光照強度對光伏抽水灌溉系統(tǒng)性能的影響

談明高， 云天平， 吳賢芳，劉厚林，馬皓晨

(1. 江蘇大學國家水泵及系統(tǒng)工程技術研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 江蘇大學鎮(zhèn)江流體工程裝備技術研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 3. 江蘇大學能源與動力工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；4.江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

光伏抽水灌溉系統(tǒng)是光伏水泵技術與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉技術的有機接合.它將光伏水泵抽水系統(tǒng)取出的水通過灌溉系統(tǒng)對農(nóng)作物進行灌溉，具有低能耗、節(jié)約資源、使用方便等優(yōu)點，能夠有效達到節(jié)能、節(jié)水、農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、增收的目的，特別適用于中國光照充足的西北地區(qū)[1-2].光伏抽水灌溉系統(tǒng)由光電池、控制器、光伏水泵、蓄水裝置及灌溉系統(tǒng)等部分組成.出于對環(huán)境保護、降低成本以及便于移動的考慮，光伏抽水灌溉系統(tǒng)一般不采用蓄電池組.因此光照輻射的不穩(wěn)定性給光伏抽水灌溉系統(tǒng)的設計和研發(fā)帶來了極大的挑戰(zhàn).

目前，國內外對光伏水泵和農(nóng)業(yè)噴灌方面已開展了許多研究，MEHMOOD等[3]利用Matlab軟件仿真討論光伏水泵系統(tǒng)的節(jié)能效果，以促進巴基斯坦農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展.PETROSELLI等[4]在意大利維泰博地區(qū)收集一臺光伏水泵1 a運行數(shù)據(jù)，用于確定農(nóng)業(yè)灌溉的使用需求.MASHELENI等[5]使用精確度較高的控制器來實現(xiàn)對光伏抽水系統(tǒng)的良好控制，顯著提高了系統(tǒng)效率.邱林等[6]對傳統(tǒng)光伏組件和具備最大功率點跟蹤設備的光伏組件進行比較，研究表明后者具備更佳的效率.劉明陽等[7]根據(jù)電容充放電原理，通過對光伏水泵啟動電流試驗分析提出一種基于S3C44B0X控制的電容器充放電啟動方法，可有效延長光伏水泵工作時間，供水效率大幅提升.徐斌等[8]提出了一種聯(lián)合供電水泵系統(tǒng)，通過功率補償器進行協(xié)調控制，在光伏發(fā)電不足時自動接入市電進行功率缺額補償.劉鵬等[9]詳細介紹了光伏水泵系統(tǒng)的結構組成，并根據(jù)其結構特點和系統(tǒng)可靠性要求，提出了基于下垂控制原理和電壓補償實現(xiàn)多機并聯(lián)均流運行和最大功率點跟蹤(MPPT)的控制策略.此外，還有學者從光伏逆變器、光伏水泵等方面開展光伏灌溉研究[10-15].

綜上所述可知，目前關于光照強度變化對光伏灌溉系統(tǒng)運行特性的研究還比較缺乏.文中以噴灌均勻度和噴灌強度為評價指標，采用試驗測試的方法研究光照強度對光伏灌溉系統(tǒng)的運行特性的影響規(guī)律，以期為光伏水泵灌溉系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供理論參考.

1 試驗方法

1.1 試驗裝置

測量儀器及試驗器材如表1和表2所示.

表1 光伏水泵噴灌系統(tǒng)性能測量儀器

表2 光伏水泵噴灌系統(tǒng)試驗器材

光伏水泵噴灌試驗裝置由4個部分組成：光伏發(fā)電組件、控制器、光伏水泵和噴頭，其中試驗選用的光伏發(fā)電設備由8塊光伏組件組成.試驗臺實物圖如圖1所示，其中控制臺包含光伏水泵、光伏逆變器、光伏組件等裝置，1號和2號為近端噴頭，3號和4號為遠端噴頭.

圖1 試驗布置圖

噴灌噴頭安裝高度為1.2 m，選擇正方形10 m×10 m區(qū)域為試驗區(qū)，噴頭采用正方形布置，區(qū)域內按1 m×1 m方格網(wǎng)狀布置雨量筒，區(qū)域內共81個雨量筒.

1.2 試驗方案

試驗環(huán)境溫度為28 ℃，光伏組件傾角為45°，在8個光照區(qū)間下進行光伏水泵噴灌試驗，分別為[500，600), [600，700), [700，800), [800，900)，[900，1 000)，[1 000，1 100)，[1 100，1 200)， [1 200，1 300].每個光照區(qū)間進行3次試驗，單次試驗進行6 min；試驗記錄光照強度、光伏組件溫度、光伏組件輸出功率、水泵流量、水泵出口壓力、噴頭進口壓力、噴頭射程和噴頭旋轉周期、雨量筒水量.

1.3 評判指標

農(nóng)業(yè)上噴灌效果的量化指標主要為組合平均噴灌強度、噴灌均勻系數(shù)與分布均勻系數(shù)[16].

1) 組合平均噴灌強度

計算公式為

(1)

2) 噴灌均勻系數(shù)Cu

計算公式為

(2)

3) 分布均勻系數(shù)Du值

計算公式為

(3)

2 試驗結果分析

2.1 系統(tǒng)工作特性

圖2為光照強度E與噴頭射程L、旋轉周期t之間的關系.從圖中可以看出，在光照強度小于900 W/m2時，噴頭射程隨光照強度增大而增大，旋轉周期隨光照強度增大而減少，噴頭運行參數(shù)變化幅度大.當光照強度大于900 W/m2時，噴頭射程和旋轉周期均隨著光照強度增加上下波動，變化幅度相對較小.光照強度從900 W/m2增大到1 300 W/m2，噴頭射程分別為9.3，9.8，9.6，9.7 m，旋轉周期分別為24.5，19.8，23.0，20.9 s.隨光照強度的變化，射程和旋轉周期呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律，即射程最大時旋轉時間最短.

圖2 噴頭射程及旋轉時間隨光照強度變化關系

工作壓力是影響噴頭性能的主要因素，因此射程與旋轉周期變化規(guī)律可能與噴頭工作壓力大小有關.圖3為噴頭工作壓力H隨光照強度E變化曲線.從圖中可以看出，由于存在沿程管路損失，整體上近端工作壓力大于遠端工作壓力.光照強度小于900 W/m2時，噴頭壓力隨光照強度增大而增大，噴頭壓力變化幅度大.光照強度從900 W/m2增大到1 300 W/m2時，噴頭壓力先上升、后下降、再上升，工作壓力波動趨勢與圖2射程波動趨勢一致，與旋轉周期反向一致，變化幅度較小.在1 000 W/m2附近噴頭工作壓力最大，最大近端壓力為 0.440 MPa，最大遠端壓力為0.425 MPa，此時噴頭射程最大，噴頭旋轉周期最小，系統(tǒng)達到飽和工況，系統(tǒng)運行參數(shù)達到最大值.1 100 W/m2光強以后的噴頭工作壓力變化幅度小于2%.

圖3 噴頭工作壓力隨光照強度變化曲線

噴頭工作壓力是由水泵運行工況決定的.圖4為光照強度E與泵流量q、出口壓力Ho的關系.從圖中可以看出，光照強度小于900 W/m2時，泵流量和出口壓力均隨著光照強度增大而增大，運行參數(shù)變化幅度大，泵出口壓力增大幅度大于泵流量.光照強度從900 W/m2增大到1 200 W/m2時，水泵流量和出口壓力與圖3中較高光照強度時噴頭工作壓力波動趨勢一致，運行參數(shù)變化幅度??；當光照強度在1 000 W/m2附近時水泵的流量和出口壓力最大，分別為1.68 m3/h和0.450 MPa，此時水泵運行參數(shù)達到最大值.1 100 W/m2光強以后的出口壓力變化幅度小于2%.

圖4 泵流量及揚程隨光照強度變化曲線

為了進一步分析光伏水泵的運行特性，圖5給出了光照強度E與光伏組件輸出功率P和溫度T的影響規(guī)律.從圖中可以看出，在光照強度小于900 W/m2時，輸出功率和溫度均隨著光照強度增大而增大，運行參數(shù)變化幅度大，輸出功率變化幅度略大于溫度.光照強度從900 W/m2增大到1 200 W/m2時，輸出功率先大幅上升、后小幅下降、再小幅上升，變化幅度比低光強時小，與圖4較高光照強度水泵的出口壓力波動趨勢一致；在1 000 W/m2附近,光伏組件輸出功率最大，對應水泵最大出口壓力和噴頭最大工作壓力.

進一步從圖5中可以看出，在光照強度1 000 W/m2附近，輸出功率變化波動較大，從上升趨勢轉為急劇下降趨勢.這是由于在光照強度小于1 000 W/m2時光伏組件溫度較低，對光伏組件的輸出功率影響較小，影響輸出功率的主要因素是光照強度；當光照強度提升到1 100 W/m2，光伏組件溫度隨著光照強度增加快速上升，影響輸出功率的因素變?yōu)闇囟群凸庹諒姸?，光伏組件的輸出功率下降，從而導致了系統(tǒng)工作工況的一系列變化.過高的溫度會降低光伏發(fā)電效率，從而影響系統(tǒng)性能.

圖5 光伏組件輸出功率和溫度隨光照強度變化關系

2.2 噴頭評判指標

圖6為光照強度E與組合平均噴灌強度ρ的關系.從圖中可以看出，光照強度小于900 W/m2時，組合平均噴灌強度隨著光照強度區(qū)間增大而增大.光照強度從900 W/m2增大到1 200 W/m2時，組合平均噴灌強度先上升、后下降、再小幅上升，與圖5光伏組件輸出功率波動趨勢一致.1 000 W/m2和1 200 W/m2附近的噴灌強度較高，在1 000 W/m2附近組合平均噴灌強度達到最大值3.0 mm/h，這是因為該區(qū)間水泵流量最大，噴灌強度基本對應了水泵流量的變化趨勢.

圖6 組合澆灌強度隨光照強度變化曲線

噴灌均勻系數(shù)是衡量噴頭水力性能和噴灌質量的重要指標之一.圖7為光照強度與均勻系數(shù)的關系.如圖7所示，系統(tǒng)的噴灌均勻系數(shù)CU和分布均勻系數(shù)DU均隨光照強度E增大而增大，1 100 W/m2和1 200 W/m2附近的噴灌均勻系數(shù)較大，在1 200 W/m2附近噴灌均勻系數(shù)達到最大值，為0.88.可見在較高的光照強度下，系統(tǒng)具備良好的噴灌均勻性.在相同工況下，噴灌均勻系數(shù)均大于分布系數(shù)，總體上呈線性關系.隨著光照強度的增大，分布均勻系數(shù)增大，噴頭噴灌質量好.結合圖5可知，均勻系數(shù)在較高光照強度時未表現(xiàn)出波動趨勢是因為光照強度1 000 W/m2附近的輸出功率最大，輸出功率波動大，噴頭壓力過大，工況波動大，導致該區(qū)間噴灌質量下降；當光照強度繼續(xù)增大時，輸出功率下降，輸出功率波動減緩，噴頭壓力下降，工況波動減緩，噴灌質量得以上升.

圖7 噴灌均勻系數(shù)及分布均勻系數(shù)變化曲線

3 結 論

對不同光照強度區(qū)間的光伏抽水灌溉系統(tǒng)性能進行試驗測試，得出結論如下：

1) 較低光照強度下，噴頭射程與壓力隨著光照強度增大而增大，參數(shù)變化幅度大；較高光照強度下，噴頭射程與壓力均呈現(xiàn)出先上升、后下降、再上升的波動趨勢，光伏水泵出口壓力和噴頭壓力波動趨勢一致，光伏水泵出口壓力與光伏發(fā)電端輸出功率波動趨勢一致，系統(tǒng)整體運行協(xié)調一致.光照強度1 000 W/m2附近系統(tǒng)運行參數(shù)達到閾值.

2) 系統(tǒng)運行參數(shù)未達到閾值前，影響水泵與噴頭運行的因素主要是光照強度，噴頭和水泵的壓力均隨著光照強度增大而增大，變化幅度較大；運行參數(shù)達到閾值后，光照強度繼續(xù)增大，影響因素轉變?yōu)楣庹諒姸群蜏囟?，其中光照強度為增益因素，溫度為減益因素，壓力變化幅度小.

3) 較低光照強度下，組合平均噴灌強度隨著光照強度增大而增大；較高光照強度下，組合平均噴灌強度隨著光照強度上下變化，與光伏組件輸出功率的變化趨勢一致，在閾值附近達到最大值3.0 mm/h.噴灌均勻系數(shù)隨著光照強度增大而增大，噴灌均勻系數(shù)最大值為0.88.