一种基于高压放电的除草装置

本发明属于除草技术领域，更具体地，涉及一种基于高压放电的除草装置。

背景技术：

农田中的杂草是影响农业生产的重要因素之一。手动的人工机械式除草方法简单，但是效率低下，且会造成水土流失。除草剂是最快捷、高效的杂草防除方式，分为化学除草剂和生物除草剂。化学除草剂的除草效果受较多环境因素的影响，且长期使用单一的化学除草剂会使杂草对该种化学除草剂出现抗药性，除草效率逐渐下降，更重要的是，化学除草剂的过度使用会对生态环境造成非常严重的影响。生物除草剂起效时间长，难以立竿见影，并且其作用效果受环境因素的影响大，此外，生物除草剂的研发和生产成本高昂，难以广泛推广。

鉴于机械除草、化学除草和生物除草所存在诸多缺点，新的除草方式逐渐兴起。现有技术中，通过在农田土壤中通入电流来杀除土壤中的杂草、草籽、虫和虫卵等，除草过程绿色环保。然而，由于其在农田土壤中通入电流，会杀除土壤内的所有植物，不能实现选择性除草，仅仅适用于荒地除草，不适用于农田除草。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于高压放电的除草装置，其目的在于实现绿色环保的选择性除草的同时，降低除草操作难度，提高除草效率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于高压放电的除草装置，包括：高压电源、储能电容、高压开关、放电电极正极和放电电极负极；所述放电电极正极和放电电极负极均为可手持电极，所述可手持电极包括手持柄和与所述手持柄连接的放电电极；所述高压电源的正、负极分别连接所述储能电容的正、负极，以将除草能量储存在所述储能电容中；所述高压开关和放电电极正极依次连接所述高压电源的正极，所述放电电极负极连接所述高压电源的负极；当所述放电电极负极插入土壤中、所述放电电极正极对准目标杂草时，所述高压开关导通以击穿所述放电电极正极与目标杂草之间的空气间隙，在所述放电电极正极与土壤之间形成放电回路以杀除所述目标杂草。

更进一步地，所述放电电极正极的末端形成有多个放电尖端，用于分别对准多个目标杂草以同时杀除所述多个目标杂草。

更进一步地，还包括载具，所述载具用于放置所述高压电源、储能电容、高压开关、放电电极正极和放电电极负极；所述载具包括与土壤接触的极轮，所述极轮连接所述放电电极负极。

更进一步地，所述高压电源为高压直流电源，所述除草装置的放电形式为高压直流放电或高压脉冲放电，所述高压直流电源包括依次连接的供电单元、升压变压器和整流电路，所述整流电路的输出端为所述高压直流电源的正、负极。

更进一步地，当所述除草装置的放电形式为高压脉冲放电时，所述高压开关为气体开关或固体开关。

更进一步地，所述供电单元采用电池、交流发电机或220v电网供电，当所述供电单元采用电池供电时，所述高压电源还包括逆变器，所述逆变器的输入侧连接所述供电单元，所述逆变器的输出侧连接所述升压变压器。

更进一步地，所述高压电源为高压高频电源，所述除草装置的放电形式为高压高频放电，所述高压高频电源包括依次连接的供电单元、逆变器和升压变压器，所述升压变压器的输出端为所述高压直流电源的正、负极。

更进一步地，所述供电单元采用电池、交流发电机或220v电网供电，当所述供电单元采用交流发电机或220v电网供电时，所述高压电源还包括整流电路，所述整流电路的输入侧连接所述供电单元，所述整流电路的输出侧连接所述逆变器。

更进一步地，还包括保护电阻和/或保护电感，所述储能电容通过所述保护电阻和/或保护电感连接至所述高压电源，所述保护电阻和/或保护电感用于限制所述储能电容的充电电流。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)利用高压放电来除草，通过将装置中的放电电极设计为可手持电极，使得操作人员可以手持放电电极正极对准杂草以放电杀除杂草，实现绿色环保的选择性除草，尤其适用于生长有植物的农田的除草；除草原理上，利用两个电极之间的电压将杂草与放电电极正极之间的空气间隙击穿，以在土壤、杂草、空气之间形成导通的放电路径，利用放电电流杀除杂草，由此，仅需将放电电极正极对准杂草即可放电，无需准确接触杂草，降低操作难度，便于操作，从而提高除草效率；能够有效杀灭任何种类的杂草，实现广谱除草，高压放电之后杂草迅速凋零，效果显著，并且从源头上杜绝了耐药性的产生，受环境因素的影响小，对任何生长阶段的杂草均能有效杀除；

(2)在放电电极正极末端形成多个放电尖端，以分别对准杀除多个目标杂草，进一步提高了除草效率；

(3)为除草装置设置载具，载具例如为机动车辆或者小型非机动拖箱等，将除草装置放置在载具上，操作人员驾驶或拖动载具，并控制放电电极正极对准杂草除草，减轻操作人员的工作难度，进一步提高除草效率；此外，可以根据应用场景的不同选择合理的载具，从而满足各种应用场景下的除草需求；

(4)在储能电容和高压电源之间设置保护电阻和/或保护电感，以限制储能电容的充电电流，实现保护高压电源的效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于高压放电的除草装置的电路示意图；

图2为本发明第一实施例提供的基于高压放电的除草装置的结构示意图；

图3为本发明第二实施例提供的基于高压放电的除草装置的结构示意图；

图4为本发明第三实施例提供的基于高压放电的除草装置的结构示意图；

图5为本发明第四实施例提供的基于高压放电的除草装置的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的高压直流电源的电路示意图；

图7为本发明实施例提供的高压高频电源的电路示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为高压电源，11为供电单元，12为逆变器，13为升压变压器，14为整流电路，2为储能电容，3为高压开关，4为放电电极正极，5为放电电极负极，6为放电电流路径，7为土壤，8为目标杂草。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

图1为本发明实施例提供的基于高压放电的除草装置的电路示意图。参阅图1，结合图2-图7，对本实施例中基于高压放电的除草装置进行详细说明。

参阅图1，除草装置包括高压电源1、储能电容2、高压开关3、放电电极正极4和放电电极负极5。放电电极正极4和放电电极负极5均为可手持电极，可手持电极包括手持柄和与手持柄连接的放电电极。高压电源1的正、负极分别连接储能电容2的正、负极，以将除草能量储存在储能电容2中。高压开关3和放电电极正极4依次连接高压电源1的正极，放电电极负极5连接高压电源1的负极。在电容储能完成之后，将放电电极负极5插入土壤7中、放电电极正极4对准目标杂草8，高压开关3导通以击穿放电电极正极4与目标杂草8之间的空气间隙，在放电电极正极4与土壤7之间形成放电电流路径6以杀除目标杂草8。

根据本发明实施例，除草装置还包括保护电阻和/或保护电感。储能电容通过保护电阻和/或保护电感连接至高压电源。保护电阻和/或保护电感用于限制储能电容的充电电流。

除草装置的放电形式可以采用高压脉冲放电、高压直流放电、高压高频放电等多种放电形式中的一种。可以根据所需放电形式的不同设计高压电源1的形式。

本发明一实施例中，高压电源1为高压直流电源，除草装置的放电形式为高压直流放电或高压脉冲放电。高压直流电源包括依次连接的供电单元11、升压变压器13和整流电路14，整流电路14的输出端为高压直流电源的正、负极。供电单元11可采用电池、交流发电机或220v电网供电。当供电单元11利用电池供电时，高压电源1还包括逆变器12，逆变器12的输入侧连接供电单元11，逆变器12的输出侧连接升压变压器13。

参阅图6，示出了高压直流电源的基本原理电路，高压直流电源包括调压器t1、升压变压器t、整流桥d1-d4、保护电阻r、储能电容c、高压开关s和放电电极l。调压器t1用于调节电路输入电压从而调节最终放电电压，相当于供电单元11和逆变器12。升压变压器t用于将输入电压升高以满足放电电压要求；整流桥d1-d4用于将升压后的交流电压整流为直流电压以给储能电容充电c；保护电阻r用于限制电容充电电流和保护升压变压器t；高压开关s用于控制储能电容c的能量释放；放电电极l用于对目标杂草形成高压脉冲放电或高压直流放电。当放电形式为高压直流放电时，高压开关s持续导通，在放电电极与目标杂草之间形成直流高压，从而对目标杂草形成直流放电。当放电形式为高压脉冲放电时，高压开关s在储能电容c充电至所需电压之后才导通，并在单次脉冲放电结束之后关断，从而在放电电极和目标杂草之间形成脉冲放电。

当除草装置的放电形式为高压脉冲放电时，高压开关3为气体开关或固体开关。进一步地，还可以加入对固体开关导通的控制，从而精确控制脉冲放电的频率；也可以只采用最简单的气体开关，不加入对高压开关导通的控制，降低成本。

本发明另一实施例中，高压电源1为高压高频电源，除草装置的放电形式为高压高频放电。高压高频电源包括依次连接的供电单元11、逆变器12和升压变压器13，升压变压器13的输出端为高压直流电源的正、负极。供电单元11可采用电池、交流发电机或220v电网供电。当供电单元11采用交流发电机或220v电网供电时，高压电源1还包括整流电路14，整流电路14的输入侧连接供电单元11，整流电路14的输出侧连接逆变器12。

参阅图7，示出了高压高频电源的基本原理电路，高压高频电源包括逆变全桥t2～t5、升压变压器t、保护电阻r、储能电容c、高压开关s和放电电极l。逆变全桥t2～t5用于将输入的直流电压转换为高频交流电压，相当于供电单元11和逆变器12。升压变压器t用于将输入电压升高以满足放电电压要求；保护电阻r用于限制电容充电电流和保护升压变压器t；高压开关s用于控制储能电容c的能量释放；放电电极l用于对目标杂草形成高压高频放电。采用高压高频放电时，高压开关s持续导通，储能电容c上的高频电压直接通过放电电极l施加在电极与目标杂草之间，从而对目标杂草进行高压高频放电。

在图6和图7所示电路中，升压变压器t的变比n至少应满足其中，为储能电容2所能够充电达到的最大充电电压，uin为输入电压。整流桥d1-d4的耐压值ud应大于储能电容2所需要的的最大充电电压并留有一定的裕度。根据输入电压uin最大并且电容电压为0时流过整流桥d1-d4的最大电流设置整流桥d1-d4的最大通流能力，并留有一定裕度，r为保护电阻的阻值。根据升压变压器t的容量选择保护电阻r的阻值，使得电容电压为0时仍能满足要求。储能电容c为高压电容，根据放电能量q＝cu²/2设计储能电容c的大小，并能承受所需的最大放电电压。

高压开关3用于控制除草装置是否放电以及放电的频率。放电电极正极4为金属导体，末端形成为尖端，尖端的个数为一个或多个。当放电电极正极的末端形成有多个放电尖端，多个放电尖端可以分别对准多个目标杂草以同时杀除多个目标杂草，提高除草效率。放电电极负极5为金属导体，并且可以与地面土壤形成良好的接触。目标杂草8为所需要灭除的杂草，其形状、大小和种类均不受限制。土壤7是装置所工作的除草场景，也是放电电流的必经通道。放电电流路径6为对目标杂草8形成放电之后的电流通道，通过该放电电流即可达到灭除杂草的目的。

进一步地，除草装置应具有限流保护功能，当检测到放电电流过大时停止放电，以保障操作人员的人身安全。除草装置还应具有过流保护功能，当检测到放电电流过大时停止放电，以保护除草装置不被损坏。

除草装置可以设计为小型背负式装置，如图2所示。参阅图2，放电电极负极5直接从装置中引出达到接地与提供放电回路的目的，操作人员手持放电电极正极4对准目标杂草8以除草。

根据本发明的实施例，除草装置还包括载具，载具用于放置高压电源、储能电容、高压开关、放电电极正极和放电电极负极。载具包括与土壤接触的极轮，放电电极负极连接极轮。基于此，将除草装置设计为小型推拉式装置或车载式装置。

小型推拉式装置如图3所示，以极轮作为放电电极负极5，并与土壤7形成良好的接地以提供放电回路，操作人员手持放电电极正极4对准目标杂草8以除草。车载式装置如图4和图5所示，其中图4中的载具例如为小型农用车辆，图5中的载具例如为大型农机，以车轮作为放电电极负极5，并与土壤7形成良好的接地以提供放电回路；放电电极正极4可拆卸固定在载具一侧，例如固定在载具前方，便于操作人员控制载具启停，从而将放电电极正极4对准目标杂草8以除草。

本发明实施例中，可以根据应用场景的不同，采取不同的载具。当应用于大规模高压放电除草场景时，可以采用农用车辆作为载具，并以交流发电机作为供电单元11，并且匹配更大容量的逆变器12、升压变压器13和整流电路14以提高放电能量，从而满足大规模高压放电除草的效率要求。当应用于小规模高压放电除草场景时，逆变器12可以采用高频逆变技术，从而匹配更小的升压变压器13以减小除草装置的体积与重量，实现除草装置整体的小型化。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。