植保靜電噴霧技術發展現狀與前景

劉興華，劉雪美，苑 進，趙新學

(1.山東農業大學 機械與電子工程學院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018)

0 引言

在現代農業生產過程中，化學農藥防治仍是有效防治各類病蟲害、確保農業穩產增產的必要手段。然而，由于國內植保施藥技術及機具的相對落后，噴施農藥的有效利用率只有20%～30%，遠低于發達國家60%～70%[1]。農藥使用量大、施藥方法不科學、利用率低的問題日益嚴重，造成農業面源污染，影響農產品質量安全，危害人體健康，威脅農業可持續發展[2-4]。

靜電噴霧技術利用不同的荷電方式實現霧滴的有效荷電，荷電霧滴在風力、靜電場力及重力等因素的共同作用下向靶標作物運動。根據靜電感應原理，荷電霧滴與靶標作物相互靠近過程中，作物葉片表面會感應出與荷電霧滴等量的異號電荷，荷電霧滴在電場力作用下不但可以實現在靶標作物葉片正面的沉積，也會在“環繞吸附”作用下在葉片背面及植株中下層的沉積。據國內外試驗數據統計，靜電噴霧技術能夠提高藥液沉積密度2倍以上，防治效果提升1.5～2倍，施藥用量節約50%以上。因此，靜電噴霧技術作為一種高效的植保噴霧技術，能夠有效提高藥液霧化水平、減少藥液的飄逸損失、增加藥液在靶標作物上的沉積均勻性，是解決我國植保施藥諸多問題的有效方法，是實現國家“十三五”規劃中對全國農藥用量逐年降低目標的重要手段[4-6]。由于具備上述諸多優勢，靜電噴霧技術的開發和應用工作多年來一直受到國內外學者的廣泛關注。

1 霧滴荷電基本原理

對于植保靜電噴霧過程，藥液的有效荷電是后續環節的前提和基礎。其荷電方法主要有3種，即電暈荷電、接觸荷電和感應荷電[7]。

1)電暈荷電方式是將靜電高壓加在距離較近的兩電極上，其中針狀電極處會發生電暈放電使電極周圍空氣發生電離，從而在尖端電極周圍形成帶電自由離子動區域。從噴頭處噴出的霧滴在經過上述帶電自由離子活動區域時會與帶電自由離子相結合，從而使霧滴荷電。

2)接觸荷電方式是將霧化噴頭直接接高壓電源的正極或負極，電源另一極接地，藥液在霧化形成霧滴時從噴頭處帶走一定量的正電荷或負電荷，從而完成荷電過程。

3)感應荷電方式是將高壓電接在霧化噴頭和外部環形電極間，根據靜電感應原理在霧化噴頭表面和環形電極上會感應出等量的異號電荷，霧滴在脫離霧化噴頭時會帶走噴頭表面的部分電荷，從而完成荷電過程。

3種荷電方式中，電暈荷電方式為產生電暈放電，尖端電極的電壓一般需20kV及以上，其優勢是可以直接用于現有噴頭上，劣勢是電暈放電現象對作業安全有一定威脅，并且不易實現較好的荷電效果；接觸荷電方式的工作電壓一般在20kV左右，并且要求藥液箱、藥業管路及霧化噴頭對地絕緣，設備的絕緣成本較高；感應荷電方式的工作電壓較低，1～2kV電壓即可實現較理想的荷電效果，藥液箱、噴頭等設備無需對地絕緣，應用范圍廣，是目前業內學者的研究重點。

2 國外靜電噴霧理論研究現狀

由于靜電霧化技術在靜電噴漆、霧化燃燒、靜電印刷和植保噴霧等多方面應用中所體現出的優勢，國外學者對靜電霧化過程進行了廣泛研究。20世紀60年代以來，國外學者對植保靜電噴霧技術進行了深入研究，研究范圍主要包括荷電霧化過程、荷電霧滴空間移動規律和荷電霧滴與植株交互行為分析等方面。

1982年，美國學者S.E.Law等人根據前人研究基礎首次提出了一種氣力式感應靜電霧化噴頭結構，從理論和技術兩個層面對霧化機理、荷電極限、結構設計、電路設計和空氣動力學設計等內容進行了論述，在荷電性能試驗中荷質比達到4.8mC/kg，荷電性能達到電暈荷電方式的2.4倍[7]。沉積試驗表明：荷電霧滴具有更容易在靶標背面沉積，沉積均勻性提高明顯；但靜電噴頭存在可靠性差，容易發生反向電離等問題。Law等繼續研究了荷電霧滴云的空間電位分布，并以荷電霧滴云電荷密度為主要參數分析了荷電霧滴云對荷電效果的影響，在考慮了反向電離、霧滴云空間電位及大田惡劣作業環境等因素的基礎上于1988年申請了氣力式靜電霧化噴頭專利，在1.4kV電壓下霧滴的平均荷質比達到10mC/kg[8-9]，基本滿足了靜電噴霧的荷質比需求。Patel等通過對比試驗研究了感應電極材質對荷電效果的影響，發現鍍鎳銅電極相比于純銅、黃銅(銅70%，鋅30%)和鋁等材料有更好的荷電效果，其荷質比在3kV電壓下達到了1.2mC/kg[10]，在業界首次表明了電極材料對荷電效果存在影響，遺憾的是其內在機理并沒有詳細闡述。隨后，結合印度農業生產特點和農藝需求，Patel又設計了一種氣力式靜電感應霧化噴頭，經合理選取結構和作業參數后荷質比也達到10mC/kg[11-12]。后續試驗進一步表明：輔助氣流壓力、噴霧距離等參數對荷質比存在顯著影響，為靜電噴霧施藥參數選取提供重要參考。針對氣力式靜電噴頭工作過程中易出現的反向電離問題，Jae-Duk Moon等韓國學者設計了一種新型氣力式靜電感應噴頭結構，將高壓電極環安裝在噴體框架外側，框架筒壁可以有效避免荷電霧滴在電極環上的沉積及其引發的反向電離難題[13]；然而，筒壁亦導致夾層極化現象產生，不利于霧滴的有效荷電，該結構實用性有待驗證。

荷電霧滴形成后，在向靶標作物運移過程中受自然環境條件影響，會出現電荷損耗現象，對霧滴的最終附著和沉積影響較大。Law等分析了霧滴蒸發、空間自由離子中和、霧滴瑞利極限和霧滴云對接地尖端氣隙放電等因素，得出荷電霧滴云形成的空間電場作用下荷電霧滴對植株尖端等物體的放電現象是導致霧滴電荷量損耗高達80%的主要原因，并嘗試了抑制尖端放電的不同措施，然而效果并不顯著[14-17]。因此，上述由于尖端放電導致的荷電霧滴電荷損耗問題還需要植保科研人員繼續進行研究和探索。靜電噴霧技術使得藥液霧化效果較好，霧滴粒徑較小，有利于均勻沉積，然而其霧滴漂移問題應引起重視。Patel針對這一問題設計了一種可安裝在靜電感應噴頭外部的附加氣流噴射裝置，其氣流入射錐角在0°～25°范圍可調，從而加快荷電霧滴云向目標作物的運輸，并可控制霧滴的覆蓋范圍，提高了荷電霧滴云的防漂移能力[18]。

荷電霧滴云經過輸運后到達靶標位置，其與靶標作物相互作用，從而實現各部位的均勻沉積是靜電噴霧的最終目標。Law總結多年的靜電噴霧研究工作，于2001年提出大田植保作業過程中靜電噴霧方式應與氣流輔助方式相結合，利用輔助氣流將荷電霧滴輸運到植株冠層，然后在靜電場力作用下實現荷電霧滴在冠層各部位的均勻沉積。大量的靜電噴霧試驗表明：霧滴粒徑在30～50μm、剩余荷質比大于2mC/kg時，荷電霧滴能夠實現較好的沉積效果[19-20]。Maski等印度學者試驗研究了電極電壓、藥液物化特性、施藥速度、施藥作物高度及方位對作物葉片正面、背面的沉積效果的影響，結果表明：電極電壓、藥液流量、藥液物化特性等參數顯著影響霧滴荷質比，施藥速度、作物高度及方位亦給霧滴沉積帶來明顯影響[21-22]。上述研究結果為靜電噴霧作業時不同作業環境下工況參數的合理選取提供重要依據。

除對上述靜電噴霧3個階段外，國外學者亦對靜電噴霧數值仿真、靜電高壓發生裝置等方面進行了研究。西班牙學者Grifoll等將荷電霧滴云視為一連續體，提出采用平均靜電場的思想進行荷電霧滴運動路徑的仿真分析，以克服傳統拉格朗日離散相模型在仿真荷電霧滴間交互影響過程中計算量過大、計算用時過長的弊端[23]，為靜電噴霧仿真研究提供了新的解決方案，可以為靜電噴霧理論的研究節約大量仿真用時和計算資源。Patel等設計了一種適用于感應靜電噴霧的高壓電發生裝置，其輸出電壓能在較高的頻率范圍內保持穩定，帶負荷運行時其電壓紋波和電壓損失滿足系統要求[24]。

3 國內植保靜電噴霧理論研究現狀

我國對植保靜電噴霧技術的研究起步較晚。20世紀70年代末，國內學者開始涉足該領域，從霧滴粒徑、荷質比、沉積分布規律等方面對植保靜電噴霧技術開展研究，并針對不同靶標作物進行了靜電噴霧性能和病蟲害防治效果測試及參數測定。

于水等對荷電霧滴的二次霧化破碎機理進行了建模分析，并得出了臨界荷質比和霧滴粒徑的關系[25]，為霧滴粒徑譜與荷質比的合理選取和確定提供依據。霍元平等進行了荷電液滴的破碎機理及電流體動力學特性的研究，利用顯微高速攝像和PIV技術捕捉微射流演變過程及荷電霧滴形成過程[26]；研究過程中，顯微高速攝像技術和PIV技術的成功運用對后續靜電霧化過程和霧滴流場研究具有重要參考價值。2010年，陳匯龍等利用FLUENT軟件對感應荷電噴霧中噴嘴與環形電極間的靜電場進行了數值模擬[27]，利用FLUENT軟件仿真分析數據豐富、可信度高的優勢分析了靜電場的分布特性，仿真結果表明：改變靜電場的分布特性改善荷電效果，為噴頭電極結構參數的設定提供依據。王曉英等則利用Ansoft Maxwell專業電磁場分析軟件對噴頭的靜電場進行了數值模擬，仿真結果明確了電極布置情況對靜電場分布的影響，試驗結果證明了不同電極布置情況下電場強度的變化過程及其對荷質比的影響[28]。茹煜等也利用Ansoft Maxwell軟件對提出的圓錐管狀電極結構的電場分布特性進行了仿真分析，并結合試驗手段得出了最佳感應荷電區域，試驗中10kV電壓下荷質比達到2.13mC/kg[29]。賈首星、高雄等人分別研究了液壓、氣壓、荷電電壓、氣候等因素對霧化效果及荷電效果的影響，并得出了最佳的工作參數組合[30-32]。試驗中最佳工作參數的獲得對國內靜電植保作業具有重要實用價值。

先進試驗測試技術和工具的運用為研究荷電霧滴云的運移規律、飄移特點等工作提供了有力工具。王貞濤等利用PDPA技術分析了雙流體荷電噴霧過程中不同荷電電壓下噴霧流場中霧滴粒徑、霧滴速度的分布規律，并研究了輔助氣流和靜電場對霧滴運動的影響[33]。顧萬玉等研究了接觸式荷電方式下靜電噴霧流場特性和沉積特性，開發了集中接觸式荷電裝置，并利用PIV系統和激光粒度分析儀分析了充電電壓、噴霧壓力等變量對粒徑分布、霧化角、霧滴速度場等參數的影響[34]。楊洲等考慮自然風對霧滴飄移的影響，研究不同側風風速和靜電電壓對噴桿式靜電噴霧模式下霧滴漂移的影響規律，試驗結果表明：靜電電壓的提高可以減小霧滴粒徑，并提高霧滴荷質比，不同側風風速下靜電噴霧的霧滴飄移中心距和飄失率較非靜電噴霧有增大的趨勢[35]。

在荷電霧滴與靶標作物交互沉積方面，國內學者利用試驗手段探究了各種作業參數、環境參數對霧滴沉積率、沉積均勻性的影響。王軍鋒等試驗分析了風幕式氣流輔助下荷電噴霧與非荷電噴霧的沉積效果，試驗結果表明：輔助氣流對荷電霧滴有更好的橫向防漂效果，荷電霧滴在目標物正反面的沉積效果更佳[36-37]。顧萬玉、邱白晶等具體研究了噴霧距離、沉積靶標空間分布等因素對荷電霧滴沉積效果的影響[38]。試驗表明：隨著噴霧距離增加，霧滴沉積率體現先增大后平緩下降的趨勢；模擬靶標等效面積過大或過小均不利于沉積效果的提升。這一結果說明，靜電噴霧施藥時應根據靶標作物葉面積系數、孔隙率等合理選取噴霧距離。賈衛東等針對扇形噴頭設計了一種雙平板感應式荷電裝置，在6kV電壓及合適的噴霧壓力下荷質比達到1.4mC/kg，試驗證明風幕和靜電作用有利于改善霧滴沉積效果，靜電噴霧的沉積變異系數減小了50.2%[39]，相比于非靜電噴霧體現出明顯優勢。周良富等研究了果園冠層施藥場景中風送靜電噴霧方式下充電電壓、風機頻率、噴霧距離和噴霧壓力等因素對霧滴覆蓋率影響的顯著性水平，通過試驗手段得出葉片正面覆蓋率、反面覆蓋率和正反面覆蓋率比值等3種響應下的影響因素的顯著性排序[40]。試驗得出的影響因素顯著性排序為果園植保過程中針對不同病蟲害的空間分布選取合理的作業參數組合提供了理論參考。

上述研究進程也體現出FLUENT、Ansoft Maxwell等先進數值分析軟件和激光粒度儀、PDPA技術、PIV技術、顯微高速攝像等高端試驗工具在靜電噴霧理論研究和試驗分析中所發揮的重要作用，為研究人員分析參數變化、獲取試驗數據提供了極大便利，也為后續研究人員開展靜電噴霧研究工作提供了有力的技術支持。

此外，隨著無人機植保作業技術的不斷發展，無人機植保技術與靜電噴霧技術相結合的新型植保作業模式也引起國內學者的重視。茹煜、廉琦等分別進行了無人機靜電噴霧系統的設計及研究工作，從無人機整體結構、靜電噴頭設計及高壓靜電供給方式等方面對無人機靜電噴霧技術進行了探究，試驗總結了最佳作業參數組合[41-42]。周宏平等從實用角度出發，在靜電電極、噴頭材料及噴頭加工工藝等多方面對航空靜電噴霧裝置進行改進設計，在優化選取的作業參數下荷質比達到2.26mC/kg，防治效率提升33.8%[43]。研究結果初步表明：無人機靜電噴霧技術作業效率高、人力需求小、藥液用量少等優勢，是未來農業植保作業的重要發展方向；同時，作為一種新型作業模式，無人機靜電噴霧技術還存在一些技術問題需要解決和完善，其作業適用范圍和作業參數組合還有待進一步測定。

4 國內外靜電噴霧植保機具

國內外學者不斷探究靜電噴霧相關理論問題的同時，利用理論成果研制了各具特色的多種試驗樣機，美、英、德等國還推出了各自的商業化產品。

Law等學者成功設計了氣力式靜電感應噴頭，ESS(Electrostatic Spraying System Inc.)公司購買其專利后經改進，推出了適用于不同作業場合的多款商業化產品，如圖1所示。其主要用于地面植保作業，適用于大田、果園和溫室大棚等作業環境。Carlton等長期從事航空靜電植保噴霧技術的研究，并于1999年獲得系統專利，其噴頭結構和實際作業圖如圖2所示[44]。美國休斯頓市SES公司(Spectrum Electrostatic Sprayers Inc.)收購了其專利后進行商品化生產，將其推向市場。Kirk、Carlton等繼續進行的大田試驗表明：其沉積率和霧滴沉積速度明顯提升，藥液使用量大幅下降。

圖1 ESS氣力式靜電噴霧產品

圖2 航空靜電噴霧系統

我國植保領域工作者也不斷將研究成果轉化為各種類型樣機，進行了大量的室內和大田試驗。邱白晶等研制了集中接觸式荷電噴霧樣機(見圖3)，并進行了噴霧速度場、霧錐角、霧滴粒徑和沉積效果等方面的試驗研究[30]。新疆農墾科學院的賈首星等吸收國外先進技術，結合新疆棉花大規模種植特點，研制了寬噴幅氣力式靜電噴霧機具(見圖4)，取得較好的實用效果。

圖3 集中接觸式荷電噴霧裝置

圖4 氣力式靜電噴霧樣機

5 研究方向和應用前景探討

雖然國外內學者對植保靜電噴霧技術進行了大量有意義的研究，并且已有實用化商業產品推入市場，但目前靜電噴霧機具的使用和普及范圍有限，尤其是在國內植保噴霧領域。究其原因，荷電效果不理想、施藥效果隨機性大、藥械成本高及可靠性低等因素是影響推廣使用的主要原因。為解決上述問題，應酌情開展以下工作：

1)霧滴荷質比的量化分析與控制。荷質比是靜電噴霧施藥過程的核心參數，其高低會顯著影響施藥效果。目前的研究大多以試驗研究和定性分析為主，對影響荷質比的諸多參數缺乏定量分析。國內外已有研究數據體現出各試驗之間荷質比的波動較大，商用化產品大田作業時也出現受環境影響較大，施藥效果明顯下降的狀況。同時，國外學者試驗中荷質比達到10mC/kg及以上，而國內研究中還處于2～3mC/kg荷電水平，與國外研究尚存差距。因此，有必要從電流體動力學理論角度深入分析影響荷質比的諸多參數，量化各參數與荷質比的關系，為田間工況參數的合理化選擇提供明確理論依據。

2)植保靜電噴霧技術相關標準、規范亟需建立和完善。目前，國內關于植保靜電噴霧技術的相關標準和規范非常缺乏，無法為植保靜電噴霧技術的研究和推廣提供明確的依據和指導，也不利于靜電噴霧技術產業的持續健康發展。應該借鑒國外進行靜電噴霧技術產業化推廣和應用方面的經驗，建立涵蓋材料與部件、制造、管理、使用和維護等環節的完善標準體系，為國內植保靜電噴霧技術產業的發展提供制度約束和保障。

3)無人機靜電噴霧技術的研究應得到重視。無人機靜電噴霧技術具有防治效果好、作業效率高、藥劑消耗量低等優勢，是未來高效超低量植保作業的發展方向。下洗氣流對荷電霧滴云運移的影響、荷電方式的選擇及荷電效率、荷電模式的選擇及機體電位的動態保持等問題應進行重點研究和分析。針對國內各種不同作物及其病蟲害特點，無人機靜電噴霧技術的適用范圍及其最佳作業參數組合還需要通過大量試驗研究予以測定。

6 結論

經過國內外專家多年的努力探索和工程技術人員的積極實踐，植保靜電噴霧技術取得了豐富的理論成果并研發了多款靜電噴霧樣機及商業化產品。然而，由于其本身所具有的多學科交叉的特點，以及多旋翼無人機植保等新型作業模式的出現，植保靜電噴霧技術仍然存在諸多理論盲點和技術難關有待研究和克服，已有商業化產品也存在投資成本高、可靠性較低、防治效果受環境影響大等問題。因此，繼續對靜電噴霧多參數相互影響機理、荷質比的定量控制、霧滴荷電量的耗散與保持、荷電霧滴與靶標作物的交互作用及有效沉積等問題進行系統深入研究，才能使靜電噴霧技術的大規模推廣和使用成為現實，進而減少環境污染，降低農業成本，促進農業發展和農民增收。