- Технологическая схема заготовки прессованного сена пошагово
- Технологическая схема заготовки рассыпного сена пошагово
- Прессованное сено
- Способы заготовки сена.
- Вопрос 17: технология заготовки прессованного сена
- Технология заготовки прессованного сена
- Сбор радиочастотной энергии — источники и методы
- Сборка и хранение силоса — Висконсинская кукурузная агрономия
- Послеуборочная техника
Технологическая схема заготовки прессованного сена пошагово
Технология заготовки прессованного сена без активного вентилирования
Прирост живой массы крупного и мелкого рогатого скота невозможен без создания надёжной и сбалансированной кормовой базы. При этом рацион для коров, овец и других животных должен разрабатываться таким образом, чтобы скот получал все необходимые его организму витамины, микроэлементы и питательные вещества. Наиболее бюджетным вариантом для обеспечения кормовой базы считается сено. Но на его питательные свойства влияет не только качество травы, но и технология заготовки сырья.
В настоящее время применяются две технологии заготовки сырья — рассыпная и прессованная. В первом случае речь идёт о небольших животноводческих хозяйствах, которым не требуется огромная кормовая база. Но если требуется прокормить несколько сотен голов скота, оптимальной считается заготовка прессованного сена.
Что подразумевает технологическая схема заготовки прессованного сена
Далеко не всегда сенокосы располагаются в непосредственной близости к животноводческим фермам.
- скошенную траву собирают и закладывают в пресс-подборщики
- готовые рулоны или тюки обвязывают прочным шпагатом
При этом масса готовых тюков или рулонов может варьироваться в самых широких пределах и составлять от 25-ти кг до полтонны.
Комплекс схем, применяемых при заготовке прессованного сена
Заготовка прессованного сена подразумевает использование одного из трёх видов сырья:
- Сенаж. Это нечто среднее между силосом и сушёным сеном. Корм этого типа приготавливается из подсушенной, измельчённой или плющеной травы, влажность которой составляет не более 50-60 %. Сенаж выгодно использовать в качестве корма животным благодаря высокому содержанию полезных и питательных веществ.
- Силосование. Технологически заготовка такого сырья напоминает сенаж, только в данном случае она не подсушивается, а укладывается в силосные ямы сразу же после покоса. Для сохранности сырья такую яму закрывают специально предназначенной для этого «земляной пробкой». В результате получается сочный, но достаточно грубый корм.
- Измельчённое сено. Это наиболее востребованная технология заготовки кормовой базы для крупного и мелкого рогатого скота. Чаще всего она применяется для злаковых трав. Измельчённое сено представляет собой скошенную траву с длиной стеблей около 8-14 см. Полученная масса должна хорошо проветриться, после чего её плотно укладывают на заранее подготовленную поверхность.
Машины для заготовки прессованного сена
Заготовка кормовых смесей невозможна без использования функционального оборудования, большинство из которого агрегатируется тракторами МТЗ. Получение прессованного сена подразумевает применение следующих машин:
- Косилки. Различаются по своим функциональным возможностям и техническим характеристикам (в частности, по количеству режущих аппаратов). Не менее важной характеристикой косилок является количество брусков: их может быть от одного до пяти. Непосредственный срез травы осуществляется пластинчатыми ножами.
- Плющилки. Являются одной из разновидностью косилок, однако имеют дополнительное оснащение в виде штифтовых барабанов или вальцов. Также от косилок отличаются тем, что перед началом работ требуют тщательной настройки. Так например, в зависимости от жесткости стеблей, необходимо выбрать разное давление вальцов.
- Пресс-подборщики. Наиболее важное оборудование при заготовке прессованного сена. Способны укладывать сырьё в рулоны или тюки. В результате получаются равные блоки овальной или прямоугольной формы, которые удобно перевозить различными видами транспорта. Готовая продукция обрабатывается муравьиной или пропионовой кислотой, что в значительной степени предотвращает потерю питательных веществ.
восстановление пастбищ и сенокосов
В данной статье мы рассмотрим некоторые методы улучшения состояния пастбищ: вспахивание почвы, осушение переувлажненных земель, внесение удобрений.
Читать подробнее
технология заготовки рассыпного сена
В этой статье мы расскажем о главных способах заготовки сена: кошении, сушке, укладки стогов.
подготовка пастбища к летнему выпасу животных
Из этой статьи Вы узнаете как правильно осуществляется подготовка к выпасу животных: очищается мусор, производится уборка сорных трав, удобряется почва.
правила и нормы хранения сена
В данной статье мы поговорим об основных нормах хранения сена: о возведении защитных сооружений, обеспечении вентиляции и т.п.
Читать подробнее
Технологическая схема заготовки рассыпного сена пошагово
Технологическая схема заготовки рассыпного сена
Одним из наиболее важных технологических процессов в сельском хозяйстве является заготовка кормов для крупного рогатого скота. Для создания качественных и сбалансированных кормовых смесей используется сено. После покоса травы его можно хранить в прессованном, не прессованном (рассыпном) виде, а также в виде гранул. Самой простой и удобной является технологическая схема заготовки рассыпного сена: она не меняется с глубокой древности, когда сено убирали без применения механизированных орудий. Сегодня такая технология сбора урожая применяется на небольших подсобных хозяйствах.Что подразумевает технология заготовки сена в рассыпном виде
Заготовка рассыпного сена подразумевает последовательное выполнение следующих операций:- скашивание
- сушка (ворошение)
- формирование копен
- укладка собранных копен в стог
Раньше заготовка рассыпного сена начиналась с раннего утра: скашивать траву, покрытую утренней росой проще, чем сухие стебли. К полудню скошенная трава немного подсыхала на солнце (для этого её нужно было периодически ворошить граблями или вилами). После окончательного просыхания травы её тщательно собирали в копны, а уже из них образовывался целый стог сена. При этом стог нужно было устанавливать на самое сухое место, предпочтительно вблизи дороги. Во избежание повреждения ветром стог огораживали деревянными столбами и распорками.
Сегодня все эти операции выполняют специальные машины для заготовки рассыпного сена. Правда, технологически они почти в точности повторяют все операции по ручной сборке рассыпного сена. Такие машины позволили значительно увеличить производительность труда при заготовке кормов, что позволило создавать скирды с сеном весом в несколько десятков тонн.
Как используются машины для заготовки рассыпного сена
Применение тех или иных машин для заготовки рассыпного сена зависит от конкретного технологического процесса:
- Скашивание. Процесс сбора травы осуществляется посредством косилок, которые агрегатируются тракторами МТЗ. Одна машина может одновременно использовать до трёх косилок, что особенно пригодится при работе на полях большой площади. Ширина охвата одной косилки (около 6 м), позволяет значительно увеличить производительность и выполнить все запланированные работы в точно установленные сроки.
- Ворошение. Для равномерной просушки всей собранной травы по массе используются роторные грабли, агрегатируемые трактором МТЗ. Большинство модификация роторных граблей обладают довольно большой производительностью (до 7 га/час), что позволяет избежать задержек в работе. Особенно внимательно следует отнестись к ворошению нижнего слоя сена.
- Формирование валков. Этот этап заготовки кормов необходим в случае, если уровень влажности собранной травы превышает допустимые нормы. Для этой операции вновь необходимо задействовать роторные грабли, но настроенные на сбор сена в валок.
- Подбор валков. После того как сено просушено до нужного уровня, его необходимо собрать в копны. С этой целью применяются подборщики-накопители, агрегатируемые трактором МТЗ.
- Погрузка сена. После того, как сено было собрано в копны, его необходимо отвезти к месту скирдования, то есть к непосредственной близости к животноводческим предприятиям. С целью транспортировки сена применяется копновоз, агрегатируемый трактором МТЗ.
- Создание скирд. Собранное сено необходимо сформировать в скирды посредством постепенного наращивания по длине путём увеличения плотности сена. Для этого используется скирдооформитель. Это специальное устройство, не имеющее дна и задней стенки. Загрузка сена осуществляется стогометателем, а прессование — уплотнительным механизмом.
Таким образом, технологическая схема заготовки рассыпного сена не меняется на протяжении многих веков. Сегодня данная технология применяется почти исключительно на небольших хозяйствах. А вот крупные предприятия сегодня преимущественно используют технологию прессованной заготовки сена: она гораздо экономичнее и не требует применения большого количества машин.
восстановление пастбищ и сенокосов
В данной статье мы рассмотрим основные агротехнические приемы для увеличения урожайности пастбищ.
Читать подробнее
технология заготовки прессованного сена
В этой статье мы расскажем как заготавливать прессованное сено и какую вспомогательную технику при этом использовать.
подготовка пастбища к летнему выпасу животных
Из этой статьи Вы узнаете как правильно проводить подготовку пастбищ: убирать мусор, выдергивать сорные травы, вносить удобрения.
правила и нормы хранения сена
В данной статье мы поговорим о главных правилах хранения сена: о сушке, укладке, использовании защитных сооружений и т.д.
Читать подробнее
Прессованное сено
Нередко сенокосы находятся на значительном расстоянии от животноводческих ферм.
В этом случае работа с рассыпным сеном усложняется, нерационально используется транспорт по его доставке. В такой ситуации наилучшим способом заготовки сена является прессование его в тюки и рулоны и доставка их на хранение под навесами и в сенохранилища ближе к месту потребления.
Заготовка прессованного сена имеет несколько вариантов технологических операций. До процесса прессования технологии скашивания и сушки травы аналогичны технологиям заготовки рассыпного сена. Травы скашивают в прокосы косилками с одновременным или последующим плющением, для ускорения сушки в прокосах их 1…2 раза ворошат, затем при влажности 35…45 % сгребают в валки, которые также 1…2 раза переворачивают. В валках траву сушат до влажности 20…22 %.
Очень важно получить однородное по влажности сено. Это первое принципиальное отличие технологии заготовки прессованного сена.
Из валков сено подбирают и сразу же прессуют в тюки пресс-подборщиками ПС-1,8, ППЛ-Ф-1,6М и ПКТ-Ф-2 с обвязкой тюков шпагатом. Подборщики ПС-1,8 и ППЛ-Ф-1,6М формируют тюки массой 24…36 кг, а подборщик ПКТ-Ф-2 — массой до 500 кг. Сухое сено прессуют до плотности 200 кг/м3, сено с некондиционной влажностью — до 100…130 кг/м3, оно нуждается в досушивании до влажности 17 % активным вентилированием.
Тюки загружают в транспортные средства и доставляют к месту укладки на хранение. Укладку тюков в штабеля, скирды и сенные емкости проводят транспортерами ТТ-4, ТПУ-7, погрузчиками ПФ-0,5, ПГ-0,2 и др.
При укладке тюков в скирду (штабель) на открытой площадке необходимо исключить контакт нижних тюков с почвой во избежание их порчи. Для этого устраивают деревянные настилы, подстилку из хвороста толщиной до 30 см или из соломы — 70 см. Скирду обычно формируют длиной 20 м и шириной 5,5 м. Первые восемь рядов тюков укладывают строго отвесно, девятый ряд — карнизный, с девятого ряда начинают постепенное вершение, т. е. сужение каждого последующего ряда на 30…35 см. Верх укрывают соломой слоем 70…90 см, брезентом или полиэтиленовой пленкой, чтобы влага не попадала внутрь скирды. Под навесами, в сенных сараях, на чердачных сеновалах тюки укладывают плотно с максимальным использованием объема помещения.
Иногда приходится прессовать недосушенное сено влажностью 20…25 % (до 30 %). В этом случае обязательно необходима после-дующая технологическая операция — досушивание тюков активным вентилированием. Применяют те же устройства, что и при досушивании рассыпного сена. Чтобы успешно досушить сено до кондиционной влажности, надо уменьшить плотность прессования до 100…135 кг/м3. Здесь действует правило: чем выше влажность сена, тем меньше плотность прессования.
С учетом производительности вентиляционной установки первый нижний слой тюков кладут толщиной 2…2,5 м, сушат до влажности 17 %. Затем загружают второй слой толщиной до 1,5 м и продолжают вентилировать, сушат этот слой сена также до нормы, потом загружают верхний слой тюков толщиной до 1,5 м и доводят его до кондиционной влажности. На этом вентилирование прекращают, однако периодически контролируют состояние хранимого сена. При необходимости проводят дополнительное вентилирование и устраняют очаги самосогревания.
Прием активного вентилирования и досушки сена в тюках требует особого вн
Способы заготовки сена.
Способы заготовки сена.
Существует несколько способов заготовки сена.
Полевая сушка. Методом полевой естественной сушки готовят прессованное и рассыпное сено. После скашивания травы, не позднее следующего дня ее ворошат. Провяливание трав в прокосах проводят до 40 %-й влажности для злакового травостоя и до 50 %-й — для бобового. После этого провяленную массу сгребают в валки и досушивают до 25-30 %-й влажности. Затем сено укладывают в копны и доводят влажность до 16-17 % для длительного хранения в рассыпном виде. При заготовке прессованного сена проводят прессование травяной массы, когда влажность ее в валках будет не более 20 %. Плотность тюков может достигать при этом 180-200 кг/м3.
Приготовление сена методом активного вентилирования. Досушивание трав методом активного вентилирования — прогрессивный способ заготовки кормов. Он дает возможность значительно сократить время сушки трав в поле, что способствует уменьшению потерь питательных веществ и витаминов. Технология сушки сена позволяет полностью исключить ручной труд, облегчает проведение технологических операций в ненастную погоду, при этом обеспечивается высокая питательность корма.
Методом активного вентилирования готовят рассыпное неизмельченное, измельченное и прессованное сено. Скошенную массу провяливают в поле в прокосах, а затем в валках до влажности 35-40 %. При заготовке прессованного сена плотность тюков не должна превышать 140 кг/м3.
Измельченная и подсушенная сенная масса разгружается на вентиляционные короба хранилища, где досушивается до кондиционной влажности 15-17% атмосферным или подогретым воздухом с помощью вентилятора. Сено, приготовленное по такой технологии, не уступает по питательности травяной резке, приготовленной на барабанной сушилке. При этом себестоимость сена ниже, чем резки, в 1,5-2 раза.
Приготовление сена с использованием химических консервантов. Из-за неустойчивой погоды в период уборки кормов не всегда представляется возможность вести заготовку высококачественного сена путем естественной сушки в поле. Потери питательных веществ в этом случае достигают 35-40 % и более. С целью повышения качества корма и снижения потерь питательных веществ заготовку сена повышенной влажности проводят в прессованном виде с применением химических консервантов. В качестве консервантов используют органические кислоты (пропионовую, муравьиную), а также их смеси и концентрат низкомолекулярных кислот (КНМК). Дозы внесения консервантов при заготовке прессованного злакового сена колеблются от 5 до 30 кг/т в зависимости от влажности убираемой массы (от 22 до 35 %).
Помимо органических кислот широкое распространение нашел метод заготовки сена повышенной влажности с использованием безводного аммиака. Установлено, что количество безводного аммиака, составляющее 3 % от массы сена, достаточно для сохранения корма повышенной влажности в прессованном виде или в скирде.
- Подробности
- Раздел: КОРМЛЕНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЖИВОТНЫХ
Вопрос 17: технология заготовки прессованного сена
Прессованное сено в сравнении с рассыпным имеет преимущества, главное из которых — сокращение потерь при заготовке и хранении. При прессовании в 3—4 раза снижаются трудовые затраты, уменьшаются потери каротина. В сенохранилище прессованного сена помещается в 2—3 раза больше, чем рассыпного. При его перевозке более экономно используются транспортные средства и уменьшаются механические потери.
Главное условие заготовки высококачественного прессованного сена — получение однородной по влажности массы. Технология приготовления прессованного сена включает: скашивание —» плющение бобового и бобово-злакового травостоя -> ворошение -» прессование -» подбор тюков -> скирдование.
Влажность массы при заготовке прессованного сена может быть 22—24 % для северных и центральных и 28—30 % для южных областей. При досушивании активным вентилированием масса прессованного сена (до вентилирования) может иметь влажность 30—35 %.
Плотность прессования зависит от влажности прессуемой массы. Для полностью высушенного сена она может составлять
200 кг/м3, для сена повышенной влажности — 100—110, но не
более 130 кг/м3. Заготавливать прессованное сено из люцерны и других бобовых можно и при влажности 20—25 %, но плотность прессования не должна превышать 80—90 кг/м3.
Подбирают и прессуют валки пресс-подборщиками ППЛ-Ф-1,6, ПСБ-1,6, К-442/1, ПРП-1,6, ПР-Ф-750.
В Нечерноземной зоне целесообразно прессовать полностью высушенное или повышенной влажности сено, но с обязательным досушиванием активным вентилированием. В этой зоне лучше прессовать сено в виде укороченных тюков (кип) размером 40x36x52 см, в таком случае они имеют массу 12—14 кг при
плотности прессованного сена около 130 кг/м3.
Чтобы получить укороченные тюки, на валу зубчатого мерительного колеса пресс-подборщика закрепляют дополнительный палец включения, диаметрально противоположный первому. Перемещаясь по прессовальной камере, тюк поворачивает мерительное колесо, и дополнительный палец приводит в действие механизм включения за пол-оборота, а не за один оборот мерительного колеса. Пресс-подборщик ПС-1,6 оборудуют лотком-склизом ЛПУ, который служит как бы продолжением прессовальной камеры. По нему готовые тюки подаются в тележку, прицепленную к пресс-подборщику.
Подбирать тюки прессованного сена с поля и перевозить их к месту складирования можно с помощью универсального подборщика ГУТ-2,5 и транспортировщика штабелей ТШН-2,5.
Максимальная сохранность питательных веществ достигается при хранении прессованного сена в сенных сараях. Оптимальная масса скирды прессованного сена 40—60 т, ширина 4— 6 м, высота 3,5—4,5 м. Более высокая укладка может привести к разрушению скирды. Прямоугольный способ укладки скирды один из самых простых. При хранении тюков в сараях или под навесами верхняя часть скирды может оставаться ровной. Если прессованное сено хранится на открытых площадках, верхнюю часть скирды делают с конусообразным возвышением. Для уменьшения потерь верхнюю часть скирды закрывают синтетической пленкой, закрепив ее. Если пленки нет, скирду обычно укрывают слоем сена или соломы низкого качества.
Технология заготовки прессованного сена
Прогрессивный и экономичный способ получения качественного корма из трав — заготовка прессованного сена. При этом используют пресс-подборщики, которые подбирают массу из валков и прессуют ее в кипы, обвязываемые шпагатом или проволокой.
По конструкции камеры прессования и форме образуемой кипы пресс-подборщики делят на поршневые и рулонные.Первые формируют растения в прямоугольные кипы (тюки) длиной 0,5…2,5 м поршнем, совершающим возвратно-поступательное движение в прямоугольной прессовальной камере, вторые — в цилиндрические кипы (рулоны) в цилиндрической камере прессования переменного или постоянного объема.
У поршневых пресс-подборщиков подача растительной массы в камеру прессования может быть боковой, нижней или верхней. Наиболее распространены машины с боковой подачей, асимметрично расположенные относительно продольной плоскости трактора, с которым их агрегатируют.
В пресс-подборщиках с нижней подачей предварительно уплотненную растительную массу подают в прессовальную камеру снизу. Такие машины компактнее, чем с боковой подачей, и симметрично расположены относительно продольной плоскости трактора. Предварительное уплотнение снижает мощность на прессование, сформированные тюки легко разделяются на порции, что упрощает их дальнейшее использование. Нижнюю подачу массы используют для формирования крупногабаритных тюков массой 500…600 кг.
Пресс-подборщики с верхней подачей растительной массы к поршню применяют редко.
Рулонные пресс-подборщики с камерой прессования переменного объема уплотняют массу между транспортером и барабаном и закручивают ее в петлю, образованную бесконечными прорезиненными прессующими ремнями. По мере поступления массы диаметр петли увеличивается и образуется рулон заданного диаметра и постоянной плотности.
В камере прессования постоянного объема прессующие ремни отсутствуют. Рулон в ней формируется роликами, вальцами или цепями прессующего механизма. Такие пресс-подборщики проще по конструкции и надежнее в работе. Образованные ими рулоны имеют рыхлую середину и плотный наружный слой. Их можно хранить под открытым небом и досушивать активным вентилированием.
Пресс-подборщик крупногабаритных тюков ПКТ-Ф-2предназначен для подбора сена или соломы и прессования их в крупногабаритные прямоугольные тюки массой до 500 мг с обвязкой синтетическим шпагатом.
Спрессованная масса при движении в прессовальной камере поворачивает мерительное колесо, которое при достижении определенной длины тюка включает в работу вязальный аппарат. При этом иглы, проходя в пазах поршня, подают нити к узловязателям, где происходят связывание зажатых и поданных концов нитей шпагата и захват отрезанных, предназначенных для следующего тюка.
Длину формируемых тюков регулируют мерительным колесом, расположенным с правой стороны крыши прессовальной камеры. Регулятор плотности с гидросистемой для изменения плотности прессования тюков находится на левой стенке прессовальной камеры.
Пресс-подборщик обеспечивает надежность обвязки и полноту сбора сена до 98%. Его агрегатируют с тракторами класса 1,4 и 2. Для обвязки тюков применяют синтетический шпагат со средней разрывной нагрузкой не менее 310 Н.
Пресс-подборщик ППЛ-Ф-1,6Мпредназначен для подбора валков сена или соломы, прессования их в тюки прямоугольной формы с автоматической обвязкой тюков и погрузкой их в рядом идущее транспортное средство на высоту до 3,6 м или укладкой на поле. В зависимости от типа вязального аппарата тюки обвязываются синтетическим шпагатом или проволокой.
Плотность прессования массы устанавливают с помощью регулятора плотности за счет изменения сечения выходного окна прессовальной камеры. Если регуляторам не удается достичь необходимой плотности, следует переставить уплотнители камеры прессования на другие отверстия (ближе к концу камеры). При повышенной плотности прессования уплотнители снимают.
Длину формируемого тюка регулируют, перемещая специальный хомутик по дуге мерителя. При перемещении хомутика вверх длина тюка увеличивается, при перемещении вниз — уменьшается. Для длины тюков 800 и 1000 мм на дуге мерителя нанесены риски с этими цифрами.
ППЛ-Ф-1,6М агрегатируют с тракторами тягового класса 1,4. Расход проволоки на 1 т прессованного сена до 7 кг, на 1 т соломы до 9 кг. Расход шпагата на 1 т сена до 0,9 кг, на 1 т соломы до 1,4 кг.
Рулонный безременный пресс-подборщик ПР-Ф-750предназначен для подбора валков сена или соломы и прессования их в тюки цилиндрической формы (рулоны) с автоматической обвязкой синтетическим шпагатом.
ПР-Ф-750 можно использовать при заготовке рассыпного сена без обмотки рулонов шпагатом. При этом устанавливают минимальную плотность прессования.
Пресс-подборщик агрегатируют с тракторами тяговых классов 1,4 и 2. Для обвязки рулона применяют синтетический шпагат, его расход 0,25…0,5 кг/т.
Рулонный пресс-подборщик ПРП-1,6предназначен для подбора валков сена или соломы и прессования их в тюки цилиндрической формы (рулоны) с автоматической обвязкой шпагатом.
Как только диаметр рулона достигнет заданного значения, звучит звуковой сигнал и включается аппарат, обматывающий рулон шпагатом, агрегат останавливают. После включения обматывающего аппарата игла опускается и подает конец шпагата длиной 300…400 мм на транспортер.
Рис. 1Схема рабочего процесса пресс-подборщика ПРП-1,6:
1- подборщик; 2 — начальная петля рулона, 3 — рамка; 4 — прессующие ремни; 5-подпружиненная штанга; 6- гидроцилиндр; 7-клапан; 8- защелка; 9- подвижной валик; 10- барабан; 11 — транспортер
Плотность прессования регулируют, изменяя натяжение прессующих ремней за счет изменения положения натяжной рамки с помощью гидроцилиндра. При максимальной плотности прессования показания манометра клапана гидросистемы не должны превышать 5 МПа. Машину агрегатируют с трактором тягового класса 1,4. Расход шпагата на 1 т сена до 0,35 кг, на 1 т соломы 0,5 кг.
Для подбора крупногабаритных тюков и рулонов, погрузки их в транспортные средства и укладывания в штабеля используют приспособление ПТ-Ф-500 или ППУ-Ф-0,5. Их монтируют на подъемной раме погрузчиков ПКУ-0,8, ПФ-0,5Б (ПФ-0,5), а также на навесную систему тракторов тягового класса 1,4.
Сбор радиочастотной энергии — источники и методы
1. Введение
По мере роста спроса на беспроводные сенсорные сети (WSN) резко возрастает и потребность во внешнем источнике питания. Помимо проблем, связанных с подзарядкой и заменой, размером и весом, батареи являются истощаемым источником с неблагоприятным воздействием на окружающую среду. По этим причинам очень желательно найти альтернативное решение, чтобы преодолеть эти ограничения мощности.
Окружающая среда представляет собой относительно хороший источник доступной энергии по сравнению с энергией, хранящейся в батареях или суперконденсаторах.В этом контексте сбор энергии, также известный как сбор энергии и сбор энергии, является альтернативным процессом для первичных батарей, в котором энергия получается из окружающей среды. Сборщик энергии обычно улавливает, накапливает, накапливает и управляет окружающей энергией, чтобы преобразовать ее в полезную электрическую энергию для автономных беспроводных сенсорных сетей. Использование улавливания энергии сводит к минимуму техническое обслуживание и затраты на эксплуатацию; следовательно, батареи могут быть удалены как в WSN, так и в портативных электронных устройствах.
Доступно множество потенциальных способов получения энергии из окружающей среды, включая энергию солнца и ветра, радиочастотную энергию и океанские волны, а также тепловую энергию и механические колебания [1–3]. Публикаций по этой теме в литературе становится все больше. Таким образом, было опубликовано множество работ по сбору энергии как возможной альтернативе батареям. Работа Сардини и др. [4] предложил автономный датчик, работающий за счет механической энергии, исходящей от скорости воздушного потока.Таким образом, безбатарейный датчик использует собранную энергию для измерения температуры и скорости воздуха. Совершенно иной подход предлагается Tan et al. в исх. [5]. Авторами исследована система ветроэнергетического сенсорного узла. Измеряя эквивалентное электрическое напряжение или частоту на выходе ветряного генератора, можно косвенно получить измерение скорости ветра. Основываясь на полученной информации о скорости ветра, система управления пожаротушением определяет условия распространения лесного пожара, так что специалисты по пожаротушению могут принять соответствующие меры по тушению пожара.
В этой статье основное внимание уделяется технологии сбора энергии с использованием электромагнитной энергии, захваченной из нескольких доступных внешних источников РЧ-энергии, таких как теле- и радиопередатчики, мобильные базовые станции и микроволновые радиоприемники. Этот метод очень полезен для датчиков, расположенных в суровых условиях или удаленных местах, где другие источники энергии, такие как ветровые или солнечные источники, неосуществимы. В этом контексте данная работа представляет собой обзор достижений в области лесозаготовок в РФ. Основные компоненты системы сбора радиочастотной энергии обсуждаются в разделе 2.В разделе 3 представлены различные измерения окружающей радиочастотной энергии, полученные в опубликованных статьях. Введение в технологию сбора радиочастотной энергии в технологии радиочастотной идентификации (RFID) представлено в разделе 4. Наконец, в разделе 5 сделаны выводы.
2. Обзор системы сбора радиочастотной энергии
Базовая структура радиочастотной Система сбора энергии состоит из приемной антенны, согласующей цепи, пикового детектора и лифта напряжения.Когда электромагнитные волны захватываются антенной, напряжение усиливается с помощью согласующей схемы, сигнал преобразуется в значение напряжения с помощью пикового детектора, и, наконец, это выходное напряжение регулируется с помощью подъемника напряжения.
Вся система, состоящая из приемной антенны, согласующей сети и выпрямителя, обычно известна как выпрямительная антенна или ВЧ / постоянный ток (DC), которая способна собирать высокочастотную энергию в свободном пространстве и преобразовывать ее в мощность постоянного тока. Подробности каждого блока впоследствии обсуждаются для определения технических характеристик и ограничений системы преобразования энергии.
Кроме того, в систему сбора энергии могут быть интегрированы блок управления питанием и другой блок для хранения энергии. Подсистема накопления энергии отвечает за хранение всей захваченной энергии и обеспечение постоянного выходного напряжения.
Energy harvester — многообещающее энергетическое решение для WSN. Вместо того, чтобы полагаться на централизованные источники энергии для зарядки, сенсорные устройства используют существующую энергию в окружающей среде. Напряжение постоянного тока хранится в запоминающем конденсаторе или суперконденсаторе для питания интегральных схем.
Антенна
Технология сбора ВЧ-энергии, как упоминалось в предыдущем разделе, требует эффективной антенны со схемой, способной преобразовывать напряжение переменного тока (AC) в напряжение постоянного тока. Интерфейс — ключевой компонент для обеспечения успешной работы системы RFEH. Он должен улавливать электромагнитные волны, которые позже будут использоваться для питания интегрированной системы.
Кроме того, эффективность антенны связана с частотой: энергия, полученная от антенны с небольшой полосой пропускания, чем от широкополосной приемной антенны, используемой для захвата сигналов от нескольких источников.Радиочастотная антенна может собирать энергию из различных источников, включая сигнал телевещания (сверхвысокие частоты (UHF)), мобильные телефоны (900–950 МГц) или локальную сеть (2,45 ГГц / 5,8 ГГц).
В принципе, мощности, получаемой от радиочастотных сигналов, достаточно для постепенного питания микроэлектронных устройств; однако эта мощность может резко возрасти при использовании конфигурации массива. Следовательно, максимально возможная мощность может быть достигнута за счет правильного размещения одинаковых антенн (с той же схемой согласования и управления мощностью) [6, 7] или за счет использования антенн, работающих на разных частотах [8].Существует тенденция включать антенну, обычно патч-антенну, и выпрямитель на одной печатной плате [9].
Эквивалентная электрическая модель антенны представляет собой источник переменного напряжения ( В, и ) с последовательным сопротивлением ( Z и ), как показано на рисунке 1. Амплитуда источника переменного напряжения зависит от доступного мощность ( P AV ) и реальное сопротивление ( R ant ). Средняя полученная мощность (P AV ) зависит от плотности мощности ( S ) и эффективной площади антенны ( A e ), как выражено в формуле.(1):
Рисунок 1.
Эквивалентная схема антенны.
Полная полученная мощность ( S ) может быть рассчитана с использованием уравнения передачи Фрииса (уравнение (2)). S является функцией нескольких параметров: передаваемой мощности ( P TX ), усиления передающей антенны ( G TX ), усиления принимаемой антенны ( G RX ), длины волны. ( λ ), коэффициент потерь ( L C ) и расстояние между передатчиком и антенной ( r ):
S = PTX · GTX · GRX · LC · (λ / 4 · π · r) E2Импеданс антенны может быть выражен формулой.(3), где реальная составляющая представлена двумя сопротивлениями: одно связано с используемым материалом ( R потери ), а другое связано с излучением электромагнитной волны ( R s ). Однако мнимая составляющая X и зависит от конструкции антенны, обычно индуктивной для рамочной антенны и емкостной для патч-антенны. Стандартные значения Z ant составляют 300 Ом (закрытая дипольная антенна), 75 Ом (открытая дипольная антенна) и 50 Ом (беспроводные системы):
Zant = (Rloss + RS) + jXant = Rant + jXE3Действительно, концепция сбора радиочастотной энергии требует эффективной антенны с высокими характеристиками. Поэтому несколько исследователей сосредоточились на высокоэффективных приемниках для сбора электромагнитных волн. Мун и Юнг [10] предложили интересную конструкцию антенны для системы сбора ВЧ-энергии на основе двух излучателей: основного — печатного дипольного излучателя и паразитного — с петлевой структурой. Паразитный излучатель подходит для приема радиочастотной мощности во всех направлениях от основного излучателя. Однако Xie et al. [11] разработали гексагональную микрополосковую антенную решетку, работающую на частоте 915 МГц, чтобы получить максимально возможную радиочастотную энергию для преобразования в мощность постоянного тока для освещения светоизлучающих диодов (LED).
Схема согласования
Цепи согласования в основном используются для согласования импеданса антенны со схемой выпрямителя с целью достижения максимальной мощности и повышения эффективности за счет использования катушек и конденсаторов [12, 13]. Доступно несколько согласующих схем; однако основные предложенные конфигурации включают трансформатор, параллельную катушку и LC-сеть, как показано на рисунке 2.
По экономическим причинам RFID-метки и сенсорные сети используют шунтирующий индуктор и LC-сеть в качестве согласующих сетей. вместо трансформатора.Более того, желательно, чтобы антенны с высоким импедансом (например, дипольная антенна) использовали параллельную катушку [12], тогда как сеть LC используется для антенн с малым импедансом (например, антенна Wi-Fi) или когда доступная мощность P AV низкий [13].
Рисунок 2.
Согласование сетевых цепей: трансформатор (a), шунтирующий индуктор (b) и LC-сеть (c) [12].
Как упоминалось ранее, схема согласования импеданса предназначена для увеличения коэффициента усиления по напряжению и уменьшения потерь при передаче; это означает, что импеданс, видимый антенной, равен импедансу антенны [14].Эквивалентная схема и нормализованное входное напряжение показаны на рисунке 3. Следовательно, Vin достигает максимального уровня, когда α равно единице, то есть когда Rin и Rant равны.
В радиодиапазоне несоответствие импеданса между антенной и выпрямителем можно заменить схемой настройки для регулировки частоты приемника [15, 16]. Многодиапазонные коммерческие антенны обычно снабжены фильтрами [17]; однако выходная мощность ниже, чем должна быть [18].Пример импеданса согласующей цепи, предназначенного для телевизионного диапазона частот, образованного пассивными компонентами и использующего LC-сеть, обсуждается в работе. [19].
Кроме того, к согласующей цепи может быть добавлен закороченный шлейф, который представляет собой провод, длина которого зависит от длины волны и заканчивается на плоскости заземления. Таким образом, система работает как резервуарный контур [9, 20]. Однако в работе Ref. В [21] авторы предложили приближенный метод с использованием резистора, включенного последовательно с антенной.Текущая тенденция состоит в том, чтобы включить антенну, согласование импеданса и выпрямитель в печатную плату [19]. Система RFEH спроектирована на той же печатной плате, что позволяет избежать потерь в кабеле (см. Рисунок 4).
Рисунок 3.
Передача энергии по согласующей цепи [14].
Рисунок 4.
Расчетная схема RFEH [9].
Выпрямитель
Радиочастотный сигнал, захваченный антенной, представляет собой сигнал переменного тока (AC). Чтобы получить сигнал постоянного тока из сигнала переменного тока и повысить эффективность системы преобразования ВЧ-постоянного тока, используется схема выпрямителя.Подсистема выпрямления или пиковый детектор, которая уже использовалась в кварцевых радиоприемниках, состоит только из диодов и конденсаторов.
Когда расстояние от источника радиочастоты велико и принимаемая мощность недостаточно высока, вход выпрямителя необходимо усилить, чтобы запитать схему (для сетей датчиков или RFID-меток требуется не менее 3,3 В). Наиболее популярным выпрямителем является модифицированный умножитель Диксона, который выполняет функцию выпрямления радиочастотного сигнала и увеличивает постоянное напряжение.Более того, во многих работах для замены диодов использовалась дополнительная технология металл – оксид – полупроводник (CMOS) [13, 22]. Были представлены и другие способы исправления сигналов переменного тока, включая схему Грейнахера или удвоитель напряжения [23], схему Коккорфта – Уолтона [20], резонансный умножитель [24, 25], умножитель Вилланса [26] и повышающий преобразователь [23, 27]. ].
Выбор схем выпрямления зависит от радиочастотного сигнала и принимаемой мощности, поскольку разные значения постоянного напряжения могут быть получены с одной и той же схемой и разными источниками радиочастоты.Множитель обычно формируется с использованием разных этапов; каждый каскад включает в себя два диода и два конденсатора. Выходное напряжение более важно при большом количестве ступеней. Однако, поскольку потери в диодах увеличиваются с увеличением номера каскада, это влияет на эффективность системы. Влияние номера каскада выпрямителя на получаемую мощность показано на рисунке 5. Для низкой принимаемой мощности (Pin <0 дБмВт) выходное напряжение ( В, , из ) практически не зависит от номера каскада, в то время как эффективность подходит для меньшего количества этапов. Диапазон высокого напряжения достигается, когда принимаемая мощность составляет около 0 дБмВт и количество ступеней велико, тогда как эффективность снижается, когда В, , из , достигают своего максимума. Таким образом, кажется трудным достичь хорошего проектирования из-за влияния принимаемого сигнала на систему RFEH.
Эффективность умножителя ( η rect ) зависит от входной и выходной мощности ( P in_rect и P out_rect , соответственно), как выражено в уравнении.(4). Однако эффективность системы RFEH ( η RFEH ) зависит от генерируемой мощности ( P out_dc ) и получаемой мощности ( P in_rf ). η RFEH можно рассчитать по формуле. (5):
ηrect = Pout_rect / Pin_rectE4Диоды, обычно используемые в качестве компонентов выпрямления, — это диоды Шоттки, тогда как германиевые диоды также используются для радиосхемы пикового детектора. Анализ характеристик некоторых диодов Шоттки представлен в таблице 1.
Устройство | IS (A) | RS (Ω) | CJO (pF) | 9020 BV (V)IBV (A) | |||||||||
SMS7630 | 5E-6 | 20 | 0,14 | 0,34 | 2 | 0 9023 HS235 -282X | 2. 2E-8 | 6 | 0,7 | 0,65 | 15 | 1E-04 | |
HSCH-9161 | 12E-6 | 50 | 0,03 | 9027 12
Таблица 1.
Параметры диодов Шоттки.
Рисунок 5.
Зависимость множителя ступеней от выходного напряжения и КПД [28].
Эквивалентная схема выпрямителя, показанная на рисунке 6, моделируется входным сопротивлением R в || C в , в дополнение к источнику тока, зависящему от входного напряжения, и постоянному выходному резистору, который представляет потери выпрямителя [14].Значение выходного напряжения определяется номером каскада ( N ) умножителя.
Рисунок 6.
Эквивалентная схема умножителя [14].
Кроме того, эквивалентная схема умножителя также может быть получена с помощью математического уравнения [14], моделирования модели [12] или измерения [26].
3. Измерение сбора энергии радиочастотного окружения
Как упоминалось ранее, система RFEH способна восстанавливать энергию из доступных источников радиочастотного электромагнитного излучения, присутствующих в окружающей среде, таких как телефонные станции, радио- и телевещание. В таблице 2 суммированы основные характеристики систем RFEH, предлагаемых в литературе. Как можно видеть, собранная энергия очень мала, что влечет за собой снижение производительности схемы.
На рисунке 7 показана принимаемая мощность как функция расстояния от источника ВЧ-мощности на УВЧ. Как видно, для свободного пространства 40 м максимальная теоретическая мощность, доступная для преобразования, составляет 1 мкВт и 7 мкВт для частот 2,4 ГГц и 900 МГц соответственно.
Как упоминалось выше, многие другие источники энергии, включая вибрацию, фотоэлектрические и тепловые, были умело преобразованы в полезную энергию с использованием различных методов.В таблице 2 представлены некоторые методы сбора урожая с указанием их мощности по выработке электроэнергии.
Несмотря на то, что плотность мощности RFEH ниже, чем у других источников, этот метод питания может быть полезен, особенно для узлов датчиков, расположенных в суровых условиях, где использование других источников, таких как энергия ветра или солнца, невозможно.