Параметры и Режимы ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО светодиодного электрооптического преобразователя для мониторинга численности и вида насекомых –

На правах рукописи

Суринский ДМИТРИЙ Олегович

Параметры и Режимы ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО

светодиодного электрооптического преобразователя

для мониторинга численности и вида

насекомых – вредителей

Специальность 05.20.02 – Электротехнологии

и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ижевск – 2012

Работа выполнена на кафедре «Энергообеспечение сельского хозяйства» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменская государственная сельскохозяйственная академия.

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Возмилов Александр Григорьевич, ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия», профессор кафедры «ПЭЭСХ».
Официальные оппоненты:	Кирпичникова Ирина Михайловна доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет», заведующий кафедрой «Электротехники и возобновляемых источников энергии». Ниязов Анатолий Михайлович кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия», заведующий кафедрой «Электротехнологии сельскохозяйственного производства».
Ведущая организация:	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Курганская государственная сельскохозяйственная академия».

Защита состоится «30» марта 2012 г., в 14:00 часов на заседании диссертационного совета КМ 220.030.02 при ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА» по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 9. 3-211.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА».

Автореферат разослан «28 » февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Литвинюк Надежда Юрьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Защита урожая от сельскохозяйственных вредителей и болезней имеет большую практическую значимость для успешного ведения растениеводства. Сельское хозяйство ежегодно теряет до 40% урожая от действия вредите­лей, болезней и сорняков. В настоящее время потери увеличиваются в результате снижения потребления ядохимикатов и нарушения работы централизован­ной системы прогнозирования сроков и объемов проведения защитных мероприятий.

В системе защиты растений от насекомых-вредителей различают четыре основных ме­тода: агротехнический, механический, биологический и химический. На различ­ных этапах научно-технического прогресса роль этих методов в общем комплексе мероприятий по борьбе с вредителями существенно менялась.

Анализ существующих методов показал, что они имеют ряд серьезных недостатков, прежде всего с точки зрения их экологичности и трудоемкости.

Таких недостатков нет при использовании электрофизиче­ского метода защиты растений от насекомых-вредителей. Однако недостаточная изученность поведения насекомых в оптическом излучении, влияния различных параметров оптического излучения на привлечение насекомых, отсутствие эффективных методов использования элек­трооптических преобразователей в системе защиты растений обуславливают не­обходимость продолжения работ по созданию, совершенствованию и исследова­нию установок электрофизической защиты садовых растений и методов их ис­пользования. В работе приняты следующие сокращения: ЭСЭП – Энергосберегающий светодиодный электрооптический преобразователь; ФЭП – фотоэлектрический преобразователь; АКБ – аккумуляторная батарея; ФАС – система «ФЭП – АКБ – Светодиод».

Работа выполнена в соответствии с общероссийской федеральной программой «Энергоэффективная экономика», раздел «Энергоэффективность в сельском хозяйстве» (постановление Правительства РФ от 17 ноября 2001 г. № 796), приказом Минсельхоза РФ от 25 июня 2007 г. № 342 «О концепции развития аграрной науки и научного обеспечения АПК России до 2025 года» и «Государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008 - 2012 годы», утверждённой постановлением Правительства Российской Федерации от 14 июля 2007 г. № 446.

Цель исследования. Определение параметров и режимов ЭСЭП для повышения эффективности мониторинга численности и фазы развития насекомых-вредителей.

Задачи исследования:

1. На основе анализа научно-технической литературы определить актуальность и практическую значимость работы.
2. Разработать методику расчета основных конструктивных и технологических параметров ЭСЭП.
3. Исследовать основные технические характеристики системы ФАС.
4. Провести технико-экономическую оценку использования разработанного ЭСЭП для проведения мониторинга численности и фазы развития насекомых-вредителей.

Объект исследования. Процессы работы системы ФАС в дневной и ночной периоды и мониторинг численности и фазы развития насекомых-вредителей.

Предмет исследования. Закономерности процессов зарядки – разрядки в системе ФАС, связь параметров системы ФАС с эффективностью мониторинга численности и фазы развития насекомых-вредителей.

Методы исследования. В работе использованы теоретические основы све­тотехники и электротехники, методы математической статистики, методы математического анали­за. Результаты экспери­мента обрабатывались с применением прикладного пакета статистических про­грамм «STATISTIKA» и «EXCEL».

Достоверность полученных результатов. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается использованием известных теоретических положений и апробированных экспериментальных методов исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получены аналитические зависимости для расчёта основных конструктивных и технологических параметров однощелевой светоловушки.

2. Получены результаты комплексных исследований основных технических характеристик систем ФАС для различных конструкций светоловушек (однощелевая, трехщелевая, трехконфузорная).

3. Получены результаты комплексных исследований основных технических характеристик системы «ФЭП-АКБ-светоловушка однощелевая» в производственных условиях.

4. Дана технико-экономическая оценка использования разработанного ЭСЭП для проведения мониторинга численности и фазы развития насекомых-вредителей.

Практическая значимость работы и реализация её результатов.

1. Разработаны рекомендации по расчёту конструктивных параметров однощелевой светоловушки.

2. На основе теоретических и экспериментальных результатов разработана система «ФЭП–АКБ–светоловушка однощелевая».

3. Система «ФЭП–АКБ–светоловушка однощелевая» прошла испытания в садоводческих товариществах Тюменской и Челябинской областей.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе в Тюменской государственной сельскохозяйственной академии и Челябинской государственной агроинженерной академии.

Положения выносимые на защиту.

1. Полученные аналитические зависимости для расчёта основных конструктивных и технологических параметров однощелевой светоловушки позволяющие определить основные параметры системы ФАС.
2. Полученные результаты комплексных исследований основных технических характеристик систем ФАС для различных конструкций светоловушек (однощелевая, трехщелевая, трехконфузорная) позволяющие успешно осуществлять мониторинг численности и фазы развития насекомых-вредителей.
3. Полученные результаты комплексных исследований основных технических характеристик системы «ФЭП-АКБ-светоловушка однощелевая» в производственных условиях.

Личный вклад автора. Модели и методика, результаты теоретических и экспериментальных исследований, их анализ и интерпретаця, представленные в диссертации, получены автором лично.

Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на ежегодных научных конференциях ТГСХА (Тюмень, 2007 - 2010), ЧГАА (Челябинск, 2007-2010), ЮУрГУ (Челябинск, 2008 – 2010).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в семи научных статьях, две из которых в изданиях, рекомендуемых ВАК. Получены два патента РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы (из 163 наименований), 6 приложений и содержит 100 страниц основного текста, в том числе 49 рисунков и 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава «Состояние вопроса и задачи исследования» посвящена анализу состояния вопроса и постановке задач исследования.

На основе литературных данных сформулированы требования к энергосберегающим светодиодным электрооптическим преобразователям для мониторинга численности и видового состава насекомых-вредителей на полях сельхозугодий и в садах.

Многочисленные исследования (Блягоз А.М., Халилова Э.А., Шабаев Е.А., Щербаева Л.П., Щербаева Э.В. и др.) различных систем и методов борьбы с насекомыми-вредителями на полях сельхозугодий и в садах показали, что применение светодиодных электрооптических преобразователей для мониторинга численности и видового состава насекомых-вредителей дает положительные результаты.

Сравнительный анализ технических характеристик существующих светоловушек, используемых для борьбы с насекомыми-вредителями, показал, что наиболее полно требованиям РФ и Европы к установкам электрофизической борьбы с насекомыми-вредителями отвечают энергосберегающие светодиодные электрооптические преобразователи.

В связи с большим объёмом факторов, отвечающих за достоверность получаемых данных при мониторинге численности и видового состава насекомых-вредителей, перспективным аппаратом может стать энергосберегающий светодиодный электрооптический преобразователь.

На основании проведенного анализа сформулирована научная задача настоящей работы: теоретическое и экспериментальное обоснование технических условий на создание энергосберегающего светодиодного электрооптического преобразователя для мониторинга численности и видового состава насекомых-вредителей на полях сельхозугодий и в садах, отвечающего требованиям РФ и Европы.

Вторая глава «Теоретические аспекты расчёта основных конструктивных и технологических параметров ЭСЭП» посвящена методике расчёта основных конструктивных и технологических параметров светоловушки, а также методике расчета системы «ФЭП – АКБ – Светодиод».

К основным геометрическим параметрам светоловушки мы относим параметры, которые влияют на технологический эффект улавливания насекомых. Под технологическим эффектом мы понимаем эффективное улавливание всей гаммы насекомых, находящихся в зоне действия ЭСЭП. Расчет геометрических параметров рассмотрим на примере однощелевой светоловушки, общий вид которой представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Общий вид светового пучка, испускаемого однощелевой световой ловушкой

Световой пучок, испускаемый однощелевой светоловушкой в пространстве, его эффективная зона воздействия (пространственная зона в которой насекомые привлекаются аттрактантом) зависят от ряда геометрических параметров. Для определения этих параметров и их взаимосвязи рассмотрим однощелевую светоловушку более подробно. На рисунке 2 представлены проекции светоловушки (вид спереди, сверху и сбоку) и отдельно на рисунке 3 вид сверху и сбоку.

Анализ конструкции однощелевой светоловушки показал, что к основным ее геометрическим параметрам относятся высота d1, радиус r, угол между вертикальными стенками улавливающего жерла светоловушки. Выясним, от чего зависит видимость светодиодов в горизонтальной и вертикальной плоскостях, следовательно, объем эффективной зоны улавливания насекомых.

Рисунок 2 – Однощелевая светоловушка в трех геометрических проекциях с проекцией излучаемого ею светового пучка на вертикальную плоскость

Рисунок 3 – Вид сверху и вид сбоку светоловушки с обозначением геометрических параметров

Видимость светодиодов ловушки в горизонтальной плоскости определяется углом между вертикальными стенками улавливающего жерла светоловушек, который задается напрямую при конструировании светоловушек и не зависит от других геометрических параметров, таких, как радиус, высота ловушки, расстояние до нее. Видимость светодиодов в вертикальной плоскости d2 определяется углом . Чтобы определить, от каких геометрических параметров зависит d2, проведем ряд преобразований.

Зависимость границы светового пучка.

Рассмотрим ВСD, из которого определим зависимость d2 от угла и длины светового пучка L. Данная взаимосвязь имеет следующий вид:

(1)

Рассмотрим CFG, из которого определим зависимость d2 от угла и радиуса светоловушки r:

(2)

Приравняв правые части уравнений (1) и (2), получим:

(3)

Выразим из (3) d2:

(4)

Таким образом видимость светового потока светодиодов в вертикальной плоскости d2 имеет прямо пропорциональную зависимость от расстояния светоловушки до рассматриваемой плоскости L, высоты светоловушки d1 и обратно пропорциональную зависимость от радиуса самой светоловушки r. Для дальнейшего рассмотрения примем во внимание только геометрические параметры светоловушки – d1 и r.

Наибольшего охвата по вертикали можно добиться, либо увеличивая d1, либо уменьшая r. Существенно уменьшать радиус не имеет смысла, т. к. должен быть буферный объем внутри светоловушки для нахождения пойманых насекомых. Увеличить вертикальный охват можно увеличением высоты одной светоловушки либо расположением нескольких светоловушек одна над другой на одной оси. Последний вариант представляется более выгодным, т.к. размещенные на одной оси друг над другом однощелевые светоловушки можно повернуть на разные углы относительно оси, обеспечив также бльшую по сравению с одной светоловушкой зону горизонтального охвата.

Охвата зоны 360 в горизонтальной плоскости вокруг светоловушек можно добиться при конструкции из трех однощелевых светоловушек, расположенных на одной оси друг над другом, при угле =120 для каждой светоловушки. Вид данной конструкция представлен на рисунке 4.

1 – Светодиод; 2– Корпус светоловушки; 3 – Улавливающие жерла
Рисунок 4 – Вид конструкции из трех однощелевых светоловушек, расположенных на одной оси друг над другом, при угле =120 для каждой светоловушки.

Данная конструкция обеспечит как наибольший объем действия световых ловушек, так и более эффективное улавливание насекомых для проведения мониторинга численности насекомых-вредителей.

В системе ФАС каждый элемент выполняет определенную и заданную функцию. Первоисточником энергии для питания светодиодов является солнце. Энергия солнца с помощью ФЭП преобразуется в электрическую энергию, далее данная энергия накапливается в АКБ и питает светодиоды в ночной период времени, то есть когда работает светоловушка. Таким образом, в рассматриваемой системе светоловушка играет роль потребителя электрической энергии, аккумуляторная батарея – роль накопителя электрической энергии, а ФЭП используется в качестве преобразователя энергии солнечного излучения в электрическую энергию. Светоловушка для эффективного улавливания насекомых должна получать качественное электропитание, которое должна обеспечить подсистема ФЭП – АКБ. АКБ в свою очередь должна успеть накопить необходимую энергию в течение времени, ограниченного светлым периодом суток и возможной непогодой, и иметь при этом рациональное количество циклов «заряд-разряд» при эксплуатации. ФЭП должен обеспечить необходимый ток для полной зарядки аккумуляторной батареи. Следовательно, разрабатываемая методика расчета должна обеспечить согласованную работу всех элементов ФАС.

В третьей главе «Программа и методики экспериментальных исследований ЭСЭП» описываются программа и методика экспериментальных исследований.

Программа исследований включала в себя:

1. Исследования зависимостей Uзар=f(t) и Uфэп=f(t), зависимости напряжения на зажимах АКБ (CA-1270) при зарядке и напряжения на зажимах ФЭП 13 Вт (TPS-936А) без нагрузки от времени и зависимости напряжения на зажимах АКБ (CA-1270) при зарядке и напряжения на зажимах ФЭП 28 Вт (TPS-936М) без нагрузки от времени.
2. Исследования зависимостей E=f(t) и I=f(t), зависимости освещенности и тока зарядки, протекающего от ФЭП к АКБ (CA-1270), от времени.
3. Исследования зависимостей E=f(t) и P=f(t), зависимости освещенности и мощности, потребляемой АКБ (CA-1270) от ФЭП, от времени.
4. Исследования зависимости W=f(t), накопления энергии АКБ (CA-1270) в ходе зарядки от ФЭП.
5. Исследования зависимостей U=f(t) и I=f(t), зависимости напряжения на зажимах АКБ и потребляемого светоловушками тока от времени.
6. Исследования зависимости P=f(t), зависимости мощности, потребляемой светоловушками от аккумуляторной батареи, от времени.
7. Исследования зависимости W=f(t), энергии, потребленной светоловушками в течение эксперимента.
8. Определение эффективности улавливания насекомых-вредителей в зависимости от типа конструкции светоловушек.
   Наше исследование проходило в два этапа:

• экспериментальные исследования в лабораторных условиях;

• экспериментальные исследования в производственных условиях.

С целью проведения мониторинга динамики развития насекомых-вредителей (численность насекомых, вид и стадия развития) были разработаны светоловушки на основе светодиодов. Питание светоловушки в ночное время работы получают от аккумуляторной батареи (АКБ), которая заряжается в дневное время от фотоэлектрических преобразователей (ФЭП).

Для проведения комплексных исследований системы ФАС в полевых условиях была разработана экспериментальная установка для исследования работы системы «Электрооптический преобразователь – АКБ – ФЭП» был разработан экспериментальный стенд.