Электроимпульсные технологии в сельском хозяйстве

Введение. Несомненные достоинства электро-импульсных устройств: незначительное потребление энергетических ресурсов, малая продолжительность и простота реализуемых процессов, исключительность (ряд операций невозможно выполнить с использованием иного оборудования), экологическая чистота и т.д.

свидетельствуют о широких перспективах применения этих устройств в различных технологиях сельскохозяйственного производства.

К числу реальных применений электроимпульс-ных устройств при производстве экологически чистой сельскохозяйственной продукции следует отнести технологические операции борьбы с сорняками, получение экологически чистых удобрений из органического сырья. Используемые в настоящее время способы подавления и уничтожения сорных растений (механические, химические), обеспечивая сокращение числа сорняков до технологически допустимого уровня вредоносности [1], негативно влияют на окружающую среду и урожай. Используя только механические меры, нельзя удалить сорняки в рядках сельскохозяйственных культур.

Среди альтернативных методов уничтожения сорняков весьма перспективен метод высоковольтного электроимпульсного культивирования, который по сравнению с другими (механический, огневой), имеют ряд достоинств: низкая энергоёмкость, отсутствие механических воздействий на почву, возможность получения экологически чистой продукции и др. [2–5].

Еще одним важным направлением применения электроимпульсных устройств является получение экологически чистых удобрений с использованием ЭГ-эффекта [6–9].

Методика исследования. Использовались методики исследований анализа и расчета технических средств и систем управления применительно к высоковольтным электротехнологическим установкам сельскохозяйственного назначения. Реализация технологии электроимпульсного культивирования предусматривает воздействие на сорняки на разных стадиях их развития (семена, всходы, взрослые растения) электрическими импульсами высокого напряжения. Энергия высоковольных импульсов зависит от этапа технологического процесса (предпосевная обработка, обработка всходов или взрослых растений), вида и стадии развития сорняков. Под действием электроимпульсов происходит необратимый разрыв мембран клеток растений, после которого сорняк восстановиться не может. Подвод электрической энергии к объекту обработки осуществляют на этапе уничтожения взрослых сорняков или их всходов по цепи: навесной электрод (трос, штанга) – стебель растения – корневая система – почва – заглублённый электрод (вращающийся диск) либо (предпосевная обработка сорняков) – через заглублённые в почву дисковые электроды.

Современные реализации новейших высокоэффективных агротехноологий определяют эти системы как открытые природно-техногенные структуры – аграрные метасистемы (АМС). В состав АМС входят технические устройства обеспечения и поддержки аг-ротехнологических процессов (техногенная составляющая АМС) и структуры природного происхождения (живые самоорганизующиеся растительные особи, использующие в своём развитии генетическую инфор- мацию). Природные структуры, протекающие в них процессы саморазвития и саморегуляции растительных особей, а также динамические изменения окружающей среды определяют параметры и режимы функционирования техногенных устройств. С точки зрения получения наибольшей продуктивности, снижения затрат различных видов ресурсов в агротехнологиях при системном рассмотрении АМС выявляется необходимость оперативной адаптации характеристик функционирования техногенных устройств и параметров технологических процессов под актуальные и будущие изменения природных структур АМС. Наиболее засорённые сорняками зоны требуют усиленного контроля. Обобщение ретроспективной информации и данных о ходе выполнения реальных процессов, адекватное прогнозирование хода выполняемых процессов обеспечит формализацию управлений и положительное влияние на эти процессы. Получение объективной актуальной информации об объекте воздействия (сорные растения) целесообразно производить с помощью систем технического зрения, смонтированных на подвижных агрегатах наземнного базирования либо летающих. Предполагается применение этих систем кооперативно с другими агрегатами и устройствами АМС.

В ходе расчётно-экспериментальных исследований электроимпульсного культиватора (ЭИК) разработана математическая модель процессов разрушения структуры растительных тканей растений высоковольтными электрическими импульсами, сформулированы рекомендации для определения параметров ЭИК. При формировании состава ЭИК рассмотрено его место в структурах АМС, оценивалось влияние характеристик технологических операций уничтожения сорняков на технико-экономические показатели АМС.

Результаты исследований и их обсуждение. Опыт лабораторных и хозяйственных исследований электроимпульсных технологий борьбы с сорняками с использованием ЭИК показывает, что предъявляемым технико-экономическим требованиям технологий полностью удовлетворяет следующая структура модулей ЭИК (рисунок 1): первичный источник электроснабжения (ПИЭ); блок высоковольтных электрических импульсов (БВИ); рабочие органы (РО); транспортный модуль доставки на агроугодье ЭИК. Концепции реализаций перспективных энергоэффективных экологически чистых агротехнологий и систем полеводства предполагают возможность изменения данной структуры.

Базисные положения формирования состава ЭИК: ограничение свойственных живым самоорганизующимся растительным структурам внутренних ресурсов борьбы за выживание, адаптация к изменяющимся условиям на разных стадиях их развития и вегетации; учёт в технологических операций преобладания природной части АМС над ее техногенными структурами; оперативная адаптация характеристик выполняемых техологических операций под актуальные характеристики природных структур АМС.

В качестве ПИЭ может быть применён автономный синхронный генератор повышенной частоты с приводом от вала отбора мощности от ходового двигателя транспортной базы ЭИК. При использовании систем централизованного электроснабжения перспективно применение резонансных однопроводниковых систем передачи электроэнергии повышенной частоты. В этих системах отсутствуют режимы короткого замыкания, а потери в линии электропередачи очень низки. При этом в структуре ЭИК отсутствуют ПИЭ и БВИ.

Блок БВИ осуществляет преобразование энергии ПТЭ в энергию высоковольтных электрических импульсов заданных амплитуды, формы (большая крутизна фронта) и энергии. Эффективные реализации БВИ могут быть построены с использованием схемы известных высоковольтных преобразователей с конденсаторными накопителями энергии.

Устройства РО, как и характеристики импульсов для обработки сорняков на разных стадиях реализации электротехнологий, различны. Для «провокации» и стимуляции прорастания сорняков в почве до закладки сельхозкультур РО выполняются в виде металлических дисков, при работе вращающиеся и контактирующие с почвой. Такая конструкция РО обеспечивает большую площадь контакта почвы и РО, уменьшает сопротивление движению транспортного модуля ЭИК. Для уничтожения сорняков на поле (всходы, взрослые растения) конструкция РО предполагает воздействия на сорняки по цепи «электрод в воздухе – стебель сорняка – корневая система сорняка – почва – электрод в почве». Электрод в воздухе (навесной, с регулировкой высоты подвеса и ширины) выполнен с использованием изолированного от транспортного модуля стального троса или металлических прутков, электрод в почве (заглублённый) – дисковый нож, вращающийся при движении транспортного модуля.

Главные модули ЭИК (БВИ, РО) реализуются в модульном исполнении (секционно). Это техническое решение исключает шунтирование цепи подачи электроимпульсов, обусловленное существенным различием значений электрических проводимостей расти- тельных тканей сорняков, что повышает эффективность выполняемых технологических операций, сокращает затраты.

Алгоритм работы ЭИК. Фиксацию постоянно меняющейся информации о характеристиках сорняков при выполнении технологических операций их уничтожения осуществляют средства технического зрения – сенсорные устройства (рисунок 1, 2).

Элементы блока сенсоров размещены на транспортном модуле ЭИК либо на мобильных средствах контроля в различных зонах агроугодья. Фиксируются данные о значениях характеристик выполняемых технологических операций (количество, размеры, виды, электрическое сопротивление сорных растений во всех зонах агроугодья, информация о погоде и др.).

Данные блока сенсоров передаются в блок анализа и прогноза, в котором при отклонении характеристик технологических операций и режимов работы оборудования от указанных в технологических картах оперативно вырабатываются управляющие воздействия для изменения параметров выполняемых процессов. При этом корректируются режимы работы БВИ, меняются дислокация и скорости перемещения ЭИК, расположение РО и т.п.

Как правило, современные агротехнологии предусматривают функционирование на земельном угодье нескольких ЭИК, обменивающихся между собой и системой управления верхнего уровня актуальной информацией. При этом специализированный блок анализа и прогноза собирает и обрабатывает информацию об изменении технологических характеристик выполняемых процессов истребления сорняков. Обработанная информация и данные об осуществлении аналогичных технологий используются для определения будущих изменений характеристик выполняемых технологических процессов. На земельных угодьях с большими площадями выделяют зоны, на которых количество сорняков превышает допустимые безопасные нормы либо в ближайшей перспективе может достичь этих величин. В эти зоны, при необходимости, экстренно перемещают модули ЭИК.

Рисунок 2 – Блок-схема алгоритма работы ЭИК

Формирование управляющих воздействий на РО ЭИК осуществляют непосредственно при выполнении операций с учетом изменения характеристик сорняков, произрастаемых на обрабатываемых земельных участках. Основой формирования управляющих воздействий является адаптивная агрегатная модель технологических циклов работы ЭИК, модифицирующаяся под реальные условия выполнения технологических процессов [10]. Для уменьшения энергоёмкости истребление сорняков разбивают на две стадии [11]. Сначала их обрабатывают импульсным напряжением 30–35 кВ и энергией 0,05–0,1 Дж. В результате этого разрушаются мембраны центральных частей стебля и корня сорного растения, имеющие большие размеры, меньшую толщину и более высокое тургорное давление по сравнению с мембранами периферийных клеток растений.

Вследствие разрыва мембран клеточная жидкость проникает в межклеточное пространство, снижая тем самым сопротивление обработанных сорных растений, величина которого в средней его части будет определяться сопротивлением протоплазмы клеток, но сорняки сохраняют свою жизнеспособность.

Из-за небольшой энергии высоковольтных импульсов остаются неповрежденными мембраны периферийных клеток растения, и в случае прекращения дальнейших воздействий сорняки могут возобновить свою жизнедеятельность за счет регенерации оставшихся живых тканей. Поэтому на втором этапе сорняки обрабатывают импульсами с большей энергией (5–10 Дж) и более низким напряжением (15–20 кВ), так как уже сформированы каналы проводимости [11].

Затем после электрообработки по значению сопротивления определяют жизнеспособность сорняков и если сорняк не уничтожен ( R растений >  R доп ), дополнительно обрабатывают высоковольтными импульсами с параметрами (энергия, частота и напряжение), необходимыми для гарантированного его уничтожения.

В ходе выполнения процесса уничтожения сорняков контролируются не только его параметры, но и оцениваются характеристики сорняков на всем земельном участке для получения прогнозных значений изменений параметров выполняемых процессов на ближайшую перспективу. Прогнозные зависимости определяются методами «нечеткого» моделирования и реальными изменениями параметров процесса во времени описываются нормализованными математическими зависимостями и экстраполируются на перспективу.

Следующая актуальная область использования электроимпульсных устройств, основанных на эффекте Л.А. Юткина – получение из различного сырья удобрений, с успехом заменяющих навоз. Эти устройства хорошо известны и разрабатываются давно, хотя в сельскохозяйственном производстве пока широкого применения не нашли. Однако обзор исследований по созданию подобных устройств показывает перспективность их применения в агропроизводстве.

Достоинства этих технологий – высокий КПД и эффективность процесса, экологическая чистота получаемой продукции, возможность получения из исходного сырья (почва, вода и т.д.) материалов с заданной структурой. Вокруг канала разряда в жидкой среде возникает высокое давление, способное измельчить твердые материалы и даже разорвать химические связи в молекулах и образовать новые вещества.

Обрабатывая пульпу почвы ЭГ-ударом, можно получить из нее около 30 химических элементов в доступной для растений форме, и из одной тонны почвы можно получить несколько десятков килограммов этих элементов в растворимых соединениях, тогда как при естественном растворении получается не более 250 г [12]. Экспериментально установлено, что для максимального урожая надо внести от нескольких граммов до десятков граммов обработанной пульпы почвы на одно растение. Не менее перспективна ЭГ-обработка воды для полива, позволяющая увеличить число растворенных в ней соединений азота до 300 раз.

Эта вода – отличное, экологически чистое азотное удобрение. Она способствует вымыванию из почвы водорастворимых соединений и их переводу в доступную для питания растений форму, а растворенный в воде азот превращается в оксиды NO 2 и NO 3 . А анионы ОН превращаются в перекись водорода, которая распадается на Н 2 и О. Атомарный кислород способствует активному окислению нерастворимых и труднорастворимых солей, которые находятся в плодородном слое почвы [12].

Заключение. Научно-практический задел по рассматриваемой проблеме включает результаты исследования, обоснованные параметры импульсов для различных видов сорняков, варианты реализаций компонентов электрокультиватора и др. Объем результатов исследовательских и опытно-конструкторских работ достаточен для создания конкретных изделий.

Промышленно-хозяйственные испытания ЭИК в различных регионах России подтвердили высокую эффективность электроимпульсного культивирования и разработанных опытных образцов. Целесообразно использование электроимпульсных культиваторов на крупных агропредприятиях, в частности, применяющих технологии точного (дифференцированного) земледелия, а также в средних и малых хозяйствах.