CC BY
7СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
SOLAR ENERGY
Статья поступила в редакцию 24.03.14. Ред. рег. № 1955
The article has entered in publishing office 24.03.14. Ed. reg. No. 1955
УДК 681.7.069.32
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В ТЕХНОЛОГИЯХ ЗАЩИТЫ РАСТЕНИЙ
А.Ю. Дюрягин
Южно-Уральский государственный университет 454080 Челябинск, пр. Ленина, д. 76 Тел.: +7 (912) 808-81-39, e-mail: vozmiag44@rambler.ru
Заключение совета рецензентов: 28.03.14 Заключение совета экспертов: 03.04.14 Принято к публикации: 08.04.14
В статье рассматривается система «Фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) - аккумуляторной батареи (АКБ) -Светоловушка», позволяющая проводить мониторинг численности и фазы развития насекомых-вредителей при работе в ' интегрированной системе защиты растений, позволяющая существенно снизить нагрузку на агроэкологическую среду.
Ключевые слова: защита растений, мониторинг, фотоэлектрический преобразователь, светоловушка, аккумуляторная батарея.
USE OF PHOTOELECTRIC CONVERTERS IN THE PLANT PROTECTION TECHNOLOGY
A.Yu. Dyuryagin
South Ural State University 76 Lenin str., Chelyabinsk, 454080, Russia Tel.: +7 (912) 808-81-39, e-mail: vozmiag44@rambler.ru
Referred: 28.03.14 Expertise: 03.04.14 Accepted: 08.04.14
This article discusses the system of "Photoelectric converter (FEC) - storage battery (battery) - light trap" allowing the monitoring of size and phases of insect pests evolution while operating in integrated system of plant protection, which allows to significantly reduce the load on the agro-ecological environment.
Keywords: plant protection, monitoring, photovoltaic converter, light trap, storage battery.
Введение
В системе защиты растений от вредителей существуют пять основных методов: агротехнический, химический, биологический, физико-механический и электрофизический [1]. На различных этапах научно-технического прогресса роль этих методов в общем комплексе мероприятий по борьбе с вредителями существенно менялась.
Химический метод в настоящее время применяется наиболее широко, т.к. он обладает наибольшей эффективностью по сравнению с другими методами [1]. Однако химический метод имеет ряд существенных недостатков. Долговременное воздействие на
агроэкологическую систему однотипных токсических веществ приводит к аккумуляции этих веществ и продуктов их распада в почве, воздухе, плодах, а также в организме человека и животных [1].
В целях получения биологически чистой сельскохозяйственной продукции, охраны здоровья человека и окружающей среды пестициды необходимо использовать грамотно, рационально и только в крайних случаях, после тщательного обследования каждого поля с учетом численности вредных и полезных видов, на основе экономических порогов вредоносности при строжайшем соблюдении регламентов их применения [2].
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (145) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
С 2007 г. в странах ЕС предусмотрено значительное ограничение содержания химических препаратов в среде обитания человека (система REACH). Европейский Союз стимулирует и в значительной степени финансирует переход к более безопасным системам защиты растений. Интегрированная система защиты растений (integrated control, integrated program) предусматривает применение всех средств регулирования численности вредителя с преимущественным использованием естественных методов контроля [3], а также предполагает специальную тактику применения истребительных средств - химические средства защиты применяются лишь тогда, когда численность насекомых-вредителей превышает экономический порог вредоносности, то есть когда затраты на защиту урожая окупаются его прибавкой или компенсацией потерь.
Интегрированная защита растений исходит, прежде всего, из того, что на посевах сельскохозяйственных культур присутствуют не только вредители, но и их враги. Непродуманное применение пестицидов для борьбы с вредителями может привести к уничтожению и полезных организмов [4]. Поэтому интегрированная система защиты растений предусматривает сбор информации о численности популяций как вредных, так и полезных насекомых в массиве сельскохозяйственных угодий, определение численного соотношения вредных и полезных насекомых, определение сроков вредоносности насекомых, принятие решения о необходимости проведения защитных мероприятий и планирование сроков их проведения. При этом выбираются пестициды, действующие только на насекомых, находящихся во вредоносной фазе.
Анализ существующих методов, используемых для борьбы с насекомыми-вредителями, показал, что одним из перспективных на первом этапе интегрированной системы защиты является электрофизический метод, в частности, использование светоловушек, позволяющих проводить непрерывный мониторинг численности и фазы развития насекомых [5].
Проводимый мониторинг позволяет определить начало опасной фазы развития насекомых-вредителей. Полученая информация используется агрономом или лицом, ответственным за проведение защитных мероприятий в хозяйстве, для своевременного принятия решения о применении конкретного и наиболее эффективного метода (или группы методов) борьбы с вредителями. Тем самым существенно снижаются потери урожая.
Кроме того, электрофизический метод является предпочтительным по многим параметрам: относительная простота исполнения данного метода, эколо-гичность, возможность автоматизации и др. [6, 7]. Для проведения качественного мониторинга численности и фазы развития насекомых-вредителей была разработана система «ФЭП - АКБ - Светоловушка (на основе светодиодов)» [8-11]. Данная система хорошо вписывается в интегрированную систему защиты растений.
Результаты испытаний
Схема режимов работы системы «ФЭП - АКБ -Светоловушка» представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема режимов работы системы «ФЭП - АКБ - светоловушка» Fig. 1. Chart of "Photoelectric converter- Storage Battery -Light Trap" (FEC-SB-LT) system operation
Солнечная радиация, кВт н1м2 240
200
160
120
80
--------,
"4 ч
4
—"V. ^
_ eV "t
T^NJ. N. 4 \
J— ----С ----------и_ V x
Май
Июнь Июль Август Сентябрь
• горизонтальное положение - наклон 40'
•О вертикальное положение —» »вращение вокруг полярной оси
а
Суммарная солнечная радиация, кВт ч/мг 1000
600
996,3
200
Положение ФЭП
горизонтальное положение
■ наклон 400
■ вертикальное положение
■ вращение вокруг полярной оси
b
Рис. 2. Графики изменения солнечной радиации - а; суммарное значение солнечной радиации на широте 55,7° за период май-сентябрь при различных положениях ФЭП - b Fig. 2. Charts of solar radiation changing - a; total value of solar radiation on 55,7° latitude during May-September on different orientation of FEC2 - b
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (145) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
Для эффективной работы установки необходимо рассчитать мощность и выбрать тип ФЭП. Расчет мощности ФЭП проводился при следующих допущениях [12]:
- ФЭП будет работать на широте 55-56° (широта г. Челябинска);
- период использования системы «ФЭП - АКБ -Светоловушка» - с мая по сентябрь.
Для определения оптимального угла наклона ФЭП к вертикали были проанализированы данные месячных сумм солнечной радиации на широте 55,7° (таблицы инсоляции) за период май-сентябрь в зависимости от положения ФЭП (рис. 2).
На основе анализа зависимостей, представленных на рис. 2, было принято решение при испытании системы располагать ФЭП под углом 40° к вертикальной оси, что обеспечивает суммарную солнечную радиацию в период с мая по сентябрь в количестве 749,9 кВт-ч/м2 и среднюю месячную солнечную радиацию 149,98 кВт-ч/м2.
Методика расчета мощности ФЭП
Установка работала в стационарном положении при ориентации рабочей поверхности на юг. Расчет суммарной необходимой мощности ФЭП определялся по формуле
Wk
Zд = ZJn,
(2)
где - количество пикочасов в месяц, ч; п - количество дней в месяце.
Количество пикочасов в месяце определяется из выражения
Z = F/F
м н
(3)
ни по напряжению должны иметь следующие значения - 12, 24, 36 В и т.д.
Не только один, а несколько ФЭП также могут быть использованы в энергосистеме. В этом случае их количество должно быть рассчитано.
Количество ФЭП, соединенных параллельно:
N1 = I/Iв
(4)
где I - рабочий ток, требуемый для зарядки батареи, А; 1ном - номинальный ток ФЭП, А.
Общее потребление тока установкой определяется выражением
I = РЖ
(5)
где и - номинальное напряжение системы, В.
Количество ФЭП, соединенных последовательно, определяется уравнением
N2 = U/Uн
(6)
где ином - номинальное напряжение ФЭП, В.
Общее количество ФЭП в установке будет равно
N ' = n;N2'
(7)
(1)
где кз - коэффициент, учитывающий потери на заряд-разряд батареи; Ш - энергия, потребленная све-толовушкой от аккумуляторной батареи, которую необходимо восполнять, кВт-ч; кд - коэффициент, учитывающий возможность возникновения пасмурной погоды, вследствие чего полноценный заряд АКБ в дневное время будет невозможен; - количество пикочасов в день, ч.
Количество пикочасов в день определялось по формуле
На основе расчета были выбраны ФЭП двух типов: TPS-936A - 13 Вт и TPS-936M - 28 Вт с напряжением на выходе 12 В.
Для проведения комплексных испытаний в производственных условиях системы «ФЭП - АКБ -Светоловушка» была разработана экспериментальная установка [13]. Общий вид установки, работающей в дневное и ночное время суток, представлен на рис. 3.
rjry-'l
RË>=4 i* Ш
где Е - средняя месячная солнечная радиация за рассматриваемый период, Вт-ч/м2; Еном, = 1000 Вт/м2 -паспортное значение энергетической освещенности поверхности солнечной панели, соответствующее ее номинальной мощности.
По рассчитанному по (1) значению мощности выбирается модель ФЭП с мощностью, равной или больше расчетной. С учетом того, что ФЭП работает совместно с аккумуляторными батареями, их ступе-
a b
Рис. 3. Работа экспериментальной установки: a - в дневное и b - ночное время суток: 1 - трехдиффузорная светоловушка; 2 - трехщелевая светоловушка; 3 - однощелевая светоловушка; 4 - ФЭП (TPS-936M); 5, 6 - люксметр; 7 - вольтметр; 8 - АКБ (CA-1270); 9 - блок переключения; 10, 11 - амперметр
Fig. 3. Operation of experimental device during: a - daytime and b - night time: 1 - three-input light trap; 2 - three-slit light trap; 3 - one-slit light trap; 4 - FEC (TPS-936M); 5,5 - illuminometer; 7 - voltmeter; 8 - storage battery (CA-1270); 9 - commutation module; 10, 11 - ammeter
д
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (145) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
Р, Вт 30
21
12
> А / ir -0t
•* bv \ А Щ
_ 4 * j AJ / j / *
„j-T" r_ V.
£, лк 900
600
300
i, ч
-*- Р, Вт (заряд от ФЭП 13 Вт) —Р, Вт (заряд от ФЭП 28 Вт)
-о— Е, лк
Рис. 4. Зависимости мощности P = f(t) и освещенности E = f(t) ФЭП от времени Fig. 4. Dependence of power P = f(t) and illuminance E = f(t) of PI-B-LC versus time
Результаты исследования зависимостей мощности Р = и освещенности Е = ДО ФЭП двух типов (ТР8-936А - 13 Вт и ТР8-936М - 28 Вт) от времени представлены на рис. 4.
Анализ результатов, представленных на рис. 4, показывает, что мощность ФЭП практически прямо пропорциональна освещенности ФЭП. При наличии облачности (отрезок времени с 3,0 до 4,5 ч) освещенность установки резко падает, при этом соответственно снижается и мощность ФЭП. Начиная с 5-го часа проведения эксперимента, при неизменной освещенности установки, мощность ФЭП постепенно уменьшается, что объясняется завершением процесса заряда АКБ. Среднее значение мощности ФЭП типа ТР8-936М (28 Вт) при заряде АКБ в период испытаний составило 12,02 Вт, что на 54,90% выше среднего значения мощности ФЭП типа ТР8-936А (13 Вт) - 7,76 Вт. Максимальная мощность ФЭП ТР8-936М (28 Вт) в период заряда АКБ составляла 17,9 Вт, что на 75,49% выше максимальной мощности ФЭП ТР8-936А (13 Вт), которая была равна 10,2 Вт.
Общий вид светоловушки с уловленными насекомыми представлен на рис. 5.
Экспериментальные исследования показали, что система «ФЭП - АКБ - Светоловушка» обеспечивает проведение мониторинга численности и фазы развития насекомых при работе в рамках интегрированной системы защиты растений с достаточно высокой точностью.
Рис. 5. Общий вид светоловушки с уловленными насекомыми: 1 - корпус; 2 - внутренний липкий картридж; 3 - уловленное насекомое; 4, 6 - боковые липкие картриджи; 5 - источник света (светодиоды) Fig. 5. General view of a light trap with caught insects: 1 - housing; 2 - inner sticky cartridge; 3 - caught insect; 4, 6 - side sticky cartridges; 5 - light source (LED)
С точки зрения надежности работы системы, как показали испытания, необходимо повышать надежность и увеличивать срок службы АКБ, в частности, за счет использования балансировки АКБ [14]. Экономические расчеты показывают неоспоримое преимущество системы, содержащей ФЭП, перед традиционными методами и рядом альтернативных подходов, в частности, с использованием ветроэнергетических установок [7, 15].
Выводы
1. Использование системы «ФЭП - АКБ - Свето-ловушка» в качестве инструмента для проведения мониторинга численности и фазы развития насекомых в интегрированной технологии защиты растений позволит существенно снизить нагрузку на агро-экологическую среду.
2. Использование в качестве преобразователя солнечной энергии ФЭП в установке мониторинга насекомых делает ее мобильной и не зависимой от других источников энергии.
Список литературы
1. Исаичев В.В. Защита растений от вредителей. М.: Колос, 2002.
2. Беляев Е.А., Бурый В.Ф., Грибанов П.К. Насекомые-вредители сельского хозяйства Дальнего Востока. Владивосток: Дальнаука, 1995.
References
1. Isaicev V.V. Zasita rastenij ot vreditelej. M.: Kolos, 2002.
2. Belaev E.A., Buryj V.F., Gribanov P.K. Nase-komye-vrediteli sel'skogo hozajstva Dal'nego Vostoka. Vladivostok: Dal'nauka, 1995.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (145) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
3. Электронная библиотека нехудожественной литературы по русской и мировой истории, искусству, культуре, прикладным наукам. Альманах «Эврика», Часть 4. Интегрированная защита растений [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://bibliotekar.ru/evrika/4-35.htm.
4. Волков А.Г. О тенденциях перехода к интегрированной системе защиты растений в защищенном грунте // Защита растений в тепличном хозяйстве. 2008. № 8. С. 1-3.
5. Суринский Д.О, Савчук И.В., Соломин Е.В., Возмилов А.Г. Тенденции развития интегрированного способа защиты растений от насекомых-вредителей // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2013. № 9. С. 65-71.
6. Возмилов А.Г., Дюрягин А.Ю., Суринский Д.О. Светоловушки для проведения мониторинга численности и фазы развития насекомых-вредителей // Достижения науки и техники АПК. 2011. № 7. С. 76-78.
7. Solomin E.V. Photovoltaic or wind solution // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE.
2011. № 11. С. 38-40.
8. Пат. 110600 РФ, МПК А01М. Световая ловушка для насекомых / Возмилов А.Г., Дюрягин А.Ю.; заявитель и патентообладатель Челябинская гос. аг-роинженерная академия (RU). № 2011126100; заявл. 24.06.2011 // Бюл. № 33, опубл. 27.11.2011.
9. Пат. 110601 РФ, МПК А01М. Световая ловушка для насекомых / Возмилов А.Г., Дюрягин А.Ю.; заявитель и патентообладатель Челябинская гос. аг-роинженерная академия (RU). № 2011126138; заявл. 24.06.2011 // Бюл. № 33, опубл. 27.11.2011.
10. Пат. 111391 РФ, МПК А01М. Световая ловушка для насекомых / Возмилов А.Г., Дюрягин А.Ю.; заявитель и патентообладатель Челябинская гос. агроинженерная академия (RU). № 2011126136; заявл. 24.06.2011 // Бюл. № 35, опубл. 20.12.2011.
11. Пат. 85799 РФ, МПК А01М. Световая ловушка для насекомых / Возмилов А.Г., Суринский Д.О., Рекецкий С.П., Михайлов П.М., Козлов А.В.; заявитель и патентообладатель Челябинский гос. агроин-женерный университет (RU). № 2009115955; заявл. 27.04.2009 // Бюл. №23, опубл. 20.08.2009.
12. Возмилов А.Г., Дюрягин А.Ю., Суринский Д. О. Методика расчета основных геометрических параметров однощелевой светоловушки // Достижения науки и техники АПК. 2011. № 4. С. 77-78.
13. Возмилов А.Г., Дюрягин А.Ю. Исследование эффективности работы однощелевой светоловушки для мониторинга численности и фазы развития насекомых в зависимости от мощности источников света -аттрактантов // Вестник ЧГАА. 2012. Т. 60. С. 37-39.
14. Возмилов А.Г., Соломин Е.В., Калмаков В.А., Андреев А.А. Анализ причин разбалансировки аккумуляторных батарей // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2012. № 11 (115). С. 65-68.
15. Соломин Е.В. Экономические аспекты гибридных ветро-солнечных установок малой мощности // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE.
2012. № 2 (106). С. 71-77.
3. Elektronnaa biblioteka nehudozestvennoj literatury po russkoj i mirovoj istorii, iskusstvu, kul'ture, prikladnym naukam. Al'manah «Evrika», Cast' 4. Integrirovannaa zasita rastenij [Elektronnyj resurs] / Rezim dostupa: http://bibliotekar.ru/evrika/4-35.htm.
4. Volkov A.G. O tendenciah perehoda k integri-rovannoj sisteme zasity rastenij v zasisennom grunte // Zasita rastenij v teplicnom hozajstve. 2008. № 8. S. 1-3.
5. Surinskij D.O, Savcuk I.V., Solomin E.V., Vozmilov A.G. Tendencii razvitia integrirovannogo sposoba zasity rastenij ot nasekomyh-vreditelej // Al'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2013. № 9. S. 65-71.
6. Vozmilov A.G., Duragin A.U., Surinskij D.O. Svetolovuski dla provedenia monitoringa cislennosti i fazy razvitia nasekomyh-vreditelej // Dostizenia nauki i tehniki APK. 2011. № 7. S. 76-78.
7. Solomin E.V. Photovoltaic or wind solution // Al'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2011. № 11. S. 38-40.
8. Pat. 110600 RF, MPK A01M. Svetovaa lovus-ka dla nasekomyh / Vozmilov A.G., Duragin A.U.; zaavitel' i patentoobladatel' Celabinskaa gos. ag-roinzenernaa akademia (RU). № 2011126100; zaavl. 24.06.2011 // Bul. № 33, opubl. 27.11.2011.
9. Pat. 110601 RF, MPK A01M. Svetovaa lovuska dla nasekomyh / Vozmilov A.G., Duragin A.U.; zaavitel' i patentoobladatel' Celabinskaa gos. agroinzenernaa akademia (RU). № 2011126138; zaavl. 24.06.2011 // Bul. № 33, opubl. 27.11.2011.
10. Pat. 111391 RF, MPK A01M. Svetovaa lo-vuska dla nasekomyh / Vozmilov A.G., Duragin A.U.; zaavitel' i patentoobladatel' Celabinskaa gos. agroinzenernaa akademia (RU). № 2011126136; zaavl. 24.06.2011 // Bul. № 35, opubl. 20.12.2011.
11. Pat. 85799 RF, MPK A01M. Svetovaa lovuska dla nasekomyh / Vozmilov A.G., Surinskij D.O., Rekeckij S.P., Mihajlov P.M., Kozlov A.V.; zaavitel' i patentoobladatel' Celabinskij gos. agroinzenernyj universitet (RU). № 2009115955; zaavl. 27.04.2009 // Bul. №23, opubl. 20.08.2009.
12. Vozmilov A.G., Duragin A.U., Surinskij D.O. Metodika rasceta osnovnyh geometriceskih parametrov odnoselevoj svetolovuski // Dostizenia nauki i tehniki APK. 2011. № 4. S. 77-78.
13. Vozmilov A.G., Duragin A.U. Issledovanie effektivnosti raboty odnoselevoj svetolovuski dla monitoringa cislennosti i fazy razvitia nasekomyh v zavisimosti ot mosnosti istocnikov sveta - attraktantov // Vestnik CGAA. 2012. T. 60. S. 37-39.
14. Vozmilov A.G., Solomin E.V., Kalmakov V.A., Andreev A.A. Analiz pricin razbalansirovki akku-mulatornyh batarej // Al'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2012. № 11 (115). S. 65-68.
15. Solomin E.V. Ekonomiceskie aspekty gib-ridnyh vetro-solnecnyh ustanovok maloj mosnosti // Al'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2012. № 2 (106). S. 71-77.
Транслитерация по ISO 9:1995
с---* — TATA — LXJ
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (145) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
