太陽能噴灌系統(tǒng)供給能源與水力性能關(guān)系

劉俊萍，許繼恩，李滔，MUHAMMAD Zaman

(江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

噴灌是一種先進(jìn)的灌溉技術(shù)，可以有效地提高農(nóng)業(yè)水資源利用率[1]，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[2]，對(duì)解決水資源危機(jī)和實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義[3].但在噴灌裝備的使用中，需要電網(wǎng)或者發(fā)電機(jī)供電.由于目前中國部分偏遠(yuǎn)地區(qū)供電不足的問題非常明顯，這些地區(qū)使用電力資源進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉相關(guān)活動(dòng)較為困難，其灌溉效率也并不理想，因此，迫切需要尋求新的能源灌溉技術(shù)來解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉問題.隨著光伏技術(shù)的大力發(fā)展，太陽能作為能源為干旱半干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉提供可靠的電力保證，已成為解決噴灌設(shè)備動(dòng)力問題的最佳選擇[4-5].中國土地覆蓋熱帶、亞熱帶、暖溫帶、中溫帶以及寒溫帶，其中大部分地區(qū)處在北溫帶內(nèi)，整體光照較為充足，非常符合太陽能灌溉技術(shù)的應(yīng)用條件[6].因此研究并推廣新型太陽能灌溉技術(shù)，是解決中國欠發(fā)達(dá)地區(qū)資源稀缺、農(nóng)業(yè)落后等問題的有效途徑.

新型太陽能噴灌系統(tǒng)將太陽能光伏發(fā)電技術(shù)與噴灌機(jī)進(jìn)行集成，將傳統(tǒng)農(nóng)田灌溉方式轉(zhuǎn)變?yōu)樘柲茏则?qū)動(dòng)噴灌，節(jié)能效果顯著.國內(nèi)外學(xué)者對(duì)太陽能灌溉系統(tǒng)的研究主要有：劉曉初等[7]針對(duì)茂名柑橘產(chǎn)業(yè)園的地理、氣候和水文環(huán)境,設(shè)計(jì)了一種利用太陽能和市電互補(bǔ)供電的智能灌溉系統(tǒng)，充分利用太陽能提水和節(jié)水灌溉,有效解決了資源短缺和節(jié)約能源的問題,發(fā)展了節(jié)水、節(jié)能高效灌溉.劉柯楠等[8]構(gòu)建了一種太陽能驅(qū)動(dòng)噴灌系統(tǒng)動(dòng)力需求與光伏功率匹配設(shè)計(jì)方法.通過試驗(yàn)對(duì)機(jī)組行走驅(qū)動(dòng)需求功率計(jì)算理論進(jìn)行了驗(yàn)證.束文強(qiáng)等[9]利用單片機(jī)作為控制器的核心,設(shè)計(jì)出一種可根據(jù)土壤溫濕度等參數(shù)的變化進(jìn)行太陽能自動(dòng)灌溉，且具有顯示功能的系統(tǒng)，較好地實(shí)現(xiàn)了太陽能智能化灌溉.梁占岐等[10]設(shè)計(jì)了一套循環(huán)控制的沙區(qū)太陽能智能控制滴灌系統(tǒng)，以灌溉水源出水量為約束條件,通過核定灌溉面積及系統(tǒng)總用電需求,最終確定太陽能光伏系統(tǒng)的總?cè)萘?VANAN等[11]主張利用太陽能滴灌技術(shù)減少電池的使用，同時(shí)利用太陽能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，減少燃料的消耗.CLOSAS等[12]分析了政策對(duì)光伏提水灌溉裝備研發(fā)應(yīng)用的帶動(dòng)，并提出了地下水監(jiān)測及其可持續(xù)使用的建議.

以上大多是對(duì)太陽能驅(qū)動(dòng)噴灌系統(tǒng)行走動(dòng)力需求和太陽能智能自動(dòng)化進(jìn)行的研究[13-14]，探討政策對(duì)太陽能灌溉系統(tǒng)的影響[15]，或是以國內(nèi)外大型噴灌機(jī)為平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行水力特性分析、優(yōu)化和開發(fā)一些噴灌系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備[16-17],而關(guān)于太陽能噴灌系統(tǒng)供給能源與系統(tǒng)水力特性參數(shù)的變化關(guān)系研究并不多見.

文中以太陽能噴灌系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)太陽能噴灌系統(tǒng)供給能源與系統(tǒng)水力特性參數(shù)的變化關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究，掌握太陽能噴灌系統(tǒng)光照強(qiáng)度與系統(tǒng)工作參數(shù)及噴灑均勻性的變化規(guī)律，獲得系統(tǒng)滿足噴灑均勻性條件下的光照強(qiáng)度范圍，希望能為新型太陽能噴灌系統(tǒng)的合理、高效利用提供依據(jù).

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 系統(tǒng)簡介

太陽能噴灌試驗(yàn)所用的主要設(shè)備有太陽能板、太陽能控制器、噴頭、離心泵，其型號(hào)為MG80C，額定功率1.1kW，流量4.7m3/s，揚(yáng)程38m，轉(zhuǎn)速2950r/min；儲(chǔ)水箱容量為2000L；壓力表的量程1MPa,精度0.02MPa；電磁流量計(jì)的準(zhǔn)確度為0.5級(jí)，流量范圍18m3/h，水管為38m.太陽能噴灌系統(tǒng)示意圖如圖1所示.

圖1 太陽能噴灌系統(tǒng)示意圖

太陽能板將吸收的光能轉(zhuǎn)化為直流電能，太陽能控制器中的逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，交流電電能驅(qū)動(dòng)離心泵工作，帶動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn).

太陽能板由8塊265W的太陽能電路板組成，斜向45°放置.系統(tǒng)所用噴頭選取國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛、運(yùn)行較為穩(wěn)定的NelsonR2000型號(hào)噴頭，如圖2所示.噴頭的安裝高度為1.2m.噴頭的性能參數(shù)：射程為8.2～9.4m，壓力為0.20～0.40MPa，流量為0.311～0.442m3/h，4個(gè)噴頭正方形布置，組合間距為10m，網(wǎng)格狀布置，雨量筒間距為2m，雨量筒內(nèi)徑為20cm、高度為60cm.

圖2 噴頭樣機(jī)

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)?zāi)康臑檠芯刻柲車姽嘞到y(tǒng)中光照強(qiáng)度與泵出口流量、泵出口壓力和系統(tǒng)噴灌均勻系數(shù)的關(guān)系.本試驗(yàn)在江蘇大學(xué)噴灌實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，該實(shí)驗(yàn)室為直徑44m的圓形大廳.太陽能板在試驗(yàn)時(shí)推至實(shí)驗(yàn)室外，并根據(jù)不同時(shí)間調(diào)整方向以正對(duì)陽光，系統(tǒng)噴灌設(shè)備放置室內(nèi)，排除了風(fēng)的干擾.試驗(yàn)數(shù)據(jù)測量具備良好的條件.系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，每隔15min測量1次光照強(qiáng)度、泵出口壓力、泵出口流量，待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)1h后，記錄噴灌強(qiáng)度，并計(jì)算系統(tǒng)噴灌均勻系數(shù).試驗(yàn)時(shí)間為2018-07-13—2018-09-14間的15 d，每天9：00～14：30.光照強(qiáng)度由太陽能勘測儀測得，將太陽能勘測儀垂直放在太陽能板中央，穩(wěn)定3s后記錄讀數(shù)；泵出口流量由設(shè)置在泵出口處的電磁流量計(jì)測得，泵出口壓力由設(shè)置在泵出口處的壓力表測得，系統(tǒng)噴灌強(qiáng)度由雨量筒測得.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 泵出口流量及出口壓力

圖3為泵出口流量及壓力與光照強(qiáng)度關(guān)系曲線，圖中x為光照強(qiáng)度，Q為流量，p為泵出口壓力.

圖3 泵出口流量及壓力與光照強(qiáng)度關(guān)系曲線

由圖3a可以看出，隨著光照強(qiáng)度的增大，系統(tǒng)流量增大，當(dāng)光照強(qiáng)度大于800.0 W/m2時(shí)，泵出口流量為1.82m3/h，并不再增加，基本保持不變.采用指數(shù)回歸法進(jìn)行分析，公式為

Q=a[1-exp(-bx)],

(1)

式中：a，b為系數(shù).

經(jīng)過回歸分析，a,b分別為1.76和0.004，R2=0.82，得到流量與光照強(qiáng)度的關(guān)系式為

Q=1.76[1-exp(-0.004x)].

(2)

由圖3b中可以看出，隨著光照強(qiáng)度的增大，泵出口壓力逐漸增大，當(dāng)光照強(qiáng)度超過800.0 W/m2時(shí)，泵出口壓力穩(wěn)定在0.43～0.44MPa.泵出口壓力隨光照強(qiáng)度的變化與泵出口流量隨光照強(qiáng)度的變化規(guī)律基本一致.同樣采用指數(shù)回歸法進(jìn)行分析，R2=0.72，得到泵出口壓力與光照強(qiáng)度的關(guān)系式為

p=9.58[1-exp(-0.039x)].

(3)

由此可以看出，泵出口流量和壓力與光照強(qiáng)度的變化規(guī)律基本符合指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律.這是因?yàn)楣庹諒?qiáng)度越大，太陽能板接收的能量越大，經(jīng)過太陽能控制器轉(zhuǎn)換而來的交流電也越大，提供給離心泵的電能增大，因此在光照強(qiáng)度低于900.0 W/m2時(shí)，泵出口壓力和泵出口流量隨著光照強(qiáng)度的增大而增大；另外因?yàn)樵囼?yàn)所用噴頭有額定流量與額定壓力，系統(tǒng)噴頭在光照強(qiáng)度達(dá)到900.0 W/m2時(shí)達(dá)到最大工況，因此泵出口壓力和泵出口流量不再隨著光照強(qiáng)度的增加而增加.同時(shí)可通過函數(shù)分布規(guī)律對(duì)不同光照強(qiáng)度下的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測.

2.2 噴頭的射程及水量分布

圖4 平均光照強(qiáng)度和噴頭射程變化曲線

由圖4可以看出，隨著光照強(qiáng)度的增加，噴頭射程大致呈現(xiàn)平緩略有上升的趨勢，且在8.9～9.7 m之間.在光照強(qiáng)度大于900.0 W/m2時(shí)，噴頭射程具有一定的波動(dòng)，但射程值基本保持在9.2 m.因此，當(dāng)平均光照強(qiáng)度大于200.0 W/m2時(shí)，噴頭的噴灑射程趨于穩(wěn)定.這是因?yàn)橄到y(tǒng)所用噴頭工作壓力范圍為0.15～0.40 MPa.在光照強(qiáng)度為200.0～900.0 W/m2時(shí)，系統(tǒng)噴頭工作穩(wěn)定，射程穩(wěn)定在9.1 m左右；當(dāng)光照強(qiáng)度大于900.0 W/m2時(shí)，系統(tǒng)噴頭工作壓力略大于0.40 MPa，所以射程出現(xiàn)了小幅度的波動(dòng).

圖5 不同平均光照強(qiáng)度的單噴頭水量分布

由圖5可以看出，隨著光照強(qiáng)度的增加，距離噴頭較近處點(diǎn)噴灌強(qiáng)度逐漸增加，水量分布曲線形狀由三角形逐步趨于平緩.當(dāng)平均光照強(qiáng)度為225.7 W/m2左右時(shí)，水量分布曲線形狀趨向于梯形.當(dāng)平均光照強(qiáng)度大于900.0 W/m2左右時(shí)，水量分布形狀基本保持不變.這是因?yàn)樵谄骄庹諒?qiáng)度為225.7 W/m2左右時(shí)，噴頭工作壓力較低，有效射程僅為8m左右，因此呈現(xiàn)梯形的水量分布曲線形狀；隨著光照強(qiáng)度的增加，系統(tǒng)噴頭的工作壓力增大，噴頭的有效射程增加，因此水量分布曲線形狀由三角形逐步趨于平緩；當(dāng)平均光照強(qiáng)度大于900.0 W/m2左右時(shí)，系統(tǒng)噴頭工作壓力達(dá)到最大值，射程和流量不再增加，因此水量分布形狀基本保持不變.

2.3 組合噴灌均勻系數(shù)

克里斯琴森均勻系數(shù)CU的定義是各測點(diǎn)水深與平均水深差值的絕對(duì)值之和與平均水深的比值，定量地反映了整個(gè)噴灑面積中水量分布與平均水量偏差的情況，計(jì)算公式[18]為

(4)

將每個(gè)小時(shí)內(nèi)測量的點(diǎn)噴灌強(qiáng)度數(shù)據(jù)采用式(4)進(jìn)行計(jì)算，并將該時(shí)間內(nèi)的光照強(qiáng)度取平均值，得到系統(tǒng)組合噴灌均勻系數(shù)隨平均光照強(qiáng)度的變化曲線，如圖6所示.

圖6 平均光照強(qiáng)度與系統(tǒng)噴灌均勻系數(shù)變化曲線

由圖6可以看出，隨著平均光照強(qiáng)度的增加，均勻性系數(shù)逐漸增大，R2=0.917 6，系統(tǒng)噴灌均勻系數(shù)與光照強(qiáng)度關(guān)系式為

(5)

當(dāng)光照強(qiáng)度低于200.0 W/m2時(shí)，系統(tǒng)供給離心泵的能量不足，系統(tǒng)噴頭無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，所以導(dǎo)致系統(tǒng)噴灌均勻系數(shù)不達(dá)標(biāo).這說明在光照強(qiáng)度低于200.0 W/m2時(shí)，系統(tǒng)無法滿足基本的系統(tǒng)噴灌均勻性要求.由圖6可以看出，光照強(qiáng)度為900.0～1200.0 W/m2，系統(tǒng)噴灌均勻系數(shù)為88%～89%，說明在夏季典型晴天情況下，系統(tǒng)噴灌均勻性良好.這是因?yàn)楣庹諒?qiáng)度為900.0～1200.0 W/m2時(shí)，系統(tǒng)供給離心泵足夠能量，使其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，能提供穩(wěn)定的噴灌所需壓力，所以系統(tǒng)噴灌均勻性較高.當(dāng)光照強(qiáng)度為200.0～600.0 W/m2時(shí)，系統(tǒng)噴灌均勻系數(shù)為76%～82%.

3 結(jié) 論

以太陽能噴灌系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)供給能源與系統(tǒng)水力特性參數(shù)的變化關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

1) 光照強(qiáng)度為150.0～450.0 W/m2時(shí)，泵出口流量及泵出口壓力隨著光照強(qiáng)度的增大而增大，增幅分別為94%和205%；當(dāng)光照強(qiáng)度大于800.0 W/m2時(shí)，泵出口流量和泵出口壓力達(dá)到峰值，分別為1.82，0.44MPa.可以看出，泵出口流量和壓力隨光照強(qiáng)度的變化規(guī)律基本符合指數(shù)分布規(guī)律.

2) 當(dāng)平均光照強(qiáng)度大于200.0 W/m2時(shí)，隨著光照強(qiáng)度的增大，噴頭的噴灑射程穩(wěn)定在9.2m左右，水量分布曲線形狀由三角形逐步趨于平緩.可見在夏季典型天氣工況下，太陽能噴灌系統(tǒng)的射程和水量分布較為穩(wěn)定，工作狀況良好.

3) 太陽能噴灌系統(tǒng)在光照強(qiáng)度大于200.0 W/m2時(shí)系統(tǒng)噴灌均勻性系數(shù)CU大于75%，可正常工作.當(dāng)光照強(qiáng)度大于900.0 W/m2時(shí)，CU大于88%，該系統(tǒng)達(dá)到最佳工作狀態(tài).由此可知，在夏季典型天氣工況下，太陽能噴灌系統(tǒng)可以正常運(yùn)作，且在天氣放晴時(shí)達(dá)到最佳工作狀態(tài).