双能源驱鸟杀虫装置结构设计与实验

谷周澎 辛颖 付秀 曹平

摘要：为了减少鸟类及害虫对农业领域的影响与危害，提高农产品的产量，减少农药的使用，设计双能源驱鸟杀虫装置。该装置由太阳能和风能互补方式供电，其中太阳能电池板可自动跟踪太阳方向，风力发电机可追踪风向。装置发电后电能可储存到蓄电池内，并可以在不同天气条件下进行运行状态和工作模式之间的转换。装置采用发出不同频段的高频超声波刺激鸟类的神经系统，破坏鸟类的生存环境实现驱鸟功能，利用害虫趋光的习性，用紫外线灯发光引诱害虫并利用高压电网电击杀虫。通过两个实验区对比试验证明，试验样地应用该装置后，谷物剩余率可达到74%以上，证明超声波驱鸟效果明显；虫口退减率保持在76%左右，证明紫外线诱虫电击杀虫科学有效。

关键词：风光互补；驱鸟杀虫装置；谷物剩余率；虫口退减率

中图分类号：S776

文献标识码：A

文章编号：1001-005x（2015）04-00101-05

在农林领域，传统的杀虫和驱鸟功能主要依靠化学农药来实现，近年来随着环保、高产、优质的物理农业广受推崇，市面也出现了一些超声波驱鸟、太阳能杀虫装置，但是受自然环境等方面的影响，出现了能源供应不足、适用范围窄等问题。本文提出一种双能源驱鸟杀虫一体装置，采用风能和太阳能混合发电，将驱鸟、杀虫两种功能相结合，根据天气状况自动转换工作状态，实现能源的最大化利用，具有较强的抗环境干扰能力。

1 双能源驱鸟杀虫装置结构设计方案

风光互补杀虫驱鸟装置由发电系统、驱鸟杀虫系统、电控系统和支撑结构组成，其中发电系统包括太阳能电池板、小型风力发电机、蓄电池；杀虫驱鸟系统包括超声波发生器、灯座、高压电网、紫外线灯和收集箱；电控系统包括控制器、光敏传感器和步进电动机；支撑结构包括可伸缩支架、连接杆、套筒、固定板、水平板、斜板、滚轮

1.1 发电系统

发电系统中风力发电机设置在可伸缩支架的上端，发电机是采用直驱式永磁发电机，尾翼采用水平轴力结构，在风力发电中，水平轴力结构的启动力矩要比垂直轴力结构的大，对流场的利用率要高。其功率是50W，并且具有三个叶片，桨距采用的是固定桨距，通过尾翼侧偏来调节水平位置。固定桨距的风力发电机相对于变桨距的风力发电机具有很多优点，从结构上来讲，定桨距风力发电机它的结构更加简单可靠，成本不高。调节水平位置时，是靠风轮和尾翼相互配合来实现的，风轮的侧偏角度可在90°内任意变化，从而使风轮的偏航角发生变化，再而调整迎风面积并改变力矩大小。最终使风力发电机始终在额定转速下运行。

太阳能电池板放置在防护罩内，并且固定在斜板的上表面上，与光敏传感器配合，实现自动跟踪太阳方向。利用光敏电阻光强比较与精确数据处理相结合，将三个光敏三极管放在不同方向，一个竖直向上，一个正向东，另一个正向西，太阳光从不同方向照射到三个光敏管的光强度不相同，使它们产生的光电流强度不相同。正东方向与太阳光方向的夹角γ与光强（或光电流）的关系发生变化，依据夹角γ值调整太阳能电池板的角度，在通过步进电动机驱动滚轮，使太阳能电池板一直朝向太阳；光伏电池的转换效率与其本身材料，运行时的温度，外界变化以及太阳辐射程度有关，双能源驱鸟杀虫装置的电池板是多晶硅和单晶硅组合而成，标准输出功率在100—120Wp/㎡之间。

蓄电池种类繁多，太阳能电池能与很多种类的蓄电池配套使用，该装置为了减少人为操作，采用的是免维护铅酸蓄电池，其容量（BC）由式（1）表示：

式中：A为安全系数，取1.1-1.4；QL为日平均负载耗电量，即日工作小时数与工作电流的乘积；N_L为最大持续阴雨时间，d；T₀为温度修正系数；C_C为蓄电池放电深度。

1.2 驱鸟杀虫系统

驱鸟杀虫装置中超声波驱鸟系统是利用单片机设计、制造的一种具有超低功耗的超声波发生系统，实质是频率可调超声波发生器。它能发出不同频段的超声波来刺激鸟类的神经系统，从而达到破坏鸟类的生存环境的目的，使鸟类远离超声波覆盖的地区。该系统把蓄电池储存的电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器工作，功率从0W～500W不断变化，使超声波发生器产生不同的的超声波频率，刺激鸟类的神经系统，使鸟类无法适应当前环境，从而远离该地域，重新寻找新的生活地，保证了驱鸟效果的持久性。工作时间与停止时间比为1：5，超声波频率在12～25KHz。

杀虫灯组主要原理是利用害虫趋光的习性，引诱并利用高压电网电击杀虫，收集到收集箱中。灯座采用PVC塑料板内置连接灯口并与蓄电池相连接，采用紫外线灯作为诱虫光源，紫外线灯能产300～420nm的光波，在单色光诱虫实验中，330～390nm范围内的光波能够吸引多种昆虫，增加了诱杀昆虫的种类，而且对单一一种昆虫吸引的数量最多。高压电网与蓄电池相连，当昆虫靠近时自动产生瞬时高压擊落昆虫，昆虫掉落到收集箱内，收集箱可以定期清理。

1.3 电控系统

装置最重要的部位是控制器，其采用的是西门子PLC控制器。风光互补发电系统和蓄电池供电系统会根据天气的变化变换不同的工作方式，一共有蓄电池单独工作，光伏系统单独工作，风电系统单独工作，以及风力发电系统与光伏发电系统联合工作4种不同工作方式，根据这4种不同的工作方式组合，共有4种不同的工作模式。负载是杀虫灯组工作功率或超声波发生器（只限白天工作）工作功率。输出由风力发电系统、光伏发电系统和蓄电池供电系统组成，其中蓄电池有最低充电功率。

工作模式一：此模式为最佳模式，是在风力发电系统启动工作和光伏发电系统亦启动工作的白昼，其工作主要是风力发电机发电功率和太阳能发电功率之和与负载总功率比较，当发电总功率大于负载功率和蓄电池最低充电功率时蓄电池充电，反之蓄电池放电。

工作模式二：此模式是只有风力發电系统启动工作的白昼或黑夜，其工作主要是风力发电系统发电功率和负载功率比较，当风力发电功率大于负载功率和蓄电池最低充电功率时蓄电池充电，反之蓄电池放电。

工作模式三：此模式是在只有光伏发电系统启动工作的白昼，其工作主要是太阳能发电系统发电功率和负载功率比较，当太阳能发电功率大于负载功率和蓄电池最低充电功率时蓄电池充电，反之蓄电池放电。

工作模式四：此模式是风力发电系统不工作和光伏发电系统亦不工作的白昼或黑夜，其工作只由蓄电池供电。

控制器采用西门子S7-200型可编程控制器，其四种不同工作模式的顺序功能图如图2所示，输入、输出量注释见表1。在编程软件step7 microwin中编程、纠错后，打开西门子PLC仿真软件（s7-200）2.0，设置CPU型号，装载程序，进行模拟仿真。

1.4 支撑结构

支撑结构中可伸缩支架竖直放置，可伸缩支架和连接杆采用304型奥氏体不锈钢作为材料，它具有优良的不锈耐腐蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能，其屈服强度为310MPa。对大部分有机酸和无机酸及碱溶液及亦具有良好的耐腐蚀能力；固定板为圆形6010铝合金薄板，固定板插装在可伸缩支架的上端并与可伸缩支架固接；防护罩为半圆形减反射玻璃罩体，防护罩插装在可伸缩支架的上端并扣装在固定板上，具有保护太阳能电池板，控制器，蓄电池的作用；支板架、套筒和可变向滚轮均设置在防护罩内，套筒可转动，套装在可伸缩支架上，支板架是由水平板与斜板组成的，水平板的一端与斜板的一端连接，斜板的另一端与套筒的外侧壁上部连接，水平板的另一端与套筒的外侧壁下部连接，水平板的下表面固定有滚轮，其中套筒材料和可伸缩支架相同，支架板材料和固定板材料相同。

双能源驱鸟杀虫装置最主要的支撑结构是可伸缩支架，支架底部为环形空心圆柱，外径D为0.050m，内径d为0.045m，环形面积为0.00283m2。因其整体结构重量较轻，静载荷可以忽略不计，主要考虑在受到风载荷作用下，整个结构的稳定性，该装置的设计承受最大风力为8级风力，最大风速V为21m/s。从装置整体结构来分析受到风载荷情况，其中风力发电装置受到风载荷最大，其次是防护罩部分，再次是其它部分。

风力发电装置安装最佳高度为挡风物体高度的2～3倍，而双能源驱鸟杀虫装置主要应用在空旷的田野。所以将风力发电装置安装的最大高度日设定为2.5m，风轮半径R为0.5m。因水平轴的风能利用率在23%～29%，取有效迎风面积为以风力发电机叶片为半径的圆的面积的30%。防护罩内主要放置太阳能电池板和蓄电池等部件，高度设置h为1.3m。防护罩为半径r为0.6m的半圆形，根据超声波发生器和杀虫灯组的形状及位置，计算风载荷时可以等效为防护罩下半部分，以便于整体载荷计算。易得其危险截面为装置支撑杆的底部，当风速达到设计承受最大风速21 m/s时，所受到最大正应力a_max为68MPa，明显小于304型奥氏体不锈钢屈服强度310MPa，具体计算公式为：

Wp=V²/1.6，

F_2.5=V²×π×R²×0.3/1.6，

F_1.3=V²×π×r²/1.6，

Me=F_2.5xH+F_1.3xh，

Wz=π×D³×（1-d⁴/D⁴）/16，

a_max=Me/W_z。式中：Wp为风压计算公式（单位N/㎡）；F_2.5和F_1.3。分别为2.5m和1.3m处所受风力计算公式；Me为支撑杆底部扭矩计算公式；W_z为抗弯截面系数计算公式；a_max为危险截面弯曲正应力计算公式。

2 双能源驱鸟杀虫装置实验研究

2.1 实验地点

该装置的测试实验在东北林业大学帽儿山实验林场周边农田进行。

2.2 实验地概况

该地段农田与东北林业大学帽儿山实验林场相邻，农作物以玉米为主，农田区域边缘种植向日葵，部分区域有豆角，番茄，茄子等农作物，实验林场地带性植被是以红松为主的针阔混交林，主要乔木植物有红松、云杉、水曲柳、落叶松、樟子松、胡桃楸等十多种，灌木有平榛、茶条槭、忍冬、杜鹃、绣线菊等近百种，草本植物主要以苔草、地榆、铃兰、木贼、蚊子草、舞鹤草等，藤本植物有五味子、猕猴桃、山葡萄等，山野菜有薇菜、蕨菜、剌嫩芽、蒲公英等，鸟类有潜鸟、松鸡、旋木雀、岩鹨、麻雀、喜鹊等，其中麻雀居多。由于林场与农田相邻，林场的鸟类和昆虫对农田影响较大。

2.3 实验方法

分为I，II两个实验区，四个实验组。I区提供实验测试灯9盏，呈正方形50m等距排列，控制面积为5.00h㎡。Ⅱ区为5.00h㎡无灯区，Al组、A2组实验在I，Ⅱ区4：30至19： 00进行，Bl组、B2组实验在I，Ⅱ区19： 30至次日4：00进行。其中I区亮灯时间为19： 30至次日4：00。从2014年7月25日开始连续观察20d。

Al组、A2组实验，实验装置在以100m为边长的正八边形的中心，在正八边形八个顶点放置一个高约2m的支架，支架上端设有一个半径为1m水平圆形木板，每天4：30在木板上均匀放置碎玉米粒500粒，19： 00统计剩余碎玉米粒，并清理木板。木板边缘有突起，防止碎玉米粒被风吹落。前10d，I区，Ⅱ区超声波发生器均不工作，后十天仅I区超声波发生器工作。

2.4 效果计算公式

虫口减退率（%）=（无灯对照区害虫数一挂灯处理区害虫数）/无灯对照区害虫数×100。

谷物剩余率（%）=剩余谷物数/放置谷物总数×100。

2.5 实验结果

A1组和A2组实验表明，I区Ⅱ区鸟类分布数目基本相同，使用该装置后，谷物剩余率由5%左右提升到了84%左右，且使用天数越多效果越明显，见表2。

实验表明，捕获到的害虫数量见表3。害虫虫口退减率平均在76%左右。超声波发生器工作与否对虫口减退率没有明显影响。

3 结论

（1）双能源驱鸟杀虫一体化装置设计克服了能源供应不足的问题，能在偏远供电不足地区应用，并且双能源供能克服了太阳能或风能单一能源供能易受自然环境影响等缺点，能在连续阴雨天气或连续无风天气下工作。

（2）紫外线灯诱虫科学有效，能有效大范围引诱害虫，提高了装置杀虫覆盖面积；电击杀虫效果好，能有效的通过电击方式将昆虫杀死，科学环保；超声波驱鸟效果随装置使用时间增加而增加，长期使用收益高。

（3）该装置能够有效减少农林旷野中害虫、鸟类对庄稼和作物的侵害。实验结果表明，使用该装置后，试验样地的谷物剩余率可达到74%以上，有效地减少了鸟类对庄稼的侵害；虫口减退率平均在76%左右，有效地控制了害虫的数量，减少了害虫对农作物侵害。