автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Параметры и режимы энергосберегающего электрооптического преобразователя для мониторинга насекомых - вредителей

На правах рукописи Суринский Дмитрий Олегович

ПАРАМЕТРЫ И РЕЖИМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО

ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ МОНИТОРИНГА НАСЕКОМЫХ - ВРЕДИТЕЛЕЙ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 АПР ДИЗ

Барнаул - 2013

005057739

005057739

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

Официальные оппоненты: Воробьев Николай Павлович

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползу-нова», кафедра «Электрификация производства и быта», профессор.

Бастрон Андрей Владимирович

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет», кафедра «Электроснабжение сельского хозяйства», заведующий кафедрой.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Курганская государственная сельскохозяйственная академия». -

Защита состоится 21 марта 2013 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.02 в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, г. Барнаул, проспект Ленина, 46.

http://www.altstu.ru; ntsc@desert.secna.ru; elnis@inbox.ru.

Тел./факс 8(3852) 36-71-29

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова

Автореферат разослан 19 февраля 2013 г.

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

/А

Куликова Лидия Васильевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из основных проблем защиты растений является снижение потерь урожая, которые связаны с жизнедеятельностью насекомых-вредителей. Сельское хозяйство ежегодно теряет до 40 % урожая от действия вредителей, болезней и сорняков.

Перспективным направлением решения проблемы является использование интегрированной защиты, представляющей совокупность рациональных приемов и истребительных средств, применяемых на основе информации о видах, численности популяций и соотношении вредных и полезных насекомых в массиве сельскохозяйственных угодий, фазе развития, сроках вредоносности насекомых и т.п. Эффективность интегрированной защиты во многом определяется качеством мониторинга насекомых-вредителей, проведение которого целесообразно с использованием источников света с длиной волны в диапазоне 350-370 нм.

В настоящее время существуют различные конструкции светоловушек, ориентированных на уничтожение насекомых. Такие устройства не могут использоваться для проведения мониторинга по ряду причин, в частности, из-за возможности потери информации о видах и формах развития насекомых в процессе их уничтожения.

В настоящее время создались предпосылки создания энергосберегающих устройств для мониторинга насекомых-вредителей в связи с появлением на отечественном рынке новых источников света - светодиодов, обладающих низкой потребляемой мощностью, высокой световой отдачей, большим сроком службы и рядом других преимуществ.

Целью работы является обоснование принципов создания энергосберегающих электрооптических преобразователей (ЭЭП) для мониторинга насекомых-вредителей, обеспечивающего повышение эффективности защиты растений.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

ЭЭП " ра3раб°ТКа методики расчета конструктивных параметров светоловушек

- разработка вариантов технических решений при создании ЭЭП;

- обоснование элементной базы и комплектации функциональных блоков

ЭЭП;

- выбор рациональных режимов накопления энергии, получаемой от фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) и электропотребления в ночной период и обоснование требований к условиям взаимодействия функциональных блоков ЭЭП;

- экспериментальная проверка ЭЭП различных конструкций и выбор перспективных вариантов;

защиты растени1^еетИВН0СТИ монитоРинга в качестве составляющей системы

исслеД°вания. Энергосберегающие элекгрооптические преобразователи в системе защиты растений от насекомых-вредителей Р

Предмет исследования. Обоснование параметров и режимов ЭЭП для проведения мониторинга насекомых-вредителей

Методы исследования. Теоретические основы электротехники светотехника, математическое и физическое моделирование.

Научную новизну представляют:

мых :пГЦеПЦИЯ ВКЛЮЧения в системУ защиты растений мониторинга насеко-вателей °СН°Ве энеРгосбеРегаюЩих электрооптических преобразо-

„' аЛГ°рИ™ выб°Ра конструктивных параметров световых ловушек, функционально предназначенных для проведения мониторинга вида, числа Еы развития насекомых; ' фазы

„„„,„" м„етоДИка определения рациональных режимов накопления энергии получаемой от фотоэлектрических преобразователей и элекхропотребления электрооптических преобразователей, учитывающая возможней современных источников питания и элементной базы. ременных ис

Практическую ценность работы представляют:

- метод повышения эффективности защиты растений за счет мониторинга оТаз™™6"™ °СН0Ве ЭНеРГ°СбеРе— элекгрооптичЗхТр"

- методика расчета конструктивных и технологических параметров ЭЭП--технические решения перспективных вариантов реализации ЭЭП Работа выполнена в соответствии с общероссийской федеральной программой «Энергоэффективная экономика»: раздел «ЭнергоэффСсгивность в сельском хозяйстве» (постановление Правительства РФ от 17 ноября 200^ 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 продовольствиТ на 2008 2012 годы», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 14 июля 2007 г. № 446. де

Реализация и внедрение результатов работы:

- разработанные конструкции ЭЭП прошли всесторонние испытания в садоводческих товариществах Тюменской и Челябинской областей и внедрены в садоводческом товариществе «Зауралец» Тюменской области- ВНедРены " резул^таты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе в курсе лекций по дисциплине «СветотехниТи

демЗчеНпТИИ>>-В ТюМеНСК0Й государственной сельскохозяйственной академии и Челябинской государственной агроинженерной академии

ГГ1_ Апр?бация Работы- Результаты теоретических и экспериментальных исследовании докладывались, обсуждались и получили одобрение на ежегодных

научно - технических конференциях Тюменской государственной сельскохозяйственной академии (Тюмень, 2007 - 2011 гг.), Челябинской государственной агроинженерной академии (Челябинск, 2007-2011 гг.), Южно-Уральского государственного университета (Челябинск, 2008 - 2011гг.).

На защиту выносятся следующие основные положения.

^ 1. Перспективным направлением повышения эффективности защиты растений является создание системы мониторинга насекомых-вредителей на основе энергосберегающих электрооптических преобразователей.

2. Использование светодиодов позволяет создавать принципиально новые устройства, соответствующие требованиям к автономным электрооптическим преобразователям для проведения мониторинга и не уступающие по аттрактивным характеристикам известным аналогам.

3. Разработанная методика выбора основных конструктивных параметров светоловушек позволяет рассчитать объем пространства распространения светового потока и определить условия обеспечения наибольшей зоны его видимости в горизонтальной и вертикальной плоскостях для эффективного улавливания насекомых при проведении мониторинга.

4. Для определения режимов работы ЭЭП может быть использована методика, предусматривающая организацию согласованного взаимодействия фотоэлектрического преобразователя, аккумуляторной батареи и блока светодиодов.

•5. Перспективным вариантом конструкции ЭЭП является система из трех однощелевых светоловушек расположенных на одной оси друг над другом и ориентированных одна относительно другой на угол 120° для контроля зоны в 360° в горизонтальной плоскости.

Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 9 печатных работ, в том числе: 4 - в изданиях по перечню ВАК, 2 патента РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 7 таблиц, 10 приложений. Список литературы включает 164 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены сведения об апробации основных результатов работы, изложены основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ методов защиты растений от насекомых-вредителей и обоснованы цель и задачи исследования.

__ Сельское хозяйство ежегодно теряет до 40 % урожая от действия вредителей, болезней и сорняков. Наиболее известными вредителями сельского хо-

зяйства являются: колорадский жук, майский жук, клоп-черепашка стадные ~хГГВЫХ' КаПУСТНЭЯ бСЛЯНКа ^тница), хлопковая мо'ль,Тн"

градная тля-филлоксера и многие другие.

В системе защиты растений от вредителей различают (рисунок 1) четыре основных группы методов: агротехнические, механические биологичесГе и ™ЛсеноВаПОСЛеДНИе ГОДЫ Р-Рабатываются эле™изич^

энергии °СН0ВаННЫе Н3 и™овании различных видов электромагнитной

Методыборьбыс насекомыш

Рисунок 1 - Классификация методов борьбы с насекомыми-вредителями

Из'за РяДа недостатков, присущих каждой из рассмотренных групп целесообразно использование определенных сочетаний различных Шя этого применяется интегрированная защита, представляющая собой со окуп-ност» рациональных приемов и средств, учитывающих природные регулирую:: е^ГРГЛДЫ И УД0ВЛеТЕ°РЯЮЩИе -ономическим и экологичен ограничениям. При этом оценивается порог вредности, определяемый значением минимальном численности популяции вредителей, при Еоторой закаты на за" щиту окупаются доходом от сохраненного урожая

с Локированная 3аЩИта позволяет регулировать численность вредителей

истребительнызГсоелсН0СТИ " ПрВД™ет специальную тазику пр'им™ истребительных средств, основанную на получении информации о численности

популяции, как вредных, так и полезных насекомых в Массиве ^льскох™ венных угодии, численном соотношении вредных и полезных насекомых сроках вредоносности насекомых и т.п. ' сро

т«™ ПРИ Т™ таК°Й ИИф°Рмации М0ГУТ быть приняты обоснованные решения о необходимости тех или иных защитных мероприятий и спланированы

сроки их проведения. При этом выбираются селективные методы, действующие только на насекомых, находящихся во вредоносной фазе- За счет этого обеспечивается максимальное сохранение и усиление естественных механизмов регуляции численности насекомых.

Эффективность интегрированной защиты во многом определяется качеством мониторинга насекомых-вредителей, проведение которого весьма перспективно с использованием источников света с длиной волны 350-370 нм.

Существующие в настоящее время светоловушки (рисунок 2) не предназначены для проведения мониторинга численности и фазы развития насекомых с целью исследования, а также определения сроков и методов их уничтожения.

Рисунок 2 - Классификация световых ловушек

К их недостаткам, с точки зрения возможности использования для мониторинга, можно отнести: потерю информации о видах и формах развития насекомых в процессе их уничтожения; ориентирование на сетевое питание, ограничивающее возможности применения в условиях обширных сельскохозяйственных площадей; высокую потребляемую мощность источников света, исключающую автономное использование; зависимость от влияния атмосферных явлений, приводящую к необходимости круглосуточного контроля; ограниченный срок службы, обусловленный возможностями применяемых источников света (как правило, люминесцентных ламп).

В настоящее время создались предпосылки создания автономных устройств для мониторинга в связи с появлением на отечественном рынке новых источников света - светодиодов, основными преимуществами которых являют-

ся: низкая потребляемая мощность; высокая световая отдача;. большой срок службы; высокая механическая прочность, надежность и безопасность

Небольшая мощность светодиодов открывает перспективы использования маломощных источников питания, в качестве которых могут применяться фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Автономное питание светоловушек обеспечивает их мобильность.

Возможность создания энергосберегающих электрооптических преобразователей на основе светодиодов позволяет повысить эффективность интегрированной селективной защиты растений за счет реализации качественного мониторинга насекомых - вредителей и диагностики состояния популяций насекомых в сельском хозяйстве.

На основании изложенного обоснованы цель и задачи исследования Во второи главе представлены методика расчета основных конструктивных параметров и альтернативные варианты разработанных технических решении светоловушек для мониторинга.

Методика расчета рассмотрена на примере однощелевой светоловушки К основным ее геометрическим параметрам относятся высота (1, радиус 1% угол а между вертикальными стенками улавливающего жерла (рисунок 3) От них зависит технологический эффект, характеризуемый степенью улавливания всей гаммы насекомых, находящихся в зоне действия ЭЭП

Рисунок 3 - Вид сверху и сбоку однощелевой светоловушки

Видимость светодиодов в горизонтальной плоскости зависит от угла а который задается при конструировании светоловушки.

Видимость светодиодов в вертикальной плоскости зависит от угла 13 Взаимосвязь между геометрическими параметрами светоловушки определяется выражениями: *

2 ~ Ь

О)

2 г/2 г

2

Г

(3)

Видимость светового потока светодиодов в вертикальной плоскости, определяемая параметром (12, имеет прямо пропорциональную зависимость от расстояния от светоловушки до рассматриваемой плоскости Ь, высоты светоловушки с1, и обратно пропорциональную зависимость от радиуса самой светоловушки г.

Наибольшей величины зоны видимости по вертикали можно добиться, увеличивая с1ь либо уменьшая г. Существенно уменьшать радиус не рационально, так как необходим буферный объем внутри светоловушки для пойманных насекомых. Увеличить зону видимости по вертикали можно путем увеличением высоты одной светоловушки, либо расположением нескольких светоловушек одна над другой на одной оси с разворотом на разные углы.

Объем пространства распространения светового потока V (рисунок 4) складывается из объемов: параллелепипеда аЬсск'Ь'сГс', четырех треугольных призм: аЬа'Ь'В'А', ЬсЬ'сТЕ, с<1с'<ГВ'С' и ааА'ВТ'Е'; а также четырех пирамид: АА'а'Е'а, Ь'В'ВЕЬ, сТССс и сГО'ОБМ.

О

а

а

в

в

Рисунок 4 - Объем пространства распространения светового потока

После определения соответствующих объемов и их суммирования получено следующее выражение для расчета объема пространства распространения светового потока: '

У=(4/3) Ь 1«(и/2) ^(р/2) ■ (З г2 +6 г Ь + Ь2), (4)

где ъ - расстояние от источника света до плоскости жерла.

Выражение (4) позволяет в соответствии с требованиями к световому потоку выбирать основные конструктивные параметры светоловушки для эффективного улавливания насекомых при проведении мониторинга.

На основе рассмотренной методики разработаны альтернативные варианты конструкций светоловушек, в том числе: трехконфузорная, трехщелевая и однощелевая (рисунки 5-7).

Рисунок 5- Конструкция трехконфузорной светоловушки

Рисунок 6- Конструкция трехщелевой светоловушки

Рисунок 7- Конструкция однощелевой светоловушки

Перспективный вариант конструкции светоловушки определяется по результатам экспериментальной проверки эффективности ЭЭП.

Третья глава посвящена вопросам исследования характеристик и режимов взаимодействия функциональных блоков энергосберегающего электрооптического преобразователя. р

Основными функциональными блоками ЭЭП являются-'

- блок светодиодов (С), используемых в качестве энергоэффективного оптического атграктанта;

- источник питания - аккумуляторная батарея (АКБ) для обеспечения работы светодиодов; р

- фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) для поддержания источника времени В раб°Т0СП0С0бн0м сос™™ия в любое время суток в течение заданного

Совокупность этих блоков, связанных определенным режимом работы образует систему ФАС. В системе ФАС каждый элемент выполняет заданную функцию. Первоисточником энергии для этой системы является солнце Энергия солнца с помощью ФЭП преобразуется в электрическую энергию далее энергия накапливается в АКБ и питает светодиоды в ночной период времени когда работает светоловушка. '

чад „^ЧИТЫВая' что летающие насекомые реагируют на свет с длиной волны кг ™ Г' /ЛЯ °СНащения «»етоловушек использованы светодиоды типа КЬТ350-30, объединенные в группы из 8, 16 и 32 шт. В соответствии с требованиями к условиям питания светодиодов выбраны АКБ типа СА-1270 емкостью 7 А ч. Фотоэлектрические преобразователи типа ТР8-936А номинальной мощностью 13Вт и типа ТР8-936М номинальной мощностью 28 Вт выбраны с у-е-

том условий заряда АКБ и показателей солнечной радиации на широте эксплуатации ЭЭП.

В качестве основного условия независимого функционирования ЭЭП рассматривается непрерывная работа в течение 24 часов, что соответствует трем ночам работы без заряда АКБ в дневное время (такая ситуация возможна при продолжительной облачной погоде). При этом в дневное время предусмотрено отключение светодиодов с помощью фотореле.

Целью исследований системы ФАС явилось обоснование комплектации и основных характеристик функциональных блоков ЭЭП, анализ режимов заряда и разряда АКБ при различных условиях освещенности для обеспечения независимой работы ЭЭП в течение трех ночных циклов.

Программа исследований предусматривала экспериментальное получение следующих зависимостей:

- напряжения на зажимах АКБ при заряде и напряжения на зажимах ФЭП мощностью 13 Вт и ФЭП мощностью 28 Вт от времени без нагрузки АКБ;

- тока заряда АКБ от времени при изменении освещенности поверхности

ФЭП;

- мощности, потребляемой АКБ от ФЭП, от времени при изменении освещенности поверхности ФЭП;

- накопления энергии АКБ в процессе заряда от ФЭП;

- напряжения на зажимах АКБ и потребляемого светодиодами тока от времени;

- изменения мощности АКБ и энергии, потребляемой светодиодами в течение рабочего цикла.

Для проведения исследований разработана экспериментальная установка (рисунок 8), в состав которой вошли три светоловушки: трехконфузорная, трехщелевая и однощелевая, с 32 светодиодами каждая. В процессе эксперимента светоловушки включались на параллельную работу.

га V

а>

X га

—в -Узар, В

20 (10 60 80 - ифэл, 8 вРвмя зарядки -1, мин

Рисунок 9 - Зависимость напряжения на зажимах АКБ при заряде и напряжения на зажимах ФЭП мощностью 13 Вт от времени при отсутствии

нагрузки

900

600

£ 500

0

§400

1 0)

5300 ®

ш

«200

100 о

800 80С СЬ—"НО— I " ' 1 800 , _ 800

800^ .................-..................£

.......... 1,28 - А

——^¿22 | 7 1,2'

\ / /

0,75 •ж— • - \ • / / 0,8ж

0,74^

| \\о,зУ /

...... г'

20

—а • е, лк

40 60 80

Время зарядки мин

1,9

1,7 ^ <

1,з 7

5

1Д I

а.

0,9 «

0,7 о Н

0,5 0,3 ОД

100 120 •Ж • I, тА (ФЭП ТР5-936А, 13 Вт)

Рисунок 10 - Зависимости тока заряда АКБ от времени при изменении освещенности поверхности ФЭП мощностью 28 Вт (голубой цвет) и ФЭП

мощностью 13 Вт.

50,00 г 45,00 1 40,00 ' 35,00 I 30,00 \ 25,00 > 20,00 ! 15,00 \ 10,00 : 5,00

о,оо

Накопление энергии АКБ в ходе зарядки

27,18

21,95^-"'

.................

--- 11,70-................ 13,20 .16,54

.....-д-.:—

2.35 --

0-15 15-45 45-75

- «5»~ \Л/, Бт-ч (от ФЭП ТР5-936А, 13 Вт)"3"

75-90 90-120

V, Вт-ч (от ФЭП ТР5-93бМ, 28 8т)

Рисунок 11 - Накопление энергии АКБ в процессе заряда от ФЭП

Вт-ч

45,00

40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00

4 2,05 -■Л

А" -Д' 1 2

- 27,4 1 1 /V ' зб,: 8

25,7 ... Л' Ё.Д- зо,; 4

17 6 Ж )

12,5 9 „•А" л 19,8 9

9,79 Ж 15,2 4

3,54 -¿X --

¿1 6,31

Я Я -Л" # .??

^ ^ ^ ^

(V / V1 Лу1' "V

- ^ ^ ^ ^ вовремя работы светоловушек мий

Рисунок 12 - Изменение энергия, потребляемой светодиодами, в течение рабочего цикла На основании данных о значениях солнечной радиации на широте Тюмени (55,7°) при проведении экспериментов фотоэлектрические преобразователи располагались под углом 40° к вертикальной оси и ориентировались на юг для обеспечения максимальной суммарной энергии.

Некоторые результаты экспериментов приведены на рисунках 9 - 12. В результате проведенных исследований режимов накопления энергии, получаемой от фотоэлектрических преобразователей при различных условиях освещенности и рабочего режима ЭЭП определены требования к комплектации,

сЗНОбМосГ,СГеРИСТИКаМ ФунКциона™ блоков и условиям их взаимодействия. Обоснована возможность независимой работы ЭЭП с тремя светоловуш

ками, оснащенными 32 светодиодами каждая, в течение трех сутГк с одной

АКБ емкостью 7 А-ч и фотоэлектрическим преобразователем мощностью °3

сбепегаюшГТ/ ' ЛИВе ПрИВедены Результаты натурных испытаний энерго-

Пре°бр— И —-экономическая

шшшшш

1 - трехконфузорная светоловушка; 2 - трехщелевая светоловушка-3 - однощелевая светоловушка; 4 - ФЭП; 5 - люксметр

Рисунок 13 - Общий вид экспериментальной

установки

веп» Челябинг!!п 2 катись в садоводческих товариществах «Вавило-Челябинской области и «Заурштец» Тюменского района Тюменской об ласти в период с мая по сентябрь 2011 г. (рисунок 13) Р Энской об-

тШЯш&

Рисунок 14 - Трехконфузорная светоловушка после опыта

по улавливанию насекомых

\ . Щ ■ ■■■■Шжй.

•

Щ ШШш - 1 > 1 в^Р 1

• ? ^ - , , > ^

ш Й-?!-

Рисунок 15 - Картридж трехщелевой светоловушки после опыта по улавливанию насекомых

' < . Л

Рисунок 16 - Однощелевая светоловушка после опыта по улавливанию насекомых

Наиболее эффективной в улавливании насекомых оказалась однощелевая светоловушка. В отличие от трехконфузорной и трехщелевой она исключает сквозной пролет насекомых и их выдувание воздушными потоками. Число насекомых, уловленных в процессе 10 опытов (в период с 20.06.2011 г. по 08.08.2011 г.) трехконфузорной, трехщелевой и однощелевой светоловушками составило соответственно: 27,8 %, 32,5 % и 39,7 % от общего числа пойманных насекомых (рисунки 14-16).

Одним из преимуществ однощелевой светоловушки является особенность расположения насекомых на внутренних липких картриджах. Из-за освещения угловых зон ловушки светодиодами насекомые не скапливаются вокруг них и не затеняют световой поток, а плотнее собираются в крайних зонах. При этом обеспечивается лучшее проникновение залетевших насекомых вглубь ловушки.

Наилучшие показатели улавливания насекомых однощелевой светоло-вушкои достигаются при включении 32 светодиодов: 40 % от общего чи^ла пойманных насекомых. Для светоловушки с 8 и 16 светодиодами число пой! манных насекомых составило 30 % в каждом случае.

Таким образом, экспериментально подтверждена перспективность ис-

ко™ТоныТзбГеВОЙ СВСТ0Л0ВУШКИ С 32 —Диодам,, При этом контроль зоны в 360 в горизонтальной плоскости обеспечивается системой из

трех однощелевых светоловушек, расположенных на одной оси друг над другом и ориентированных одна относительно другой на угол 120°

Механизм использования ЭЭП в системе защиты растений от насекомых-вредителей заключается в следующем.

В настоящее время защитные мероприятия начинают применяться после ощутимои потери урожая. Проводимый мониторинг позволяет определив начало опасной фазы развития насекомых-вредителей. Полученая информаци используется агрономом или лицом, ответственным за проведение защитных мероприятий в хозяйстве, для своевременного принятия решения о пГм™

быИсГ?еТ"0Г0 ИтаИб0Лее метода (или группы метад») борь-

бы с вредителями. Тем самым существенно снижаются потери урожая

птрпЭКОНОМИЧеСКИЙ Э(М,ект от использования ЭЭП обусловлен снижением Г/Р0ЖаЯ За СЧеТ ПР°ведения мониторинга, позволяющего своевременно

применять целенаправленные защитные мероприятия

антя йУГВИ°"Г0Д0ВаЯ ЭК0Н0МИЯ определяется путем сравнения базового вари- • анта, в котором мероприятия по борьбе с насекомыми-вредителями проводятся ^мониторинга и в проектируемом варианте, учитывающем испГзова„ие

нове ЭЭТГ" ДИСК0НТИРГННЫЙ Д0Х°Д °Т использовання мониторинга на основе ЭЭП в расчете на 60 га сельскохозяйственных угодий для выращивания

пшеницы составляет 3307967 рублей. При этом дополнительные з акупаются в течение одного сельскохозяйственного сезона. -

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

™ ЭФФеКТИВН°СТЬ 3аЩИТЫ Р^ний в сельскохозяйственном производстве повышается за счет мониторинга насекомых-вредителей на основе энерго-

ме„Р„о ЩИХ ЭЛСетр°0ПТИЧеСКИХ преобразователей, позволяющего своевременно применять целенаправленные защитные мероприятия

пован,2;н?ЩеСТВУЮЩИе К0НСТруКЦИИ светоловушек функционально ориенти-Е"УНИЧТ0ЖеНИе НаСеК0МЫХ и не применяться для мониторинга Использование светодиодов позволяет создавать принципиально новые устрой ства, не уступающие по аттрактивными характеристикам известным аналогам ппН , Разработанная методика выбора основных конструктивных параметров светоловушек позволяет рассчитать объем пространства распространения

светового потока и определить условия обеспечения наибольшей зоны его видимости в горизонтальной и вертикальной плоскостях для эффективного улавливания насекомых при проведении мониторинга.

5. В качестве альтернативных вариантов технических решений светоло-вушек, разработанных с учетом предложенной методики, могут рассматриваться однощелевая, трехщелевая и трехконфузорная конструкции.

6. Независимая работа ЭЭП в течение заданного времени может быть обеспечена за счет обоснования его комплектации и условий взаимодействия основных функциональных блоков по результатам исследований с помощью экспериментальной установки, оснащенной разработанными конструкциями светоловушек и измерительной аппаратурой.

7. В результате экспериментальных исследований обоснована возможность независимой работы в течение трех суток ЭЭП с тремя светоловушками, оснащенными 32 светодиодами каждая, с одной АКБ емкостью 7 А-ч и фотоэлектрическим преобразователем мощностью 13 Вт. При этом для достижения максимального значения суммарной энергии должны учитываться данные о значениях солнечной радиации. В частности, на широте Тюмени (55,7°) поверхность ФЭП должна располагаться под углом 40° к вертикальной оси и ориентирована на юг.

8. Проведенными натурными исследованиями экспериментально подтверждена перспективность использования однощелевой светоловушки с 32 светодиодами. -При этом контроль зоны в 360° в горизонтальной плоскости обеспечивается системой из трех однощелевых светоловушек, расположенных на одной оси друг над другом и ориентированных одна относительно другой на угол 120°.

9. Чистый дисконтированный доход от использования мониторинга на основе ЭЭП в расчете на 60 га сельскохозяйственных угодий для выращивания пшеницы составляет 3307967 рублей, а дополнительные затраты окупаются в течение одного сельскохозяйственного сезона.

Список основных публикаций по теме диссертационной работы

В изданиях по перечню ВАК

1. Возмилов, А.Г. Светоловушки для проведения мониторинга численности и фазы развития насекомых-вредителей/ А.Г. Возмилов, А.Ю. Дюря-гин, Д.О. Суринский // Достижения науки и техники в АПК. - 2011. - № 7 - с 76-78.

2. . Возмилов, А.Г. Методика расчета основных геометрических параметров однощелевой светоловушки/ А.Г. Возмилов, А.Ю. Дюрягин, Д.О. Суринский // Достижения науки и техники в АПК. - 2011. - № 4. - с. 77-78.

3. Суринский, Д.О. Методика расчета основных геометрических параметров светоловушки/Д.О. Суринский, А.Г. Возмилов, Ю.Н. Варфоломеев// Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - 2012. -№11.4. Суринский, Д.О. Обоснование применения электрофизического метода для мониторинга численности и фазы развития насекомых-вредителей овощных культур/ Д. О. Суринский, А.Г. Возмилов, П.М. Михайлов, ЮН Варфоломеев// Вестник КрасГАУ. - 2013. - №1. - с. 126-129

В других изданиях

5. Возмилов, А.Г.Электрофизические методы борьбы с вредителями в АПК/ А.Г. Возмилов, Д.О. Суринский, Михайлов П.М, // Сборник трудов международной научно-практической конференции «Проблемы инновационного и конкурентоспособного развития агроинженерной науки на современном этапе» // Челябинск - 2008. - с. 37-39

6. Возмилов, А.Г. Применение электрофизических методов борьбы для мониторинга насекомых-вредителей в АПК/ А.Г. Возмилов, Д.О. Суринский, П.М. Михайлов, A.B. Козлов // Сборник трудов международной научно практической конференции «Проблемы инновационного и конкурентоспособного развития агроинженерной науки на современном этапе» // Челябинск -2009.-с. 35-37 .

7. Возмилов, А.Г. Результаты исследований системы «фотоэлектрический преобразователь-аккумулятор-светоловушка»/ А.Г. Возмилов, Д.О. Суринский, A.B. Козлов // Сборник трудов международной научно практической конференции «Проблемы инновационного и конкурентноспособного развития агроинженерной науки на современном этапе» // Челябинск - 2010. - с. 37-39

8. Пат. 85799 Российская федерация, МПК А01М. Световая ловушка для насекомых./ Суринский Д.О. и др. - заявл. 27.04.2009; опубл. 20.08.2009.

9. Пат. 97245 Российская федерация, МПК А01М. Световая ловушка для насекомых./ Суринский Д.О. и др. - заявл. 11.01.2009; опубл. 10.09.2010.

Подписано в печать 13 февраля 2013 г. Формат 60x84/16. Гарнитура Times New Roman Объем 1,0. уч.-изд.л Тираж 100 экз. Заказ №473.

ФГБОУ ВПО «Тюменская государственная сельскохозяйственная академия»

Суринский Дмитрий Олегович

ПАРАМЕТРЫ И РЕЖИМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ МОНИТОРИНГА НАСЕКОМЫХ - ВРЕДИТЕЛЕЙ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в

сельском хозяйстве

На правах рукописи

04201355113

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -Заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор А. Г. Возмилов

Тюмень - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................... 5

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ РАСТЕНИЙ ОТ НАСЕКОМЫХ-ВРЕДИТЕЛЕЙ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ............ 10

1.1 Анализ методов защиты растений от

насекомых - вредителей............................................................................................................................................................10

1.1.1 Агротехнические методы........................................................................................................................12

1.1.2 Биологические методы..................................................................................................................................12

1.1.3 Химические методы..........................................................................................................................................14

1.1.4 Физико - механические методы....................................................................................................16

1.1.5 Электрофизические методы..................................................................................................................16

1.2 Интегрированная защита растений

от насекомых-вредителей......................................................................................................................................................17

1.3 Конструктивная реализация электрооптических преобразователей для защиты растений

от насекомых-вредителей......................................................................................................................................................18

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАСЧЕТА КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ СВЕТОЛОВУШЕК................................................................. 28

2.1 Основы расчета конструктивных параметров светоловушек......... 28

2.1.1 Основные геометрические параметры и их влияние

на величину зоны видимости светового потока......................... 28

2.1.2 Расчет объема пространства распространения светового потока............................................................................. 32

2.2 Конструктивные решения альтернативных вариантов светоловушек........................................................................ 42

ВЫВОДЫ...................................................................................................... 44

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ............................................................ 45

3.1 Элементная база функциональных блоков энергосберегающего электрооптического преобразователя

и основные требования к их взаимодействию................................ 45

3.2 Программа и экспериментальная установка для проведения исследований системы ФАС........................................................ 52

3.3 Обоснование условий независимой работы ЭЭП

по результатам экспериментальных исследований режимов функциональных блоков.......................................................... 55

3.3.1 Исследование режимов заряда АКБ................................. 55

3.3.2 Исследование рабочего режима энергосберегающего электрооптического преобразователя...................................... 61

ВЫВОДЫ............................................................................. 63

ГЛАВА 4 НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ............. 65

4.1 Экспериментальная оценка энергосберегающих электрооптических преобразователей и их использование

в системе защиты растений от насекомых вредителей..................... 65

4.2 Расчет экономической эффективности использования энергосберегающих электрооптических преобразователей

для мониторинга насекомых-вредителей...................................... 72

ВЫВОДЫ..................................................................................................... 75

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................... „

/о

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ............ __

/о

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................. 79

Приложение А. Варианты конструкций светоловушек..................... 95

Приложение Б. Устройство однощелевой светоловушки.................. 103

Приложение В. Расчет параметров аккумуляторной батареи

для питания ЭЭП..................................................................... 105

Приложение Г. Результаты исследования процесса заряда АКБ........... 108

Приложение Д. Расчет параметров фотоэлектрического преобразователя....................................................................................... 112

Приложение Е. Основные характеристики светодиодов типа RLT3 50-30....................................................

Приложение Ж. Результаты расчета показателей экономической эффективности ЭЭП................................................................. 118

Приложение 3. Справка об использовании материалов научных исследований в учебном процессе................................................. 123

Приложение И.Акт внедрения результатов научно-исследовательской работы.................................................................................. 124

Приложение К. Копии титульных листов патентов РФ..................... 125

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных проблем защиты растений является снижение потерь урожая, которые связаны с жизнедеятельностью насекомых-вредителей. Сельское хозяйство ежегодно теряет до 40 % урожая от действия вредителей, болезней и сорняков [50]. Актуальность этой проблемы подтверждается многочисленными исследованиями, посвященными вопросам борьбы с насекомыми-вредителями [142] и направленными на повышение эффективности различных методов и способов.

В системе защиты растений от вредителей различают четыре основных группы методов: агротехнические, механические, биологические и химические [147]. В последние годы активно разрабатываются методы на основе использования различных видов электромагнитной энергии, называемые электрофизическими [150].

Из-за ряда недостатков, присущих каждой из рассмотренных групп методов защиты растений, целесообразно использование определенных сочетаний различных методов. Для этого применяется интегрированная защита, представляющая собой совокупность рациональных приемов и средств, учитывающих природные регулирующие факторы среды и удовлетворяющие экономическим и экологическим ограничениям. При этом оценивается порог вредности, определяемый значением минимальной численности популяции вредителей, при которой затраты на защиту окупаются доходом от сохраненного урожая [149].

Интегрированная защита позволяет регулировать численность вредителей с учетом порога вредности и предполагает специальную тактику применения истребительных средств, основанную на получении информации о численности популяций, как вредных, так и полезных насекомых в массиве с.х. угодий, численном соотношении вредных и полезных насекомых, сроках вредоносности насекомых и т.п. При наличии такой информации могут быть приняты обоснованные решения о необходимости тех или иных защитных мероприятий и спланированы сроки их проведения. При этом выбираются селективные методы, действующие только на насекомых, находящихся во вредоносной фазе- За счет этого обеспечи-

вается максимальное сохранение и усиление естественных механизмов регуляции численности насекомых.

Эффективность интегрированной защиты во многом определяется качеством мониторинга насекомых-вредителей, проведение которого весьма перспективно с использованием источников света с длиной волны в диапазоне 350-370 нм.

В настоящее время существуют различные конструкции светоловушек, ориентированных на уничтожение насекомых и не предназначенных для проведения мониторинга численности и фазы развития насекомых с целью исследования, а также определения сроков и методов их уничтожения. Они имеют ряд недостатков с точки зрения возможности использования для мониторинга. В частности, в процессе уничтожения насекомых может быть потеряна информации о видах и формах их развития.

В настоящее время создались предпосылки создания энергосберегающих устройств для мониторинга численности и фазы развития насекомых-вредителей в связи с появлением на отечественном рынке новых источников света - свето-диодов, обладающих низкой потребляемой мощностью, высокой световой отдачей, большим сроком службы и рядом других преимуществ.

Возможность создания энергосберегающих электрооптических преобразователей (ЭЭП) на основе светодиодов позволяет повысить эффективность интегрированной селективной защиты растений за счет реализации качественного мониторинга насекомых - вредителей и диагностики состояния популяций насекомых в сельском хозяйстве.

Целью данной работы является обоснование принципов создания энергосберегающих электрооптических преобразователей (ЭЭП) для мониторинга насекомых-вредителей, обеспечивающего повышение эффективности защиты растений.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- разработка методики расчета конструктивных параметров светоловушек

ЭЭП;

- разработка вариантов технических решений при создании ЭЭП;

- обоснование элементной базы и комплектации функциональных блоков

ЭЭП;

- выбор рациональных режимов накопления энергии, получаемой от фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) и электропотребления в ночной период и обоснование требований к условиям взаимодействия функциональных блоков ЭЭП;

- экспериментальная проверка ЭЭП различных конструкций и выбор перспективных вариантов;

- оценка эффективности мониторинга в качестве составляющей системы защиты растений.

Объект исследования. Энергосберегающие электрооптические преобразователи в системе защиты растений от насекомых-вредителей.

Предмет исследования. Обоснование параметров и режимов ЭЭП для проведения мониторинга насекомых-вредителей.

Методы исследования. Теоретические основы электротехники, светотехника, математическое и физическое моделирование.

Научную новизну представляют:

- концепция включения в систему защиты растений мониторинга насекомых-вредителей на основе энергосберегающих электрооптических преобразователей;

- алгоритм выбора конструктивных параметров световых ловушек, функционально предназначенных для проведения мониторинга вида, числа и фазы развития насекомых;

- методика определения рациональных режимов накопления энергии, получаемой от фотоэлектрических преобразователей и электропотребления электрооп-

тических преобразователей, учитывающая возможности современных источников питания и элементной базы.

Практическую ценность работы представляют:

- метод повышения эффективности защиты растений за счет мониторинга насекомых-вредителей на основе энергосберегающих электрооптических преобразователей;

- методика расчета конструктивных и технологических параметров ЭЭП;

- технические решения перспективных вариантов реализации ЭЭП.

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.

Реализация и внедрение результатов работы:

- разработанные конструкции ЭЭП прошли всесторонние испытания в садоводческих товариществах Тюменской и Челябинской областей и внедрены в садоводческом товариществе «Зауралец» Тюменской области;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе в курсе лекций по дисциплине «Светотехника и электротехнологии» в Тюменской государственной сельскохозяйственной академии и Челябинской государственной агроинженерной академии.

Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на ежегодных научно - технических конференциях Тюменской государственной сельскохозяйственной академии (Тюмень, 2007 - 2011 гг.), Челябинской государственной аг-

роинженерной академии (Челябинск, 2007-2011 гг.), Южно-Уральского государственного университета (Челябинск, 2008 - 2011гг.).

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Перспективным направлением повышения эффективности защиты растений является создание системы мониторинга насекомых-вредителей на основе энергосберегающих электрооптических преобразователей.

2. Использование светодиодов позволяет создавать принципиально новые устройства, соответствующие требованиям к автономным электрооптическим преобразователям для проведения мониторинга и не уступающие по аттрактивным характеристикам известным аналогам.

3. Разработанная методика выбора основных конструктивных параметров светоловушек позволяет рассчитать объем пространства распространения светового потока и определить условия обеспечения наибольшей зоны его видимости в горизонтальной и вертикальной плоскостях для эффективного улавливания насекомых при проведении мониторинга.

4. Для определения режимов работы ЭЭП может быть использована методика, предусматривающая организацию согласованного взаимодействия фотоэлектрического преобразователя, аккумуляторной батареи и блока светодиодов.

5. Перспективным вариантом конструкции ЭЭП является система из трех однощелевых светоловушек расположенных на одной оси друг над другом и ориентированных одна относительно другой на угол 120° для контроля зоны в 360° в горизонтальной плоскости.

Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 9 печатных работ, в том числе, 4 - в изданиях по перечню ВАК, 2 патента РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 7 таблиц, 10 приложений. Список литературы включает 164 наименования.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ РАСТЕНИЙ ОТ НАСЕКОМЫХ - ВРЕДИТЕЛЕЙ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ

1.1 Анализ методов зашиты растений от насекомых - вредителей

Одной из основных проблем защиты растений является снижение потерь урожая, которые связаны с жизнедеятельностью насекомых-вредителей. Сельское хозяйство ежегодно теряет до 40 % урожая от действия вредителей, болезней и сорняков [1]. Актуальность этой проблемы подтверждается многочисленными исследованиями, посвященными вопросам борьбы с насекомыми-вредителями [50, 142, 147, 149, 150] и направленными на повышение эффективности различных методов и способов.

Насекомые-вредители - это формы, наносящие прямо или косвенно ущерб человеку. Их можно объединить в группы: вредители сельского хозяйства; вредители леса; насекомые, наносящие вред здоровью людей и сельскохозяйственных животных; бытовые насекомые и вредители пищевых запасов. Наиболее известными вредителями сельского хозяйства являются: колорадский жук - наносит вред картофелю; майский жук - личинка вредит корням многих садовых и огородных растений; клоп вредная черепашка - вредит хлебным злакам; стадные формы саранчовых (саранча) - многоядные вредители; капустная белянка (капустница), хлопковая моль, виноградная тля-филлоксера и многие другие.

Насекомые наносят человечеству экономический ущерб, поедая посевы, деревянные постройки и другие предметы, изготовленные из материалов растительного происхождения [1, 2, 3, 4, 5, 6].

Однако не все насекомые являются вредоносными. Польза насекомых (пчелы, шмели, осы, бабочки и др.) для хозяйственной деятельности человека заключается, главным образом, в опылении растений. Насекомых привлекают богатые питательными веществами нектар и пыльца, а также запах и окраска цветка [1,7, 8, 9, 10, 11, 12].

Существует множество мероприятий по защите растений от насекомых-вредителей и болезней и сдерживанию размножения наиболее опасных насекомых. Эти мероприятий включают профилактические (агротехнические, селекционные, карантинные) и истребительные (химические, биологические, физико-механические) методы борьбы, взаимно дополняющие друг друга. Они совершенствуются в направлении ограничения использования химических средств защиты растений и более широкого применения биологического и других методов, достаточно эффективных против насекомых-вредителей и болезней и, вместе с тем, безопасных для человека, полезных животных, растений и окружающей среды в целом. К ним, в частности, можно отнести мероприятия, предназначенные для коллективного и приусадебного садоводства и огородничества, которые принято называть календарями работ по защите от насекомых-вредителей и болезней плодовых, ягодны�