溫室大棚內(nèi)高壓靜電殺蟲(chóng)裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

蘇育珍，劉增煌，徐劉飛，龍佳寧，周 蘇

（塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

0 引 言

影響大棚蔬菜質(zhì)量最直接的因素就是蔬菜的病蟲(chóng)害，蔬菜在成長(zhǎng)過(guò)程中經(jīng)常受到很多病菌和害蟲(chóng)的侵襲，而目前國(guó)內(nèi)最常用的殺蟲(chóng)方式就是大量使用液態(tài)農(nóng)藥殺蟲(chóng)。農(nóng)藥的長(zhǎng)期使用不僅會(huì)破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境、污染水源，更會(huì)有農(nóng)藥殘留，危害人們的身體健康。因此急需新方法殺蟲(chóng)滅蟲(chóng)，以控制蟲(chóng)害對(duì)大棚蔬菜質(zhì)量的影響。目前已經(jīng)出現(xiàn)了幾種物理滅蟲(chóng)方法，即聲波殺蟲(chóng)、黃板殺蟲(chóng)、殺蟲(chóng)燈、電子殺蟲(chóng)器。朱琳等[1]針對(duì)茶尺蠖、茶小綠葉蟬等設(shè)計(jì)了高壓靜電滅蟲(chóng)裝置，通過(guò)對(duì)以上兩類昆蟲(chóng)進(jìn)行詳細(xì)了解，設(shè)計(jì)出高壓靜電農(nóng)作物滅蟲(chóng)器的原理與實(shí)驗(yàn)方案。林蜀云等[2]于2015年設(shè)計(jì)了一套太陽(yáng)能LED殺蟲(chóng)燈，通過(guò)對(duì)大多數(shù)昆蟲(chóng)進(jìn)行研究，并對(duì)他們的趨光性進(jìn)行仔細(xì)分析后設(shè)計(jì)出了適合誘蟲(chóng)的波長(zhǎng)范圍的LED燈與高壓靜電發(fā)生電路，采用單片機(jī)輸出的不同信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。本設(shè)計(jì)針對(duì)新疆溫室大棚內(nèi)的主要病害蟲(chóng)設(shè)計(jì)了特定波長(zhǎng)的引誘燈，產(chǎn)品利用太陽(yáng)能電池供電，高度可調(diào)，當(dāng)害蟲(chóng)受特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)光的吸引進(jìn)入LED燈的控制范圍時(shí)，定時(shí)器會(huì)輸出不同的信號(hào)控制電路工作，再結(jié)合高壓產(chǎn)生電路及電網(wǎng)集中消滅害蟲(chóng)。

1 整體設(shè)計(jì)思路

如圖1所示，該高壓靜電殺蟲(chóng)器由太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能充放電控制裝置、自動(dòng)控制裝置、高壓發(fā)生電路、12 V可控誘蟲(chóng)燈、5 V USB充電模塊、高壓電網(wǎng)組成。白天時(shí)，通過(guò)太陽(yáng)光照射給電池組充電，整個(gè)裝置中只有前兩級(jí)太陽(yáng)能充放電控制器與自動(dòng)控制裝置工作。夜晚時(shí)，前一級(jí)太陽(yáng)能部分不工作，自動(dòng)控制裝置控制其后級(jí)誘蟲(chóng)燈與高壓發(fā)生裝置工作，整個(gè)裝置處于工作狀態(tài)。通過(guò)誘蟲(chóng)燈對(duì)大棚內(nèi)的害蟲(chóng)進(jìn)行誘導(dǎo)，再經(jīng)過(guò)高壓電網(wǎng)集中擊殺，從而實(shí)現(xiàn)物理滅蟲(chóng)。誘蟲(chóng)燈通過(guò)調(diào)節(jié)顏色來(lái)控制波長(zhǎng)段，從而進(jìn)一步擴(kuò)大害蟲(chóng)的引誘范圍與種類。本裝置加入了安全保護(hù)部分，若檢測(cè)為雨天或有人靠近高壓電網(wǎng)，則及時(shí)斷開(kāi)后級(jí)高壓電路，避免人和裝置受到傷害，做到安全防治蟲(chóng)害。

圖1 殺蟲(chóng)系統(tǒng)總體電路工作框圖

2 關(guān)鍵器件的選擇

2.1 太陽(yáng)能電池板的選擇

當(dāng)下市面上太陽(yáng)能電池板的種類包括單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池、多元化合物太陽(yáng)電池等。綜合考慮使用年限、性價(jià)比以及光電轉(zhuǎn)換率，本文采用單晶硅太陽(yáng)能電池，同時(shí)還考慮其供電功率應(yīng)遠(yuǎn)大于所有負(fù)荷的總功率，避免殺蟲(chóng)裝置超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)太陽(yáng)能電池容量不足，故選擇50 W單晶硅太陽(yáng)能電池板。

2.2 蓄電池的選擇

可以和太陽(yáng)能電池匹配使用的蓄電池種類較多，當(dāng)下廣泛采用的有鉛酸免維護(hù)蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池三種。由于鉛酸免維護(hù)蓄電池具有“免”維護(hù)的特性以及對(duì)環(huán)境污染較小的特點(diǎn)，適用于性能可靠的太陽(yáng)能電源系統(tǒng)，尤其是無(wú)人值守的變電站，因此在國(guó)內(nèi)被廣泛使用。普通鉛酸蓄電池由于需要經(jīng)常維護(hù)及對(duì)環(huán)境污染較大，適合一些有維護(hù)能力或中低檔場(chǎng)合使用。堿性鎳鎘蓄電池雖然有較好的耐低溫、過(guò)充、過(guò)放等其他蓄電池不及的性能，但其生產(chǎn)制造價(jià)格較高，僅適用于較為特殊的場(chǎng)合。本設(shè)計(jì)采用標(biāo)稱電壓為12 V的鉛酸免維護(hù)蓄電池。

裝置日耗電量的計(jì)算如下：

式中：U為蓄電池的標(biāo)稱電壓；Q為該裝置的總耗電量；W1為高壓部分電路功率（12 W）；W2為誘蟲(chóng)燈功率（8 W）；W3為自動(dòng)控制電路功率（5 W）；H1為高壓電路持續(xù)放電時(shí)間（1 h）；H2為自動(dòng)控制電路與誘蟲(chóng)燈工作時(shí)間（6 h）。

滿足裝置日用電的光伏組件的充電電流如下：

式中：1.05為太陽(yáng)能充電綜合損失系數(shù)；0.85為蓄電池充電效率；0.9為控制器效率。

蓄電池容量的計(jì)算：

式中：0.75為蓄電池放電深度；1.2為蓄電池安全系數(shù)；d代表天數(shù)。

太陽(yáng)能電池組件的功率為：

3 整體電路的設(shè)計(jì)

滅蟲(chóng)裝置殺蟲(chóng)的關(guān)鍵在于擊殺電網(wǎng)上擊殺害蟲(chóng)的最低電壓，高壓發(fā)生電路的核心在于如何把太陽(yáng)能電池提供的12 V電壓經(jīng)升壓變成滅蟲(chóng)相關(guān)資料中所顯示的5 000～12 000 V電壓。設(shè)計(jì)相關(guān)升壓電路將12 V電壓變成5～12 kV并連接至擊殺電網(wǎng)上產(chǎn)生電弧，將入網(wǎng)的昆蟲(chóng)擊殺或擊殘，實(shí)現(xiàn)滅蟲(chóng)的目的。高壓發(fā)生電路主要由方波信號(hào)發(fā)生部分、信號(hào)傳輸部分、輸出放大部分、升壓整流部分組成。由NE555芯片組成的多諧振蕩電路發(fā)出20 kHz占空比為50%的正負(fù)方波信號(hào)，傳輸給三極管放大電路再經(jīng)過(guò)高頻變壓器輸出2 kV的電壓，最終由倍壓整流電路將2 kV電壓升至約14 kV。逆變電路主要由NE555多諧振蕩電路、三極管放大電路、高頻變壓器等分電路組成。NE555電路用于產(chǎn)生高頻方波信號(hào)。3管腳輸出的高頻正負(fù)方波信號(hào)脈沖驅(qū)動(dòng)VT1和VT2，使得VT1與VT2導(dǎo)通。VT2的集電極和高頻變壓器相連，通過(guò)高頻變壓器可以將12 V電壓升至2 kV。按照設(shè)計(jì)輸出20 kHz占空比為50%的方波，計(jì)算如下：

頻率計(jì)算公式如下：

占空比計(jì)算公式如下：

圖2 整體電路圖

通過(guò)代值計(jì)算得 R3取 0 Ω，R4取 3.6 kΩ，C7取0.01 μF。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然NE555電路輸出為方波信號(hào)，但輸出波形是正方波，使得高頻變壓器輸出電壓低于理論值的50%。通過(guò)在NE555輸出3引腳串聯(lián)一個(gè)10 μF的瓷片電容可解決該問(wèn)題，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，給電容充電；當(dāng)輸入為低電平時(shí)，該電容放電并與之前電壓相反，從而構(gòu)成一個(gè)全波信號(hào)，輸至高頻變壓器，使轉(zhuǎn)化及升壓效率進(jìn)一步提高。整體電路如圖2所示。

4 田間實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)方法

將裝置調(diào)試到正常運(yùn)行模式，采用FRC 50 kV交直流分壓器對(duì)高壓電網(wǎng)上的電壓進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)分壓器顯示電壓，將電網(wǎng)電壓確定在4.5 kV與7 kV兩個(gè)檔位上。在電網(wǎng)下方地面上鋪一張白紙，當(dāng)害蟲(chóng)掉落至白紙上后便于統(tǒng)計(jì)。裝置實(shí)物如圖3所示。

圖3 殺蟲(chóng)裝置實(shí)物

在周邊尋找不同的大棚蔬菜園，分別記為#1測(cè)驗(yàn)點(diǎn)，#2測(cè)驗(yàn)點(diǎn)，于害蟲(chóng)集中出現(xiàn)的夏秋季節(jié)在3個(gè)測(cè)驗(yàn)點(diǎn)分別測(cè)驗(yàn)一周，鑒于新疆特殊的地理環(huán)境，太陽(yáng)落山較晚，于是在北京時(shí)間22：00—22：30間開(kāi)啟裝置。抽取一周中兩天的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1所列。為了準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)殺蟲(chóng)數(shù)量，每次裝置開(kāi)啟前先清理干凈殺蟲(chóng)電網(wǎng)周圍之前殺死但未掉入底座的昆蟲(chóng)。

表1 樣機(jī)溫室內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)表

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

電壓等級(jí)在4.5～7 kV之間且試驗(yàn)溫度差異不大時(shí)，殺蟲(chóng)數(shù)量與輸出電網(wǎng)電壓有關(guān)，電網(wǎng)電壓越高，誘殺的害蟲(chóng)數(shù)量越多。當(dāng)電網(wǎng)電壓為7 kV時(shí)，1#測(cè)點(diǎn)30 min內(nèi)殺蟲(chóng)數(shù)量為36，2#測(cè)點(diǎn)30 min內(nèi)殺蟲(chóng)數(shù)量為38；當(dāng)電網(wǎng)電壓相同時(shí)，試驗(yàn)溫度對(duì)殺蟲(chóng)數(shù)量有明顯影響，溫度為23.5℃時(shí)，殺蟲(chóng)數(shù)量為38，殺蟲(chóng)效果最佳，表明大棚內(nèi)害蟲(chóng)喜光喜溫的特性。在同一測(cè)點(diǎn)連續(xù)試驗(yàn)一周后，較大體積的害蟲(chóng)數(shù)量明顯減少，較小體積害蟲(chóng)的密度也在一定程度降低，較高等級(jí)的電壓具有更好的殺蟲(chóng)效果。如果在較大面積溫室內(nèi)安裝相應(yīng)數(shù)量樣機(jī)，使其白天關(guān)閉，夜晚開(kāi)啟，同時(shí)根據(jù)不同的天氣人為調(diào)整開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間，會(huì)使溫室的昆蟲(chóng)密度大幅度降低，減少害蟲(chóng)對(duì)蔬菜的侵?jǐn)_。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）溫室大棚內(nèi)高壓靜電殺蟲(chóng)器裝置的設(shè)計(jì)具備可行性，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。該裝置殺蟲(chóng)效率較高，當(dāng)電壓等級(jí)為4.5～7 kV時(shí)，不會(huì)對(duì)蔬菜表面及植株造成傷害。

（2）當(dāng)電網(wǎng)電壓為7 kV時(shí)，30 min內(nèi)殺蟲(chóng)數(shù)量最高，表明在合適范圍內(nèi)，電壓等級(jí)越高，殺蟲(chóng)效果越好。

（3）電網(wǎng)電壓相同時(shí)，試驗(yàn)溫度對(duì)殺蟲(chóng)數(shù)量也有明顯影響，當(dāng)溫度為23.5℃時(shí)，殺蟲(chóng)效果最佳，表明大棚內(nèi)的蟲(chóng)害對(duì)溫度、光照比較敏感。

本設(shè)計(jì)綠色、環(huán)保，可實(shí)現(xiàn)一次投入長(zhǎng)期使用，與其他類似的殺蟲(chóng)燈相比，不僅解決了在田間拉電線的麻煩，更降低了費(fèi)用消耗。

在使用本裝置時(shí)，為保證最佳的殺蟲(chóng)效果，可以選擇性的開(kāi)啟裝置，建議在環(huán)境溫度較高的條件下開(kāi)啟，大面積、短時(shí)間內(nèi)集中滅殺溫室內(nèi)的害蟲(chóng)。