溫室大棚內高壓靜電殺蟲裝置的設計與試驗

蘇育珍，劉增煌，徐劉飛，龍佳寧，周 蘇

（塔里木大學 機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

0 引 言

影響大棚蔬菜質量最直接的因素就是蔬菜的病蟲害，蔬菜在成長過程中經常受到很多病菌和害蟲的侵襲，而目前國內最常用的殺蟲方式就是大量使用液態農藥殺蟲。農藥的長期使用不僅會破壞當地的生態環境、污染水源，更會有農藥殘留，危害人們的身體健康。因此急需新方法殺蟲滅蟲，以控制蟲害對大棚蔬菜質量的影響。目前已經出現了幾種物理滅蟲方法，即聲波殺蟲、黃板殺蟲、殺蟲燈、電子殺蟲器。朱琳等[1]針對茶尺蠖、茶小綠葉蟬等設計了高壓靜電滅蟲裝置，通過對以上兩類昆蟲進行詳細了解，設計出高壓靜電農作物滅蟲器的原理與實驗方案。林蜀云等[2]于2015年設計了一套太陽能LED殺蟲燈，通過對大多數昆蟲進行研究，并對他們的趨光性進行仔細分析后設計出了適合誘蟲的波長范圍的LED燈與高壓靜電發生電路，采用單片機輸出的不同信號實現自動化控制。本設計針對新疆溫室大棚內的主要病害蟲設計了特定波長的引誘燈，產品利用太陽能電池供電，高度可調，當害蟲受特定波長范圍內光的吸引進入LED燈的控制范圍時，定時器會輸出不同的信號控制電路工作，再結合高壓產生電路及電網集中消滅害蟲。

1 整體設計思路

如圖1所示，該高壓靜電殺蟲器由太陽能電池板、太陽能充放電控制裝置、自動控制裝置、高壓發生電路、12 V可控誘蟲燈、5 V USB充電模塊、高壓電網組成。白天時，通過太陽光照射給電池組充電，整個裝置中只有前兩級太陽能充放電控制器與自動控制裝置工作。夜晚時，前一級太陽能部分不工作，自動控制裝置控制其后級誘蟲燈與高壓發生裝置工作，整個裝置處于工作狀態。通過誘蟲燈對大棚內的害蟲進行誘導，再經過高壓電網集中擊殺，從而實現物理滅蟲。誘蟲燈通過調節顏色來控制波長段，從而進一步擴大害蟲的引誘范圍與種類。本裝置加入了安全保護部分，若檢測為雨天或有人靠近高壓電網，則及時斷開后級高壓電路，避免人和裝置受到傷害，做到安全防治蟲害。

圖1 殺蟲系統總體電路工作框圖

2 關鍵器件的選擇

2.1 太陽能電池板的選擇

當下市面上太陽能電池板的種類包括單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、多元化合物太陽電池等。綜合考慮使用年限、性價比以及光電轉換率，本文采用單晶硅太陽能電池，同時還考慮其供電功率應遠大于所有負荷的總功率，避免殺蟲裝置超負荷運行時太陽能電池容量不足，故選擇50 W單晶硅太陽能電池板。

2.2 蓄電池的選擇

可以和太陽能電池匹配使用的蓄電池種類較多，當下廣泛采用的有鉛酸免維護蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池三種。由于鉛酸免維護蓄電池具有“免”維護的特性以及對環境污染較小的特點，適用于性能可靠的太陽能電源系統，尤其是無人值守的變電站，因此在國內被廣泛使用。普通鉛酸蓄電池由于需要經常維護及對環境污染較大，適合一些有維護能力或中低檔場合使用。堿性鎳鎘蓄電池雖然有較好的耐低溫、過充、過放等其他蓄電池不及的性能，但其生產制造價格較高，僅適用于較為特殊的場合。本設計采用標稱電壓為12 V的鉛酸免維護蓄電池。

裝置日耗電量的計算如下：

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

滿足裝置日用電的光伏組件的充電電流如下：

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

蓄電池容量的計算：

式中：0.75為蓄電池放電深度；1.2為蓄電池安全系數；d代表天數。

太陽能電池組件的功率為：

3 整體電路的設計

滅蟲裝置殺蟲的關鍵在于擊殺電網上擊殺害蟲的最低電壓，高壓發生電路的核心在于如何把太陽能電池提供的12 V電壓經升壓變成滅蟲相關資料中所顯示的5 000～12 000 V電壓。設計相關升壓電路將12 V電壓變成5～12 kV并連接至擊殺電網上產生電弧，將入網的昆蟲擊殺或擊殘，實現滅蟲的目的。高壓發生電路主要由方波信號發生部分、信號傳輸部分、輸出放大部分、升壓整流部分組成。由NE555芯片組成的多諧振蕩電路發出20 kHz占空比為50%的正負方波信號，傳輸給三極管放大電路再經過高頻變壓器輸出2 kV的電壓，最終由倍壓整流電路將2 kV電壓升至約14 kV。逆變電路主要由NE555多諧振蕩電路、三極管放大電路、高頻變壓器等分電路組成。NE555電路用于產生高頻方波信號。3管腳輸出的高頻正負方波信號脈沖驅動VT1和VT2，使得VT1與VT2導通。VT2的集電極和高頻變壓器相連，通過高頻變壓器可以將12 V電壓升至2 kV。按照設計輸出20 kHz占空比為50%的方波，計算如下：

頻率計算公式如下：

占空比計算公式如下：

圖2 整體電路圖

通過代值計算得 R3取 0 Ω，R4取 3.6 kΩ，C7取0.01 μF。通過實驗發現，雖然NE555電路輸出為方波信號，但輸出波形是正方波，使得高頻變壓器輸出電壓低于理論值的50%。通過在NE555輸出3引腳串聯一個10 μF的瓷片電容可解決該問題，當輸入為高電平時，給電容充電；當輸入為低電平時，該電容放電并與之前電壓相反，從而構成一個全波信號，輸至高頻變壓器，使轉化及升壓效率進一步提高。整體電路如圖2所示。

4 田間實驗

4.1 實驗方法

將裝置調試到正常運行模式，采用FRC 50 kV交直流分壓器對高壓電網上的電壓進行檢測，通過分壓器顯示電壓，將電網電壓確定在4.5 kV與7 kV兩個檔位上。在電網下方地面上鋪一張白紙，當害蟲掉落至白紙上后便于統計。裝置實物如圖3所示。

圖3 殺蟲裝置實物

在周邊尋找不同的大棚蔬菜園，分別記為#1測驗點，#2測驗點，于害蟲集中出現的夏秋季節在3個測驗點分別測驗一周，鑒于新疆特殊的地理環境，太陽落山較晚，于是在北京時間22：00—22：30間開啟裝置。抽取一周中兩天的實驗數據，見表1所列。為了準確統計殺蟲數量，每次裝置開啟前先清理干凈殺蟲電網周圍之前殺死但未掉入底座的昆蟲。

表1 樣機溫室內測試數據表

4.2 試驗結果與分析

電壓等級在4.5～7 kV之間且試驗溫度差異不大時，殺蟲數量與輸出電網電壓有關，電網電壓越高，誘殺的害蟲數量越多。當電網電壓為7 kV時，1#測點30 min內殺蟲數量為36，2#測點30 min內殺蟲數量為38；當電網電壓相同時，試驗溫度對殺蟲數量有明顯影響，溫度為23.5℃時，殺蟲數量為38，殺蟲效果最佳，表明大棚內害蟲喜光喜溫的特性。在同一測點連續試驗一周后，較大體積的害蟲數量明顯減少，較小體積害蟲的密度也在一定程度降低，較高等級的電壓具有更好的殺蟲效果。如果在較大面積溫室內安裝相應數量樣機，使其白天關閉，夜晚開啟，同時根據不同的天氣人為調整開啟和關閉時間，會使溫室的昆蟲密度大幅度降低，減少害蟲對蔬菜的侵擾。

5 結 語

通過分析，可以得出以下結論：

（1）溫室大棚內高壓靜電殺蟲器裝置的設計具備可行性，且系統運行穩定可靠。該裝置殺蟲效率較高，當電壓等級為4.5～7 kV時，不會對蔬菜表面及植株造成傷害。

（2）當電網電壓為7 kV時，30 min內殺蟲數量最高，表明在合適范圍內，電壓等級越高，殺蟲效果越好。

（3）電網電壓相同時，試驗溫度對殺蟲數量也有明顯影響，當溫度為23.5℃時，殺蟲效果最佳，表明大棚內的蟲害對溫度、光照比較敏感。

本設計綠色、環保，可實現一次投入長期使用，與其他類似的殺蟲燈相比，不僅解決了在田間拉電線的麻煩，更降低了費用消耗。

在使用本裝置時，為保證最佳的殺蟲效果，可以選擇性的開啟裝置，建議在環境溫度較高的條件下開啟，大面積、短時間內集中滅殺溫室內的害蟲。