魚群後,透過一連串集魚燈之關閉與開啟進行「帶魚」作業,將魚群吸引至網具上方並聚集,再收網將漁獲撈起。

三、魷魚:捕撈方式為魷釣,透過衛星追蹤魚群出沒地點,放傘錨並開啟集魚燈,魷魚會躲藏於集魚燈形成明暗交界處的船體正下方,再將自動魷釣機的釣鉤放入海中並上下抽拉,吸引魷魚攻擊假餌後吊起。

圖片-扒網作業的照燈方式

.扒網作業的照燈方式

圖片-棒受網作業的照燈方式

.棒受網作業的照燈方式

圖片-傘錨作業的照燈方式

.傘錨作業的照燈方式

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競爭力從這裡開始 - LED 集魚燈

臺灣遠洋漁業年產值新臺幣400多億元,為公海重要漁業國家,其中秋刀魚產業與魷魚產業占相當重要地位。秋刀魚與魷魚均為魷釣漁船捕撈對象,漁期正好輪替,兩者屬趨光性捕撈方式,並以大型集魚燈強光誘捕魚群,因此多數魷釣漁船改裝成可兼做秋刀魚棒受網之兩用船,上半年於西南大西洋捕撈魷魚,下半年到西北太平洋捕撈秋刀魚,利用錯開魚季的兼營方式,增加漁船收益。

「LED 集魚燈」是結合半導體技術,將高效率之LED光源應用於集魚燈,大幅降低能源消耗。並將照明光形觀念,應用於漁業照明設施。其作業原理是利用生物趨光性、LED 水下光學傳遞模型,與配光曲線能量映射法,設計多重出光角之光學透鏡,創造出獨特的「誘魚光形」。船長可以直接控制燈源,隨著魚群的變動調整燈光瞬間起滅,增加集魚作業的網次效益,亦可依捕撈作業需求調整光色。相對於傳統漁燈船的整體油耗,LED集魚燈節能減碳效益卓越,也間接促成LED集魚燈產聚落,產品行銷世界各國,成為漁業界的臺灣明燈。

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秋刀/魷釣漁船能源消耗分配

項目/漁業
秋刀魚漁業
魷魚漁業
延繩釣漁業
船舶動力
32%
45%
68%
冷凍設備
22%
22%
29%
其他
1%
1%
1%
漁撈工作機具
漁撈機械
15%
5%
2%
漁撈工作機具
燈具
0%
0%
-
  • 因作業區域較遠,船舶動力約占 45%。
  • 秋刀魚漁業燈具油耗成本佔總體 30%。
  • 魷魚漁業燈具油耗成本佔總體 27%。
  • 冷凍機具占 22%,因捕撈之魚種須急速冷凍,耗能比例大。
  • 其他如航儀等,占比 1%。
  • 大環境下資源量減少,在捕獲效率不變的情況下,倘有效減少燈具能量耗損,可減少漁撈成本。

資料來源:成功大學漁船及船舶機械研究中心 沈聖智 教授

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傳統集魚燈與 LED 集魚燈

集魚燈為燈火漁業中不可缺少的一項輔助漁具,其以高亮度照明方式吸引魚群靠近,以提升漁獲量,可分為水上燈與水下燈兩類別。

傳統集魚燈使用鎢絲、水銀燈或複金屬燈,然其多數色光波長水中穿透力低,不具指向性,為增加光照滲透性只能提升燈具功率與數量,而應對電力需求需裝設多部發電機,大幅增加船隻載重與耗損油量,且傳統集魚燈壽命不長容易損壞,導致漁民成本居高不下。而隨著LED燈具發展,其光效率、光源指向性、特定波長或色溫等優勢逐漸導入集魚燈應用。

比較圖:俯視

圖片-傳統集魚燈屬於放射狀光源,光束向四面八方放射,約有六成以上的光線散逸到空中。(俯視)

.傳統集魚燈屬於放射狀光源,光束向四面八方放射,約有六成以上的光線散逸到空中。

圖片-LED燈具光幕較為集中,且光束皆散佈於有效區域,逸散之光線比例不高。(俯視)

.LED燈具光幕較為集中,且光束皆散佈於有效區域,逸散之光線比例不高。

比較圖:平視

圖片-傳統集魚燈屬於放射狀光源,光束向四面八方放射,約有六成以上的光線散逸到空中。(平視)

.傳統集魚燈屬於放射狀光源,光束向四面八方放射,約有六成以上的光線散逸到空中。

圖片-LED燈具光幕較為集中,且光束皆散佈於有效區域,逸散之光線比例不高。(平視)

.LED燈具光幕較為集中,且光束皆散佈於有效區域,逸散之光線比例不高。

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集魚燈光色與魚群

不同棲地環境之光譜組成有所差異,魚類也因此發展出不同光色感受力的視覺系統。前人研究顯示,秋刀魚在綠光敏感度最高,魷魚則對藍、綠光有較大的感光效果。

LED集魚燈色運用與研發是依據我國漁民使用習慣以及多國相關研究,秋刀魚選擇綠光或白光誘集魚群,並以紅光誘使浮上水面進行捕撈;魷魚、沿近海漁業則選用水下滲透力較強之藍光搭配白光營造誘魚光場吸引其進入陰影處。

兩者燈具研發重點不盡相同,秋刀魚燈具安裝於船舷邊,向下面照射,吸引魚類接近燈光,其研發著重於「波長」;魷魚燈具燈具安裝於船頂,向遠方照射,營造光幕使魷魚聚集於船底下方,其研發重點在於「高亮度」 。

圖片-LED秋刀魚集魚燈

.LED 秋刀魚集魚燈

圖片-LED魷魚集魚燈燈光調變

.LED 魷魚集魚燈燈光調變

臺灣LED集魚燈發展史

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技術化

臺灣於 96 年展開 LED 集魚燈具的研發,由沿近海開始開發,受技術限制,均為平板模組,自 100 年開始發展秋刀魚 LED 集魚燈,研發過程中確立採用 LED 高功率光源、導熱技術、透鏡建立誘魚光型、LED 光源模組化等關鍵技術,達到大幅降低電量、提高照明效率、提高燈具更換便利性與魚群誘集性等優勢。

圖片-沿近海 LED 燈具

.沿近海 LED 燈具

圖片-秋刀魚 LED 燈具

.秋刀魚 LED 燈具

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產業化

研發達到技術性突破,沿近海與秋刀魚燈具均演進為球泡型,使用與傳統集魚燈相同之 E40 接頭,可大幅增加商業滲透度,並導入主動散熱機制、光調變控制技術、輕量化燈具等技術,使燈具大幅降低重量與增加光色變化機制,大為提升漁獲效率。並在 102 年首次於一艘秋刀魚漁船安裝 LED 並成功進行作業。

圖片-沿近海 LED 燈具

.沿近海 LED 燈具

圖片-秋刀魚 LED 燈具

.秋刀魚 LED 燈具

圖片-魷釣 LED 燈具

.魷釣 LED 燈具

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智慧化

109 年研製第七代 LED 集魚燈,為平板模組型態,採用高亮度設計,並導入智慧化、系統主動散熱等關鍵技術,同時設計誘魚光譜及魷魚專用集魚燈具,達到高照度化與智慧化的優勢。

截至 108 年為止,9 成臺灣秋刀魚漁船已換裝 LED 集魚燈,並開發世界首例用於漁業漁撈領域的智慧 LED 魷釣集魚燈具。透過漁業生產智慧化,除了降低生產成本提高漁民收益促進漁業創新升級之外,亦將開啟我國綠能產業的發展優勢。

圖片-魷釣 LED 燈具

.魷釣 LED 燈具

關鍵技術

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輕量化集魚燈具

輕量化集魚燈具主要透過光學與結構模擬分析等技術,在維持光域照射廣度不變下,簡化機構設計並改善散熱問題,達到燈具輕量化的效果,以提升船員進行捕釣作業上的安全與便利性。

圖片-輕量化LED水上燈具-1

.主動散熱之電腦模擬分析圖

圖片-輕量化LED水下燈具-2

.輕量化 LED 水下燈具

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可變光色與智能診斷系統集魚燈具

可變光色與智能診斷系統之LED集魚燈具,其功能不僅整合監控系統與遠端傳輸,還可配合生物特性調整不同色光,提高LED燈具的智能化。

可變光色功能配合秋刀魚與魷魚特性之差異選用不同晶片,如秋刀魚漁船需選用紅光與白光配置,魷魚漁船選用於水下滲透力較強之波長的綠光與白光搭配,進一步整合光色調變控制器完成可調變光色之LED集魚燈。

圖片-可變光色與智能診斷系統集魚燈具-1

.可變光色與智能診斷系統集魚燈具

圖片-可變光色與智能診斷系統集魚燈具-2

.可變光色與智能診斷系統集魚燈具

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雲端 AI 智能監控系統

研究團隊開發雲端AI智能監控系統,透過感測器監控LED燈具之溫度值與電流值,及具有
(1)位置紀錄功能
(2)燈具溫度偵測功能
(3)遠端開關控制
(4)資料備份等功能之主控端系統
據以分析並預測燈具之使用壽命以及故障情形,以協助船長及船東判斷燈具更換時機,避免燈具於遠洋漁船長期出海作業時故障,藉此維護集魚效率。

圖片-雲端 AI 智能監控系統

.雲端 AI 智能監控系統

圖片-雲端 AI 智能監控系統

.雲端 AI 智能監控系統

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智能捕撈決策建議系統

研究團隊研發智能紀錄模組,記錄漁撈情形、GPS作業位置、移動範圍以及LED魷魚集魚燈具的開關燈時間等資訊,並繪製船隻航行座標圖、作業海域圖、作業時序圖等圖表以掌握魚群位置,最後再透過智能判讀建構漁撈決策作業建議圖。

透過智能捕撈決策系統,將可縮短年輕漁業從業者的學習歷程,以解決漁業人口老化與船長經驗傳承等問題,提升臺灣漁業的競爭力。

圖片-漁船漁獲量及作業地點關係圖

.漁船漁獲量及作業地點關係圖

漁船作業時序圖

.漁船作業時序圖

研發成果

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節能

LED 集魚燈的電力消耗僅需傳統集魚燈的 10% 不到,以船用發電機實測 1 顆 4,000W HID 燈開啟 50 小時需耗用 100 公升的燃油,若以 1 盞 200W LED燈取代 1 盞 4,000W HID 燈時,1 年將可節省約 14 萬元。如果一艘船換裝 20 顆 LED 集魚燈具,其每艘 1 年可節省約 280 萬之燃料費 (以 1 公升 20 元的均價計算)。

項目 / 燈具 HID LED 說明
瓦數 4,000 W 200 W 每 1 顆(盞)瓦數
消耗燃油 100 L 10 L 每 50 小時消耗燃油
(單位:公升)
燃料費 2,000 元 200 元 以 1 公升 20 元的均價計算
燃料費(年) 約 311 萬元 約 31 萬元 以 1 年使用 20 顆(盞)燈,開燈 3,888 小時估算
每艘 1 年可節省約 0 萬之燃料費
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輕量化

LED 燈具最重的部分為散熱機構,一般使用鋁質自然散熱片技術,應用在 1200 瓦 LED 集魚燈具時重量將高達 80 公斤以上;且迎風面阻力極大,甚至會影響船隻的穩定性。

研發之主動散熱技術可大幅減少散熱片之使用,不僅使燈具僅重 12 公斤更能減少行進間之風阻,即使安裝200盞於船上亦完全不影響船隻之穩定性。

燈具重量減少 85% 輕量化之後不僅可以減省燃油,更可讓冷凍庫全力運轉不受燈具負載影響,以增加漁獲新鮮度並提高市場的競爭力。

項目 / 燈具 傳統式 LED LED
總重 80 公斤 12 公斤
輕量化 0 %
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專利

    • 109年-具有智慧型集魚燈具之漁撈作業輔助建議系統(若對專利有興趣,請洽:國立成功大學-系統及船舶機電工程學系 沈聖智 教授)
圖片-專利公報:109 年具有智慧型集魚燈具之漁撈作業輔助建議系統

    • 104年-具低風阻之可變波長 LED 燈具(若對專利有興趣,請洽:國立成功大學-系統及船舶機電工程學系 沈聖智 教授)
圖片-專利公報:104 年具低風阻之可變波長 LED 燈具

    • 103年-集魚燈構造(若對專利有興趣,請洽:國立成功大學-系統及船舶機電工程學系 沈聖智 教授)
圖片-專利公報:103 年集魚燈構造
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技術移轉

  • 108年-智慧 LED 集魚(若對技術有興趣,請洽:國立成功大學-系統及船舶機電工程學系 沈聖智 教授)
  • 107年-球泡型 LED 燈具(若對技術有興趣,請洽:國立成功大學-系統及船舶機電工程學系 沈聖智 教授)
  • 106年-平面型 LED 集魚燈具、相關水上及水下發光二極體 LED 集魚燈(若對技術有興趣,請洽:國立成功大學-系統及船舶機電工程學系 沈聖智 教授)
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學術期刊

論文 作者 發表年(西元)
魷釣智能LED集魚燈光學模擬與實測評估,臺灣水產學會 110 年度學術論文發表會暨會員大會 郭正元
沈聖智
2021
Output feedback stabilization for a class of high-order planar systems with an asymmetric output constraint, International Journal of Robust and Nonlinear Control, vol. 30, no. 16, pp. 6994-7011, Nov. 10, 2020. C. C. Chen 2020
Design and Estimate of a Color Compensation Module for Underwater LED Lighting, 2020 International Conference on Mechatronic, Automobile, and Environmental Engineering, Nov. 06-08, 2020 Kinmen, Taiwan. Chun-Yen, Lee
Chi-Jen, Zhang
Sheng-Chih, Shen
Zhi-Yu, Chen
2020
水下 LED 色彩補償照明模組設計,第32屆中國造船暨輪機工程師學會年會及中國造船暨輪機工程研討會,7 月 22-23 日 2020,臺北。 蔡旻靜
陳志宇
郭正元
沈聖智
2020
水下LED色彩補償照明模組設計,海洋及水下科技季刊 vol30,no2,頁 61-69 沈聖智
蔡旻靜
陳志宇
郭正元
2020
Design and Fabrication of a Displacement Sensor Using Screen-printed Technology and Piezoelectric Nanofibers in d33 Mode. Sensors and Materials (SCI, ISSN:24350869) S. C. Shen
Y.C. Chen
2019
Development of colors technology for LED fishing lamps to improve energy efficiency and catch volume in saury fishing. The 33rd Asian-Pacific Technical Exchange and Advisory Meeting on Marine Structure 沈聖智 2019
水下 LED 可調適應彩色照明模組之設計與評估. 第 21 屆海洋及水下技術研討會暨科技部成果發表會 沈聖智 2019
Design of Secondary Lens for LED Fishing Lamps to Evaluation Catches Energy Efficiency in Saury Fishing. IEEE Access. C. Y. Kuo
S. C. Shen
2018
Development of lens technology for LED fishing lamps to improve energy efficiency and catch volume in saury fishing. TEAM 2018.Wuhan. C. Y. Kuo
S. C. Shen
J. M Yang
M. C. Fang
2018
魷釣與秋刀魚雙用智能 LED 燈具漁獲試驗,臺灣水產學會110年度學術論文發表會暨會員大會 郭正元
沈聖智
2018
能量映射法於多重同心圓光型 LED 集魚燈具之設計與測試 沈聖智 2017
雙微慣性感測主動式轉向 LED 照明系統於水下載具之設計、研製與測試 沈聖智 2017
新型雙自由度壓電致動器之設計與製作 張祥傑 2017

研究團隊介紹

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研究人員

方銘川

國立成功大學 系統及船舶機電工程學系 教授

人員照片
研究人員

沈聖智

國立成功大學 系統及船舶機電工程學系 教授

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研究人員

郭正元

國立成功大學 系統及船舶機電工程學系 博士後研究

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