太阳能微喷灌溉试验分析

朱俊峰，王世锋，曹 亮(中国水利水电科学研究院牧区水利科学研究所， 呼和浩特 010020)

我国主要畜牧业生产基地只有4亿hm2，因地处内陆，干旱严重缺水，单位面积产草量低，畜牧业生产的稳定发展和草场生态的保护，依赖于人工草场灌溉的发展[1]。而人工灌溉草场(或饲草料地)不足100万hm2，制约灌溉面积进一步扩大的因素除水土条件外，另一个重要的因素就是缺乏便利的灌溉动力。尤其是我国西北牧区，很多地方都无电网覆盖，日常用电无法得到保障，草场灌溉更是遥不可及。这些地区有着丰富的太阳能资源，80%地区太阳能可利用开发，太阳能总辐射量在1 510～1 740 kWh/(m2·a)之间。随着太阳能技术和光伏提水技术的成熟以及成本的不断下降，利用西部丰富的太阳能为动力的节水灌溉技术即可以解决无灌溉动力的问题，又可以节约大量水资源，为西部农牧业生产和生态建设提供必要的保障条件。

1 试验方案

太阳能微喷灌溉由水源、光伏提水机组和微喷系统三部分组成[2]。水源为一地下蓄水池，水量充足；光伏提水机组配备太阳能电池板2 kW，提水水泵一台，功率1.1 kW，额定扬程20 m，额定流量7 m3/s；微喷系统主管100 m，微喷带16根，每根长30 m，间隔6 m[3]。

将光伏提水机组与微喷灌溉直接连接，进行生产试验，利用自动记录仪，记录同一时刻的辐射量、主管压力和流量。根据与水源井的距离，将16根微喷带分为首部、中部和尾部，观察一天当中不同时刻不同位置微喷带的工作效果。试验方案见图1。

图1 试验测试方案Fig.1 Experimental test program

2 试验数据分析

2.1 太阳能辐射量日变化的测试

针对光伏提水驱动微喷灌溉的不稳定因素-太阳能辐射量日变化进行了测试。在试验期的典型日记录了每日24个整点的太阳能总辐射量，见图2。

图2 太阳能辐射量的日变化Fig.2 The diurnal variation of solar radiation

2.2 流量和压力日变化的测试

根据太阳能辐射量的日变化，选择从每日的上午8点开始，下午18点结束，每个整点对光伏提水机组的流量和主管压力进行测试，测量点取在离水源井10 m处。以月为单位，每个时刻的瞬时流量、压力都是该月该时刻瞬时值的平均值，见图3。

图3 瞬时流量和压力Fig.3 The instantaneous flow rate and pressure

由图3可以看出，太阳能提水流量和压力的日变化规律与太阳能辐射量日变化相似，大至呈倒钟形，变化非常明显，而且会受到其他突发天气条件的影响，这对太阳能微喷灌溉十分不利，不能保证稳定的水源供给。

2.3 太阳能微喷效果日变化的测试

试验中，根据离水源井的距离将这16根微喷带分为3组，分别为首部(6根)、中部(5根)、尾部(5根)。记录了不同时刻，不同位置，启动不同条数微喷带时的主管压力和微喷带的喷射距离，首部微喷带的具体数据见表1。表中数据均为多次试验的平均值。

表1 首部微喷带的主管压力和喷射距离Tab.1 The pressure and injection distance of the head micro jet zone

表1中的“-”表示微喷带无法正常工作，没有记录相关数据。“超压”表示压力过高，可能对微喷带造成损害，也没有记录想关数据。现将不同时刻、不同位置能够正常工作的微喷带条数进行统计，见图4。

图4 不同时刻、不同位置可正常开启的微喷带条数Fig.4 The number of the micro jet strips can be normally opened at different times and positions

由图4可以看出，每日不同时刻、不同位置可正常开启的微喷带的条数也是呈倒钟形分布的，这和太阳能资源的日变化、太阳能提水的日变化分布情况相似。归根结底，这种变化主要是由于太阳能资源的日变化而引起的，能源动力的特性决定了灌溉效果的不稳定。

3 结论及解决方案

3.1 结 论

通过对试验数据进行分析，发现光伏提水直接驱动微喷带进行灌溉作业有以下两个缺点：①由于太阳能资源的日变化，光伏提水的流量和压力在一天当中变化很大，从而导致一天当中能够正常工作的微喷带数量变化较大，如不进行人工干预，则不能满足所有微喷带的流量和压力要求，从而不能保证微喷带正常工作。②一天当中的同一时刻，距离水源较近和较远的微喷带能够正常工作的数量也不相同，如不进行人工干预，则不能保证所有微喷带出水量相同，从而不能保证灌溉的均匀度。

综上所述，在光伏提水节水灌溉中，由于太阳能资源辐射量的日变化是从早晨零开始，逐渐变大，中午达到峰值，而后又逐渐变小，直至晚上回零，其变化规律类似于抛物线，由于太阳能资源的这种日变化规律，造成了光伏提水泵的瞬时流量和压力在一天当中也按该规律变化。而现在常规的太阳能光伏提水灌溉一般采用先进不带蓄电池的光伏提水系统与节水灌溉设备直接相连，为使能源得到高效利用，节水灌溉灌水器数量一般按接近于峰值流量来设计。这就导致了灌溉系统只有在太阳能资源峰值区域时，灌水器才能全部正常投入灌水工作，在一天中其他时间随着太阳能资源的变化部分灌水器正常工作，部分灌水器在达不到压力和流量下工作，部分灌水器不工作，距水泵较近的(最有利的)灌水器一般全天工作，而距水泵较远的(最不利的)管网末端一般只有中午太阳能资源达到峰值时才工作一段时间，首端和末端的灌水器一天总流量相差数倍。这种不进行控制的光伏提水节水灌溉在一天内不能保证所有节水灌溉设备出水量相近，满足不了灌溉均匀度的要求，造成了严重的“旱”“涝”不均。同时，随着太阳能资源的变化，这种直接式不控制的灌溉模式也保证不了灌水器在规定的压力下工作，造成灌水器工作不稳定，甚至影响了灌水器的使用寿命。

3.2 解决方案

(1)常规方案有两种：一种是设置高位蓄水池，利用光伏提水把水提到高蓄水池里，再利用重力输水达到稳定灌溉；另一种是设置蓄电池，将光伏阵列产生的电能储存在蓄电池中，由蓄电池驱动水泵进行灌溉作业。这两种方案最大的缺点就是造价高。

(2)采用微电子自动控制技术，通过检测主管压力，来控制正常工作的微喷带条数，能够保证所有微喷带都能正常工作；通过给正常工作的微喷带计时，来控制每条微喷带的喷水量，达到所有微喷带在正常工作条件下的喷水量相近，从而保证灌溉的均匀度。

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[1] 高润宏，杨继福.内蒙古牧区灌溉草场建设规模与格局评价[J].干旱区资源与环境，2010,24(4):12-18.

[2] 查 咏，吴永忠,刘惠敏.光伏提水系统的设计[J].灌溉排水学报，2009，28(3):170-173.

[3] 金永奎.微水灌溉系统的设计与开发[D].南京：南京理工大学，2006.

[4] 查 咏，吴永忠,刘惠敏.风力和光伏提水泵站的优化设计[J].中国农村水利水电，2010，(8):155-156.

[5] 王世锋，吴永忠，曹 亮.风力提水直驱滴管运行试验分析[J]. 中国农村水利水电，2012,(12):29-31.

[6] 程荣香，张瑞强.光伏提水技术在农作物灌溉上的应用[J]. 可再生能源，2008，26(3):72-74.