植保静电喷雾技术发展现状与前景

刘兴华，刘雪美，苑 进，赵新学

(1.山东农业大学 机械与电子工程学院，山东 泰安 271018；2.山东省园艺机械与装备重点实验室，山东 泰安 271018)

0 引言

在现代农业生产过程中，化学农药防治仍是有效防治各类病虫害、确保农业稳产增产的必要手段。然而，由于国内植保施药技术及机具的相对落后，喷施农药的有效利用率只有20%～30%，远低于发达国家60%～70%[1]。农药使用量大、施药方法不科学、利用率低的问题日益严重，造成农业面源污染，影响农产品质量安全，危害人体健康，威胁农业可持续发展[2-4]。

静电喷雾技术利用不同的荷电方式实现雾滴的有效荷电，荷电雾滴在风力、静电场力及重力等因素的共同作用下向靶标作物运动。根据静电感应原理，荷电雾滴与靶标作物相互靠近过程中，作物叶片表面会感应出与荷电雾滴等量的异号电荷，荷电雾滴在电场力作用下不但可以实现在靶标作物叶片正面的沉积，也会在“环绕吸附”作用下在叶片背面及植株中下层的沉积。据国内外试验数据统计，静电喷雾技术能够提高药液沉积密度2倍以上，防治效果提升1.5～2倍，施药用量节约50%以上。因此，静电喷雾技术作为一种高效的植保喷雾技术，能够有效提高药液雾化水平、减少药液的飘逸损失、增加药液在靶标作物上的沉积均匀性，是解决我国植保施药诸多问题的有效方法，是实现国家“十三五”规划中对全国农药用量逐年降低目标的重要手段[4-6]。由于具备上述诸多优势，静电喷雾技术的开发和应用工作多年来一直受到国内外学者的广泛关注。

1 雾滴荷电基本原理

对于植保静电喷雾过程，药液的有效荷电是后续环节的前提和基础。其荷电方法主要有3种，即电晕荷电、接触荷电和感应荷电[7]。

1)电晕荷电方式是将静电高压加在距离较近的两电极上，其中针状电极处会发生电晕放电使电极周围空气发生电离，从而在尖端电极周围形成带电自由离子动区域。从喷头处喷出的雾滴在经过上述带电自由离子活动区域时会与带电自由离子相结合，从而使雾滴荷电。

2)接触荷电方式是将雾化喷头直接接高压电源的正极或负极，电源另一极接地，药液在雾化形成雾滴时从喷头处带走一定量的正电荷或负电荷，从而完成荷电过程。

3)感应荷电方式是将高压电接在雾化喷头和外部环形电极间，根据静电感应原理在雾化喷头表面和环形电极上会感应出等量的异号电荷，雾滴在脱离雾化喷头时会带走喷头表面的部分电荷，从而完成荷电过程。

3种荷电方式中，电晕荷电方式为产生电晕放电，尖端电极的电压一般需20kV及以上，其优势是可以直接用于现有喷头上，劣势是电晕放电现象对作业安全有一定威胁，并且不易实现较好的荷电效果；接触荷电方式的工作电压一般在20kV左右，并且要求药液箱、药业管路及雾化喷头对地绝缘，设备的绝缘成本较高；感应荷电方式的工作电压较低，1～2kV电压即可实现较理想的荷电效果，药液箱、喷头等设备无需对地绝缘，应用范围广，是目前业内学者的研究重点。

2 国外静电喷雾理论研究现状

由于静电雾化技术在静电喷漆、雾化燃烧、静电印刷和植保喷雾等多方面应用中所体现出的优势，国外学者对静电雾化过程进行了广泛研究。20世纪60年代以来，国外学者对植保静电喷雾技术进行了深入研究，研究范围主要包括荷电雾化过程、荷电雾滴空间移动规律和荷电雾滴与植株交互行为分析等方面。

1982年，美国学者S.E.Law等人根据前人研究基础首次提出了一种气力式感应静电雾化喷头结构，从理论和技术两个层面对雾化机理、荷电极限、结构设计、电路设计和空气动力学设计等内容进行了论述，在荷电性能试验中荷质比达到4.8mC/kg，荷电性能达到电晕荷电方式的2.4倍[7]。沉积试验表明：荷电雾滴具有更容易在靶标背面沉积，沉积均匀性提高明显；但静电喷头存在可靠性差，容易发生反向电离等问题。Law等继续研究了荷电雾滴云的空间电位分布，并以荷电雾滴云电荷密度为主要参数分析了荷电雾滴云对荷电效果的影响，在考虑了反向电离、雾滴云空间电位及大田恶劣作业环境等因素的基础上于1988年申请了气力式静电雾化喷头专利，在1.4kV电压下雾滴的平均荷质比达到10mC/kg[8-9]，基本满足了静电喷雾的荷质比需求。Patel等通过对比试验研究了感应电极材质对荷电效果的影响，发现镀镍铜电极相比于纯铜、黄铜(铜70%，锌30%)和铝等材料有更好的荷电效果，其荷质比在3kV电压下达到了1.2mC/kg[10]，在业界首次表明了电极材料对荷电效果存在影响，遗憾的是其内在机理并没有详细阐述。随后，结合印度农业生产特点和农艺需求，Patel又设计了一种气力式静电感应雾化喷头，经合理选取结构和作业参数后荷质比也达到10mC/kg[11-12]。后续试验进一步表明：辅助气流压力、喷雾距离等参数对荷质比存在显著影响，为静电喷雾施药参数选取提供重要参考。针对气力式静电喷头工作过程中易出现的反向电离问题，Jae-Duk Moon等韩国学者设计了一种新型气力式静电感应喷头结构，将高压电极环安装在喷体框架外侧，框架筒壁可以有效避免荷电雾滴在电极环上的沉积及其引发的反向电离难题[13]；然而，筒壁亦导致夹层极化现象产生，不利于雾滴的有效荷电，该结构实用性有待验证。

荷电雾滴形成后，在向靶标作物运移过程中受自然环境条件影响，会出现电荷损耗现象，对雾滴的最终附着和沉积影响较大。Law等分析了雾滴蒸发、空间自由离子中和、雾滴瑞利极限和雾滴云对接地尖端气隙放电等因素，得出荷电雾滴云形成的空间电场作用下荷电雾滴对植株尖端等物体的放电现象是导致雾滴电荷量损耗高达80%的主要原因，并尝试了抑制尖端放电的不同措施，然而效果并不显著[14-17]。因此，上述由于尖端放电导致的荷电雾滴电荷损耗问题还需要植保科研人员继续进行研究和探索。静电喷雾技术使得药液雾化效果较好，雾滴粒径较小，有利于均匀沉积，然而其雾滴漂移问题应引起重视。Patel针对这一问题设计了一种可安装在静电感应喷头外部的附加气流喷射装置，其气流入射锥角在0°～25°范围可调，从而加快荷电雾滴云向目标作物的运输，并可控制雾滴的覆盖范围，提高了荷电雾滴云的防漂移能力[18]。

荷电雾滴云经过输运后到达靶标位置，其与靶标作物相互作用，从而实现各部位的均匀沉积是静电喷雾的最终目标。Law总结多年的静电喷雾研究工作，于2001年提出大田植保作业过程中静电喷雾方式应与气流辅助方式相结合，利用辅助气流将荷电雾滴输运到植株冠层，然后在静电场力作用下实现荷电雾滴在冠层各部位的均匀沉积。大量的静电喷雾试验表明：雾滴粒径在30～50μm、剩余荷质比大于2mC/kg时，荷电雾滴能够实现较好的沉积效果[19-20]。Maski等印度学者试验研究了电极电压、药液物化特性、施药速度、施药作物高度及方位对作物叶片正面、背面的沉积效果的影响，结果表明：电极电压、药液流量、药液物化特性等参数显著影响雾滴荷质比，施药速度、作物高度及方位亦给雾滴沉积带来明显影响[21-22]。上述研究结果为静电喷雾作业时不同作业环境下工况参数的合理选取提供重要依据。

除对上述静电喷雾3个阶段外，国外学者亦对静电喷雾数值仿真、静电高压发生装置等方面进行了研究。西班牙学者Grifoll等将荷电雾滴云视为一连续体，提出采用平均静电场的思想进行荷电雾滴运动路径的仿真分析，以克服传统拉格朗日离散相模型在仿真荷电雾滴间交互影响过程中计算量过大、计算用时过长的弊端[23]，为静电喷雾仿真研究提供了新的解决方案，可以为静电喷雾理论的研究节约大量仿真用时和计算资源。Patel等设计了一种适用于感应静电喷雾的高压电发生装置，其输出电压能在较高的频率范围内保持稳定，带负荷运行时其电压纹波和电压损失满足系统要求[24]。

3 国内植保静电喷雾理论研究现状

我国对植保静电喷雾技术的研究起步较晚。20世纪70年代末，国内学者开始涉足该领域，从雾滴粒径、荷质比、沉积分布规律等方面对植保静电喷雾技术开展研究，并针对不同靶标作物进行了静电喷雾性能和病虫害防治效果测试及参数测定。

于水等对荷电雾滴的二次雾化破碎机理进行了建模分析，并得出了临界荷质比和雾滴粒径的关系[25]，为雾滴粒径谱与荷质比的合理选取和确定提供依据。霍元平等进行了荷电液滴的破碎机理及电流体动力学特性的研究，利用显微高速摄像和PIV技术捕捉微射流演变过程及荷电雾滴形成过程[26]；研究过程中，显微高速摄像技术和PIV技术的成功运用对后续静电雾化过程和雾滴流场研究具有重要参考价值。2010年，陈汇龙等利用FLUENT软件对感应荷电喷雾中喷嘴与环形电极间的静电场进行了数值模拟[27]，利用FLUENT软件仿真分析数据丰富、可信度高的优势分析了静电场的分布特性，仿真结果表明：改变静电场的分布特性改善荷电效果，为喷头电极结构参数的设定提供依据。王晓英等则利用Ansoft Maxwell专业电磁场分析软件对喷头的静电场进行了数值模拟，仿真结果明确了电极布置情况对静电场分布的影响，试验结果证明了不同电极布置情况下电场强度的变化过程及其对荷质比的影响[28]。茹煜等也利用Ansoft Maxwell软件对提出的圆锥管状电极结构的电场分布特性进行了仿真分析，并结合试验手段得出了最佳感应荷电区域，试验中10kV电压下荷质比达到2.13mC/kg[29]。贾首星、高雄等人分别研究了液压、气压、荷电电压、气候等因素对雾化效果及荷电效果的影响，并得出了最佳的工作参数组合[30-32]。试验中最佳工作参数的获得对国内静电植保作业具有重要实用价值。

先进试验测试技术和工具的运用为研究荷电雾滴云的运移规律、飘移特点等工作提供了有力工具。王贞涛等利用PDPA技术分析了双流体荷电喷雾过程中不同荷电电压下喷雾流场中雾滴粒径、雾滴速度的分布规律，并研究了辅助气流和静电场对雾滴运动的影响[33]。顾万玉等研究了接触式荷电方式下静电喷雾流场特性和沉积特性，开发了集中接触式荷电装置，并利用PIV系统和激光粒度分析仪分析了充电电压、喷雾压力等变量对粒径分布、雾化角、雾滴速度场等参数的影响[34]。杨洲等考虑自然风对雾滴飘移的影响，研究不同侧风风速和静电电压对喷杆式静电喷雾模式下雾滴漂移的影响规律，试验结果表明：静电电压的提高可以减小雾滴粒径，并提高雾滴荷质比，不同侧风风速下静电喷雾的雾滴飘移中心距和飘失率较非静电喷雾有增大的趋势[35]。

在荷电雾滴与靶标作物交互沉积方面，国内学者利用试验手段探究了各种作业参数、环境参数对雾滴沉积率、沉积均匀性的影响。王军锋等试验分析了风幕式气流辅助下荷电喷雾与非荷电喷雾的沉积效果，试验结果表明：辅助气流对荷电雾滴有更好的横向防漂效果，荷电雾滴在目标物正反面的沉积效果更佳[36-37]。顾万玉、邱白晶等具体研究了喷雾距离、沉积靶标空间分布等因素对荷电雾滴沉积效果的影响[38]。试验表明：随着喷雾距离增加，雾滴沉积率体现先增大后平缓下降的趋势；模拟靶标等效面积过大或过小均不利于沉积效果的提升。这一结果说明，静电喷雾施药时应根据靶标作物叶面积系数、孔隙率等合理选取喷雾距离。贾卫东等针对扇形喷头设计了一种双平板感应式荷电装置，在6kV电压及合适的喷雾压力下荷质比达到1.4mC/kg，试验证明风幕和静电作用有利于改善雾滴沉积效果，静电喷雾的沉积变异系数减小了50.2%[39]，相比于非静电喷雾体现出明显优势。周良富等研究了果园冠层施药场景中风送静电喷雾方式下充电电压、风机频率、喷雾距离和喷雾压力等因素对雾滴覆盖率影响的显著性水平，通过试验手段得出叶片正面覆盖率、反面覆盖率和正反面覆盖率比值等3种响应下的影响因素的显著性排序[40]。试验得出的影响因素显著性排序为果园植保过程中针对不同病虫害的空间分布选取合理的作业参数组合提供了理论参考。

上述研究进程也体现出FLUENT、Ansoft Maxwell等先进数值分析软件和激光粒度仪、PDPA技术、PIV技术、显微高速摄像等高端试验工具在静电喷雾理论研究和试验分析中所发挥的重要作用，为研究人员分析参数变化、获取试验数据提供了极大便利，也为后续研究人员开展静电喷雾研究工作提供了有力的技术支持。

此外，随着无人机植保作业技术的不断发展，无人机植保技术与静电喷雾技术相结合的新型植保作业模式也引起国内学者的重视。茹煜、廉琦等分别进行了无人机静电喷雾系统的设计及研究工作，从无人机整体结构、静电喷头设计及高压静电供给方式等方面对无人机静电喷雾技术进行了探究，试验总结了最佳作业参数组合[41-42]。周宏平等从实用角度出发，在静电电极、喷头材料及喷头加工工艺等多方面对航空静电喷雾装置进行改进设计，在优化选取的作业参数下荷质比达到2.26mC/kg，防治效率提升33.8%[43]。研究结果初步表明：无人机静电喷雾技术作业效率高、人力需求小、药液用量少等优势，是未来农业植保作业的重要发展方向；同时，作为一种新型作业模式，无人机静电喷雾技术还存在一些技术问题需要解决和完善，其作业适用范围和作业参数组合还有待进一步测定。

4 国内外静电喷雾植保机具

国内外学者不断探究静电喷雾相关理论问题的同时，利用理论成果研制了各具特色的多种试验样机，美、英、德等国还推出了各自的商业化产品。

Law等学者成功设计了气力式静电感应喷头，ESS(Electrostatic Spraying System Inc.)公司购买其专利后经改进，推出了适用于不同作业场合的多款商业化产品，如图1所示。其主要用于地面植保作业，适用于大田、果园和温室大棚等作业环境。Carlton等长期从事航空静电植保喷雾技术的研究，并于1999年获得系统专利，其喷头结构和实际作业图如图2所示[44]。美国休斯顿市SES公司(Spectrum Electrostatic Sprayers Inc.)收购了其专利后进行商品化生产，将其推向市场。Kirk、Carlton等继续进行的大田试验表明：其沉积率和雾滴沉积速度明显提升，药液使用量大幅下降。

图1 ESS气力式静电喷雾产品

图2 航空静电喷雾系统

我国植保领域工作者也不断将研究成果转化为各种类型样机，进行了大量的室内和大田试验。邱白晶等研制了集中接触式荷电喷雾样机(见图3)，并进行了喷雾速度场、雾锥角、雾滴粒径和沉积效果等方面的试验研究[30]。新疆农垦科学院的贾首星等吸收国外先进技术，结合新疆棉花大规模种植特点，研制了宽喷幅气力式静电喷雾机具(见图4)，取得较好的实用效果。

图3 集中接触式荷电喷雾装置

图4 气力式静电喷雾样机

5 研究方向和应用前景探讨

虽然国外内学者对植保静电喷雾技术进行了大量有意义的研究，并且已有实用化商业产品推入市场，但目前静电喷雾机具的使用和普及范围有限，尤其是在国内植保喷雾领域。究其原因，荷电效果不理想、施药效果随机性大、药械成本高及可靠性低等因素是影响推广使用的主要原因。为解决上述问题，应酌情开展以下工作：

1)雾滴荷质比的量化分析与控制。荷质比是静电喷雾施药过程的核心参数，其高低会显著影响施药效果。目前的研究大多以试验研究和定性分析为主，对影响荷质比的诸多参数缺乏定量分析。国内外已有研究数据体现出各试验之间荷质比的波动较大，商用化产品大田作业时也出现受环境影响较大，施药效果明显下降的状况。同时，国外学者试验中荷质比达到10mC/kg及以上，而国内研究中还处于2～3mC/kg荷电水平，与国外研究尚存差距。因此，有必要从电流体动力学理论角度深入分析影响荷质比的诸多参数，量化各参数与荷质比的关系，为田间工况参数的合理化选择提供明确理论依据。

2)植保静电喷雾技术相关标准、规范亟需建立和完善。目前，国内关于植保静电喷雾技术的相关标准和规范非常缺乏，无法为植保静电喷雾技术的研究和推广提供明确的依据和指导，也不利于静电喷雾技术产业的持续健康发展。应该借鉴国外进行静电喷雾技术产业化推广和应用方面的经验，建立涵盖材料与部件、制造、管理、使用和维护等环节的完善标准体系，为国内植保静电喷雾技术产业的发展提供制度约束和保障。

3)无人机静电喷雾技术的研究应得到重视。无人机静电喷雾技术具有防治效果好、作业效率高、药剂消耗量低等优势，是未来高效超低量植保作业的发展方向。下洗气流对荷电雾滴云运移的影响、荷电方式的选择及荷电效率、荷电模式的选择及机体电位的动态保持等问题应进行重点研究和分析。针对国内各种不同作物及其病虫害特点，无人机静电喷雾技术的适用范围及其最佳作业参数组合还需要通过大量试验研究予以测定。

6 结论

经过国内外专家多年的努力探索和工程技术人员的积极实践，植保静电喷雾技术取得了丰富的理论成果并研发了多款静电喷雾样机及商业化产品。然而，由于其本身所具有的多学科交叉的特点，以及多旋翼无人机植保等新型作业模式的出现，植保静电喷雾技术仍然存在诸多理论盲点和技术难关有待研究和克服，已有商业化产品也存在投资成本高、可靠性较低、防治效果受环境影响大等问题。因此，继续对静电喷雾多参数相互影响机理、荷质比的定量控制、雾滴荷电量的耗散与保持、荷电雾滴与靶标作物的交互作用及有效沉积等问题进行系统深入研究，才能使静电喷雾技术的大规模推广和使用成为现实，进而减少环境污染，降低农业成本，促进农业发展和农民增收。