technologie zbioru roślin energetycznychwip.sggw.pl/download/publikacje_pracownikow/... ·...

WYDAWNICTWO SGGWWarszawa 2010

Technologie zbioruroślin energetycznych

pod redakcją Aleksandra Lisowskiego

© Copyright by Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2010

Autorzy rozdziałów:Jarosław Chlebowski: 4, 5, 6, 7Jacek Klonowski: 4, 5, 6, 7Aleksander Lisowski: 1, 4, 5, 6, 7, 10Tomasz Nowakowski: 2, 3, 4, 5, 6, 7Adam Strużyk: 4, 5, 6, 7, 8, 9Michał Sypuła: 4, 5, 6, 7

Pracę wykonano w ramach projektu badawczego zamawianego nr PBZ-MNiSW – 1/3/2006 pt. „Nowoczesne technologie energetycznego wykorzystania biomasy i odpadów biode-gradowalnych (BiOB) – konwersja BiOB do energetycznych paliw gazowych”, realizując zadanie „Opracowanie wielowariantowej technologii zbioru wierzby krzewiastej”, finan-sowane przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego w latach 2007–2010

Recenzenci: prof. dr hab. Kazimierz Dreszerprof. dr hab. Stefan Szczukowski

Opracowanie redakcyjne – Jan KiryjowRedaktor techniczny – Elżbieta Wojnarowska

ISBN 978-83-7583-222-8

Wydawnictwo SGGWul. Nowoursynowska 166, 02-787 Warszawatel. (22) 593 55 20 (-22; -25 – sprzedaż), fax (22) 593 55 21e–mail: [email protected]

Druk: Agencja Reklamowo-Wydawnicza A. Grzegorczyk, www.grzeg.com.pl

3

Spis treści

Ważniejsze oznaczenia stosowane w pracy ................................................ 5Przedmowa ............................................................................................... 7

1. Wstęp ................................................................................................ 9

2. Rośliny energetyczne ......................................................................... 10

3. Właściwości fizyczne materiału roślinnego ......................................... 25 3.1. Wytrzymałość mechaniczna łodyg ............................................. 25 3.2. Charakterystyka pociętego i zmielonego materiału roślinnego .... 53 3.3. Właściwości aerodynamiczne materiału rozdrobnionego ............ 63

4. Technologie zbioru ............................................................................ 77 4.1. Termin zbioru ........................................................................... 77 4.2. Mechanizmy ścinające ............................................................... 78 4.3. Techniki zbioru ......................................................................... 82

5. Zbiór wierzby i topoli w krótkiej rotacji .............................................. 85

6. Maszyny do zbioru wierzby ................................................................ 91

7. Zbiór traw i bylin ............................................................................... 111

8. Modelowe technologie zbioru wierzby ................................................. 116 8.1. Założenia do modelu ................................................................. 117 8.2. Technologie zbioru wierzby ........................................................ 119

9. Koszty zbioru roślin energetycznych w świetle wyników badań .......... 126

10. Podsumowanie .................................................................................. 132

Literatura ................................................................................................. 134Streszczenie ............................................................................................. 143Summary ................................................................................................. 145

5

Ważniejsze oznaczenia stosowane w pracy

Symbol Znaczenie Jednostka

Af powierzchnia plantacji ha

bm szerokość robocza maszyny m

bp szerokość pakietu (wiązki) m

C1i, C2i, C3i współczynniki charakteryzujące podatność kół na poślizg –

d średnica próbki m

db średnica komory prasowania (beli) m

dp szerokość komory zwijania pakieciarki m

Ejt, Ejc, Ejg energia jednostkowa cięcia, ściskania, zginania J·m–2

fd, fp współczynnik oporu toczenia po drodze, polu –

Femp statystyka Fischera-Snedecora

Ft, Fc, Fg siła cięcia, ściskająca, zginająca (całkowita) N

Fte, Fce, Fge siła cięcia, ściskająca, zginająca (w zakresie sprężystości) N

g przyspieszenie ziemskie m∙s–2

genom nominalne zużycie paliwa g∙kW–1∙h–1

G ładowność t, m3

Gl udźwig t

I biegunowy moment bezwładności przekroju próbki m4

k0i współczynnik prędkości krytycznej m–1

lp odległość punktów podparcia próbki m

lb szerokość komory prasowania prasy zwijającej (długość beli) m

mb, mc, ml,mm, mp,mpa

masa beli, ciągnika; własna ładunku, maszyny, przyczepy, pakietu

kg

n stała charakteryzująca materiał –

Pnom moc nominalna silnika W

q dopuszczalny strumień masy kg·s–1

Qt przepustowość maszyny t·h–1

Qw, plon roślin wilgotnych t·ha–1

Sc, St, Sg powierzchnia ściskania próbki, przekrój poprzeczny próbki w miejscu jej cięcia, zginania

m2

sdi, spi droga dojazdu z pola do miejsca składowania i powrotna m

sg standardowe odchylenie geometryczne (bezwymiarowe) –

temp statystyka t-Studenta

vki, vk(i+1) prędkość krytyczna dla i-tej, i +1 frakcji cząstek m·s–1

vkai,vkgi środkowe i średnie wartości geometryczne przedziałów klasowych prędkości krytycznych dla i oraz i +1 frakcji cząstek

m·s–1

6

Technologie zbioru roślin energetycznych

vka,vkg średnia ważona arytmetyczna i geometryczna prędkość krytyczna cząstek mieszaniny

m·s–1

vt, vtp prędkość teoretyczna przy nominalnej prędkości kątowej silnika, przy której WOM osiąga nominalną prędkość kątową

m·s–1

Vpi natężenie strumienia powietrza dla i-tej frakcji cząstek m3·s–1

Vt pojemność skrzyni m3

w wilgotność roślin %

Ww, Wz wydajność rozładunku, załadunku t·h–1

x, xg, xi, xi–1 odkształcenie (skok noża, ugięcie), średnia geometryczna wymiaru cząstek, przekątna otworu i-tego i powyżej i-tego sita

m

xR, x50 stałe określające zakres rozmiaru cząstek m

x, y, z wymiary pryzmy m

y odległość zewnętrznych włókien od osi obojętnej próbki m

Y udział masowy materiału –

Δlt, Δlc poprzeczna deformacja materiału roślinnego od siły cięcia, ściskającej

m

ηm, ηo sprawność mechaniczna, ogólna %

ηp stopień wykorzystania pojemności %

λg rzeczywisty współczynnik obciążenia silnika –

ρ, ρp gęstość ładunku, roślin w pryzmie kg·m–3

7

Przedmowa

Tematem nadrzędnym monografii jest zagadnienie z zakresu odnawialnych źró-deł energii, obejmujące problematykę technologii zbioru biomasy pozyskiwanej z roślin energetycznych. Scharakteryzowano drzewa i krzewy krótkiej rotacji, trawy i byliny, których uprawa jest ukierunkowana na potrzeby energetyczne. Przeanalizowano stan wiedzy z zakresu dostępnych technologii zbioru oraz spe-cyficzne cechy konstrukcyjne maszyn do ścinania roślin i rozdrabniania mate-riału przeznaczanego do produkcji paliw formowanych.

Na tle światowej oferty maszyn do zbioru roślin energetycznych w pracy zaprezentowano autorskie rozwiązanie konstrukcyjne ciągnikowej sieczkarni, które zgłoszono do Urzędu Patentowego, wykonane w ramach projektu badaw-czego zamawianego nr PBZ-MNiSW – 1/3/2006 pt. „Nowoczesne technologie energetycznego wykorzystania biomasy i odpadów biodegradowalnych (BiOB) – konwersja BiOB do energetycznych paliw gazowych”, realizując zadanie „Opra-cowanie wielowariantowej technologii zbioru wierzby krzewiastej”, finansowane przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego w latach 2007–2010. Kierując się zatem potrzebami spełnienia wymagań związanych z realizowanym grantem, zaprezentowano modelowe technologie zbioru wierzby, które mogą być stosowa-ne nie tylko w polskiej strukturze gospodarstw lub warunkach klimatycznych, ale także na innych kontynentach. Ich konsekwencją było opracowanie modeli matematycznych, zweryfikowanie w warunkach polowych oraz przedstawienie wyników badań symulacyjnych dla różnych parametrów wejściowych. Zapre-zentowane w pracy wyniki dotyczą badań teoretycznych i eksperymentalnych, a odnoszą się do kosztów jednostkowych wytwarzania biomasy w postaci roz-drobnionej oraz zużycia paliwa i pracochłonności odniesionej do 1 t suchej substancji pozyskiwanej w sześciu analizowanych technologiach zbioru roślin energetycznych. Energetyczny aspekt oceny technologii zbioru pociągał za sobą potrzebę przedstawienia różnic we właściwościach fizycznych materiału z sied-miu rodzajów roślin: wierzby wiciowej, róży wielokwiatowej, miskanta olbrzy-miego, ślazowca pensylwańskiego, spartiny preriowej, słonecznika bulwiastego i rdestowca sachalińskiego. Ograniczenia wynikające z celów zawartych w zada-niu badawczym nie wyczerpują w pełni problematyki technologii zbioru roślin energetycznych.

Z przedstawionego zakresu tematycznego wynika, że niniejsza publikacja jest przeznaczona zarówno dla pracowników naukowych z dyscypliny inżynie-ria rolnicza, jak i innych dyscyplin zajmujących się produkcją biomasy roślin-nej i jej przetwarzaniem na cele energetyczne. Może być również wykorzystana przez studentów kierunków rolniczych, technicznych, a także ekonomicznych specjalizujących się w energetycznym wykorzystaniu biomasy roślinnej. Treści zawarte w niej mogą być również inspiracją dla producentów maszyn rolniczych oraz praktyków z rozwijającej się branży odnawialnych źródeł energii.

8


Niniejsza monografia jest efektem pracy zespołu badawczego pracowników Katedry Maszyn Rolniczych i Leśnych Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, którym serdecznie dziękuję za przeprowadzenie badań stacjonar-nych i polowych oraz za przygotowanie oryginalnych stanowisk pomiarowych. Dziękuję również doktorantom i studentom, którzy brali czynny udział w bada-niach na różnych etapach ich realizacji.

Pragnę również podziękować pracownikom Wydziału Rolnictwa i Biologii SGGW za owocną współpracę oraz za możliwość przeprowadzenia eksperymen-tów w warunkach naturalnych na poletkach Stacji Doświadczalnej w Skiernie-wicach i pozyskania materiału roślinnego do wykonania badań w warunkach stacjonarnych.

Bardzo serdeczne podziękowania składam koordynatorowi projektu zama-wianego – dr. inż. Tomaszowi Golcowi za stworzenie dobrych warunków współ-pracy dla kilkunastu interdyscyplinarnych zespołów badawczych z całej Pol-ski.

Serdecznie dziękuję recenzentom, prof. dr. hab. Kazimierzowi Dreszerowi i prof. dr. hab. Stefanowi Szczukowskiemu, za cenne uwagi i porady, które przyczyniły się do udoskonalenia tej monografii.

Aleksander Lisowski

9

1. WSTĘP

Rośliny energetyczne, bogate w związki celulozowe i ligninowe, mogą być wyko-rzystywane do produkcji energii elektrycznej lub cieplnej oraz do wytwarzania paliw zarówno ciekłych, jak i gazowych. Materiał roślinny można spalać w for-mie zrębków lub sieczki bądź po przetworzeniu w postaci brykietów lub peletów. Uprawy wykorzystywane na cele energetyczne pozwalają na zagospodarowanie nisko produktywnych bądź zdegradowanych terenów rolniczych, co ma duże znaczenie w naszym kraju, gdzie stężenie metali ciężkich w glebie na ponad 20% powierzchni użytkowanej rolniczo przekracza dopuszczalne normy.

Technologie zbioru roślin przeznaczonych na cele energetyczne przechodzi-ły przez różne etapy ewolucyjnego rozwoju. W początkowym okresie do zbioru roślin energetycznych wykorzystywano techniki stosowane w rolnictwie lub le-śnictwie, w zależności od rodzaju rośliny. Sukcesywnie z nabywanym doświad-czeniem modyfikowano zespoły robocze lub całe maszyny, a w dojrzałym etapie rozwoju tego segmentu rynku są oferowane specjalistyczne maszyny z nowo-czesnymi rozwiązaniami układów roboczych i jezdnych. Obecna oferta rynkowa maszyn nie wyczerpuje dalszych możliwości rozwoju oraz doskonalenia technik i technologii zbioru roślin energetycznych. Mimo że teoretyczne możliwości sto-sowania nowoczesnych technologii zbioru są duże, to w praktyce w dalszym ciągu wykorzystuje się bardzo zróżnicowane techniki koszenia i przetwarzania biomasy. Dotyczy to zwłaszcza warunków polskich, gdzie uprawa roślin ener-getycznych jest bardzo rozproszona, a powierzchnie pojedynczych plantacji są skrajnie zróżnicowane i wynoszą od kilku arów do kilkuset hektarów.

W zależności od przyjętej technologii zbioru stosuje się różne maszyny, któ-re mogą być wyposażone w zespoły z zainstalowanymi mechanizmami ścina-jącymi, o specyficznych cechach funkcjonalnych, dostosowanych do rodzaju rośliny i cyklu zbioru.

10

2. ROŚLINYENERGETYCZNE

Dobór gatunków roślin do uprawy na plantacjach energetycznych zależy od warunków glebowo-klimatycznych i wyposażenia technicznego gospodarstwa oraz wymagań zakładów energetycznych odnośnie jakości biomasy (Faber i in. 2009). Dla energetyki zawodowej najbardziej przydatne jest drewno krzewów i drzew szybko rosnących, które po ścięciu łatwo odrastają, do których zalicza się wierzbę krzewiastą, topolę, robinię akacjową i różę wielokwiatową. Mniej przydatna jest biomasa bylin wieloletnich – ślazowca pensylwańskiego i sło-necznika bulwiastego (topinamburu), a najmniej traw wieloletnich, wśród któ-rych rozważane są gatunki miskanta, prosa rózgowatego, palczatki Gerarda, spartiny preriowej, wydmurzycy wydłużonej i mozgi trzcinowatej. Osobną grupę stanowi rdestowiec sachaliński, należący do rodziny rdestowatych. Wymienione rośliny należą do grupy wieloletnich, co pozwala na zmniejszenie kosztów po-noszonych na zakładanie i prowadzenie plantacji. Niektóre z nich będą poniżej scharakteryzowane: albo z uwagi na bezpośrednie ich badanie przez autorów niniejszego opracowania, albo ze względu na teoretyczne możliwości ich rozwo-ju w warunkach klimatycznych Polski (np. topoli).

Wierzba (Salix L.)Rejon występowania wierzby jest bardzo szeroki i obejmuje Europę, Azję

i Amerykę Północną. W Polsce jest to roślina bardzo popularna i można ją spo-tkać na terenie całego kraju. Powszechnie rośnie na obrzeżach cieków wodnych i podmokłych terenach. Występuje w formie drzewiastej i krzewiastej. Zmiana formy może nastąpić w wyniku sposobu uprawy. Najpopularniejszym gatun-kiem wykorzystywanym na cele energetyczne jest wierzba wiciowa (rys. 2.1), zwana również konopianką, charakteryzująca się bardzo szybkim przyrostem biomasy oraz odpornością na szkodniki i choroby (Dubas 2003, Król 2004).

Wierzba wiciowa w uprawie na cele energetyczne jest zbierana w cyklach jedno-, dwu- lub trzyletnich. W zależności od stanowiska i wieku pędy osiągają do 6 m wysokości i średnicę do 80 mm. Młode pędy są wiotkie i bardzo giętkie, pokryte srebrzystymi włoskami, a z czasem zmieniają kolor na zielony lub sza-rawy. Intensywnie zielone liście o kształcie lancetowatym z widocznym żółtym nerwem mają długość 80–250 mm i szerokość 6–12 mm. Kwiatostanem są wal-cowate kotki kwitnące przed rozwojem liści (Godet 2000). W uprawie polowej

11

Rośliny energetyczne

wierzbę rozmnaża się wegetatywnie za pomocą sadzenia kawałków pociętych pędów długości 0,25 m i średnicy nie mniejszej niż 7 mm, zwanych zrzezami lub bardziej popularnie sztobrami. Zrzezy po posadzeniu ukorzeniają się i wy-puszczają nowe pędy (Szczukowski i in. 2004, 2006).

Najbardziej przydatnymi terenami do uprawy wierzby są stanowiska z gle-bami klas III, IV i V o dostatecznej wilgotności (Jasiulewicz 2009). Opady w uprawie wierzby są szczególnie istotne w okresie wiosennym, gdyż ich bark może skutkować wypadaniem roślin. Brak wody powoduje ograniczenie rozwo-ju systemu korzeniowego młodych roślin. Dlatego tak istotne jest, aby uprawa wierzby była prowadzona na glebach o odpowiednim poziomie wód gruntowych, zależnie od ich przepuszczalności. Przy planowaniu nasadzeń wierzby trzeba brać pod uwagę przewidywany system zbioru: jedno- czy dwufazowy. Zbiór ma-szynowy wymaga uwzględnienia wjazdu na pole ciężkich maszyn, bez niszcze-nia kołami karp świeżo ściętej wierzby. Przy zbiorze jednofazowym wierzbę sa-dzi się pasowo. Dwa rzędy w rozstawie 0,75–0,8 m i rozstaw pasów 1,25–1,5 m. Odległość roślin w rzędzie wynosi 0,4–0,5 m. Dla zbioru dwufazowego zaleca się rozstaw rzędów 0,7–0,8 m i odległość między roślinami w rzędach 0,4–0,45 m (Szczukowski i Tworkowski 2000, 2001, 2004, 2009).

W celu ponownego odrastania pędów wierzby z karpy w następnym okresie wegetacji, po zakończeniu pierwszego roku uprawy, rośliny muszą być ścięte. Produktywność biomasy w pierwszym okresie wegetacji jest bardzo niska, gdyż roślina intensywnie rozbudowuje system korzeniowy kosztem części nadziem-nej. Właściwy zbiór pędów wierzby możemy przeprowadzić po zakończeniu dru-giego roku wegetacji, od drugiej połowy listopada do końca marca. Fizycznym znakiem do rozpoczęcia zbiorów jest opadnięcie liści z łodyg. Z jednego hektara plantacji wierzby można pozyskać 10–15 t suchej biomasy.

Topola (Populus L.)Topola (rys. 2.2) jest powszechnie znanym w naszym kraju drzewem na-

leżącym do rodziny wierzbowatych. Liczba gatunków, odmian i mieszańców przekracza 100. Można ją znaleźć w bardzo odmiennych rejonach globu – od

Rysunek 2.1. Wierzba wiciowa: lipiec, listopad

12


obszarów Azji, Europy i północnych części Ameryki po gorące obszary Afryki (Karwowska 2008). Topola charakteryzuje się bardzo szybkim wzrostem, dlate-go zalecana jest do nasadzeń na plantacjach energetycznych.

Na pniu i młodych gałęziach kora topoli jest jasna, szarobiała i gładka. U starych drzew kora u podstawy jest mocno spękana. Kwitnie wczesną wiosną przed rozwojem liści lub równocześnie z nimi. Topola jest rośliną dwupienną i wiatropylną. Kwiaty męskie są zebrane w grube kotkowate kwiatostany dłu-gości do 80 mm o czerwonych pylnikach. Kwiaty żeńskie mają kotki krótsze (do 30 mm), o żółtozielonej barwie. Owocem jest torebka zawierająca liczne drobne nasiona zaopatrzone w kępki białych włosków, dzięki którym są one łatwo roz-siewane przez wiatr (Zawadzka i Sławski 2007). System korzeniowy topoli jest dość płytki, rozprzestrzeniający się daleko poza koronę drzewa. Z odrostowych korzeni wyrastają korzenie rosnące w głąb gleby na głębokość 2–3 m (Murat 1998).

Do uprawy topoli zaleca się wykorzystanie siedlisk lasu wilgotnego i łęgo-wego. Dopuszcza się też wykorzystanie siedliska lasu świeżego, mieszanego świeżego i wilgotnego. Przy uprawie na terenach rolniczych dla topoli najbar-dziej przydatne są gleby o dobrych stosunkach powietrzno-wodnych klas II–IVa i o stosunkowo wysokim pH gleby – 6,0–7,5 (Zabielski 1998). Topole mają duże

Rysunek 2.2. Topola

13


wymagania co do zasobów wilgoci w glebie, szczególnie w sezonie wegetacyjnym (Molas 2008). Przy wysokim poziomie wody gruntowej 0,5–2 m woda musi być dobrze natleniona i przepływowa (Węgorek 2003). Zapewnienie odpowiedniego poziomu wód gruntowych, żyzności gleby i wysokiej temperatury, szczególnie w okresie od czerwca do września, decyduje o możliwości uzyskania wysokiego plonu biomasy.

Plantację topoli zakłada się wysadzając do gleby zrzezy długości 0,25 m tak, aby odcinki 30 mm wystawały ponad powierzchnię. Sadzenie przeprowadza się w okresie wysokiego uwilgotnienia gleby – najlepiej już od lutego, jeżeli warun-ki pogodowe na to pozwalają, do połowy kwietnia. Późniejszy termin sadzenia wymaga stosowania nawadniania. Alternatywną metodą jest sadzenie łodyg topoli o długości 1,0–1,5 m odciętych z pędów bocznych (odrostów). W zależno-ści od przewidywanej techniki zbioru rośliny wysadza się w rozstawie rzędów 3,0–3,4 m, a w rzędzie 0,5–0,6 m (Karwowska 2008). Dla długich cyklów zbioru możliwe jest stosowanie rozstawów większych, np. 1,8 × 1,8 m lub 1,5 × 3,0 m (Molas 2007). W przypadku topoli konieczne jest zwalczanie chwastów w okresie dwóch pierwszych lat po założeniu plantacji i w każdym roku po ścięciu odrośli. Jednym z problemów związanych z uprawą topoli jest trwałość plantacji.

Topolę zbiera się na plantacjach energetycznych w cyklach krótkich (2–3-let-nich) lub długich (4–6-letnich). Uzyskuje się wtedy wydajność z hektara 8–12 t suchej biomasy (Węgorek 2003). Ze względu na podnoszenie się płaszczyzny cięcia topoli w kolejnych latach zbioru podczas pierwszego zbioru roślinę ścina się na wysokości do 0,15 m. Cięcie najlepiej wykonać po zakończeniu wegetacji w okresie od grudnia do końca lutego.

Robinia akacjowa (Robinia pseudoacacia L.)Drugą równoważną nazwą robinii akacjowej (rys. 2.3) jest grochodrzew.

Drzewo pochodzi z Ameryki Północnej, gdzie występowało we wschodniej i środ-kowej części Stanów Zjednoczonych (Kozakiewicz i Wiktorski 2007). Robinię akacjową sprowadzono do Europy w XVII wieku jako roślinę ozdobną wykorzy-stywaną w parkach i ogrodach. Ze względu na małe wymagania glebowe roślina łatwo zasiedla tereny ruderalne. Silna ekspansja robinii akacjowej, szczególnie w południowych rejonach Europy, spowodowała, że stała się ona gatunkiem dominującym. W Polsce jest gatunkiem szeroko rozpowszechnionym.

Młoda korowina robinii jest gładka i brunatna, starsza – podłużnie poprzeci-nana z rozgałęziającymi się bruzdami i szara. Liście nieparzystopierzaste o dłu-gości 0,15–0,30 m są złożone z 7–9 par owalnych listków o długości 30–40 mm. Liście z wierzchu są barwy intensywnie zielonej, a od spodu szarawej. Dwa przylistki znajdujące się u podstawy liścia są przekształcone w kłujące ciernie. Na przełomie maja i czerwca robinia kwitnie białymi pachnącymi kwiatami. Kwiaty, zebrane po 15–30, są ułożone w gęste zwisające grona o długości do 0,20 m. Roślina jest silnie miododajna. Owocem robinii jest nagi, spłaszczony

14


strąk dojrzewający od października do wiosny o długości 100 mm (Godet 2000, Kozakiewicz i Wiktorski 2007, Zawadzka i Sławski 2007). Robinia akacjowa ro-śnie na suchych i jałowych nieużytkach przy stosunkowo małych wymaganiach wodnych. Wytwarza rozległy system korzeniowy. Korzenie robinii są wyposażo-ne w brodawki, wewnątrz których znajdują się symbiotyczne bakterie nitryfi-kacyjne. Dzięki nim robinia pobiera wolny azot z powietrza, przekształcając go w związek przyswajalny przez roślinę (Kozakiewicz i Wiktorski 2007).

Robinię można polecać do uprawy na nieużytkach rolnych i obszarach zde-wastowanych, np. przez erozję, w celu produkcji drewna kawałkowego. Robinia jest rośliną światłolubną, odporną na przymrozki wiosenne, suszę i zasolenie gleby (Węgorek 2003). Drewno robinii jest gatunkiem polecanym na opał do indywidualnych systemów grzewczych „typu kominkowego”. Najwyższe plony uzyskuje się przy obsadzie roślin 20 tys.∙ha–1 w 5-letnich cyklach zbioru. Dla uzyskania drewna kawałkowego wymagane są dłuższe cykle produkcyjne (15––20 lat). Drzewo dorasta wtedy do wysokości około 25 m. Robinia daje twarde drewno o lepszych parametrach od topoli i wierzby, porównywalnych z drew-nem dębowym (Kraszkiewicz 2008), a jej zbiór musi być dokonywany sprzętem mechanicznym z uwagi na ciernistość pędów. Robinia ma wysoką zdolność wy-dawania odrośli. Dlatego przy długich cyklach wymagane jest przeprowadzanie

Rysunek 2.3. Robinia akacjowa

15


cięć rozluźniających. Należy zaznaczyć, że w takich systemach uprawy stosuje się zbiór z wykorzystaniem technik leśnych.

Pierwotnie zakładano, że tworzone plantacje roślin energetycznych będą wykorzystywać tereny zdegradowane i nieprzydatne rolnictwu. Okazało się jed-nak, że wiele roślin ma stosunkowo wysokie wymagania glebowo-klimatyczne (Ostrowski i Gutkowska 2008). Uprawa roślin na terenach nierolniczych jest możliwa, ale plony są bardzo niskie oraz występują problemy z utrzymaniem plantacji.

Róża wielokwiatowa (Rosa multiphlora Thunb.)Róża wielokwiatowa (rys. 2.4), zwana również różą bezkolcową, jest bujnym

krzewem z rodziny różowatych. W warunkach Polski jest to roślina pospolita i można ją spotkać często rosnącą dziko na terenie całego kraju. Pochodzi ze wschodniej Azji, gdzie powszechnie występuje w Chinach, Japonii i Korei.

Róża wielokwiatowa rozrasta się bardzo intensywnie, wytwarzając dużą liczbą długich pędów ze skłonnością do tworzenia wielu pędów odroślowych. W sprzyjających warunkach krzew tworzy liczne odrosty o średnicy do 4 m i rośnie do wysokości 2,5 m. Na plantacjach przy corocznym zbiorze roślina tworzy łukowate pędy, które mogą dochodzić do 4 m długości. Krzew ma ciem-nozielone drobne liście oraz kwitnące latem małe pięciopłatkowe kwiaty zebra-ne w wiechowate kwiatostany o śnieżnobiałych płatkach i intensywnie żółtych pręcikach. Ze względu na te walory róża jest cenną rośliną wykorzystywaną do kształtowania terenów zielonych w ogrodach i parkach. Owocami są tzw. owoce pozorne o średnicy do 5 mm i barwie koralowoczerwonej (Godet 2000).

Róża wytwarza głęboki system korzeniowy, który pozwala jej przetrwać długo trwającą suszę. Ma bardzo niskie wymagania klimatyczne i glebowe, można ją z powodzeniem uprawiać na glebach słabych i bardzo słabych klasy V i VI przy pH gleby 5,5–7,5 (Martyn 2003). W tych warunkach należy się jednak liczyć z niższymi plonami. Przy wykorzystaniu gleb bardziej urodzajnych uzyskuje się zdecydowanie większe przyrosty biomasy. Przy uprawie na cele energetyczne na glebach mniej urodzajnych różę wysadza się w rozstawie 0,5 × 1 m. Jeżeli

Rysunek 2.4. Róża wielokwiatowa: maj, listopad

16


sadzimy ją na glebie zasobniejszej, to rozstawa może być zwiększona (1 × 1 m). Różę sadzimy w okresie od końca marca do końca kwietnia.

Jesienią od końca października można rozpoczynać zbiór róży, ścinając pędy na wysokości 0,15–0,25 m nad ziemią. Zbiór jest utrudniony ze względu na bardzo dużą liczbę łukowatych pędów (czasami do 30 sztuk w karpie), które są silnie poplątane z pędami sąsiednich karp. Zebrane pędy poddaje się zrębko-waniu, dzięki czemu łatwiejszy jest ich transport do odbiorcy końcowego.

Za wykorzystaniem róży jako rośliny energetycznej przemawia bardzo szyb-ki roczny przyrost biomasy oraz duża odporność na niskie temperatury i suszę. Biomasę można zbierać już po roku od założenia plantacji. Plantacje róży wielo-kwiatowej na żyznym stanowisku mogą być eksploatowane nawet do 25 lat przy plonie 10–15 t s.m.⋅ha–1. Róża znajduje również zastosowanie przy rekultywacji gleb. Jest też szeroko stosowana w ogrodnictwie jako roślina ozdobna. Z tego gatunku hodowcy otrzymali wiele form róż pnących. Różę wielokwiatową wyko-rzystuje się również do tworzenia pasów fitosanitarnych na obrzeżach plantacji innych gatunków roślin wieloletnich i na obrzeżach lasów oraz jako karmę dla dzikich zwierząt.

Miskant olbrzymi (Miscanthus sinensis giganteus J.M. Greef & M. Deuter)Miskant (rys. 2.5) jest trawą wieloletnią, która obejmuje ponad 20 różnych

gatunków mających dużą zmienność morfologiczną. Pochodzący pierwotnie z Japonii, Filipin oraz dawnych Indochin, w Europie pojawił się najprawdopo-dobniej około XVI w., lecz uprawa jego datowana jest od około 75 lat (Sawicki i Kościk 2003) – na początku jako rośliny ozdobnej, tworzącej zwarte i bujne zielone kępy. Obecnie coraz częściej można miskanta spotkać na plantacjach roślin energetycznych, gdyż ma on główne cechy, jakimi powinna charakteryzo-wać się roślina energetyczna (Chołuj i Podlaski 2008).

Miskant olbrzymi jest międzygatunkowym mieszańcem miskanta chiń-skiego (diploidalnego) z miskantem cukrowym (tetraploidalnym). Miskant jest rośliną wieloletnią o bardzo silnym systemie korzeniowym sięgającym 2,5 m w głąb ziemi, co ułatwia pobieranie wody i składników pokarmowych (Jankow-ski 1994). Łodygi miskanta, nagie z wyraźnie zaznaczonymi węzłami i gąbcza-stym rdzeniem, charakteryzują się dużą sztywnością. W polskich warunkach klimatycznych osiągają wysokość 2–3,5 m. Blaszki liściowe koloru jasno- lub ciemnozielonego, lancetowate, o długości 0,6–1 m i szerokości 8–32 mm. Liście utrzymują się na roślinie bardzo długo, niekiedy przez cały okres zimowy. Kwia-tostan miskanta jest słabo rozbudowany w postaci wiechy lub wiechy kłoso-kształtnej i również pozostaje długo na roślinie. Miskant nie wytwarza nasion, stąd nie ma możliwości rozprzestrzeniania się w środowisku. Rozmnażany jest tylko wegetatywnie przez sadzenie sadzonek kłączowych uzyskanych z plantacji matecznych lub z roślin uzyskanych metodą in vitro. Roślina miskanta cechuje się szybkim wzrostem oraz wysokim plonem biomasy z jednostki powierzchni,

17


szczególnie jeżeli w okresie wegetacji wystąpiło upalne lato z opadami. Miskant należy do roślin o typie fotosyntezy C4, który charakteryzuje się mechanizmem zwiększającym zdolność absorpcji CO2 i oszczędnym gospodarowaniem wodą (Majtkowska i Majtkowski 2005).

Uprawę miskanta można prowadzić na glebach klas nawet V i VI, ale o od-powiedniej wilgotności i pH, które powinno wynosić około 6,5 (Sawicki i Kościk 2003). Na takich glebach należy liczyć się z niezbyt wysokimi plonami. Na gle-bach zasobniejszych w substancje próchniczne (III i IV klasy) i o uregulowa-nych stosunkach wodnych można uzyskać plony o 20–30% wyższe niż na gle-bach niższych bonitacji (Roszewski 1996). Dlatego w zależności od warunków siedliskowych plon miskanta olbrzymiego może wynosić 10–30 t⋅ha–1 suchej biomasy. Maksymalny plon uzyskuje się w trzecim roku uprawy i utrzymuje się on do 8.–9. roku prowadzenia plantacji. Sadzonki miskanta wysadza się w rozstawie 1 × 1 m, co pozwala na tworzenie przez roślinę dużych i zwartych kęp oraz zapewnia optymalną penetrację łanu przez promieniowanie świetlne. Rośliny miskanta mają mniejszą odporność na niskie temperatury, zwłaszcza w pierwszym roku uprawy. Stąd zaleca się zabezpieczenie plantacji na zimę, np. przez ściółkowanie lub wykonanie obredlania roślin (Kozak 2006). Zbiór roślin przeprowadza się w okresie od późnej jesieni (po wystąpieniu przymroz-ków) do marca. Późniejszy zbiór związany jest ze zmniejszeniem plonu, co jest wynikiem opadania części liści (Lisowski i in. 2009a) i translokacji składników pokarmowych do podziemnych kłączy. W tych warunkach uzyskuje się jednak surowiec o mniejszej zawartości wody, który łatwiej przechowywać.

Ślazowiec pensylwański (Sida hermaphrodita Rusby L.)Ślazowiec pensylwański (rys. 2.6) jest rośliną należącą do rodziny ślazowa-

tych (Malvaceae), która obejmuje kilkaset gatunków roślin. Pochodzi z południo-wych rejonów Ameryki Północnej, gdzie występuje na wilgotnych stanowiskach (Borkowska i Styk 2006, Remlein-Starosta i Nijak 2007). Ślazowiec jest byliną wieloletnią, która w uprawie może być użytkowana przez 15–20 lat. Roślina corocznie odrasta dzięki powstawaniu pączków wzrostowych na korzeniach

Rysunek 2.5. Miskant olbrzymi: maj, listopad

18


i w strefie przyłodygowej. W pierwszym roku wytwarza jeden pęd, a w kolejnych latach w zależności od warunków uprawy rozrasta się w silnie ulistniony krzak. Przy szerokim rozstawie rzędów liczba łodyg może dochodzić do 20–40 na jednej roślinie.

Zielone łodygi o średnicy 5–30 mm osiągają wysokość do 4 m. Komórki miękiszu rdzeniowego łodyg w dojrzałych roślinach mogą częściowo zanikać tworząc niewielki pusty kanał. Na wierzchołkach pędów powstają liczne roz-gałęzienia zakończone kwiatostanami w kształcie podbaldachów z drobnymi kwiatami w kolorze białym. Ślazowiec kwitnie od połowy lipca i okres ten trwa 6–8 tygodni. Długi okres kwitnienia powoduje, że obok dojrzałych owoców po-zostają kwitnące pędy. Z dojrzałego owocu otrzymuje się 5–8 drobnych nasion barwy jasnobrązowej. Roślina należy do roślin miododajnych. Liście ślazowca mają kształt dłoniasto-klapowaty z licznymi wcięciami o dużej zmienności. Ich zróżnicowanie dotyczy blaszki liściowej, której szerokość może dochodzić do 0,36 m, a długość do 0,28 m (Borkowska i Styk 2003). Ślazowiec pensylwański, jako roślina wieloletnia, wykształca silny system korzeniowy, który po kilku la-tach może dochodzić do głębokości 2,5–3,0 m i rozrastać się w płaszczyźnie po-ziomej do średnicy 0,7–1,0 m. Główna ilość korzeni znajduje się jednak w war-stwie do głębokości 0,3–0,4 m. W rosnących poziomo, tuż pod powierzchnią gleby, korzeniach tworzą się pączki wzrostowe, z których na wiosnę wyrastają nowe pędy (Borkowska i Styk 2006). Ślazowiec można rozmnażać zarówno ge-neratywnie przez nasiona, jak i wegetatywnie przy użyciu sadzonek uzyskanych przez podział korzeni, pędów lub karp.

Ze względu na brak specjalnych wymagań glebowych ślazowiec pensylwań-ski można uprawiać na glebach V klasy pod warunkiem dobrego uwilgotnienia. Wykorzystanie gleb żyźniejszych do uprawy gwarantuje dużo większy plon czę-ści nadziemnej. Pole pod ślazowiec musi być odchwaszczone, szczególnie należy zwrócić uwagę na walkę z chwastami wieloletnimi (Wiśniewski i Podlaski 2008). Siew nasion przeprowadza się od kwietnia, gdy wierzchnia warstwa gleby osią-gnie 8–10°C, w rzędy o rozstawie 0,6 × 0,7 m na głębokość 10–15 mm (Kowal-czyk-Juśko 2009). Nasiona charakteryzują się obniżoną zdolnością kiełkowania

Rysunek 2.6. Ślazowiec pensylwański: maj, listopad

19


wynikającą z tzw. twardości nasion. Obniża to wschody i nie pozwala na uzyska-nie równomiernych wschodów (Borkowska i Styk 2006). W przypadku nasion ślazowca w celu pobudzenia do szybszego, lepszego i jednolitego kiełkowania materiału siewnego można zastosować hydrokondycjonowanie nasion (Grzesik i Romanowska-Duda 2009). Przy wykorzystaniu sadzonek korzeniowych, czyli odcinków korzeni, na których występują pączki wzrostowe wysadza się je w rzę-dzie co 0,24–0,48 m w rozstawie rzędów 0,70 m lub 0,28–0,56 m × 0,60 m. Sa-dzonki najlepiej przygotować tuż przed wysadzeniem (Kowalczyk-Juśko 2004).

W zależności od przebiegu pogody ślazowiec kończy okres wegetacji w III de-kadzie października lub I dekadzie listopada. Ślazowiec powinien być zbierany zimą, kiedy wilgotność roślin zbliża się do 20% (Lisowski i in. 2008c, 2009b, 2009d), gdyż wówczas istnieje możliwość wykorzystania biomasy do spalania bez konieczności jej dosuszania (Borkowska 2005).

Duża ilość uzyskiwanej biomasy o dobrej jakości, przy plonie do 18 t·ha–1 (Lisowski in. 2009h) i zawartość celulozy do 45%, powoduje coraz większe za-interesowanie ślazowcem jako rośliną energetyczną. Z roślin ślazowca uzyskuje się biomasę o właściwościach pozwalających na produkcję zrębków, peletów czy brykietów (Borkowska 2006, Denisiuk 2006).

Spartina preriowa (Spartina pectinata Bosc ex Link)Spartina preriowa (rys. 2.7) pochodzi z Ameryki Północnej, gdzie stanowi

dominujący składnik roślinności preriowej. Charakteryzuje się dużymi możli-wościami adaptacyjnymi, rosnąc nawet w skrajnych warunkach siedliskowych. Dlatego często znajduje zastosowanie jako gatunek przeciwerozyjny, np. do umacniania wydm czy piaszczystych wałów. Silny system korzeniowy o ostro zakończonych korzeniach pozwala przerastać glebę o dużej zwięzłości. Spartina, jako roślina o mechanizmie fotosyntezy C4, charakteryzuje się dużym przyro-stem plonu, zwłaszcza przy wysokiej temperaturze powietrza i dużym natężeniu napromieniowania słonecznego (Majtkowska i Majtkowski 2005). W Europie spartinę wykorzystuje się jako roślinę ozdobną, a obecnie również jako poten-cjalną roślinę energetyczną.

Rysunek 2.7. Spartina preriowa: maj, listopad

20


Spartina jest okazałą trawą wyrastającą do wysokości 2 m i tworzącą ob-szerne luźne kępy. Roślina ma wąskie liście o szerokości 15 mm i lancetowa-tym kształcie długości 0,80–0,90 m. Gęsto ulistnione, puste w środku pędy wyrastają pionowo, u góry rozchylając się, tworzą bujny zielony łan roślin. Kwiatostany palczasto-groniaste o długości około 0,30 m, zawierające kilka-naście kłosów pojawiają się w połowie lata (Kościk i in. 2004, Majtkowski i in. 1996). W warunkach klimatycznych Polski spartina wytwarza nasiona. Jednak charakteryzują się one bardzo niską zdolnością kiełkowania, dlatego praktycz-nie w warunkach polowych nie wykorzystuje się ich do zakładania plantacji. Dlatego zalecaną metodą uprawy jest rozmnażanie wegetatywne przez podział kęp lub ukorzenianie sadzonek pędowych (Majtkowski 2006). Do rozmnażania stosuje się również metodę in vitro.

Spartina ze względu na silne możliwości adaptacyjne nie wymaga dobrych stanowisk uprawowych i może być z powodzeniem uprawiana na glebach wy-jałowionych oraz zakwaszonych klas V i VI. Cechuje się dość dużą toleran-cją na zróżnicowane uwilgotnienie gleby i niską pojemność sorpcyjną gleby (Ostrowski i Gutowska 2008). Dobrze plonuje zarówno w warunkach suszy, jak i dużej wilgotności. Nie wymaga głębokiego spulchniania gleby. Wymaga nato-miast wcześniejszego, starannego odchwaszczenia gleby i niszczenia chwastów w pierwszym i drugim roku uprawy. W tym okresie rośnie bowiem jako trawa luźnokępkowa. Dopiero w trzecim roku uprawy spartina tworzy zwarty łan za-cieniając podłoże. Trawę tę wysadza się najczęściej w obsadzie 8–10 sadzonek na 1 m2. W okresie od trzeciego do piątego roku uprawy zaczyna się pełne plo-nowanie spartiny, które w zależności od stanowiska glebowego wynosi 10–20 t s.m.⋅ha–1. Roślina bardzo późno zasycha, dopiero około połowy listopada. Aby nie ponosić kosztów na dosuszanie biomasy zaleca się zbiór roślin w lutym lub marcu (Kościk i in. 2003). Okres użytkowania plantacji wynosi około 15 lat.

Słonecznik bulwiasty – topinambur (Heliantus tuberosus L.)Słonecznik bulwiasty (rys. 2.8), znany powszechnie pod nazwą topinambur,

należy do roślin astrowatych (Asteraceae). Pochodzący z Ameryki Północnej i do Europy przywieziony na początku XVII wieku, po kolejnych dwóch wie-kach został wyparty przez ziemniaka i zapomniany. Ponieważ jest on blisko spokrewniony ze słonecznikiem, to nadziemna część rośliny bardzo przypomina słonecznik zwyczajny. Na sztywnej, długiej i dobrze ulistnionej łodydze znajduje się kwiatostan, który jest mniejszy niż u słonecznika zwyczajnego. W części podziemnej znajdują się liczne bulwy, niekształtne, podobne do ziemniaków. Różnice w cechach botanicznych poszczególnych biotopów słonecznika bul-wiastego pozwalają na różne kierunki jego wykorzystania (Gutmański i Pikulik 1994).

Łodygi słonecznika bulwiastego mogą osiągać wysokość 4 m przy śred-nicy 30 mm. Liście pędu z brzegami ząbkowanymi są osadzone na długich

21


ogonkach. Blaszki liściowe mają kształt owalno-sercowaty o długości prze-kraczającej 0,20 m, o powierzchni z włoskami, które nadają jej szorstkość. Na szczycie łodygi i na końcach rozgałęzień znajdują się kwiatostany o średnicy około 80 mm. Owocami są niełupki, mniejsze niż u słonecznika. W warun-kach klimatycznych naszego kraju najczęściej nie dojrzewają przed nastaniem jesiennych przymrozków (Góral 1996, Kowalczyk-Juśko 2003). Główne roz-łożenie systemu korzeniowego znajduje się na głębokości do 0,30 m, jednak pojedyncze korzenie przerastają glebę na głębokość 1,5 m. Takie rozgałęzienie korzeni zapewnia roślinie wodę i składniki minerale nawet w okresach prze-dłużającego się niedoboru opadów. Słonecznik bulwiasty wytwarza dość liczne i nieduże bulwy o masie 20–25 g. Powstają one na końcach podziemnych pę-dów zwanych stolonami. Liczba bulw o nieregularnym kształcie może docho-dzić do 50 sztuk. Gama barw skórki bulw: od białej lub żółtej przez czerwoną aż do różnych odcieni fioletu.

Słonecznik bulwiasty ma przeciętne wymagania glebowe, podobne jak inne rośliny okopowe. Można go uprawiać na glebach średnio zwięzłych, przewiewnych i o dużej zasobności w składniki pokarmowe oraz dostatecz-nej wilgotności (Ostrowski i Gutowska 2008). Bulwy rozmieszcza się w gle-bie na głębokości 0,10–0,15 m za pomocą sadzarek do ziemniaków w rzędy o rozstawie 0,7–1,0 m, a w rzędach w odległości 0,5–0,6 m między bulwami. Tak wysadzone rośliny na wiosnę wcześnie rozpoczynają wegetację. System korzeniowy szybko się rozrasta, a część nadziemna zacienia glebę ogranicza-jąc wschody chwastów. Sadzenie jesienne (listopad i I dekada grudnia) jest możliwe, gdyż bulwy są odporne na niskie temperatury. Sadzenie wiosenne można rozpoczynać już w marcu i przeprowadza się je płycej – na głębokość 0,05–0,10 m (Góral 1996).

Coraz większe zainteresowanie słonecznikiem bulwiastym wynika z jego dużej tolerancji na niskie i wysokie temperatury, niewielkie wymagania glebo-we oraz dużą odporność na choroby i szkodniki. Wadą jest częste wyleganie łodyg słonecznika bulwiastego przed zbiorem. Nie bez znaczenia jest tu rów-nież wysoka produktywność – 10–20 t s.m.⋅ha–1, która gwarantuje opłacalność

Rysunek 2.8. Słonecznik bulwiasty – topinambur: maj, listopad

22


produkcji energii ze słomy topinamburu (Piskier 2006, Majtkowski 2006). Części nadziemne po wysuszeniu i rozdrobnieniu mogą być spalane w pie-cach przystosowanych do spalania biomasy lub współspalane z węglem. Mogą również posłużyć do produkcji brykietów i peletów.

Rdestowiec sachaliński (Reynoutria sachalinensis Nakai)Rdestowiec sachaliński (rys. 2.9) jest byliną wieloletnią z rodziny rdesto-

watych. Pochodzi ze wschodniej Azji, gdzie w stanie dzikim porasta doliny rzek i zbocza gór. Do Europy sprowadzony w pierwszej połowie XIX wieku jako rośli-na ozdobna, która w krótkim czasie samorzutnie rozprzestrzeniła się po całym kontynencie (Tokarska-Guzik 2005).

Kanciaste i nagie łodygi rdestowca silnie rozgałęziają się osiągając wysokość ponad 3 m. Wewnątrz są puste i wyginając się łukowo przypominają krzew. Łodygi charakteryzują się dużą sztywnością, co utrudnia mechaniczny zbiór. Roślina ma duże jasnozielone liście o długości 0,15–0,30 m i szerokości 70–150 mm, które są tępo zakończone, a ich kształt jest słabo sercowaty. W pa-chwinach liści wyrastają wiechowate kwiatostany z 6–7 kwiatkami w grupie. Roślina kwitnie we wrześniu i październiku wydając kwiatki o barwie zielonej i żółtawej, a owocem jest orzeszek (Majtkowski i in. 1996). Przez pszczelarzy jest ona uprawiana jako roślina miododajna. Rdestowiec charakteryzuje się silnym systemem korzeniowym, który w środowiskach nadrzecznych ma grube kłącza dochodzące do 2 m w głąb profilu glebowego (Śliwiński 2009).

W warunkach uprawy, ze względu na słabe kiełkowanie nasion, których zdolność kiełkowania czasami nie osiąga 30–50%, rdestowiec rozmnaża się we-getatywnie z korzeni. Roślina ma kłącza i tworzy rozłogi, z których wyrastają korzenie przybyszowe, a z pąków bocznych wyrastają pędy nadziemne tworząc gęste łany rdestowca. Rdestowiec należy do roślin o małych wymaganiach gle-bowych z tolerancją gleb lekkich i bardzo lekkich z dodatnią reakcją na nawo-żenie. Jest rośliną o preferencji dobrego uwilgotnienia (Ostrowski i Gutowska 2008).

Rysunek 2.9. Rdestowiec sachaliński: maj, listopad

23


Rdestowiec sachaliński to silna roślina o charakterze ekspansywnym i bardzo inwazyjnym (Matuszkiewicz 2008). W wielu krajach jest uważana za chwast. W środowisku naturalnym zajmuje wszystkie stanowiska wypierając rodzimą roślinność. W przypadku uwolnienia do środowiska przyrodniczego może zagrozić gatunkom rodzimym lub siedliskom przyrodniczym. Nie jest za-lecana do uprawy na terenach ochronnych. Małe kępy roślin rdestowca, które powstają w początkowym etapie rozwoju, bardzo szybko się rozrastają. W rze-kach rośnie w układzie liniowym, w praktyce uniemożliwiając rozwój innym gatunkom roślin (Dajdok i in. 2007). Pomimo wysokiej łatwości przystosowania do nowych warunków siedliskowych i dużego przyrostu biomasy, rdestowiec jest rośliną bardzo inwazyjną, stąd niezalecaną do uprawy na cele energetycz-ne. W trzecim roku uprawy, kiedy roślina wchodzi w pełne plonowanie, plon wynosi 15–30 t s.m.⋅ha–1. Tak wysokie plony można jednak uzyskać tylko na żyznych glebach. Przy wykorzystaniu do uprawy gleb średnich plonuje podob-nie jak inne rośliny pastewne uprawiane na zieloną paszę. Zbiór przeprowadza się corocznie, po zaschnięciu łodyg, głównie zimą lub wczesną wiosną.

Z przedstawionej charakterystyki wybranych roślin można wskazać za Cho-łuj i Podlaskim (2008), że idealna roślina energetyczna powinna się cechować wieloletnim charakterem wzrostu i rozwoju, generatywnym sposobem rozmna-żania, szybkim wzrostem na początku wegetacji oraz dużym udziałem łodyg w suchej substancji części nadziemnej, niskimi wymaganiami i tolerancją na suszę, szybkim wysychaniem roślin w czasie zimy, wysoką produkcją bioma-sy, dobrymi parametrami jakościowymi biomasy związanymi z jej spalaniem. Jeżowski (2003) we wcześniejszych rozważaniach wskazał na wydajne zużycie składników mineralnych oraz odporność na choroby. Kowalczyk-Juśko (2009) w analizie przydatności wybranych gatunków roślin do energetycznego wyko-rzystania zaznacza, że przy zakładaniu plantacji należy uwzględnić, poza war-tością energetyczną, także skład chemiczny biomasy oraz zawartość popiołu po jej spaleniu.

Duża różnorodność uprawianych gatunków roślin energetycznych daje rolnikom szansę wybrania odpowiedniej rośliny w zależności od posiadanych warunków glebowych i klimatycznych. Uprawa na cele energetyczne roślin wie-loletnich (drzew, krzewów, traw, bylin) wymaga nowego podejścia do ich zbio-ru. Zastosowanie różnych technik zbioru – od leśnych do rolniczych – wymaga poznania właściwości mechanicznych materiałów zbieranych roślin w całym zakresie wilgotności – od fazy zbioru do momentu spalania. Ponieważ biomasa pozyskana z plantacji roślin wieloletnich jest przetwarzana w procesach cięcia, zginania, zgniatania, rozciągania i skręcania, którym często towarzyszy tarcie, przeto konieczna jest znajomość jej właściwości fizycznych (Shaw i Tabil 2007, Yiljep i Mohammed 2005).

24


Wnioski i spostrzeżenia1. Dla energetyki zawodowej najbardziej przydatne jest drewno krzewów

i drzew szybko rosnących, które po ścięciu łatwo odrastają; zalicza się do nich wierzbę wiciową, topolę, robinię akacjową i różę wielokwiatową.

2. Mniej przydatna jest biomasa bylin wieloletnich: ślazowca pensylwańskie-go i słonecznika bulwiastego (topinamburu), a najmniej traw wieloletnich, wśród których rozważane są gatunki miskanta, prosa rózgowatego, palczat-ki Gerarda, spartiny preriowej, wydmurzycy wydłużonej i mozgi trzcinowa-tej.

3. Jest wiele gatunków roślin wieloletnich (trwałych), których biomasa może być wykorzystana do celów energetycznych, ale ciągle są potrzebne badania nad doskonaleniem ich cech morfologicznych, technologii uprawy, pielę-gnacji, ochrony i zbioru.

25

3. WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNEMATERIAŁU ROŚLINNEGO

3.1. Wytrzymałość mechaniczna łodygWłaściwości fizyczne roślin zmieniają się wraz z fazą rozwojową, dojrzałością i wilgotnością. Zależą od gatunku rośliny, odmiany, dojrzałości, struktury wie-lofazowego ośrodka, budowy komórkowej oraz zmieniają się na wysokości łody-gi (Chattopadhyay i Pandey 1999, Haman i Konstankiewicz 1999). W procesie cięcia ważnymi cechami mechanicznymi materiału roślinnego są naprężenia rozciągające, ścinające, ściskające i zginające oraz gęstość i tarcie (Chattopa-dhyay i Pandey 1999). Dzieje się tak dlatego, że pędy roślin po ścięciu przez mechanizm tnący są zabierane i transportowane przez kolejne elementy róż-nych zespołów roboczych maszyny zbierającej. Cechami roślin wpływającymi na energię cięcia są: wymiar rośliny, wytrzymałość na ścinanie, współczynnik tarcia i wilgotność (Persson 1987).

Pewne właściwości roślin są wykorzystywane do określonych potrzeb. Na przykład wiedza o wytrzymałości roślin na zginanie i cięcie oraz ilości energii potrzebnej do wywołania odpowiednich naprężeń jest przydatna w fazie projek-towania noży i podczas doboru parametrów pracy elementów i zespołów robo-czych (İnce i in. 2005).

Nie tylko w maszynach do zbioru roślin zachodzą złożone procesy, wynika-jące z oddziaływania elementów roboczych na materiał roślinny składniki pę-dów, a zwłaszcza łodygi. W pozbiorowej obróbce materiału roślinnego przezna-czonego na cele energetyczne występują również procesy cięcia, rozdrabniania, mielenia i zagęszczania. Na wszystkich tych etapach konieczny jest wydatek energetyczny (Woliński i Wolińska 2007), który będzie zależał od właściwości materiału roślinnego. Aby energia włożona w produkcję peletu nie przekroczyła energii uzyskanej z jego spalania, należy wszystkie procesy prowadzić w opty-malnych warunkach, zarówno od strony parametrów technicznych maszyn i urządzeń stosowanych w poszczególnych operacjach obróbki, jak i właściwo-ści roślin, a zwłaszcza wilgotności. Wilgotność roślin jest zależna od terminu zbioru. Według badań Kościka (2003), pędy ślazowca zbierane w październiku zawierały średnio 43% wody, a średnia wilgotność w grudniu zmniejszyła się do 28%. Wilgotność roślin zależy nie tylko od terminu zbioru, ale także od średnicy łodyg i zmienia się wzdłuż wysokości. Ponieważ wilgotność materiału roślinnego

26


wpływa znacząco na właściwości mechaniczne łodyg, przeto ważne jest, aby dokładniej poznać je i wykorzystać do opracowania optymalnej technologii pro-dukcji peletu lub brykietów. Na zmianę właściwości energetycznych materiału od średnicy łodyg zwrócili uwagę Styk i Borkowska (Styk B. i Styk W. 1994, Borkowska i Styk 2006), którzy zapoczątkowali badania ciepła spalania łodyg ślazowca pensylwańskiego z uwzględnieniem różnic w ich grubości. Badania w tym zakresie rozwinęli Szyszak i in. (2006).

Jedną z ważniejszych właściwości charakteryzujących materiały pod względem wytrzymałościowym jest sprężystość. Można ją zdefiniować jako zdolność materiału do odzyskiwania pierwotnego kształtu i wymiarów po usunięciu sił zewnętrznych wywołujących deformacje. A zatem zmianie ten-sora naprężeń towarzyszy zmiana tensora odkształceń i odwrotnie, przy czym zmiany te są w pełni odwracalne (Niezgodziński M. i Niezgodziński T. 2009). Istotną cechą sprężystości jest zachowanie energii. Jeśli zakres odkształceń danego materiału przekroczy graniczną wartość odkształceń sprężystych, to albo materiał straci swoją ciągłość, i jeśli jest kruchy, to pęka, albo, jeśli jest ciągliwy, to nastąpi w materiale przyrost odkształceń bez przyrostu na-prężeń i wejdzie on w zakres deformacji plastycznej (płynięcia), która jest nieodwracalna. W najprostszym przypadku zjawisko sprężystości jest opisy-wane przez prawo Hooke’a, określające zależność między siłą odkształcenia a odkształceniem dla ciała sprężystego w granicy sprężystości. Wielkością charakteryzującą sprężystość danego ciała jest moduł Younga, zwany też po-dłużnym modułem sprężystości lub współczynnikiem sprężystości wzdłużnej E, który jest współczynnikiem proporcjonalności między naprężeniem a od-kształceniem, przy czym pojęcie modułu Younga odnosi się do obciążeń roz-ciągających lub ściskających. W ogólnym ujęciu pojęcie modułu sprężystości jest uzupełniane informacją o rodzaju obciążeń. Mamy zatem moduł sprę-żystości przy rozciąganiu, ściskaniu, skręcaniu, ścinaniu i zginaniu. Wie-dza o poszczególnych modułach sprężystości dla roślin energetycznych jest przydatna podczas projektowania zespołów roboczych maszyny, w których zachodzą odpowiednie zjawiska, oraz pozwala na predykcję odporności roślin na obciążenia zewnętrzne, w tym na wyleganie. Dotyczy to zwłaszcza modułu sprężystości przy zginaniu, gdyż jego znajomość może być wykorzystana do projektowania elementów nachylających lub nagarniających rośliny podczas ich ścinania lub transportujących: przenośników zabierakowych palcowych, łańcuchowych lub ślimakowych.

Obok modułu sprężystości ważnym wskaźnikiem wytrzymałościowym jest energia jednostkowa odniesiona do przekroju, na który działa obciążenie de-formacyjne podczas cięcia, ściskania i zginania. Znajomość energii jednost-kowej pozwoli bowiem na wyznaczenie obciążeń energetycznych dla zespołów roboczych maszyn stosowanych do przetwarzania materiału z roślin energe-tycznych.

27

Właściwości fizyczne materiału roślinnego

Rozważania zaprezentowane w niniejszej monografii dotyczą jednokierun-kowych obciążeń, a rozpatrywany przekrój łodyg odnosi się do przekroju pro-stopadłego do ich włókien.

W publikacji przeanalizowano moduł sprężystości przy cięciu, ściskaniu i zginaniu łodyg oraz odpowiadającą tym obciążeniom energię jednostkową dla siedmiu rodzajów roślin energetycznych o różnej wilgotności i w strefach wzdłuż ich wysokości.

W fazie zbioru roślin wilgotność materiału była uwarunkowana terminem zbioru (tab. 3.1). Bezpośrednio po zbiorze wykonano pierwszy cykl pomiarów, a następnie po podsuszeniu materiału w dwóch kolejnych etapach, stosując metodykę opisaną przez Lisowskiego i in. (2009d, 2009e) oraz Nowakowskiego i in. (2009).

Wilgotność roślin w fazie zbioru, wyznaczona metodą suszarkowo-wagową (PN-EN 13183-1), zależała od gatunku rośliny, a po kolejnych okresach na-turalnego suszenia materiału przechowywanego pod zadaszeniem zależała od czasu składowania i charakterystyki szybkości oddawania wody przez materiał roślinny (tab. 3.1). Próbki dobrano tak, aby maksymalny błąd względny wyzna-czenia wilgotności nie przekroczył 1%.

Tabela 3.1. Wilgotność materiału (w %) podczas wyznaczania modułu sprężystości i energii jed-nostkowej przy cięciu, ściskaniu i zginaniu łodyg roślin energetycznych

Etapy pomiaruwilgotności

Wierzba wiciowa

Różawielo-

kwiatowa

Miskantolbrzymi

Spartinapreriowa

Ślazowiec pensyl-wański

Słonecz-nik

bulwiasty

Rdesto-wiec

sachaliń-ski

Podczas zbioru (etap I) 47,00 40,50 49,30 36,80 25,90 26,46 65,80

Etap II 31,70 21,38 45,50 16,27 20,40 17,05 21,72Etap III 16,61 2,05 19,20 2,43 8,16 9,70 10,27Źródło: Opracowanie własne autorów.

Wykresy siły obciążających łodygi w funkcji jej odkształcenia stanowiły pod-stawę do dalszych obliczeń parametrów wytrzymałościowych. Dla danego ro-dzaju obciążenia obliczono moduły sprężystości jako moduły sieczne, czyli jako iloraz naprężenia i odkształcenia względnego dla punktu, w którym pojawiło się pierwsze przegięcie krzywej. Był to zatem punkt na wykresie siła – odkształcenie (rys. 3.1), przy którym zależność traciła charakterystykę liniową (Frączek i in. 2003). Energię jednostkową obliczono jako iloraz całkowitej energii deformacji (wartość całki pola pod krzywą deformacji) i powierzchni przekroju poprzeczne-go próbki (tab. 3.2).

Wartość momentu bezwładności dla wierzby wiciowej, róży wielokwiatowej, słonecznika bulwiastego i ślazowca pensylwańskiego obliczono dla przekroju kołowego, dla rdestowca sachalińskiego i spartiny preriowej – dla przekro-ju pierścienia, a dla miskanta olbrzymiego – dla przekroju elipsy. Prędkość

28


Rysunek 3.1. Metoda wyznaczenia siły deformacji F i odkształcenia y lub x

Źródło: Opracowanie własne autorów.

Tabela 3.2. Zależności stosowane do wyznaczenia parametrów wytrzymałościowych (ASAE S459 1993, Crook i Ennos 1994, Chattopadhyay i Pandey 1999)

Parametr Cięcie Ściskanie Zginanie

Moduł sprężystości =Δte

tt t

F dES l

=Δce

cc c

F dES l

=3

48ge p

gF l

EIy

Energia jednostkowa = 1jt t

tE F dx

S= 1

jc cc

E F dxS

= 1jg g

gE F dx

S

Oznaczenia:Et, Ec, Eg – moduł sprężystości przy cięciu, ściskaniu, zginaniu, MPa,Fte, Fce, Fge – siła cięcia, ściskająca, zginająca (w zakresie sprężystości), N,Ft, Fc, Fg – siła cięcia, ściskająca, zginająca (całkowita), N,Ejt, Ejc, Ejg – energia jednostkowa cięcia, ściskania, zginania, J·m–2,Δlt, Δlc – poprzeczna deformacja materiału roślinnego od siły cięcia, ściskającej, m,d – średnica próbki przed jej obciążeniem w miejscu przyłożenia siły, w kierunku działania siły, m,I – biegunowy moment bezwładności przekroju próbki, m4,St, Sg – przekrój poprzeczny próbki w miejscu jej cięcia, zginania, m2,Sc – powierzchnia, na którą działa obciążenie, jako iloczyn długości stempla ściskającego

(0,025 m) i średnicy próbki zmierzonej w płaszczyźnie prostopadłej do siły ściskającej m2,lp – odległość punktów podparcia próbki (0,06 m), m,y – odległość zewnętrznych włókien od osi obojętnej próbki, mm,x – odkształcenie (skok noża, deformacja materiału roślinnego, ugięcie), m.


deformacji była stała i wynosiła 10 mm·min–1 dla każdego rodzaju obciążenia. Podczas prób zginania łodyg rozstaw podpór wynosił 0,06 m, co było spój-ne z warunkami eksperymentów utrzymywanymi dla innych roślin (Skubisz 2001). Charakterystyki siła – odkształcenie wykonano dla obciążeń łodyg każ-dego rodzaju roślin o wilgotności zestawionej w tabeli 3.1.

29


Z łodygi wycięto po trzy próbki o długości 0,20 m każda, których środki znajdowały się na wysokościach 0,10 m (strefa dolna – D), 0,60 m (strefa środkowa – S) i 1,10 m (strefa górna – G) od podłoża. Wybór stref wysokości wynikał z wymuszeń elementów roboczych podczas zbioru roślin. Na wysoko-ści 0,10 m od podłoża rośliny są ścinane, a na wysokości 0,60–1,10 m wymu-szenia mogą pochodzić od elementów nachylających. Ponadto, w zespołach rozdrabniających materiał roślinny jest cięty na cząstki wzdłuż całej długości łodygi. Podobnie deformacje związane ze ściskaniem i zginaniem materiału, zachodzące między walcami wciągająco-zgniatającymi sieczkarni polowej, od-bywają się na całej długości łodygi.

Sporządzenie charakterystyk wytrzymałościowych materiałów roślinnych przy mniejszej wilgotności wynikało z faktu, iż rośliny energetyczne mogą być zbierane w całości i po okresie przechowywania rozdrobnione w rębarkach stacjonarnych.

Części pędów zważono na wadze elektronicznej z dokładnością 0,01 g, a średnice łodyg w miejscu deformacji zmierzono suwmiarką cyfrową z dokład-nością 0,01 mm. Do wyznaczenia błędów względnych przy obliczaniu modułu sprężystości i energii jednostkowej zastosowano metodę różniczki zupełnej. Maksymalne błędy względne wynosiły odpowiednio 4,6 i 5,9% oraz wystąpi-ły odpowiednio dla modułu sprężystości przy cięciu słonecznika bulwiastego i energii jednostkowej ściskania rdestowca sachalińskiego.

Przykładową analizę zjawisk zachodzących podczas cięcia, ściskania i zgi-nania łodyg opisano dla ślazowca pensylwańskiego (Lisowski i in. 2009d).

Cięcie, ściskanie i zginane łodyg ślazowca pensylwańskiegoNa rysunku 3.2 przedstawiono przykładowe krzywe siła – odkształcenie

otrzymane dla cięcia próbek łodyg o różnej wilgotności pochodzące z trzech stref wysokości (Adamus i Lisowski 2009). Wykresy są podobne do prezento-wanych przez Srivastava i in. (1993) oraz Chen i in. (2004) dla łodyg konopi, Nazari Galedar i in. (2008) dla lucerny oraz Lisowskiego (2009a) dla kukury-dzy. Przykładowo dla krzywej siła – odkształcenie cięcia łodygi o wilgotności 8,16% (rys. 3.2a), w pierwszej strefie wysokości, około 0,10 m od podłoża, odpowiadającej wysokości ścinania roślin podczas zbioru, wyróżniono trzy charakterystyczne obszary, reprezentujące złożone zjawiska, jakie zachodzą podczas procesu cięcia. W obszarze A występuje wyłącznie ściskanie, w B – ściskanie i cięcie, a w C – wyłącznie cięcie materiału roślinnego. W obszarze A siła zwiększa się od zera do chwili początkowego kontaktu między ostrzem noża a łodygą i następnie zwiększa się z powodu niszczenia struktury łody-gi, które objawia się zgnieceniem jej miękkiego rdzenia. Ściskanie materiału jest kontynuowane w obszarze B podczas równoczesnego cięcia poruszają-cym się nożem. W tym obszarze występuje przemiennie chwilowe ściskanie i po przekroczeniu naprężeń wytrzymałościowych – cięcie materiału. Jeśli siła

30


cięcia osiągnie szczytową wartość, to w obszarze C zaczyna się czyste cięcie, w którym siła początkowo nieznacznie zwiększa się, a następnie gwałtownie zmniejsza się aż do chwili zakończenia przecięcia próbki. Wraz ze zwiększa-niem się wilgotności i wysokości łodygi przebieg krzywej siła – odkształcenie jest bardziej płaski, ale we wszystkich przypadkach występuje charaktery-styczne zmniejszenie siły cięcia w obszarze A po przekroczeniu fazy ściskania materiału.

Z przebiegu krzywych ściskania (rys. 3.3) wynika, że w początkowej fazie procesu deformacje materiału roślinnego zachodziły przy bardzo małych siłach. Deformacje te dotyczyły głównie zmiany kształtu przekroju poprzecznego łodygi ślazowca pensylwańskiego. Do chwili zupełnego ściśnięcia miękkiego rdzenia przyrost siły ściskającej w funkcji deformacji był dość stabilny. Dla materiału o mniejszej wilgotności wystąpiło wyraźne pęknięcie bocznych ścianek łodygi, po którym dalsza deformacja odbywała się przy zmniejszonej sile. Po całkowi-tym zdeformowaniu miękkiego rdzenia siła potrzebna do ściśnięcia twardych tkanek zewnętrznych łodygi gwałtownie się zwiększała. Już w początkowej fazie

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 5 10 15 20 25

Odkształcenie Δlt, mm

Siła

cię

cia

F t, N

h=10 cm, w=8,16%h=60 cm, w=8,16%h=110 cm, w=8,16%

B

A

C

a)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 5 10 15 20 25Odkształcenie Δlt, mm

Siła

cię

cia

F t, N

h=10 cm, w=8,16%h=10 cm, w=20,40%h=10 cm, w=25,90%

b)

Rysunek 3.2. Przykładowe krzywe siła–odkształcenie otrzymane podczas cięcia próbek łodyg dla: a) różnych stref wysokości, b) różnej wilgotności łodyg; A – obszar ściskania, B – obszar ściskania i cięcia, C – obszar cięcia


Rysunek 3.3. Przykładowe krzywe siła – odkształcenie otrzymane podczas ściskania próbek łodyg dla: a) różnych stref wysokości, b) różnej wilgotności łodyg


0

100

200

300

400

500

600

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Odkształcenie Δlc, mm

Siła

ści

skaj

ąca

F c, N

h=10 cm, w=8,16%h=60 cm, w=8,16%h=110 cm, w=8,16%

a)

0

100

200

300

400

500

600

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3Odkształcenie Δlc, mm

Siła

ści

skaj

ąca

F c, N

h=10 cm, w=8,16%h=10 cm, w=20,40%h=10 cm, w=25,90%

b)

31


ściskania, dla której zaleca się obliczenie modułu sprężystości, było dość trudno wyodrębnić liniową zależność między siłą a odkształceniem. Kształt krzywych wytrzymałościowych ściskania łodyg odbiega od teoretycznego wykresu siła – odkształcenie dla sprężystych materiałów konstrukcyjnych, gdyż w odniesie-niu do ślazowca pensylwańskiego mamy do czynienia z materiałem nieliniowo sprężystym.

Z zaprezentowanych wykresów siła – odkształcenie dla zginania (rys. 3.4) wynika, że przebieg zjawiska dla łodyg zginanych przy różnej wilgotności był bardziej łagodny niż dla stref wysokości. Siły potrzebne do zgięcia próbek łodyg, zarówno o mniejszej wilgotności, jak i pochodzące z niższych stref wysokości, były największe. Charakterystyki sił potrzebnych do zgięcia łodyg miały prze-bieg krzywoliniowy o degresywnym wzroście, co oznacza, że w początkowej fazie trudniej było zgiąć łodygę, gdyż proces zachodził w zakresie większej sprężysto-ści. Po przekroczeniu granicy sprężystości, gdy zaczęły się pęknięcia tkanek, materiał łodygi był zdeformowany oraz coraz bardziej plastyczny i trzeba było użyć mniejszych sił do dalszego zginania.

Moduł sprężystości i energia jednostkowaWyniki analizy wariancji wartości modułu sprężystości i energii jednostko-

wej wyznaczone dla cięcia, ściskania i zginania łodyg siedmiu rodzajów roślin o różnej wilgotności i dla trzech stref wysokości zestawiono w tabeli 3.3. Ana-lizując otrzymane wyniki można stwierdzić, że wilgotność w większym stopniu niż strefa wysokości była czynnikiem wpływającym na zróżnicowanie wartości parametrów wytrzymałościowych. Spośród 21 przypadków tylko w 4 stwier-dzono jednoznacznie brak wpływu tego czynnika dla modułu sprężystości przy ściskaniu łodyg miskanta olbrzymiego oraz dla wszystkich rodzajów obciążeń łodyg rdestowca sachalińskiego. Dla energii jednostkowej takich przypadków było 25% i odnosiły się one do cięcia łodyg miskanta olbrzymiego, spartiny preriowej i rdestowca sachalińskiego oraz ściskania łodyg spartiny preriowej

Rysunek 3.4. Przykładowe krzywe siła – odkształcenie otrzymane podczas zginania próbek łodyg dla: a) różnych stref wysokości, b) różnej wilgotności łodyg


0

100

200

300

400

500600

700

800

9001000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Odkształcenie Δlg, mm

Siła

zgi

nącj

ąca

F g, N

h=10 cm, w=8,16%h=60 cm, w=8,16%h=110 cm, w=8,16%

a)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

9001000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Odkształcenie Δlg, mm

Siła

zgi

nają

ca F

g, N

h=10 cm, w=8,16%h=10 cm, w=20,40%h=10 cm, w=25,90%

b)

32


Tabela 3.3. Wyniki analizy wariancji (osobno dla każdego rodzaju rośliny) modułu sprężystości i energii jednostkowej cięcia, ściskania i zginania łodyg roślin energetycznych o różnej wilgotności i dla trzech stref wysokości

Parametr Cechy opisowe

Cięcie Ściskanie Zginanie

Femp

krytyczny poziom

istotnościFemp

krytyczny poziom

istotnościFemp

krytyczny poziom

istotnościWierzba wiciowa

Moduł sprężystości

A: wilgotność 9,46 0,0005 6,76 0,0019 25,24 < 0,0001B: strefa wysokości 0,60 0,5530 0,36 0,7011 14,93 < 0,0001Interakcja: A × B 0,84 0,5104 0,10 0,9833 0,52 0,7200

Energia jednostkowa

A: wilgotność 4,17 0,0243 11,96 < 0,0001 100,27 < 0,0001B: strefa wysokości 5,08 0,0119 1,23 0,2989 19,19 < 0,0001Interakcja: A × B 0,52 0,7213 0,13 0,9718 11,80 < 0,0001

Róża wielokwiatowa


A: wilgotność 38,70 < 0,0001 4,98 0,0092 232,66 <0,0001B: strefa wysokości 4,74 0,0155 4,13 0,0197 16,95 < 0,0001Interakcja: A × B 0,64 0,6388 0,85 0,4993 0,86 0,4929

Energia jednostkowa

A: wilgotność 2,74 0,0785 13,06 < 0,0001 65,86 < 0,0001B: strefa wysokości 7,99 0,0014 2,52 0,0870 18,72 < 0,0001Interakcja: A × B 0,23 0,9177 1,89 0,1199 7,54 <0,0001

Miskant olbrzymi


A: wilgotność 28,82 < 0,0001 0,72 0,4929 22,71 < 0,0001B: strefa wysokości 6,02 0,0055 0,85 0,4322 1,31 0,2790Interakcja: A × B 2,23 0,0849 0,54 0,7079 0,10 0,9815

Energia jednostkowa

A: wilgotność 1,13 0,3340 5,67 0,0054 3,66 0,0317B: strefa wysokości 3,25 0,0502 1,29 0,2834 1,51 0,2302Interakcja: A × B 0,74 0,5729 1,12 0,3565 0,42 0,7945

Spartina preriowa


A: wilgotność 8,17 0,0015 65,02 < 0,0001 52,72 < 0,0001B: strefa wysokości 0,08 0,9230 1,10 0,3373 5,89 0,0041Interakcja: A × B 1,30 0,2925 2,01 0,1019 3,54 0,0103

Energia jednostkowa

A: wilgotność 0,07 0,9364 2,37 0,1006 44,74 < 0,0001B: strefa wysokości 3,66 0,0373 0,01 0,9906 2,52 0,0873Interakcja: A × B 1,88 0,1385 0,55 0,6979 1,07 0,3789

Ślazowiec pensylwański


A: wilgotność 3,12 0,0573 7,76 0,0012 25,91 < 0,0001B: strefa wysokości 1,26 0,2976 1,71 0,1910 22,48 < 0,0001Interakcja: A × B 1,23 0,3171 1,73 0,1584 2,15 0,0853

Energia jednostkowa

A: wilgotność 3,37 0,0466 2,34 0,1065 15,67 < 0,0001B: strefa wysokości 0,20 0,8216 3,39 0,0417 1,08 0,3446Interakcja: A × B 0,76 0,5618 0,63 0,6450 0,69 0,5983

Słonecznik bulwiasty (topinambur)


A: wilgotność 32,91 < 0,0001 6,23 0,0032 40,07 < 0,0001B: strefa wysokości 7,01 0,0025 1,49 0,2312 1,12 0,3324Interakcja: A × B 3,56 0,0143 1,38 0,2486 0,78 0,5396

Energia jednostkowa

A: wilgotność 4,90 0,0129 6,51 0,0024 1,05 0,3562B: strefa wysokości 15,37 < 0,0001 4,14 0,0194 6,77 0,0019Interakcja: A × B 3,08 0,0278 4,70 0,0019 0,79 0,5357

33


i rdestowca sachalińskiego, a także zginania łodyg słonecznika bulwiastego. Spośród interakcji jednoznacznie pozytywny wpływ współdziałania wilgotno-ści i stref wysokości łodygi stwierdzono dla modułu sprężystości przy zginaniu spartiny preriowej oraz cięciu słonecznika bulwiastego, a dla energii jednost-kowej podczas deformacji łodyg przez zginanie wierzby wiciowej i róży wielko-kwiatowej oraz cięcie słonecznika bulwiastego. Łodygi słonecznika bulwiastego miały najbardziej zróżnicowane charakterystyki parametrów wytrzymałościo-wych, sporządzone zwłaszcza przy cięciu i ściskaniu łodyg. Najmniej podatną rośliną na zmianę wartości modułu sprężystości i energii jednostkowej okazał się rdestowiec sachaliński, zwłaszcza podczas cięcia łodyg. Najbardziej zróż-nicowane wartości parametrów wytrzymałościowych czynnikami głównymi uzyskano podczas zginania łodyg. Na uwagę zasługuje brak interakcji między wilgotnością a strefą wysokości łodygi na wartości parametrów wytrzymałościo-wych. Z tego wynika, że zmiany wartości tych parametrów w funkcji wilgotności i wzdłuż wysokości łodygi nie były jednoznaczne. Nie oznacza to, że otrzymane wyniki są błędne, ale w celu dokładniejszej interpretacji uzyskane dane należy poddać szczegółowej analizie.

Wyniki szczegółowego testu Duncana przedstawiono dla wszystkich para-metrów wytrzymałościowych (tab. 3.4), mimo że można było pominąć te, które dały negatywny wynik z analizy wariancji. Dla wyraźnie stwierdzonych różnic w analizie wariancji uzyskano statystycznie istotne różnice między poszczegól-nymi wartościami średnimi parametrów wytrzymałościowych.

Z zestawienia średnich wartości parametrów wytrzymałościowych wynika, że w większości przypadków dla wilgotności pośredniej łodyg roślin energe-tycznych otrzymano odmienne wartości niż dla wilgotności najmniejszej i naj-większej (tab. 3.4). Jest to wyraźnie widoczne na wykresach przedstawiających interakcje wilgotności i stref wysokości na przebieg parametrów wytrzymało-ściowych (rys. 3.5–3.10).


Parametr Cechy opisowe

Cięcie Ściskanie Zginanie

Femp

krytyczny poziom

istotnościFemp

krytyczny poziom

istotnościFemp

krytyczny poziom

istotnościRdestowiec sachaliński


A: wilgotność 0,38 0,6893 0,52 0,5984 1,74 0,1845B: strefa wysokości 1,53 0,2306 8,93 0,0004 13,43 < 0,0001Interakcja: A × B 0,44 0,7801 0,88 0,4826 1,82 0,1373

Energia jednostkowa

A: wilgotność 0,45 0,6404 0,61 0,5455 5,39 0,0070B: strefa wysokości 2,47 0,1005 0,78 0,4615 4,82 0,0114Interakcja: A × B 1,45 0,2392 1,01 0,4109 0,51 0,7278

cd. tabeli 3.3.

34


Tabela 3.4. Wartości średnie modułu sprężystości i energii jednostkowej oraz ich błędy standardowe dla cięcia, ściskania i zginania łodyg roślin energetycznych o różnej wilgotności i na różnych wyso-kościach

Parametrwytrzymałościowy Wilgotność (%) Strefa wysokości

Wierzba wiciowa16,61% 31,70% 47,00% dół (D) środek (S) góra (G)

Moduł sprężystości przy cięciu Et, MPa 20,69 ±0,71b 18,89 ±0,66b 16,51 ±0,66a 19,30 ±0,69a 18,32 ±0,66a 18,47 ±0,69a

Energia jednostkowa cięcia Ejt, J·mm–2 145,2 ±12,6b 104,7 ±11,4a 99,0 ±11,9a 148,0 ±12,6b 96,2 ±11,9a 104,6 ±11,4a

Moduł sprężystości przy ściskaniu Ec, MPa 79,20 ±4,05b 69,35 ±4,05ab 57,75 ±4,20a 71,02 ±4,05a 66,17 ±4,12a 69,12 ±4,12a

Energia jednostkowa ściskania Ejc, J·mm–2 8,29 ±0,77b 3,68 ±0,80a 3,58 ±0,79a 5,97 ±0,80a 5,33 ±0,78a 4,25 ±0,78a

Moduł sprężystości przy zginaniu Eg, MPa 589 ±28b 723 ±28c 456 ±25a 484 ±26a 591 ±26b 695 ±29c

Energia jednostkowa zginania Ejg, J·mm–2 94,84 ±4,47c 35,75 ±4,39b 8,45 ±4,31a 67,45 ±4,47c 42,02 ±4,39b 29,56 ±4,31a

Róża wielokwiatowa2,05% 21,38% 40,50% dół (D) środek (S) góra (G)

Moduł sprężystości przy cięciu Et, MPa 52,67 ±2,71b 26,68 ±2,81a 21,50 ±2,60a 40,40 ±2,71b 30,68 ±2,71a 29,77 ±2,71a

Energia jednostkowa cięcia Ejt, J·mm–2 76,8 ±12,9a 117,8 ±13,4b 109,3 ±13,4ab 138,4 ±13,4b 62,8 ±13,4a 102,8 ±12,9b

Moduł sprężystości przy ściskaniu Ec, MPa 89,49 ±7,69b 68,62 ±7,56ab 55,75 ±7,56a 88,16 ±7,56b 67,89 ±7,56ab 57,81 ±7,69a

Energia jednostkowa ściskania Ejc, J·mm–2 2,84 ±0,36a 5,04 ±0,36b 2,74 ±0,35a 4,13 ±0,36b 3,51 ±0,35ab 2,98 ±0,36a

Moduł sprężystości przy zginaniu Eg, MPa 5624 ±155c 2260 ±146b 1387 ±130a 2557 ±143a 2979 ±142b 3736 ±146c

Energia jednostkowa zginania Ejg, J·mm–2 17,08 ±3,33a 64,96 ±3,55b 17,16 ±2,87a 44,12 ±3,44b 37,77 ±3,21b 17,32 ±3,14a

Miskant olbrzymi19,20% 45,50% 49,30% dół (D) środek (S) góra (G)

Moduł sprężystości przy cięciu Et, MPa 14,93 ±0,81b 15,40 ±0,81b 7,66 ±0,81a 14,26 ±0,81b 13,29 ±0,81b 10,44 ±0,81a

Energia jednostkowa cięcia Ejt, J·mm–2 31,44 ±3,89a 31,56 ±3,89a 38,67 ±3,89a 41,24 ±3,89b 33,19 ±3,89ab 27,24 ±3,89a

Moduł sprężystości przy ściskaniu Ec, MPa 47,41 ±4,08a 53,71 ±5,66a 45,40 ±4,15a 46,71 ±4,69a 46,00 ±4,69a 53,81 ±4,69a

Energia jednostkowa ściskania Ejc, J·mm–2 0,43 ±0,05a 0,70 ±0,07b 0,52 ±0,05a 0,48 ±0,05a 0,58 ±0,05a 0,59 ±0,05a

Moduł sprężystości przy zginaniu Eg, MPa 1491 ±62b 1974 ±98c 1168 ±70a 1594 ±78a 1597 ±79a 1442 ±77a

Energia jednostkowa zginania Ejg, J·mm–2 4,79 ±0,31b 4,75 ±0,45ab 3,64 ±0,33a 4,75 ±0,36a 4,53 ±0,39a 3,89 ±0,36a

Spartina preriowa2,43% 16,27% 36,80% dół (D) środek (S) góra (G)

Moduł sprężystości przy cięciu Et, MPa 12,83 ±1,34b 9,45 ±1,09b 5,80 ±1,13a 9,74 ±1,24a 9,24 ±1,20a 9,09 ±1,13a

Energia jednostkowa cięcia Ejt, J·mm–2 18,42 ±1,92a 18,93 ±1,63a 19,34 ±1,69a 22,71 ±1,76b 17,72 ±1,69a 16,27 ±1,80a

Moduł sprężystości przy ściskaniu Ec, MPa 85,39 ±3,88c 25,07 ±3,61a 49,14 ±3,81b 53,76 ±3,74a 56,87 ±3,74a 48,97 ±3,82a

35


Parametrwytrzymałościowy Wilgotność (%) Strefa wysokości

Energia jednostkowa ściskania Ejc, J·mm–2 0,26 ±0,04a 0,34 ±0,04ab 0,40 ±0,05b 0,34 ±0,04a 0,34 ±0,04a 0,33 ±0,05a

Moduł sprężystości przy zginaniu Eg, MPa 9880 ±531c 4433 ±511b 2558 ±511a 6426 ±511b 6256 ±531b 4188 ±511a

Energia jednostkowa zginania Ejg, J·mm–2 4,15 ±0,19c 1,66 ±0,19a 2,55 ±0,18b 2,99 ±0,19b 2,92 ±0,19ab 2,45 ±0,18a

Ślazowiec pensylwański8,16% 20,40% 25,90% dół (D) środek (S) góra (G)

Moduł sprężystości przy cięciu Et, MPa 8,75 ±1,29b 6,43 ±1,42a 8,01 ±1,34ab 7,48 ±1,47a 7,18 ±1,29a 8,54 ±1,29a

Energia jednostkowa cięcia Ejt, J·mm–2 27,7 ±8,4a 39,6 ±9,2b 24,0 ±8,7a 32,7 ±9,6a 29,6 ±8,4a 29,0 ±8,4a

Moduł sprężystości przy ściskaniu Ec, MPa 27,7 ±3,8b 20,5 ±5,1a 15,7 ±5,1a 21,0 ±4,7a 18,4 ±4,7a 24,5 ±4,7a

Energia jednostkowa ściskania Ejc, J·mm–2 0,89 ±0,22ab 0,79 ±0,31b 1,24 ±0,32a 1,19 ±0,28b 1,06 ±0,28ab 0,67 ±0,29a

Moduł sprężystości przy zginaniu Eg, MPa 540 ±57b 262 ±55a 329 ±78a 237 ±61a 348 ±61b 546 ±70c

Energia jednostkowa zginania Ejg, J·mm–2 10,06 ±1,48b 4,39 ±1,40a 7,65 ±2,05b 8,39 ±1,76a 6,98 ±1,61a 6,73 ±1,63a

Słonecznik bulwiasty (topinambur)9,70% 17,05% 26,46% dół (D) środek (S) góra (G)

Moduł sprężystości przy cięciu Et, MPa 7,72 ±0,45b 8,27 ±0,41b 3,61 ±0,45a 7,84 ±0,44b 6,17 ±0,44a 5,59 ±0,44a

Energia jednostkowa cięcia Ejt, J·mm–2 17,30 ±1,34a 21,35 ±1,22b 15,78 ±1,44a 24,13 ±1,35b 16,01 ±1,35a 14,29 ±1,30a

Moduł sprężystości przy ściskaniu Ec, MPa 14,64 ±0,95b 9,91 ±0,96a 11,73 ±0,97a 13,34 ±0,97a 11,91 ±0,97a 11,02 ±0,94a

Energia jednostkowa ściskania Ejc, J·mm–2 1,10 ±0,21a 1,44 ±0,21a 2,17 ±0,22b 1,30 ±0,21a 2,08 ±0,22b 1,34 ±0,21a

Moduł sprężystości przy zginaniu Eg, MPa 431 ±20c 242 ±20b 184 ±20a 307 ±20a 285 ±20a 264 ±20a

Energia jednostkowa zginania Ejg, J·mm–2 5,02 ±0,55a 5,80 ±0,52a 4,77 ±0,52a 6,53 ±0,54b 5,30 ±0,52b 3,76 ±0,52a

Rdestowiec sachaliński10,27% 21,72% 65,80% dół (D) środek (S) góra (G)

Moduł sprężystości przy cięciu Et, MPa 7,98 ±1,42a 6,26 ±1,42a 7,36 ±1,59a 5,65 ±1,48a 6,73 ±1,48a 9,23 ±1,48a

Energia jednostkowa cięcia Ejt, J·mm–2 24,86 ±3,33a 29,15 ±3,47a 25,48 ±3,72a 20,04 ±3,60a 29,78 ±3,47a 29,66 ±3,47a

Moduł sprężystości przy ściskaniu Ec, MPa 9,79 ±1,26a 10,84 ±1,78a 11,56 ±1,21a 7,26 ±1,48a 9,35 ±1,40a 15,58 ±1,44b

Energia jednostkowa ściskania Ejc, J·mm–2 0,40 ±0,05a 0,47 ±0,07a 0,38 ±0,05a 0,46 ±0,06a 0,36 ±0,05a 0,43 ±0,05a

Moduł sprężystości przy zginaniu Eg, MPa 47,05 ±6,92a 36,72

±10,16a 59,27 ±7,34a 26,60 ±7,78a 33,13 ±8,24a 83,30 ±8,74b

Energia jednostkowa zginania Ejg, J·mm–2 3,15 ±0,33ab 4,31 ±0,51b 2,30 ±0,35a 2,70 ±0,41a 2,80 ±0,41a 4,26 ±0,39b

Oznaczenia: a, b – wartości średnie (osobno dla wilgotności oraz strefy wysokości) oznaczone tymi samymi inskryp-cjami nie różnią się między sobą istotnie statystycznie przy poziomie p < 0,05.


cd. tabeli 3.4

36


Rysunek 3.5. Interakcja wilgotności materiału ze strefami wysokości łodyg na moduł sprężystości przy cięciu Et: a – wierzba wiciowa, b – róża wielokwiatowa, c – miskant olbrzymi, d – spartina pre-riowa, e – ślazowiec pensylwański, f – słonecznik bulwiasty, g – rdestowiec sachaliński


20,00 18,0219,87

15,84

20,37 18,75

21,69

15,6618,06

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Et,

MP

a

strefa Dstrefa Sstrefa G

a61,86

26,95

32,40

17,41

46,55

28,08

49,61

20,1519,55

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Et,

MP

a


b

15,48

7,66

19,64

8,56

15,91

15,3813,41

6,75

11,17

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Et,

MP

a


c

13,37

4,91

10,95

3,91

13,56

9,8011,55 8,57

7,61

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Et,

MP

a


d

8,768,71

4,966,94

7,217,38

10,298,38

6,94

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Et,

MP

a


e

8,43

3,79

11,30

3,23

7,97 7,326,76 3,82

6,19

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Et,

MP

a


f

5,77 4,97

6,21 6,906,896,39

11,29 10,22

6,17

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Et,

MP

a


g

37


Rysunek 3.6. Interakcja wilgotności materiału ze strefami wysokości łodyg na energię jednostkową cięcia Ejt: a – wierzba wiciowa, b – róża wielokwiatowa, c – miskant olbrzymi, d – spartina preriowa, e – ślazowiec pensylwański, f – słonecznik bulwiasty, g – rdestowiec sachaliński


193,30

116,86

134,01

84,81

125,48

78,33

116,8495,41

101,65

0,0020,0040,0060,0080,00

100,00120,00140,00160,00180,00200,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ejt, J

mm

-2


a

107,94143,01

164,28

105,86

77,95

124,51

44,66

79,16

64,59

0,0020,0040,0060,0080,00

100,00120,00140,00160,00180,00200,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ejt, J

mm

-2


b

35,29

51,18

37,2434,22

28,9636,3930,06 30,61

21,05

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ejt, J

mm

-2


c

27,04

19,93 (D)

21,16

17,23 (S)

16,2119,71

12,00

20,87 (G)

15,93

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ejt, J

mm

-2


d

36,9924,56 (D)

36,67

23,53 (S)20,18

45,19

26,05 23,95 (G)37,00

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ejt, J

mm

-2


e

25,1217,50

29,76

12,8915,18

19,97

11,58

16,9614,33

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ejt, J

mm

-2


f

18,32 15,40

26,4131,11

21,61

36,6434,64

29,94

24,41

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ejt, J

mm

-2


g

38


Rysunek 3.7. Interakcja wilgotności materiału ze strefami wysokości łodyg na moduł sprężystości przy ściskaniu Ec: a – wierzba wiciowa, b – róża wielokwiatowa, c – miskant olbrzymi, d – spartina preriowa, e – ślazowiec pensylwański, f – słonecznik bulwiasty, g – rdestowiec sachaliński


52,99

70,02 (D)60,37 (D)

82,66

67,84

77,67 70,19 (G)

59,90 (G)77,27

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ec, M

Pa


a

32,09

100,13

80,5783,79

54,59

77,0072,09

49,99

91,35

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ec, M

Pa


b

41,82

50,2848,0244,97

54,41

62,05

45,9940,9451,06

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ec, M

Pa


c

76,76 58,24

26,28

52,97

87,34

30,29

92,08

36,20

18,64

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ec, M

Pa


d

28,86

19,45

14,64 12,49

26,45

16,29

27,85

15,08

30,63

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ec, M

Pa


e

17,8313,26 (D)

8,94 (D)

10,65 (S)

13,50 11,58 (S)12,57 11,27 (G)

9,23 (G)

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ec, M

Pa


f

7,73 7,057,00

9,849,86 8,3411,77

17,8017,18

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ec, M

Pa


g

39


Rysunek 3.8. Interakcja wilgotności materiału ze strefami wysokości łodyg na energię jednostkową ściskania Ejc: a – wierzba wiciowa, b – róża wielokwiatowa, c – miskant olbrzymi, d – spartina pre-riowa, e – ślazowiec pensylwański, f – słonecznik bulwiasty, g – rdestowiec sachaliński


4,44 3,94

9,54

2,99

6,81

2,94

3,61 3,87

8,52

0,001,002,003,004,005,006,007,008,009,00

10,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ejc

, Jm

m-2


a

2,71

3,50

6,18

2,452,62

5,473,20

2,273,48

0,001,002,003,004,005,006,007,008,009,00

10,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ejc

, Jm

m-2


b

0,420,370,65 0,57

0,51 0,68

0,360,62

0,77

0,000,501,001,502,002,503,003,504,004,505,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ejc

, Jm

m-2


c

0,46 (D)

0,29 (D)0,26 (D)

0,37 (S)0,35 (S)

0,30 (S)0,37 (G)

0,39 (D)

0,22 (G)0,000,501,001,502,002,503,003,504,004,505,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ejc

, Jm

m-2


d

0,89

1,641,03 0,94 1,370,87

0,550,710,77

0,000,501,001,502,002,503,003,504,004,505,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ejc

, Jm

m-2


e

1,69

3,72

1,240,97

1,41

1,111,23

1,66

1,11

0,000,501,001,502,002,503,003,504,004,505,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ejc

, Jm

m-2


f

0,45 (D)

0,45 (D)

0,49

0,23 (S)

0,47 (S)0,390,46 (G)0,50 (G)

0,330,000,501,001,502,002,503,003,504,004,505,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ejc

, Jm

m-2


g

40


Rysunek 3.9. Interakcja wilgotności materiału ze strefami wysokości łodyg na moduł sprężystości przy zginaniu Eg: a – wierzba wiciowa, b – róża wielokwiatowa, c – miskant olbrzymi, d – spartina preriowa, e – ślazowiec pensylwański, f – słonecznik bulwiasty, g – rdestowiec sachaliński


381464526

459612576

732734

827

0100200300400500600700800900

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Eg, M

Pa


a

1688 1065

49182000

5674

1265

6282

3094

1832

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Eg, M

Pa


b

1554 (D)1197 (D)

2031 (D)1268 (S)

1548 (S)

1974 (S)

1370 (G) 1039 (G)1917 (G)0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Eg, M

Pa


c

11849

2703

4724

2571

11583

4615

6207

2400

3958

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Eg, M

Pa


d

333236

141

325

472

247

816

425398

0100200300400500600700800900

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Eg, M

Pa


e

431

282209

439

259

158

423

185185

0100200300400500600700800900

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Eg, M

Pa


f

17 21

424936 15

89 10853

0100200300400500600700800900

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Eg, M

Pa


g

41


Rysunek 3.10. Interakcja wilgotności materiału ze strefami wysokości łodyg na energię jednost-kową zginania Ejg: a – wierzba wiciowa, b – róża wielokwiatowa, c – miskant olbrzymi, d – spartina preriowa, e – ślazowiec pensylwański, f – słonecznik bulwiasty, g – rdestowiec sachaliński


52,88

7,04 (D)

142,45

24,72

94,32

7,02 (S)

29,6611,29 (G)

47,74

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ejg

, Jm

m-2


a

26,11

23,18

83,06

14,5416,11

82,66

9,03 13,7729,15

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ejg

, Jm

m-2


b

5,11

4,13

5,00

4,144,824,62

4,43

2,634,62

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ejg

, Jm

m-2


c

2,553,05

1,894,02 1,95

4,26

2,051,14

4,16

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ejg

, Jm

m-2


d

5,04

9,9110,21

3,51

7,719,72

4,62

5,33

10,25

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ejg

, Jm

m-2


e

5,914,93

7,76

5,946,28

4,704,42

3,373,49

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ejg

, Jm

m-2


f

2,52

4,20

1,37

2,83 3,921,64

4,104,80

3,90

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00w , %

Ejg

, Jm

m-2


g

42


Analizując kompleksowo wyniki badań można stwierdzić, że przy wilgotności pośredniej łodygi roślin energetycznych zmieniały charakterystykę parametrów wytrzymałościowych, co wskazuje na możliwość poszukiwania optymalnej wil-gotności, przy której wytrzymałość materiału roślin energetycznych będzie najko-rzystniejsza dla prowadzenia procesów przetwarzania w maszynach roboczych. Różnice między wynikami były prawdopodobnie związane z odmiennym zakre-sem wilgotności, na co wskazywał Kanafojski (1980) podczas badania źdźbeł trawy. Sztywność trawy zwiększała się bowiem zarówno przy mniejszej, jak przy większej wilgotności, uzyskując swoje optimum przy wilgotności 60–70%.

Podczas zbioru roślin przy ich maksymalnej możliwej wilgotności komórki tkanek miały największy turgor. Prawdopodobnie turgor komórek decydował o sprężystości łodyg i jednocześnie wpływał na zmniejszenie energii jednostko-wej przy przecinaniu.

Po wysuszeniu materiału w warunkach naturalnych łodygi wchodziły w fazę więdnięcia i stały się bardziej plastyczne oraz ich sprężystość się zmniejszyła, ale przy najmniejszej wilgotności sztywność łodyg ponownie się zwiększała, gdyż materiał pozbawiony wody był twardszy, a także bardziej kruchy. Dotyczyło to zwłaszcza krzewów, ze względu na dominujący udział ścianek komórkowych zbudowanych z ligniny, powiązanych celulozą i hemicelulozą. Struktura szkie-letowa tkanek z małą ilością wody nadała im twardość, ale i zarazem kruchość, a zmniejszyła się ich plastyczność.

Rośliny zwiędnięte stawiały mniejszy opór podczas deformacji i było to prawdopodobnie związane z efektem tłumienia lepkościowego wilgoci i właści-wościami łodyg roślin, na co zwrócił również uwagę Persson (1987). Hall i in. (1967) badali właściwości łodyg lucerny i stwierdzili, że łodygi lucerny są bar-dziej materiałem lepko-sprężystym niż lepko-plastycznym. Nie wszystkie jed-nak rośliny zachowują się tak samo. Prasad i Gupta (1975) stwierdzili odwrotny efekt dla łodyg kukurydzy, ale Chen i in. (2004) uzyskali podobne wyniki dla łodyg konopi o wilgotności 8 i 65%.

Pewne niekonsekwencje w przebiegu charakterystyk parametrów wytrzy-małościowych w funkcji wilgotności i strefy wysokości łodyg mogły wynikać z losowości pobranych próbek. Próbki pobierano z różnych części pola, zarówno z obrzeży, jak i z jego wewnętrznych miejsc. Ponadto wilgotność wyznaczono dla średniej próbki pobranej z 25 łodyg i z różnej ich wysokości. W kolejnych bada-niach potrzebne będzie wyznaczenie wilgotności dla każdej próbki osobno i ich posortowanie według zakresu wilgotności. Dlatego przy wyjaśnianiu wpływu strefy wysokości łodygi na parametry wytrzymałościowe należy uwzględnić za-strzeżenie dotyczące różnic w wilgotności próbek pochodzących z różnych stref wysokości łodygi, zwłaszcza dla materiału pobranego bezpośrednio po zbio-rze. Z literatury przedmiotowego zagadnienia wynika, że różnice w wilgotności wzdłuż wysokości łodygi zmniejszają się wraz z dojrzałością roślin (Shinners i in. 2003, Pordesimo i in. 2004, Igathinathane i in. 2006, Nazari Galedar i in.

43


2008). Ponieważ w naszym przypadku zbiór był wykonywany wiosną (początek kwietnia 2009 roku), to dojrzałość roślin była pełna, co pozwala wnioskować, że różnice w wilgotności wzdłuż wysokości łodygi były minimalne.

Analizując zakresy wartości i przebiegi zmian modułu sprężystości przy cięciu łodyg można stwierdzić, że największymi wartościami i największą dy-namiką zmian, zwłaszcza od wilgotności, charakteryzowały się rośliny róży wie-lokwiatowej (tab. 3.4, rys. 3.5b). Dla łodyg róży wielokwiatowej o wilgotności 2,05–21,38% dynamika zmian modułu sprężystości przy cięciu była większa niż dla wilgotności 21,38–40,50%.

Najbardziej stabilną zmianą modułu sprężystości przy cięciu charaktery-zowały się łodygi wierzby wiciowej (rys. 3.5a), a następnie spartiny preriowej (rys. 3.5d). Najbardziej gwałtowne zmiany przebiegu tego parametru zarejestro-wano dla miskanta olbrzymiego przy zmniejszeniu wilgotności w wąskim za-kresie z 49,30 do 45,50% (rys. 3.5c). Dalsze zmniejszenie wilgotności materiału skutkowało już tylko spadkiem wartości modułu sprężystości przy cięciu. Naj-większe różnice między wartościami tego parametru wzdłuż wysokości łodygi miskanta olbrzymiego wystąpiły przy wilgotności 45,50%, a przy wilgotności 49,30% różnice były już nieznaczne.

Najbardziej stabilnymi przebiegami modułu sprężystości przy cięciu charak-teryzowały się łodygi rdestowca sachalińskiego (rys. 3.5g), dla którego pomiary wytrzymałościowe przeprowadzono w największym zakresie wilgotności (10,27––65,80%). Dla tej rośliny, odwrotnie niż dla innych, najmniejsze różnice między wartościami tego parametru wystąpiły przy pośredniej wilgotności 21,72%.

Najmniejszymi wartościami moduły sprężystości przy cięciu cechowały się łodygi słonecznika bulwiastego (rys. 3.5f).

Wartości modułu sprężystości przy cięciu łodyg wierzby wiciowej na wyso-kości od 0,10 do 1,10 m od podłoża oraz przy wilgotności 16,61–47,00% wy-nosiły odpowiednio 20,69–16,51 MPa (tab. 3.4). Wartości tego parametru dla róży wielokwiatowej w zakresie wilgotności 2,05–40,50% wynosiły odpowiednio 52,67–21,50 MPa, miskanta olbrzymiego o wilgotności 19,20–49,30% – 14,93––7,66 MPa (z maksimum 15,40 MPa przy wilgotności 45,50%), spartiny prerio-wej o wilgotności 2,43–36,80% – 12,83–5,80 MPa, ślazowca pensylwańskiego o wilgotności 8,16–25,90% – 8,75–8,01 MPa (z minimum 6,43 MPa przy wil-gotności 20,40%), słonecznika bulwiastego o wilgotności 9,70–26,46% – 7,72––3,61 MPa (z maksimum 8,27 MPa przy wilgotności 17,05%) i rdestowca sacha-lińskiego o wilgotności 10,27–65,8% – 7,98–7,36 MPa (z minimum 6,26 MPa przy wilgotności 21,72%).

Dla porównania wartości modułów sprężystości przy cięciu łodyg kukury-dzy zmieniały się w zakresie 3,40–5,11 MPa i były o 74% większe w węzłach niż międzywęźlach oraz dość stabilne wzdłuż wysokości łodygi (Lisowski 2009a).

Relacje między wilgotnością dla różnych stref wysokości innych roślin a wartościami parametrów wytrzymałościowych, zwłaszcza naprężeniami

44


tnącymi, były już wykazane wcześniej (McRandal i McNulty 1980, Annoussamy i in. 2000). W 1968 roku Halyk i in. wyznaczyli naprężenia tnące łodyg lucerny i opracowali dla nich równania regresyjne w relacji do wilgotności i gęstości roślin.

Z charakterystyk wytrzymałościowych dla cięcia łodyg wynika, że ze wzglę-dów energetycznych korzystniejszy byłyby zbiór roślin bezpośrednio z pnia i ich jednoczesne rozdrabnianie na sieczkę, gdyż energia jednostkowa cięcia była najczęściej najmniejsza przy największej wilgotności roślin (rys. 3.6). W skumu-lowanych nakładach energetycznych trzeba jednak uwzględnić ewentualną po-trzebę dosuszania rozdrobnionego materiału. Takimi przebiegami zmian energii jednostkowej cięcia charakteryzowały się łodygi wierzby wiciowej, ślazowca pen-sylwańskiego i rdestowca sachalińskiego, a dla miskanta olbrzymiego i spartiny preriowej zmiany były statystycznie stabilne, ale z tendencją wzrostową. Dla róży wielokwiatowej i słonecznika bulwiastego parametr ten w większym stop-niu zależał od wilgotności i dla pierwszej z wymienionych roślin stwierdzono dy-namikę wzrostową, a dla drugiej rośliny maksymalną wartość zarejestrowano dla pośredniej wilgotności.

Spośród dwóch rodzajów roślin wieloletnich: wierzby wiciowej i róży wielo-kwiatowej, zbiór tej drugiej rośliny w postaci całych pędów i następnie jej roz-drabnianie byłyby, ze względów energetycznych, korzystniejsze, gdyż wyschnię-te łodygi róży wielokwiatowej były bardziej kruche oraz podczas cięcia pękały i nóż nie był obciążony w końcowej fazie rozdzielenia łodyg. Wyschnięte łodygi wierzby wiciowej były włókniste i rozdzielnie tkanek wymagało ich całkowitego przecięcia. Podobne zjawiska, jak podczas cięcia suchych łodyg róży wielokwia-towej, zachodziły przy cięciu rdestowca sachalińskiego.

Rozpatrując różnice między przebiegami energii jednostkowej dla stref wy-sokości można stwierdzić, że największy wpływ tego czynnika odnotowano dla wierzby wiciowej, róży wielokwiatowej, miskanta olbrzymiego, spartiny prerio-wej i słonecznika bulwiastego. Konsekwencją tych różnic będzie dynamiczne obciążenie elementów i zespołów roboczych maszyn stosowanych do rozdrab-niania łodyg przez cięcie.

Wartości energii jednostkowej cięcia łodyg wierzby wiciowej przy wilgot-ności 16,61–47,00% wynosiły odpowiednio 145,2–99,0 J∙mm–2 (tab. 3.4), róży wielokwiatowej o wilgotności 2,05–40,50% – 76,8–109,3 J∙mm–2 (z maksi-mum 117,8 J∙mm–2 przy wilgotności 21,38%), miskanta olbrzymiego o wilgot-ności 19,20–49,30% – 31,44–38,67 J∙mm–2, spartiny preriowej o wilgotności 2,43–36,80% – 18,42–19,34 J∙mm–2, ślazowca pensylwańskiego o wilgotno-ści 8,16–25,90% – 27,7–24,0 J∙mm–2 (z maksimum 39,6 J∙mm–2 przy wilgot-ności 20,40%), słonecznika bulwiastego o wilgotności 9,70–26,46% – 17,30––15,78 J∙mm–2 (z maksimum 21,35 J∙mm–2 przy wilgotności 17,05%) i rdestow-ca sachalińskiego o wilgotności 10,27–65,8% – 24,86–25,48 J∙mm–2 (z maksi-mum 29,15 J∙mm–2 przy wilgotności 21,72%).

45


Dla porównania średnie wartości energii jednostkowej cięcia łodyg kukury-dzy odmiany Inagua wynosiła 9,82–22,41 mJ·mm–2 (Lisowski 2009a). Womac i in. (2005) podczas cięcia łodyg kukurydzy nożem stożkowym o porówny-walnym kącie ostrza (30o) uzyskali wartości energii jednostkowej cięcia 25,31 i 27,94 mJ·mm–2 dla wilgotności łodyg odpowiednio 75 i 9%, co oznacza, że wil-gotność materiału nie miała istotnego wpływu na analizowany parametr. Chat-topadhyay i Pandey (1999) podczas cięcia łodyg sorgo z prędkością 10 mm·min–

1 nożem o kącie ostrza 30–70o otrzymali wartości energii jednostkowej cięcia 36,5–142,7 mJ·mm–2.

Bezwzględne wartości modułu sprężystości przy ściskaniu były większe od wartości modułu sprężystości przy cięciu, otrzymane dla odpowiednich rodza-jów roślin energetycznych i czynników (wilgotności i strefy wysokości).

W większości przypadków moduł sprężystości przy ściskaniu zmniejszał się wraz ze zwiększaniem wilgotności, co wynika z logicznej konsekwencji zwięk-szenia plastyczności materiału roślinnego wraz z większą zawartością wody w komórkach tkanek (rys. 3.7). Podobnie dolne odcinki łodyg charakteryzowały się większym modułem sprężystości, ale tutaj spowodowane to było większą twardością tkanek komórkowych, które w większym stopniu decydowały o wy-trzymałości materiału niż nieco większa zawartość wody w dolnych strefach ło-dygi. W stosunku do tych uogólnionych stwierdzeń wystąpiły pewne niekonse-kwencje, zwłaszcza w odniesieniu dla pośrednich wilgotności, co koresponduje z podobnymi spostrzeżeniami jak dla modułu sprężystości przy cięciu.

Wartości modułu sprężystości przy ściskaniu łodyg wierzby wiciowej o wil-gotności 16,61–47,00% wynosiły odpowiednio 79,20–57,75 MPa (tab. 3.4), róży wielokwiatowej o wilgotności 2,05–40,50% – 89,49–55,75 MPa, miskanta olbrzy-miego o wilgotności 19,20–49,30% – 47,41–45,40 MPa (z maksimum 53,71 MPa przy wilgotności 45,50%), spartiny preriowej o wilgotności 2,43–36,80% – 85,39–49,14 MPa (z minimum 25,07 MPa przy wilgotności 16,27%), ślazowca pensylwańskiego o wilgotności 8,16–25,90% – 27,7–15,7 MPa, słonecznika bul-wiastego o wilgotności 9,70–26,46% – 14,64–11,73 MPa (z minimum 9,91 MPa przy wilgotności 17,05%) i rdestowca sachalińskiego o wilgotności 10,27–65,8% – 9,79–11,56 MPa (z minimum 10,84 MPa przy wilgotności 21,72%).

Wyniki badań przeprowadzonych przez zespół pod kierunkiem Lisowskiego (2009a) dla łodyg kukurydzy pozwalają na stwierdzenie, że moduł sprężystości przy ściskaniu wyraźnie zwiększał się wraz z wysokością dla łodyg w między-węźlach (4,69–16,08 MPa) i pozostawał niemal niezmienny dla łodyg w wę-złach (5,58–4,45 MPa). Wartość średnia modułu sprężystości przy ściskaniu łodyg kukurydzy w węzłach wynosiła 5,20 MPa, a dla łodyg w międzywęźlach była o 66% większa i wynosiła 8,65 MPa. Osadki kolb kukurydzy o wilgotności 65,4% charakteryzowały się najmniejszymi wartościami modułu sprężysto-ści przy ściskaniu (0,80 MPa), a największymi – ziarno o wilgotności 43,0% (15,71 MPa).

46


Według Molendowskiego (2005), moduł sprężystości przy ściskaniu osadek kukurydzy o wilgotności 16 ±1,5% zależał od odmiany kukurydzy, a średnie wartości dla 8 odmian wynosiły 22,7–45,3 MPa. Oznacza to bardzo duży wpływ wilgotności osadek na ich moduł sprężystości. Średnie wartości modułu spręży-stości dla ziarna kukurydzy cukrowej o wilgotności 76,7–69,2% miały wartość 4,08–2,94 MPa (Niedziółka i in. 2004). Autorzy wyjaśnili, że ziarno o mniej-szej wilgotności i większym udziale skrobi ma mniejsze wartości parametrów mechanicznych. Należy jednak sądzić, że taka tendencja zmian może wynikać z wyższego zakresu wilgotności materiału, gdy w większym stopniu odrywa rolę turgor komórek. Materiał roślinny tracący wodę w tym zakresie wilgotności więdnie, zmniejszając swoją sprężystość.

Inaczej zachowuje się materiał roślinny przy zmianie zawartości wody w za-kresie niższych wilgotności. Wyniki badań dla różnych gatunków nasion (faso-la, groch, żyto, pszenica, wyka, peluszka) wykazały inną tendencję niż ziarno kukurydzy cukrowej (Frączek i in. 2003). Przy wilgotności 9,9–24,8% moduł sprężystości zmieniał się od 941,29 do 72,30 MPa i zależał również od siły na-cisku. To oznacza, że zwiększenie zawartości wody w nasionach prowadziło do ich mniejszej sprężystości, a nasiona suche o większej sprężystości wymagają większej ilości energii do ich deformacji. Nasiona o większej zawartości wody są bardziej plastyczne, a zatem odkształcenia plastyczne rozpoczynają się przy coraz mniejszych wartościach siły nacisku. Z tych rozważań wynika, że wystę-puje pewien optymalny zakres wilgotności, przy którym sprężystość materiału jest najmniejsza. Zostało to wykazane dla wskaźnika sztywności źdźbeł trawy, określonego jako iloczyn modułu sprężystości i momentu bezwładności (Kana-fojski 1980).

Ślipek i in. (1999) stwierdzili, że poniżej wilgotności 17,3% nawet stosun-kowo niewielki jej przyrost, powodował duży spadek modułu Younga. Z kolei powyżej wilgotności 17,3% następowała stabilizacja modułu sprężystości. Było to wynikiem zmian właściwości materiału ze sprężysto-plastycznych na lepko-plastyczno-sprężyste, co – jak wykazują liczne publikacje – jest jedną z głów-nych trudności towarzyszących poszukiwaniu modelu reologicznego ziarna (By-szewski i Haman 1977, Kolowca 1986, Koper 1980, Haman i Konstankiewicz 1999). Sens fizycznej relacji modułu sprężystości Younga od wilgotności wynika z budowy anatomicznej ziarna. Wytrzymałość ziarniaka, definiowaną przez siłę w granicy mikrouszkodzeń (Kolowca 1986), moduł sprężystości Younga (Moh-senin 1970, Koper 1980, Grochowicz 1994) czy też wskaźnik wytrzymałości zmęczeniowej (Frączek i in. 2003), można traktować jako złożenie wytrzymało-ści okrywy owocowonasiennej i bielma. Przy mniejszej wilgotności udziały obu warstw są porównywalne. Przy większej wilgotności następuje nierównomierne zmniejszenie wytrzymałości, gdyż bielmo traci swą wytrzymałość znacznie szyb-ciej niż zewnętrzna warstwa ziarna. O wytrzymałości całego ziarna w większym stopniu decydują właściwości okrywy owocowonasiennej. W wyniku wypełnienia

47


wodą komórek bielma i ich przestrzeni następuje rozluźnienie jego struktury komórkowej i – jak podają Ślipek i in. (1999) – przy dużej zawartości wody ziar-no można porównać do cienkościennego elastycznego pojemnika wypełnionego substancją lepko-sprężystą.

Przytaczane w literaturze przedmiotu wartości modułu sprężystości przy ściskaniu nasion (modułu Younga) zawierają się w bardzo dużym przedziale od 10 do 4103 MPa (Zoerb i Hall 1960, Arnold i Roberts 1969, Koper 1980, Ku-stermann i Kutzach 1982, Grundas i Hnilica 1987, Michalak 1997, Dobrzań-ski 1988, Ślipek i in. 1999). Duża rozbieżność tych wartości może wynikać z cech gatunkowych nasion, ich wilgotności, ale także z różnych metod po-miarów i opracowania wyników na podstawie przebiegów charakterystyk siła – odkształcenie.

Energia jednostkowa ściskania łodyg roślin energetycznych, podobnie jak moduł, była większa dla łodyg ściskanych w dolnych niż górnych strefach wy-sokości i zmniejszała się wraz ze wzrostem wysokości (rys. 3.8). Największe różnice zanotowano dla łodyg wierzby wiciowej, zwłaszcza przy wilgotności 16,61–31,70% (rys. 3.8a). Dla róży wielokwiatowej największą energię jednost-kowo zarejestrowano dla pośredniej wilgotności roślin 21,38% (rys. 3.8b). Dość stabilnymi przebiegami zmian energii jednostkowej ściskania charakteryzowały się łodygi miskanta olbrzymiego (rys. 3.8c), spartiny preriowej (rys. 3.8d) i rde-stowca sachalińskiego (rys. 3.8g). Dla ślazowca pensylwańskiego (rys. 3.8e), a zwłaszcza dla słonecznika bulwiastego (rys. 3.8f) energia jednostkowa ściska-nia łodyg miała charakterystykę rosnącą, a ponadto łodygi ślazowca pensyl-wańskiego w dolnej strefie wysokości miały mniejsze wartości tego parametru.

Wartości energii jednostkowej ściskania łodyg wierzby wiciowej przy wil-gotności 16,61–47,00% wynosiły odpowiednio 8,29–3,58 J∙mm–2 (tab. 3.4), róży wielokwiatowej o wilgotności 2,05–40,50% – 2,84–2,74 J∙mm–2 (z maksimum 5,04 J∙mm–2 przy wilgotności 21,38%), miskanta olbrzymiego o wilgotności 19,20–49,30% – 0,43–0,52 J∙mm–2 (z maksimum 0,70 MPa przy wilgotności 45,50%), spartiny preriowej o wilgotności 2,43–36,80% – 0,26–0,40 J∙mm–2, ślazowca pensylwańskiego o wilgotności 8,16–25,90% – 0,89–1,24 J∙mm–2 (z minimum 0,79 J∙mm–2 przy wilgotności 20,40%), słonecznika bulwiastego o wilgotności 9,70–26,46% – 1,10––2,17 J∙mm–2 i rdestowca sachalińskiego o wilgotności 10,27–65,8% – 0,40–0,38 J∙mm–2 (z maksimum 0,47 J∙mm–2 przy wilgotności 21,72%).

Dla porównania energia jednostkowa dla łodyg kukurydzy ściskanych za-równo w węzłach, jak i w międzywęźlach zmniejszała się wraz z ich wysokością (Lisowski 2009a). Wartość średnia energii jednostkowej potrzebnej do zdefor-mowania łodyg w węzłach wynosiła 2,32 mJ·mm–2, a dla łodyg w międzywęźlach była mniejsza o 33% (1,56 mJ·mm–2). Wilgotne i suche osadki kolb kukurydzy wymagały największej energii jednostkowej ściskania, która odpowiednio wyno-siła 3,34 i 3,06 mJ·mm–2, a ziarno najmniejszej (1,37 mJ·mm–2).

48


Na podstawie uzyskanych wyników energii jednostkowej ściskania dla łodyg roślin energetycznych można stwierdzić, że w przypadku rozdrabniania mate-riału roślinnego przez rozgniatanie lub miażdżenie (co ma częściowo miejsce w rozdrabniaczach bijakowych) bardziej korzystne jest wykonanie tego procesu przy mniejszej wilgotności łodyg (oprócz wierzby wiciowej). Na przykład, jeśli materiał ślazowca pensylwańskiego chcielibyśmy poddać procesowi ściskania, np. podczas produkcji brykietów lub peletów, to ze względów energetycznych korzystnie byłoby ten proces przeprowadzić przy wilgotności około 20%, gdyż wówczas naprężenia ściskające i energia jednostkowa są najmniejsze. Energia jednostkowa ściskania była największa dla łodyg o największej wilgotności, co należy tłumaczyć małą ściśliwością wody. Z tego wynika, że w zależności od sposobu deformacji łodyg proces rozdrabniania powinien być prowadzony przy różnej wilgotności.

Podatność łodyg roślin energetycznych na zginanie należy rozpatrywać w aspekcie energetycznym i agrotechnicznym. Ten ostatni aspekt wynika z dą-żenia hodowców do uzyskania rośliny odpornej na wyleganie.

Spośród badanych rodzajów roślin energetycznych największymi moduła-mi sprężystości przy zginaniu charakteryzowały się łodygi róży wielokwiatowej, miskanta olbrzymiego i spartiny preriowej, zwłaszcza przy najmniejszej wilgot-ności (rys. 3.9). W większości przypadków większymi wartościami modułu sprę-żystości przy zginaniu charakteryzowały się górne strefy wysokości łodyg. Inny przebieg odnotowano dla łodyg spartiny preriowej i słonecznika bulwiastego. Najmniej podatne na odkształcenia zginające okazały się rośliny rdestowca sa-chalińskiego. O wartościach modułów sprężystości przy zginaniu zadecydowała zarówno budowa morfologiczna łodyg roślin, jak i ich wilgotność, która różniła się znacząco między rodzajami roślin. Rdestowiec sachaliński i spartina prerio-wa w przekroju poprzecznym są pierścieniem, natomiast słonecznik bulwiasty i ślazowiec pensylwański charakteryzują się dużym udziałem tkanki miękiszo-wej w stosunku do włóknistej. Słonecznik bulwiasty, ślazowiec pensylwański i spartina preriowa miały zróżnicowaną wilgotność, ale ich łodygi charakteryzo-wały się zbliżonymi wartościami modułów sprężystości przy zginaniu. Wynika z tego, że o sprężystości łodyg roślin energetycznych w większym stopniu decy-duje ich budowa wewnętrzna niż wilgotność materiału, ale potwierdzenie tego stwierdzenia wymaga przeprowadzenia dodatkowych badań.

Wartości modułu sprężystości przy zginaniu łodyg wierzby wiciowej o wil-gotności 16,61–47,00% wynosiły odpowiednio 589–456 MPa (z maksimum 723 MPa przy wilgotności 31,70%, tab. 3.4), róży wielokwiatowej o wilgotności 2,05–40,50% – 5624–1387 MPa, miskanta olbrzymiego o wilgotności 19,20––49,30% – 1491–1168 MPa (z maksimum 1974 MPa przy wilgotności 45,50%), spartiny preriowej o wilgotności 2,43–36,80% – 9880–2558 MPa, ślazowca pen-sylwańskiego o wilgotności 8,16–25,90% – 540–329 MPa (z minimum 262 MPa przy wilgotności 20,40%), słonecznika bulwiastego o wilgotności 9,70–26,46%

49


– 431–184 MPa i rdestowca sachalińskiego o wilgotności 10,27–65,8% – 47,05–59,27 MPa (z minimum 36,72 MPa przy wilgotności 21,72%).

Z naszych wcześniejszych badań (Lisowski 2009a) wynika, że moduł spręży-stości przy zginaniu dla łodyg kukurydzy w węzłach był mniejszy (727 MPa) niż w międzywęźlach (836 MPa) oraz mniejszy dla osadek wilgotnych (134 MPa) niż suchych (165 MPa), przy czym różnice między nimi nie były statystycznie istot-ne. Moduł sprężystości przy zginaniu dla łodyg w węzłach miał porównywalne wartości dla stref wysokości (684–776 MPa), bez wyraźnej tendencji względem wysokości pędu. Wartości modułu sprężystości przy zginaniu dla łodyg w mię-dzywęźlach były w stosunku dla łodyg w węzłach mniejsze dla pierwszej i dru-giej strefy wysokości i wyraźnie większe dla trzeciej i czwartej strefy wysokości łodygi, ze znacząco progresywną charakterystyką od drugiej strefy wysokości pędu. Nieznaczne zmniejszenie się modułu sprężystości dla łodyg w między-węźlach w drugiej strefie wysokości pędu wynikało prawdopodobnie z faktu, iż pod węzłem, z którego wyrasta kolba kukurydzy przekrój poprzeczny łodygi był niekształtny i wystąpił większy błąd w jej aproksymacji.

O’Dogherty i in. (1995) wykazali, że moduł sprężystości przy zginaniu słomy pszenicy w międzywęźlach zawierał się w zakresie 4760–6580 MPa i zmniejszał się (podobnie jak w naszych badaniach) wraz ze zwiększaniem się wilgotności materiału. Nazari Galedar i in. (2008) stwierdzili, że dla wilgotności łodyg lucer-ny 10, 20, 40 i 80% wartości modułu sprężystości przy zginaniu wynosiły od-powiednio 3990, 3520, 1800 i 790 MPa i w tym zakresie wilgotności opracowali równania regresyjne między zmiennymi. Z zamieszczonego przez nich rysunku wynika, że moduł sprężystości zwiększał się również wraz z wysokością strefy wysokości łodygi. Moduł sprężystości przy zginaniu łodyg sorgo przy prędko-ści 10–100 mm·min–1 nie zmieniał się statystycznie istotnie oraz wynosił 309 i 342 MPa, odpowiednio dla fazy zbioru na kiszonkę i nasiona (Chattopadhyay i Pandey 1999). Były to mniejsze wartości niż dla łodyg kukurydzy, ale rośliny kukurydzy są znacznie silniejsze niż sorgo. Jeszcze mniejsze wartości (225 MPa) otrzymali Prince i in. (1969) dla zielonej lucerny, która jest znacznie słabszą rośliną niż poprzednie. Skubisz (2001) wykazała, że pędy rzepaku zwiększają sztywność oraz charakteryzują się większym modułem sprężystości przy zgi-naniu przy mniejszej gęstości wysiewu, gdy mają większe średnice i są silniej-sze. Chattopadhyay i Pandey (1999) zwrócili uwagę, że moduł sprężystości przy zginaniu roślin sorgo zbieranych w późniejszej fazie dojrzałości (na nasiona) był o 10,7% większy niż w fazie zbioru na kiszonkę i że sztywność łodyg zwięk-szyła się ze względu na zwiększenie grubości ich ścian oraz zawartości suchej substancji. Skubisz i in. (2001) dla dwóch odmian porzeczki czarnej (Titania, Ojebyn) stwierdzili różnice w wartościach modułu sprężystości przy zginaniu pędów 1-, 2- i 3-letnich wzdłuż ich wysokości. Jednoroczna odmiana Titania charakteryzowała się bardzo silnym zwiększaniem się sprężystości w kierunku górnym pędu (2180–7330 MPa), a Ojebyn odwróconą parabolą z maksimum

50


2940 MPa. Po początkowym, powolnym zwiększeniu się sprężystości pędów (do około 0,24 m od dołu) następowało gwałtowne jej zmniejszenie. Pędy pocho-dzące ze starszych roślin miały podobne charakterystyki modułu sprężysto-ści, których wartości wynosiły od 170 do 1710 MPa. Wraz z wiekiem roślin ich sprężystość zmniejszała się ze względu na większą zawartość suchej substancji i zdrewnienie tkanki roślin.

Energia jednostkowa zginania łodyg roślin energetycznych była w więk-szości przypadków większa dla dolnych stref wysokości (rys. 3.10), co logiczne i pożądane, gdyż rośliny są bardziej odporne na wyleganie. Inny przebieg energii jednostkowej zginania odnotowano dla rdestowca sachalińskiego (rys. 3.10g), gdyż materiał tej rośliny jest bardzo kruchy i łatwo się łamie. Dotyczy to zwłasz-cza bardziej zdrewniałych łodyg w dolnej strefie wysokości.

Łodygi wierzby wiciowej łatwo się zginały przy dużej wilgotności, a przy ma-łej ich podatność na tego typu obciążenie była znacznie mniejsza (rys. 3.10a). Największe zmiany w przebiegu energii jednostkowej zginania zachodziły w dol-nej strefie wysokości łodygi.

Łodygi róży wielokwiatowej było najtrudniej zgiąć przy pośredniej wilgotno-ści (21,38%), zwłaszcza w dolnej i środkowej strefie wysokości (rys. 3.10b). Przy najmniejszej wilgotności (2,05%) energia jednostkowa zginania była porów-nywalna z tą, jaką odnotowano dla wilgotności największej (40,50%). Podob-ną charakterystyką cechowały się łodygi miskanta olbrzymiego, słonecznika bulwiastego i rdestowca sachalińskiego. Odmienny natomiast przebieg energii jednostkowej zginania odnotowano dla spartiny preriowej i ślazowca pensyl-wańskiego, dla których najmniejsze wartości tego parametru otrzymano dla pośrednich wilgotności materiału roślinnego (rys. 3.10d, e).

Wartości energii jednostkowej zginania łodyg wierzby wiciowej przy wilgot-ności w przedziale 16,61–47,00% wynosiły odpowiednio 94,84–8,45 J∙mm–2 (tab. 3.4), róży wielokwiatowej o wilgotności 2,05–40,50% – 17,08–17,16 J∙mm–2

(z maksimum 64,96 J∙mm–2 przy wilgotności 21,38%), miskanta olbrzymiego o wilgotności 19,20–49,30% – 4,79–3,64 J∙mm–2, spartiny preriowej o wilgot-ności 2,43–36,80% – 4,15–2,55 J∙mm–2 (z minimum 1,66 J∙mm–2 przy wilgot-ności 16,27%), ślazowca pensylwańskiego o wilgotności 8,16–25,90% – 10,06––765 J∙mm–2 (z minimum 4,39 J∙mm–2 przy wilgotności 20,40%), słoneczni-ka bulwiastego o wilgotności 9,70–26,46% – 5,02–4,77 J∙mm–2 (z maksimum 5,80 J∙mm–2 przy wilgotności 17,05%) i rdestowca sachalińskiego o wilgotności 10,27–65,8% – 3,15–2,30 J∙mm–2 (z maksimum 4,31 J∙mm–2 przy wilgotności 21,72%).

Dla porównania energia jednostkowa zginania kukurydzy była istotnie większa dla łodyg w węzłach niż międzywęźlach i wynosiła odpowiednio 5,02 i 3,56 mJ·mm–2 (Lisowski 2009a) oraz w pierwszym przypadku wyraźnie zmniej-szała się wraz z wysokością łodygi, a w drugim miała na ogół tendencję maleją-cą, o zaburzeniach tej tendencji w drugiej strefie wysokości. Znacząco większe

51


różnice między wartościami tego parametru odnotowano dla pierwszych dwóch stref wysokości łodygi. Osadki wilgotne kolb kukurydzy wymagały najmniejszej energii jednostkowej do ich zgięcia (1,19 mJ·mm–2), a suche – znacznie więk-szej (2,90 mJ·mm–2). Podobnie jak naprężenia zginające łodygi sorgo, energia jednostkowa zginania przy prędkość deformacji w zakresie 10–100 mm·min–1 okazała się nieistotna dla faz zbioru na kiszonkę i nasiona oraz odpowiednio wynosiła 36,46 i 30,92 mJ·mm–2 (Chattopadhyay i Pandey 1999).

W podsumowaniu analizy wyników badań dotyczących charakterystyk mo-dułu sprężystości i energii jednostkowej, parametrów wyznaczonych przy cię-ciu, ściskaniu i zginaniu łodyg siedmiu gatunków roślin energetycznych, moż-na stwierdzić, że wystąpiła duża spójność między tymi parametrami dla danego gatunku. Podczas tego typu obciążeń największą sprężystością cechowały się krzewy: wierzba wiciowa i róża wielokwiatowa, a spośród traw miskant olbrzymi i spartina preriowa. Przy tym sprężystość materiału wierzby wiciowej zmieniała się w zależności od wilgotności w mniejszym stopniu niż róży wielokwiatowej, dla której największą dynamikę spadku odnotowano w dolnym zakresie wil-gotności (2,05–21,38%). Dla róży wielokwiatowej przebieg zmian modułu sprę-żystości w zależności od wilgotności przy wszystkich rodzajach obciążenia był zbliżony do hiperboli lub paraboli zwykłej. Dla wierzby wiciowej charakterystyki modułu sprężystości przy cięciu i ściskaniu były zbliżone do prostych, z ujem-nym współczynnikiem kierunkowym, a moduł sprężystości przy zginaniu moż-na było aproksymować w zależności od wilgotności krzywą drugiego stopnia z odwróconą parabolą.

Sprężystość materiału miskanta olbrzymiego zwiększała się nieznacznie dla wilgotności 19,20–45,50%, a następnie gwałtowanie zmniejszała dla wilgotno-ści w wąskim przedziale 45,50–49,30%. Przy wilgotności 19,20–49,30% zmiana modułu sprężystości była zbliżona do odwróconej paraboli.

Odmienną charakterystykę miał moduł sprężystości dla spartiny preriowej, gdyż dla wilgotności od 2,43 do 36,80% była ona zbliżona do hiperboli lub pa-raboli zwykłej.

Przy wilgotności 8,16–25,90% charakterystyka modułu sprężystości śla-zowca pensylwańskiego była podobna do spartiny preriowej, ale o znacznie mniejszym zakresie wartości bezwzględnych, zwłaszcza dla zginania.

Zbliżoną charakterystykę do ślazowca pensylwańskiego, zarówno pod wzglę-dem wartości bezwzględnych, jak jej kształtu, miał słonecznik bulwiasty.

Zupełnie odmiennymi właściwościami cechował się materiał rdestowca sa-chalińskiego, gdyż w zakresie dużej wilgotności (10,27–65,80%) moduł spręży-stości zmieniał się bardzo nieznacznie, a jego wartości bezwzględne były naj-mniejsze spośród niemal wszystkich siedmiu rodzajów roślin energetycznych, zwłaszcza dla obciążenia zginającego.

Energia jednostkowa, obliczona dla cięcia, ściskania i zginania łodyg ro-ślin energetycznych, pozwala na pełniejsze scharakteryzowanie zmian oporów,

52


jaki stawia materiał tych roślin pod wpływem zewnętrznego wymuszenia przez elementy robocze maszyny. Można sformułować wniosek podobny jak dla mo-dułu sprężystości, iż materiał wierzby wiciowej i róży wielokwiatowej stawiał największy opór podczas analizowanych deformacji łodyg. Wartości energii jed-nostkowej cięcia dla pozostałych roślin był zbliżone. Podobne stwierdzenie moż-na sformułować w odniesieniu do deformacji łodyg przez ściskanie i zginanie. Charakterystyki zmian energii jednostkowej w zależności od wilgotności były jednak bardziej zróżnicowane dla gatunków roślin energetycznych.

Przebieg zmian energii jednostkowej w zależności od wilgotności dla wierzby wiciowej był zbliżony do hiperboli.

Charakterystykę energii jednostkowej dla spartiny preriowej można porów-nać do paraboli zwykłej lub hiperboli, ale zmiany przy ściskaniu miały przebieg liniowy.

Podobne niekonsekwencje odnotowano dla ślazowca pensylwańskiego, przy czym dla tej rośliny zmiany energii jednostkowej ściskania i zginania w zależno-ści od wilgotności można aproksymować zwykłą krzywą paraboliczną, a energii jednostkowej cięcia – odwróconą parabolą.

Dla pozostałych roślin energetycznych przebiegi zmian energii jednostkowej w zależności od wilgotności materiału przybierały kształt odwróconej paraboli.

Materiał roślinny pochodzący z dolnych odcinków łodyg charakteryzował się na ogół większą sprężystością, ale stawiał również większy opór podczas jego cięcia, ściskania i zginania.

Wnioski i spostrzeżenia wynikające z przeprowadzonych badań1. W strefie ścinania roślin, na wysokości około 0,10 m od podłoża, łodygi

miały największą podatność na zginanie, stawiając największe opory przy cięciu i ściskaniu, gdyż były najbardziej zdrewniałe.

2. Najmniejszą sprężystość miały dolne odcinki łodyg ślazowca pensylwańskie-go, o najmniejszych wartościach modułu sprężystości przy cięciu, ściskaniu i zginaniu.

3. Łodygi ślazowca pensylwańskiego miały najkorzystniejsze wartości parame-trów wytrzymałościowych przy wilgotności około 20%.

4. Ze względów energetycznych rozdrabnianie łodyg ślazowca pensylwańskiego przez cięcie korzystniej jest wykonać przy wilgotności około 26%, natomiast mielenie oraz zagęszczanie, połączone ze zginaniem – przy wilgotności około 20%.

5. Analiza statystyczna wykazała istotny wpływ rodzaju rośliny i strefy wyso-kości łodygi na wartość modułu sprężystości przy zginaniu.

6. Dla stref dolnej i środkowej wysokości łodyg roślin energetycznych utworzy-ła się jedna grupa homogeniczna z wartości modułu sprężystości przy zgi-naniu. Odmienną grupę jednorodną o statystycznie większych wartościach tego parametru wyróżniono dla górnej strefy wysokości łodyg.

53


7. Rośliny wierzby wiciowej, róży wielokwiatowej i miskanta olbrzymiego cha-rakteryzowały się umiarkowaną, a rdestowca sachalińskiego, spartiny pre-riowej i ślazowca pensylwańskiego dużą zmiennością modułu sprężystości przy zginaniu wzdłuż wysokości łodyg, największe zaś zróżnicowanie tego parametru stwierdzono dla łodyg słonecznika bulwiastego.

3.2. Charakterystyka pociętego i zmielonego materiału roślinnego

Wilgotność zbieranych roślin jest bardzo zmienna i wynosi 22–55% oraz zależy od rodzaju, terminu zbioru, a także cyklu zbioru (1–3-letni), zwłaszcza form drzewiastych (Lechasseur i Savoie 2005). Ze względu na duże różnice wilgot-ności w fazie zbioru w warunkach naturalnych trudno jednoznacznie ocenić wpływ rodzaju roślin na ich rozdrobnienie (Lisowski i in. 2009f).

Długość zrębków przeznaczonych na opał nie powinna przekraczać 60 mm (PN-91/D-95009). Materiał rozdrobniony za pomocą sieczkarni zbierającej lub rozdrabniacza stacjonarnego może być zarówno produktem końcowym, jak i wymagać dalszej obróbki. Technologie spalania biomasy w energetyce lokalnej i przemysłowej lub konwersja surowca do innych form użytkowych (brykietów, peletów) wymagają odpowiedniego przygotowania produktu, które najczęściej wiąże się z dodatkowym rozdrabnianiem i zmniejszeniem wilgotności biomasy poniżej 15% (Alakangas 2005).

W dostępnej literaturze dotychczasowe opisy rozkładu wymiarów cząstek rozdrobnionego materiału z roślin energetycznych są uproszczone. Spowodowa-ne to było głównie zastosowaniem ręcznych technik do analizy długości sieczki i wynikającą z nich czasochłonnością procedur. W polskojęzycznej literaturze znajdują się najczęściej dane dotyczącego takich metod analizy, a jeśli wyko-rzystywano separatory mechaniczne, to były one adaptowane, których głównym zastosowaniem była separacja innego materiału, np. gleby, ziarna, surowców lub przetworzonego materiału w paszy. Mimo znanego standardu ASAE S424 od lat 70. XX wieku, w którym opisano metodę pomiaru i przedstawiono wy-tyczne konstrukcji urządzenia, w światowej literaturze niewiele jest wyników badań, które uzyskano wykorzystując metodę bezpośrednio dedykowaną do materiałów rozdrobnionych w sieczkarniach polowych. Na te problemy wskazy-wał już O’Dogherty (1982), sugerując potrzebę dokładniejszego opisu rozkładu wymiarów cząstek.

W niniejszej pracy zamieszczono wyniki badań rozkładu wymiarów cząstek rozdrobnionego materiału roślinnego w sieczkarni polowej z wykorzystaniem standardowej metody ASAE S424.1 (1998), a otrzymane rozkłady aproksymo-wano modelem Rosina-Rammlera-Sperlinga-Bennetta. Oprócz metody sitowej, do opisu rozkładu wymiarów cząstek zastosowano również metodę pneuma-

54


tyczną, w celu znalezienia korelacji między wynikami badań, określającymi właściwości masowe i aerodynamiczne cząstek.

Wykorzystanie biomasy na bioenergię lub inne produkty wytwarzane z bio-masy, np. brykiety i pelety, wymaga zmniejszenia wymiarów cząstek materiału roślinnego lub drzewnego do określonego zakresu, który zależy od odmiany su-rowca, sposobu przetwarzania i dalszych procesów konwersji biomasy, np. przez procesy chemiczne lub termiczne, do innych postaci produktów. Redukcja wy-miarów biomasy jest procesem mechanicznym i najczęściej polega na cięciu lub rozcieraniu, podczas którego znacząco zmieniają się wymiary cząstek, kształt lub gęstość objętościowa materiału organicznego. Procesy te mogą być zrealizo-wane w maszynach z obrotowymi zespołami roboczymi, do których można zali-czyć nożowe rozdrabniacze bębnowe lub tarczowe oraz rozdrabniacze bijakowe.

Dla rozdrobnionego materiału roślinnego przeznaczonego do dalszego prze-twarzania, rozmiar cząstek jest jedną z najważniejszych cech fizycznych, ponie-waż stanowi klucz do doboru parametrów pracy zespołów roboczych podczas rozdrabniania, mielenia, mieszania, uwadniania, ekstruzji, peletowania, bry-kietowania i transportu pneumatycznego.

Najpełniejszym opisem rozdrobnionego materiału roślinnego jest rozkład wymiarów cząstek w postaci tabelarycznej lub graficznej.

Wyrażenie rozkładu wymiarów cząstek za pomocą funkcji matematycznych jest kolejnym, innym sposobem scharakteryzowania procesu rozdrabniania lub podatności materiału na rozdrabnianie.

Jest wiele różnych typów funkcji rozkładu wymiarów cząstek, zarówno w postaci skumulowanej, jak i względnej częstości. Należą do nich: rozkład nor-malny, rozkład logarytmiczno-normalny, funkcje Rosina-Rammlera, Gatesa--Gaudina-Schuhmanna, Bennetta, Gaudina-Meloya, zmodyfikowana Gaudina--Meloya, Rollera, Svensona, błędu, zmodyfikowana Beta, Griffitha i Johnsona (Ahmed i Drzymała 2005, Bitra i in. 2008). Spośród tych funkcji, najbardziej przydatne do analizy rozdrobnionego materiału roślinnego mogą być: Gatesa--Gaudina-Schuhmanna, zmodyfikowana Gaudina-Meloya, Rosina-Rammlera--Sperlinga-Bennetta, logarytmiczno-normalna i zmodyfikowana Beta.

Funkcja Rosina-Rammlera-Sperlinga-Bennetta jest użyteczna dla monito-rowania pracy urządzeń rozcierających i rozdrabniających, z których otrzymuje się mieszaniny cząstek o rozkładach charakteryzujących się dużą skośnością. Funkcja Gatesa-Gaudina-Schuhmanna jest prosta do zastosowania, a Gaudi-na-Meloya może być dopasowana do różnych rozkładów spotykanych w prak-tyce. Rozkład logarytmiczno-normalny może być korzystny dla transformacji rozkładów, które są proste oraz dla rozkładów odnoszących się do liczebności, powierzchni lub objętości o tym samym nachyleniu.

Z analizy przedmiotowego zagadnienia wynika, że jest wystarczająco dużo wyników badań o rozkładach wymiarów cząstek rozdrobnionego materia-łu roślinnego kukurydzy, lucerny, trawy (Schwab i in. 2002, Zhang 2002),

55


a także zrębków drzewnych (Bitra i in. 2008). W dostępnej literaturze jest znacznie mniej informacji o rozdrobnionej biomasie pochodzącej z roślin ener-getycznych, która dopiero w ostatnich latach jest obiektem szerszego zaintere-sowania naukowców i praktyków.

Z przeprowadzonych badań (Lisowski i in. 2008a, 2008c, 2009b, 2010b, 2010f) wynika, że rozkłady wymiarów cząstek materiału roślinnego pociętego w sieczkarni miały rozkład zbliżony do logarytmiczno-normalnego, przeto okre-ślono parametry tego rozkładu, a rozkłady rzeczywiste aproksymowano mode-lem Rosina-Rammlera-Sperlinga-Bennetta.

Dla rozkładu logarytmiczno-normalnego:

( ) ( )22

ln ln1 exp2lnln 2

g

gg

x xf x

sx s π−

= − , (1)

gdzie: f(x) – funkcja rozkładu dla cząstek o wymiarze x, xg – średnia geometryczna rozkładu:

1 ( ln )ln i sig

i

m xxm

− Σ=Σ

, (2)

sg – standardowe odchylenie geometryczne (bezwymiarowe):

2

1 (ln ln )log i si g

gi

m x xs

m− Σ −

=Σ

, (3)

gdzie: mi – masa sieczki na i-tym sicie, g, xsi – średnia długość cząstek na i-tym sicie w mm, którą wyznaczono

ze wzoru:

1si i ix x x −= , (4)

gdzie: xi – przekątna otworu i-tego sita, mm, xi–1 – przekątna otworu sita znajdującego się powyżej i-tego sita, mm.

Ponieważ w powyższej zależności xg reprezentuje wartość mediany, to ogólny model Rosina-Rammlera-Sperlinga-Bennetta (RRSB):

1n

R

xxY e

−= − , (5)

przekształcono do postaci

501 2nx

xY−

= − , (6)

gdzie: Y – udział masowy materiału drobniejszego niż wymiar x, xR, x50 – stałe określające zakres rozmiaru cząstek, n – stała charakteryzująca materiał, która jest miarą stromości krzywej

rozkładu.

56


Mniejsza wartość n wiąże się z bardziej rozproszonym rozkładem, a więk-sza wartość n oznacza zwiększenie jednorodności rozkładu wymiaru cząstek. Wartość x50 oznacza wymiar otworu sita, przy którym 50% masy przesiewa się podczas separacji próbki mieszaniny.

Po podwójnym logarytmowaniu funkcji Y otrzymano jej liniową postać. Do wyznaczenia nieznanych wartości współczynników n i x50 zastosowano pakiet statystyczny SPSS v.14. Obliczenia przeprowadzono dla każdej próby, a na-stępnie dla uśrednionych wartości n i x50 sporządzono wykresy skumulowanej częstości masy środka geometrycznego klasy dla mieszaniny każdego gatunku z badanych roślin energetycznych.

Wilgotność roślin w czasie zbioru była zróżnicowana i wynosiła od 22,6 do 52,2% (tab. 3.5). Uzyskane zrębki i sieczkę o średnim wymiarze 9–11 mm (Li-sowski i in. 2008c, 2009b) dosuszono w warunkach naturalnych do wilgotności zawierającej się w wąskim zakresie 5,6–7,3% (tab. 3.5). Wysuszony materiał ro-ślinny rozdrobniono na rozdrabniaczu bijakowym, wyposażonym w ekran per-forowany o średnicy oczka 10 mm. Zbiór roślin energetycznych z pnia przycze-pianą sieczkarnią polową Z-374 przeprowadzono w grudniu 2007 roku. Zespół rozdrabniający sieczkarni był wyposażony w 5 noży i proste łopatki rzutnika z ostrą krawędzią natarcia oraz płytkę denną o powierzchni gładkiej. Prędkość kątowa tarczy tnącej wynosiła 105 s–1. Nastawione parametry robocze zespołu umożliwiały uzyskanie częstotliwości cięcia 83 Hz oraz teoretycznej długości cząstek rozdrobnionego materiału roślinnego 8,8 mm.

Rozdziału rozdrobnionego materiału po zbiorze sieczkarnią i po zmieleniu na rozdrabniaczu bijakowym przeprowadzono na separatorze sitowym spełnia-jącym wymagania normy ASAE S424.1, zaprojektowanym przez Lisowskiego i Sara (Lisowski i in., 2008d), a wykonany przez firmę Łukomet według meto-dyki opisanej w pracach Lisowskiego i in. (2008c, 2009f). Pomiary wykonywano bezpośrednio po zbiorze lub po zmieleniu na rozdrabniaczu bijakowym, dlate-go też wilgotność rozdrobnionego materiału roślinnego była tylko nieznacznie mniejsza niż podczas poprzedzających operacji (tab. 3.5).

Tabela 3.5. Wilgotność materiału roślinnego podczas zbioru i mielenia oraz podczas badania roz-kładu wymiarów cząstek mieszaniny materiału rozdrobnionego i zmielonego

Faza Wierzbawiciowa

Miskantolbrzymi

Spartinapreriowa

Rdestowiecsachaliń-

ski

Różawielokwia-

towa

Ślazowiecpensylwań-

ski

Słonecznikbulwiasty

Zbiór 51,0 ±0,9 46,4 ±0,6 40,4 ±0,5 52,2 ±0,8 43,7 ±0,6 22,6 ±0,3 23,3 ±0,3Separacja materiału pociętego

49,0 ±0,8 46,1 ±0,6 39,9 ±0,5 51,7 ±0,7 43,4 ±0,5 22,3 ±0,3 23,1 ±0,3

Mielenie 6,2 ±0,2 5,6 ±0,1 6,0 ±0,1 6,5 ±0,1 7,3 ±0,2 5,6 ±0,1 6,1 ±0,1Separacja materiału zmielonego

6,0 ±0,1 5,5 ±0,1 6,0 ±0,1 6,5 ±0,1 7,0 ±0,2 5,5 ±0,1 6,0 ±0,1


57


Z zaprezentowanych rozkładów wymiarów cząstek (rys. 3.11) oraz wyni-ków analizy statystycznej oceny tych rozkładów (tab. 3.6) można stwierdzić, że wszystkie rozkłady były asymetryczne prawostronnie, o czym świadczą warto-ści skośności. Dla materiału roślinnego pociętego wartości skośności zawierały się w przedziale 3,26–5,53. Rozkłady wymiarów cząstek materiału zmielone-go w rozdrabniaczu bijakowym były mniej odchylone od rozkładu normalne-go, gdyż wartości skośności zawierały się w wąskim przedziale 1,13–1,71 dla wszystkich roślin i nie przekroczyły granicznego zakresu (–2, 2). W obu przy-padkach oznacza to, że w rozkładach wymiarów cząstek występowała przewa-ga udziału cząstek drobnych. Rozkłady wymiarów cząstek materiału pociętego charakteryzowały się również przewagą koncentracji wartości zmiennej wokół średniej geometrycznej wymiarów cząstek, gdyż wskaźnik kurtozy jest dodatni i zawiera się w przedziale 0,28–1,54. Największy udział masy sieczki znajdo-wał się na sicie o wymiarze 8,98 mm, co było spójne z teoretyczną długością cięcia (8,8 mm). Mieszanina rozdrobnionej biomasy spartiny miała względnie najbardziej płaski rozkład (platokurtyczny) i o najmniejszej asymetrii (0,28), a miskanta olbrzymiego miała względnie najbardziej wysmukły rozkład (lepto-kurtyczny) i o największej asymetrii (1,54). Mimo różnych wartości współczyn-ników kształtów, analiza statystyczna nie wykazała istotnych różnic między rozkładami wymiarów cząstek.

Rysunek 3.11. Rozkład wymiarów cząstek rozdrobnionego i zmielonego materiału roślinnego


0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00

Wymiar cząstki x, mm

Udz

iał m

asow

y Y

, %

Wierzba wiciowa

Miskant olbrzymi

Spartina preriowa

Rdestowiec sachaliński



Słonecznik bulwiasty

zmielone

pocięte

58


Rozkłady wymiarów cząstek zmielonego materiału roślinnego charaktery-zowały się natomiast nieznaczną przewagą płaskości oraz znacznym udzia-łem masy na sicie o najmniejszych otworach i dnie. Sumaryczny udział masy wynosił około 80%, a wskaźnik kurtozy zawierał się w przedziale ujemnych wartości od –1,34 do –0,33. Największy udział masy sieczki znajdował się na sicie o wymiarze 1,65 mm. Mieszaniny rozdrobnionego materiału ze słoneczni-ka bulwiastego i spartiny preriowej miały względnie najbardziej płaski rozkład (platokurtyczny), o wartościach kurtozy odpowiednio –1,34 i –1,29, oraz o sto-sunkowo małej asymetrii, gdyż wskaźnik skośności wynosił odpowiednio 1,27 i 1,21. Najbardziej wysmukłym rozkładem (leptokurtyczny) charakteryzowała się mieszanina materiału z wierzby wiciowej, gdyż wartość kurtozy wynosiła –0,33, ale jego asymetria była dość duża, gdyż wskaźnik skośności wynosił 1,45. Mimo różnych wartości współczynników kształtów, analiza statystyczna nie wykazała istotnych różnic między rozkładami wymiarów cząstek dla gatun-ków roślin. Stwierdzenie to odnosi się do wszystkich kombinacji testów porów-nawczych równości średnich, wariancji i mediany.

Mimo braku różnic między rozkładami wymiarów cząstek, stwierdzono in-terakcję dla rodzajów roślin i wymiarów oczek sit oraz dla materiału pociętego i zmielonego, gdyż statystyki Fischera-Snedecora wynosiły odpowiednio Fv1 = 30,

v2 = 270 = 8,3 i Fv1 = 30, v2 = 84 = 39,0 (w obu przypadkach przy α < 0,0001). Oznacza to, że wystąpiły różnice w udziałach materiału rozdrobnionego dla gatunków roślin na niektórych sitach. Szczegółowa analiza wykazała, że udział masy cząstek roślin rozdrobnionych o wymiarach największych i najmniejszych były porównywalne. Większe różnice udziału masy wystąpiły dla cząstek najmniej-szych róży wielokwiatowej i słonecznika bulwiastego, które zawierały niemal dwukrotnie więcej tych cząstek w stosunku do pozostałych gatunków roślin. Podobnie udział masy cząstek materiału zmielonego o wymiarach oczek naj-większych był porównywalny i tworzył jednorodną grupę, ze średnią warto-ścią około 0,1%. Największe różnice w rozkładach wystąpiły między cząstka-mi najdrobniejszymi, znajdującymi się na dnie. Dla słonecznika bulwiastego

Tabela 3.6. Parametry statystyczne rozkładów wymiarów cząstek pociętego i zmielonego materiału roślinnego

Parametr Wierzbawiciowa

Miskant olbrzymi

Spartinapreriowa

Rdestowiecsachalisnki

Różawielokwia-

towa

Ślazowiecpensylwań-

ski

Słonecznikbulwiasty

Pocięty materiał roślinny

Skośność 3,34 5,53 3,26 4,21 3,45 4,16 4,35

Kurtoza 1,30 1,54 0,28 0,68 1,41 1,20 1,28

Zmielony materiał roślinny

Skośność 1,45 1,13 1,21 1,71 1,47 1,37 1,27

Kurtoza –0,33 –0,85 –1,29 –0,36 –0,63 –0,62 –1,34


59


i spartiny preriowej średni udział cząstek najdrobniejszych wynosił około 47%, a dla pozostałych roślin około 28%.

Stwierdzono statystycznie istotną różnicę między wartościami średniej geometrycznej i odchylenia standardowego wymiarów cząstek rozdrobnionego materiału dla rodzajów roślin energetycznych. Parametry te obliczono zgodnie z normą ASAE S424.1. Wartość statystyki Fischera-Snedecora dla wartości geometrycznej wymiarów cząstek wynosiła Fv1 = 6, v2 = 45 = 49,3, a dla odchylenia standardowego Fv1 = 6, v2 = 45 = 109,2 (w obu przypadkach przy krytycznym pozio-mie istotności α < 0,0001). Podobnie wartości średniej geometrycznej i odchy-lenia standardowego wymiarów cząstek zmielonego materiału roślinnego były statystycznie istotnie zróżnicowane, gdyż statystyki Fischera-Snedecora wyno-siły odpowiednio Fv1 = 6, v2 = 14 = 65,8 i Fv1 = 6, v2 = 14 = 13,5 (w obu przypadkach przy krytycznym poziomie istotności α < 0,0001).

Na podstawie testu Duncana wyodrębniono grupy jednorodne średnich geometrycznych wymiarów cząstek materiału pociętego. Grupa jednorodna o najmniejszej wartości średniej wymiarów cząstek jest utworzona dla roślin słonecznika bulwiastego, a o największej – dla wierzby (tab. 3.7). Podobnie wymiary cząstek materiału zmielonego z tych roślin tworzą grupy jednorodne o skrajnych wartościach. Dla pozostałych roślin nie są zachowane ścisłe po-wiązania, ale niemal we wszystkich przypadkach utrzymana jest spójność mię-dzy rankingami dla wartości średnich wymiarów cząstek materiału pociętego i zmielonego. Jedynie dla spartiny i rdestowca nie stwierdzono takiej spójności. W celu potwierdzenia tych wyników konieczne jest przeprowadzenie dalszych badań na nowej próbie. Rozkład wymiarów cząstek pociętej wierzby charak-teryzował się największą średnią geometryczną i był dość dobrze wyrównany,

Tabela 3.7. Grupy jednorodne dla średniej geometrycznej xg wymiarów cząstek pociętego i zmielo-nego materiału roślinnego oraz odchylenia standardowe (bezwymiarowe) sg

Pocięty materiał roślinny Zmielony materiał roślinny

Roślina xg, mm sg Grupa jednorodna Roślina

xg, mm sg

Grupa jednorodna

Wierzba wiciowa 11,31 1,95 x Wierzba

wiciowa 3,13 2,20 x

Miskant olbrzymi 10,47 1,86 x Miskant

olbrzymi 2,60 2,29 x

Ślazowiec pensylwański 9,87 1,88 x Ślazowiec

pensylwański 2,57 2,25 x

Róża wielokwiatowa 9,30 2,11 x Róża

wielokwiatowa 2,46 2,27 x x

Spartina preriowa 8,96 1,94 x x Rdestowiec

sachaliński 2,33 2,11 x

Rdestowiec sachaliński 8,79 2,06 x Spartina

preriowa 1,93 2,37 x

Słonecznik bulwiasty 8,40 2,31 x


1,76 2,14 x


60


a mieszanina słonecznika bulwiastego była najkrótsza, ale najbardziej nierów-nomierna. Mieszanina zmielonego materiału z wierzby, podobnie jak materiału pociętego, była najdłuższa i najbardziej wyrównana, a słonecznika bulwiastego – najkrótsza, ale najbardziej nierównomierna.

Porównując wartości wymiaru xg z x50 stwierdzono wysoką korelację między wartościami średniej geometrycznej xg a środkowymi wartościami x50 wymiarów cząstek pociętego (R2 = 79,4%) i zmielonego materiału (R2 = 97,8%).

Parametry modelu RRSB n i x50 dla każdego rozkładu wymiarów cząstek zestawiono w tab. 3.8. Charakteryzują się one wysoce statystycznymi ocenami istotności. Wartości testów Fischera-Snedecora oraz współczynników deter-minacji świadczą o dobrym dopasowaniu modelu RRSB do rozkładów rzeczy-wistych wymiarów cząstek. Oceny te odnoszą się do dopasowania rozkładów, z których wynika, że model RRSB może być wykorzystany do dalszej analizy, a zwłaszcza do predykcji wydzielenia ilości materiału po cięciu i zmieleniu spełniającego wymagania wymiarów cząstek do produkcji peletów i brykietów. Błędy bezwzględne i względne między wartościami średniej geometrycznej wy-miarów cząstek po cięciu i zmieleniu a wartościami x50 zawierają się jednak w dużym zakresie wartości i wynoszą odpowiednio 1,27–2,74 mm (14–29%) i 0,99–1,13 mm (36–57%). Duże wartości błędów względnych, średnich wymia-rów cząstek, zwłaszcza dla materiału po zmieleniu x50, wynikają z ich małych wartości bezwzględnych oraz dużej koncentracji ilości cząstek w zakresie mniej-szych wymiarów (rys. 3.11).

Z tych powodów stwierdzono brak pełnej spójności w rankingach wartości średnich geometrycznych wymiarów cząstek mieszanin uzyskanych po cięciu i zmieleniu (tab. 3.7) oraz różnice między rankingami wartości x50 (tab. 3.8). Mogły być one spowodowane również odmiennymi zakresami wymiarów czą-stek uzyskanych po tych procesach i zastosowaniem tej samej metodyki badań.

Tabela 3.8. Współczynniki modelu Rosina-Rammlera-Sperlinga-Bennetta

Pocięty materiał roślinny Zmielony materiał roślinny

Roślina n x50, mm

F R2 Roślina nx50, mm

F R2

Wierzba wiciowa 1,61 8,57 595,3 96,4 Wierzba wiciowa 1,20 2,00 478 97,4Miskant olbrzymi 1,54 8,88 1426 95,3 Miskant olbrzymi 1,03 1,55 1892 99,3Spartina preriowa 1,42 7,69 716,3 94,7 Spartina preriowa 0,74 0,88 577 97,8Rdestowiec sachaliński 1,52 6,52 2624 97,8 Rdestowiec

sachaliński 1,05 1,27 259 95,2

Róża wielokwiatowa 1,46 6,74 498 95,8 Róża

wielokwiatowa 0,96 1,47 1826 99,3

Ślazowiec pensylwański 1,67 7,73 1851 97,9 Ślazowiec

pensylwański 1,00 1,57 1078 98,8

Słonecznik bulwiasty 1,35 5,95 1018 95,7

Słonecznik bulwiasty 0,86 0,76 335 96,3


61


Bardziej zasadne byłoby zastosowanie innego zestawu sit do separacji mieszani-ny uzyskanej po zmieleniu, ale dla celów porównawczych wykorzystano zestaw sit o tych samych wymiarach oczek. Warunki badań były celowo tak dobrane, aby porównać rozkłady różnych mieszanin. Norma ASAE S424.1 zaleca zasto-sowanie separatora mechanicznego do rozdziału mieszanin z roślin zbieranych sieczkarniami polowymi na kiszonkę. Ponieważ norma była opracowana w la-tach 70. XX wieku, a nie ma innej (prócz do zrębków drzewnych), przeto wyda-wało się logiczne, aby do rozdziału materiału z różnych roślin energetycznych zbieranych sieczkarniami polowymi posłużyć się wymaganiami jednej normy ASAE S424.1.

Mimo tych zastrzeżeń, otrzymane rozkłady wymiarów cząstek materiału pociętego i zmielonego mogą być przydatne do sformułowania praktycznych zaleceń i zaproponowania możliwości wykorzystania modelu RRSB do wyzna-czenia ilości materiału rozdrobnionego, spełniającego wymagania procesowe do produkcji peletów lub brykietów.

Mani i in. (2003) zalecają, aby mieszanina przeznaczona do produkcji pe-letów miała wymiary cząstek nie większe niż 3,2 mm, a Samson i in. (2005) podają, że do produkcji brykietów najlepsze są cząstki o wymiarach poniżej 6–8 mm. Z wykresów (rys. 3.11) wynika, że część materiału roślinnego już po cięciu może być wykorzystana zarówno do produkcji peletów, jak i brykietów. Do wyznaczenia tych udziałów wagowych dla każdej mieszanki wykorzystano parametry modelu RRSB (tab. 3.9).

Stosując sito o wymiarze oczek 3,2 mm można oddzielić od 13,2% mieszani-ny drobnych cząstek pociętego materiału wierzby wiciowej lub miskanta olbrzy-miego do 25,9% słonecznika bulwiastego. Zmielony w rozdrabniaczu bijakowym materiał zawiera również pewną ilość mieszaniny o większych wymiarach niż 3,2 mm (3,2–17,2%), które powinno się oddzielić, aby nie powodowały niecią-głości procesu peletowania, gdyż nawet pojedyncze, duże cząstki mogą spowo-dować zapchanie transportowaną mieszaniną. Z rozkładów wymiarów wartości skumulowanych wynika, że dużych cząstek było niewiele (np. 0,1–0,6% powyżej

Tabela 3.9. Procentowy udział wagowy mieszaniny spełniającej wymagania wymiarów cząstek ma-teriału roślinnego po cięciu i zmielonego stosowanego do produkcji peletów (3,2 mm) i brykietów (8 mm)

Wymiar cząstek, mm

Wierzba wiciowa

Miskant olbrzymi

Spartina preriowa


Różawielokwia-

towa

Ślazowiec pensylwań-

ski


Pocięty materiał roślinny3,2 13,2 13,3 18,0 20,9 20,8 14,7 25,98,0 46,2 44,6 52,0 61,1 59,0 52,0 64,5

Zmielony materiał roślinny3,2 82,8 87,9 92,8 92,9 88,0 87,0 96,88,0 99,5 99,6 99,5 99,9 99,4 99,4 99,9Źródło: Opracowanie własne autorów.

62


8 mm, tab. 3.9), ale ich wymiary dochodziły do 20–30 mm. Dlatego w linii tech-nologicznej wskazane jest zastosowanie rusztu do oddzielenia dużych cząstek i skierowanie ich do ponownego rozdrobnienia.

Podobnie zastosowanie sita o wymiarze oczek 8 mm pozwoli na wydzielenie pociętego materiału w ilości 44,6–64,5%, który spełnia wymagania wymiarowe surowca przeznaczonego do produkcji brykietów (tab. 3.9).

Koncepcja oddzielenia części mieszaniny spełniającej wymagania zaleca-nych wymiarów cząstek może pozwolić na zmniejszenie obciążeń energetycz-nych kolejnych zespołów roboczych, zwłaszcza że drobniejsze frakcje zawierają zanieczyszczenia w postaci piasku i pyłu, które niepotrzebnie uszkadzają ele-menty robocze rozdrabniacza bijakowego lub innego urządzenia do mielenia biomasy.

Ponieważ podczas zbioru roślin energetycznych sieczkarnią polową oraz podczas mielenia materiału roślinnego na rozdrabniaczu bijakowym stosowano te same parametry techniczne zespołów roboczych, dlatego można stwierdzić, że właściwości fizyczne roślin w znacznym stopniu wpływały na średnie wymia-ry cząstek materiału roślinnego. Zbiór roślin odbywał się przy zróżnicowanej wilgotności (tab. 3.5), która mogła mieć wpływ na rozdrabnianie materiału, ale mielenie materiału roślinnego odbywało się przy porównywalnej wilgotności, dlatego o efekcie końcowym tego procesu decydowały wyłącznie cechy fizyczne roślin. W procesach roboczych zachodzą złożone zjawiska związane z rozciera-niem, rozrywaniem, zgniataniem i kruszeniem materiału roślinnego. O efekcie rozdrabniania decydują współczynnik tarcia zewnętrznego i wewnętrznego, wilgotność roślin i ich wymiary, twardość, zwięzłość, sztywność oraz budowa rośliny zarówno odnosząca się do struktury zewnętrznej, jak i wewnętrznej roślin. Brak udziału części miękkich (np. liści) w wierzbie i większa jej twar-dość są podstawowymi czynnikami wpływającymi na znacznie większy udział w mieszaninie cząstek dłuższych. Rośliny słonecznika bulwiastego i spartiny preriowej są najbardziej podatne na rozdrabnianie. Cechy te mogą wpływać na parametry pracy brykieciarki lub peleciarki oraz na zwięzłość i trwałość brykietów lub peletów bądź na potrzebę zróżnicowania parametrów pracy rozdrabniacza bijakowego. Jest to spójne z innym spostrzeżeniem (Paulraud i Nilsson, 2004), że mieszanina materiału o różnym rozkładzie wymiarów czą-stek wpływa na przebieg procesu spalania. Wymiary rozdrobnionego materiału i ich równomierność zależą również od równomierności zasilania materiałem, która zależy od jednorodności materiału wejściowego lub sposobu transportu do zespołów roboczych. Wyniki badań stanowią podstawę do prowadzenia dal-szych eksperymentów, które pozwolą na uzyskanie dokładniejszej interpretacji stwierdzonych różnic między rodzajami roślin energetycznych oraz określenia optymalnych parametrów pracy maszyn stosowanych do przygotowania su-rowca i jego przetwarzania, np. w wyniku aglomeracji ciśnieniowej (Lisowski i in. 2009c).

63


Wnioski i spostrzeżenia wynikające z przeprowadzonych badań1. Różnice w rozkładach wymiarów cząstek materiału pociętego w sieczkarni

polowej z toporowym zespołem rozdrabniającym i zmielonego w rozdrabnia-czu bijakowym są cechą gatunkową roślin energetycznych.

2. Spośród mieszanin rozdrobnionych roślin energetycznych rozkład wymia-rów cząstek wierzby był najbardziej wyrównany i średnia geometryczna wy-miarów cząstek była największa, natomiast mieszaniny z roślin słonecznika bulwiastego były najkrótsze, ale najbardziej nierównomierne.

3. Model Rosina-Rammlera-Sperlinga-Bennetta skumulowanych rozkładów może być przydatny do predykcji oddzielenia ilości materiału po cięciu i zmieleniu spełniającego wymagania wymiarów cząstek do produkcji pele-tów lub brykietów.

4. Na podstawie modelu RRSB można stwierdzić, że zastosowanie sit o gra-nicznym wymiarze oczek 3,2 mm do separacji mieszaniny po zmieleniu i 8 mm po cięciu pozwala na wydzielenie materiału rozdrobnionego z roślin energetycznych niespełniającego wymiarów cząstek w ilości odpowiednio 3,2–17,2% i 35,5–55,4%.

5. Zastosowanie separacji mieszaniny przeznaczonej do produkcji peletów bezpośrednio po cięciu roślin pozwala na wydzielenie cząstek spełniających wymagania wymiarowe w ilości 13,2–25,9%, zmniejszając obciążenia ener-getyczne rozdrabniacza bijakowego.

3.3. Właściwości aerodynamicznemateriału rozdrobnionego

Zbiór roślin energetycznych w postaci rozdrobnionej oraz przetwarzanie mate-riału do paliw stałych wymaga odpowiednich procesów, do których należą m.in. załadunek, rozładunek, transport i suszenie surowca. Jednym z najkorzystniej-szych sposobów realizacji tych procesów jest transport pneumatyczny. Do jego zalet można zaliczyć: znaczne wydajności urządzeń, możliwość transportu na dużą odległość i w dowolnej płaszczyźnie, unikanie zanieczyszczeń, samooczysz-czanie produktu, prostą obsługę, możliwość automatyzacji, łatwość rozbudowy urządzenia i zmiany jego lokalizacji (Grochowicz 1994). W celu odpowiedniego doboru parametrów maszyn i urządzeń stosowanych w takim transporcie nie-zbędna jest znajomość cech aerodynamicznych materiału rozdrobnionego. Do ważniejszych cech można zaliczyć prędkość krytyczną cząstek i związany z nią współczynnik lotności.

Materiał badawczy stanowiły mieszaniny rozdrobnionych roślin wierzby wiciowej, róży wielokwiatowej, miskanta olbrzymiego, spartiny preriowej, śla-zowca pensylwańskiego, rdestowca sachalińskiego i słonecznika bulwiaste-go. Rośliny zebrano ręcznie w połowie listopada 2008 roku z poletek Stacji

64


Doświadczalnej w Skierniewicach należącej do Wydziału Rolnictwa i Biologii SGGW w Warszawie.

Po dwóch tygodniach przechowywania materiał roślinny rozdrobniono za pomocą sieczkarni przyczepianej Z-374 wyposażonej w toporowy zespół roz-drabniający. Podczas pracy stosowano jednakową prędkość kątową tarczy no-żowej 105 s–1, a liczba noży była czynnikiem zmiennym. Zespół rozdrabniający pracował z 2, 5 i 10 nożami. Przy takich układach pracy teoretyczna długość sieczki wynosiła odpowiednio 28,3, 11,3 i 5,7 mm.

Pomiary prędkości krytycznej sieczki (zrębków) wykonano z wykorzystaniem laboratoryjnego klasyfikatora pneumatycznego Petkus typ K-293 o pionowym przepływie strumienia powietrza według metodyki opisanej przez Strużyka i in. (2009).

Prędkość krytyczną dla każdej frakcji cząstek wyznaczono na podstawie za-leżności regresyjnej w funkcji natężenia strumienia powietrza, oszacowanej na podstawie wykresu wzorcowego (Laboratorium…, 2001):

7 160ki piv V= + , (7)

gdzie: vki – prędkość krytyczna dla i-tej frakcji cząstek, m·s–1. Vpi – natężenie strumienia powietrza dla i-tej frakcji cząstek, m3·s–1.

Prędkość krytyczną dla środkowych przedziałów klasowych wyznaczono jako średnią arytmetyczną:

( 1)

2ki k i

kaiv v

v ++= , (8)

gdzie: vkai – środkowe wartości przedziałów klasowych prędkości krytycznych dla i oraz i+1 frakcji cząstek, m·s–1,

vki – prędkość krytyczna dla i-tej frakcji cząstek, m·s–1, vk(i + 1) – prędkość krytyczna dla i+1 frakcji cząstek, m·s–1.

Średnią ważoną arytmetyczną prędkość krytyczną cząstek mieszaniny ob-liczono ze środkowych wartości przedziałów klasowych prędkości krytycznych i odnoszących się do nich nieujemnych wartości wag ze wzoru:

1

1

n

i kaii

ka n

ii

mvv

m

=

=

= , (9)

gdzie: vka – średnia ważona arytmetyczna prędkość krytyczna cząstek mie-szaniny, m·s–1,

mi – waga (ułamek dziesiętny) i-tej frakcji cząstek o prędkości krytycz-nej vkai.

65


Współczynnik lotności obliczono dla poszczególnych klas, a następnie poda-no zakres prędkości krytycznej cząstek wykorzystując zależność:

0ikai

gkv

= , (10)

gdzie: k0i – współczynnik prędkości krytycznej, m–1, g – przyspieszenie ziemskie, m∙s–2.

Otrzymane wyniki badań poddano analizie statystycznej, wykorzystując w tym celu program statystyczny Statgraphics v.4.1.

Wilgotność roślin podczas zbioru była zróżnicowana (tab. 3.10) w zależności od rodzaju i wynosiła 20,4–65,8%. Przechowywanie całych roślin pod zadasze-niem, bez dosuszania, zmieniło ich wilgotność.

Tabela 3.10. Wartości wilgotności i jej odchylenia standardowe (w %) dla materiału roślinnego podczas zbioru roślin oraz cięcia i wyznaczania prędkości krytycznej (z – liczba noży w toporowym zespole rozdrabniającym)

Faza z Wierzba wiciowa

Ślazowiec pensyl-wański

Słonecz-nik

bulwiasty

Spartina preriowa

Różawielo-

kwiatowa

Rdesto-wiec sa-chaliński

Miskant olbrzymi

Podczas zbioru 47,0 ±0,1 20,4 ±0,6 36,2 ±1,9 36,8 ±0,5 40,5 ±0,5 65,8 ±2,3 49,3 ±0,6

Podczas cięcia

10 46,2 ±0,3 29,9 ±0,3 40,4 ±0,3 47,7 ±0,7 35,6 ±1,0 55,6 ±2,8 49,7 ±0,4

5 45,2 ±0,2 24,0 ±0,5 37,3 ±0,6 50,6 ±0,7 38,9 ±0,4 55,6 ±2,8 40,2 ±0,7

2 46,5 ±0,8 28,0 ±1,6 37,1 ±0,1 45,9 ±0,5 40,7 ±0,5 50,0 ±1,8 45,9 ±0,5


Materiał ze ślazowca pensylwańskiego i spartiny preriowej znacząco zwięk-szył swoją wilgotność, natomiast miskanta olbrzymiego, a zwłaszcza rdestowca sachalińskiego – zmniejszył. Zmiany wilgotności materiału pozostałych roślin wynikały z naturalnej zmienności próbek, ale w stosunku do wilgotności zmie-rzonej podczas zbioru roślin były one dość wysokie. Było to związane z wysoką względną wilgotnością powietrza w czasie przechowywania (średnia wilgotność powietrza wynosiła 87,5%). Na tej podstawie można wnioskować, iż nie każdy materiał z roślin energetycznych może być przechowywany pod zadaszeniem bez dosuszania (powinien być przynajmniej przewietrzany zimnym powietrzem). Różnice wilgotności między gatunkami roślin w poszczególnych układach pracy zespołu rozdrabniającego nie pozwoliły na jednoznaczne określenie jego wpły-wu na właściwości aerodynamiczne rozdrobnionej biomasy.

Najlepsze rozdrobnienie roślin uzyskano w wyniku ich cięcia za pomocą ze-społu toporowego sieczkarni z 10 nożami. Świadczy o tym pochylenie krzywych skumulowanego udziału mieszaniny wydzielonej już przy mniejszych prędko-ściach strumienia powietrza (rys. 3.12).

66


Do wydzielenia 50% produktu najmniejszej prędkości strumienia powietrza wymagała sieczka spartiny preriowej – 4,8 m·s–1, natomiast największej z róży wielokwiatowej – 8,2 m·s–1. W przypadku miskanta olbrzymiego i słoneczni-ka bulwiastego zaobserwowano największe różnice w wydzielaniu materiału, zwłaszcza przy niższych wartościach prędkości strumienia powietrza. Było to związane z większą zawartością liści tych roślin w rozdrobnionym materiale, które były unoszone przy mniejszej prędkości strumienia powietrza.

Zastosowanie pięciu noży na tarczy tnącej wymagało zwiększenia prędko-ści strumienia powietrza potrzebnego do wydzielenia poszczególnych frakcji (rys. 3.13). Podobnie jak dla materiału rozdrobnionego przy zastosowaniu 10 noży, najniższa prędkość strumienia powietrza potrzebna do wydzielenia 50% mieszaniny otrzymanej podczas pracy zespołu z 5 nożami odnosiła się do siecz-ki ze spartiny preriowej i wynosiła 5,7 m·s–1, a dla róży wielokwiatowej była największa – 11 m·s–1.

Dla tego układu pracy zespołu rozdrabniającego największy zakres pręd-kości strumienia powietrza wymagany do rozdzielenia mieszaniny dotyczył materiału z wierzby wiciowej i róży wielokwiatowej. Z tego spostrzeżenia wyni-kają znaczne trudności w opracowaniu optymalnych parametrów urządzeń do transportu pneumatycznego zrębków/sieczki z tych roślin.

W przypadku zastosowania dwóch noży tnących (rys. 3.14) otrzymano mie-szaninę, dla której najmniejsza prędkość strumienia powietrza potrzebna do wydzielenia 50% sieczki odnosiła się do materiału ze słonecznika bulwiastego

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Prędkość krytyczna vkr, m·s–1

Sku

mul

owan

a cz

ęsto

ść m

iesz

anin

y W

, %

Wierzba wiciowa



Miskant olbrzymi


Spartina preriowa


Rysunek 3.12. Skumulowana częstość mieszaniny wydzielona przy prędkości krytycznej cząstek rozdrobnionego materiału roślin energetycznych podczas pracy zespołu rozdrabniającego z 10 no-żami


67






0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19


Sku

mul

owan

a cz

ęsto

ść m

iesz

anin

y W

, %

Wierzba wiciowa

Róża wielokwiatowaRdestowiec sachaliński

Miskant olbrzymi


Spartina preriowa


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19


Sku

mul

owan

a cz

ęsto

ść m

iesz

anin

y W

, %

Wierzba wiciowa



Miskant olbrzymi


Spartina preriowa


68


i wynosiła 7,1 m·s–1 a najwyższa do materiału wierzby wiciowej – 12,5 m·s–1. Dla takiego ustawienia zespołu rozdrabniającego stwierdzono również znaczne róż-nice prędkości strumienia powietrza potrzebnego do wydzielania całego zakresu wymiarów cząstek sieczki. Dotyczyło to zwłaszcza materiału z wierzby wiciowej i róży wielokwiatowej.

Wartości średnie prędkości krytycznej materiału rozdrobnionego podczas pracy zespołu tnącego z 5 nożami (rys. 3.15) zwiększały się w stosunku do pracy z 10 nożami od 11,7% dla sieczki ślazowca pensylwańskiego do 43,5% dla wierzby wiciowej. Dla układu pracy zespołu z 2 nożami najmniejszy przyrost tej prędkości (w odniesieniu do z10) zanotowano dla rdestowca sachalińskiego i słonecznika bulwiastego (22,4%), a największy (73,4%) dla zrębków wierzby.

Nieco inna kolejność w rankingu wartości średniej prędkości krytycznej cząstek dla mieszanin otrzymanych podczas pracy zespołu rozdrabniającego z 10 nożami niż z 5 lub 2 świadczy, że w tych warunkach oprócz cięcia łodyg zachodziło również pękanie krótkich cząstek. Dotyczyło to zwłaszcza materiału o zdrewniałych tkankach (wierzba wiciowa, róża wielokwiatowa). Współdziała-nie pękania z cięciem materiału z wierzby wiciowej przyczyniło się prawdopo-dobnie do największego wpływu na zmianę wartości średniej prędkości krytycz-nej cząstek mieszanin otrzymanych podczas pracy zespołu tnącego przy różnej liczbie noży.

Wierzb

a wiciowa

Róa wiel

okwiat

owa

Rdesto

wiecsa

chali

ski

Miskan

t olbr

zymi

lazow

iecpe

nsylw

ask

i

Spartin

a prerio

wa

S onec

znik

bulwias

ty

z10

z5

z2

12,8

5

12,3

5

9,25

9,41

8,37

7,84

7,2

10,6

3

11,5

2

8,72

7,47

6,87

6,45

6,75

7,41 8,7

7,56

5,86

6,15

5,21

5,88

0

2

4

6

8

10

12

14

Prdk

o k

ryty

czna

v k

r, m

·s -1

Rodzaj ro liny

Liczba no y, z

Rysunek 3.15. Prędkość krytyczna cząstek materiału roślinnego vkr pociętego w toporowym zespole rozdrabniającym pracującym z różną liczbą noży z


Prę

dkość

kryt

yczn

a v

kr, m

·s -1

Liczba noży z, -

69


Najmniejszym odchyleniem od wartości średniej prędkości krytycznej svk charakteryzowała się sieczka spartiny preriowej, o średniej wartości 1,9 m∙s–1, a największymi (2,9 m∙s–1) róży wielokwiatowej i miskanta olbrzymiego. Wyni-ki dotyczące odchylenia standardowego wartości średniej prędkości krytycz-nej cząstek zrębków lub sieczki mogą być przydatne do doboru dmuchaw lub wentylatorów w pneumatycznych urządzeniach transportowych. Będą bowiem przydatne do zaprojektowania odpowiednich nadwyżek prędkości kątowych wirników, które zapewnią transport pneumatyczny cząstek o charakterystyce największych prędkości krytycznych.

Współczynnik lotności poszczególnych frakcji rozdrobnionego materiału ro-ślinnego zależy od prędkości krytycznej danego przedziału (Grochowicz 1994). Większe jego wartości świadczą o zawartości w materiale frakcji lżejszych, zwłaszcza liści, którymi cechowały się rośliny spartiny preriowej i słonecznika bulwiastego (tab. 3.11), mniejsze zaś – o cięższych cząstkach wymagających większej prędkości strumienia powietrza, którymi charakteryzowały się zdrew-niałe łodygi wierzby wiciowej i róży wielokwiatowej lub cząstki z węzłami łodyg miskanta olbrzymiego.

Wyniki badań właściwości aerodynamicznych zrębków lub sieczki z roślin energetycznych otrzymano dla materiałów o bardzo zróżnicowanej wilgotności i dlatego trudno jest jednoznacznie stwierdzić, od jakich czynników właściwo-ści te silniej zależą. Wartość poznawcza wyników tych badań była zdetermino-wana uwarunkowaniami agrotechnicznymi, jakie istniały w fazie naturalnych warunków klimatycznych i atmosferycznych zbioru. Te wstępne badania po-winny być rozszerzone, z uwzględnieniem wyrównanego zakresu wilgotności materiału, co pozwoli na bardziej jednoznaczne wyjaśnienie wpływu rodzaju roślin energetycznych na rozdrobnienie i właściwości aerodynamiczne zrębków i sieczki. Mimo tych zastrzeżeń, zaprezentowane wyniki badań mogą być przy-datne w projektowaniu urządzeń do transportu pneumatycznego rozdrobnione-go materiału z roślin energetycznych zbieranych przy wilgotności, jaką się one charakteryzują w warunkach naturalnych.

Uwzględniając te spostrzeżenia, dalsze badania przeprowadzono na mate-riale rozdrobnionym w rozdrabniaczu bijakowym, wyposażonym w perforowany ekran o średnicy otworów 10 mm, przy zachowaniu wyrównanej wilgotności, której wartości podano w tabeli 3.5.

Tabela 3.11. Współczynnik lotności rozdrobnionego materiału roślinnego (m–1)

Liczba noży

Wierzba wiciowa

Ślazowiec pensyl -wański


Spartina preriowa

Róża wielokwia-

towa


Miskant olbrzymi

10 0,056–3,930 0,082–3,930 0,103–3,930 0,133–3,930 0,040–1,297 0,067–2,083 0,082–3,930

5 0,031–1,297 0,082–3,930 0,082–5,895 0,082–5,895 0,035–1,297 0,056–1,297 0,056–3,930

2 0,031–0,380 0,067–1,297 0,067–5,895 0,056–1,297 0,031–0,638 0,056–1,297 0,040–1,297


70


Ponadto, uwzględniając charakterystykę rozkładów wymiarów cząstek (rys. 3.11), rozszerzono analizę o średnią geometryczną prędkości krytycznej cząstek.

Przy wyznaczeniu średniej geometrycznej prędkości krytycznej tok obliczeń był następujący. Prędkość krytyczną dla średnich przedziałów klasowych wy-znaczono jako średnią geometryczną ze wzoru:

( 1)kgi ki k iv v v += , (11)

gdzie: vkgi – średnie wartości geometryczne przedziałów klasowych prędkości krytycznych dla i oraz i+1 frakcji cząstek, m·s–1.

Średnią ważoną geometryczną prędkość krytyczną cząstek mieszaniny ob-liczono ze średnich wartości geometrycznych przedziałów klasowych prędkości krytycznych i odnoszących się do nich nieujemnych wartości wag ze wzoru:

1 ( ln )ln i kgi

kgi

m vv

m− Σ

=Σ

, (12)

gdzie: vkg – średnia ważona geometryczna prędkość krytyczna cząstek mie-szaniny, m·s–1.

Na podstawie otrzymanych wyników rozdziałów cząstek na separatorze pneumatycznym wyznaczono prędkości krytyczne cząstek dla poszczególnych frakcji oraz średnie wartości dla mieszaniny. Wartości prędkości krytycznej cząstek porównano z wartościami ich wymiarów. Prędkość krytyczną dla każ-dej frakcji cząstek wyznaczono według metodyki opisanej w pracy Dąbrowskiej i Lisowskiego (2010).

Na podstawie analizy statystycznej stwierdzono, że zarówno cząstki pocho-dzące ze zmielonych materiałów różnych gatunków roślin, jak i frakcji sitowej statystycznie istotnie różniły się prędkościami krytycznymi (tab. 3.12). Jedno-znaczny wpływ tych czynników odnosił się do prędkości krytycznej obliczonej według obu średnich ważonych, arytmetycznej i geometrycznej. Szczegółowa analiza dla średnich, przeprowadzona testem Duncana, pozwala na stwierdze-nie, że wartości średniej arytmetycznej prędkości krytycznej cząstek niemal

Tabela 3.12. Wyniki analizy wariancji dla średniej arytmetycznej i geometrycznej prędkości kry-tycznej cząstek dla rodzaju rośliny i frakcji sitowej

Prędkość krytyczna Cechy opisowe Suma

kwadratów

Liczba stopni

swobody

Średni kwadrat Femp

Krytyczny poziom

istotności

Arytmetycznarodzaj rośliny 15,5 6 2,6 265,51 < 0,0001frakcja sitowa 70,1 5 14,0 10,25 < 0,0001

Geometrycznarodzaj rośliny 13,5 6 2,2 271,19 < 0,0001frakcja sitowa 15,5 5 3,1 5,76 0,0001


71


dla wszystkich mieszanin otrzymanych z rozdrobnienia roślin energetycznych utworzyły osobne grupy jednorodne (tab. 3.13). Jedynie średnia arytmetyczna prędkość krytyczna cząstek róży wielokwiatowej nie była wyraźnie zróżnicowa-na, zwłaszcza w porównaniu do średniej arytmetycznej prędkości krytycznej cząstek mieszaniny miskanta olbrzymiego, gdyż różnice między tymi średnimi były mniejsze niż wartość błędu standardowego.

Zbliżony do wartości średnich arytmetycznych prędkości krytycznych cząstek ranking grup jednorodnych, w odniesieniu do rodzaju roślin, utworzyły także wartości średnich geometrycznych prędkości krytycznych cząstek (tab. 3.13).

Tabela 3.13. Wyniki szczegółowej analizy statystycznej średniej prędkości krytycznej cząstek mie-szanin z podziałem na grupy jednorodne według rodzaju rośliny i frakcji sitowej

Poziom czynnika Liczebność Średnia,m∙s–1

Błądstandardowy,

m∙s–1

Grupa jednorodna

Średnia arytmetyczna prędkość krytyczna, rodzaj roślinySpartina preriowa 3 1,94 0,06 XŚlazowiec pensylwański 3 2,41 0,06 XSłonecznik bulwiasty 3 3,47 0,06 XRóża wielokwiatowa 3 3,63 0,06 X XMiskant olbrzymi 3 3,66 0,06 XWierzba wiciowa 3 4,08 0,06 XRdestowiec sachaliński 3 4,62 0,06 X

Średnia arytmetyczna prędkość krytyczna, frakcja sitowa0,82 mm 21 1,87 0,25 X36 mm 9 2,03 0,39 X X22 mm 12 2,71 0,34 X X X12,7 mm 21 2,80 0,25 X X3,04 mm 21 3,26 0,25 X7,1 mm 21 4,24 0,25 X

Średnia geometryczna prędkość krytyczna, rodzaj roślinySpartina preriowa 3 1,87 0,05 XŚlazowiec pensylwański 3 2,25 0,05 XSłonecznik bulwiasty 3 3,25 0,05 XRóża wielokwiatowa 3 3,51 0,05 XMiskant olbrzymi 3 3,51 0,05 XWierzba wiciowa 3 3,83 0,05 XRdestowiec sachaliński 3 4,31 0,05 X

Średnia geometryczna prędkość krytyczna, frakcja sitowa0,82 mm 21 1,61 0,16 X36 mm 9 1,66 0,24 X X12,7 mm 21 2,12 0,16 X X3,04 mm 21 2,24 0,16 X22 mm 12 2,38 0,21 X X7,1 mm 21 2,70 0,16 X


72


Najmniejszą wartością średniej arytmetycznej prędkości krytycznej czą-stek (1,87 m∙s–1) charakteryzowała się najdrobniejsza frakcja pozostająca na dnie separatora sitowego, o średnim teoretycznym wymiarze cząstek 0,82 mm, a największą (4,24 m∙s–1) – frakcja o teoretycznym wymiarze cząstek 7,1 mm (tab. 3.13).

Frakcja mieszaniny o średnim wymiarze cząstek 7,1 mm była scharakte-ryzowana przez wyraźnie wyodrębnioną grupę jednorodną wartości średniej arytmetycznej prędkości krytycznej cząstek, a pozostałe frakcje mieszanin nie cechowały się już tak jednoznacznie odmiennymi właściwościami aerodyna-micznymi. Dotyczy to zwłaszcza frakcji o średnim wymiarze cząstek 22 mm, które należały do trzech odrębnych grup jednorodnych, co oznacza dużą róż-norodność tych cząstek pod względem właściwości fizycznych, które decydują o ich charakterystyce aerodynamicznej. Prawdopodobnie cząstki te cechowały się dużą zmiennością wymiarową, przekroju poprzecznego, gęstości właściwej, porowatości, chropowatości powierzchni zewnętrznej i ciężaru związanego z wil-gotnością materiału roślinnego.

Wartości średnich geometrycznych prędkości krytycznych cząstek dla frak-cji sitowej były jeszcze bardziej wyrównane, zwłaszcza w obszarze obejmującym frakcje mieszaniny o średnim wymiarze cząstek (tab. 3.13).

Maksymalne różnice między wartościami średnimi arytmetycznymi prędko-ści krytycznych cząstek dla frakcji wynosiły 2,37 m∙s–1, a między geometrycz-nymi – 1,09 m∙s–1.

Wartości średnie geometryczne prędkości krytycznej cząstek materia-łu rozdrobnionego roślin energetycznych były mniejsze niż odpowiadające im wartości średnie arytmetyczne (rys. 3.16, 3.17). Wynika to z właściwości średniej arytmetycznej, która jest najczęściej większa niż średnia geometrycz-na (a w granicznym przypadku równa) i różnice są tym większe, im większe są względne zmiany wartości prędkości krytycznej. Obie średnie są równe dla rozkładu normalnego, a rozkład prędkości krytycznej był zbliżony do rozkładu logarytmiczno-normalnego. Średnia geometryczna zwiększała się w mniejszym i zmniejszała się w większym tempie (rys. 3.18), ale zależność między średnią arytmetyczną a geometryczną prędkością krytyczną cząstek była możliwa przez opisanie równaniem regresyjnym prostej o postaci: vka = 0,93vkg + 0,06, dla którego współczynnik determinacji wynosi 99,68%.

Na podstawie przeprowadzonej analizy oraz wyników badań wymiarów czą-stek materiału zmielonego (Dąbrowska i Lisowski 2008, 2009) przeprowadzo-no próbę poszukiwania związku między średnimi prędkościami krytycznymi a wymiarami cząstek. Wyróżnienie grup jednorodnych prędkości krytycznych (tab. 3.13) oraz interpretacja graficzna (rys. 3.19) wskazują na możliwość wyod-rębnienia trzech zakresów wartości prędkości krytycznych, dla których należy poszukiwać zależności regresyjnych. Do grupy o najmniejszych prędkościach krytycznych o podobnej tendencji zmian (rys. 3.19) zaliczono cząstki ślazowca

73


4,08

2,41

3,47

1,94

3,63

4,62

3,663,83

2,25

3,25

1,87

3,51

4,31

3,51

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

5,00vkavkg4,08

2,41

3,47

1,94

3,63

4,62

3,663,83

2,25

3,25

1,87

3,51

4,31

3,51

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

5,00vkavkg

Rysunek 3.16. Średnie arytmetyczne vka i geometryczne vkg prędkości krytyczne cząstek dla mie-szanin materiału rozdrobnionego roślin energetycznych


vka

vkg

Rysunek 3.17. Średnie arytmetyczne vka i geometryczne vkg prędkości krytyczne cząstek dla frakcji sitowej materiału rozdrobnionego roślin energetycznych


2,03

2,71 2,80

4,24

3,26

1,871,66

2,382,12

2,70

2,24

1,612,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

vkavkg

2,03

2,71 2,80

4,24

3,26

1,871,66

2,382,12

2,70

2,24

1,61

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

36 22 12,7 7,1 3,04 0,82rednia geometryczna wymiaru cz stek frakcji sitowej, mm

vkavkgvka

vkg

Prę

dkość

kryt

yczn

a, m

·s–1

Prę

dkość

kryt

yczn

a, m

·s–1

pensylwańskiego i spartiny preriowej, do kolejnej – cząstki słonecznika bulwia-stego, miskanta olbrzymiego, róży wielokwiatowej i wierzby wiciowej, a o naj-większych – cząstki rdestowca sachalińskiego. Z ułożenia punktów na układzie kartezjańskim (rys. 3.19) wynika, że można zawęzić poszukiwania równań re-gresyjnych do postaci liniowej.

Wie

rzba

wic

iow

a

Śla

zow

iec

pens

ylw

ańsk

i

Sło

necz

nik

bulw

iast

y

Spa

rtina

prer

iow

a

Róż

aw

ielo

kwia

tow

a

Rde

stow

iec

sach

aliń

ski

Mis

kant

olbr

zym

i

74


Rysunek 3.18. Zależność między arytmetyczną vka a geometryczną vkg prędkością krytyczną cząstek


Rysunek 3.19. Zależność prędkości krytycznej arytmetycznej vka i geometrycznej vkg od średniej geometrycznej wymiaru cząstek xgm zmielonego materiału roślin energetycznych (punktami zazna-czono wyniki pomiarowe, a liniami regresje liniowe, których postacie zestawiono w tab. 3.14)


vka = 0,93vkg + 0,06R2 = 0,9968

1 50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

5,00

ytyc

zna

aryt

met

yczn

av k

a, m

s–1

vka = 0,93vkg + 0,06R2 = 0,9968

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

5,00

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

Pr

dko

kry

tycz

na a

rytm

etyc

zna

v ka,

ms–1

Pr dko krytyczna geometryczna vkg, m s–1

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

kry

tycz

na c

zst

ekv k

, ms–

1

Rdestowiec

lazowiecSpartina

Topinambur

WierzbaMiskant Ró a

vka

vkg vka

vkg

vkg

vka

0,0

0,5

1,0

,

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Pr

dko

rednia geometryczna wymiaru cz stek xgm, mm

Wyniki analizy regresyjnej zestawiono w tabeli 3.14. Wartości współczyn-ników regresyjnych (temp), determinacji (R2) dla regresji oraz wartości testu Fi-schera-Snedecora (Femp) dla przedstawionych równań liniowych (tab. 3.14), wią-żących prędkość krytyczną arytmetyczną vka lub geometryczną vkg z wymiarem cząstek xgm, są wystarczająco wysokie, aby je uznać i zaproponować do predyk-cji prędkości krytycznej cząstek zmielonego materiału roślin energetycznych.

Różnice w charakterystykach rozkładów prędkości krytycznych między ro-dzajami roślin energetycznych wynikają z różnic ich właściwości fizycznych, gdyż każda z roślin ma inną budowę pędu lub tkanek, sztywność łodyg, twar-dość i wilgotność materiału.

75


Znajomość właściwości fizycznych oraz wiedza o charakterystykach roz-drobnionego materiału roślinnego jest przydatna w podejmowaniu decyzji o wyborze technologii zbioru, warunkach przechowywania i późniejszym prze-twarzaniu materiału oraz wyborze parametrów technicznych zespołów i ma-szyn stosowanych w poszczególnych operacjach. Czynniki te będą wpływać na energochłonność procesów i ostatecznie będą decydować o kosztach produkcji biomasy wykorzystywanej w energetyce lokalnej lub zawodowej.

Wnioski i spostrzeżenia wynikające z przeprowadzonych badań1. Spośród siedmiu gatunków roślin najmniejszymi wartościami prędkości

krytycznej i współczynnika lotności charakteryzowały się mieszaniny mate-riału ze spartiny preriowej i słonecznika bulwiastego, a największymi – z ró-ży wielokwiatowej i wierzby wiciowej – roślin o wilgotności 24,0–55,6%, jaką spotyka się podczas ich zbioru w normalnych warunkach polowych.

2. Najbardziej wyrównaną sieczką pod względem prędkości krytycznej cząstek była mieszanina ze spartiny preriowej, a rozdrobniony materiał róży wielo-kwiatowej cechował się największymi wartościami odchylenia standardowe-go wartości średniej prędkości krytycznej cząstek.

3. Nieco inna kolejność w rankingu wartości średniej prędkości krytycznej cząstek dla mieszanin otrzymanych podczas pracy zespołu rozdrabniające-go z 10 nożami niż z 5 lub 2 świadczy, że w tych warunkach oprócz cięcia zachodziło również pękanie krótkich cząstek.

Tabela 3.14. Wyniki analizy regresji liniowej dla prędkości krytycznej arytmetycznej lub geome-trycznej od średniego wymiaru cząstek zmielonego materiału roślin energetycznych

Gatunek rośliny Postać równania R2

Model dopasowania

Fempzmienna temp

krytyczny poziom

istotnościWierzbawiciowaRóża wielokwiatowaMiskantSłonecznik bulwiasty

2,71 0,40ka gmv x= + 67,8% stałaxgm

12,144,59

< 0,00010,0010 21,0

2,54 0,39kg gmv x= + 76,5%stałaxgm

14,545,70

< 0,00010,0002 32,5

Równanie jest słuszne dla: xgm ∈ (1,68; 3,37) mm

Ślazowiec pensylwańskiSpartina preriowa

0,61 0,69ka gmv x= + 91,4% stałaxgm

2,516,54

0,06630,0028 42,8

0,82 0,55kg gmv x= + 88,8% stałaxgm

3,675,65

0,02130,0048 31,9

Równanie jest słuszne dla: xgm ∈ (1,88; 2,68) mm

Rdestowiec sachaliński2,93 0,71ka gmv x= + 55,3% stała

xgm

12,144,59

0,08010,0110 15,0

2,80 0,64kg gmv x= + 66,8% stałaxgm

14,545,70

0,09210,0102 17,5

Równanie jest słuszne dla: xgm ∈ (2,30; 2,35) mmŹródło: Opracowanie własne autorów.

76


4. Współdziałanie pękania z cięciem materiału z wierzby wiciowej przyczyniło się prawdopodobnie do największego wpływu na zmianę wartości średniej prędkości krytycznej cząstek mieszanin otrzymanych podczas pracy zespo-łu tnącego przy różnej liczbie noży.

5. Mieszaniny materiałów roślinnych rozdrobnionych w rozdrabniaczu bija-kowym charakteryzowały odmiennymi właściwościami aerodynamicznymi, gdyż niemal we wszystkich przypadkach wyróżniono dla siedmiu rodzajów roślin osobne grupy jednorodne wartości prędkości krytycznych cząstek, obliczone zarówno jako średnie arytmetyczne, jak i geometryczne. Takiej jednoznaczności nie stwierdzono dla mieszanin miskanta olbrzymiego, któ-rej wartości należały do grupy jednorodnej prędkości krytycznej róży wie-lokwiatowej, a jednocześnie prędkość krytyczna arytmetyczna cząstek róży wielkokwiatowej tworzyła grupę jednorodną z topinamburem.

6. Dla wyodrębnionych grup jednorodnych przedstawiono równania regresyj-ne wiążące prędkość krytyczną arytmetyczną lub geometryczną ze średnią geometryczną wymiarów cząstek, które mogą być zastosowane do predykcji tych prędkości w badanym zakresie wymiarów cząstek.

7. Wartości średniej arytmetycznej prędkości krytycznej były większe od od-powiednich wartości średniej geometrycznej prędkości krytycznej cząstek, a zależność tę opisano równaniem linii prostej.

77

4. TECHNOLOGIE ZBIORU

4.1. Termin zbioruCharakteryzując rośliny energetyczne podano szczegółowe informacje o ter-minie zbioru dla każdej z nich, ale konieczne jest zwrócenie uwagi na aspekty techniczne zbioru, wynikające ze specyficznych warunków pogodowych, które występują późną jesienią lub zimą bądź wczesną wiosną. Podczas tego okresu w większości regionów utrzymują się złe warunki pogodowe, a duża wilgotność gleb jesienią lub wczesną wiosną, czyni je grząskimi. Często zalega zbyt dużo śniegu, który nie tylko pokrywa powierzchnię pól, ale również kępy roślin, łodyg i liści traw. Nie jest to wyłącznie cecha naszego obszaru środkowo-euro-pejskiego. Jeszcze gorsze warunki do zbioru roślin energetycznych występują w krajach skandynawskich, Wielkiej Brytanii lub Kanadzie (Spinelli 1999, 2001).

W takich warunkach konieczne jest zastosowanie gąsienicowych układów jezdnych lub szerokich opon. Wydaje się, że jednym z rozwiązań mogłoby być wydłużenie okresu zbioru, ale istnieje ryzyko, że rośliny nie zdążą się zregene-rować, zwłaszcza wówczas, gdy przesunie się zbiór wiosną. Rolników interesuje możliwość wcześniejszego zbioru roślin energetycznych, ale przydatność mate-riału pozyskiwanego w takim terminie jest mniejsza. Przykładowo procesy ga-zyfikacji przebiegające przy wysokiej temperaturze zachodzą gorzej, jeśli w ma-teriale roślinnym znajdują się liście. Liście bowiem zawierają dużo chloru, który podczas konwersji może tworzyć szkodliwe substancje toksyczne. Aby uniknąć tego problemu, liście powinny być odseparowane od zdrewniałego materiału przeznaczonego do spalania lub gazyfikacji. Termin zbioru i jego cykliczność zależą w głównej mierze od gatunku rośliny i sposobu wykorzystania zebranego surowca.

Niektóre rozwiązania techniczne mechanizmów ścinających lub układy jezdne maszyn bądź technologie zbioru mogą pozwolić na zmniejszenie uciążli-wości i ograniczenie ryzyka związanego z podmokłym podłożem lub zalegającym na polu śniegiem.

78


4.2. Mechanizmy ścinające

Wybór elementów ścinających rośliny jest krytyczną decyzją w fazie projek-towania maszyn do zbioru roślin energetycznych. Odnosi się to zwłaszcza do krzewów, drzew i rotacji ich zbioru. Byliny i trawy wieloletnie mogą być ścinane przy zastosowaniu tych samych zespołów, które stosuje się w maszynach do zbioru roślin zbożowych lub zielonych.

Podczas ścinania pędów wierzby zespół roboczy ma za zadanie równoczesne ścięcie kilku pędów o różnej średnicy. Wszystkie pędy wyrastające z karpy dążą do pionowego ustawienia, również te, które są bocznymi odrostami. Ścięcie tych odrostów wymaga większej energii niż ścięcie pędów pionowych, ponieważ mają one większą poziomą powierzchnię cięcia.

Zróżnicowanie przekrojów poprzecznych pędów między rzędami roślin oraz wzdłuż rzędów również utrudnia zbiór. Mniejsze pędy łatwiej jest ściąć, ale ist-nieje możliwość ich przewijania się przez poruszające się części mechanizmu ścinającego. Wskazane byłoby zastosowanie elementu ściągającego pędy tuż nad płaszczyzną cięcia. Aby odrastanie nowych pędów było prawidłowe, ich ścinanie powinno być przeprowadzone na wysokości 100–150 mm nad podło-żem. W efekcie uzyskuje się lepszą separację pędów i minimalizuje uszkodzenia karp, zmniejszając propagację chorób (Stuart 1994).

Mechanizmy ścinające, jakie mogą być instalowane w maszynach do zbioru roślin energetycznych, można podzielić na bezpodporowe i podporowe.

W zespołach ścinających krzewy i drzewa mogą znaleźć zastosowanie piły tarczowe i łańcuchowe, tarcze nożowe, noże listwowe i bijakowe, które zalicza się do zespołów bezpodporowych.

Do ścinania bylin i traw wieloletnich, poza piłami tarczowymi i łańcucho-wymi, mogą być stosowane te same mechanizmy ścinające, które są stosowane do ścinania krzewów i drzew. Piły tarczowe mogłyby być również stosowane, ale prędkości cięcia musiałyby być duże, aby nie występowało ryzyko wyrywania roślin z podłoża.

Ścinanie podporowe wykorzystuje się w zespołach listowych i rotacyjnych nożach, które są najbardziej rozpowszechnione w przystawkach ciągnikowych sieczkarń polowych do zbioru kukurydzy na kiszonkę.

Piła tarczowa. Bywa stosowana podczas pozyskiwania drewna w wa-runkach zmechanizowanych prac leśnych przy wykorzystaniu harwesterów, jednak jej promień musi być większy od średnicy ścinanego drzewa. Jej po-zytywną cechą funkcjonalną jest bardzo czyste cięcie drewna, ale zastosowa-nie w maszynach do zbioru roślin energetycznych na zaśnieżonej plantacji powoduje gromadzenie się śniegu na pełnej tarczy. Śnieg jest zabierany przez biomasę i trafia do zespołu rozdrabiającego, a dalej ze zrębkami na skrzynię środka transportowego (Pellerin i in. 1999, Boyd i in. 2000). W tych warun-kach pracy zęby piły i noże rozdrabniające ulegają szybkiemu zużyciu. Aby

79

Technologie zbioru

zwiększyć ich trwałość, stosuje się hartowanie (Nieuwenhof 2003) lub wkładki z węglików spiekanych. Ponadto, śnieg wymieszany ze zrębkami zwiększa ich wilgotność i w konsekwencji prowadzi to do szybszych procesów gnilnych bio-masy i jej strat. Obecnie piła tarczowa znalazła najszersze zastosowanie w me-chanizmach ścinających maszyn do zbioru roślin energetycznych, zwłaszcza do zbioru wierzby, topoli i innych krzewów i drzew. Z naszych doświadczeń wynika, że piła tarczowa przy prędkości cięcia 100 m·s–1 może być wykorzy-stana do zbioru bylin, a nawet traw wieloletnich. Piła tarczowa jest stosowana w zespołach ścinających ciągnikowych maszyn zawieszanych i przyczepia-nych. Może pracować w układach pojedynczych lub – częściej – podwójnych. W maszynach samojezdnych jest stosowana najczęściej w układach podwój-nych. Piła tarczowa jest również wyposażeniem ręcznych kos spalinowych lub elektrycznych.

Piła łańcuchowa. Jest bardzo rozpowszechniona w pracach leśnych oraz przydomowych i można ją znaleźć w różnych głowicach ręcznych urządzeń technicznych z napędem spalinowym i elektrycznym stosowanych do ścinania i obróbki drzew. Pilarki takie są wykorzystywane do zbioru wierzby wiciowej lub topoli rosnących na małych plantacjach. Negatywne doświadczenia uzy-skane podczas zbioru wierzby wiciowej wskazują, że pilarki łańcuchowe nie powinny być używane do ścinania tych roślin, zwłaszcza w cyklach jedno-rocznych. Piła łańcuchowa jest stosowana również w ciągnikowych maszynach do zbioru wierzby wiciowej i mogłaby być wykorzystana do ścinania robinii akacjowej. Najważniejszą cechą tego mechanizmu ścinającego jest ekonomicz-ność, ale piła łańcuchowa wymaga większego zakresu obsługi niż piła tarczowa lub tarcza ścinająca (Pellerin i in. 1999). W dotychczasowych rozwiązaniach konstrukcyjnych maszyn do zbioru wierzby wiciowej długość piły dochodzi do 2,4 m (Bender 6WG). Przy tej długości następuje jej szybkie luzowanie na poszczególnych ogniwkach łańcucha, co wymaga korekcji jego napięcia. Z do-tychczasowych doświadczeń wynika, że takie czynności wykonuje się co naj-mniej dwa razy dziennie, co wpływa na zmniejszenie wydajności operacyjnej zbioru. Ponadto, podczas zbioru muszą być stosowane mniejsze prędkości ru-chu agregatu ciągnik-maszyna, co dodatkowo wpływa na obniżenie wydajno-ści pracy. Zastosowanie piły łańcuchowej pozwala natomiast na zmniejszenie masy maszyny i uproszczenie układu napędowego Pozytywną cechą stosowa-nia piły łańcuchowej jest również to, że podczas zbioru wierzby w warunkach zimowych, przy zalegającym śniegu, ilość jego wtrąceń do zbieranej biomasy, w porównaniu do innych mechanizmów ścinających, jest minimalna. Unik-nięcie obecności niepożądanej wilgoci jest ważne ze względu na poprawność konserwacji i przechowywania zrębków (Boyd i in. 2000).

Tarcza nożowa. Jest ona mniej rozpowszechniona niż piła tarczowa i łań-cuchowa. W Coppice Resources Ltd. (2000) zaprojektowano zespół ścinający z tarczami nożowymi. Tarcze te były łatwe w obsłudze i można było je ostrzyć

80


w warunkach polowych. W miejscu przecinania się dwóch tarcz pędy wierz-by były jednak miażdżone, zgniatane i kruszone, a nie ścinane. Jakość cięcia roślin tarczami nożowymi była zatem znacznie gorsza niż jakość cięcia piłami tarczowymi i łańcuchowymi. Podobne rozwiązania tarcz nożowych spotyka się w kosiarkach rotacyjnych do zbioru roślin zielonych, które mogą być wykorzy-stane w maszynach do zbioru innych roślin energetycznych, zwłaszcza traw wieloletnich. Przykładowo rośliny miskanta mogą być ścinane typowymi ko-siarkami rotacyjnymi z dolnym napędem, a następnie zbierane z pokosu za pomocą pras zwijających lub tłokowych. Tarcze nożowe stanowią wyposażenie ręcznych kos spalinowych lub elektrycznych, które również mogą być stoso-wane do zbioru roślin energetycznych na małych plantacjach w cyklu jedno-rocznym. Kombajny Austoft 7000 i 7700 są standardowo wyposażone w tarcze nożowe.

Noże listwowe. Najczęściej są instalowane w kosiarkach prowadzonych pie-szo lub rozdrabniaczach gałęzi bądź w maszynach stosowanych do pielęgnacji terenów zieleni. Obsługa noży listwowych jest prosta i ekonomiczna, ponieważ istnieje możliwość wymiany uszkodzonego pojedynczego noża. Zastosowanie tych elementów roboczych do ścinania pędów wierzby jest jednak ograniczone ze względu na jakość ich pracy. Podczas zbioru łodygi są raczej urywane niż ścinane, co zwiększa ryzyko pojawienia się chorób w rozszarpanej karpie oraz zmniejsza regenerację i późniejsze odrosty pędów (Lechasseur i Savoie 2005). Zastosowanie noży listwowych w maszynach do zbioru innych roślin energe-tycznych jest również mało prawdopodobne ze względu na ich cechy funkcjo-nalne.

Noże bijakowe. W bijaki są wyposażone bębny i tak instalowane, aby tworzy-ły wzór spiralny, zapewniający bardziej stabilne obciążenie układu napędowe-go. Aby jakość cięcia roślin była zadowalająca, bębny bijakowe, o osi poziomej, muszą się poruszać z dużą prędkością kątową. Podczas pracy zespołu bijako-wego łodygi są urywane, co pogarsza rozdrobnienie materiału, a karpa zostaje poszarpana. Zespół bijakowy może być stosowany w maszynach do zbioru krze-wów w rotacjach jednorocznych lub bylin i traw wieloletnich przeznaczonych na zrębki lub sieczkę (Felker i in. 1999). Z dotychczasowych doświadczeń wynika, że w przypadku zbioru wierzby wiciowej tym sposobem szybkość odrostów jest niezmiernie mała (Stuart 1994).

Zespół nożycowy. Technika cięcia roślin z wykorzystaniem zespołu noży-cowego jest zupełnie odmienna od dotychczas analizowanych sposobów ści-nania. Jest ona wykorzystywana w zespołach o ruchu posuwisto-zwrotnym listew nożowych poruszających się w prowadnicach wyposażonych w palce rozdzielające ze stalkami jako krawędziami przeciwtnącymi. Innym rozwiąza-niem technicznym jest mechanizm o ruchu obrotowym składający się z tar-czy z zainstalowanymi nożami, które ścinają rośliny przy łukowej krawędzi

81

Technologie zbioru

przeciwtnącej. Takie mechanizmy spotyka się w zespołach ścinających przy-czepianych sieczkarń do zbioru kukurydzy. Nożycowy zespół ścinający jest powszechnie stosowany w kosiarkach ciągnikowych, w kombajnach do zbioru zbóż, rozdzielaczach aktywnych wykorzystywanych podczas zbioru rzepaku, a także w kosiarkach prowadzonych pieszo lub maszynach ciągnikowych bądź samojezdnych stosowanych do prac pielęgnacyjnych na terenach zielonych i w międzyrzędziach upraw sadowniczych. Ze względu na bardzo dokładne cięcie nożycowy zespół ścinający jest wykorzystywany do ścinania jednorocz-nych odrostów nowo założonych plantacji wierzby. Bardzo wiotkie pędy wierz-by jednorocznej mają małą bezwładność i cięcie bezpodporowe, jakie zachodzi w rotacyjnych zespołach ścinających, nie pozwala na osiągnięcie oczekiwanego czystego, gładkiego cięcia. Do tych zabiegów pielęgnacyjnych najczęściej są stosowane lekkie kosiarki listwowe, zawieszane na trzypunktowym układzie ciągnika. Ciągnikowe sieczkarnie polowe wyposażone w rotacyjne noże ścina-jące, z zespołami rzędowymi, których pierwotnym przeznaczeniem jest zbiór kukurydzy, mogą być wykorzystane do zbioru wierzby wiciowej w cyklach jed-norocznych. Praktycznie można je również wykorzystać do zbioru innych roślin energetycznych, które są rozdrabniane na zrębki lub sieczkę. Zastosowanie ze-społów rzędowych do zbioru roślin rosnących w kępach, np. miskanta, nie po-zwala jednak na osiągnięcie wymaganej jakości ścinania, gdyż część bocznych pędów może być przygniatana rozdzielaczami zespołu. Dzieje się tak dlatego, że zespół rzędowy jest projektowany do ścinania roślin kukurydzy rosnących pojedynczo w jednym rzędzie. Gardziel między rozdzielaczami jest zbyt mała, aby mogła objąć szeroką kępę traw, zwłaszcza na plantacjach starszych, które są bardziej rozkrzewione.

Należy również zaznaczyć, że nożycowa technika cięcia jest także wykorzy-stywana w sekatorach, które czasami sporadycznie są stosowane na bardzo małych plantacjach roślin energetycznych.

Prędkość cięcia. Doświadczenie pozyskane podczas cięcia roślin zbożo-wych i traw oraz ścinania drzew wykorzystano w fazie projektowania i do-bierania prędkości cięcia roślin energetycznych. Minimalna prędkość cięcia bezpodporowego, uderzeniowego dla roślin zielonych wynosi 10 m·s–1 (Persson 1987). Dalois (1990) sugerował, że prędkości cięcia piłami tarczowymi mogą być stosowane w szerokim zakresie 5–50 m·s–1, ale prędkości z górnego zakresu (40–50 m·s–1) są lepsze ze względu na czyste cięcie drewna, zwłaszcza wzdłuż osi włókien. Mimo że podczas zbioru krzewów i drzew cięcie odbywa się pro-stopadle do osi pędów, to przy większych prędkościach zmniejsza się ryzyko rozerwania łyka pod korą. Podczas pracy pił tarczowych z mniejszą liczbą zę-bów prędkość cięcia powinna być jeszcze większa (70 m·s–1). W maszynach do zbioru wierzby wiciowej są stosowane jeszcze większe prędkości obwodowe pił tarczowych (tab. 4.1).

82


Tabela 4.1. Średnice oraz prędkości kątowe i obwodowe pił tarczowych stosowanych podczas ści-nania roślin energetycznych

Maszyna zbierająca Średnica piły,mm

Prędkość kątowa,s–1

Prędkość obwodowa, m·s–1

Lydum 450 523 118SIPMA 500 400 100Hvidsted 500 335 84VPI/DOE 610 314 96Hyd-Mech 600 209 63Claas 860 1500 115 86Austoft 7700 600 – –CRL 1000 43 22Źródło: Opracowanie własne na podstawie: (Lechasseur i Savoie 2005, Lisowski i in. 2009c).

4.3. Techniki zbioru

Dobór technologii zbioru roślin energetycznych zależy od ich rodzajów. Krzewy i drzewa szybo rosnące, do których można zaliczyć wierzbę wiciową, różę wie-lokwiatową, topolę i robinię akacjową, można zbierać jedno- lub dwuetapowo w cyklach jednorocznych lub częściej w wieloletnich (Lisowski 2006, Szczukow-ski i in. 2006, Faber i in. 2009). Krzewy: róża wielokwiatowa i robinia akacjowa, oraz byliny (ślazowiec pensylwański, słonecznik bulwiasty) i trawy wieloletnie o szlaku fotosyntezy C4 (miskant, proso rózgowate, spartina preriowa, palczat-ka Gerarda) i mozga trzcinowata o szlaku fotosyntezy C3 można również zbierać jedno- lub dwuetapowo, ale wyłącznie w cyklu jednorocznym (tab. 4.2, Lisowski i in. 2010a, 2010j).

Zbiór jednoetapowy polega na jednoczesnym ścinaniu roślin i rozdrabnia-niu, najczęściej przy zastosowaniu sieczkarni polowej – zarówno ciągnikowej, jak i samojezdnej. Logiczną konsekwencją jest więc, że jest to równocześnie zbiór roślin w postaci zrębków (krzewy i drzewa) lub sieczki (trawy i byliny).

Zbiór dwuetapowy obejmuje dwie niezależne fazy, w których operacje są realizowane przez oddzielne maszyny. W pierwszej fazie rośliny są ścinane, a w drugiej rozdrabniane. Wyróżnienie tych faz wynika z formy surowca lub produktu, jaki chcemy otrzymać. Między tymi fazami może występować klika operacji, zależnie od rodzaju rośliny i formy ściętego materiału. W przypadku roślin krótkiej rotacji w zbiorze dwuetapowym dominuje zbiór w postaci całych roślin, a następnie po wysuszeniu materiału – jego rozdrabnianie w warunkach stacjonarnych. Trawy i byliny, po ich ścięciu, są zbierane prasami lub przycze-pami zbierającymi. Ogólnie można stwierdzić, że zbiór roślin trawiastych lub bylin można przeprowadzić za pomocą maszyn powszechnie stosowanych do zbioru zielonek, siana lub słomy. Bardziej szczegółowa charakterystyka spo-sobów zbioru roślin energetycznych będzie przedstawiona dla poszczególnych grup lub rodzajów.

83

Technologie zbioru

Wnioski i spostrzeżenia wynikające z przeprowadzonych badań1. Termin zbioru roślin energetycznych, przypadający na okres od połowy

października po zatrzymaniu wegetacji przez rośliny (po pierwszych przy-mrozkach) do połowy marca, zwiększa ryzyko prawidłowych działań oraz stawia większe wymagania dla konstruktorów maszyn i ich zespołów robo-czych.

Tabela 4.2. Technologie zbioru roślin energetycznych i maszyny robocze

Sposób zbioru

Drzewa krótkiej rotacji (topola, wierzba) i krzewy (róża wielokwiatowa, robinia akacjowa, wierzba)

Trawy (miskant, proso rózgowate, spartina preriowa, mozga trzcinowata, palczatka Gerarda) i byliny (ślazowiec, słonecznik bulwiasty)

Jedno-etapowo

Cykl1-roczny

Wierzba, krzewy: sieczkarnie ciągnikowe zawieszane, przyczepiane lub samojezdne z przystawką do zbioru kukurydzy, najlepiej bezrzędową (Kemper, Krone)

Sieczkarnie ciągnikowe zawieszane, przyczepiane lub samojezdne z przystawką do zbioru kukurydzy, rzędową lub bezrzędową

Cykl2–5-letni

Wierzba: sieczkarnie ciągnikowe przyczepiane lub samojezdne ze specjalną przystawką

TransportPrzyczepy objętościowe ciągnikowe lub samochody ciężarowe

Przyczepy objętościowe ciągnikowe lub samochody ciężarowe

Dwu-etapowo

Ścinanie; cykl 1-roczny

SekatoryWykaszarki spalinoweKosiarki ciągnikowe z piłą tarczowąMaszyny specjalne ścinające i wiążące lub pryzmująceMaszyny ścinająco-prasujące

Kosiarki rotacyjne (z kondycjonerem), ciągnikowe lub samojezdne

Ścinanie;cykl 2–5-letni

Wierzba: jak dla cyklu1-rocznego plus pilarki spalinowe

Ścinanie;cykl 5–30-letni

Topola: maszyny leśne; ścinacze grupujące (≤ ∅ 150 mm), harwestery (> ∅ 150 mm)

Prasowanie//zbiór

Prasy zwijające, tłokowe wielkogabarytowePrzyczepy zbierające

Załadunek i rozładunek

RęcznyŁadowarki czołowe lub chwytakoweForwordery lub skidery chwytakowe

Ładowarki czołowe lub chwytakowe do bel

TransportPrzyczepy ciągnikowe lub samochodyPrzyczepy leśne

Przyczepy ciągnikowe lub samochodyPrzyczepy samozaładowcze

RozdrabnianieRębaki do drewnaUrządzenia zrębkujące

Szarpacze do słomyRozdrabniacze nożowe


84


2. Spośród mechanizmów ścinających stosowanych w maszynach do zbioru wierzby wiciowej dominuje piła tarczowa. Piła łańcuchowa, mimo pewnych zalet wynikających ze zmniejszenia zanieczyszczenia materiału roślinnego śniegiem, jest stosowana przez jedną firmę. Mechanizm nożycowo-palcowy jest stosowany w maszynach do podcinania wierzby lub zbioru wikliny ple-cionkarskiej. Mechanizm bijakowy lub młotkowy może być stosowany do zbioru biomasy na nieużytkach.

3. Przy cięciu bezpodporowym stosuje się duże prędkości obwodowe, w zakre-sie 40–100 m∙s–1, aby zapewnić czyste cięcie i pozostawić karpę nieuszko-dzoną. Sprzyja to lepszym odrostom, skutkuje większymi plonami biomasy i zmniejsza ryzyko infekcji karpy chorobami.

4. Opracowano technologie zbioru roślin energetycznych podzielone na dwie grupy. Do pierwszej z nich zaliczono drzewa i krzewy o krótkiej rotacji, a do drugiej trawy i byliny.

85

5. ZBIÓR WIERZBY I TOPOLIW KRÓTKIEJ ROTACJI

Zbiór wierzby i topoli w krótkiej rotacji odbywa się po zakończeniu wegeta-cji w okresie ich spoczynku. Zbiór wierzby odbywa się najczęściej w cyklach 2–4, a topoli 5–7 lat. Zbiór topoli wymaga cięższych maszyn, gdyż jej pędy są grubsze, wyższe i sztywniejsze niż wierzby. To stwarza większe problemy dla mechanizmów ścinających i z tego powodu do zbioru topoli stosuje się podobne techniki, jakie są wykorzystywane w leśnictwie podczas ścinania drzew igla-stych i liściastych. Przy cyklach zbioru 5–7 lat średnica pędów topoli dochodzi do 0,10–0,15 m. W 3–4-letnim cyklu zbioru topoli stosuje się te same maszyny jak do zbioru wierzby w analogicznych rotacjach. Drzewa krótkiej rotacji mogą być zbierane jedno- lub dwuetapowo (rys. 5.1).

Drzewa krótkiej rotacji

Zbiór jednoeta-powy

Zbiór dwueta-powy

Zbiór na zr bki do 50 mm

Zbiór na kawa ki100–150 mm cinanie i pozostawienie na polu

Luzem na pokosie

Luzem w pryzmach

W wi z-kach

W be-lach

Suszenietermiczne

Konwersja na-tychmiastowa

Wentylacja wymuszona

w gospodarstwie

Transport zr bków

do zak adu

Przechowywanie

Konwersja w ci gu

2 miesi cy

Wentylacja naturalna

Wentylacja wymuszona, pryzmy w go-spodarstwie

Transport kawa ków do zak adu

Rozdrabnianie lub mielenie

Konwersjaw ci gu 2––5 miesi cy

Konwersja po 6 miesi -

cach

Transport kawa ków do zak adu

Rozdrabnianielub mielenie

Transport zr bków

do zak adu

Za adunek i transport odyg luzem, wi zek lub bel

Wentylacja naturalna – pryzmy

Rozdrabnianie do zr bków

Konwersja po 6 miesi cach

Rysunek 5.1. Technologie zbioru drzew w krótkiej rotacji o średnicy pędów poniżej 100 mm


86


Wierzbę w polskich warunkach klimatycznych najlepiej zbierać od poło-wy listopada do połowy marca, po zakończeniu przez rośliny okresu wegetacji i opadnięciu z pędów liści, ale nie zawsze warunki pogodowe pozwalają na za-kończenie zbioru w tym okresie. W tym czasie wilgotność drewna wynosi około 45–55%, w zależności od rotacji, odmiany, regionu i warunków pogodowych. W sprzyjających uprawie wierzby warunkach klimatycznych, glebowych i przy wysokim nawożeniu mineralnym niektóre odmiany roślin krótkiej rotacji osią-gają plon 20 t s.m.·ha–1. Zazwyczaj plon tych roślin wynosi 8–12 t s.m.·ha–1.

Wierzba po pierwszym roku po posadzeniu powinna być skoszona na wyso-kości około 50 mm nad powierzchnią gleby (Szczukowski i in. 2006). Zabieg ten

Rysunek 5.2. Harvester grupujący Timberjack TJ 720: a – widok ogólny, b – głowica TJ 720 Timberjack, c – głowi-ca 1000-23E Pentan Paja Oy, d – głowica EH 220 Warath Forestry

Źródło: Fotografie Burger.

a b

c d

Z dostępnych danych wynika, że uprawa topoli w Ameryce Północnej jest względnie opłacalna jedynie w pełnych cyklach 20–30-letnich na grubiznę do papierni (Molas 2008). W wielu krajach prowadzone są badania zbioru topoli w krótkich 3–5-letnich rotacjach (Heiman i in. 1994, Kauter i in. 2003, Thara-kan i in. 2003, Gaidi i in. 2008, 2009). Do zbioru drzew topoli o średnicy 0,10––0,15 m lepiej stosować techniki leśne, z wykorzystaniem ścinaczy grupują-cych, harwesterów lub innych maszyn (rys. 5.2). Na polskim rynku są dostęp-ne różne maszyny, głównie importowane, które z powodzeniem są i mogą być wykorzystane do zbioru topoli. Przy krótszych cyklach rotacji do zbioru topoli można stosować te same maszyny co do wierzby.

87

Zbiór wierzby i topoli w krótkiej rotacji

pozwala w następnym okresie wegetacji na odrastanie licznych pędów z karpy i dodatkowo wpływa na plonowanie wierzby w kolejnych latach. Roślina wierz-by osiąga po pierwszym roku około 2,0 m wysokości, a w lepszych warunkach agrotechnicznych pędy mogą być nawet dłuższe. Mogą być one ewentualnie przeznaczane do wytwarzania zrzezów i wykorzystane do powiększenia planta-cji. Do ścinania pędów po pierwszym roku wegetacji wierzby można zastosować kosiarki listwowe lub inne maszyny, których powszechnie używa się do zbioru traw. Najlepsze efekty osiąga się po zastosowaniu do zbioru pędów kosiarki z palcowym zespołem nożycowym (Wilkinson i in. 2007). Zabieg ten wykonuje się wczesną wiosną przed rozpoczęciem przez rośliny nowego okresu wegetacji.

W zależności od planowanej rotacji zbiór wierzby w kolejnych latach może się odbywać różnymi technikami. Właściwe odcięcie już dojrzałego pędu od karpy jest bardzo ważnym elementem, ponieważ wpływa na jej żywotność. Pędy powinny być ścinane na wysokość 50–100 mm nad powierzchnią gleby tak, aby miały widoczne uśpione pąki. Pędy powinny być obcięte równo. Nie dopuszcza się, aby pędy pozostałe na karpie były poszarpane lub rozłupane. Odcięcie powinno być wykonane ostrym narzędziem, np. sekatorem lub szyb-koobrotową piłą. Z przeprowadzonych przez Kwaśniewskiego badań (2007) wynika, że na 27 plantacjach wierzby energetycznej, położonych na terenie województw małopolskiego, świętokrzyskiego i podkarpackiego, nie stosowa-no do zbioru maszyn. Na ocenianych plantacjach o powierzchni 0,5–13 ha stosowano zbiór ręczny z wykorzystaniem sekatorów. W kilku przypadkach do zbiory wierzby stosowano wykaszarki z piłami tarczowymi lub kosiar-ki listwowe ze skróconymi zespołami tnącymi. Praca przy użyciu sekatorów nożycowych jest mało wydajna i ten sposób zbioru może być stosowany na małych plantacjach, przede wszystkim w cyklu jednorocznym. Zastosowanie wykaszarki z piłą tarczową daje lepsze wyniki i również to urządzenie może być stosowane na małych plantacjach do 1 ha (Dubas i Tomczyk 2005). Przy zbiorze pędów w rotacji 3-letniej potrzebna jest dodatkowa osoba, poza ope-ratorem, do ich nachylania i odbierania ściętych łodyg. Z badań Kwaśniewski i in. (2008) wynika, że lepszą wydajność (0,024 ha·h–1) osiąga się przy zatrud-nieniu dwóch pomocników niż jednego (0,016 ha·h–1). Zbiór wierzby z wyko-rzystaniem spalinowej pilarki łańcuchowej wymaga również zespołu dwuoso-bowego (Kwaśniewski i in. 2006). Aby operator pilarki miał dogodne dojście do karp roślin, jedna osoba odchylała pędy roślin, a druga odbierała ścięte łodygi i wstępnie formowała je w wiązki. Osiągnięta w takich warunkach pra-cy wydajność wynosiła 0,017 ha·h–1 i była znacznie mniejsza od wydajności zbioru zmechanizowanego (0,7 ha·h–1). Należy jednak zwrócić uwagę na zagro-żenia związane z tą techniką zbioru i ze względów bezpieczeństwa nie może być ona zalecana. Ponadto, planując zbiór wierzby należy również uwzględnić możliwość wystąpienia niekorzystnych warunków pogodowych, np. jesienne i wiosenne roztopy, zalegająca okrywa śnieżna itp., które mogą mieć wpływ na

88


wydajność zbioru ręcznego. Rzeczywisty czas dyspozycyjny do zbioru wierzby i innych roślin energetycznych może być w związku z tym znacznie krótszy niż od połowy października do połowy marca. Przy zwiększających się kosztach pracy zbiór ręczny będzie wypierany przez zbiór mechaniczny. Zastosowanie kombajnów zielonkowych lub specjalnych maszyn do zbioru wierzby pozwala na uzyskanie wydajności 3–4 ha dziennie (Dreszer i in. 2003).

Wydajność zbioru wierzby może być wyrażona w zależności od mocy zasto-sowanej maszyny (rys. 5.3, Technical Note 1998). Wydajność 0,16–0,56 ha·h–1 odnosi się do maszyn zbierających i rozdrabniających w czasie jednego przejaz-du, natomiast 0,09–0,22 ha·h–1 – do maszyn zbierających całe pędy. Szerokie zakresy wydajności zbioru wynikają nie tylko z rodzaju maszyny, ale zależą również od takich czynników, jak plon, wiek roślin, rozstawa i długość rzędów, sposób jazdy na plantacji oraz doświadczenie operatora.

Wz = 0,0012 Nnom + 0,0506

R2 = 0,6092

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 50 100 150 200 250 300 350

Moc nominalna maszyny, kW

Wyd

ajno

ść z

bior

u, h

a·h–1

Rysunek 5.3. Zależność wydajności zbioru wierzby Wz od mocy maszyny Nnom

Źródło: Technical Note (1998).

Wierzba jednoroczna może być zbierana z wykorzystaniem standardowych maszyn, które stosuje się do zbioru kukurydzy na kiszonkę lub innych ro-ślin wysokołodygowych. Spośród roślin energetycznych wierzba wiciowa może być zbierana z zastosowaniem najbardziej zróżnicowanych technologii. Jeśli zbiór odbywa się w cyklach 1-, 2- lub 3-letnich, to rośliny wierzby mogą być zbierane w postaci całych pędów lub rozdrabniane sieczkarniami polowymi, wyposażonymi w specjalną przystawkę. Przy dłuższych cyklach rotacji zbio-ru pędy roślin są grubsze i charakteryzują się bardziej jednorodną jakością drewna. Zbiór roślin o większej średnicy pędów wymaga jednak zastosowania maszyn bardziej wytrzymałych i jednostek energetycznych o większej mocy.

89

Zbiór wierzby i topoli w krótkiej rotacji

W przypadku zbioru całych roślin potrzebne jest również zastosowanie środ-ków transportowych z dłuższymi skrzyniami ładunkowymi oraz zaplanowanie większych szerokości uwroci na plantacjach pól. Według skandynawskich do-świadczeń zbiór wierzby w cyklach 3–5-letnich jest najbardziej uzasadniony ekonomicznie (Mola-Yudego i Pelkonen 2008). Niektóre odmiany po czwartym roku zmniejszają szybkość przyrostu i powinny być w tym czasie zebrane. Nowe odmiany szybko rosnące są bardziej ekonomiczne niż odmiany wolno rosnące. W trzecim roku pędy wierzby osiągają wysokość 6–8 m i średnicę do 40–80 mm. Drzewa wierzby o średnicy powyżej 100 mm powinny być zbierane z wykorzystaniem technik stosowanych w leśnictwie. W trzyletnim cyklu zbio-ru plon biomasy wierzby może być bardzo wysoki i wynosić 60–120 t·ha–1 wil-gotnego materiału (przy średniej wilgotności około 46%). Zwiększa się również gęstość zbieranego materiału w porównaniu do zbioru w cyklu 1-rocznym, dzięki mniejszej zawartości młodej kory i cienkich części roślin. Pędy jedno-roczne wierzby mogą być zbierane luzem lub wiązane w wiązki bądź belowane z wykorzystaniem specjalnej prasy zwijającej, wyposażonej w tarczowy zespół ścinający i bijakowy zespół rozdrabniający (Lavoie i in. 2008). Wybór techno-logii zbioru wierzby zależy od wielu czynników. Całe łodygi mogą być wykorzy-stane na małym, niszowym rynku i w szkółkach, gdzie powinny być one o od-powiedniej wilgotności i bez uszkodzeń kory. Zbiór roślin w postaci rozdrob-nionej jest zalecany na dużych plantacjach i tam, gdzie jest dobrze rozwinięty rynek zbytu. Możliwe jest wykorzystanie biomasy wierzby do bezpośredniego spalania lub współspalania (obecnie niezalecane) w przemysłowym spalaniu węgla (Gera i in. 2002). Taki sposób zbioru jest dość powszechny w Wielkiej Brytanii i Szwecji. Rozdrobniony materiał roślinny w zespole roboczym siecz-karni polowej może być bezpośrednio spalany, np. w kotle fluidalnym, lub może stanowić surowiec do dalszej przeróbki w produkcji brykietów lub pe-letów. Aby wyprodukować dobrej jakości paliwo formowane, konieczne jest dodatkowe wysuszenie i rozdrobnienie zrębków, jakie uzyskuje się z sieczkar-ni (Bitra i in. 2008). Są to procesy energochłonne, które wpływają na koszty produkcji brykietów i peletów.

Wnioski i spostrzeżenia wynikające z przeprowadzonych badań1. Topola i wierzba w formie drzew lub krzewów krótkiej rotacji mogą być zbie-

rane jedno- lub dwuetapowo.2. W technologiach zbioru jednoetapowego są stosowane adaptowane siecz-

karnie dokładnego cięcia (zrębki mają wymiar do 5 mm) oraz maszyny do zbioru trzciny cukrowej, w których materiał roślinny jest cięty na kawałki długości 100–150 mm. Adaptacja tych sieczkarni polega na zastosowaniu specjalnej przystawki do zbioru wierzby wiciowej, a w przypadku kombajnu do zbioru trzciny cukrowej wystarczy nieznaczna modyfikacja adpatera ści-nającego wyposażonego w piły tarczowe i kanału wyrzutowego.

90


3. W technologii zbioru dwuetapowego są stosowane maszyny ścinające całe pędy, pozostawiane na pokosie, w pryzmach, wiązkach lub belach (również z częściowym rozdrabnianiem).

4. Do zbioru drzew topoli i wierzby o średnicy pnia powyżej 100 mm stosuje się techniki leśne, z wykorzystaniem ścinaczy grupujących, harwesterów lub innych specjalnych maszyn.

91

6. MASZYNYDO ZBIORU WIERZBY

Wśród maszyn do zbioru wierzby można wyróżnić dwa podstawowe rodzaje roz-wiązań: do ścinania biomasy wraz z jej rozdrabnianiem na zrębki oraz do zbioru całych roślin. Jednoetapowy zbiór, którego zadaniem jest ścięcie i rozdrobnie-nie pędów wierzby, może być przeprowadzony za pomocą zmodyfikowanych maszyn. Pierwotnie takie maszyny były stosowane do zbioru innych roślin, np. kukurydzy lub trzciny cukrowej. Modyfikacja dotyczyła głównie przystawki ści-nającej rośliny.

Zbiór całych pędów w cyklach jednorocznych wykonuje się z użyciem takich maszyn, jak: żniwiarki, snopowiązałki oraz specjalnie do tego celu skonstru-owane maszyny zagregatowane z ciągnikiem.

W latach 90. XX wieku, gdy rozpoczęto uprawę roślin krótkiej rotacji na skalę komercyjną, nie było odpowiednich maszyn do ich zbioru. Po pierwszych próbach zastosowania dotychczasowych maszyn, które były przeznaczone do zbioru innych roślin, rozpoczęto prace nad modyfikacjami maszyn lub proto-typami, które spełnią wymagania użytkowników. Pionierami były firmy skan-dynawskie oraz z Danii, Holandii, Wielkiej Brytanii, Włoch, Niemiec, Australii i Kanady (tab. 6.1).

Tabela 6.1. Charakterystyka maszyn do zbioru roślin energetycznych

ModelKraj

pochodzenia Rodzaj FunkcjaMoc, kW

Masa, kg

Fröbbesta Szwecja przyczepiana, kosiarka ścinanie i zbiór 70 3000

Nicholson Irlandia przyczepiana, kosiarka ścinanie i wiązanie 65 3000

Dansalix Dania przyczepiana, kosiarka ścinanie i zbiór 65 2000

Berni Włochy przyczepiana, kosiarka ścinanie i zbiór 80 2000

Hvidsted Dania samojezdna, kosiarka ścinanie i zbiór 80 6000

Bender Szwecja zawieszana, sieczkarniaścinanie i zrębkowanie 120 1250

Austoft Szwecja samojezdna, kombajn do trzciny cukrowej

ścinanie i zrębkowanie 179 12500

Claas Jaguar Niemcy samojezdna, kombajn

zielonkowyścinanie i zrębkowanie 230 9400

JD/Kemper Wielka Brytania

samojezdna, kombajn zielonkowy

ścinanie i zrębkowanie 301 11700

Źródło: Opracowanie własne na podstawie: (Gumeniuk 2006, Lechasseur i Savoie 2005, Spinelli 1999).

92


W 1993 roku szwedzka firma Salix Maskiner AB, będąca częścią Salixphere, wykonała dwa prototypy maszyn. Jedną z nich była maszyna Bundler przy-czepiana do ciągnika (rys. 6.1), wyposażona w piłę łańcuchową i urządzenie wiążące. Na czas operacji odcinania wiązki piłą tarczową agregat ciągnik-ma-szyna musiał się zatrzymać, co zmniejszało wydajność zbioru. Drugą maszyną była sieczkarnia Bender 1 zawieszana na TUZ ciągnika wyposażonego w układ rewersyjny. Maszyna przechodziła kolejne modyfikacje i obecnie jest dostępna wersja Bender 6WG (rys. 6.2). W 1996 roku firma Salix Maskiner AB wykonała kolejny prototyp maszyny Rodster I przyczepianej do ciągnika. Maszyna ścina pędy i przenośnikiem taśmowym transportuje w całości na skrzynię, integralnie związaną z ramą maszyny. Zawartość skrzyni jest sukcesywnie rozładowywana i łodygi są gromadzone na polu w małych pryzmach. Obecnie firma na stronie internetowej oferuje model Rodster II (www.salix.se). Charakterystyczną cechą

Rysunek 6.1. Prototyp wiązałki Bundler firmy Salix Maskiner

Źródło: Fotografia firmowa Salixphere.

Rysunek 6.2. Zawieszana sieczkarnia Bender 6WG z piłą łańcuchową firmy Salix Maskiner

Źródło: Fotografia firmowa Salixphere.

93

Maszyny do zbioru wierzby

maszyn oferowanych przez tę firmę jest mechanizm ścinający pędy w posta-ci piły łańcuchowej, prowadzonej na czterech rolkach, która stwarza pro-blemy. Łańcuch się wyciąga, wygina, występują trudności w prawidłowym utrzymaniu go w prowadnicach i z tego powodu należy stosować małe prędko-ści jazdy. Krytyczne uwagi o maszynie Bender przedstawiono na podstawie doświadczeń amerykańskich (Abra-hamson i in. 2008).

Początkowo samodzielnie firma Nordnic Biomass z Danii, a następnie we współpracy z firmą Border Biofuels Ltd. z Wielkiej Brytanii wyprodukowa-ła kilka generacji maszyn do zbioru wierzby w formie całych łodyg. Począt-kowo były to proste maszyny przycze-piane do ciągnika. Do drugiej i trzeciej generacji zakwalifikowano samojezdne maszyny, odpowiednio All Rounder i Mantis. Najnowszą maszyną czwartej generacji, oferowaną przez Nordic Bio-mass, jest wersja przyczepiana, model Stemster III z 2006 roku. Zarówno sa-mojezdna maszyna Mantis, jak i przy-czepiana Stemster III (rys. 6.3) charak-teryzują się większą wydajnością od podobnej pod względem technicznym i funkcjonalnym Empire 2000, zapro-jektowanej przez Segerslätta (rys. 6.4).

W skali międzynarodowej najbar-dziej rozpowszechniły się polowe siecz-karnie samojezdne z przystawkami do zbioru wierzby oraz zmodernizowany kombajn do zbioru trzciny cukrowej Austoft 7700.

Niemiecka firma Claas zaoferowała pierwszą przystawkę HS1 z dwiema piłami tarczowymi do swojego kombajnu zielonkowego Claas Jaguar 695. Naj-nowsza przystawka HS2 z 2006 roku współpracuje z kombajnem Claas Jagu-ar 900 (rys. 6.5). W 1998 roku firma Coppice Resources Ltd. (CRL) z Wielkiej

Rysunek 6.3. Maszyny do zbioru cały pędów firmy Nordic Biomass: a – samojezdna Nordic All rounder, b – przyczepiana Stemster III

Źródło: Fotografie firmowe Nordic Biomass.

Rysunek 6.4. Seegerslätt Empire 2000, Sten Seegerslätt

Źródło: Fotografia Carmen.

94


Brytanii, we współpracy z firmą Claas, opracowała nieco inną przystawkę (rys. 6.6). Najnowsze wersje przystawek CRL są dostosowane do sieczkarń samojezdnych firm Claas, Case New Holland, John Deere, Krone.

Charakterystyczną cechą przystawki HS2 są aktywne rozdzielacze ślimako-we oraz rotacyjne zabieraki palcowe (rys. 6.5). Przystawka CRL jest natomiast wyposażona w płozy boczne, wykonane w postaci talerzy (rys. 6.6).

Przystawka HS2 jest wyposażona w ramię naginające (pałąk naprowadzający) z hydraulicznie regulowanym kątem nachylenia. Odpowiada ono za nachylanie łodyg wierzby, co ułatwia ścinanie i przepływ ściętego materiału do układu roz-drabniającego maszyny. Cienkie pędy wierzby, wychodzące poza główne rzędy, są nagarniane przez dwa boczne przenośniki ślimakowe. Rośliny ścinane są na wy-sokości około 50–100 mm nad powierzchnią podłoża dwiema piłami tarczo wymi,

Rysunek 6.5. Kombajn Claas Jaguar z przystawką HS2

Źródło: Fotografie własne autorów.

Rysunek 6.6. Kombajn New Holland FR 9000: a – z przystawką firmy CRL, b – z przystawką 130FB SRC Woody Crop Header

Źródło: www.google.pl., www.coppiceresources.co.uk

a b

95


wyposażonymi w zęby tnące z węglików spiekanych. Materiał jest rozdrabniany przez standardowy, bębnowy zespół tnący sieczkarni Jaguar na zrębki o wyma-ganej długości do 60 mm. Maksymalna średnica łodygi wierzby, która może być ścinana i rozdrabniana wynosi 70 mm. W zależności od warunków pracy, rodzaju pola i średnicy łodyg maksymalna wydajność maszyny wynosi 70 t·h–1. Przystaw-ką HS2 można zbierać jednocześnie dwa bliźniacze rzędy roślin, między którymi powinna być zachowana odległość 0,75 m, a między kolejnymi parami rzędów – 1,5 m. To właśnie te wymagania czasami uniemożliwiają bezpośrednie zasto-sowanie kombajnu Jaguar z przystawką HS2 do zbioru wierzby, której planta-cję założono bez uwzględnienia ograniczeń wynikających z konstrukcji maszyny przewidzianej do późniejszego zbioru roślin. Konsekwencje ekonomiczne i orga-nizacyjne mogą być bardzo poważne, jeżeli błędnie rozpoczęto uprawę na dużej powierzchni. Pewnym rozwiązaniem może być ręczne wycięcie co trzeciego rzędu. Warto zatem wcześniej pomyśleć, jak sadzić wierzbę, aby móc korzystać z tak zmechanizowanego sprzętu, który pojawia się na naszym rynku.

W przystawce CRL do nachylania pędów zastosowano ślimak o zwojach przeciwnie nawiniętych, co ułatwia przesuwanie pędów ku środkowi zespołu. Przystawka CRL jest bardziej rozpowszechniona niż HS2, zwłaszcza na rynku amerykańskim.

Prace nad przystosowaniem sieczkarń lub kosiarek do zbioru wierzby pro-wadzą również inne firmy. W 2006 roku Krone do swojej kosiarki Krone BIG X V8 zaoferowała przystawkę Woodcut 750, wyposażoną w dwie piły tarczowe o średnicy 750 mm każda, a w 2007 roku Woodcut 1500 z jedną piłą tarczową o średnicy 1500 mm (rys. 6.7).

Inną maszyną stosowaną do zbioru wierzby jest Austoft 7700 (rys. 6.8), która w podstawowej wersji jest projektowana do zbioru trzciny cukrowej. Jej modyfikacja polegała na zastosowaniu pił tarczowych zamiast tarcz nożowych z 5 nożykami oraz usunięciu zespołu ścinającego zielone wierzchołki trzciny

Rysunek 6.7. Samojezdna sieczkarnia Big X firmy Krone z przystawką firmy HTM: a – Woodcut 750, b – Woodcut 1500

Źródło: Fotografie Scholz, ATB.

a b

96


cukrowej i przeprojektowaniu kanału wyrzutowego. Jest to maszyna samojezd-na o masie około 12,5 t, wyposażona w gąsienicowy układ jezdny, co zmniejsza naciski na glebę. Zespół ścinający jest wyposażony w dwie piły tarczowe o śred-nicy 600 mm, które w miejscu styku zachodzą na siebie na szerokości 50 mm. Taki układ bezrzędowy pozwala na równoczesne ścinanie dwóch rzędów roślin o szerokości międzyrzędzia 0,75 m. Wysokość cięcia jest regulowana bezstop-niowo przez operatora. Do rozdzielania i prowadzenia ściętych roślin służą dwa rozdzielacze aktywne, które kierują biomasę do dalszych zespołów roboczych maszyny. Wydajność zbioru wierzby z wykorzystaniem kombajnu Austoft 7700 jest podobna jak Claas Jaguar (Pellerin i in. 1999). W innych badaniach Spinelli i Kofman (1996) stwierdzili pewne problemy z blokowaniem ściętego materiału, nierównomierną wysokość ścinania, uszkodzenia karp i słabą jakość zrębków, która odnosiła się głównie do dużej nierównomierności rozkładu wymiarów cząstek. Ich średnie wymiary są znaczne większe niż zrębków, gdyż wynoszą 150–200 mm, co wymaga kolejnej operacji rozdrabniania, ale pozwala na ogra-niczenie kosztów przechowywania z uwagi na łatwiejszy przepływ naturalnego powietrza i mniejsze straty surowca.

W Kanadzie (Lavoie i in. 2007) opracowano nieco inną koncepcję zbioru wierzby, z jednoczesnym ścinaniem roślin oraz rozdrabnianiem i zwijaniem ma-teriału w bele w kształcie walca (rys. 6.9).

Do wykonania prototypu maszyny ścinająco-prasującej z rozdrabniaczem bijakowym wykorzystano prasę do zbioru siana BR 740 firmy Case New Hol-land. Zespół tnący, składający się z ramy kosiarki tarczowej z czterema piłami tarczowymi, umieszczono z przodu maszyny zbierającej do cięcia łodyg. Roz-drabniacz bijakowy zainstalowany między prasą a zespołem ścinającym zasto-sowano w celu przygotowania ściętego materiału do lepszego i skuteczniejszego zagęszczania w komorze zwijającej. Prasa zwijająca ze zmienną komorą zwi-jania może formować zagęszczony rdzeń materiału o zróżnicowanej średnicy beli 0,90–1,50 m. Aby ciągnąć maszynę zbierającą w pozycji przesuniętej w sto-

Rysunek 6.8. Kombajn Austoft 7700 z gąsienicowym układem jezdnym

Źródło: Opracowanie na podstawie: www.gtmachinerysales.com.au, Lavoie i in. 2007.

97


sunku do kierunku ruchu cią-gnika, oryginalny dyszel został wymieniony na dyszel z waha-czem (rys. 6.10a). Oryginalne wąskie pasy zamieniono na je-den pas o pełnej szerokości. Pas o pełnej szerokości pozwolił na zmniejszenie strat komorowych i ograniczył uszkodzenia, które pojawiały się podczas stosowa-nia pasów wąskich.

Rozdrabniacz o długości wirnika 1,5 m był wyposażony w 12 bijaków (rys. 6.10b). Pręd-kość kątowa wirnika wynosiła 230 s–1, a przeciwbieżny kieru-nek obrotów zapewniał wciąga-nie materiału przez bijaki nad wirnikiem. Regulowaną listwę tnącą zainstalowano do nasta-wiania wymiarów rozdrobnio-nych cząstek.

Zespół ścinający zamoco-wany przed rozdrabniaczem składał się z 4 modułów kosiarki tarczowej firmy John Deere, którą zmodyfikowano poprzez zainstalowanie 4 pił tarczowych o średnicy 560 mm. Moduły te wybrano z powodu ich małej grubości, która minimalizuje kąt pochylenia do 13° od poziomu. Wysokość krawędzi tnącej piły

Rysunek 6.9. Prototyp maszyny ścinająco-prasującej New Holland z 4 piłami tarczowymi w modyfikacji ko-siarki dolnonapędowej John Deere

Źródło: Lavoie i in. 2007.

Rysunek 6.10. Rozwiązania funkcjonalne maszyny ścinająco-prasującej: a – możliwość usytuowa-nia maszyny względem ciągnika, b – przekrój wzdłużny mechanizmu ścinającego i rozdrabniacza bijakowego

Źródło: Lavoie i in. 2007.

a b

98


była regulowana w zakresie 100–400 mm nad podłożem. W celu uzyskania sta-łej wysokości cięcia regulowano również położenie kół po każdej stronie mecha-nizmu ścinającego.

Podczas prób w 2006 roku maszyny ścinająco-prasującej z ciągnikami o mocy 100–120 kW przy zbiorze wierzby o wilgotności 44–51% otrzymano bele o masie 283–623 kg i średnicy 0,9–1,5 m. Szerokość beli była stała i wynosi-ła 1,2 m. Gęstość materiału wilgotnego w beli zawierała się w zakresie 223––288 kg·m–3, a w odniesieniu do suchej substancji – 111–167 kg·m–3. Wydaj-ność ciągłego zbioru prototypowej maszyny wynosiła 6,1–9,7 t·h–1 ze średnią 7,9 t·h–1, a maksymalna wydajność prasowania 14,3 t·h–1 (Lavoie i in. 2007).

Koszty całkowite materiałów i wykonania maszyny ścinająco-prasującej były wstępnie oszacowane na 42 800 $ (bez uwzględnienia robocizny), a łącznie z modyfikacją na 50 000 $ kanadyjskich. Zakładając, że koszty prototypu są co najmniej trzy razy większe od maszyny produkowanej seryjnie, wydaje się, że maszyna ścinająco-prasująca z rozdrabniaczem bijakowym może stanowić dobrą alternatywę do zbioru wierzby jednorocznej lub traw bądź bylin i będzie przedmiotem dalszej analizy modelowych technologii zbioru, gdyż proponowana technologia zbioru wierzby pozwala szybko i efektywnie zebrać plon z małych plantacji upraw.

Prace badawczo-rozwojowe nad prototypem maszyny ścinająco-prasującej doprowadziły do opracowania i wykonania nowego modelu – Biobaler WB-55 (rys. 6.11). Maszyna waży 6070 kg i do jej napędu jest potrzebny ciągnik o mo-cy silnika co najmniej 133 kW, z czterema wyjściami zaworów przyłączenio-wych hydrauliki zewnętrznej, a prędkość kątowa wału odbioru mocy ciągnika powinna wynosić 105 s–1. Maszyna opcjonalnie może być wyposażona w dwie piły tarczowe o średnicy 750 mm każda.

Maszyna jest wyposażona w wirnik młotkowy o szerokości roboczej 2,2 m ze sztywno zainstalowanymi elementami roboczymi, który można również nazwać frezem walcowym, a najlepiej jego funkcje oddaje angielska nazwa – mulching header. Maszyną można zbierać różne rośliny, ale jej zasadniczym zastosowa-niem jest ścinanie drzew lub krzewów o średnicy łodygi do 100 mm i wysokości do 8 m. Szerokość formowanej beli wynosi 1,2 m, a średnica przy stałej komo-rze prasującej ma również 1,2 m. Komora prasująca jest wyposażona w walce zagęszczające i przenośniki łańcuchowe do rolowania rozdrobnionego materia-łu. Owijanie beli odbywa się w taki sam sposób, jak w typowych prasach zwi-jających, najczęściej z wykorzystaniem siatki. Proces owijania jest realizowany na postoju, co wpływa na zmniejszenie wydajności operacyjnej zbioru. Ponie-waż wirnik młotkowy frezuje łodygę, to uwzględniając jej włóknistą budowę, podczas ścinania dochodzi do rozrywania i rozszarpywania karpy, zwłaszcza w obszarze kory. Pozostawiona w takim stanie karpa będzie ulegać szybkim procesom gnilnym i dlatego maszyna z tego typu zespołem ścinającym nie może być zalecana na plantacje uprawowe. Nadaje się ona natomiast do ścinania

99


nieużytków lub dziko rosnących krzewów i drzew, gdyż jest specjalnie zaprojek-towana do zbioru biomasy roślinnej i leśnej, rosnącej w trudnych warunkach terenowych. Na rysunku 6.12 przedstawiono porównawczo karpę po ścięciu wirnikiem młotkowym i piłą tarczową.

Pozostałe modele maszyn, specjalnie projektowanych do zbioru wierzby, lub modyfikacje wykonane często przez samych użytkowników albo kończyły funk-cjonowanie na próbach prototypu, albo są wykorzystywane w ograniczonym za-kresie, bez ich upowszechnienia. Do przykładowych prototypów można zaliczyć

Rysunek 6.11. Maszyna ścinająco-prasująca z zespołem bijakowym Biobaler WB-55 firmy Anderson Group

Źródło: Fotografie własne autorów.

Rysunek 6.12. Widok karpy po ścięciu pnia: a – wirnikiem młotkowym (frezem walcowym), b – piłą tarczową

Źródło: Fotografia firmowa i własna autorów.

a b

100


samojezdną maszynę Empire 2000 (rys. 6.4), Fröebbesta (rys. 6.13), Nicholson, Dansalix, Berni, Hvidsted (tab. 6.1, Lechasseur i Savoie 2005), a z nowszych – przyczepiane sieczkarnie 1- i 2-rzędową Anbau-Mähhacker (rys. 6.14), przy-stawki do samojezdnej sieczkarni Big X firmy Krone (rys. 6.7).

Podobne działania można zaob-serwować na polskim rynku maszyn do zbioru wierzby. Występuje zatem charakterystyczna, początkowa faza rozwoju tych maszyn. Poza wcześniej wymienionymi narzędziami ręczny-mi, do zbioru wierzby są stosowane maszyny adaptowane, przystosowa-ne przez użytkowników, konstrukcje własne, a także są dostępne ma-szyny proste wykonane przez małe firmy. Do zbioru wierzby stosuje się zatem kosiarki listwowe ciągnikowe, polowe sieczkarnie bijakowe lub no-żowe, kosiarki z piłami tarczowymi (rys. 6.15), kosiarko-rębarki, wiązałki (rys. 6.16). Wykonane przez samych użytkowników lub małe firmy maszy-ny są tanie, cechują się bardzo prostą konstrukcją, ale nie spełniają nawet najmniejszych wymagań bezpieczeń-stwa i z tego względu nie mogą być polecane do zbioru roślin.

Rysunek 6.13. Fröebbesta, Bo Franzen

Źródło: Fotografia Scholz, ATB.

Rysunek 6.14. Sieczkarnia Anbau-Mähhacker: a – zawieszana 1-rzędowa, b – półzawieszana2-rzędowa

Źródło: Fotografie Scholz, ATB.

101


Do profesjonalnie wykonanych prototypów maszyn do zbioru wierzby moż-na obecnie zaliczyć trzy modele. W 2008 roku pracownicy PIMR w Poznaniu opracowali i skonstruowali maszynę do koszenia i automatycznego wiązania wi-kliny plecionkarskiej (rys. 6.17) oraz kosiarkę przyczepianą KWE-7 (rys. 6.18), pracującą na tej samej zasadzie jak model Stemster III firmy Nordic Biomass. W 2009 roku, na podstawie koncepcji pracowników Katedry Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW w Warszawie (Lisowski 2009b), firma SIPMA SA opracowała do-kumentację techniczną i wykonała prototyp sieczkarni zawieszanej (rys. 6.19).

Rysunek 6.15. Kosiarka do wierzby

Źródło: www.ze.strefa.pl

Rysunek 6.16. Prototyp podcinacza jednorzędo-wego z urządzeniem wiążącym

Źródło: Fotografia firmowa JAMIR, Łańsk, Pasyniuk 2007.

Rysunek 6.17. Prototyp wiązałki wykonany w Zakładzie Mechanicznym Wikoma w Zbąszyniu (pro-jekt PIMR)

Źródło: Fotografia F. Adamczyk.

102


Maszyna do koszenia i au-tomatycznego wiązania wikliny plecionkarskiej (rys. 6.17) jest przyczepiana do ciągnika, zasto-sowano w niej nożycowy zespół tnący typu Pro Driver 85 VG KRS 12 firmy Schumacher o sze-rokości roboczej 1,2 m (Adam-czyk i Frąckowiak 2009). Ścięte łodygi są zabierane zespołem podającym, zbudowanym z czte-rech kolumn z zamontowanymi w dwu poziomach pofalowany-mi pasami parciano-gumowymi i podawane do zespołu wiążą-cego. W skład zespołu wchodzą dwa aparaty wiążące, które wiążą pęczek łodyg na wysokości 275 i 750 mm od płyty podłogowej, co zapewnia zwartość i trwałość wiązki. Uformowane wiązki są zabierane przez taśmowy przeno-śnik transportujący i układane na powierzchni pola w odległości pozwalającej na swobodny, ko-lejny przejazd agregatu ciągnik-maszyna.

Kosiarka wierzby energe-tycznej KWE-7, wykonana przez Zakład Mechaniczny „Metaltech” Sp. z o.o. w Mirosławcu, jest przeznaczona do ścinania ca-łych pędów wierzby energetycz-nej i układania odciętych łodyg na skrzyni maszyny. Do ścina-nia pędów roślin na wysokości około 150 mm nad podłożem są stosowane dwie piły tarczo-we. Odcięte łodygi są zabierane dwoma przenośnikami ustawio-nymi w kształcie litery V, które pełnią również rolę rozdzielaczy.

Rysunek 6.18. Prototyp przyczepianej kosiarki KWE-7 firmy „Metaltech” Sp. z o.o. (projekt PIMR)

Źródło: Fotografie autorów.

103


Rysunek 6.19. Prototyp sieczkarni półzawieszanej z przystawką wyposażoną w 2 piły tarczowe firmy SIPMA SA (koncepcja autorska, realizacja w ramach projektu): a – przystawka z zabierakami palcowymi, b – przystawka z zabierakami ślimakowymi, c – widok maszyny z tyłu w położeniu roboczym, d – widok maszyny w położeniu transportowym

Źródło: Fotografie autorów.

b

a

c

d

104


Zgromadzone w środkowym obszarze rozdzielacza łodygi są transportowane ko-lejną parą przenośników zabierakowych na skrzynię ładunkową, wyposażoną w specjalny układ przenośników łańcuchowych. Przenośniki łańcuchowe, prze-suwające się prostopadle do kierunku ruchu maszyny, zagęszczają ścięte łodygi w obszarze lewego boku skrzyni. Po napełnieniu skrzyni jej zawartość może być rozładowana w dowolnym miejscu pola lub na podstawioną przyczepę. Nastę-puje to po odchyleniu lewej ściany skrzyni siłownikami hydraulicznymi oraz uruchomieniu przenośnika łańcuchowego z zabierakami w kształcie trójkątów. Maszyna o masie 8430 kg ma wytrzymałą konstrukcję, wspartą na układzie tandem, ale wymaga ciągnika o mocy co najmniej 105 kW. Zespoły robocze ma-szyny są sterowane przez autonomiczny układu hydrauliczny, którego pompa jest napędzana od WOM ciągnika z prędkością kątową 105 s–1. Funkcjonowanie mechanizmów i zespołów roboczych jest kontrolowane przez układ elektronicz-ny, a sterowanie odbywa się z kabiny operatora ciągnika. Maksymalna średni-ca zbieranych pędów wierzby może wynosić 70 mm, a wysokość 7 m. Długość skrzyni wynosi 4,5 m, pojemność 18 m3, a ładowność około 7 t.

Sieczkarnia ciągnikowa (rys. 6.19), wykonana w ramach niniejszego pro-jektu, została zaprojektowana po przeprowadzeniu szczegółowej analizy ma-szyn specjalnie konstruowanych do zbioru roślin energetycznych lub maszyn zmodyfikowanych, których pierwotnym przeznaczeniem był zbiór roślin wy-sokołodygowych. Wnioski z tej analizy oraz założenia przyjęte przez autorów (Lisowski i in. 2007, Nowakowski i in. 2008) stanowiły podstawę do zaprojek-towania własnej konstrukcji maszyny, na którą złożono zastrzeżenie patentowe P 385 536 (Lisowski i in. 2009c, 2010c). Zadanie wykonano przy wspomaga-niu komputerowym, korzystając z programu SolidEdge. Umożliwiło to analizę przestrzenną kinematyki oraz dynamiczną elementów i zespołów roboczych już w fazie projektowania (rys. 6.20). Cała dokumentacja i analiza rozwiązań konstrukcyjnych oraz szczegółowe wyniki badań są zawarte w raportach cząst-kowych (Dołżycki i in. 2008, Kasperek i in. 2008, Cichoń i in. 2009, Lisow-ski i in. 2007, 2009a, 2010e, 2010f, 2010g).

Do położenia transportowego maszyna jest składana za ciągnik, aby zmniej-szyć szerokość i spełnić wymagania przepisów ruchu drogowego. W tym poło-żeniu maszyna jest zawieszana na TUZ ciągnika. W położeniu roboczym część maszyny spoczywa na zewnętrznym kole jezdnym, a drugie z kół jest podniesio-ne, aby uniknąć przesztywnienia układu.

Na części ramy zamocowanej do ciągnika umieszczono zbiornik z olejem hydraulicznym, przekładnię kątową przekazującą napęd z WOM ciągnika na bęben z nożami i na pompę hydrauliczną zasilającą przez rozdzielacz elektrohy-drauliczny silniki i siłowniki hydrauliczne. W drugiej części ramy, wspartej na kołach, znajduje się bęben z nożami stanowiący wraz ze stalnicą zespół tnący. Pocięte łodygi są kierowane przez kanał wyrzutowy do skrzyni środka transpor-towego. Kierunek wyrzutu materiału ustala się przez obrót kanału wyrzutowego

105

Rysunek 6.20. Rozkład obciążeń, deformacji i naprężeń w ramie przystawki ścinającej: a – zamo-cowanie ramy i obciążenia, b – de-formacje całkowite, c – naprężenia zredukowane


a

b

c

106


za pomocą silnika hydraulicznego, a jego zasięg – przez odpowiednie pochylenie kierownicy zainstalowanej na końcu kanału.

Podawany do cięcia materiał jest zagęszczany i utrzymywany podczas cięcia przez zębate walce wciągająco-zagęszczające. Zagęszczanie materiału uzyskuje się przez docisk wahliwie zamocowanej górnej pary walców zębatych i sprężyn śrubowych do dolnych dwóch walców zębatych i trzeciego gładkiego. Siłę doci-sku reguluje się przez zmianę napięcia wstępnego sprężyn.

Do korpusu zespołu walców są przegubowo zawieszone wymienne przystaw-ki ścinające. Przystawki są odciążane sprężyną śrubową o regulowanym napię-ciu wstępnym. Wysokość ścinania roślin jest regulowania bezstopniowo dwoma symetrycznie rozmieszczonymi pod zespołem siłownikami nurnikowymi.

Kluczowym rozwiązaniem konstrukcyjnym maszyny jest przystawka ści-nająca z zespołami zabierającym i podnosząco-podającym. Zaprojektowano ją w dwóch wersjach (rys. 6.21). W jednym z rozwiązań w zespole podającym za-

stosowano obrotowe zabieraki pal-cowe (rys. 6.21a), a w drugim pio-nowe walce ślimakowe (rys. 6.21b). W obu przypadkach do napędu pił tarczowych i walców z zabierakami palcowymi lub zwojami ślimaków zastosowano silniki hydrauliczne (rys. 6.22). Wały pił tarczowych są napędzane szybkoobrotowymi silni-kami hydraulicznymi o maksymal-nej prędkości kątowej około 400 s–1, co przy średnicy tarczy 0,50 m pozwala na uzyskanie prędkości obwodowej cięcia ponad 100 m·s–1. Walce z elementami zabierakowymi są napędzane wolnoobrotowymi sil-nikami hydraulicznymi przez prze-kładnie zębate zmniejszające pręd-kość kątowej do 4 s–1. Przy średni-cy zewnętrznej zabieraków 0,5 m końcówki palców osiągają pręd-kość obwodową 1 m·s–1. Stosunek prędkości obwodowych zabierania materiału do ścinania roślin jest bardzo duży i wynosi 1:100. Takie parametry prędkości obwodowych można uzyskać przy nominalnych prędkościach kątowych silników

Rysunek 6.21. Przystawki ścinające: a – z zabiera-kami palcowymi, b – z walcami spiralnymi


107


hydraulicznych. Ponieważ prędkość jazdy agregatu ciągnik-maszyna może być zmieniana w zależności od warunków polowych, przeto zastosowanie silnika hydraulicznego, sterowanego rozdzielaczem elektrohydraulicznym, pozwoli na dobranie optymalnej prędkości kątowej tak, aby prędkość obwodowa była więk-sza od prędkości ruchu ciągnika. Nadwyżka tej prędkości w zakresie 10–30%, określana współczynnikiem kinematycznym, powinna zapewnić prawidłowe za-bieranie ściętych pędów roślin.

Zastosowanie elementu nachylającego, sterowanego hydraulicznie, pozwoli na ścinanie roślin przez piły tarczowe w chwili, gdy będą one zgięte. Nagro-madzona w nachylonej łodydze energia będzie wykorzystana po jej ścięciu do skierowania części odziomkowej pędu do kolejnego zespołu walców wciągająco-zagęszczających.

Pozostałe zespoły robocze ma-szyny są podobne do tych, jakie spotyka się w sieczkarniach do zbioru roślin nisko- i wysokołody-gowych na kiszonkę.

Przyjęto, że maszyna będzie wyposażona w zespół bezrzędowy, z możliwością regulacji rozstawu rozdzielaczy tak, aby możliwe było ścinanie pojedynczych rzędów o spotykanej w Polsce szerokości międzyrzędzi 0,7–0,8 m (Nowakow-ski i in. 2008) lub rzędów bliźnia-czych o rozstawie 0,75 m. Prędkość ruchu agregatu ciągnik-maszyna będzie uzależniona od warunków polowych, ale maksymalna nie prze-kroczy zalecanej 8 km·h–1 (Lechas-seur i Savoir 2005). Wysokość cię-cia roślin 100 mm nad powierzch-nią gruntu odpowiada zakresowi spotykanemu w dotychczasowych rozwiązaniach (50–100 mm, Szczu-kowski i in. 2006).

Maszyna bazowa jest wyposa-żona w bębnowy zespół rozdrab-niający, pozwalający na cięcie łodyg o średnicy do 70 mm na zrębki o wymiarze 20–60 mm (wg normy PN-91/D-95009).

Rysunek 6.22. Napęd piły tarczowej bezpośrednio szybkoobrotowym silnikiem hydraulicznym oraz zabieraków palcowych wolnoobrotowym silnikiem hydraulicznym za pośrednictwem reduktora


108


Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że całkowita moc pobierana z WOM ciągnika przez maszynę na biegu jałowym wynosił oko-ło 19,14 kW. Największe zapotrzebowanie na moc przypada na piły tarczowe (9,93 kW) i pompę hydrauliczną (4,48 kW), co stanowi odpowiednio 52 i 24% całkowitej mocy biegu jałowego. Moc do napędu zespołów walców wciągająco-zagęszczających, zabieraków palcowych, bębna rozdrabniającego i rozdzielaczy aktywnych wynosi odpowiednio 1,35, 1,24, 1,11 i 1,03 kW.

Podczas rozdrabniania miskanta olbrzymiego średnie całkowite zapotrze-bowanie mocy do napędu prototypu sieczkarni, zmierzone na WOM ciągnika, wynosiło od 31,5 do 36,9 kW. Na moc efektywną przypadało 12,4–17,8 kW, z czego zapotrzebowanie na rozdrabnianie materiału przez bęben tnący wynio-sło 47% tej mocy, ścinanie łodyg piłami tarczowymi – 18%, zabieranie ściętych łodyg zabierakami palcowymi i ich zagęszczanie między walcami – 20%.

Podczas zbioru wierzby stosuje się dość małe prędkości jazdy, które wpły-wają na wydajność oraz z uwagi na dyspozycyjny czas w sezonie docelowo de-cydują o możliwościach doboru maszyn i technologii do powierzchni plantacji. Na podstawie uzyskanych wyników badań Spinelli (2001) oszacował prędkości jazdy stosowane podczas zbioru wierzby o gęstości 3,9 kg·m–1. Kombajn Claas z przystawką CRL pracował ze średnią prędkością 1,16 m·s–1, a z przystawką HS1 – 1,51 m·s–1, przy dość znacznym rozrzucie 0,83–2,22 m·s–1. Kombajny Au-stoft i Bender MkIII pracowały przy podobnych prędkościami jazdy, odpowied-nio 1,02 i 1,03 m·s–1.

Na podstawie przeprowadzonej analizy rozwiązań technicznych maszyn i technologii zestawiono parametry robocze i wskazano minimalną powierzch-nię do zbioru wierzby energetycznej w cyklu 3–5-letnim lub innych roślin krót-kiej rotacji o podobnych wymiarach (tab. 6.2).

Tabela 6.2. Minimalna powierzchnia wykorzystania maszyn i narzędzi do zbioru drzew w krótkiej rotacji, np. wierzby wiciowej

Maszyny i urządzenia do uprawy, zbioru i obróbki roślin energetycznych

Parametry robocze

(liczba rzędów, wydajność)

Moc ciągnika//silnika,

kW

Minimalna powierzchnia wykorzystania

WRN,

ha·rok–1

Wykaszarki spalinowe, pilarki łańcuchowe 2–3 1Kosiarki z piłą tarczową 0,1–0,15 ha·h–1 25–40 1

Sieczkarnie do kukurydzy, ciągnikowe1-rzędowe 40–50 32-rzędowe 90 5

Sieczkarnie samojezdne z przystawkami do wierzby

0,35–0,60 ha·h–1 250 700,45–0,75 ha·h–1 350 100

Maszyny ciągnikowe do zbioru wierzby90 35120 50

Przyczepy objętościowe do transportu zrębków 5Źródło: Opracowanie własne na podstawie: (Muzalewski 2008).

109


W tabeli 6.3 zestawiono parametry techniczne maszyn do zbioru roślin wierzby wraz z ich rozdrabnianiem, a w tabeli 6.4 parametry techniczne do zbioru całych pędów wierzby.

Tabela 6.3. Dane techniczne maszyn do zbioru wierzby w postaci zrębków

Typ przystawki HS2 Woodcut750

1-rzędowa Mähhacker

2-rzędowa Mähhacker 7700 Bezrzędowa

ProducentClaas KG

mbHHarsewinkel

HTM GmbH Soltau

Uni Göt-tingen ATB Potsdam

Schmidt Gehölzmäh-

häckslerAustoft SIPMA SA

Rozwój mała seria prototyp prototyp prototyp seryjny prototypMasa, kg 1300 2000 1200 2300 – 2230

Baza maszyny Claas-Häck-sler Jaguar

Krone-Häck-sler BIG X ciągnik ciągnik samojezdna ciągnik

Moc, kW 245 360 80 133 176–250 118Masa bazy, kg 10 800 13 500 4 000 12 500 5 000Liczba pił 2 2 1 2 2 2Średnica piły, mm 500 650 560 560 500 500/650

Prędkość kątowa piły, s–1 105 105 400

Rozstaw rzędów, m 0,75 + ≥ 1,5 0,75 + ≥ 1,5 ≥ 0,9 – 0,75 + ≥ 1,4 0,75

Średnica łodygi, mm < 70 < 70 < 120 < 120 < 70 < 70

Średni wymiar zrębków (x50), mm 5–40 5–30 50–100 50–100 20–60 20–60

Wydajność efektywna, t∙h–1 ≤ 35 ≤ 35 ≤ 15 – 10–25 ≤ 35

Wydajność efektywna, ha∙h–1 0,4–2,2 0,4–2,2 0,2–1,0 – 0,25–0,62 0,2–0,4

Cena, € 100 000 – 30 000 – 175 000 –

Źródło: www.smul.sachsen.de, Lisowski i in. 2010h.

Tabela 6.4. Dane techniczne i eksploatacyjne maszyn do zbioru całych pędów wierzby

Typ Fröbbesta92

ESM901

Seegerslätt Empire 2000

Kosiarko-wiązałka KWE-7 TJ 720

ProducentBo Franzen,

Kolsa//Szwecja

Tommy Ericsson,

Heby//Szwecja

Sten Seegerslätt, Billeberga//Szwecja

Zakład Me-chaniczny Wikoma

w Zbąszy-niu/Polska

Zakłady Mechaniczne

„METAL-TECH” Sp.

z o.o./Polska

Timberjack//Finlandia

Masa, kg 3 100 7 300 9 800 1 450 8 430 340

Baza maszyny ciągnik samojezdna samojezdna ciągnik ciągnik harwester grupujący

Moc, kW 80 74 140 35 105 61Ładowność skrzyni, kg – 7000 –

Liczba pił 2 2 2 nożycowo--palcowy 2 –

110


Typ Fröbbesta92

ESM901

Seegerslätt Empire 2000

Kosiarko-wiązałka

KWE-7 TJ 720

Średnica piły, mm 650 600 750 – –

Rozstaw rzędów, m 0,75 + ≥ 1,5 0,75 + ≥ 1,25 0,75 + ≥ 1,25

1,2 m – szerokość robocza

0,75–1,0 –

Średnica łodygi, mm < 80 < 80 < 80 – < 70 < 200

Plon, t∙ha–1 44,2 59,9 46 – – –Prędkość jazdy, km∙h–1 2,8 2,5 8,9 3–5 – –

Wydajność efektywna, t∙h–1 20 31,5 26 – – 3–4

Wydajność efektywna, ha∙h–1 0,45 0,35 0,77 0,5 0,3 0,07–0,1

Koszt zbioru, €∙t–1 7 10 – – – –Cena, € 50 000 21 000 134 000 – 100 000 27 000

Źródło: www.smul.sachsen.de, www.metaltech.com.pl, Lisowski i in. 2010h.

Wnioski i spostrzeżenia wynikające z przeprowadzonych badań1. Przeanalizowano stan rozwoju techniki z zakresu konstrukcji maszyn do

zbioru wierzby i scharakteryzowano rozwiązania techniczne maszyn prze-znaczonych do zbioru wierzby na zrębki i w formie całych pędów.

2. Opracowano szczegółowe założenia techniczne, dokumentację konstrukcyj-ną i wykonano sieczkarnię wraz z przystawkami ścinającymi, spełniającą założenia wstępne.

3. Maszyna ma konstrukcję modułową, a w bezrzędowej przystawce ścinającej zastosowano tarczowy mechanizm ścinający z piłami oraz zamiennie palco-wy i ślimakowy zespół zabierający.

4. Alternatywne rozwiązania przystawki ścinającej oraz możliwość zmiany pa-rametrów roboczych zespołów roboczych maszyny pozwalają na ich ocenę oraz dostosowanie do różnych warunków zbioru.

5. Główne zespoły robocze maszyny posiadają napęd hydrostatyczny zasilany z autonomicznego obwodu, co pozwoli na empiryczne określenie najlepszych układów pracy.

cd tabeli 6.4

111

7. ZBIÓR TRAW I BYLIN

Trawy i byliny można zbierać tymi samymi technikami, co rośliny zielone, z wy-korzystaniem standardowych maszyn (rys. 7.1).

Zbiór roślin może być przeprowadzony kosiarkami rotacyjnymi lub siecz-karniami polowymi (ciągnikowymi lub samojezdnymi). Sieczkarnie polowe, zwłaszcza te z zespołami bezrzędowymi Kemper lub Krone, są obecnie stoso-wane najczęściej. Rośliny te można również zbierać co roku kombajnami do zbioru kukurydzy. Ścięte kosiarkami rotacyjnymi, dolnonapędowymi rośliny, po zgrabieniu w wały mogą być zbierane prasami zwijającymi lub tłokowymi wielkogabarytowymi. Zespoły ścinające maszyn zbierających powinny być usta-wione na najmniejszej możliwej wysokości koszenia, aby uniknąć strat. Nie-które maszyny firm Claas i Deutz-Fahr są specjalnie adaptowane do ścinania roślin i ich wiązania.

Rysunek 7.1. Technologie zbioru traw (proso rózgowate, spartina preriowa, mozga trzcinowata, palczatka Gerarda) lub bylin (ślazowiec pensylwański, słonecznik bulwiasty)


Trawy lub byliny

Koszenie kosiarkrotacyjn

Przetrz sanie

Zgrabianie

Prasowanie

Za adunek i transport bel

Sk adowanie bel

Rozdrabnianie s omy

Przetwarzanie

Zbiór sieczkarnipolow

Transport sieczki

Sk adowanie w silosie i fermentacja anaerobowa

Odwadnianie

Za adunek i transport

Dodatkowe suszenie

112


Aby zwiększyć efekty ekonomiczne, ścinanie roślin, prasowanie i logistyka muszą być jednak wciąż udoskonalane. Straty materiału podczas zbioru ro-ślin mogą osiągnąć 50–60% (mozga trzcinowata) ze względu na małą gęstość właściwą, zwłaszcza wówczas, gdy materiał jest rozdrobniony na sieczkę. Z po-wodu małej gęstości właściwej transport materiału z niektórych roślin jest ekonomicznie uzasadniony tylko na małą odległość, mniejszą niż 40–80 km, w zależności od rodzaju środka transportowego. Bele prostopadłościenne mają bardziej optymalny kształt niż okrągłe i bardziej nadają się do transportu na większe odległości.

Uwzględniając wymagania odbiorów ze strony energetyki lokalnej i zawodo-wej, do zbioru roślin trawiastych o małej zawartości wilgoci, np. miskanta, za-proponowano innowacyjne rozwiązania polegające na ścinaniu roślin z pnia i od razu prasowaniu materiału za pomocą prasy wielkogabarytowej. Rośliny mogą być ścinane zawieszoną na przednim TUZ ciągnika kosiarką z zespołem Kemper, układane na pokosie między kołami kół ciągnika i podbierane zespołem prasy

wielkogabarytowej (rys. 7.2a). Jeszcze lepszym rozwiązaniem jest ścinanie roślin zawiesza-ną na przednim TUZ ciągnika sieczkarnią z zespołem Kemper i skierowanie sieczki przez cią-gnik do zasobnika zmodyfiko-wanej prasy wielkogabarytowej (rys. 7.2b).

Na podstawie dotychcza-sowych doświadczeń opraco-wano technologie zbioru roślin miskanta, z wykorzystaniem głównych maszyn do ich ścina-nia i zbioru ściętego materiału (rys. 7.3).

Wszystkie techniki zbioru miskanta mogą być stosowane wiosną przy mniejszej wilgot-ności (około 20%), ale jesienią nie zaleca się stosowania zbio-ru bezpośredniego i jednocze-snego prasowania ze względu na wilgotność materiału docho-dzącą do 50–60% (Kristensen 2003). Jesienią można zbierać rośliny dwufazowo, z wykorzy-

Rysunek 7.2. Ścinanie roślin miskanta z jednoczesnym prasowaniem: a – ścinanie roślin kosiarką Kemper na pokos i jego podbieranie prasą wielkogabarytową firmy Krone, b – ścinanie i rozdrabnianie roślin sieczkarnią z zespołem Kemper i prasowanie sieczki zmodyfikowa-ną prasą wielkogabarytową firmy Claas

Źródło: www.agrarweb.at

113

Zbiór traw i bylin

staniem kosiarek, najlepiej wyposażonych w zgniatacz pokosu, gdyż znisz-czona struktura twardych łodyg miskanta łatwiej poddaje się deformacjom podczas późniejszego zbioru podbieraczem prasy lub sieczkarni. Wydajność koszenia miskanta jest mniejsza niż trawy lub innych roślin niskołodygowych, a prędkość robocza nie przekracza 9 km∙h–1. Zastosowanie sieczkarni samo-jezdnej lub przyczepianej do bezpośredniego zbioru pozwala na zwiększenie wydajności zbioru z uwagi na mniejszą liczbę operacji, ale o wydajności decy-dują również wilgotność i stopień rozdrobnienia (tab. 7.1). Przy drobniejszej sieczce uzyskuje się mniejszą wydajność i zwiększają się nakłady energetyczne na zbiór, dlatego stopień rozdrobnienia powinien być podporządkowany doce-lowym wymaganiom surowca. Wilgotniejszy materiał poddaje się łatwiej defor-macjom i osiągana wydajność podczas zbioru w okresie jesiennym jest większa niż wiosną, ale taki materiał wymaga dodatkowego suszenia lub co najmniej wymuszonego przewietrzania zimnym powietrzem, co zwiększa koszty całkowi-te produkcji surowca.

Jedną z korzyści zbioru miskanta za pomocą sieczkarń dokładnego cięcia jest uzyskanie materiału gotowego do dalszego przetwarzania, ale z uwagi małą jego gęstość (80 kgs.m.∙m–3) transport sieczki powinien się odbywać na krótkich dystansach. Jeśli przewiduje się transportować surowy materiał na duże odle-głości (powyżej 80 km), to do zbioru lepiej zastosować prasy wielkogabarytowe,

Rysunek 7.3. Technologie zbioru miskanta (mogą być zastosowane do zbioru innych roślin tra-wiastych)


Miskant

Koszenie kosiarkrotacyjn

Suszenie na polu


Sk adowanie sieczki

Zag szczaniestacjonarne

Za adunek i transport bel do zak adu

Zbiór praszwijaj c lub

wielkogabarytow

Przetwarzanie


Transport sieczki

Sk adowanie (z wentylacjwymuszon )

Sk adowanie bel


Rozdrabnianie stacjonarne

Koszenie kosiarki prasowanie

Koszenie sieczkarnii prasowanie


Transport sieczki

Za adunek i transport sieczki do zak adu

Sk adowanie bel



114


które mogą być wykorzystane jako samodzielne maszyny lub w połączeniu z sieczkarniami. Przy średniej masie beli około 600 kg gęstość materiału za-wiera się w zakresie 140–170 kg∙m–3. Zbiór miskanta za pomocą prasy wielko-gabarytowej pozwala również na osiągnięcie nieco większych wydajności niż sieczkarnią (tab. 7.2).

Tabela 7.2. Zbiór miskanta wiosną za pomocą różnych pras wielkogabarytowych

Parametry Hesston 4800 New Holland 4990Hesston 4800

z rozdrabniaczem F200 Ferri

Wilgotność roślin, % 22,3 14,1 13,3Plon, t∙ha–1 13,2 10,7 10,0Masa beli, kg 630 560 590Zapotrzebowanie na moc na WOM, kW 20,6 – 53,7

Wydajność, t∙h–1 16,8 15,9 14,7Wydajność, ts.m.∙h–1 13,1 13,7 12,7Źródło: Kristensen 2003.

Podobnie jak dla drzew i krzewów krótkiej rotacji, zestawiono parametry robocze maszyn i wyznaczono minimalne powierzchnie do zbioru traw i bylin (tab. 7.3).

Z przeprowadzonej analizy stanu wiedzy o technologiach i maszynach wy-korzystywanych do zbioru roślin energetycznych wynika, że są stosowane różne rozwiązania i zapoczątkowany w latach 90. XX wieku boom uprawy roślin ener-getycznych w krajach skandynawskich objął również Polskę. Ponadto, mimo wielu opracowań i analiz, ciągle nierozstrzygnięte są wątpliwości dotyczące ekonomicznej opłacalności uprawy roślin energetycznych i brak jest wskazań optymalnych warunków ich uprawy, zbioru oraz przetwarzania biomasy. Naj-częściej przytaczane są wyniki przykładowych eksperymentów naturalnych,

Tabela 7.1. Zbiór miskanta sieczkarniami dokładnego cięcia

Parametry

Kverneland Ten-X

z podbiera-czem1)

Claas Jaguar 690

z podbiera-czem2)

Kverneland Ten-X z podbieraczem1)

Claas Jaguar 820 z zespołem

do kukurydzy2)

Czas zbioru wiosna (zbiór opóźniony)zima (grudzień)

sieczka krótka sieczka długaDługość cięcia, mm 14 12 14 34 4Wilgotność roślin, % 15,0 12,2 51,2 50,7 56,0Plon, t∙ha–1 10,5 14,9 31,2 23,3 16,3Wydajność, t∙h–1 9,7 12,1 20,2 29,8 21,9Wydajność, ts.m.∙h–1 8,2 10,6 9,9 14,7 9,6

1) sieczkarnia przyczepiana, 2) sieczkarnia samojezdna

Źródło: Kristensen 2003.

115

Zbiór traw i bylin

a brak jest zwłaszcza opracowań modelowych. Jako przykład podejścia mode-lowego do analizy zbioru roślin energetycznych można podać doświadczenia Sokhansanja i Fentona (2006). Do obliczenia kosztów zbioru i transportu bio-masy zastosowali oni model matematyczny IBSAL – Integrated Biomass Supply Analysis and Logistics opracowany przez Sokhansanja (2006). Model IBSAL zawiera różne algorytmy obejmujące zbiór, przetwarzanie, mielenie, przecho-wywanie i transport. Dane wejściowe modelu zawierają: informacje o lokalnej pogodzie, średnim plonie netto biomasy, terminie zbioru, stratach suchej sub-stancji, wilgotności roślin, czasie zbioru, parametrach eksploatacyjnych wypo-sażenia, kosztach maszyn.

Z tego powodu sformułowano zadanie badawcze polegające na opracowaniu modelu matematycznego, algorytmu obliczeń i przeprowadzeniu komplekso-wych badań symulacyjnych i analiz, które pozwolą na dobór najkorzystniejszej technologii zbioru roślin energetycznych.

Wnioski i spostrzeżenia wynikające z przeprowadzonych badań1. Opracowano szczegółowe technologie zbioru traw i bylin przeznaczonych na

cele energetyczne, stwierdzając, że dominują podobne techniki zbioru, jakie stosuje się do zbioru roślin nisko- i wysokołodygowych, z wykorzystaniem standardowych maszyn.

2. Stwierdzono, że w maszynach wprowadza się rozwiązania usprawniające, podporządkowane wymaganiom zbieranego surowca przeznaczonego na cele energetyczne.

3. Doskonalenie maszyn i innowacyjne agregaty do zbioru miskanta przy ma-łej wilgotności mogą stać się dalszą inspiracją do opracowania nowych roz-wiązań technicznych i technologii zbioru traw i bylin.

Tabela 7.3. Minimalna powierzchnia wykorzystania maszyn do zbioru traw lub bylin

Maszyny i urządzenia do uprawy, zbioru i obróbki roślin energetycznych

Parametry robocze

(liczba rzędów, wydajność)

Moc ciągnika//silnika,

kW

Minimalna powierzchnia wykorzystania

WRN,

ha·rok–1

Kosiarki rotacyjne ze spulchniaczem pokosu 45–50 2Prasy zwijające 40–50 20Prasy tłokowe wielkogabarytowe 75–90 40

Sieczkarnie do kukurydzy, ciągnikowe1-rzędowe 40–50 52-rzędowe 90 10

Sieczkarnie samojezdne150 50250 90300 100

Przyczepy objętościowe 5

Źródło: Opracowanie własne na podstawie: (Muzalewski 2008).

116

8. MODELOWE TECHNOLOGIEZBIORU WIERZBY

Technologia zbioru roślin energetycznych może być traktowana jako złożony system empiryczny. System ten, realizowany przez maszyny i agregaty ciągni-kowe zestawione z ciągnika i maszyny zbierającej, ciągnika i środka ładujące-go, ciągnika i przyczepy transportowej, odwzorowano za pomocą modelu tego systemu (Pabis 2009). Technologia zbioru roślin na cele energetyczne stanowi całokształt działań zmierzających do realizacji procesu za pomocą rozmaitych zestawów maszynowych zapewniających uzyskanie dobrej jakości produktu końcowego przy zróżnicowanych nakładach, których znajomość pozwoli na właściwy wybór technologii do konkretnych warunków produkcyjnych. Jako główne elementy systemu przyjęto (rys. 8.1): ciągnik (C), maszynę (M), przy-czepę (P), urządzenie ładujące lub rozładowujące (L), pole (F), drogę (D) oraz miejsce składowania (S).

Przedstawienie struktury systemu empirycznego w formie relacji logiczno-matematycznych na elementach będących abstrakcyjnymi odpowiednikami obiektów rzeczywistych, ze względu na postawiony cel, stanowi podstawowy etap modelowania złożonych systemów. Utworzenie grafu odzwierciedlającego relacje (rys. 8.1) ułatwia opracowanie modelu symulacyjnego, wykorzystywane-go do obliczeń.

Rysunek 8.1. Schemat relacji zacho-dzących między obiektami systemu empirycznego: C – ciągnik, M – ma-szyna, P – przyczepa, L – urządzenie ładujące lub rozładowujące, F – pole, D – droga, S – miejsce składowania


117

Modelowe technologie zbioru wierzby

8.1. Założenia do modelu

Dla uzyskania wyników liczbowych z modelu konieczne jest opracowanie, na podstawie modelu relacyjnego, modelu operacyjnego. Zbudowanie takiego modelu, możliwie dokładnie odwzorowującego pracę agregatów maszynowych i transportowych w różnych warunkach eksploatacyjnych, wymagało ustalenia wielu zależności matematycznych, opisujących relacje zachodzące między ele-mentami modelu i między cechami tych samych elementów. Opracowano bra-kujące relacje między zmiennymi na podstawie zbudowanej bazy danych lub wyprowadzono z uwzględnieniem zjawisk zachodzących w poszczególnych ze-społach roboczych maszyn. Szczegółowe analizy i wyniki badań przedstawiono w raportach cząstkowych (Lisowski i in. 2008a, 2008b, 2009g, 2009h, 2010h, 2010i, 2010k).

Proponowane podejście pozwala na zestawienie agregatów maszynowych i transportowych oraz określenie wskaźników eksploatacyjnych ich pracy w różnych stanach, w których znajdują się elementy modelu stanowiące agre-gat maszynowy.

Elementy główne modelu opisano za pomocą następujących zbiorów cech:

ciągnik:

C = {Pnom, mc, vt, vtp, genom, λg, ηm, ηo} (13)

gdzie: C – ciągnik, Pnom – moc nominalna silnika, W, mc – masa ciągnika, kg, vt – prędkość teoretyczna przy nominalnej prędkości kątowej silnika,

m·s–1, vtp – prędkość teoretyczna przy prędkości kątowej silnika, przy której

WOM osiąga nominalną prędkość kątową, m·s–1, genom – nominalne zużycie paliwa, g∙kW–1∙h–1, λg – rzeczywisty współczynnik obciążenia silnika, ηm – sprawność mechaniczna, ηo – sprawność ogólna;

maszyna pracująca w polu:

M = {rm, mm, bm, db, lb, dp, bp, mb, mpa, Qt, q} (14)

gdzie: M – maszyna, rm – rodzaj maszyny, mm – masa własna, kg, bm – szerokość robocza, m, db – średnica komory prasowania (beli), m,

118


lb – szerokość komory prasowania prasy zwijającej (długość beli cylin-drycznej), m,

dp – szerokość komory zwijania pakieciarki, m, bp – długość pakietu, m, mb – masa beli, kg, mpa – masa pakietu, kg, Qt – przepustowość maszyny, t·h–1, q – dopuszczalny strumień masy, kg·s–1;

przyczepa:

P = {rp, mp, Gt, Vp, ηp, ρ} (15)

gdzie: P – przyczepa, rp – rodzaj maszyny, mp – masa własna, kg, G – ładowność, t, m3, Vt – pojemność skrzyni, m3, ηp – stopień wykorzystania pojemności, %, ρ – gęstość ładunku, kg·m–3;

urządzenie (maszyna) do załadunku lub rozładunku:

L = {rl, ml, Gl, Wz, Ww} (16)

gdzie: L – urządzenie ładujące lub rozładowujące, rl – rodzaj urządzenia, ml – masa własna, kg, Gl – udźwig, t, Wz – wydajność załadunku, t·h–1, Ww – wydajność rozładunku, t·h–1;

pole:

F = {Af, Qw, w, C1i, C2i, C3i, fp} (17)

gdzie: F – pole, Af – powierzchnia, ha, Qw – plon, t·ha–1, w – wilgotność roślin, %, C1i, C2i, C3i – współczynniki charakteryzujące podatność kół na poślizg, fp – współczynnik oporu toczenia po polu;

droga:

D = {sdi, spi, C1i, C2i, C3i, fd} (18)

119


gdzie: D – droga, sdi – długość drogi dojazdu z pola do miejsca składowania, m, spi – długość drogi powrotu z miejsca składowania na pole, m, C1i, C2i, C3i – współczynniki charakteryzujące podatność kół na poślizg, fd – współczynnik oporu toczenia po drodze;

miejsce składowania:

S = {B, W, P, x, y, z, ρp} (19)

gdzie: S – miejsce składowania, B – sposób przechowywania bel, W – sposób przechowywania wiązek, P – sposób przechowywania pryzmy, x, y, z – wymiary pryzmy, m, ρp – gęstość roślin w pryzmie, kg·m–3.

8.2. Technologie zbioru wierzby

Przy zbiorze roślin wierzby przeznaczonych na cele energetyczne możliwy jest zarówno jedno- jak i dwuetapowy zbiór. Różne są również wymagania stawiane maszynom do zbioru roślin jedno-, dwu- i trzyletnich. Wybór technologii jest też często uwarunkowany posiadanym w gospodarstwie parkiem maszynowym w celu ograniczenia nakładów inwestycyjnych. Model zatem wymagał uwzględ-nienia różnych wariantów zbioru (rys. 8.2). Warianty uznane za podstawowe, które będą uwzględniane w dalszych analizach, zaznaczono linią ciągłą, nato-miast inne możliwości zaznaczono liniami przerywanymi.

W modelu uwzględniono zarówno obecnie stosowane, jak i nowoczesne technologie zbioru, a mianowicie:– zbiór roślin rozdrobnionych sieczkarnią – technologie Z1, Z1a,– zbiór roślin maszyną ścinająco-prasującą, rozdrabnianie w gospodarstwie

– technologia Z2,– zbiór całych pędów luzem, rozdrabnianie w gospodarstwie – technologie Z3,

Z3a,– zbiór w wiązkach (pakietach), rozdrabnianie w gospodarstwie – technologia

Z4.W każdej z tych technologii zbioru, uznanych jako podstawowe, występują

warianty, w których uwzględniono różne rozwiązania odbioru, transportu i roz-drabniania roślin. W celu ułatwienia porównania metod przyjęto, że w każdej technologii produktem końcowym jest materiał rozdrobniony (sieczka lub zręb-ki). Poszczególne warianty technologiczne wraz ze wskazaniem zastosowanych maszyn i urządzeń zestawiono w tabeli 8.1.

120


Rysunek 8.2. Schemat technologii zbioru roślin na cele energetyczne


Technologie zbioruro lin energetycznych

ci gnik + maszynacinaj ca

sieczkarniasamojezdna

za adunek r czny

ci gnik + przyczepa

ci gnik + adowaczchwytakowy

pryzma + wentylacja naturalna

ci gnik + przyczepa

przeno nikpneumatyczny

pryzma

Zbiór

Ro liny:- jednoroczne

- dwuletnie- trzyletnie

zbiór jednoetapowy zbiór dwuetapowyzbiór dwuetapowy

ci cie i pozostawienie na polu:- luzem

- luzem w pryzmach- w wi zkach

- w belach

zbiór jednoetapowy

ci cie i rozdrobnieniena zr bki

ci gnik + sieczkarniaprzyczepiana

ci gnik + maszynacinaj co-pryzmuj ca

ci gnik + maszynacinaj co-wi ca

ci gnik + maszynacinaj co-prasuj ca

ci gnik + adowaczchwytakowyZa adunek urz dzenie w asne

rodka transportuurz dzenie w asne

rodka transportu

Transport

Roz adunek

Przechowywanie

Przygotowanieproduktu rozdrabniacz

stacjonarny

urz dzenie w asnerodka transportu

ci gnik + przyczepa

roz adunek r czny

podawanier czne

ci gnik +rozdrabniacz

wentylacjawymuszona

urz dzenie w asnerodka transportu



ci gnik + wózeksamoza adowczy

ci gnik + przyczepasamoza adowcza

W technologii Z1 do zbioru i bezpośredniego rozdrabniania roślin przewi-dziano sieczkarnię przyczepianą, a załadunek sieczki odbywa się na jadącą z boku przyczepę. Sieczka (zrębki) z roślin składowana jest na pryzmie w go-spodarstwie. Składowana sieczka będzie dosuszana wentylacją wymuszoną. W wariancie Z1a do zbioru zastosowano sieczkarnię samojezdną.

W technologii Z2 maszyną wiodącą jest maszyna ścinająco-prasująca, która ścina rośliny, wstępnie rozdrabnia materiał i formuje bele cylindryczne. Trans-port bel do gospodarstwa odbywa się za pomocą wózka samozaładowczego, któ-ry pobiera bele z pola urządzeniem dźwignicowym. Po przywiezieniu do miejsca składowania bele są ustawiane w pryzmie przez hydrauliczne wychylenie plat-formy wózka. Bele są przechowywane w celu naturalnego wysychania materia-

121


łu roślinnego. Po wyschnięciu bele są podawane ładowaczem chwytakowym do stacjonarnego rozdrabniacza i rozdrabniane na sieczkę (zrębki).

W technologii Z3 maszyną wiodącą jest ciągnikowa maszyna ścinająca całe pędy. W podstawowym wariancie Z3 pędy są zbierane ręcznie luzem i trans-portowane z pola do gospodarstwa przyczepami uniwersalnymi, gdzie są rozła-dowywane również ręcznie i składowane w pryzmie. Po wyschnięciu materiału w warunkach naturalnych pędy są podawane ręcznie do zasobnika maszyny i zrębkowane w rozdrabniaczu napędzanym od WOM ciągnika. W wariancie Z3a maszyna ścinająca zbiera pędy w swojej przestrzeni ładunkowej a po jej napełnieniu pędy są układane w pryzmach na polu. Transport pędów wykony-wany jest przyczepą leśną z własnym chwytakowym żurawiem załadowczym.

Tabela 8.1. Zestawienie maszyn i operacji występujących w badanych technologiach

Maszyna/operacja

Wariant technologiczny

Zbiór sieczkarnią

Zbiór maszyną ścinająco--prasującą

Zbiór luzemZbiór

w wiązki

Z1 Z1a Z2 Z3 Z3a Z4

Sieczkarnia ciągnikowa +

Sieczkarnia samojezdna +

Ciągnikowa maszyna ścinająco-prasująca +

Ciągnikowa maszyna ścinająca +

Ciągnikowa maszyna ścinająco-pryzmująca +

Ciągnikowa maszyna ścinająco-wiążąca +

Przyczepa uniwersalna + + + +

Przyczepa z ładowaczem chwytakowym +

Wózek samozaładowczy +

Załadunek ręczny +

Ciągnik z ładowaczem chwytakowym do załadunku środka transportu +

Przenośnik pneumatyczny do formowania pryzmy + +

Rozładunek ręczny +

Ciągnik z ładowaczem chwytakowym do rozładunku środka transportu +

Ręczne podawanie do rozdrabniacza +

Ciągnik z ładowaczem chwytakowym do podawania do rozdrabniacza + + +

Ciągnik z rozdrabniaczem + +

Rozdrabniacz stacjonarny + +

Wentylacja pryzmy + +


122


Po przewiezieniu do gospodarstwa to samo urządzenie służy do rozładunku i układania pryzmy. Po dosuszeniu pędy są podawane żurawiem do rozdrabnia-cza ciągnikowego. Do operacji załadunku wykorzystano ten sam żuraw, który stanowi wyposażenie przyczepy leśnej, istnieje bowiem możliwość jego zdemon-towania i zawieszenia na TUZ ciągnika.

W technologii Z4 maszyna wiodąca ścina całe pędy roślin, obwiązuje i w wiąz-kach (pakietach) pozostawia na polu. Następnie są one pobierane ładowaczem chwytakowym i układane na przyczepie, która transportuje je do gospodarstwa. Po przewiezieniu kolejny ładowacz chwytakowy rozładowuje przyczepę i układa pryzmę. Po wyschnięciu wiązki są podawane ładowaczem chwytakowym i roz-drabniane w rozdrabniaczu stacjonarnym.

Opracowany model matematyczny może zostać zobrazowany w postaci blo-ków odzwierciedlających jego strukturę. Struktura taka pozwala na dogodne wykorzystywanie schematu obliczeń poszczególnych bloków w kolejnych eta-pach operacji analizowanych technologii.

Na podstawie opracowanego algorytmu matematycznego przeprowadzono obliczenia symulacyjne nakładów ponoszonych w sześciu technologiach zbio-ru wierzby. Do obliczeń przyjęto następujące założenia wstępne: powierzchnia plantacji 20 ha, plon roślin jednorocznych 25 t·ha–1, wilgotność roślin podczas zbioru 53%, odległość transportowa 1,0 km, cena paliwa 3,68 zł·l–1, koszt robo-cizny 16,70 zł·h–1, czas zmiany roboczej 8 h, czas dyspozycyjny zbioru 30 dni. Założenia wstępne mogą być zmieniane zależnie od plantacji.

W kosztach nie uwzględniono: podatków (np. od usług, OC rolników), kosztu oprocentowania ewentualnego kredytu, dopłat do założenia plantacji i produk-cji. W celu wyeliminowania wpływu kosztów stałych na koszty zbioru, zwłaszcza na niewielkich plantacjach, założono roczne wykorzystanie ciągników i maszyn również do innych prac w gospodarstwie poza sezonem zbioru roślin energe-tycznych lub na świadczenie usług.

Założono również, iż w rozpatrywanych technologiach maszyny zbierające (podstawowe) będą pojedyncze. Zależnie do parametrów plantacji będą do nich dobierane zestawy maszyn, które zapewnią proces potokowy zbioru. Następnie przyjęto zestawy maszyn zastosowane w technologiach zbioru. Parametry robo-cze, ceny maszyn i ciągników opisano formułami matematycznymi. Przeprowa-dzone obliczenia pozwoliły na wyznaczenie wydajności agregatów. Do określenia wskaźników kryterialnych wykorzystano opracowania metodyczne (Muzalewski 2006), jak również materiały informacyjne (Gromadzki 2009).

Efektywność wytwarzania biomasy na cele energetyczne można charakte-ryzować przez wiele czynników, między innymi przez zużycie paliwa i praco-chłonność, odniesioną do jednostki masy suchej substancji. Zużycie paliwa w analizowanych technologiach jest zróżnicowane (tab. 8.2). Najmniejsze zu-życie paliwa stwierdzono w technologii Z2, a największe w Z1, które wynosiło

123


odpowiednio 3,9 i 8,4 kg·ts.m.–1. Zużycie paliwa w innych technologiach jest

o 9,4–48,4% mniejsze od zużycia paliwa w technologii Z1. Zużycie paliwa przez silnik jednostki napędowej w agregacie do zbioru w odniesieniu do zużycia pa-liwa w całej technologii wynosiło 25,4–43,9%. Rozdrabnianie roślin po zbiorze powoduje wzrost zużycia paliwa o 18,6–33,6%. Dosuszanie rozdrobnionych ro-ślin w technologiach Z1 i Z1a zwiększa zużycie paliwa o 35,4–44,3%.

Pracochłonność w poszczególnych technologiach (tab. 8.3) wykazuje podob-ny trend jak paliwochłonność. Najmniejsze nakłady robocizny 0,72 rbh·ts.m.

–1 występują w technologii Z2 ze względu na mniejszą liczbę operacji w technolo-gii. Największe zaś w technologii Z3 (5,5 rbh·ts.m.

–1) ze względu na operacje wy-konywane ręcznie, które powodują obniżenie wydajności. Pracochłonność w in-nych technologiach jest o 68,4–84,3% mniejsza. Pracochłonność zbioru roślin w odniesieniu do całkowitej pracochłonności technologii stanowiła 10,8–20,9% i jest zależna od wydajności maszyn do zbioru. We wszystkich technologiach transport stanowi 20,2–37,5%, a przeładunek 9,8–46,2% nakładów pracy. Duża pracochłonność w technologii Z3 wynika z małej wydajności ręcznych prac przeładunkowych. Rozdrabnianie pędów po wysuszeniu powoduje zwięk-szenie pracochłonności o 13,1–25,3%, a dosuszanie zrębków w technologiach Z1 i Z1a wzrost o około 55%.

Tabela 8.2. Zużycie paliwa w technologiach zbioru roślin energetycznych

Wariant technologicznyZużycie paliwa, kg·ts.m.

–1

Z1 Z1a Z2 Z3 Z3a Z4

Zbiór 2,9 2,5 1,5 1,9 1,9 1,2

Transport 1,1 1,4 1,1 3,1 1,2 1,6

Przeładunek 0,7 0,5 0,5 – 0,2 0,9

Rozdrabnianie – – 0,9 2,5 1,0 0,8

Dosuszanie 3,7 2,5 – – – –

W całej technologii 8,4 7,0 3,9 7,6 4,3 4,5


Tabela 8.3. Jednostkowe nakłady robocizny w technologiach zbioru roślin energetycznych

Wariant technologicznyPracochłonność, rbh·ts.m.

–1

Z1 Z1a Z2 Z3 Z3a Z4

Zbiór 0,26 0,10 0,13 0,59 0,19 0,16

Transport 0,35 0,19 0,27 1,64 0,28 0,57

Przeładunek 0,17 0,10 0,15 2,53 0,21 0,65

Rozdrabnianie – – 0,17 0,72 0,23 0,25

Dosuszanie 0,95 0,47 – – – –

W całej technologii 1,73 0,86 0,72 5,48 0,91 1,63


124


Najmniejszymi jednostkowymi kosztami (tab. 8.4) charakteryzuje się technologia Z1a (98 zł·ts.m.

–1 czyli 5,3 zł·GJ–1), a największymi Z3 (224 zł·ts.m.–1

– 12,1 zł·GJ–1). Koszty w pozostałych technologiach są o 24,1–49,6% (6,1––9,2 zł·GJ–1) mniejsze od ponoszonych w technologii Z3. Wysokie koszty zbio-ru (57,4 i 54,7%) w technologiach Z2 i Z3a wynikają z zastosowania drogich maszyn do zbyt małej powierzchni plantacji. W technologii Z3 zbiór stanowi 13,5% kosztów całkowitych, natomiast operacje transportu i przeładunku aż 38,6 i 23,6%, co wynika z małej wydajności prac ręcznych. Rozdrabnianie pędów po wysuszeniu zwiększa koszty o 12,9–24,4%, a dosuszanie sieczki w technologiach Z1 i Z1a o 25,4–29,8%.

Celowe jest więc właściwe dobranie technologii zbioru uwzględniającej wielkość plantacji, zasoby ludzkie oraz materialne, obejmujące już posiadany zestaw maszyn w gospodarstwie, a także sposób dalszego przetwarzania pozy-skanej biomasy.

Wnioski i spostrzeżenia wynikające z przeprowadzonych badań1. Dla wyodrębnionych sześciu technologii zbioru wierzby wiciowej opraco-

wano model matematyczny opisujący zjawiska związane z wyznaczeniem zapotrzebowania mocy do napędu maszyn zbierających, transportujących, magazynujących oraz przygotowujących produkt dla odbiorcy i ciągników z nimi współpracujących. Za kryterium oceny technologii przyjęto zużycie paliwa, pracochłonność i koszty odniesione do jednostki suchej masy.

2. Opracowana baza danych dotycząca charakterystyki plantacji roślin energetycznych, właściwości fizycznych roślin, zapotrzebowania mocy do napędów zespołów roboczych sieczkarni do zbioru roślin energetycznych, charakterystyki właściwości otrzymywanych zrębków i sieczki oraz czą-stek zmielonego materiału roślinnego została wykorzystana do wyznacze-nia formuł matematycznych, stanowiących składniki algorytmu modelu matematycznego.

Tabela 8.4. Koszty jednostkowe w technologiach zbioru roślin energetycznych z uwzględnieniem poszczególnych operacji technologicznych

Wariant technologicznyKoszty, zł·ts.m.

–1

Z1 Z1a Z2 Z3 Z3a Z4

Zbiór 46,6 41,4 70,6 30,2 80,4 70,7

Transport 19,6 22,2 23,0 86,4 37,0 33,2

Przeładunek 12,7 9,3 8,4 52,8 11,2 38,7

Rozdrabnianie – – 21,2 54,7 18,9 27,9

Dosuszanie 33,7 24,9 – – – –

W całej technologii 113 98 123 224 147 170


125


3. Najmniejsze zużycie paliwa stwierdzono w technologii zbioru wierzby w formie bel cylindrycznych, a największe w technologii jednoetapowej z sieczkarnią ciągnikową; wynosiło ono odpowiednio 3,9 i 8,4 kg·ts.m.

–1.4. Najmniejsze nakłady robocizny występują również w technologii z prasą

zwijającą, największe zaś w technologii z kosiarką do wierzby; wynosiły one odpowiednio 0,72 i 5,5 rbh∙ts.m.

–1.5. Najmniejszymi jednostkowymi kosztami charakteryzowała się technologia

jednoetapowa z sieczkarnią samojezdną (około 98 zł·ts.m.–1), a największymi

z kosiarką do wierzby (około 224 zł·ts.m.–1).

6. Wartości wskaźników kryterialnych zależą od założonych parametrów zbioru i plantacji. Ich optymalne wartości można uzyskać przy założeniu parametrów zbliżonych do maksymalnego wykorzystania wydajności ma-szyny.

126

9. KOSZTY ZBIORU ROŚLIN ENERGETYCZNYCH W ŚWIETLE WYNIKÓW BADAŃ

W dostępnej literaturze wyników badań dotyczących kosztów zbioru roślin ener-getycznych jest niewiele. Są to dane rozproszone i fragmentaryczne, mogą być jednak przydatne do porównania i oceny proponowanych rozwiązań technolo-gicznych. Brak jest również modeli matematycznych pozwalających na symulo-wanie systemu, obejmującego różne operacje stosowanych obecnie i możliwych technologii zbioru roślin energetycznych.

Dubas (2003) obliczył, że koszty zbioru, zrębkowania i transportu we-wnętrznego wierzby wynoszą 1400 zł·ha–1, ale nie podał rodzaju maszyn w tej technologii.

Pasyniuk (2007), zakładając plon wierzby wiciowej 30 t·ha–1, o wilgotności 50%, obliczył koszty zbioru dla trzech technologii. Przy użyciu kombajnu Claas o wydajności 0,4 ha·h–1, przy zatrudnieniu 2 pracowników i pracochłonności 10 rbh koszt zbioru wynosił 800 zł·ha–1. Przy zastosowaniu podcinacza o wydaj-ności 0,3 ha·h–1 i rębarki przewoźnej o wydajności 0,1 ha·h–1, przy zatrudnieniu 3 pracowników i pracochłonności 32 rbh koszty zmniejszyły się do 320 zł·ha–1. Zbiór ręczny z wydajnością 0,05 ha·h–1 i rozdrabnianie z wykorzystaniem rębar-ki przewoźnej o wydajności 0,1 ha·h–1, przy zatrudnieniu 5 pracowników i pra-cochłonności 200 rbh zwiększył koszty do 1800 zł·ha–1.

Z badań przeprowadzonych przez Pasyniuka (2008) wynika, że podczas zbioru wierzby 2- i 3-letniej z plantacji o powierzchni powyżej 5 ha efektywne wykorzystanie czasu pracy kombajnu Bender nie przekraczało 62% czasu no-minalnego. Wpływało to na ostateczne wysokie koszty jednostkowe zbioru. Na małe wykorzystanie czasu pracy miały wpływ przerwy, których udział wynosił 6%, a wynikały one z przyczyn logistycznych. Zaliczono do nich oczekiwanie na dostarczenie paliwa, materiałów eksploatacyjnych i części wymiennych. Duży udział w stratach czasu pracy miały naprawy bieżące (8%). Znaczące utrudnie-nia sprawiało niedostosowanie systemu nasadzeń do zbioru mechanicznego, co w konsekwencji wymuszało dodatkowe przejazdy kombajnu (15%), a także brak synchronizacji ruchu środków transportowych, który skutkował prze-stojami kombajnu (10%). Z tego powodu przy nominalnej wydajności kombaj-nu 2,4 ha·h–1 osiągnięto wydajność operacyjną 0,4 ha·h–1. Ostatecznie koszty zbioru, w stosunku do nominalnych, możliwych do osiągnięcia zwiększyły się dwukrotnie. Całkowity koszt jednostkowy zbioru kombajnem wierzby na zręb-

127

Koszty zbioru roślin energetycznych w świetle wyników badań

ki wynosił 900 zł·ha–1. Koszt kombajnowego zbioru wierzby zwiększa i tak wy-soką cenę „zielonej energii”. Przy średnim zbiorze wierzby w cyklu trzyletnim 40 t·ha–1 surowego materiału koszt zbioru powiększył koszt produkcji zrębów o ponad 20 zł·t–1, przy rynkowej cenie zrębów surowych 100 zł·t–1. Pasyniuk (2008) stwierdził jednak, że zbiór kombajnowy jest bardzo konkurencyjny wo-bec zbioru ręcznego dwuetapowego, którego koszt przekracza 6000 zł·ha–1.

Szczukowski i in. (2006) zwrócili uwagę, że wartość energetyczna oraz skład chemiczny drewna wierzby zmieniają się w zależności od cyklu zbioru i przy obliczaniu kosztów należałoby ten fakt wziąć pod uwagę. Przy jednorocznym, dwu- i trzyletnim cyklu zbioru wartość kaloryczna drewna wynosiła odpowied-nio 18,56, 19,25 i 19,56 MJ·kgs.m.

–1, zawartości wody oraz popiołu wyraźnie się zmniejszały i wynosiły odpowiednio 53,15, 50,14 i 45,98% oraz 1,89, 1,37 i 1,28%. Zmieniała się również zawartość składników wpływających na dalszy proces przetwarzania surowca. Wraz z cyklem okresu zbioru w największym stopniu zwiększała się zawartość celulozy, która wynosiła odpowiednio 45,58, 48,02 i 55,94% s.m. Zawartość ligniny i hemicelulozy była dość stabilna i wyno-siła odpowiednio 13,24 i 13,63% s.m. W obu przypadkach odnotowano zmniej-szenie zawartości tych składników w pędach dwuletnich. Zwiększenie zawarto-ści celulozy w pędach starszych oznacza, że materiał taki podczas mechanicz-nego zagęszczania, np. podczas produkcji peletu, będzie wymagał zwiększenia energii, gdyż temperatura rozkładu celulozy wynosi 240–350°C (Grzybek i in. 2004). Temperatura rozkładu hemicelulozy jest najmniejsza (200–260°C), a li-gniny największa (280–500°C).

Efektywność energetyczna uprawy wierzby zależy również od cyklu zbioru (Szczukowski i in. 2006). W cyklu jednorocznym, dwu- i trzyletnim, przy zwięk-szających się plonach suchej substancji, odpowiednio do 14,8, 32,1 i 64,4 ts.

m.·ha–1, nakłady energetyczne na uprawę roślin wierzby były proporcjonalne i wynosiły 12,2, 18,4 i 30,1 GJ·ha–1, a energochłonność produkcji zrębków zmniejszała się, odpowiednio do 0,83, 0,57 i 0,47 GJ·ts.m.

–1, co przy wartości energetycznej plonu wynoszącej 275, 618 i 1262 GJ·ha–1 pozwoliło na zwięk-szenie efektywności energetycznej, odpowiednio do 22,5, 33,6 i 41,9. Efektyw-ność energetyczną określono jako stosunek wartości energetycznej plonu do nakładów energetycznych poniesionych na uprawę roślin. Zbiór wierzby w trzy-letnich cyklach rotacji charakteryzował się najmniejszą energochłonnością produkcji jednostki suchej substancji zrębków oraz największym wskaźnikiem efektywności energetycznej. Porównując efektywność energetyczną innych ro-ślin można stwierdzić, że uprawa wierzby na cele energetyczne jest korzystna. Przykładowo efektywność energetyczna uprawy rzepaku ozimego w doświad-czeniach polowych wynosiła 3,5–6,0, pszenicy ozimej 3,6–4,9, jęczmienia jarego 3,5, a buraka cukrowego 3,6.

Szczukowski i in. (2006) stwierdzili, że zwrot kosztów inwestycji w uprawie wierzby na cele energetyczne nie jest możliwy po pierwszym roku, gdyż koszt

128


samych sadzonek wynosił 4800 zł·ha–1 i stanowił 69% kosztów całkowitych założenia plantacji. W analizie kosztów autorzy założyli, że plantacja będzie użytkowana przez 24 lata, co pozwoliło na obciążenie jej rocznymi kosztami w wysokości 290 zł·ha–1. Opłacalność produkcji końcowego surowca w posta-ci zrębków zależała również od cyklu zbioru roślin. W cyklu jednorocznym, dwu- i trzyletnim zbioru, przy zwiększających się plonach, odpowiednio do 29, 56 i 91 t·ha–1, koszt produkcji zwiększał się również i wynosił odpowiednio 1355, 1974 i 3011 zł·ha–1. W konsekwencji koszt produkcji świeżych zrębków zmniejszał się i wynosił odpowiednio 47, 35 i 33 zł·t–1. Przyjmując cenę świe-żych zrębków 80 zł·t–1, autorzy obliczyli zysk w przeliczeniu na jednostkę masy, powierzchni i rok. Zwiększał się on wraz z cyklem zbioru i wynosił odpowiednio 33, 45 i 47 zł·t–1 oraz 965, 2506 i 4269 zł·ha–1, a w przeliczeniu na jeden rok był nieco mniejszy i wynosił 965, 1253 i 1423 zł·ha–1. Z tego wynika, że opła-calność produkcji zrębków jest największa przy zbiorze roślin wierzby w cyklu trzyletnim. Autorzy podkreślili, że jednoroczne pędy wierzby wiciowej mogą być zbierane sieczkarnią przyczepianą połączoną z ciągnikiem, a zbiór roślin w cyklu dwu- i trzyletnim wymaga zastosowania specjalistycznego sprzętu, np. kombajnu Claas Jaguar. Nie podano, dla jakiego zestawu maszyn przeprowa-dzono przykładowe obliczenia. Autorzy dla kontrastu podali, że zysk z uprawy jęczmienia jarego przy plonie 50 dt·ha–1 w badaniach IUNG wynosił 605 zł·ha–1.

Koszt ręcznego zbioru i stacjonarnego zrębkowania wierzby o wilgotności 60,81% i wartości kalorycznej 5,82 MJ·kg–1 w wysokości 155,75 zł·t–1 są zdecy-dowanie za wysokie.

Według szwedzkich doświadczeń (Nordh 2005), koszty zbioru kombajnem z bezpośrednim rozdrabnianiem zmieniały się w zakresie 1890–3100 zł·ha–1, w zależności od średniej wydajności rzeczywistej, odpowiednio 0,5 i 0,3 ha·h–1, którą osiągano na plantacjach o powierzchni odpowiednio 300 i 100 ha. W prze-liczeniu na jednostkę uzyskiwanej energii z wierzby o plonie 48 ts.m.·ha–1 koszty te zawierają się w zakresie 8,8–14,4 zł·(MWh)–1. Przy zbiorze dwufazowym, zale-canym na mniejszych powierzchniach, koszty bezpośredniego zbioru wynosiły 400–650 zł·ha–1. Uwzględniając jednak konieczność załadunku i rozdrabniania, całkowite koszty zwiększyły się do 18,0–18,8 zł·(MWh)–1.

Szczukowski i in. (2006) wskazali, że pędy wierzby zbierane zimą w zależ-ności od cyklu zbioru i warunków pogodowych mają wilgotność 46–53%. Skła-dowanie zrębków wymaga zapewnienia warunków, w których będą ograniczone straty suchej substancji i rozwój patogenów. Surowiec krótko przechowywany może być składowany na wyrównanej, utwardzonej powierzchni. Zrębki świeże, składowane w naturalnych warunkach w pryzmie wysychają nierównomiernie i chłoną wodę z opadów atmosferycznych, co przyczynia się do wydłużenia czasu do osiągnięcia wymaganej wilgotności końcowej przed dalszą obróbką surowca. Konsekwencją wydłużonego czasu przechowywania jest zwiększenie strat su-chej substancji, wzrost temperatury wewnątrz pryzmy i rozwój niepożądanych

129


patogenów. Z tego powodu przy dłuższym przechowywaniu zaleca się składowa-nie surowca pod wiatą. Z badań wynika, że przechowywanie zrębków wierzby w takich warunkach przez 4 do 6 miesięcy pozwoliło na zmniejszenie jej wil-gotności z 45 do 30%. W literaturze wskazuje się również, że lepszym sposo-bem przechowywania byłoby zastosowanie wymuszonego przepływu powietrza atmosferycznego przez pryzmę zrębków, ale taka technologia zwiększa koszty, przyczyniając się do zmniejszenia zysków.

Mniejsze problemy przechowywania stwarzają całe pędy wierzby. Mogą być one przechowywane aż do jesieni kolejnego roku w stogach, w naturalnych warunkach, na otwartym, utwardzonym podłożu. W ciągu takiego okresu ich wilgotność może się zmniejszyć z 50 do 20%. Pędy wierzby zebrane maszynami formującymi wiązki mogą być przechowywane w podobnych warunkach, jak pędy luzem, lecz w tym przypadku lepiej takie wiązki zestawić w stożki. Prze-pływ powietrza i działanie słońca pozwala na zmniejszenie wilgotności materiału z 50 do 16% (w maju). Wiązki mogą być również układane przemiennie (w szta-plach) w warstwach poziomych i przechowywane w prostopadłościennych sto-gach nawet przez okres dwóch lat. Sterty mogą być lokalizowane u plantatorów, a surowiec sukcesywnie dowożony w ciągu roku do odbiorcy. W zależności od ustalonych warunków dostawy może się to odbywać w formie całych pędów lub zrębków.

Jako przykład podejścia modelowego do analizy zbioru roślin energetycz-nych można podać doświadczenia Sokhansanja i Fentona (2006). Do oblicze-nia kosztów zbioru i transportu biomasy zastosowali oni model matematyczny IBSAL – Integrated Biomass Supply Analysis and Logistics opracowany przez Sokhansanja (2006). Model IBSAL zawiera różne algorytmy obejmujące zbiór, przetwarzanie, mielenie, przechowywanie i transport. Dane wejściowe mode-lu zawierają: informacje o lokalnej pogodzie, średnim plonie netto biomasy, terminie zbioru, stratach suchej substancji, wilgotności roślin, czasie zbioru, parametrach eksploatacyjnych wyposażenia, koszty maszyn. Głównymi para-metrami kryterialnymi były koszty dostawy biomasy ($·t–1), zanieczyszczenie węglem (kg C na tonę) i zużycie energii (GJ·t–1). Za pomocą modelu IBSAL moż-na było obliczyć straty biomasy w suchej substancji, wykorzystując dostępne dane o przechowywaniu bel prosa rózgowatego (Sanderson i in. 1997) i obrób-ki siana (Rees 1982). Szczegółowe informacje o modelu można znaleźć w pra-cach Sokhansanja (2006) oraz Sokhansanja i Fentona (2006). Analizowano różne sposoby zbioru, w których wykorzystano prasę wielkogabarytową do formowania bel prostopadłościennych o wymiarach 1,2×1,2×2,4 m, zbieracz pokosów, sieczkarnię do rozdrabniania materiału suchego lub wilgotnego. Naj-bardziej efektywnym sposobem zbioru, ze względów ekonomicznych, było za-stosowanie zbieracza pokosów. Koszty zbioru wynosiły 19 $·t–1. Nieco większy koszty poniesiono podczas zbioru prasą wielkogabarytową (23 $·t–1). Mniejsze koszty przy zastosowaniu zbieracza pokosów wynikają ze zmniejszenia liczby

130


operacji i dużej pojemności skrzyni ładunkowej (45,3 m3). Koszty rozdrabnia-nia, a następnie stogowania i zakiszania biomasy wynosiły 35 $·t–1, ale auto-rzy wskazują, iż ta technika zbioru ma duży potencjał w przyszłości. Koszty te wynikały głównie z wysokiej ceny sieczkarni (83,37 $·h–1) oraz nakładów inwestycyjnych na zbudowanie silosu przejazdowego lub maszyny silosującej, tworzącej rękaw z folii.

Nakłady energetyczne na zbiór prosa rózgowatego zmieniały się od 0,319 GJ·ts.m.

–1 dla operacji ze zbieraczem pokosów do 0,590 GJ·ts.m.–1 dla tech-

nologii rozdrabniania materiału suchego. Nakłady energetyczne zależą od mocy silników zainstalowanych w urządzeniach technicznych, a zastosowana siecz-karnia polowa była wyposażona w silnik o mocy powyżej 200 kW. Uwzględniając wartość opałową prosa rózgowatego 16 GJ·ts.m.

–1, nakłady energetyczne na zbiór zawierają się od 2% dla zbieracza pokosów do poniżej 4% dla sieczkarni polo-wej. Nakłady energetyczne na zakiszanie biomasy były nieco mniejsze niż na rozdrabnianie materiału suchego. Podobne wnioski sformułowali Conrado i in. (2005), którzy stwierdzili, że zbiór prosa rózgowatego za pomocą zbieracza po-kosów jest najbardziej efektywny pod względem ekonomicznym. Koszty zbioru słomy łodyg kukurydzy po zbiorze na ziarno były podobne do kosztów zbioru prosa rózgowatego. Niewielkie różnice (1–2 $·t–1) mogły być związane z gęstością objętościową zbieranego materiału roślinnego lub z kosztami rozdrabniania ło-dyg kukurydzy, w porównaniu z kosztami koszenia prosa rózgowatego.

Model IBSAL (Sokhansanj i Fenton 2006) zastosowano również do oblicze-nia kosztów transportu biomasy ze stogów formowanych przy farmie lub na polu do biorafinerii. Koszty obejmowały załadunek, transport, rozładunek, sto-gowanie i mielenie w biorafinerii. Koszty transportu samochodami ciężarowymi zależały od całkowitej odległości oraz od tego, czy była to stała odległość, czy łączona z kilku odcinków, od minimum do maksimum. Dla stałej odległości, o maksymalnej wartości 100 km, koszty transportu wynosiły około 25 $·t–1, a dla łączonej w zakresie 20–100 km – 19 $·t–1. Koszty transportu kolejowego zależały głównie od ilości ładunku i zmniejszały się wraz z odległością trans-portową.

Koszty produkcji peletu były obliczone na kwotę 30 $·t–1 przy 20 000 t pro-dukcji peletu z materiału roślinnego (Sokhansanj i Fenton 2006). Koszty zawie-rają suszenie biomasy z 40 do 10%, podczas którego stosowano biomasę jako paliwo spalane podczas suszenia. Koszty mogą być zmniejszone przy większej wydajności lub zmniejszeniu wilgotności wyjściowej biomasy. Koszty brykieto-wania były podobne do kosztów peletowania.

Całkowite koszty dostarczania biomasy zależą od wielu czynników, ale naj-ważniejszymi są gęstość objętościowa biomasy, jej wilgotność i odległość trans-portowa. Zagęszczanie biomasy jest łatwe i bezpieczne, zwłaszcza przy wyko-rzystaniu istniejącego sprzętu, stosowanego do obróbki ziarna. Koszty dostar-czania granulowanej biomasy mogą zmieniać się w zakresie 46–73 $·t–1. Koszty

131


te nie zawierają wynagrodzenia, które można oszacować na 10 $·t–1. Całkowite nakłady energetyczne technologii zbioru i przetwarzania biomasy na pelety za-wierają się w granicach 1,0–1,5 GJ·t–1. Oznacza to, że poniesione nakłady ener-gii wynoszą 6–10% energii zawartej w biomasie, którą szacuje się na 16 GJ·t–1.

Sokhansanj i Fenton (2006) sformułowali następujące spostrzeżenia, któ-rych zastosowanie może prowadzić do zmniejszenia kosztów:– zmniejszenie liczby operacji podczas zbioru przez ich łączenie,– zwiększenie gęstości objętościowej biomasy,– nakłady związane ze zmniejszeniem wilgotności,– granulacja/peletyzacja jest technologią dostępną, ale kosztowną,– transport samochodowy dominuje w transporcie biomasy, ale na duże odle-

głości można rozważyć transport koleją i innymi środkami.

Wnioski i spostrzeżenia wynikające z przeprowadzonych badań1. Koszty zbioru roślin energetycznych są bardzo zróżnicowane i trudno jest

je bezpośrednio ze sobą porównywać z uwagi na odmienne warunki polowe, klimatyczne, a także doświadczenie zespołów wykonujących badania i po-miary.

2. Ceny maszyn, paliwa, robocizny i ich relacje mogą w znaczący sposób wpły-wać na końcowy wyniki kosztów oraz prowadzić do odmiennych wniosków.

3. Końcowe spostrzeżenia, zawarte w tym rozdziale, powinny być brane pod uwagę przy wyborze technologii zbioru roślin energetycznych.

132

10. PODSUMOWANIE

Technologie bezpośredniego zbioru wierzby na zrębki, przy zastosowaniu obecnych maszyn na odpowiednio dużych plantacjach, są tańsze niż techniki dwuetapowe polegające na zbiorze całych łodyg (Styles i in. 2008). Do wad jed-noetapowej technologii zbioru wierzby można zaliczyć wysokie koszty począt-kowe zakupu maszyn i przechowywania wilgotnych zrębków (Pasyniuk 2007). Technologie zbioru całych łodyg są bardziej elastyczne ze względu na mniejsze ograniczenia warunków zbioru i mogą przynieść korzyści (Kofman 2005), które wynikają z mniejszych kosztów, możliwości naturalnego suszenia, pozwalając na pozyskanie lepszego paliwa (Harders 2002). W Wielkiej Brytanii rośliny prze-chowywane w takich warunkach w ciągu siedmiu miesięcy zmniejszyły wilgot-ność z 53–55 do 19% (Hilton 2000).

Na podstawie dotychczasowych wyników badań (Lechasseur i Savoie 2005) można stwierdzić, że zastosowanie maszyn do zbioru całych pędów wierzby po-zwala na znaczne zmniejszenie jednostkowego zużycia paliwa w przeliczeniu na tonę świeżych roślin. Stwierdzono, że podczas pracy maszyn Empire 2000, Frobbesta i Hyd-Mech zbierających wierzbę w całości jednostkowe zużycie pali-wa wynosiło 0,50–1,00 l·t–1, a maszyn Claas Jaguar 695, Bender i Austoft 7700, które jednocześnie ścinają i rozdrabniają łodygi – 0,95–1,20 l·t–1. Mniejsze war-tości tego wskaźnika dla maszyn zbierających całe pędy roślin wynikają z faktu, iż podczas tego zabiegu rośliny są tylko ścinane i transportowane w całości do przestrzeni ładunkowej maszyny lub przyczepy. Dopiero po okresie przechowy-wania następuje rozdrabnianie łodyg na zrębki. Dlatego bezpośrednie porów-nanie zapotrzebowania na moc lub innych wskaźników energetycznych maszyn zbierających wykonujących różne funkcje jest uproszczeniem.

Do wad tego sposobu zbioru wierzby można zaliczyć również większą liczbę przejazdów środków transportowych, konieczność zastosowania specjalnych przyczep do transportu długich łodyg (do 8 m) i ładowaczy do ich załadunku, przeznaczenie większych szerokości na uwrocia i powierzchni na przechowy-wanie dużych objętości surowca. W sumie w tej technologii zbioru jest więcej operacji do wykonania i jest ona bardziej pracochłonna niż technologia zbioru jednoetapowego.

Przy dużym i dobrze rozwiniętym rynku biomasy stosowanie wysokowydaj-nych maszyn, rozdrabniających materiał podczas zbioru, jest uzasadnione ze

133

Podsumowanie

względów ekonomicznych. Na mniejszych plantacjach i w regionach o słabszej infrastrukturze konieczne jest zastosowanie innych rozwiązań technicznych. Jak sugerują Hilton i in. (2005), mniejsze maszyny powinny być bardziej uży-teczne w technologiach wykorzystujących naturalne suszenie. Jedną z takich możliwości jest ścinanie, rozdrabnianie i zwijanie materiału w bele w kształcie walca z zastosowaniem specjalnej maszyny ścinająco-prasującej (Lavoie i in. 2007).

Dotychczasowe doświadczenia, jak i specyfika polskiego rolnictwa wskazu-ją, że powstają i będą powstawać rozproszone plantacje o powierzchni od kil-ku do 20 ha. Oznacza to konieczność wdrożenia maszyn, które będą dostępne dla właścicieli małych plantacji, pozwolą na terminowe i jakościowo właściwe wykonywanie wszystkich zabiegów agrotechnicznych, a dość niski stopień ich wykorzystania nie wpłynie znacząco na koszty produkcji biopaliwa stałego.

W wyniku realizacji niniejszego projektu opracowano koncepcję, dokumen-tację konstrukcyjną i wykonano uniwersalną maszynę do zbioru roślin energe-tycznych, a wyniki badań wykazały, że zostały spełnione założenia przyjęte na etapie projektowania. W ten sposób uzupełniono lukę istniejącą na krajowym rynku maszyn rolniczych.

Wnioski wynikające z dotychczas przeprowadzonych badań są zróżnicowa-ne i trudno jest jednoznacznie wskazać i zalecić do stosowania określoną tech-nologię zbioru. Podobnie jak w przypadku zbioru kukurydzy lub innych roślin, zaleca się różne technologie w zależności od wielkości uprawy, istniejących ma-szyn w gospodarstwie, prowadzenia innej produkcji, dysponowanymi środkami transportowymi i innym zapleczem technicznym. Ogólnie można stwierdzić, że technologia jednoetapowa jest zalecana na dużych plantacjach, a dwuetapowa na małych.

Doświadczenia krajów, w których uprawia się wierzbę energetyczną (Au-stralia, Brazylia, Dania, Finlandia, Irlandia, Kanada, Niemcy, Norwegia, Szwe-cja, USA, Wielka Brytania, Włochy) są zróżnicowane, a zalecenia w odniesieniu do sposobu zbioru roślin energetycznych są wypadkową wielu czynników, które powinny być uwzględnione również w polskich warunkach klimatycznych.

Do zbioru traw i bylin, których biomasa przeznaczona jest na cele energe-tyczne, mogą być zastosowane dotychczasowe techniki zbioru roślin zielonych nisko- i wysokołodygowych z pnia lub materiałów słomiastych z pokosów.

134

Literatura

1. ABRAHAMSON L.P., VOLK T.A., PRIEPKE E., POSSELIUS J., ANESHANSLEY D.J., SMART L.B. 2008: Development of a willow biomass crop harvesting system in New York. Minneapolis, ss. 21.

2. ADAMCZYK F., FRĄCKOWIAK P. 2009: Analiza parametrów technicznych maszyny do ko-szenia i automatycznego wiązkowania wikliny plecionkarskiej. Technika Rolnicza Ogrodnicza Leśna 3: 16–18.

3. ADAMUS L., LISOWSKI A. 2009: Właściwości wytrzymałościowe ślazowca pensylwańskiego. [W:] Problemy inżynierii rolniczej i leśnej, Wydawnictwo SGGW, Warszawa: 7–12.

4. AHMED A.M., DRZYMAŁA J. 2005: Two-dimensional fractal linearization of distribution cu-rves. Physicochemical Problems of Mineral Processing 39: 129–139.

5. ALAKANGAS E. 2005: Properties of wood fuels used in Finland. Technical Research Centre of Fin-land, VVT Processes, Project report PRO2/P2030/05 (Project C5SU00800), Jyvaskyla, ss. 100.

6. ANNOUSSAMY M., RICHARD G., RECOUS S., GUERIF J. 2000: Change in mechanical propor-ties of wheat straw to decomposition and moisture. Applied Engineering in Agriculture 16(6): 657–664.

7. ASAE S424.1 MAR98: Method of determining and expressing participle size of chopped forage materials by screening. ASAE standard 1999, St. Joseph, MI, ASAE: 562–564.

8. ARNOLD P.C., ROBERTS A.W. 1969: Fundamental aspects of load-deformation behavier of wheat grains. Transactions of the ASAE 12 (1): 104–108.

9. ASAE, S459. MAR92: Shear and three-point bending test of animal bone. ASAE standard 1993, St. Joseph, MI, ASAE: 581–583.

10. BITRA V.S., WOMAC A.R., CHEVANAN N., SOKHANSANJ S. 2008: Comminution properties of biomass in hammer mill and its particle size characterization. Published by the American Society of Agricultural and Biological Engineers, St. Joseph, Michigan, www.asabe.org, ss. 28.

11. BORKOWSKA H. 2005: Zmiany zawartości suchej masy w plonie biomasy wierzby krzewiastej (wikliny) i ślazowca pensylwańskiego w zależności od terminu zbioru. Annales Universitatis Marie Curie-Skłodowska 60: 155–161.

12. BORKOWSKA H. 2006: Pelety ze ślazowca pensylwańskiego na tle normy DIN 51731. Czysta Energia 6 (55): 22–23.

13. BORKOWSKA H., STYK B. 2003: Ślazowiec pensylwański. [W:] Rośliny energetyczne, red Ko-ścik B., Wydawnictwo AR w Lublinie, 79–95.

14. BORKOWSKA H., STYK B. 2006: Ślazowiec pensylwański (Sida hermaphrodita Rusby). Uprawa i wykorzystanie. Wydawnictwo AR w Lublin, ss. 69.

15. BOYD J., CHRISTERSSON L., DINKELBACK L. 2000: Energy from willows. SAC, http://www1.sac.ac.uk/envsci/external/willowpower/willow_s.pdf, ss. 36.

16. BYSZEWSKI W., HAMAN J. 1977: Gleba – maszyna – roślina. PWN, Warszawa, ss. 352.17. CHATTOPADHYAY P.S., PANDEY K.P. 1999: Mechanical properties of sorghum stalk in rela-

tion to quasi-static deformation. Journal Agricultural Engineering Research 73: 199–206.18. CHEN Y., GRATTON J.L., LIU J. 2004: Power requirements of hemp cutting and conditioning.

Biosystems Engineering nr 87(4), 417–424.19. CHOŁUJ D., PODLASKI S. 2008: Kompleksowa ocena biologicznej przydatności 7 gatunków

roślin wykorzystywanych w uprawach energetycznych. [W:] Energia odnawialna, red. Gradzik P., MODR, Płońsk, 61–76.

20. CICHOŃ M., LISOWSKI A., NOWAKOWSKI T., STRUŻYK A. 2009: Wykonanie prototypu przy-stawek ścinających i zmodernizowanej sieczkarni. Raport z zadania nr I.6.4 projektu badaw-czego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leś-nych SGGW, Warszawa, ss. 8.

21. CONRADO R., LINDEN K., MARTIN R., PINGE A. 2005: Switchgrass feedstock logistics sys-tems. ENGS 190/290 Final Report, Winter 2005, Report number – 27, Thayer School of Engineering at Darthmouth College, 8000 Cummings Hall, Hanover, NH 03755-8000.

22. Coppice Resources Ltd., 2000: Development of and SRC harvesting and chipping system. http://www.dti.gov.uk/energy/renewavles/publications/pdfs/BW200640.pdf, ss. 33.

135

Literatura

23. CROOK M.J., ENNOS A.R. 1994: Stem and root characteristics associated what lodging resi-stance in poor winter wheat cultivars. The Journal of Agricultural Science 126: 167–174.

24. DĄBROWSKA M., LISOWSKI A. 2008: Badanie rozkładu długości cząstek roślin energetycz-nych przeznaczonych na brykiety. [W:] Problemy inżynierii rolniczej i leśnej, Wydawnictwo SGGW, Warszawa, 40–47.

25. DĄBROWSKA M., LISOWSKI A. 2009: Badanie rozkładu długości cząstek roślin energetycz-nych przeznaczonych na brykiety. [W:] Problemy inżynierii rolniczej i leśnej, Wydawnictwo SGGW, Warszawa, 55–60.

26. DĄBROWSKA M., LISOWSKI A. 2010: Prędkość krytyczna cząstek zmielonego materiału roślin energetycznych. [W:] Problemy inżynierii rolniczej i leśnej, Wydawnictwo SGGW, Warszawa, 78–87.

27. DAJDOK Z., KRZYSZTOFIAK A., KRZYSZTOFIAK L., ROMAŃSKI M., ŚLIWIŃSKI M. 2007: Ro-śliny inwazyjne w Wigierskim Parku Narodowym, ss. 24.

28. DALOIS C. 1990: Manuel de sciage et d’Affűtage. CTFT, CIRAD, Montpellier, France, ss. 212.29. DENISIUK W. 2006: Możliwości wykorzystania ślazowca pensylwańskiego w energetyce. Inży-

nieria Rolnicza 6: 105–113.30. DOBRZAŃSKI B. 1998: Mechanizmy powstawania uszkodzeń nasion roślin strączkowych. Acta

Agrophysica 13: 13–20.31. DOŁŻYCKI A., SMAGA M., LISOWSKI A., NOWAKOWSKI T., STRUŻYK A. 2008: Opracowanie

dokumentacji konstrukcyjnej przystawek ścinających. Raport z zadania nr I.6.2 projektu ba-dawczego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 7, plus dokumentacja konstrukcyjna.

32. DRESZER K., MICHAŁEK R., ROSZKOWSKI A. 2003: Energia odnawialna – możliwości jej pozyskiwania i wykorzystania w rolnictwie. Wydawnictwo PTIR, Kraków-Lublin-Warszawa, ss. 256.

33. DUBAS J. 2003: Wierzba. [W:] Rośliny energetyczne, red. Kościk B. Wydawnictwo AR w Lubli-nie: 56–78.

34. DUBAS J.W., TOMCZYK A. 2005: Zakładanie, pielęgnacja i ochrona plantacji wierzb energe-tycznych. Wydawnictwo SGGW, Warszawa, 29–30.

35. FABER A., KUŚ J. (red.), MATYKA M. 2009: Uprawa roślin na potrzeby energetyki. W&B Wie-sław Krzewiński, ss. 30.

36. FELKER P., MCLAUCHLAN R., CONKEY A., BROWN S. 1999: Case study: development of a swath harvester for small diameter (< 10 cm) woody vegetation. Biomass and Bioenergy 17: 1–17.

37. FRĄCZEK J., KACZOROWSKI J., ŚLIPEK Z., HORABIK J., MOLENDA M. 2003: Standaryzacja metod pomiaru właściwości fizyczno-mechanicznych roślinnych materiałów ziarnistych. Roz-prawy i Monografie 92. Wydawnictwo Instytutu Agrofizyki im. Bohdana Dobrzańskiego PAN, Lublin, ss. 160.

38. GERA D., MATHUR M.P., FREEMAN M.C., ROBINSON A. 2002: Effect of large aspect ratio of biomass particles on carbon burnout in a utility boiler. Energy & Fuels 16: 1523–1532.

39. GODET J.D. 2000: Przewodnik do rozpoznawania drzew i krzewów. Oficyna Wydawnicza „Del-ta W–Z”, ss. 255.

40. GÓRAL S. 1996: Topinambur – słonecznik bulwiasty – Helianthus tuberosus L. Nowe rośli-ny uprawne na cele spożywcze, przemysłowe i jako odnawialne źródła energii. Wydawnictwo SGGW, Warszawa, 76–86.

41. GROCHOWICZ J. 1994: Maszyny do czyszczenia i sortowania nasion. Wydawnictwo AR w Lu-blinie, ss. 317.

42. GROMADZKI J. 2009. Katalog cennik ciągników i maszyn rolniczych. PIMR, Poznań, ss. 160.43. GRUNDAS S., HNILICA P. 1987: Typy endospermu ziarna pszenicy i jego właściwości mecha-

niczne. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 320: 127–133.44. GRZESIK M., ROMANOWSKA-DUDA Z.B. 2009: Technologia hydrokondyjnonowania nasion

ślazowca pensylwańskiego (Sida hermaphrodita) w aspekcie zmian klimatycznych. Produkcja biomasy. Wybrane problemy. Wydawnictwo Wieś Jutra, Warszawa, 63–69.

45. GRZYBEK A. 2004: Potencjał biomasy możliwej do wykorzystania na produkcję pellet. Czysta Energia 6 (56): 24–25.

136


46. GUIDI W., PICCIONI E., GINANNI M., BONARI E. 2008: Bark content estimation in poplar (Populus deltoides L.) short-rotation coppice in Central Italy. Biomass and Bioenergy 32, 518–524.

47. GUIDI W., TOZZINI C., BONARI E. 2009: Estimation of chemical traits in poplar short-rotation coppice at stand level. Biomass and Bioenergy 33, 1703–1709.

48. GUMENIUK A. 2006: Agrotechnika zbioru roślin energetycznych. Wiadomości Rolnicze Polska 1: 20.

49. GUTMAŃSKI I., PIKULIN R. 1994: Porównanie wartości użytkowej kilku biotopów topinamburu (Helianthus tuberosus L.). Biuletyn IHAR 189: 91–100.

50. HALL G.E., BRAZEE R.D., HALL C.W. 1967: Relaxation characteristics of alfalfa stem sections. ASAE Paper No. 670–671, ASAE, St. Joseph. Michigan 49085.

51. HALYK R.M., HURLBUT L.W. 1968. Tensile and shear strength characteristics of alfalfa stems. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers 11(2): 256–257.

52. HAMAN J., KONSTANKIEWICZ K. 1999: Procesy zniszczenia w komórkowym ośrodku roślin-nym. Acta Agrophysica 24: 67–86.

53. HARDERS G. 2002: Harvest, loading and transporting of willow chips from agricultural land – a system analysis. JTI Institut för Jordbruks – och miljö teknik. Raport JTI, ss. 294.

54. HEILMAN P.E., EKUAN G., FOGLE D. 1994. Above- and below-ground biomass and fine roots of 4-year-old hybrids of Populus trichocarpa × Populus deltoides and parental species in short-rotation culture. Canadian Journal of Forest Research 24: 1186–1192.

55. HILTON B. Arbre 2000: Harvesting experience and future requirements. http://test.netgates.co.uk/nre/pdf/BarbaraHiltonPaper.doc.

56. HILTON B., GARSTANG J., GROVES S., KING J., METCALFE P., PEPPER T., MCRAE I. 2005: ARBRE Monitoring The Fuel Supply Chain., DTI, UK. http://www.dti.gov.uk/renewables/pu-blications _pdfs/bu1006260000.pdf.

57. IGATHINATHANE C., WOMAC A.R., SKOHANSANJ S., PORDESIMO L.O. 2006: Mass and mo-isture distribution in aboveground components of standing corn plants. Transactions of the American Society of Agricultural and Biological Engineers 49(1): 97–106.

58. İNCE A., UĞURLUAY S., GÜZEL E., ÖZEAN M.T. 2005: Bending and shearing characteristics of sunflower stalk residue. Biosystems Engineering 92 (2): 175–181.

59. JANKOWSKI F. 1994: Miscanthus – the furure biommass crop for energy and industry. Bio-mass for energy environment and industry, 8th E.C. Conference, Vienna, 372–379.

60. JASIULEWICZ M. 2009: Efektywność ekonomiczna uprawy wierzby na gruntach marginalnych i możliwości wykorzystania biomasy w energetyce rozproszonej. Ekonomiczne uwarunkowania stosowania odnawialnych źródeł energii. Wydawnictwo Wieś Jutra, Warszawa, 92–101.

61. JEŻOWSKI S. 2003: Rośliny energetyczne – produktywność oraz aspekt ekonomiczny, środo-wiskowy i socjalny ich wykorzystania jako ekopaliwa. Postępy Nauk Rolniczych 3: 61–73.

62. KANAFOJSKI C. 1980: Teoria i konstrukcja maszyn rolniczych. Tom 2. Cz. I. PWRiL, Warsza-wa, ss. 548.

63. KARWOWSKA E. 2008: Topole z plantacji jako surowiec energetyczny. Czysta energia 2: 28–31.

64. KASPEREK D., SMAGA M., CICHOŃ M., LISOWSKI A., NOWAKOWSKI T. 2008: Opracowanie dokumentacji konstrukcyjnej zmodernizowanej sieczkarni. Raport z zadania nr I.6.3 projektu badawczego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 7, plus dokumentacja konstrukcyjna.

65. KAUTER D.I., LEWANDOWSKI I., CLAUPEIN W. 2003: Quantity and quality of harvestable biomass from Populus short rotation coppice for solid fuel use – a review of the physiological basis and mangement influence. Biomass and Bioenergy 24, 411–427.

66. KOFMAN P.D. 2005: Establishment and harvesting of willow SRF in Denmark. http://www.coford.ie/iopen24/pub/pub/Seminar/2005/Kofman.pdf.

67. KOLOWCA J. 1986: Wpływ obciążeń mechanicznych na odkształcenia i wartość biologiczną ziarna pszenicy. Rozprawa habilitacyjna. AR w Krakowie.

68. KOPER R. 1980: Właściwości mechaniczne ziarna i źdźbła pszenicy wyznaczone metodą inter-ferometrii holograficznej i elastooptyki. Rozprawa habilitacyjna. Wydawnictwo AR w Lublinie.

69. KOŚCIK B. (red.) 2003: Rośliny energetyczne. Wydawnictwo AR w Lublinie, ss. 146.

137

Literatura

70. KOŚCIK B., KOWALCZYK-JUŚKO A., KOŚCIK K. 2003: Uprawa miskanta cukrowego i spartiny preriowej. Ogniwa paliwowe i biomasa lignocelulozowa szansą rozwoju wsi i miast. WSISiZ, Warszawa, 51–54.

71. KOŚCIK B., KOWALCZYK-JUŚKO A., KOŚCIK K. 2004. Plantacje energetyczne traw wielolet-nich. Wieś Jutra 3(68): 56–57.

72. KOWALCZYK-JUŚKO A. 2003: Topinambur. [W:] Rośliny energetyczne, red. Kościk B. Wydaw-nictwo AR w Lublinie, 96–110.

73. KOWALCZYK-JUŚKO A. 2004: Nowa roślina energetyczna ślazowiec pensylwański. Kurier Rol-niczy 8: 9–10.

74. KOWALCZYK-JUŚKO A. 2009: Przydatność wybranych gatunków roślin do energetycznego wykorzystania. [W:] Biomasa jako źródło energii, red. Jackowska I., Wydawnictwo Wieś Jutra, Warszawa, 39–50.

75. KOZAK M. 2006: Możliwości uprawy i wykorzystania miskanta olbrzymiego na cele energetycz-ne w Polsce cz. I, Ekonatura 4(28): 18.

76. KOZAKIEWICZ P., WIKTORSKI T. 2007: Robinia akacjowa (Robinia pseudoacacia L.) – drewno egzotyczne z Ameryki Północnej. Przemysł Drzewny 1: 25–28.

77. KRASZKIEWICZ A. 2008: Ocena ciepła spalania i wartości opałowej wybranych sortymentów drewna robinii akacjowej na tle klas grubości. MOTROL 10: 67–72.

78. KRISTENSEN E.F. 2003: Harvesting and handling of miscanthus – Danish experiences 2003. Proc. 1st meeting of IEA-Bioenergy Task 30, Denmark, September 22–25, 2001. [W:] Jørgensen U., Verwijst T. (red.), DIAS report – Plant Production 86: 41–46 (www.shortrota-tioncrops.org).

79. KRÓL K. 2004: Wierzba wiciowa – cenna roślina energetyczna. Technika Rolnicza Ogrodnicza Leśna 3: 18–22.

80. KUSTERMANN M.F., KUTZACH H.D. 1982: Younga’s modulus dependent on deformation ve-locity. ASAE Paper, 82–3055.

81. KWAŚNIEWSKI D. 2007: Techniczno-ekonomiczne aspekty zbioru na plantacjach wierzby energetycznej. Inżynieria Rolnicza 6: 129–135.

82. KWAŚNIEWSKI D., MUDRYK K., WRÓBEL M. 2006: Zbiór wierzby energetycznej z użyciem piły łańcuchowej. Inżynieria Rolnicza 13: 271–277.

83. KWAŚNIEWSKI D., MUDRYK K., WRÓBEL M. 2008: Ocena zbioru wierzby energetycznej z użyciem kosy spalinowej. Inżynieria Rolnicza 10: 159–165.

84. Laboratorium maszyn rolniczych. 2001: Praca zbiorowa. Wydawnictwo SGGW, Warszawa, ss. 140.

85. LAVOIE F., D’AMOURS L., SAVOIE P. 2007: Development and field performance of a willow cutter-shredder-baler. VDI BERICHTE, VOL 2001: 311–316.

86. LAVOIE F., SAVOIE P., D’AMOURS L., JOANNIS H. 2008: Development and field performance of a willow cutter-shredder-baler. Applied Engineering in Agriculture 24(2): 165–172.

87. LECHASSEUR G., SAVOIE P. 2005: Cutting, bundling and chipping short rotation willow. The Canadian society for engineering in agricultural, food, and biological systems. Paper 05-080, ss. 12.

88. LISOWSKI A. (red.) 2009a: Efekty działania elementów wspomagających rozdrabnianie roślin kukurydzy a jakość kiszonki. Wydawnictwo SGGW, Warszawa, ss. 300.

89. LISOWSKI A. 2006: Ścinanie i rozdrabnianie wierzby energetycznej. Technika Rolnicza Ogrod-nicza Leśna 4: 8–11.

90. LISOWSKI A. 2009b: Zbiór energetycznych po polsku. Wiadomości Rolnicze Polska 10(62): 23.91. LISOWSKI A., KLONOWSKI J., NOWAKOWSKI T., STRUŻYK A., CHLEBOWSKI J., KOTECKI

L. 2009a: Badania techniczno-funkcjonalne i energetyczne (stanowiskowe) przystawek ścina-jących i innych zespołów roboczych sieczkarni. Raport z zadania nr I.6.5 projektu badawczego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 13.

92. LISOWSKI A., KLONOWSKI J., STRUŻYK A., NOWAKOWSKI T., WASZKIEWICZ CZ. 2010a: Technologie zbioru roślin energetycznych. [W:] Nowoczesne technologie pozyskiwania i energe-tycznego wykorzystania biomasy, red. Rakowski J., Wydawnictwo Instytutu Energetyki, War-szawa, 121–144.

138


93. Lisowski A., Klonowski J., Sypuła M. 2009b: Zastosowanie modelu RRSB do predykcji wy-dzielenia mieszaniny przeznaczonej do produkcji peletów i brykietów. Inżynieria Rolnicza 9(115): 169–176.

94. LISOWSKI A., KLONOWSKI J., SYPUŁA M. 2010b: Comminution properties of biomass in forage harvester and beater mill and its particle size characterization. Agronomy Research 2: 459–464.

95. LISOWSKI A., KLONOWSKI J., WASZKIEWICZ CZ., NOWAKOWSKI T., STRUŻYK A., KOTEC-KI L., DOŁŻYCKI A., SMAGA M. 2007: Opracowanie szczegółowych założeń technicznych do konstrukcji prototypu przystawek ścinających oraz do modernizacji sieczkarni. Raport z zadania nr I.6.1 projektu badawczego zamawianego PBZ–MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 13.

96. LISOWSKI A., KLONOWSKI J., WASZKIEWICZ CZ., NOWAKOWSKI T., STRUŻYK A., GENDEK A., KOTECKI L. 2008a: Budowa bazy danych do modeli matematycznych pracy sieczkarni i technologii zbioru roślin energetycznych. Raport z zadania nr I.6.9 projektu badawczego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 42.

97. LISOWSKI A., KOSTYRA K., KLONOWSKI J., KOTECKI L. 2009c: Hydrauliczne urządzenie do formowania minisilosów. Technika Rolnicza Ogrodnicza Leśna 1: 13–15.

98. LISOWSKI A., NOWAKOWSKI T., CHLEBOWSKI J., ŚWIĄTEK K. 2008b: Opracowanie mode-lu matematycznego pracy sieczkarni wyposażonej w przystawkę ścinającą. Raport z zadania nr I.6.10 projektu badawczego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 98.

99. LISOWSKI A., NOWAKOWSKI T., KLONOWSKI J. 2009d: Właściwości mechaniczne ślazowca pensylwańskiego. [W:] Biomasa jako źródło energii, red. Jackowska I., Wydawnictwo Wieś Jutra, Warszawa, 59–69.

100. LISOWSKI A., NOWAKOWSKI T., KLONOWSKI J., SYPUŁA M., CHLEBOWSKI J. 2009e: Naprę-żenia tnące i energia jednostkowa cięcia łodyg roślin energetycznych. [W:] Produkcja biomasy. Wybrane zagadnienia, red. Skrobacki A., Wydawnictwo Wieś Jutra, Warszawa, 70–80.

101. LISOWSKI A., NOWAKOWSKI T., STRUŻYK A., KLONOWSKI J. 2010d: Design project of row-independent harvesting machine for energetic plants. Agronomy Research. Biosystem Engi-neering. Special issue 1, vol. 8, 149–154.

102. LISOWSKI A., NOWAKOWSKI T., STRUŻYK A., WASZKIEWICZ CZ., KLONOWSKI J., KASPE-REK D., CICHOŃ M. 2010c: Projekt konstrukcyjny bezrzędowej maszyny do zbioru roślin energetycznych. Inżynieria Rolnicza 2(120): 19–25.

103. LISOWSKI A., NOWAKOWSKI T., SYPUŁA M., CHOŁUJ D., WIŚNIEWSKI G., URBANOVIČO-VÁ O. 2009f: Suppleness of energetic plants to chopping. Annals of Warsaw University of Life Sciences – SGGW, Agriculture (Agricultural Engineering) 53: 33–40.

104. LISOWSKI A., PODLASKI S., DĄBROWSKA M., STRUŻYK A., KLONOWSKI J. 2008c: Ocena rozkładu długości cząstek roślin energetycznych rozdrobnionych w rozdrabniaczu bijako-wym. Problemy Inżynierii Rolniczej 4 (62): 77–84.

105. LISOWSKI A., SAR Ł., ŚWIĄTEK K., KOSTYRA K. 2008d: Separator sitowy do analizy rozkła-du długości sieczki. Technika Rolnicza Ogrodnicza Leśna 2: 17–19.

106. LISOWSKI A., STRUŻYK A., KLONOWSKI J., NOWAKOWSKI T. 2010e: Badania laboratoryj-no-polowe (energetyczne, jakościowe) przystawek ścinających i innych zespołów roboczych sieczkarni w różnych warunkach użytkowania. Raport z zadania nr I.6.6 projektu badaw-czego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Le-śnych SGGW, Warszawa, ss. 12.

107. LISOWSKI A., STRUŻYK A., KLONOWSKI J., NOWAKOWSKI T. 2010f: Badania jakości uzyskiwanego surowca. Raport z zadania nr I.6.7 projektu badawczego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 23.

108. LISOWSKI A., STRUŻYK A., KLONOWSKI J., NOWAKOWSKI T. 2010g: Ocena badanych zespołów roboczych i wnioski dotyczące wykorzystania wyników badań. Raport z zadania nr I.6.8 projektu badawczego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 45.

139

Literatura

109. LISOWSKI A., STRUŻYK A., KLONOWSKI J., NOWAKOWSKI T. 2010h: Opracowanie ana-lizy wielowariantowej technologii zbioru roślin energetycznych. Raport z zadania nr I.6.14 projektu badawczego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 16.

110. LISOWSKI A., STRUŻYK A., KLONOWSKI J., NOWAKOWSKI T. 2010i: Weryfikacja mode-li matematycznych oraz wnioski dotyczące ich wykorzystania. Raport z zadania nr I.6.15 projektu badawczego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 14.

111. LISOWSKI A., STRUŻYK A., KLONOWSKI J., NOWAKOWSKI T., CHLEBOWSKI J., SYPUŁA M., GACH S. 2010j: Ecological aspects of energetic plants harvesting. [W:] Selected problems of soil tillage systems and operations, red. Borowski P., Klimkiewicz M., Powałka M. Wyd. WEMA, Warszawa: 108–122.

112. LISOWSKI A., STRUŻYK A., KLONOWSKI J., NOWAKOWSKI T., GACH S. 2009g: Określenie kosztów ponoszonych w technologiach zbioru roślin energetycznych. Raport z zadania nr I.6.12 projektu badawczego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 20.

113. LISOWSKI A., STRUŻYK A., KLONOWSKI J., NOWAKOWSKI T., GACH S. 2010k: Wyzna-czenie obciążeń energetycznych, wydajności pracy i kosztów w technologiach zbioru ro-ślin energetycznych. Raport z zadania nr I.6.13 projektu badawczego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warsza-wa, ss. 14.

114. LISOWSKI A., STRUŻYK A., KLONOWSKI J., NOWAKOWSKI T., SYPUŁA M., CHLEBOW-SKI J., KOTECKI L., ŚWIĄTEK K., ŚWIĘTOCHOWSKI A., MACIAK M., SERGIEL L. 2009h: Określenie obciążeń energetycznych i wydajności pracy w technologiach zbioru roślin energetycznych. Raport z zadania nr I.6.11 projektu badawczego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warsza-wa, ss. 48.

115. MAJTKOWSKA G., MAJTKOWSKI W. 2005: Trawy źródłem energii. [W:] Trawy i rośliny mo-tylkowe. Wydawnictwo Biznes-Press Sp. z o.o. Warszawa, 94–97.

116. MAJTKOWSKI W. 2006: Bioróżnorodność upraw energetycznych podstawą zrównoważonego rozwoju. Problemy Inżynierii Rolniczej 2: 25–36.

117. MAJTKOWSKI W., PODYMA W., GÓRAL S. 1996: Gatunki roślin do rekultywacji terenów zdegradowanych przez przemysł i gospodarkę komunalną. [W:] Nowe rośliny uprawne na cele spożywcze, przemysłowe i jako odnawialne źródła energii. Wydawnictwo SGGW, Warszawa, 136–148.

118. MANI S., TABIL L.G., SOKHANSANJ S. 2003: An overview of compaction of biomass grand. Powder Handling and Processing 15(2): 160–168.

119. MARTYN W. 2003: Ogólne warunki przyrodnicze dla uprawy roślin energetycznych. Rośliny energetyczne, red. Kościk B. Wydawnictwo AR w Lublinie, 28–44.

120. MATUSZKIEWICZ W. 2008: Przewodnik do oznaczania zbiorowisk roślinnych Polski. Wydaw-nictwo Naukowe PWN, Warszawa, ss. 538.

121. MCRANDAL D.M., MCNULTY P.B. 1980: Mechanical and physical properties of grasses. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers 23(2): 816–821.

122. MICHALAK D. 1997: Modelowe badania wytrzymałościowe ziarna zbóż na użytek projektowa-nia maszyn rolniczych. Prace PIMR, 1: Poznań, 17–21.

123. MOHSENIN N. 1970: Physical properties of plant and animal materials, Vol. 1. Gordon and Breach Science Publishing Cop., New York.

124. MOLAS R. 2007: Uprawa topoli i ślazowca na cele energetyczne. www.bni.com.pl, ss. 14.125. MOLAS R. 2008: Topola czy ślazowiec – rośliny energetyczne. www.instalator.pl, ss. 4.126. MOLA-YUDEGO B., PELKONEN P. 2008: The effects of policy incentives in the adoption of

willow short rotation coppice for bioenergy in Sweden. Energy Police 36(8): 3062–3068.127. MOLENDOWSKI F. 2005: Wartość względnego modułu sprężystości rdzenia kolby kukury-

dzy. VII Międzynarodowa Konferencja Naukowa „Teoretyczne i aplikacyjne problemy inżynie-rii rolniczej”, 21–24 czerwca 2005: 80–82.

128. MURAT E. 1998: Hodowla lasu. Wydawnictwo Świat, Warszawa, ss. 122.

140


129. MUZALEWSKI A. 2006: Koszty eksploatacji maszyn. Wskaźniki eksploatacyjno-ekonomiczne maszyn i ciągników stosowanych w gospodarstwach indywidualnych. Wydawnictwo IBMER, Warszawa, ss. 32.

130. MUZALEWSKI A. 2008: Zasady doboru maszyn rolniczych. www.arimr.gov.pl/pliki/70/0/0/Zas_dob_masz_rol_300309.pdf, ss. 92.

131. NAZARI GALEDAR M., TABATABAEEFAR A., JAFARI A., SHARIFI A. 2008: Bending and shearing characteristiscs of alfalfa stems. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal. Manuscript FP 08 001. Vol. X, ss. 9.

132. NIEDZIÓŁKA I., SZYMANEK M., RYBCZYŃSKI R. 2004: Technologia produkcji kukurydzy cukrowej. Acta Agrophysica 114, ss. 82.

133. NIEUWENHOF P. 2003: Modeling of the energy requirements of a non-row sensitive corn he-ader for a pull-type forage harvester. Praca magisterska. University of Saskatchewan, ss. 90.

134. NIEZGODZIŃSKI M.E., NIEZGODZIŃSKI T. 2009: Wytrzymałość materiałów. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, ss. 288.

135. NORDH N.E. 2005: Long Term Changes in Stand Structure and Biomass Production in Short Rotation Willow Coppice. Praca doktorska. Swedish University of Agricultural Science. diss-epsilon.slu.se/archive/00001001/01/2005120.pdf, ss. 26.

136. NOWAKOWSKI T., LISOWSKI A., KLONOWSKI J., GENDEK A. 2009: Moduł sprężystości przy zginaniu łodyg wybranych roślin energetycznych. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 543: 229–237.

137. NOWAKOWSKI T., LISOWSKI A., STRUŻYK A., DOŁŻYCKI A., SMAGA M. 2008: Koncepcja maszyny do zbioru wierzby krzewiastej. Technika Rolnicza Ogrodnicza Leśna 3: 2–4.

138. O’DOGHERTY M.J. 1982: A review of research on forage chopping. Journal of Agricultural Engineering Research 27: 267–289.

139. O’DOGHERTY M.J., HUBER A.J., DYSON J., MARSHAL C.J. 1995: A study of the physical and mechanical properties of wheat straw. Journal of Agricultural Engineering Research 62(2): 133–142.

140. OSTROWSKI J., GUTOWSKA A. 2008: Model diagnostyczny typowania gruntów przydatnych do upraw roślin energetycznych. Problemy Inżynierii Rolniczej 2: 145–152.

141. PABIS S. 2009: Metodologia i metody nauk empirycznych. Wydawnictwo Uczelniane Politech-niki Koszalińskiej, Koszalin, ss. 228.

142. PASYNIUK P. 2007: Problemy mechanizacji uprawy i zbioru wierzby krzewiastej Salix vimina-lis, Problemy Inżynierii Rolniczej 1 (55): 145–154.

143. PASYNIUK P. 2008: Problemy organizacyjne zbioru wierzby krzewiastej na cele energetyczne. Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna „Rola infrastruktury i techniki w zrówno-ważonym rolnictwie”. Kielce, 13–14 marca 2008, poster, ss. 6.

144. PAULRAUD S., NILSSON C. 2004: The effects of particle characteristics on emissions from burning wood fuel powder. Fuel 83: 813–821.

145. PELLERIN R.A., ANESHANSLEY D.J., PHELPS A., ABRAHAMSON L.P. 1999: Evaluation of tree harvesters and delivery systems for short rotation willow crop. ASAE/CSAE-SCGR, Pa-per 995055.

146. PERSSON S. 1987: Mechanics of cutting plant material. American Society of Engineers, St. Joseph, Michigan, US, ss. 288.

147. PISKIER T. 2006: Nakłady robocizny i koszty uprawy topinamburu. Inżynieria Rolnicza 11: 359–365.

148. PN-91/D-95009: Surowiec drzewny. Zrębki leśne, ss. 4.149. PN-EN 13183-1. Wilgotność sztuki tarcicy. Część 1: Oznaczenie wilgotności metodą suszar-

kowo-wagową.150. PORDESIMO W.C., EDENS W.C., SOKHANSANJ S. 2004: Distribution of aboveground bio-

mass in corn stover. Biomass and Bioenergy 26(4): 337–343.151. PRASAD T., GUPTA C.P. 1975: Mechanical properties of maize stalk as related to harvesting.

Journal of Agricultural Engineering Research 20(1): 79–87.152. PRINCE R.P., BARTOK T.W., BRADWAY D.M. 1969: Shear stress and modulus of elastici-

ty of selected forages. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers 12(4): 426–429.

141

Literatura

153. REES D.V. 1982: A discussion of the sources of dry matter loss during the process of hayma-king. Journal of Agricultural Engineering Research 27: 469–479.

154. REMLEIN-STAROSTA D., NIJAK K. 2007: Ślazowiec pensylwański – wstępne wyniki badań nad możliwościami ochrony przed agrofagami. Progress in Plant Protection/Postępy w Ochro-nie Roślin 47 (4): 358–362.

155. ROSZEWSKI R. 1996: Miskant olbrzymi – Miscanthus sinensis giganteus. [W:] Nowe rośliny uprawne na cele spożywcze, przemysłowe i jako odnawialne źródła energii. Wydawnictwo SGGW, Warszawa, 123–135.

156. SAMSON R., MANI S., BODDEY R., SOKHANSANJ S., QUESADA D., URQUIAGA S., REIS V., LEM C.H., CARPIO C. 2005: The potential of C4 perennial grasses for developing a global bio-heat industry. Critical Reviews in Plant Sciences 24(5–6): 461–495.

157. SANDERSON M.A., EGG R.P., WISELOGEL A.E. 1997: Biomass losses during harvest and storage of switchgrass. Biomass and Bioenergy 12(2): 107–114.

158. SAWICKI B., KOŚCIK K. 2003: Trawy i zbiorowiska trawiaste. [W:] Rośliny energetyczne, red. Kościk B., Wydawnictwo AR w Lublinie, 111–135.

159. SCHWAB E.C., SHAVER R.D., SHINNERS K.J. LAUER J.G., COORS J.G. 2002: Processing and chop length effects in brown-midrib corn silage on intake, digestion, and milk production by dairy cows. Journal of Dairy Science 85: 613–623.

160. SHAW M.D., TABIL L.G. 2007: Compression, relaxation, and adhesion properties of select biomass grinds. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal. Manuscript PM 07 006, Vol. IX, ss. 16.

161. SHINNERS K.J., BINVERSIE B.N., SAVOIE P. 2003: Harvest and storage of wet and dry corn stover as a biomass feedstock. ASAE Paper 03-6088.

162. SKUBISZ G. 2001: Development of studies on the mechanical properties of winter rape stems. International Agrophysics 15: 197–200.

163. SKUBISZ G., RUDKO T., SALAMON Z. 2001: Determination of the mechanical properties of blackcurrant shoots. International Agrophysics 15: 287–291.

164. ŚLIPEK Z., KACZOROWSKI J., FRĄCZEK J. 1999: Analiza teoretyczno-doświadczalna tarcia materiałów roślinnych. PTIR, Kraków, ss. 188.

165. ŚLIWIŃSKI M. 2009: Rdestowce. Zielona planeta 2 (83): 10–13.166. SOKHANSANJ S. 2006: Overview of the Integrated Biomass Supply Analysis and Logistic

(IBSAL). A special publication Oak Ridge National Laboratory, ORNL/TM, ss. 38.167. SOKHANSANJ S., FENTON J. 2006: Cost benefit of biomass supply and pre-processing.

BIOCAP, Kanada, ss. 32.168. SPINELLI R. 1999: A review of short-rotation forestry harvesting in Europe. http://www.

woodycrops.org/paducah/spinelli.html.169. SPINELLI R. 2001: Report on the CRL Mk II SRC harvester. www.treepower.org/harve-

sting/crl.pdf, ss. 7.170. SPINELLI R., KOFMAN P. 1996: A Review of Short-Rotation Forestry Harvesting in Europe,

First Conference of the Short Rotation Woody Crops Operations Working Group, Paducah, KY, September 23–25.

171. SRIVASTAVA A.K., GOERING C.E., ROHRBACH R.P. 1993: Engineering principles of agricul-tural machines. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers Michigan, ss. 601.

172. STRUŻYK A., LISOWSKI A., NOWAKOWSKI T. 2009: Prędkość krytyczna rozdrobnionego ma-teriału z wybranych roślin energetycznych. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 543: 327–335.

173. STUART W.B. 1994: Mechanization of short rotation, intensive culture wood crops. http://www.woodycrops.orga/mechconf/stuart.html, ss. 131.

174. STYK B., STYK W. 1994: Ślazowiec pensylwański – surowiec energetyczny. Annales Univer-sitatis Mariae Curie-Skłodowska, Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego w Lublinie, suppl. 49: 85–87.

175. STYLES D., THORNE F., JONES M.B. 2008: Energy crops in Ireland: An economic compari-son of willow and Miscanthus production with conventional farming systems. Biomass and Bioenergy 32(5): 407–421.

142


176. SZCZUKOWSKI S., TWORKOWSKI J. 2000. Produktywność wierzb krzewiastych Salix sp. na glebie organicznej. Inżynieria Ekologiczna 1: 138–144.

177. SZCZUKOWSKI S., TWORKOWSKI J. 2001: Produktywność oraz wartość energetyczna bio-masy wierzb krzewiastych Salix sp. na różnych typach gleb w pradolinie Wisły. Postępy Nauk Rolniczych 2: 39–38.

178. SZCZUKOWSKI S., TWORKOWSKI J. 2004: Plantacje energetyczne wierzby i innych roślin wieloletnich. Wieś Jutra 3(68): 53–55.

179. SZCZUKOWSKI S., TWORKOWSKI J. 2009: Wybrane aspekty plonowania i wykorzystania biomasy wierzby. Produkcja biomasy. Wybrane problemy. Wydawnictwo Wieś Jutra, Warsza-wa, 15–23.

180. SZCZUKOWSKI S., TWORKOWSKI J., STOLARSKI M. 2006: Wierzba energetyczna. Wydaw-nictwo Plantpress, Kraków, ss. 46.

181. SZYSZAK J., PIEKARSKI W., KRZACZEK P., BORKOWSKA H. 2006: Ocena wartości energe-tycznych ślazowca pensylwańskiego dla różnych grubości pędów rośliny. Inżynieria Rolnicza 6: 311–318.

182. Technical Note, 1998: Harvesting and comminution of short rotation coppice. Forest Rese-arch 8, ss. 12.

183. THARAKAN P.J., VOLK T.A., ABRAHAMSON L.P., WHITE E.H. 2003: Energy feedstock cha-ractersitics of willow and hybrid poplar clones at harvester age. Biomass and Bioenergy 25, 571–580.

184. TOKARSKA-GUZIK B. 2005: Azjatyckie rdestowce – zagrożenie dla rodzimej szaty roślinnej. Przyroda Górnego Śląska 41: 8–9.

185. WĘGOREK T. 2003: Drzewa. [W:] Rośliny energetyczne, red. Kościk B. Wydawnictwo AR w Lublinie, 45–55.

186. WILKINSON J.M., EVANS E.J., BILSBORROW P.E., WRIGHT C., HEWISON W.O., PILBE-AM D.J. 2007: Yield of willow cultivars at different planting densities in a commercial short rotation coppice in the north of England. Biomass and Bioenergy 31(7): 469–474.

187. WIŚNIEWSKI G., PODLASKI S. 2008: Agrotechnika roślin uprawianych na cele energetyczne. Energia odnawialna. Mazowiecki Ośrodek Doradztwa Rolniczego, Płońsk, 77–91.

188. WOLIŃSKI J., WOLIŃSKA J. 2007: Ocena właściwości mechanicznych łodyg gryki odmian Hruszowska, Luba i Panda. Inżynieria Rolnicza 7: 243–247.

189. WOMAC A.R., YU M., IGATHINATHANCE C., HAYES D., NARAYAN S., SKOHANSANJ S., WRIGHT L. 2005: Shearing characteristics of biomass for size reduction. ASAE Paper05-6058.

190. www.agrarweb.at.191. www.coppiceresources.co.uk.192. www.google.pl.193. www.gtmachinerysales.com.au.194. www.metaltech.com.pl.195. www.salix.se.196. www.smul.sachsen.de.197. www.ze.strefa.pl.198. YILJEP Y., MOHAMMED U. 2005: Effect of knife velocity on cutting energy and efficiency

during impact cutting of sorghum stalk. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejo-urnal. Manuscript PM 05 004, Vol. VII.

199. ZABIELSKI S. 1998: Plantacyjna uprawa drzew i krzewów szybko rosnących. Wydawnictwo AR w Poznaniu.

200. ZAWADZKA D., SŁAWSKI M. 2007: Las. Wydawnictwo Multico, Warszawa, ss. 336.201. ZHANG M. 2002: Design and evaluation of corn silage-making system with shredding. Praca

doktorska. The Pennsylvania State University College of Engineering. Pennsylvania, ss. 198.202. ZOERB G.C., HALL C.W. 1960: Some mechanical and rheological properties of grains. Jour-

nal of Agricultural Engineering Research 5 (1): 83–93.

143

Streszczenie

Intensywne technologie produkcji rolniczej mogą przyczyniać się do degrada-cji środowiska naturalnego. W związku z tym dużą uwagę należy kierować na wszelkie działania proekologiczne, w tym związane z uzasadnionymi ekono-micznie, nowymi technikami zbioru tych roślin. Dobór technologii zbioru roślin energetycznych zależy od ich rodzaju. Rośliny te można zbierać jedno- lub dwu-etapowo, w cyklach jednorocznych lub wieloletnich.

Zbiór jednoetapowy polega na jednoczesnym ścinaniu roślin i rozdrabnia-niu, najczęściej przy zastosowaniu sieczkarni polowej, zarówno ciągnikowej, jak i samojezdnej. Jest więc to równocześnie zbiór roślin w postaci zrębków (drzewa, krzewy) lub sieczki (trawy, byliny). Zbiór dwuetapowy obejmuje dwie niezależne fazy, które są realizowane przez oddzielne maszyny. W pierwszej fa-zie rośliny są ścinane, a w drugiej rozdrabniane. Wyróżnienie tych faz wynika z racji formy surowca lub produktu, jaki chcemy otrzymać. Między tymi fazami może występować klika operacji, zależnie od rodzaju rośliny i formy ściętego materiału. W przypadku roślin krótkiej rotacji w zbiorze dwuetapowym domi-nuje zbiór w postaci całych roślin, a następnie po wysuszeniu materiału – jego rozdrabnianie w warunkach stacjonarnych. Trawy i byliny, po ich ścięciu, są zbierane prasami lub przyczepami zbierającymi. Ogólnie można stwierdzić, że zbiór traw lub bylin można przeprowadzić za pomocą maszyn powszechnie sto-sowanych do zbioru zielonek, siana lub słomy.

Dotychczasowe doświadczenia, jak i specyfika polskiego rolnictwa wskazu-ją na konieczność wdrożenia maszyn, które będą dostępne dla właścicieli ma-łych plantacji oraz pozwolą na terminowe i jakościowo właściwe wykonywanie wszystkich zabiegów agrotechnicznych, a dość niski stopień ich wykorzystania nie wpłynie znacząco na koszty produkcji biopaliwa stałego. Wnioski wynika-jące z dotychczas przeprowadzonych badań są zróżnicowane i trudno jest jed-noznacznie wskazać i zalecić do stosowania określoną technologię zbioru. Zale-cane są różne technologie w zależności od wielkości uprawy, istniejących w go-spodarstwie maszyn, prowadzenia innej produkcji, dysponowanymi środkami transportowymi i innym zapleczem technicznym. Ogólnie można stwierdzić, że technologia jednoetapowa jest zalecana na dużych plantacjach, a dwuetapowa na małych.

W pracy zaprezentowano autorski projekt ciągnikowej sieczkarni do zbioru roślin energetycznych wykonanej w ramach zadania PBZ-MNiSW–1/3/2006. Przystawkę ścinającą z zespołami zabierającym i podnosząco-podającym za-projektowano w dwóch wersjach. W jednym z rozwiązań w zespole podającym zastosowano obrotowe zabieraki palcowe, a w drugim pionowe walce ślimako-we. Rośliny są ścinane piłami tarczowymi o prędkości obwodowej 100 m·s–1. Rozdrabnianie realizowane jest przez bębnowy zespół rozdrabniający, pozwa-lający na cięcie łodyg o średnicy do 70 mm na zrębki o wymiarze 20–60 mm.

144


Podawany do cięcia materiał jest zagęszczany i utrzymywany podczas cięcia przez zębate walce wciągająco-zgniatające. Pocięte łodygi są kierowane przez kanał wyrzutowy do skrzyni środka transportowego.

Zamieszczono również wyniki symulacji nakładów ponoszonych w opraco-wanych technologiach zbioru wierzby. W technologiach zbioru uwzględniono różne rozwiązania odbioru, transportu i rozdrabniania roślin. W celu ułatwienia porównania metod przyjęto, że w każdej technologii produktem końcowym jest materiał rozdrobniony (sieczka lub zrębki). Jednostkowe koszty wytwarzania biomasy na cele energetyczne oraz zużycie paliwa i pracochłonność odniesiono do 1 t suchej substancji pozyskiwanej w omawianych technologiach.

145

Summary

Intensive of plant production processes could contribute to environmental degradation. Therefore, great attention should be directed to any environ-mentally friendly measures, including those related to reasonable cost, new techniques and harvest these plants. Selection of a set of technologies for energetic plants depends on the species. These plants can harvest in one or two stages, in annual or multi–annual cycles.

Single-stage harvest consists of a set of simultaneous cutting and bre-aking-up plants, mostly using a forage harvester, both of tractors and self-propellers. So it is also a harvest of plants in the form of chips (willow, poplar, shrubs) or chopped (grasses, perennials). A set of two-stage includes two independent phases, which are performed by separate machines. In the first phase of the plants are cut down and the other broken-up. Distinction of these phases is apparent because the form of raw material or product, what we get. In between these phases may be several operations, depending on plant species and a truncated form of the material. In the case of short rotation crops in the set is dominated by two-stage set in the form of entire plants, and then after drying the material – its grinding in stationary condi-tions. Grasses and perennials, after felling, are pick-up by balers or forage trailers. Overall, the harvest of grasses and perennial plants can be done by machines commonly used to harvest green fodder, hay or straw.

Past experience and the specifics of Polish agriculture pointing out to necessity to implement the machines, which will be available to owners of small plantations and allow for timely and proper quality carrying out of all agricultural operations and a relatively low rate of utilization does not affect significantly the production costs of solid biofuels. Conclusions from the studies conducted so far are diverse and it is difficult to clearly identify and recommend to use of the particular technology of harvesting. Various tech-nologies are recommended depending on the size plantation, the existing machines in the farm, currying out other production, having at disposal of means of transport and other technical facilities. In general, however, that the single–stage technology is recommended on large plantations, and two-stages – small.

The prototype of harvest universal and non-row machine for harvesting of energetic plants into chips and chaff forms was described. On cutter adapters, which were done at two versions, the patent claim no. P 385 536 in the Patent Office was made. At one version the feeding unit have elastic fingers and other – spiral rolls. Machine has module of construction, which will provide its easily modification, and hydraulic drive with electro hydraulic steering provide on choosing working parameters of working elements and units for different field conditions. The machine is able to cut of plants on high to 100 mm and shoot

146


diameter to 70 mm and break up on particles with size 20–60 mm. Fed to the cutting material is compressed and held during cutting by grooving rolls of feeding-compression unit. Cut stalks are directed through the discharge spout to means of transport.

Also includes the results of the simulation input costs in the developed of willows harvesting technologies. The harvesting technology includes a set of different solutions to the collection of material, transport and braking-up plants. In order to facilitate comparison of methods assumes that each end product of technology is broken-up material (chopped straw or wood chips). The unit costs of producing biomass for energy purposes and fuel consump-tion and labor-intensive reference was made to 1 t of dried substance abs-tracted in these technologies.

WYDAWNICTWO SGGW

oferuje w sprzedaży bezpośredniej i wysyłkowej m.in. następujące książki*

Ogrody – historia architektury i sztuki ogrodowej. A. Różańska, T. Krogulec, J. Rylke. 30,0 złPrzyroda i miasto. Praca zbiorowa. T. VI – 30,0 zł, T. VII – 30,0 zł, T. VIII – 40,0 zł, T. IX – 30,0 zł,

T. X (cz. I i II) – 50,0 złWybrane zagadnienia z fi nansów. T. Siudek (red.). 45,0 złEnergia i jej użytkowanie w przemyśle rolno-spożywczym. Praca zbiorowa. 16,0 złEntomologia leśna. T. I i II. A. Szujecki. 50,0 złOchrona konsumenta na rynku żywności. I. Ozimek. 25,0 złPsychologia żywienia. M. Pilska, M. Jeżewska-Zychowicz. 25,0 złWybrane zagadnienia ekologiczne. J. Stawicka i in. 35,0 złProces inwestycyjny i eksploatacja obiektów budowlanych. M. Połoński (red.). 25,0 złChemia rolna. Podstawy teoretyczne i praktyczne. Praca zbiorowa. 28,0 złZarys geologii. T. Falkowski, H. Złotoszewska. 30,0 złPodstawy dietetyki. J. Bujko (red.). 25,0 złĆwiczenia z chemii ogólnej. T. Drapała, A. Kozakiewicz. 27,0 złObsługa konsumenta w gastronomii i cateringu. E. Czarniecka-Skubina. 30,0 złSurowce spożywcze pochodzenia roślinnego. Praca zbiorowa. 35,0 złPodstawy ekonomiki i organizacji gospodarstw rolniczych. M. Gębska, T. Filipiak. 20,0 złPodstawy biooceny żywności. A Gronowska-Senger. 15,0 złOrganizacja usług turystycznych i hotelarskich. Praca zbiorowa. 30,0 złGeodezja z fotogrametrią i geomatyką. J. Wysocki. 40,0 złLogistyka – wybrane zagadnienia. Praca zbiorowa. 35,0 złWprowadzenie do rolnictwa ekologicznego. J. Tyburski, S. Żakowska-Biemans. 40,0 złPodstawy rachunkowości. J. Bereżnicka, J. Franc-Dąbrowska. 30,0 złZarys geometrii wykreślnej. J. Hałkowski, J. Koźmińska. 35,0 złPrzetwórstwo rolno-spożywcze. A. Kaleta, J. Wojdalski. 30,0 złPodstawy techniki cieplnej w inżynierii rolniczej. A. Kaleta, K. Górnicki. 50,0 złEkonomia matematyczna. Teoria. Przykłady. Zadania. U. Grzybowska. 20,0 złRównania różniczkowe zwyczajne rzędu pierwszego. H. i L. Kazieko. 30,0 złĆwiczenia z meteorologii. Praca zbiorowa. 28,0 złFarmakoterapia stanów krytycznych zwierząt. B.F. Kania. 40,0 złEkotoksykologia z elementami mutagenezy i kancerogenezy środowiskowej. A. Sadowska. 40,0 złOznaczanie rodzajów ważnych organizmów fi topatogenicznych (Fungi, Oomycota, Plasmo-

dioporida). J. Marcinkowska. 40,0 złUżytkowanie maszyn i aparatury w przetwórstwie rolno-spożywczym. Wybrane zagadnienia.

J. Wojdalski (red.). 50,0 zł

*Według stanu na dzień 25.08.2010 r. Pełna oferta: www.wydawnictwosggw.pl

Maszynoznawstwo gastronomiczne. R. Zaremba, A. Półtorak. 15,0 złZachowania żywieniowe i ich uwarunkowania. M. Jeżewska-Zychowicz. 25,0 złZachowanie się zwierząt. Zarys problematyki. T. Kaleta. 20,0 złZarys klinicznej bakteriologii weterynaryjnej. K. Malicki, M. Binek (red.). T. I i II – 90,0 złChów kur. E. Świerczewska i in. 29,0 złCzłowiek i owady. J. Boczek. 20,0 złSGGW – wczoraj, dziś, jutro. Praca zbiorowa. 45,0 złCałka – jednokrotna, podwójna, potrójna. H. i L. Kazieko. 30,0 złZbiór zadań z wytrzymałości materiałów. Praca zbiorowa. 25,0 złZielone światy. Praca zbiorowa. 35,0 złZadania z zastosowań matematyki. S. Smolik. 30,0 złNiekonwencjonalne systemy kanalizacji. M. Kalenik. 15,0 złWprowadzenie do ekonometrii dynamicznej i fi nansowej. D. Witkowska i in. 30,0 złDiagnostyka szkodników roślin i ich wrogów naturalnych. J. Boczek (red.). T. II – 13,0 zł,

T. III – 24,0 zł, T. IV – 38,0 złWybrane zagadnienia z ogólnej technologii żywności. A. Jarczyk, E. Dłużewska (red.). 25,0 złPrzewodnik do ćwiczeń z ochrony i konserwacji drewna. B. Andres i in. 20,0 złPrzewodnik do ćwiczeń z chemii żywności. J. Rutkowska. 20,0 złZarządzanie projektem. H. Roszkowski, A.P. Wiatrak. 20,0 złWybrane zagadnienia z technologii żywności. Praca zbiorowa. 40,0 złPrace i egzaminy dyplomowe. Regulaminy, standardy, wskazówki. W. Wójcicki. 10,0 złWoda – uzdatnianie i odnowa. Laboratorium. M. Granops, K. Kaleta. 20,0 złĆwiczenia z fi zjologii człowieka. D. Rosołowska-Huszcz i in. 25,0 złZastosowanie teorii gier w ekonomii i zarządzaniu. E. Drabik. 23,0 złHodowla psów. K. Ściesiński. 40,0 złWartości referencyjne podstawowych badań laboratoryjnych w weterynarii. A. Winnicka. 18,0 złHigiena produkcji żywności. D. Kołożyn-Krajewska i in. 35,0 złKlimat a drewno zabytkowe. P. Kozakiewicz, M. Matejak. 30,0 złZbiór zadań z teorii mechanizmów. M. Miszczak, T. Nowakowski. 18,0 złChemia sanitarna. L. Kiedryńska i in. 25,0 złO powinności nauczyciela. K. Najder-Stefaniak. 16,0 złZbiór zadań i pytań treningowych z chemii organicznej. Praca zbiorowa. 18,0 złAukcje w teorii i praktyce. E. Drabik. 20,0 złInżynieria systemów. M. Jaros, S. Pabis. 15,0 złZeszyt do ćwiczeń z entomologii stosowanej. Praca zbiorowa. 35,0 złĆwiczenia z chemii nieorganicznej. Praca zbiorowa. 15,0 zł

Podane ceny są cenami detalicznymi (bez kosztów wysyłki).Zamówienia prosimy kierować pod adresem:

Wydawnictwo SGGW, ul. Nowoursynowska 166, 02-787 Warszawatel. (22) 593 55 20 (-22, -25 – sprzedaż), e-mail: [email protected]

Zapraszamy do korzystania z naszej oferty!

technologie zbioru roślin energetycznychwip.sggw.pl/download/publikacje_pracownikow/... ·...

Documents