固定式太阳能喷灌系统喷洒水滴动能分布的研究

2021-03-17刘俊萍许继恩李吉鹏

灌溉排水学报 2021年2期

刘俊萍，江楠，许继恩，李吉鹏，张晴

（江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏镇江 212013）

0 引言

【研究意义】太阳能喷灌具有显著的节能降耗效果，但发电量易受气象、时间等因素影响，在功率高峰工作时可能出现供能不足的现象，存在能量转换效率低、水力性能不稳定等问题。光照强度作为能量供给的重要参数，受地理位置影响，实时变化。而光照强度影响太阳能板吸收太阳能，造成转换的电能不稳定，易导致电能带动的水泵工作压力变化，进而影响喷头进口压力。太阳能喷灌系统喷头工作稳定性差，影响灌水质量。研究太阳能喷灌系统喷洒性能对提高能量转换率，优化不同地区运行参数配置具有重要意义。【前人研究进展】对于太阳能灌溉系统，国内外学者对其进行了大量的研究。Abdelouahed 等[1]改进了温室光伏水泵的嵌入式控制系统，引入抽水资源的可用性作为模糊控制系统的新增输入变量，提高了设施的安全性。李丹等[2]利用光伏板、蓄电池、汽油发电机互补供电技术，设计了一种卷盘式喷灌机喷头车的电动牵引装置。张锴等[3]采用混沌粒子群算法, 构建风/光/普适农业互补系统，有效降低了成本。李加念等[4]采用太阳能供电驱动隔膜泵的提水方式，研制了恒压供水自动装置，实现了微灌系统入口水压的稳定性。对于喷灌系统喷洒水力特性方面的研究，主要有：白更等[5]提出了面粉法来研究测量水滴的直径、打击角度和打击速度，改进了喷洒水滴粒径的测量方法；任乃望等[6]采用激光雨滴谱仪研究并比较了动态水压和恒压模式下坡地水滴直径的分布；朱兴业等[7]提出动能强度均匀性与组合间距之间有着密切的联系。【切入点】现有研究大多是太阳能喷灌机组驱动性能优化和控制系统自动化，或是对现有喷灌机组进行水力特性研究，但关于太阳能喷灌系统供给能源对喷洒水力性能影响的规律尚未掌握，存在太阳能喷灌系统喷洒性能不稳定，能量分布不均及转换效率低等问题。【拟解决的关键问题】本文通过对太阳能喷灌系统喷洒水力特性的研究，揭示不同光照强度下喷洒水滴分布规律，探索太阳能与喷洒水滴落到地面的能量关系，为提高太阳能喷灌系统喷洒性能和能量转换率提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验方法

太阳能喷灌系统喷洒水力特性试验在直径44 m的室内圆形喷灌大厅进行。图1 为固定式太阳能喷灌系统示意。系统包括太阳能板、太阳能控制器、离心泵、储水箱、压力表、电磁流量计、水管和喷头等。离心泵型号为MG80C，喷头型号为NelsonR2000，本系统中配置4 个喷头，间距为10 m，安装高度为1.2 m。试验时间为夏秋季的09:00—14:30。

图1 固定式太阳能喷灌系统示意Fig.1 Schematic diagram of solar sprinkler irrigation system

在太阳能喷灌系统稳定运转10 min 之后，每隔15 min 测量1 次光照强度和喷头工作压力，光照强度由TES 1333R 太阳能勘测仪测得，喷头工作压力由量程1 MPa，精度0.02 MPa 的压力表测得。由于喷头相同且同时间内压力几乎一致，因此选取一个喷头为研究对象。当喷头工作压力稳定在某一固定值超过30 min 后，取该时间段内光照强度平均值。试验期间共获得7 组喷头工作压力及其对应光照强度平均值，结果如表1 所示。利用外部电源稳定运转喷灌装置，使喷头工作压力为上述固定值，模拟光照强度提供的能量。系统稳定运转10 min 后开始水力性能试验，用激光雨滴谱仪（Laser Precipitation Monitor, LPM）测量各个测点的水滴直径和速度。

表1 喷头工作压力和光照强度对应关系Table 1 Correspondence between sprinkler working pressure and solar intensity

本研究的太阳能喷灌系统水滴试验如图2 所示。对单个喷头进行试验，其余3 个喷头此时并不工作。使用LPM 测量不同位置处喷洒水滴的直径和速度，由于4 个喷头几乎等效，因此系统的结果将单个喷头的效果叠加即可。从喷头初始位置到射程末端，每隔1 m 设置一个测量点，测量点位置为距喷头距离。为了避免样本的偶然性，每个测量点收集10 000 个喷洒水滴数据。为了便于后续的能量计算，对每个测量点收集到的数据取平均值记为水滴平均直径和平均速度。通过水滴平均直径和平均速度，计算单个水滴动能和单位体积动能，进而对动能强度和能量转换进行研究。对于存在的测量误差，在处理激光雨滴谱仪的水滴数据时有必要对异常数据进行判别和剔除。本文根据统计学原理采用“3σ”准则分别对各直径级的速度值所对应粒子数进行统计检验，判别并剔除其粗大误差和异常数据[9]。

图2 太阳能喷灌系统水滴试验示意Fig.2 Schematic diagram of solar sprinkler irrigation system droplets experiment

1.2 数据处理方法

1.2.1 单个水滴动能

通过LPM 测得不同测点处的水滴速度与直径，可计算出单个水滴落地时的动能。此处单个水滴动能是指测点处某一直径级水滴的水滴动能平均值，计算式[10-11]为：

式中：Esd为直径为d的单个水滴动能（J）；Vdi为直径为d的水滴速度（m/s）；W为Vdi对应的粒子数；i为直径为d的水滴速度级名。

1.2.2 单位体积水滴动能

单位体积水滴动能是指在喷洒区域中不同测点处的单个水滴动能总和与总体积的比值，其计算式[12]为：

式中：Eks为单位体积水滴动能（J/L）；j为水滴直径级名；m为LPM 测量的粒子直径级数。

1.2.3 动能强度

太阳能喷灌系统动能强度由单位体积水滴动能及喷灌强度决定，表示单位时间内测点处的动能大小，计算式[13]为：

式中：K为至喷头距离l处的喷洒动能强度（W/m2）；hj为至喷头不同距离处的喷灌强度（mm/h）。

1.2.4 能量转换效率

测点的水滴总动能ETl由单个水滴动能Esd，分别乘以该直径级对应的粒子数W，累加后得出，计算式为：

式中：ETl为测点距离l处水滴总动能（J）；l为测点距离（m）。

系统水滴总动能ET由射程上所有点的水滴总动能ETl累加求和得出。本系统中搭配4 个相同喷头，因此计算式为：

式中：ET为系统水滴总动能（J）；Ra为最远处水滴落点距喷头的距离（m）。

根据公式J=W/s，结合太阳能板总面积16 m2和每次试验所用时间5 min，可计算得到对应光照强度下太阳能喷灌系统与雨滴能量转换效率η计算式：

式中：η为太阳能喷灌系统能量转换效率；x为光照强度（W/m2）。

2 结果与分析

2.1 水滴直径和速度分布

2.1.1 水滴直径分布

图3 为在不同光照强度下的体积加权平均法[14-15]计算出的水滴平均直径分布。

图3 不同光照强度下水滴直径径向分布Fig.3 Radial distribution of water drop diameter under different solar intensity

由图3 可以看出，在任一光照强度下，水滴平均直径随着距喷头距离的增大而增大，增大幅度也逐渐变大。在距喷头1～4 m 处，光照强度对水滴平均直径的影响较小，水滴平均直径基本维持不变。从距喷头4 m 处开始，水滴平均直径开始随着光照强度的变化而变化。当光照强度为225.7 W/m2时，水滴平均直径最大。当光照强度为716.8 W/m2时，水滴平均直径减幅为26%～66%。当光照强度为1 145 W/m2时，水滴平均直径最小，水滴平均直径减幅为32%～78%。由此可以看出，在距喷头距离4 m 后，随着光照强度的增大，相同测点处水滴平均直径变小，变化幅度也逐渐较小。这是因为随着光照强度增大，太阳能板接收的能量越大，喷头压力增大，在空气中破碎形成的小水滴数量增多，因此水滴平均直径减小。

2.1.2 水滴速度分布

喷洒水滴速度是决定水滴打击动能的重要因素[15]，图4 为不同平均光照强度下水滴平均速度沿径向的变化情况分布。

图4 不同光照强度下水滴平均速度径向分布Fig.4 Radial distribution of droplet average velocity under different solar intensity

由图4 可以看出，当光照强度一定时，随着距喷头距离增大，水滴平均速度呈现先增大后减小的变化趋势，并在末端会有一定的回升。当光照强度为225.7 W/m2时，最大水滴速度为2.67 m/s，最大速度出现在距离喷头5.6 m 处。光照强度为716.8 W/m2时，最大水滴速度为2.47 m/s，出现在距离喷头6.6 m 处。光照强度为1 145 W/m2时，最大水滴速度为2.39 m/s，最大水滴速度出现点为距离喷头9 m 处。可以看出，出现水滴速度最大点的距离随着光照强度的增加而增大，且光照强度越大，水滴最大速度越小。出现上述现象的原因是光照强度越大，喷洒水舌获得的初始动能增大，其水滴初始速度较大，飞行距离增大。因此，水滴速度最大点的距离随着光照强度的增加而增大。

2.2 水滴动能分布规律

2.2.1 单个水滴动能分布规律

根据式（1）分别计算距喷头距离为4、6 和8 m处的不同水滴直径对应的单个水滴动能。图5 为太阳能喷灌系统在不同平均光照强度下的单个水滴动能与水滴直径的关系。

从图5 可以看出，在7 种不同光照强度条件下，单个水滴动能随着水滴直径增大而增大，增大的幅度随直径增大而逐渐减小，呈幂函数关系。随着与喷头距离的增大，最大水滴直径越来越大，且光照强度的变化对单个水滴动能的影响越来越小。由于喷洒水舌被周围气体包围，水舌在惯性力、黏性力、重力和表面张力的共同作用下不断掺气而分裂出大量水滴，喷洒水舌在破碎成水滴的过程中，从水舌表面逐渐向核心发展，水舌核心区产生的水滴直径与速度均较大。因此随着距喷头距离的增大，较大直径水滴所占比例越来越多；故距喷头越远处的水滴直径越大，速度越大，单个水滴动能也越大，单个水滴动能也相差越来越小。光照强度对单个水滴动能的影响主要集中在距离较近处的小直径水滴。

图5 不同光照强度下单个水滴动能分布Fig.5 Kinetic energy distribution of single drop under different solar intensity

2.2.2 单位体积水滴动能分布规律

根据式（2）计算距喷头不同距离处的单位体积动能。图6 为太阳能喷灌系统在不同平均光照强度下的单位体积动能径向分布。

由图6 可以看出，光照强度的变化对单位体积动能的径向分布有较大影响。在测量点0～3 m 范围内，不同光照强度下单位体积动能均较小且相差很小，波动范围为0%～5%。在测量点3 m 后，单位体积动能相差逐渐变大，随着光照强度的增大，单位体积动能呈先增加后减小并趋于稳定的过程。从光照强度为225.7 W/m2开始，随着光照强度增大，单位体积动能在300.8 W/m2时达到最大，后突然下降并趋于稳定，下降幅度为53%～75%，在光照强度为416～1 145 W/m2时，单位体积动能相差不大，总体在0～0.1 J/L范围内浮动，差值不超过8%。在光照强度在300.8 W/m2时，距喷头距离为10 m 时，单位体积动能达到最大值0.35 J/L。在光照强度大于416 W/m2后，水滴动能强度保持在0.1 J/L 以下，较为稳定。

为了研究太阳能喷灌系统在不同光照强度的单位体积水滴动能的径向分布规律，本文采用多项式回归分析法，建立了在不同光照强度范围下单位体积动能与距喷头距离大小的数学模型，计算式为：

式中：Eks为单位体积水滴动能（J/L）；x为测点距离（m）；k0，k1，k2，k3，b为拟合系数。

本文系统采用R2000 喷头，单位体积水滴动能与式（7）拟合相关系数均在0.9 以上，拟合系数见表2。可见本文所建立的函数模型能较准确地反映单位体积动能分布情况。

表2 R2000 单位体积动能径向分布拟合曲线Table 2 The fitting model of radial distribution of kinetic energy per unit volume of R2000

2.3 动能强度分布规律

根据式（3）计算距喷头不同距离处的动能强度。图7 为太阳能喷灌系统在不同平均光照强度下的动能强度径向分布。

图7 不同光照强度下系统动能强度径向分布Fig.7 Radial distribution of kinetic energy intensity under different solar energy intensity

由图7 可以看出，动能强度随着距喷头距离的增大呈指数型增长，并在接近射程末端时突然下降。在测量点0～7 m 范围内，动能强度均较小且相差很小，不同光照强度下波动范围低于5%。测点距离大于7 m后，随着光照强度的增加，动能强度相差逐渐增大，动能强度最大点距喷头的距离也逐步增大。除此之外，除最大和最小光照强度外，动能强度径向分布曲线的波动范围较小，低于15%。出现上述现象是因为动能强度是由对应测点的点喷灌强度和单位体积水滴动能共同决定，各光照强度下距喷头1～7 m 处的点喷灌强度波动较小，7 m 后喷灌强度逐渐增大并在射程末端迅速减小为0，单位体积动能则在光照强度大于416 W/m2后趋于稳定，影响较小。太阳能喷灌系统在光照强度300.8～1 018.8 W/m2时动能强度波动幅度较小，而在光照强度为225.7 W/m2和1 145 W/m2下工作时，射程末端动能强度变化幅度较大，不够稳定，易造成土壤板结，形成地表径流。

表3 能量转换效率Table 3 Energy conversion efficiency statistical table

2.4 能量转换效率

根据式（4）和式（5）计算系统水滴总动能，再由式（6）计算太阳能喷灌系统光照总能量与雨滴总能量转换效率，表3 为固定式太阳能喷灌系统在不同光照强度下的能量转换效率。

由表3 可以看出，太阳能喷灌系统能量转换效率在24.59%～37.21%波动，并随着光照强度的增大，呈先减小后保持恒定的趋势。能量转换效率在光照强度为225.7～416 W/m2时较高，稳定在37%左右。当光照强度为416～716.8 W/m2时，能量转换效率随着光照强度的上升而下滑，从36.05%下降到24.59%，降幅达到31.8%。在光照强度在716.8～1 145 W/m2时，能量转换效率保持恒定，稳定在25%左右。出现上述现象是因为当光照强度介于716.8～1 145 W/m2时，光照强度较大，经过太阳能控制器转换而来的交流电较多，提供给离心泵的电能使泵达到额定转速，部分光照能量出现满溢，所以能量转换效率相对较低。当光照强度较低时，太阳能板接收的能量较少，经过太阳能控制器转换而来的交流电也较少，提供给离心泵的电能未能使泵达到额定转速，未出现能量满溢现象，大部分光照能量间接转化成水滴能量，因此能量转换率相对较高。

3 讨论

现有光伏参数的配置，多以月均日辐照强度下的光伏发电量与负载耗能之间的关系来确定[8]，本研究以小时为单元，更详细地研究了太阳能喷灌系统能量转换关系。本试验条件下的结果表明，任一光照强度下，水滴直径与距喷头距离呈指数关系，水滴平均速度随距喷头距离的增加先增大后减小；当光照强度从225.7 W/m2变化到1 145 W/m2，系统接收的太阳能更多，喷头的工作压力增大，空气中的破碎小水珠增多，使得相同测点处水滴平均直径逐渐变小，且变化幅度逐渐变小，水滴平均速度也随光照强度的增加而减小，与巩兴晖等[17]、任乃望等[6]试验结论一致。

单个水滴动能与水滴直径呈幂函数关系；单位体积水滴动能在距喷头近处均较小，随着距喷头距离增加而增大；动能强度沿径向距离增加，且在射程末端迅速减少至0，与朱兴业等[16]研究全射流喷头喷洒规律结论一致。光照强度对动能的影响表现为，300.8～1 018.8 W/m2时动能波动幅度较小；225.7 W/m2和1 145 W/m2时，射程末端动能强度变化幅度较大，不够稳定。本研究的系统配置不建议应用于光照强度过小或过大的地区，易造成土壤板结，形成地表径流。

太阳能灌溉系统为达到满足基本功能且投入最小的目的，首部和动力的技术是关键，合适的供电功率有利于降低功耗，能量转换关系的研究有助于太阳能喷灌系统喷洒性能的提高[18-20]。本研究结果表明，随着光照强度的增大，能量转换效率呈先减小再保持恒定的趋势；光照强度在225.7～416 W/m2时，系统能量转换效率最高，为36%左右。结合上述动能的稳定性结果分析，本文系统在光照强度为300.8～416 W/m2的地区运行能量更稳定，转换效率更高，相似地区考虑太阳能喷灌系统选型时可参考本研究。