太陽能驅(qū)動噴灌機組行走動力和光伏功率匹配設(shè)計與試驗

劉柯楠，吳普特※，朱德蘭，代文凱，李 丹，蔡仕彪（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，楊凌 71100；. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，楊凌 71100）

太陽能驅(qū)動噴灌機組行走動力和光伏功率匹配設(shè)計與試驗

劉柯楠1,2，吳普特1,2※，朱德蘭1,2，代文凱2，李 丹2，蔡仕彪2
（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，楊凌 712100；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，楊凌 712100）

為明晰太陽能驅(qū)動噴灌機組動力匹配設(shè)計理論和方法，促進太陽能噴灌機組推廣應(yīng)用，解決能源短缺地區(qū)的灌溉動力問題。文章以課題組研發(fā)的太陽能驅(qū)動噴灌機組為平臺，通過對機組工作方式和行走驅(qū)動理論進行分析，構(gòu)建了一種太陽能驅(qū)動噴灌機組動力需求與光伏功率匹配設(shè)計方法。通過試驗對機組行走驅(qū)動需求功率計算理論進行了驗證，并以夏季典型晴天下機組累積最大工作時長和設(shè)計日標(biāo)準(zhǔn)工作時間為標(biāo)準(zhǔn)，分別從縱向和橫向上對機組日工作能力和光伏系統(tǒng)供電性能進行了分析。結(jié)果表明：噴灌機組行走驅(qū)動功率實測值與理論計算值基本吻合，最大相對誤差為7.3%，進一步驗證了行走驅(qū)動功率理論計算的可靠性；夏季典型晴天下，機組累積最大工作時間隨機組噴灌功率和運行速度減小而變長，以試驗當(dāng)天為例，當(dāng)機組以最大設(shè)計流量、最大運行速度處于最大負(fù)荷工況下時，最大工作時間接近20 h，表明機組工作能力較強；以機組設(shè)計日8 h工作時間為準(zhǔn)，在2016年7月進行了為期一個月的光伏供電監(jiān)測，從橫向上對系統(tǒng)供電能力進行分析，結(jié)果顯示在為期一個月的檢測過程中系統(tǒng)總?cè)彪姇r數(shù)8.75 h，占系統(tǒng)總供電時長的3.5%，表明光伏供電系統(tǒng)可靠性較高。該研究為實現(xiàn)太陽能與農(nóng)業(yè)機械相結(jié)合、太陽能噴灌機組驅(qū)動系統(tǒng)方案設(shè)計與優(yōu)化，促進太陽能驅(qū)動噴灌機組在實際工程中的推廣應(yīng)用，解決能源短缺地區(qū)灌溉動力問題提供了參考。

太陽能；灌溉；設(shè)計；噴灌機組；動力；光伏匹配；試驗

0 引 言

灌溉機械的發(fā)展是促進農(nóng)業(yè)發(fā)展、提高作物產(chǎn)量的保障因素之一。然而隨著全球能源和淡水資源短缺危機的加劇，灌溉已受到水和能源的雙重制約。如何在節(jié)水的同時節(jié)約能源進行灌溉已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水發(fā)展中的必然趨勢[1-3]。在眾多的灌溉機械設(shè)備中，移動式噴灌機組因其自動化程度高、人工投入少、移動方便等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用[4-5]。但在機組的使用過程中需要電網(wǎng)或者發(fā)電機進行電力供應(yīng)，這在一些偏遠缺電地區(qū)或是用電高峰期難以得到保障，使這些缺水、缺電地區(qū)不能進行適時灌溉。太陽能作為清潔環(huán)保的新型能源，取之不盡用之不竭，隨著光伏技術(shù)的日臻成熟，將太陽能作為能量來源為干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉提供可靠的電力保證，已成為解決噴灌及其附屬設(shè)備動力問題的最佳選擇[6-12]。太陽能驅(qū)動噴灌機組將太陽能光伏發(fā)電技術(shù)與噴灌機進行有機結(jié)合，將傳統(tǒng)農(nóng)田灌溉方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿邮絿姽?，灌溉均勻度高、在?jié)約能源的同時，節(jié)水效果亦相當(dāng)顯著。然而目前對于太陽能驅(qū)動噴灌機組在行走過程中的動力需求和太陽能光伏功率的匹配供給問題研究較少，導(dǎo)致產(chǎn)品并不成熟，使其在農(nóng)業(yè)中的推廣應(yīng)用受到限制。美國Free Power System公司研制出一種太陽能拖拉機用于田間管理[13]。李光林等[14]研發(fā)了一種基于太陽能的柑橘園自動滴灌系統(tǒng)。成珂等[15-17]對太陽能電動車進行了研究。涂琴等[18]研究了輕小型移動式噴灌機噴頭對水量分布的影響。Ortiz等[19]進行了中心支軸式噴灌機噴灌甜菜的均勻度分析。以上研究大多是基于一些傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械和電動汽車作為平臺對太陽能在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用進行研究，或是以國外大型噴灌機為平臺對其進行水利特性分析、優(yōu)化和開發(fā)一些噴灌機組關(guān)鍵配件[20-25]，而關(guān)于太陽能驅(qū)動噴灌機組的研究較少，對太陽能驅(qū)動噴灌機組行走動力需求及光伏功率匹配設(shè)計理論和方法研究并不多見。

鑒于上述背景，本文以課題組自行研發(fā)的太陽能驅(qū)動噴灌機組為平臺，對太陽能驅(qū)動噴灌機組行走動力需求與功率匹配設(shè)計理論和方法進行了初步探討，構(gòu)建一種噴灌機光伏功率匹配設(shè)計方法，通過試驗對所建立方法進行驗證和分析，以期為太陽能噴灌機組行走驅(qū)動以及光伏功率匹配設(shè)計提供依據(jù)，促進太陽能噴灌機組推廣應(yīng)用、為解決中國能源短缺地區(qū)的灌溉動力問題提供參考。

1 機組簡介及各參數(shù)確定

1.1 整機結(jié)構(gòu)

本研究的平臺為課題組自行研發(fā)的太陽能驅(qū)動移動式噴灌機組（以下簡稱“噴灌機”）。如圖1所示，主要由太陽能供電系統(tǒng)、高地隙底盤、輸水桁架、噴頭、水泵等組成。

圖1 噴灌機整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of sprinkler

噴灌機組的太陽能光伏組件通過光電效應(yīng)將太陽的輻射能量轉(zhuǎn)換為電能送往蓄電池中存儲起來，所存儲的電能一部分經(jīng)由步進電機將電能轉(zhuǎn)化為機械能輸出，電機輸出的扭矩經(jīng)減速比i=10的行星齒輪減速器后再經(jīng)傳動比為80∶1的蝸輪蝸桿減速器后傳遞給車輪，用于驅(qū)動車輪行走和轉(zhuǎn)向；另一部分電能通過臥式離心泵將電能轉(zhuǎn)化為水泵的壓力能，用于噴灌機從水源處提水。噴灌機采用控制兩側(cè)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速差的方式實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，所用步進電機均配有用于控制轉(zhuǎn)速的驅(qū)動控制器，通過控制電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)行走輪直線行駛。由于噴灌機作業(yè)時運行于田間，為了不影響作物生長并未保留傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械的車橋及傳動橋等機構(gòu)，考慮到噴灌機結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動系統(tǒng)效率和控制的方便性，本文選擇輪邊驅(qū)動作為太陽能驅(qū)動噴灌機組的驅(qū)動方式，其行走驅(qū)動方式如圖2所示。

圖2 行走驅(qū)動方式Fig.2 Walking drive mode

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)農(nóng)田常規(guī)灌溉的實際需要，按機組最大流量48 m3/h，最大行走速度1 m/min計算，動力采用低速大力矩步進電動機。噴灌機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 噴灌機主要性能參數(shù)Table 1 Sprinkler main performance parameters

1.3 動力傳動系統(tǒng)參數(shù)確定

1.3.1 行駛驅(qū)動功率計算

1）水平面行走功率

計算得整個機組的最大質(zhì)量為3 500 kg，輪胎滾動摩擦系數(shù)取0.3，考慮到噴灌機運行速度一般較小，且變化較小，忽略行駛中的空氣阻力和加速阻力[26-28]。噴灌機在路面行駛時輪胎與路面產(chǎn)生相互作用，產(chǎn)生滾動阻力與能量損失，所受滾動阻力可表示為

上式中F為滾動阻力，N；g為重力加速度，取9.8 N/kg；m為噴灌機質(zhì)量，3 500 kg；f為摩擦系數(shù)，取0.3，將各參數(shù)代入上式中可計算出噴灌機水平面行走所需驅(qū)動力為F=10 290 N。

噴灌機水平路面行駛所需功率由水平面行駛驅(qū)動力與行駛速度決定，課題組研制噴灌機速度行駛范圍為0～1 m/min。以最高行駛速度作為功率確定依據(jù)，所需驅(qū)動功率計算公式為

式中P1為最大行走功率，W； vmax為噴灌機設(shè)計最快作業(yè)速度，取0.017 m/s；依據(jù)經(jīng)驗，η為機械效率，取0.8；代入式（2）可得噴灌機水平路面行走所需最大驅(qū)動功率為218.67 W。

2）坡道行駛功率

噴灌機在坡道上行駛時不僅需要克服滾動阻力還需克服噴灌機重力沿坡道的分量，此分量即為坡道阻力，噴灌機沿著坡道行駛時的阻力計算可按下式計算

上式中F1為噴灌機上坡時的總阻力，N；α為坡道的角度，取為20°。

噴灌機坡道行駛時運行速度較水平面行駛速度小，噴灌機速度為0～1 m/min，確定坡道行駛驅(qū)動功率時，取噴灌機運行速度為0.4 m/min。則坡道驅(qū)動功率計算為

式中P2為噴灌機沿著坡道行駛時所需的驅(qū)動功率，W；v為坡道運行速度，0.4 m/min。代入各參數(shù)得噴灌機坡道行駛驅(qū)動功率為142.97 W。

3）行駛驅(qū)動總功率確定

噴灌機作業(yè)過程中行走驅(qū)動所需的功率應(yīng)為水平面行走所需功率和坡道行駛所需功率兩者之中的較大者，即218.67 W?？紤]到噴灌機運行過程中由于工況以及路面狀況所引起的功率變化，在確定總的行走功率時應(yīng)該留有一定的功率儲備，用安全系數(shù)γ表示。取噴灌機水平行駛驅(qū)動功率與坡道行駛驅(qū)動功率之中的較大者乘以噴灌機運行安全系數(shù)既得噴灌機行走驅(qū)動的最大功率

式中Pmax為噴灌機行走驅(qū)動所需最大功率，W；考慮到機組行走驅(qū)動功率儲備，γ為行走驅(qū)動安全系數(shù)，取1.2；代入各參數(shù)可得太陽能驅(qū)動移動式噴灌機組所需最大行走驅(qū)動功率為262.4 W。

4）機組總功率確定

太陽能噴灌機是一款農(nóng)田節(jié)水灌溉裝備與一般的太陽能電動車輛相比較，除了需要驅(qū)動噴灌機進行行走之外，還需要進行農(nóng)田灌溉作業(yè)，根據(jù)所研究的噴灌機具體參數(shù)（表1），整個機組設(shè)計最大流量為48 m3/h，機組入口壓力為0.1 MPa。機組進行噴灌作業(yè)時所需水泵的驅(qū)動功率為

式中W為水泵軸功率，W；Q為機組的最大流量，48 m3/h；H為水的揚程，為10 m；η1為機械效率，取0.85。水泵配套電機功率為

式中1.25為考慮電機功率儲備的安全系數(shù)。將各參數(shù)代入，計算的驅(qū)動水泵電機所需功率為1 921.5 W，選用浙江尤奈特電機有限公司BM1424ZXF-2 000 W72V型永磁無刷直流電機，額定功率2 000 W。

太陽能噴灌機組所需負(fù)載總功率為

式中P′為噴灌機組所需總功率，W；Pmax為最大行走所需功率，為262.4 W；依據(jù)經(jīng)驗和各器件參數(shù)，P3為電磁閥消耗功率，取200 W；P4為各傳感器和控制器消耗功率，取100 W。數(shù)據(jù)代入式（8），可求得機組總功率為2 562.4 W。

1.3.2 系統(tǒng)傳動比確定

噴灌機組行走驅(qū)動部分的動力傳遞路線為：太陽能板和蓄電池輸出的電能帶動直流電機運轉(zhuǎn)，根據(jù)所選取電機性能及噴灌機正常行走速度核算總速比為800，因此配備電機輸出的扭矩經(jīng)減速比i=10的行星齒輪減速器后再經(jīng)傳動比為80:1的蝸輪蝸桿減速器后傳遞給車輪。行走動力傳遞結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 行走驅(qū)動機構(gòu)Fig.3 Walking driving mechanism

噴灌機采用四輪差速轉(zhuǎn)向，4個行走輪單獨驅(qū)動，單個驅(qū)動輪的驅(qū)動扭矩為

式中T為噴灌機單個驅(qū)動輪所需驅(qū)動扭矩，N·m；r為噴灌機車輪半徑，為0.5 m；k′為安全系數(shù)，取1.2。代入上式后，得噴灌機每個驅(qū)動輪所需扭矩為1 543.5 N·m。

本噴灌機組設(shè)計工作時的最大行走速度為1m/min,所選行星減速器傳動比i1=10, 渦輪蝸桿減速器傳動比i2=80，由單個驅(qū)動輪所需扭矩和傳動系傳動比可得電機輸出扭矩為

式中T1為電機輸出扭矩，N·m；依據(jù)減速器說明手冊，η1為行星減速機效率，取90%，η2為渦輪蝸桿減速機效率，取70%。代入式（10）后，得驅(qū)動電機輸出扭矩為3.06 N·m。

由噴灌機行走作業(yè)速度，計算驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速為

式中n為電機輸出轉(zhuǎn)速，r/min；代入各參數(shù)得，電機轉(zhuǎn)速為259.9 r/min。

由上可得，所選的驅(qū)動電機，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速n為259.9 r/min時，電機的輸出扭矩不得小于3.06 N·m。經(jīng)查閱電機性能參數(shù)表得到，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速為260 r/min時，電機的輸出轉(zhuǎn)矩大于8 N·m, 大于噴灌機以最大行駛速度行走時所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，能夠牽引驅(qū)動噴灌機，所選電機符合應(yīng)用要求。

1.4 光伏供電系統(tǒng)設(shè)計

光伏供電系統(tǒng)設(shè)計分為蓄電池容量確定和太陽能電池板功率計算2部分。

1.4.1 蓄電池容量確定

光伏供電系統(tǒng)中蓄電池容量的設(shè)計應(yīng)考慮光照強度不足時，蓄電池電量能夠滿足系統(tǒng)持續(xù)工作的需求。當(dāng)選定蓄電池類型后，還需根據(jù)系統(tǒng)工作電壓對蓄電池組進行串并聯(lián)設(shè)計。蓄電池容量的確定與負(fù)載日用電量、蓄電池放電深度、系統(tǒng)自給天數(shù)、環(huán)境溫度等有關(guān)，在綜合考慮各種因素影響后，蓄電池的容量可由下式計算

式中C為蓄電池容量，A·h；Q為負(fù)載日用電量，為20 499.2 W·h；D為系統(tǒng)自給天數(shù)，取1 d；依據(jù)經(jīng)驗[8,29]，F(xiàn)0為蓄電池放電率修正系數(shù)，通常取1.05；DB為蓄電池最大放電深度，取80%；U為系統(tǒng)工作電壓，為72 V；K為溫度修正系數(shù)，取0.95。代入式（12），計算得所需蓄電池容量為393.35A·h。

蓄電池串、并聯(lián)數(shù)的計算公式如下

式中Uo為蓄電池標(biāo)稱電壓，12 V；Co為蓄電池標(biāo)稱容量，200A·h；蓄電池選用（河北風(fēng)帆蓄電池股份有限公司）6-QA-200型閥控式全密封鉛酸蓄電池，電池規(guī)格12 V/ 200 Ah，外形尺寸53.5 cm×29.2 cm×27.9 cm，質(zhì)量39 kg。代入式（13）、（14），經(jīng)計算可知，共需12塊蓄電池，電池組連接形式為每6塊單體蓄電池進行串聯(lián)后，再將2組電池并聯(lián)而成。

1.4.2 光伏電池功率確定

光伏電池功率可根據(jù)下式計算得出

式中PI為光伏電池輸出電流，A；BU為蓄電池組允許的浮充電壓，V;dU為防反充二極管及線路損耗造成的壓降，V。

由于電機工作電壓72 V，蓄電池組額定電壓72 V，單塊蓄電池浮充電壓為13.5～13.8 V，取13.5 V，6節(jié)串聯(lián)后，其浮充電壓BU為81 V，考慮光伏電池防反充二極管及線路的壓降取dU為1.2 V[29-30]。

光伏電池的輸出電流與歷年各月傾斜方陣上平均日輻照量有關(guān)，其電流可通過下式計算

根據(jù)以往研究經(jīng)驗[8,24]，式中3η為光伏電池溫度影響因子，一般取0.95[31]；4η為方陣表面灰塵遮蔽或老化引起的修正系數(shù)，取0.95；5η為方陣組合和偏離最大功率點的修正系數(shù)，取0.95；mT為平均峰值日照時數(shù)，西安地區(qū)取3.92 h。代入上式得輸出電流PI=84.7 A，所需光伏電池功率為6 963 W。配備太陽能板型號為（金源電子電器公司）CS5M32-260峰值功率260 W、峰值電壓49.71 V，峰值電流5.25 A，開路電壓60.49 V，短路電流5.57 A單晶硅太陽能板，轉(zhuǎn)換效率19%，質(zhì)量22 kg，外形尺寸1 650 mm×992 mm×40 mm。

2 試驗測試

2.1 測試方法

為了驗證噴灌機行走驅(qū)動動力計算理論的正確性，進行了噴灌機行走功率測試試驗。通過試驗測量噴灌機在水平面行走過程中4個驅(qū)動電機所需要的行走驅(qū)動功率，將試驗測量值與理論計算值進行比較，分析理論計算值與試驗測量值之間的誤差，進一步確認(rèn)噴灌機行走驅(qū)動理論計算的可靠性。由于深入的田間試驗測試還未開展，目前的研究僅局限于校園操場水泥路面狀況下，試驗在西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院操場進行，試驗中采用4個電量表分別測量噴灌機在設(shè)定速度下4個驅(qū)動輪所需要的驅(qū)動功率，分別測定噴灌機組在1、0.7和0.4 m/min共3種行走速度下的驅(qū)動功率。試驗前調(diào)整好噴灌機并連接好電量表后，啟動噴灌機調(diào)節(jié)噴灌機行走速度為0.4 m/min, 待噴灌機運行平穩(wěn)后開始記錄4個電量表測量的噴灌機4個行走驅(qū)動電機的輸入電流I1、I2、I3和I4，每隔1 min記錄1次數(shù)據(jù)，每次試驗共記錄5次。重復(fù)上述試驗，并將噴灌機速度設(shè)定為0.7和1 m/min速度，再次記錄2次試驗所測量的電流值。

如圖4所示為測試現(xiàn)場。試驗所用電量表為安科瑞電氣股份有限公司型號為PZ72L-DE/Q直流數(shù)顯式電能表，精度等級：0.5。

圖4 行走驅(qū)動功率測試Fig.4 Driving power test

為了檢測光伏供電下噴灌機組工作能力和光伏供電系統(tǒng)性能，分別以典型晴天下機組最長工作時間和噴灌機設(shè)計日標(biāo)準(zhǔn)工作時間為準(zhǔn)作為評價指標(biāo)，進行了光伏電池發(fā)電量試驗。試驗在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院操場（北緯34.30°，東經(jīng)108.10°，海拔402 m）進行。試驗測試儀器選用中國電子科技集團第四十一研究所研究開發(fā)的AV6592型便攜式光伏電池測試儀。試驗前將AV6592測試儀固定于太陽能板邊緣并與太陽能板保持相同傾角，使兩者保持平行。試驗開始后AV6592將每隔10 min自動采集太陽能板測量環(huán)境溫度、光伏電池傾斜面輻照強度、光伏電池伏安特性參數(shù)、全天累計發(fā)電量等關(guān)鍵參數(shù)。

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 機組行走功率

試驗共測得噴灌機組在0.4、0.7和1 m/min，3種速度下的行走功率，如表2所示為試驗所測量數(shù)據(jù)。

通過對比噴灌機組分別在3種運行速度下的實測功率和理論計算功率可知，隨噴灌機組運行速度的增加其驅(qū)動電機輸入電流和機組行駛驅(qū)動功率也相應(yīng)增大，噴灌機組在1、0.7和0.4 m/min運行速度下，行走驅(qū)動功率的理論計算值與試驗測試值基本吻合，最大相對誤差7.3%，進一步驗證了噴灌機行走驅(qū)動計算理論的可靠性。

表2 驅(qū)動功率測試采樣點數(shù)據(jù)Table 2 Driving power test sampling point data

2.2.2 機組工作能力分析

在夏季典型晴天下，通過試驗實時監(jiān)測楊凌地區(qū)光伏電池全天發(fā)電量情況，對光伏發(fā)電狀況和機組工作能力進行了分析。如圖5 a、5b為2015年7月28日以AV6592光伏電池測試儀在中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院測得的光強、溫度和單塊光伏電池功率隨時間變化曲線。

圖5 氣象及功率逐時變化曲線Fig.5 Curves of hourly climatic and power

由圖5可知，在同一天內(nèi)，光伏發(fā)電功率與太陽光照強度變化規(guī)律相近，都近似呈開口朝下的拋物線狀，且在中午時發(fā)電功率達到最大，說明光伏發(fā)電功率受光照強度影響較大。試驗測得單塊太陽能板8:30—17:30累計發(fā)電量為1.1 kWh，整個光伏供電系統(tǒng)全天累計發(fā)電29.7 kWh，可維持2.56 kW的噴灌機組連續(xù)工作運行11.6 h。

噴灌機組最長累積工作時間為機組所獲總電量（當(dāng)天太陽能光伏組件發(fā)電量與蓄電池組存儲電量之和）與機組總負(fù)載功率之比，即：

式中T機為噴灌機組工作時間，h；WP為太陽能板日發(fā)電總量，Wh；WB為蓄電池組存儲電量，Wh；P機為噴灌機組工作所需總功率，W。

噴灌機在蓄電池充滿狀態(tài)下，單獨由蓄電池供電可供機組連續(xù)運行8.1 h。以試驗當(dāng)天為例，光伏發(fā)電量與蓄電池存儲電量總和可供機組連續(xù)運行接近20 h。在完成噴灌機組太陽能光伏組件及蓄電池組配置后，在天氣狀況一定的條件下，機組每天所獲總電量為一定值，噴灌機組最長工作時間由機組工作所需總功率確定，而機組所需總功率由噴灌機組行走速度與水泵功率所確定。根據(jù)式（17）計算得到噴灌機組在48、42、36 m3/h流量下，機組最大工作時長隨機組運行速度結(jié)果，如圖6所示。

圖6 機組全天累積作業(yè)時間Fig.6 Unit cumulative operating time all day

由圖6可知，在機組以最大設(shè)計流量48 m3/h和最大運行速度1 m/min下最長運行時間為20.3 h，在機組以36 m3/h流量，0.2 m/min速度運行下，最大工作時間為28.1 h。機組最大工作時長隨機組流量和運行速度減小而變長，從縱向上看在夏季典型晴天下，當(dāng)機組以最大設(shè)計流量、最大運行速度處于最大負(fù)荷工況下時，最大工作時間接近20 h，表明機組工作能力較強。

2.2.3 光伏供電能力分析

由于光伏發(fā)電受天氣因素影響較大，目前對太陽能光伏發(fā)電并沒有一個統(tǒng)一、可靠的評價標(biāo)準(zhǔn)，為進一步驗證光伏供電系統(tǒng)的可靠性，與2016年7月1日到7月31日采用AV6592光伏測試儀進行了為期一個月的光伏數(shù)據(jù)及發(fā)電量監(jiān)測，在這一個月內(nèi)，以機組設(shè)計日標(biāo)準(zhǔn)工作時間為準(zhǔn)，從橫向上對系統(tǒng)供電能力進行分析，以檢測每日可用電量能否滿足機組設(shè)計日標(biāo)準(zhǔn)工作時間。

以噴灌機組設(shè)計日8h工作時間為例，當(dāng)機組以最大設(shè)計流量和最大運行速度工作情況下，每天所需電量為20 499.2 Wh，蓄電池組滿電荷時可用電量為208 46 Wh。

圖7所示為所測7月份每日實際可用電量與每日耗電量結(jié)果，由圖7可知整個7月份只有7月14日、7月15日和7月30日不能滿足噴灌機組工作8 h，其中7月14日實際可用電量可供機組運行6.44 h，7月15日可供機組運行3.62 h，7月30日可供機組運行5.18 h。在為期一個月的測試中，其中有14d存在能量的溢出，此時系統(tǒng)最大可用電量為41.346 kWh；另有14d沒有能量溢出其中最少可用電量為26.148 kWh，遠大于系統(tǒng)工作8 h所需的20.499 kWh電量，可完全滿足噴灌機組運行8 h標(biāo)準(zhǔn)工作時間。在總的供電時間248 h中，系統(tǒng)總?cè)彪姇r數(shù)為8.75 h，占系統(tǒng)總供電時長的3.5%，表明光伏供電系統(tǒng)可靠性較高。由于氣象條件對系統(tǒng)發(fā)電量影響較大，在實際應(yīng)用中，若氣象條件較好，可在保證蓄電池組滿電荷狀況下，適當(dāng)延長機組日工作時數(shù)，以盡量減小發(fā)電量的益處，提高光伏發(fā)電量利用效率和機組工作能力若氣象條件較差，則以設(shè)計的日工作時間為準(zhǔn)為宜。

圖7 噴灌機組日可用電量與耗電量Fig.7 Daily electricity consumption and power consumption of sprinkler

3 結(jié) 論

1）以課題組自行研發(fā)的太陽能驅(qū)動噴灌機組為研究平臺，針對太陽能噴灌機組驅(qū)動系統(tǒng)的獨特要求，通過對機組動力供需進行理論計算，構(gòu)建了一種太陽能驅(qū)動噴灌機組動力需求與光伏功率匹配設(shè)計方法，并通過試驗對機組行走驅(qū)動需求功率計算理論進行了驗證，結(jié)果表明噴灌機組行走驅(qū)動功率實測值與理論計算值基本吻合，最大相對誤差7.3%，進一步驗證了行走驅(qū)動功率理論計算的可靠性。

2）以機組累積工作時長為標(biāo)準(zhǔn)從縱向上對機組工作能力進行了分析。結(jié)果表明：機組累積最大工作時間隨機組噴灌功率和運行速度減小而變長。在夏季典型晴天下，以試驗當(dāng)天為例，當(dāng)機組以最大設(shè)計流量、最大運行速度處于最大負(fù)荷工況下時，最大工作時間接近20 h，表明機組工作能力較強。

3）為進一步驗證光伏供電系統(tǒng)的可靠性，以機組設(shè)計日8 h工作時間為準(zhǔn)，在2016年7月進行了為期一個月的光伏供電監(jiān)測，從橫向上對供電系統(tǒng)可靠性進行了分析。結(jié)果顯示在為期一個月的檢測過程中系統(tǒng)總?cè)彪姇r數(shù)8.75 h，占系統(tǒng)總供電時長的3.5%，表明光伏供電系統(tǒng)可靠性較高。

[1] 蘭才有，儀修堂，薛桂寧，等. 我國噴灌設(shè)備的研發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J]. 排灌機械工程學(xué)報，2005，23(1)：1-6. Lan Caiyou, Yi Xiutang, Xue Guining, et al. Sprinkler irrigation equipment research and development direction in China[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2005, 23(1): 1-6. (in Chinese with English abstract)

[2] 李字霞，郭艷玲. 節(jié)水噴灌設(shè)備的研究[J]. 林業(yè)機械與木工設(shè)備，2009, 37(2)：12-15. Li Zixia, Guo Yanling. Water-saving irrigation equipment research[J]. Forestry Machinery and Woodworking Equipment, 2009, 37(2): 12-15. (in Chinese with English abstract)

[3] 王國豐. 噴灌技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展建議[J]. 黑龍江水利科技，2006，34(3)：222-223.

[4] 涂琴，李紅，王新坤，等. 不同指標(biāo)輕小型噴灌機組配置優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(22)：83-89. Tu Qin, Li Hong, Wang Xinkun, et al. Optimization of smallscale sprinkler irrigation systems for different indicators[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(22): 83-89. (in Chinese with English abstract)

[5] 潘中永，劉建瑞，施衛(wèi)東，等. 輕小型移動式噴灌機組現(xiàn)狀及其與國外的差距[J]. 排灌機械工程學(xué)報，2003，21(1)：25-28. Pan Zhongyong, Liu Jianrui, Shi Weidong, et al. Status of light weight and small size movable sprinkler irrigation set and its gap with advanced countries[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2003, 21(1): 25-28.

[6] 劉強，黎妹紅，朱明峰，等. 太陽能在智能生態(tài)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J]. 北華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，13(3)：344-347. Liu Qiang, Li Meihong, Zhu Mingfeng, et al. Application of solar energy in intelligent ecological agriculture[J]. Journal of Beihua University: Natural Science, 2012, 13(3): 344-347. (in Chinese with English abstract)

[7] 俞衛(wèi)東. 新能源在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用研究[J]. 農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2014，40(5)：7-10.

[8] 李加念，洪添勝，倪慧娜. 基于太陽能的微灌系統(tǒng)恒壓供水自動控制裝置研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(12)：86-93. Li Jianian, Hong Tiansheng, Ni Huina. Constant pressure water supply automatic device designed for micro-irrigation system based on solar energy[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE)), 2013, 29(12): 86-93. (in Chinese with English abstract)

[9] 王元杰，劉永成，楊福增，等. 溫室微型遙控電動拖拉機的研制與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(22)：23-29. Wang Yuanjie, Liu Yongcheng, Yang Fuzeng, et al. Development and test of tiny remotely controlled electric tractor forgreenhouses[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(22): 23-29. (in Chinese with English abstract)

[10] 楊世昆，杜建強. 太陽能草捆干燥設(shè)備設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2011，42(4)：81-86. Yang Shikun, Du Jianqiang. Design and experiment of bale drying machinery using solar energy[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(4): 81-86. (in Chinese with English abstract)

[11] 李金平，司澤田，孔瑩，等. 西北農(nóng)村單體住宅太陽能主動采暖效果試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(21)：217-222. Li Jinping, Si Zetian, Kong Ying, et al. Experiment on active solar heating effect for monomer building in northwest region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(21): 217-222. (in Chinese with English abstract)

[12] 張學(xué)剛，謝永春，譚興強. 可修正跟蹤精度的低成本全天候太陽跟蹤控制系統(tǒng)研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(24)：59-63. Zhang Xuegang, Xie Yongchun, Tan Xingqiang. Development of inexpensive all-weather solar tracking control system for amendable tracking precision[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(24): 59-63. (in Chinese with English abstract)

[13] The Sunhorse 4812 All Electric Tractor[EB/OL]. [2015-01-24]. http://www.freepowersys.com/TitlePage.htm

[14] 李光林，李曉東，曾慶欣. 基于太陽能的柑桔園自動灌溉與土壤含水率監(jiān)測系統(tǒng)研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(12)：146-152. Li Guanglin, Li Xiaodong, Zeng Qingxin. Development of automatic irrigation and soil moisture monitoring system based on solar energy in citrus orchard[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(12): 146-152. (in Chinese with English abstract)

[15] 成珂，賀延琛. 太陽能電動車能源系統(tǒng)性能預(yù)測[J]. 太陽能學(xué)報，2013，34(7)：1160-1165. Cheng Ke, He Yanchen. Performance prediction of energy system of solar car[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2013, 34(7): 1160-1165. (in Chinese with English abstract)

[16] 李春芳. 太陽能電動車關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2011. Li Chunfang. Research on Key Technology of Solar Electric Car[D]. Changchun: Jilin University, 2011. (in Chinese with English abstract)

[17] 趙云峰，萬杰，朱自萍，等. 太陽能電池在汽車上的應(yīng)用分析[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程， 2011(4)：39-42. Zhao Yunfeng, Wan Jie, Zhu Ziping, et al. The application of solar cells on vehicle[J]. Agricultural Equipment &Vehicle Engineering, 2011(4): 39-42. (in Chinese with English abstract)

[18] 涂琴，李紅，蔡彬. 輕小型移動式噴灌機組配套及性能試驗[J]. 節(jié)水灌溉，2010(11)：59-61. Tu Qin,Li Hong, Cai Bin. Small size movable sprinkler irrigation set configuration and performance experiment[J]. Water Saving Irrigation, 2010(11): 59-61. (in Chinese with English abstract)

[19] Ortiz J N, De Juan J A, Tarjuelo J M. Analysis of water application uniformity from a centre pivot irrigator and its effect on sugar beet (Beta vulgaris L.) yield[J]. Biosystems Engineering, 2010, 105(3): 367-379.

[20] 韓文霆. 噴灌均勻系數(shù)的三次樣條兩次插值計算方法[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2008，39(10)：134-139. Han Wenting. Calculation of sprinkler irrigation uniformity by double interpolation using cubic splines and linear lines[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2008, 39(10): 134-139. (in Chinese with English abstract)

[21] Sanchez I, Zapata N, Faci J M. Combined effect of technical，meteorological and agronomical factors on solid-set sprinkler irrigation: Ⅱ. Modifications of the wind velocity and of the water interception plane by the crop canopy[J]. Agricultural Water Management, 2010, 97(10): 1591-1601.

[22] Wang Junnian, Zhang Xu, Kang Dan. Parameters design and speed control of a solar race car with in-wheel motor[C]. Dearborn, MI, USA: Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC), IEEE, 2014: 15-18.

[23] 劉柯楠，吳普特，朱德蘭，等. 基于GPS的太陽能平移式噴灌機自主導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(16)：89-94. Liu Kenan, Wu Pute, Zhu Delan, et al. Design and experiment of autonomous navigation system for solar powered linear move sprinkler machine based on GPS[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(16): 89-94. (in Chinese with English abstract)

[24] 孫文峰，王艷花，王騰，等. 滾移式噴灌機噴頭優(yōu)選及水力性能優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(3)：99-106. Sun Wenfeng, Wang Yanhua, Wang Teng, et al. Spray head selection and hydraulic performance optimization of roll wheel line move sprinkling irrigation machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(3): 99-106. (in Chinese with English abstract)

[25] 劉柯楠，吳普特，朱德蘭，等. 太陽能渠道式噴灌機自主導(dǎo)航研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2016，47(9)：141-146. Liu Ke’nan, Wu Pute, Zhu Delan, et al. Autonomous navigation of solar energy canal feed sprinkler irrigation machine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(9): 141-146. (in Chinese with English abstract)

[26] Hilliard A, Jamieson G A. Ecological interface design for solar car strategy: From state equations to visual relations[C]. //Systems, Man and Cybernetics, 2007. ISIC. IEEE International Conference on, Montreal, Que, 2007: 139-144.

[27] Gamez M E, Sanchez E N, Ricalde L J. Optimal operation of an electrical microgrid via recurrent neural network[C]. //World Automation Congress (WAC), Puerto Vallarta, Mexico, 2012: 24-28.

[28] Wang Junnian, Zhang Xu, Kang Dan. Parameters design and speed control of a solar race car with in-wheel motor[C].// Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC), IEEE, Dearborn, MI, USA, 2014: 15-18.

[29] 張超，朱思洪，王軍洋，等. 太陽能園藝拖拉機驅(qū)動系統(tǒng)匹配設(shè)計與性能分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(11)：24-30. Zhang Chao, Zhu Sihong, Wang Junyang, et al. Matching design and performance analysis for driving system of solar garden tractor[J]. Transactions of the Chinese Societyof Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(11): 24-30. (in Chinese with English abstract)

[30] Mahmoud M M, Ibrik I H. Techno-economic feasibility of energy supply of remote villages in Palestine by PV-systems, diesel generators and electric grid[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2006, 10(2): 128-138.

[31] 韓涵，黃國華，趙偉，等. 晶體硅太陽電池室外發(fā)電性能實測與分析[J]. 太陽能學(xué)報，2013，34(4)：641-646. Han Han, Huang Guohua, Zhao Wei, et al. Test and analysis of outdoor power generation performance of crystalline silicon solar cells[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2013, 34(4): 641-646. (in Chinese with English abstract)

Design and test of driving power and photovoltaic power matching for solar-driven sprinkler irrigation unit

Liu Kenan1,2, Wu Pute1,2※, Zhu Delan1,2, Dai Wenkai2, Li Dan2, Cai Shibiao2
(1. Institute of Water-saving Agriculture in Arid Areas of China, Northwest A&F University, Yangling, 712100, China; 2. College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Yangling, 712100, China)

The development of effective irrigation machine is one of the factors which can promote the development of agriculture and increasing crop yield. Facing the shortage of energy and limitation of water resources, the development of agricultural irrigation has been constrained. Removable sprinkler irrigation has been widely used due to its high automation, labor saving, and many other advantages. However, a stable power supply is needed, especially in some remote areas where the maximum electricity cannot be fully guaranteed. This may lead to water shortage for crops, and such areas usually cannot be timely irrigated. The solar-driven sprinkler unit can save energy and water. It is of great significance to improve the efficiency of farmland irrigation, reduce labor costs, and solve the problem of irrigation power in the areas where energy is in shortage. In order to improve irrigation efficiency, reduce labor cost, and solve the problem of irrigation power in those areas, the present research was carried out on the driving force demand and the photovoltaic power matching of the unit through the solar energy to drive sprinkler irrigation, which was developed by our research group. According to the characteristics of the unit structure and the driving power, a dynamic design and matching design method of the solar energy drive sprinkler unit were constructed by theoretical calculation of the power supply and demand of the unit. The calculated power of the driving demand was verified through experiments. The typical working hours and designed daily standard working hours of the typical sunny summer units were evaluated for the working capacity of the unit and the power supply capacity of the PV system. The results showed that the measured value of travel drive power was basically consistent with the theoretical calculated value, and the maximum relative error was 7.3%, indicating the reliability of the calculation of travel drive power. At the typical summer sunny day, the maximum cumulative working time of the unit increased with the decreases in irrigation power and running speed of the unit. Taking the tested day as an example, when the unit reached the maximum designed flow, the maximum operating speed was then in the maximum load condition and the maximum working time was about 20 hours, showing a stronger ability of the unit. A one-month PV power supply monitoring was conducted in Jul, 2016 on the basis of daily designed duration of 8 hours. And this made a study on power supply capacity through the horizontal of the system. The results showed that during the one-month detection process, the total systematic power shortage duration was about 8.75 hours, accounting for about 3.5% of the total power supply duration. This indicated that the photovoltaic power supply system had a high reliability. This study can provide references for realizing the combination of solar energy and agricultural machinery, designing and optimizing drive system of the solar-driven sprinkler unit, promoting the popularization and application of solar powered irrigation unit in engineering, and solving the problem of irrigation power shortage in the regions with less energy.

solar; irrigation; design; sprinkler irrigation unit; power; photovoltaic match; test

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.013

TP242.4

A

1002-6819(2017)-16-0096-08

劉柯楠，吳普特，朱德蘭，代文凱，李 丹，蔡仕彪. 太陽能驅(qū)動噴灌機組行走動力和光伏功率匹配設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(16)：96-103.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.013 http://www.tcsae.org

Liu Kenan, Wu Pute, Zhu Delan, Dai Wenkai, Li Dan, Cai Shibiao. Design and test of driving power and photovoltaic power matching for solar-driven sprinkler irrigation unit[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 96-103. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.013 http://www.tcsae.org

2017-04-12

2017-07-29

“十二五”國家科技支撐計劃(2015BAD22B01-02)；科技部國際合作項目（2014DFG72150）；教育部、國家外國專家局“111”計劃項目（B12007）

劉柯楠，陜西西安人，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)機械自主導(dǎo)航研究。楊凌 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，712100。

Email：kenan_liu@126.com

※通信作者：吳普特，陜西武功人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事水土保持與節(jié)水農(nóng)業(yè)等方面的研究工作。楊凌 中國科學(xué)院水利部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，712100。Email：gjzwpt@vip.sina.com