雙能源驅(qū)鳥(niǎo)殺蟲(chóng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

谷周澎 辛穎 付秀 曹平

摘要：為了減少鳥(niǎo)類及害蟲(chóng)對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的影響與危害，提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量，減少農(nóng)藥的使用，設(shè)計(jì)雙能源驅(qū)鳥(niǎo)殺蟲(chóng)裝置。該裝置由太陽(yáng)能和風(fēng)能互補(bǔ)方式供電，其中太陽(yáng)能電池板可自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)方向，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可追蹤風(fēng)向。裝置發(fā)電后電能可儲(chǔ)存到蓄電池內(nèi)，并可以在不同天氣條件下進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)和工作模式之間的轉(zhuǎn)換。裝置采用發(fā)出不同頻段的高頻超聲波刺激鳥(niǎo)類的神經(jīng)系統(tǒng)，破壞鳥(niǎo)類的生存環(huán)境實(shí)現(xiàn)驅(qū)鳥(niǎo)功能，利用害蟲(chóng)趨光的習(xí)性，用紫外線燈發(fā)光引誘害蟲(chóng)并利用高壓電網(wǎng)電擊殺蟲(chóng)。通過(guò)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)對(duì)比試驗(yàn)證明，試驗(yàn)樣地應(yīng)用該裝置后，谷物剩余率可達(dá)到74%以上，證明超聲波驅(qū)鳥(niǎo)效果明顯；蟲(chóng)口退減率保持在76%左右，證明紫外線誘蟲(chóng)電擊殺蟲(chóng)科學(xué)有效。

關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補(bǔ)；驅(qū)鳥(niǎo)殺蟲(chóng)裝置；谷物剩余率；蟲(chóng)口退減率

中圖分類號(hào)：S776

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-005x（2015）04-00101-05

在農(nóng)林領(lǐng)域，傳統(tǒng)的殺蟲(chóng)和驅(qū)鳥(niǎo)功能主要依靠化學(xué)農(nóng)藥來(lái)實(shí)現(xiàn)，近年來(lái)隨著環(huán)保、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的物理農(nóng)業(yè)廣受推崇，市面也出現(xiàn)了一些超聲波驅(qū)鳥(niǎo)、太陽(yáng)能殺蟲(chóng)裝置，但是受自然環(huán)境等方面的影響，出現(xiàn)了能源供應(yīng)不足、適用范圍窄等問(wèn)題。本文提出一種雙能源驅(qū)鳥(niǎo)殺蟲(chóng)一體裝置，采用風(fēng)能和太陽(yáng)能混合發(fā)電，將驅(qū)鳥(niǎo)、殺蟲(chóng)兩種功能相結(jié)合，根據(jù)天氣狀況自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)能源的最大化利用，具有較強(qiáng)的抗環(huán)境干擾能力。

1 雙能源驅(qū)鳥(niǎo)殺蟲(chóng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

風(fēng)光互補(bǔ)殺蟲(chóng)驅(qū)鳥(niǎo)裝置由發(fā)電系統(tǒng)、驅(qū)鳥(niǎo)殺蟲(chóng)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和支撐結(jié)構(gòu)組成，其中發(fā)電系統(tǒng)包括太陽(yáng)能電池板、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、蓄電池；殺蟲(chóng)驅(qū)鳥(niǎo)系統(tǒng)包括超聲波發(fā)生器、燈座、高壓電網(wǎng)、紫外線燈和收集箱；電控系統(tǒng)包括控制器、光敏傳感器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；支撐結(jié)構(gòu)包括可伸縮支架、連接桿、套筒、固定板、水平板、斜板、滾輪

1.1 發(fā)電系統(tǒng)

發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)置在可伸縮支架的上端，發(fā)電機(jī)是采用直驅(qū)式永磁發(fā)電機(jī)，尾翼采用水平軸力結(jié)構(gòu)，在風(fēng)力發(fā)電中，水平軸力結(jié)構(gòu)的啟動(dòng)力矩要比垂直軸力結(jié)構(gòu)的大，對(duì)流場(chǎng)的利用率要高。其功率是50W，并且具有三個(gè)葉片，槳距采用的是固定槳距，通過(guò)尾翼側(cè)偏來(lái)調(diào)節(jié)水平位置。固定槳距的風(fēng)力發(fā)電機(jī)相對(duì)于變槳距的風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)上來(lái)講，定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)它的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單可靠，成本不高。調(diào)節(jié)水平位置時(shí)，是靠風(fēng)輪和尾翼相互配合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，風(fēng)輪的側(cè)偏角度可在90°內(nèi)任意變化，從而使風(fēng)輪的偏航角發(fā)生變化，再而調(diào)整迎風(fēng)面積并改變力矩大小。最終使風(fēng)力發(fā)電機(jī)始終在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。

太陽(yáng)能電池板放置在防護(hù)罩內(nèi)，并且固定在斜板的上表面上，與光敏傳感器配合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)方向。利用光敏電阻光強(qiáng)比較與精確數(shù)據(jù)處理相結(jié)合，將三個(gè)光敏三極管放在不同方向，一個(gè)豎直向上，一個(gè)正向東，另一個(gè)正向西，太陽(yáng)光從不同方向照射到三個(gè)光敏管的光強(qiáng)度不相同，使它們產(chǎn)生的光電流強(qiáng)度不相同。正東方向與太陽(yáng)光方向的夾角γ與光強(qiáng)（或光電流）的關(guān)系發(fā)生變化，依據(jù)夾角γ值調(diào)整太陽(yáng)能電池板的角度，在通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾輪，使太陽(yáng)能電池板一直朝向太陽(yáng)；光伏電池的轉(zhuǎn)換效率與其本身材料，運(yùn)行時(shí)的溫度，外界變化以及太陽(yáng)輻射程度有關(guān)，雙能源驅(qū)鳥(niǎo)殺蟲(chóng)裝置的電池板是多晶硅和單晶硅組合而成，標(biāo)準(zhǔn)輸出功率在100—120Wp/㎡之間。

蓄電池種類繁多，太陽(yáng)能電池能與很多種類的蓄電池配套使用，該裝置為了減少人為操作，采用的是免維護(hù)鉛酸蓄電池，其容量（BC）由式（1）表示：

式中：A為安全系數(shù)，取1.1-1.4；QL為日平均負(fù)載耗電量，即日工作小時(shí)數(shù)與工作電流的乘積；N_L為最大持續(xù)陰雨時(shí)間，d；T₀為溫度修正系數(shù)；C_C為蓄電池放電深度。

1.2 驅(qū)鳥(niǎo)殺蟲(chóng)系統(tǒng)

驅(qū)鳥(niǎo)殺蟲(chóng)裝置中超聲波驅(qū)鳥(niǎo)系統(tǒng)是利用單片機(jī)設(shè)計(jì)、制造的一種具有超低功耗的超聲波發(fā)生系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)是頻率可調(diào)超聲波發(fā)生器。它能發(fā)出不同頻段的超聲波來(lái)刺激鳥(niǎo)類的神經(jīng)系統(tǒng)，從而達(dá)到破壞鳥(niǎo)類的生存環(huán)境的目的，使鳥(niǎo)類遠(yuǎn)離超聲波覆蓋的地區(qū)。該系統(tǒng)把蓄電池儲(chǔ)存的電轉(zhuǎn)換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器工作，功率從0W～500W不斷變化，使超聲波發(fā)生器產(chǎn)生不同的的超聲波頻率，刺激鳥(niǎo)類的神經(jīng)系統(tǒng)，使鳥(niǎo)類無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境，從而遠(yuǎn)離該地域，重新尋找新的生活地，保證了驅(qū)鳥(niǎo)效果的持久性。工作時(shí)間與停止時(shí)間比為1：5，超聲波頻率在12～25KHz。

殺蟲(chóng)燈組主要原理是利用害蟲(chóng)趨光的習(xí)性，引誘并利用高壓電網(wǎng)電擊殺蟲(chóng)，收集到收集箱中。燈座采用PVC塑料板內(nèi)置連接燈口并與蓄電池相連接，采用紫外線燈作為誘蟲(chóng)光源，紫外線燈能產(chǎn)300～420nm的光波，在單色光誘蟲(chóng)實(shí)驗(yàn)中，330～390nm范圍內(nèi)的光波能夠吸引多種昆蟲(chóng)，增加了誘殺昆蟲(chóng)的種類，而且對(duì)單一一種昆蟲(chóng)吸引的數(shù)量最多。高壓電網(wǎng)與蓄電池相連，當(dāng)昆蟲(chóng)靠近時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生瞬時(shí)高壓擊落昆蟲(chóng)，昆蟲(chóng)掉落到收集箱內(nèi)，收集箱可以定期清理。

1.3 電控系統(tǒng)

裝置最重要的部位是控制器，其采用的是西門子PLC控制器。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池供電系統(tǒng)會(huì)根據(jù)天氣的變化變換不同的工作方式，一共有蓄電池單獨(dú)工作，光伏系統(tǒng)單獨(dú)工作，風(fēng)電系統(tǒng)單獨(dú)工作，以及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合工作4種不同工作方式，根據(jù)這4種不同的工作方式組合，共有4種不同的工作模式。負(fù)載是殺蟲(chóng)燈組工作功率或超聲波發(fā)生器（只限白天工作）工作功率。輸出由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池供電系統(tǒng)組成，其中蓄電池有最低充電功率。

工作模式一：此模式為最佳模式，是在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)啟動(dòng)工作和光伏發(fā)電系統(tǒng)亦啟動(dòng)工作的白晝，其工作主要是風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電功率和太陽(yáng)能發(fā)電功率之和與負(fù)載總功率比較，當(dāng)發(fā)電總功率大于負(fù)載功率和蓄電池最低充電功率時(shí)蓄電池充電，反之蓄電池放電。

工作模式二：此模式是只有風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)啟動(dòng)工作的白晝或黑夜，其工作主要是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率和負(fù)載功率比較，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電功率大于負(fù)載功率和蓄電池最低充電功率時(shí)蓄電池充電，反之蓄電池放電。

工作模式三：此模式是在只有光伏發(fā)電系統(tǒng)啟動(dòng)工作的白晝，其工作主要是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率和負(fù)載功率比較，當(dāng)太陽(yáng)能發(fā)電功率大于負(fù)載功率和蓄電池最低充電功率時(shí)蓄電池充電，反之蓄電池放電。

工作模式四：此模式是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不工作和光伏發(fā)電系統(tǒng)亦不工作的白晝或黑夜，其工作只由蓄電池供電。

控制器采用西門子S7-200型可編程控制器，其四種不同工作模式的順序功能圖如圖2所示，輸入、輸出量注釋見(jiàn)表1。在編程軟件step7 microwin中編程、糾錯(cuò)后，打開(kāi)西門子PLC仿真軟件（s7-200）2.0，設(shè)置CPU型號(hào)，裝載程序，進(jìn)行模擬仿真。

1.4 支撐結(jié)構(gòu)

支撐結(jié)構(gòu)中可伸縮支架豎直放置，可伸縮支架和連接桿采用304型奧氏體不銹鋼作為材料，它具有優(yōu)良的不銹耐腐蝕性能和較好的抗晶間腐蝕性能，其屈服強(qiáng)度為310MPa。對(duì)大部分有機(jī)酸和無(wú)機(jī)酸及堿溶液及亦具有良好的耐腐蝕能力；固定板為圓形6010鋁合金薄板，固定板插裝在可伸縮支架的上端并與可伸縮支架固接；防護(hù)罩為半圓形減反射玻璃罩體，防護(hù)罩插裝在可伸縮支架的上端并扣裝在固定板上，具有保護(hù)太陽(yáng)能電池板，控制器，蓄電池的作用；支板架、套筒和可變向滾輪均設(shè)置在防護(hù)罩內(nèi)，套筒可轉(zhuǎn)動(dòng)，套裝在可伸縮支架上，支板架是由水平板與斜板組成的，水平板的一端與斜板的一端連接，斜板的另一端與套筒的外側(cè)壁上部連接，水平板的另一端與套筒的外側(cè)壁下部連接，水平板的下表面固定有滾輪，其中套筒材料和可伸縮支架相同，支架板材料和固定板材料相同。

雙能源驅(qū)鳥(niǎo)殺蟲(chóng)裝置最主要的支撐結(jié)構(gòu)是可伸縮支架，支架底部為環(huán)形空心圓柱，外徑D為0.050m，內(nèi)徑d為0.045m，環(huán)形面積為0.00283m2。因其整體結(jié)構(gòu)重量較輕，靜載荷可以忽略不計(jì)，主要考慮在受到風(fēng)載荷作用下，整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，該裝置的設(shè)計(jì)承受最大風(fēng)力為8級(jí)風(fēng)力，最大風(fēng)速V為21m/s。從裝置整體結(jié)構(gòu)來(lái)分析受到風(fēng)載荷情況，其中風(fēng)力發(fā)電裝置受到風(fēng)載荷最大，其次是防護(hù)罩部分，再次是其它部分。

風(fēng)力發(fā)電裝置安裝最佳高度為擋風(fēng)物體高度的2～3倍，而雙能源驅(qū)鳥(niǎo)殺蟲(chóng)裝置主要應(yīng)用在空曠的田野。所以將風(fēng)力發(fā)電裝置安裝的最大高度日設(shè)定為2.5m，風(fēng)輪半徑R為0.5m。因水平軸的風(fēng)能利用率在23%～29%，取有效迎風(fēng)面積為以風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片為半徑的圓的面積的30%。防護(hù)罩內(nèi)主要放置太陽(yáng)能電池板和蓄電池等部件，高度設(shè)置h為1.3m。防護(hù)罩為半徑r為0.6m的半圓形，根據(jù)超聲波發(fā)生器和殺蟲(chóng)燈組的形狀及位置，計(jì)算風(fēng)載荷時(shí)可以等效為防護(hù)罩下半部分，以便于整體載荷計(jì)算。易得其危險(xiǎn)截面為裝置支撐桿的底部，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到設(shè)計(jì)承受最大風(fēng)速21 m/s時(shí)，所受到最大正應(yīng)力a_max為68MPa，明顯小于304型奧氏體不銹鋼屈服強(qiáng)度310MPa，具體計(jì)算公式為：

Wp=V²/1.6，

F_2.5=V²×π×R²×0.3/1.6，

F_1.3=V²×π×r²/1.6，

Me=F_2.5xH+F_1.3xh，

Wz=π×D³×（1-d⁴/D⁴）/16，

a_max=Me/W_z。式中：Wp為風(fēng)壓計(jì)算公式（單位N/㎡）；F_2.5和F_1.3。分別為2.5m和1.3m處所受風(fēng)力計(jì)算公式；Me為支撐桿底部扭矩計(jì)算公式；W_z為抗彎截面系數(shù)計(jì)算公式；a_max為危險(xiǎn)截面彎曲正應(yīng)力計(jì)算公式。

2 雙能源驅(qū)鳥(niǎo)殺蟲(chóng)裝置實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)

該裝置的測(cè)試實(shí)驗(yàn)在東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)周邊農(nóng)田進(jìn)行。

2.2 實(shí)驗(yàn)地概況

該地段農(nóng)田與東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)相鄰，農(nóng)作物以玉米為主，農(nóng)田區(qū)域邊緣種植向日葵，部分區(qū)域有豆角，番茄，茄子等農(nóng)作物，實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)地帶性植被是以紅松為主的針闊混交林，主要喬木植物有紅松、云杉、水曲柳、落葉松、樟子松、胡桃楸等十多種，灌木有平榛、茶條槭、忍冬、杜鵑、繡線菊等近百種，草本植物主要以苔草、地榆、鈴蘭、木賊、蚊子草、舞鶴草等，藤本植物有五味子、獼猴桃、山葡萄等，山野菜有薇菜、蕨菜、剌嫩芽、蒲公英等，鳥(niǎo)類有潛鳥(niǎo)、松雞、旋木雀、巖鷚、麻雀、喜鵲等，其中麻雀居多。由于林場(chǎng)與農(nóng)田相鄰，林場(chǎng)的鳥(niǎo)類和昆蟲(chóng)對(duì)農(nóng)田影響較大。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

分為I，II兩個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)，四個(gè)實(shí)驗(yàn)組。I區(qū)提供實(shí)驗(yàn)測(cè)試燈9盞，呈正方形50m等距排列，控制面積為5.00h㎡。Ⅱ區(qū)為5.00h㎡無(wú)燈區(qū)，Al組、A2組實(shí)驗(yàn)在I，Ⅱ區(qū)4：30至19： 00進(jìn)行，Bl組、B2組實(shí)驗(yàn)在I，Ⅱ區(qū)19： 30至次日4：00進(jìn)行。其中I區(qū)亮燈時(shí)間為19： 30至次日4：00。從2014年7月25日開(kāi)始連續(xù)觀察20d。

Al組、A2組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置在以100m為邊長(zhǎng)的正八邊形的中心，在正八邊形八個(gè)頂點(diǎn)放置一個(gè)高約2m的支架，支架上端設(shè)有一個(gè)半徑為1m水平圓形木板，每天4：30在木板上均勻放置碎玉米粒500粒，19： 00統(tǒng)計(jì)剩余碎玉米粒，并清理木板。木板邊緣有突起，防止碎玉米粒被風(fēng)吹落。前10d，I區(qū)，Ⅱ區(qū)超聲波發(fā)生器均不工作，后十天僅I區(qū)超聲波發(fā)生器工作。

2.4 效果計(jì)算公式

蟲(chóng)口減退率（%）=（無(wú)燈對(duì)照區(qū)害蟲(chóng)數(shù)一掛燈處理區(qū)害蟲(chóng)數(shù)）/無(wú)燈對(duì)照區(qū)害蟲(chóng)數(shù)×100。

谷物剩余率（%）=剩余谷物數(shù)/放置谷物總數(shù)×100。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

A1組和A2組實(shí)驗(yàn)表明，I區(qū)Ⅱ區(qū)鳥(niǎo)類分布數(shù)目基本相同，使用該裝置后，谷物剩余率由5%左右提升到了84%左右，且使用天數(shù)越多效果越明顯，見(jiàn)表2。

實(shí)驗(yàn)表明，捕獲到的害蟲(chóng)數(shù)量見(jiàn)表3。害蟲(chóng)蟲(chóng)口退減率平均在76%左右。超聲波發(fā)生器工作與否對(duì)蟲(chóng)口減退率沒(méi)有明顯影響。

3 結(jié)論

（1）雙能源驅(qū)鳥(niǎo)殺蟲(chóng)一體化裝置設(shè)計(jì)克服了能源供應(yīng)不足的問(wèn)題，能在偏遠(yuǎn)供電不足地區(qū)應(yīng)用，并且雙能源供能克服了太陽(yáng)能或風(fēng)能單一能源供能易受自然環(huán)境影響等缺點(diǎn)，能在連續(xù)陰雨天氣或連續(xù)無(wú)風(fēng)天氣下工作。

（2）紫外線燈誘蟲(chóng)科學(xué)有效，能有效大范圍引誘害蟲(chóng)，提高了裝置殺蟲(chóng)覆蓋面積；電擊殺蟲(chóng)效果好，能有效的通過(guò)電擊方式將昆蟲(chóng)殺死，科學(xué)環(huán)保；超聲波驅(qū)鳥(niǎo)效果隨裝置使用時(shí)間增加而增加，長(zhǎng)期使用收益高。

（3）該裝置能夠有效減少農(nóng)林曠野中害蟲(chóng)、鳥(niǎo)類對(duì)莊稼和作物的侵害。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用該裝置后，試驗(yàn)樣地的谷物剩余率可達(dá)到74%以上，有效地減少了鳥(niǎo)類對(duì)莊稼的侵害；蟲(chóng)口減退率平均在76%左右，有效地控制了害蟲(chóng)的數(shù)量，減少了害蟲(chóng)對(duì)農(nóng)作物侵害。