CC BY
14ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ, СИСТЕМЫ, МАТЕРИАЛЫ И ПРИБОРЫ
ENERGY-SAVING TECHNOLOGIES, SYSTEMS, MATERIALS, AND INSTRUMENTS
Статья поступила в редакцию 18.01.13. Ред. рег. № 1520 The article has entered in publishing office 18.01.13. Ed. reg. No. 1520
УДК 632:51
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ЭКОТЕХНОЛОГИИ УНИЧТОЖЕНИЯ СОРНЯКОВ
В.Н. Топорков
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2, ВИЭСХ Тел./факс: +7(499)174-15-11; e-mail: vieshvk@yandex.ru
Заключение совета рецензентов 23.01.13 Заключение совета экспертов 30.01.13 Принято к публикации 06.02.13
Рассмотрены экологически чистые способы уничтожения сорных растений с использование электротехнологий. Показаны пути снижения энергоемкости процесса уничтожения сорняков. Выявлен механизм разрушения растительной ткани при обработке импульсами высокого напряжения и условия при которых этот механизм действует, что позволяет рассчитывать оптимальные параметры установок для электроимпульсного уничтожения сорной растительности.
Ключевые слова: сорные растения, импульсы высокого напряжения, энергоемкость процесса, механизм разрушения растительной ткани, экологически чистая продукция
THEORETICAL ASPECTS OF THE ENERGY SAVING ECOLOGICAL TECHNOLOGY OF THE DESTRUCTION WEED
V.N. Toporkov
All-Russian Scientific Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH) VIESH, 1st Veshnyakovsky pr., 2, Moscow, 109456, Russia Tel: +7(499)174-15-11; e-mail: vieshvk@yandex.ru
Referred 23.01.13 Expertise 30.01.13 Accepted 06.02.13
Ecologically safe methods of weeds destruction using electric technologies are considered in the paper. Reduction to energy intensity of the weeds destruction method is shown. A mechanism of plant tissue destruction at high voltage pulses processing is revealed. Conditions of this mechanism effect are presented. These allow calculating optimum parameters of the devices for electric pulsed weeds destruction.
Keywords: weed, pulse of high power, energy capacity process, mechanism of the destruction vegetable fabrics, ecologically clean product.
Сведения об авторе: ГНУ ВИЭСХ, старший научный сотрудник
Область научных интересов: использование высоковольтных импульсов в технологических процессах
Публикации: 45, в том числе 8 изобретений (авторских свидетельств СССР и патентов РФ)
Виктор Николаевич Топорков
Введение
Сорные растения наносят огромный вред сельскохозяйственному производству снижая урожай, увеличивая себестоимость продукции и ухудшая ее качество. Ежегодно потери урожая сельскохозяйственных культур в мире от вредного
воздействия сорных растений экспертами ООН оцениваются в 20 миллиардов долларов [1].
Основу мер борьбы с сорняками в современном земледелии составляют агротехнические методы и использование гербицидов, которые при незначительных трудозатратах дают высокую эффективность и, в сочетании с агротехническими приемами, обеспечивают снижение засоренности на
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (119) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
60-90%. Однако их дороговизна, недостаточная избирательность, высокая токсичность для полезной микрофлоры почвы, накопление в водоемах, воздухе, культурных растениях, продуктах питания и т.д. заставляет пересмотреть широкое применение гербицидов.
К перспективным экологически чистым способам уничтожения сорных растений относятся электрофизические методы, предусматривающие воздействия на структуры растений на клеточном уровне электроэнергией высокого напряжения. Развитие этих методов уничтожения сорняков с использованием электротехнологий в России, США и ряде стран Западной Европы, позволили эффективно использовать и внедрять в сельскохозяйственное производство электрическую энергию переменного тока высокого напряжения и высоковольтных импульсов.
Наиболее интенсивно работы ведутся фирмой "Lasco", США, которая разработала многочисленные модификации агрегатов мощностью от 15 Вт (для "ручного" уничтожения сорняков) до 220 кВт (для уничтожения деревьев). Подобные агрегаты были разработаны во Франции (фирма "Evrard" -установки "J'Agrichoc") и в Великобритании (установки "Bolter Destroyef') [2].
Результаты испытаний этих машин показали возможность их использования для уничтожения сорняков, расположенных выше культурных растений на плантациях сахарной свеклы, хлопка, сои и т.д.
Большинство зарубежных установок
предназначены для борьбы с сорняками на полях с малой засоренностью и основаны на использовании однофазного переменного тока напряжением 9-18 кВ, а воздействие на сорное растение осуществляется непосредственным контактом одного из электродов с наземной частью растения.
Наиболее совершенный из них -электрокультиватор LW-5 фирмы "Lasco" был испытан в Армении. Несмотря на высокую степень уничтожения сорняков при испытании в Бельгии и США (до 97% при засоренности 5 103 сорняков на 1 га) [2], в условиях Армении, он показал неудовлетворительные результаты. Уничтожение сорняков в зоне обработки при засоренности (5^8)106 сорняков на 1 га составляло не более 3339%, что не соответствует агротехническим нормам. При такой засоренности полей мощности электропропольщика было недостаточно из-за большой энергоемкости процесса уничтожения сорных растений (теплового механизма воздействия).
Поэтому в нашей стране были начаты исследования и разработки электрокультиваторов, использующих для уничтожения сорняков высоковольтные импульсы. В результате проведенных исследований в ВИЭСХе, БГСХА (БСХИ) и ВГСХА разработаны и изготовлены
экспериментальные и опытные образцы электрокультиваторов, позволяющих сократить непроизводительные потери энергии. Наши исследования показали, что использование высоковольтных импульсов для борьбы с сорной растительностью ведет к резкому снижению энергоёмкости процесса по сравнению с синусоидальным воздействием высоким
напряжением [3].
Для целенаправленного снижения энергоемкости процесса в технологии уничтожения сорных растений электрическим током и повышения эффективности работы электро-пропольщиков необходимо выяснить механизм разрушения растительной ткани электрическим током и условий, при которых этот механизм действует.
Механизм воздействия электрического тока
высокого напряжения на сорные растения
При воздействии переменного тока высокого напряжения или высоковольтных импульсов на сорные растения происходит нарушение важнейших физиологических процессов в растительной клетке (фотосинтез, дыхание, транспирация и т.д.). Увеличение напряжения или длительности воздействия тока на сорняки ускоряет их гибель.
Рассматривая механизм разрушения растительной ткани и действующие факторы, сопутствующие электроискровому разряду через растение, большинство авторов, при отсутствии перекрытия растительной ткани каналом разряда, считают токи проводимости основным повреждающим фактором [4, 5].
О механизме воздействия тока на растительную ткань единого мнения нет. Существуют следующие точки зрения:
- тепловое действие тока, проходящего через растительную ткань и вызывающего нагрев и разрыв клеток [6];
- воздействие биохимических процессов, вызывающих разрушение мембраны клетки и возникновение электроосмотического толчка [7];
- воздействие гидродинамических усилий, возникающих при микроразрядах в клетках и межклеточниках [4];
- ударной волной от канала разряда[8];
- нарушение функции пор, находящихся в стенке мембраны, что приводит к потере способности клетки обмениваться энергией и питательными веществами с межклеточным пространством и соседними клетками [9].
Механизм воздействия электрических импульсов высокого напряжения на растительную ткань зависит от параметров электрического разряда, фазы развития сорняков, состояния их поверхности, условий внешней среды, влажности почвы и т.д.
При обработке всходов растений возможно перекрытие их поверхности каналом разряда.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (119) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Основными условиями пробоя при этом являются: наличие в промежутке между навесным электродом и растением напряженности электрического поля больше диэлектрической прочности воздуха Е>Епр и минимальной величины энергии, достаточной для образования канала искры. Считается, что для перекрытия всходов растений по поверхности необходимо в среднем Е=2,5 кВ/см [8].
При прореживании всходов сахарной свеклы импульсами высокого напряжения по поверхности растения и в воздухе возникал искровой разряд, сопровождающийся формированием ударной волны, а механизм воздействия ударной волны на растения сводился к деформации стенок клеток, разрыву межклеточных связей и к вырыванию растения из почвы (или отрыве стебля от корня в непосредственной близости от корневой шейки растения) [8].
Однако процесс уничтожения сорняков электрическим разрядом с перекрытием по поверхности более энергоемок ввиду больших непроизводительных потерь энергии, поэтому для снижения энергоемкости процесса необходимо исключать перекрытие поверхности растений каналом разряда. В этих условиях действуют другие механизмы разрушения растительных клеток.
10-100 мкм-
Клеточная оболочка обеспечивает тургор растительных клеток и через неё проходит вода, соли, молекулы многих органических веществ. Плазматические мембраны растений отделяют цитоплазму клеток от клеточной оболочки и регулируют транспорт веществ в клетку и из клетки. В оболочках растительных клеток имеются сквозные и замкнутые поры. Через сквозные поры осуществляется движение цитоплазмы из одной растительной клетки в другую, и, тем самым, осуществляется единство жизненных процессов в растении [10].
Для того чтобы клетка погибла, необходимо разрушить мембрану. Исследование механизма разрушения биологических мембран с помощью электрического тока является весьма трудной задачей. Для упрощения воспользуемся результатами работ по электрическому пробою биослойных липидных (модельных) мембран (БЛМ), имеющих много общего с биологическими в их поведении в электрическом поле.
Стабильность БЛМ в электрическом поле характеризуется напряжением разрыва <р*, который зависит от природы мембран, её состава, концентрации электролита и длительности воздействия электрического поля [11].
Представления о механизме электрического пробоя БЛМ основаны на электромеханической теории Кроули, рассматривающей мембрану как однородную упругую среду [12]. В сильном электрическом поле сила сжатия превышает упругую силу и мембрана разрушается. Однако экспериментальные значения напряжение разрыва <р* значительно ниже теоретических, не учитывающих того, что БЛМ относятся к метастабильным системам, разрушающимся по дефектам (порам, неровностям и т.д.) [13].
Рис.1. Растительная клетка. 1 - плазматическая мембрана, 2 -цитоплазма, 3-вакуоль, 4-оболочка клетки Fig.1. Plant cell. 1 - plasma membrane, 2 - cytoplasm, 3 - vacuole, 4 - cytoderm
Практический интерес представляет реакция клетки растений на воздействие импульсов высокого напряжения. Растительная ткань, в основном, состоит из клеток и пространства между клетками, заполненного межклеточником. Каждая клетка окружена клеточной оболочкой, состоящей из плазматической мембраны и накладывающейся на нее снаружи толстой целлюлозной оболочки, состоящей из клетчатки.
Рис. 2. Обобщенная схема разрыва БЛМ при ступенчатом изменении ф
Fig. 2. Generalized scheme of BLM rupture at step-like change of ф
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (119) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
На схеме выделены следующие характерные времена:
- время зарядки мембраны до установления стационарного тока; Ь - время появления флуктуаций тока; t3 - время жизни мембраны при данном ф, т.е. время, соответствующее началу необратимого роста тока; ^ - время разрыва мембраны.
Длительность времен зависит от потенциала ф, но общая картина пробоя остается неизменной. Считается, что подготовка разрыва мембраны начинается уже на первой стадии т.к. если мембрану предварительно выдержать при относительно низком потенциале фь, а затем скачком увеличить потенциал до "рвущего" значения ф2? то разрыв мембраны наступит скорее, чем в случае скачка от фь=0 . При кратковременном действии высокого потенциала не порвавшиеся мембраны часто переходят в стрессовое состояние, для которого характерна повышенная проводимость и значительные флуктуации даже при низких потенциалах. Картину пробоя БЛМ в электрическом поле и влияние предобработки можно объяснить существованием в мембране дефектов типа сквозных пор [11].
Этим же можно объяснить наблюдаемый многими исследователями факт, что пробой мембраны растительной ткани наступит раньше при воздействии двух или нескольких импульсов меньшей величины, чем при действии одного импульса большой величины, обладающего таким же запасом энергии [4]. Импульс напряжения, не вызвавший разрушение мембраны, видимо, приводит к определенным изменениям структуры клеток и межклеточника, снижая электрическую прочность. Поэтому последующие импульсы, даже меньшие по амплитуде, могут привести к пробою мембраны.
Общая картина пробоя БЛМ в электрическом поле качественно аналогична пробою мембран растительных клеток. Общей для этих систем, помимо флуктуаций тока перед пробоем, является также сильная зависимость времени жизни мембраны от величины приложенного напряжения.
Растения после подачи на них разности потенциалов ведут себя в первый момент как диэлектрики, поэтому целесообразно рассмотреть механизм повреждения растительной ткани на основе кинетической теории прочности твердых диэлектриков [14].
Пробой мембран в соответствии с кинетической теорией твердых диэлектриков происходит не одновременно, а постепенно. Также постепенно будет уменьшаться сопротивление растения, и будет расти ток.
Поскольку оболочка клеток не является однородной средой, и на них имеются поры, заполненные цитоплазмой, то при воздействии импульса напряжения на мембрану необходимо учитывать локальные электрические силы,
действующие на границе между мембраной и микронесплошностью (порой).
Если пора имеет форму вытянутого эллипсоида вращения, ориентированного большой полуосью вдоль поля и отношением малой полуоси к большой равным 0,3, то максимальная напряженность на вершине эллипсоида будет соответственно усилена в 11 раз, а локальное давление электрических сил будет увеличено в 121 раз [14].
Узкая, вытянутая вдоль поля пора, заполненная например водой, или в случае растительной клетки -цитоплазмой, при подаче потенциала может привести к большим локальным механическим напряжениям, чем допустимые по условиям механической прочности, и вызвать разрыв мембран клеток
Растение представляет собой набор клеток размером 10-100 мкм. Толщина мембран порядка 10 нм. Диэлектрическая проницаемость веществ мембраны равна 2.
Время релаксации цитоплазмы при ее удельном сопротивлении рц=104 Ом-м равно
тр.ц =е-ео- рц = 80-8,85-10 -104 = 7-10"6 с.
(1)
где - тр.ц время релаксации цитоплазмы, е-диэлектрическая проницаемость цитоплазмы, ео диэлектрическая постоянная и рц- удельное сопротивление протоплазмы.
Время релаксации мембраны при удельном
сопротивлении 10 Омм равно
ХрМ=е-ео- рм = 4-8,85-10"12-1010= 0,3 с.
(2)
где - трм время релаксации мембраны, а рм- удельное сопротивление мембраны.
При подаче на растение высоковольтного импульса напряжения, он распределяется между основными элементами растительных клеток -цитоплазмой и клеточной мембраной -пропорционально их сопротивлениям. Общая толщина мембран, которую необходимо пробить, может быть рассчитана по формуле:
р + 1к)
S = -
(3)
где Ьр - высота растения от места приложения напряжения до земли, см; Ьк - длина корня (условно берется равным «10 см, т.к. на расстоянии более 1015 см от поверхности земли корень повреждается незначительно); 1к - размер растительной клетки (в среднем составляет 7-100 мкм); до - толщина отдельной мембраны 10-10-9 м.
Время жизни растения зависит от количества пробитых мембран, и когда оно достигает 80-90% от общего количества, наступает необратимый процесс и растение гибнет, т. к. нарушается обмен между клетками и цитоплазмой и, тем самым, нарушается единство жизненных процессов в растении. Время
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (119) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
e
k
жизни растения в соответствии с кинетической теорией может быть рассчитано по формуле [14]
1=хо- ехр
Uo -O,50-s-so-Е2-К2
KT
(4)
где то - период тепловых колебаний молекул (10- -10-14 с); ио - энергия активации разрушения связей между молекулами в мембране; в - структурно-чувствительный коэффициент; е - относительная диэлектрическая проницаемость мембраны; ео -диэлектрическая постоянная; Ко - локальный коэффициент усиления поля; К - постоянная Больцмана; Т - температура растения в градусах Кельвина; Е - напряженность поля в мембране, которая может быть рассчитана по формуле [15]
и-1к (5)
Е=и _
8 (р + LK)-S0
параметр Z равный Z =
0,50- К
■s»s
(Lp + Lk)2 -S2
(6)
В этом случае время жизни сорняка может быть рассчитано по формуле
t= Toexp
Uo-П-U2- kQ KT
(7)
Параметры Uo и Z можно определить из экспериментальных данных.
Рис. 3. Зависимость времени жизни сорняка от напряжения в координатах 1пт и U Fig. 3. Voltage dependence of weed lifetime in coordinate lnr and U.
в соответствии с быть линейной. из экспериментов
где и - приложенное к растению напряжение. Для расчета времени жизни сорняков в электрическом поле необходимо получить экспериментальные данные по величинам ио, в, Ьр, Ьк, /к для сорняков разных видов и времени вегетации. Можно также использовать и два экспериментальных параметра ио и обобщенный
Построим зависимость времени жизни сорняка от напряжения по экспериментальным данным на графике в координатах 1пт и и.
Зависимость на графике формулой (7) должна Действительно, полученные зависимости близки к линейным. Экстраполируя линейную зависимость в сторону меньших напряжений, получим условное время жизни 4 при напряжении и=0. Логарифмируя левую и правую части формулы (7), получим выражение для расчета энергии активизации. Для 6-ти недельного и 3-х недельного клубнекамыша энергия активации оказалась равной 1,5х10-19Дж (90 кДж/моль) и 1,4х10-19 Дж (84 кДж/моль), соответственно. Параметр п можно найти по формуле используя экспериментальное значение времени жизни при напряжении и.
Uq - KT-ln
ft- Л
J_
U2
(8)
Приведенные результаты теоретических исследований по кинетической концепции электрического уничтожения сорных растений хорошо согласуются с экспериментальными данными. Зависимости времени жизни сорняков от напряжения по экспериментальным данным на графике (рис. 3) близки к линейным с увеличением напряжения как в расчетах, так и на практике, наблюдается уменьшение времени жизни сорняков.
Использование результатов исследований позволяет рассчитывать оптимальные параметры установок для уничтожения сорных растений.
Заключение
1. Механизм воздействия электрических импульсов на сорные растения зависит от параметров электрического разряда, фазы развития сорняков, состояния их поверхности, условий внешней среды, влажности почвы.
2. Для всходов сорняков при импульсном разряде с перекрытием по поверхности растения главным повреждающим фактором является ударная волна, которая приводит к деформации стенок клеток, разрыву межклеточных связей и к вырыванию растения из почвы (или отрыве стебля от корня в непосредственной близости к корневой шейке растения).
3. При разряде без перекрытия по поверхности растения происходит кинетический пробой мембран клеток, и дальнейшее разрушение растительных клеток происходит токами проводимости.
4. Для повышения эффективности электропропольщиков необходимо:
- использовать для уничтожения сорняков импульсы высокого напряжения, исключающих непроизводительные затраты энергии (тепловой
V7o У
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (119) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
нагрев растений), за счет иного механизма воздействия на растительную клетку.
- проводить обработку сорняков в режиме без перекрытия по поверхности растения.
- применять модульную конструкцию рабочих органов, позволяющую снижать эффект шунтирования, связанного с большим разбросом количества и сопротивлений сорняков, и повысить эффективность уничтожения сорняков.
- осуществлять автоматический контроль состояния растительной ткани сорных растений во время обработки, что позволяет снизить расход энергии и увеличить число уничтоженных сорняков [16].
- существенным фактором повышения эффективности является увеличение скорости ввода энергии в клетку. Фронт импульса должен быть как
можно ближе к прямоугольному (тф < 0,5 мкс), а длительность импульса ( ти < 100 мкс) [3].
Список литературы
1. Баздырев Г.И. Нежелательная растительность и меры борьбы с ней в современном земледелии. Учебное пособие. М.:Колос, 2004.
2.Тверитин А.В., Трофимова Н.Б., Исаева Л.И., и др. Состояние и тенденции развития электрических способов и оборудования для борьбы с сорняками / Обзорная информация. М.: ВНИИТЭИСХ, 1984.
3. А.с.1817955 СССР АО1 В47/00, АО1 М21/04 Способ уничтожения сорняков / Бан А.Г., Топорков В.Н. //Открытия. Изобретения.1993. №20.
4. Басов А.М., Червяков Д.М. Механизм воздействия электрического разряда на растения // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1980. №1. С. 31-32
5. Баев В.И., Савчук В.Н. Действующие факторы электроискрового разряда при обработке растений //
Электронная обработка материалов. 1974. №1. С. 7072.
6. Diprose M.F., Turner N. Electro-thermal weed and bolter control // British Sugar Beet Review. 1979. V. 47. №4. Р. 31-32.
7. Бойко А.И. Электроплазмолиз растительных объектов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1977. № 2. С. 41-42.
8. Свиталка П.И. Методика и исследование действующих факторов искрового разряда и их роль в повреждении растительной ткани // Электронная обработка материалов. -1976. №2. С. 70-73.
9. Владимиров Ю.А. Биологические мембраны и незапланированная смерть клетки // Соросовский образовательный журнал. Том 6. 2000. №9. С. 2-9.
10. Галактионов С.Г., Никифорович Г.В., Перельман Т.Л., Юрин В.М. // Физика биологических мембран. № 3. 1976.
11. Черномордик Л.В., Абидор И.Г., Тарасевич М.Р. Электрический пробой биослойных липидных мембран // Биофизика мембран. 1981.С.184-197;
12. Crowley I.M. // Biophys. I., 1973, v.13 p.711.
13. Дерягин Б.В., Гутоп В.В. // Коллоид. Ж., 1962, т. 24 с.431.
14. Ермилов И.В. Кинетическая теория электрической прочности твердых диэлектриков // Электричество. № 9, 1994, с.1-11.
15. Ермилов И.В., Покровский С.В., Остапенко Е.И., Чванов В.А., Топорков В.Н., Усаковский В.М., Гинзбург В.Е., Славич Р. Подход к созданию импульсной системы электропитания агрегатов для электропрополки // Сборник докладов III Симпозиума «Электротехника 2010 год», т.1 (Московская обл., Звенигород, май 23-26, 1995). -М., 1995, С.320-325.
16. Патент № 2045181 АО1 М21/04. Устройство для уничтожения сорной растительности с помощью электрического тока / Королев В.А., Топорков В.Н., Чижиков Н.И., др. // Открытия. Изобретения. 1997. № 17.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (119) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
