太阳能喷灌系统供给能源与水力性能关系

2021-06-28刘俊萍许继恩李滔MUHAMMADZaman

排灌机械工程学报 2021年6期

刘俊萍，许继恩，李滔，MUHAMMAD Zaman

(江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏镇江 212013)

喷灌是一种先进的灌溉技术，可以有效地提高农业水资源利用率[1]，提高农作物的产量和品质[2]，对解决水资源危机和实现社会可持续发展具有重要的战略意义[3].但在喷灌装备的使用中，需要电网或者发电机供电.由于目前中国部分偏远地区供电不足的问题非常明显，这些地区使用电力资源进行农业灌溉相关活动较为困难，其灌溉效率也并不理想，因此，迫切需要寻求新的能源灌溉技术来解决偏远地区的农业灌溉问题.随着光伏技术的大力发展，太阳能作为能源为干旱半干旱地区的农业灌溉提供可靠的电力保证，已成为解决喷灌设备动力问题的最佳选择[4-5].中国土地覆盖热带、亚热带、暖温带、中温带以及寒温带，其中大部分地区处在北温带内，整体光照较为充足，非常符合太阳能灌溉技术的应用条件[6].因此研究并推广新型太阳能灌溉技术，是解决中国欠发达地区资源稀缺、农业落后等问题的有效途径.

新型太阳能喷灌系统将太阳能光伏发电技术与喷灌机进行集成，将传统农田灌溉方式转变为太阳能自驱动喷灌，节能效果显著.国内外学者对太阳能灌溉系统的研究主要有：刘晓初等[7]针对茂名柑橘产业园的地理、气候和水文环境,设计了一种利用太阳能和市电互补供电的智能灌溉系统，充分利用太阳能提水和节水灌溉,有效解决了资源短缺和节约能源的问题,发展了节水、节能高效灌溉.刘柯楠等[8]构建了一种太阳能驱动喷灌系统动力需求与光伏功率匹配设计方法.通过试验对机组行走驱动需求功率计算理论进行了验证.束文强等[9]利用单片机作为控制器的核心,设计出一种可根据土壤温湿度等参数的变化进行太阳能自动灌溉，且具有显示功能的系统，较好地实现了太阳能智能化灌溉.梁占岐等[10]设计了一套循环控制的沙区太阳能智能控制滴灌系统，以灌溉水源出水量为约束条件,通过核定灌溉面积及系统总用电需求,最终确定太阳能光伏系统的总容量.VANAN等[11]主张利用太阳能滴灌技术减少电池的使用，同时利用太阳能无线传感器网络进行数据传输，减少燃料的消耗.CLOSAS等[12]分析了政策对光伏提水灌溉装备研发应用的带动，并提出了地下水监测及其可持续使用的建议.

以上大多是对太阳能驱动喷灌系统行走动力需求和太阳能智能自动化进行的研究[13-14]，探讨政策对太阳能灌溉系统的影响[15]，或是以国内外大型喷灌机为平台对其进行水力特性分析、优化和开发一些喷灌系统关键设备[16-17],而关于太阳能喷灌系统供给能源与系统水力特性参数的变化关系研究并不多见.

文中以太阳能喷灌系统为研究对象，对太阳能喷灌系统供给能源与系统水力特性参数的变化关系进行试验研究，掌握太阳能喷灌系统光照强度与系统工作参数及喷洒均匀性的变化规律，获得系统满足喷洒均匀性条件下的光照强度范围，希望能为新型太阳能喷灌系统的合理、高效利用提供依据.

1 试验材料和方法

1.1 系统简介

太阳能喷灌试验所用的主要设备有太阳能板、太阳能控制器、喷头、离心泵，其型号为MG80C，额定功率1.1kW，流量4.7m3/s，扬程38m，转速2950r/min；储水箱容量为2000L；压力表的量程1MPa,精度0.02MPa；电磁流量计的准确度为0.5级，流量范围18m3/h，水管为38m.太阳能喷灌系统示意图如图1所示.

图1 太阳能喷灌系统示意图

太阳能板将吸收的光能转化为直流电能，太阳能控制器中的逆变器将直流电转化为交流电，交流电电能驱动离心泵工作，带动系统运转.

太阳能板由8块265W的太阳能电路板组成，斜向45°放置.系统所用喷头选取国内外应用较为广泛、运行较为稳定的NelsonR2000型号喷头，如图2所示.喷头的安装高度为1.2m.喷头的性能参数：射程为8.2～9.4m，压力为0.20～0.40MPa，流量为0.311～0.442m3/h，4个喷头正方形布置，组合间距为10m，网格状布置，雨量筒间距为2m，雨量筒内径为20cm、高度为60cm.

图2 喷头样机

1.2 试验方案

试验目的为研究太阳能喷灌系统中光照强度与泵出口流量、泵出口压力和系统喷灌均匀系数的关系.本试验在江苏大学喷灌实验室进行，该实验室为直径44m的圆形大厅.太阳能板在试验时推至实验室外，并根据不同时间调整方向以正对阳光，系统喷灌设备放置室内，排除了风的干扰.试验数据测量具备良好的条件.系统正常运行情况下，每隔15min测量1次光照强度、泵出口压力、泵出口流量，待系统稳定运转1h后，记录喷灌强度，并计算系统喷灌均匀系数.试验时间为2018-07-13—2018-09-14间的15 d，每天9：00～14：30.光照强度由太阳能勘测仪测得，将太阳能勘测仪垂直放在太阳能板中央，稳定3s后记录读数；泵出口流量由设置在泵出口处的电磁流量计测得，泵出口压力由设置在泵出口处的压力表测得，系统喷灌强度由雨量筒测得.

2 试验结果与分析

2.1 泵出口流量及出口压力

图3为泵出口流量及压力与光照强度关系曲线，图中x为光照强度，Q为流量，p为泵出口压力.

图3 泵出口流量及压力与光照强度关系曲线

由图3a可以看出，随着光照强度的增大，系统流量增大，当光照强度大于800.0 W/m2时，泵出口流量为1.82m3/h，并不再增加，基本保持不变.采用指数回归法进行分析，公式为

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

(1)

式中：a，b为系数.

经过回归分析，a,b分别为1.76和0.004，R2=0.82，得到流量与光照强度的关系式为

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

(2)

由图3b中可以看出，随着光照强度的增大，泵出口压力逐渐增大，当光照强度超过800.0 W/m2时，泵出口压力稳定在0.43～0.44MPa.泵出口压力随光照强度的变化与泵出口流量随光照强度的变化规律基本一致.同样采用指数回归法进行分析，R2=0.72，得到泵出口压力与光照强度的关系式为

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

(3)

由此可以看出，泵出口流量和压力与光照强度的变化规律基本符合指数函数分布规律.这是因为光照强度越大，太阳能板接收的能量越大，经过太阳能控制器转换而来的交流电也越大，提供给离心泵的电能增大，因此在光照强度低于900.0 W/m2时，泵出口压力和泵出口流量随着光照强度的增大而增大；另外因为试验所用喷头有额定流量与额定压力，系统喷头在光照强度达到900.0 W/m2时达到最大工况，因此泵出口压力和泵出口流量不再随着光照强度的增加而增加.同时可通过函数分布规律对不同光照强度下的系统参数进行预测.

2.2 喷头的射程及水量分布

图4 平均光照强度和喷头射程变化曲线

由图4可以看出，随着光照强度的增加，喷头射程大致呈现平缓略有上升的趋势，且在8.9～9.7 m之间.在光照强度大于900.0 W/m2时，喷头射程具有一定的波动，但射程值基本保持在9.2 m.因此，当平均光照强度大于200.0 W/m2时，喷头的喷洒射程趋于稳定.这是因为系统所用喷头工作压力范围为0.15～0.40 MPa.在光照强度为200.0～900.0 W/m2时，系统喷头工作稳定，射程稳定在9.1 m左右；当光照强度大于900.0 W/m2时，系统喷头工作压力略大于0.40 MPa，所以射程出现了小幅度的波动.

图5 不同平均光照强度的单喷头水量分布

由图5可以看出，随着光照强度的增加，距离喷头较近处点喷灌强度逐渐增加，水量分布曲线形状由三角形逐步趋于平缓.当平均光照强度为225.7 W/m2左右时，水量分布曲线形状趋向于梯形.当平均光照强度大于900.0 W/m2左右时，水量分布形状基本保持不变.这是因为在平均光照强度为225.7 W/m2左右时，喷头工作压力较低，有效射程仅为8m左右，因此呈现梯形的水量分布曲线形状；随着光照强度的增加，系统喷头的工作压力增大，喷头的有效射程增加，因此水量分布曲线形状由三角形逐步趋于平缓；当平均光照强度大于900.0 W/m2左右时，系统喷头工作压力达到最大值，射程和流量不再增加，因此水量分布形状基本保持不变.

2.3 组合喷灌均匀系数

克里斯琴森均匀系数CU的定义是各测点水深与平均水深差值的绝对值之和与平均水深的比值，定量地反映了整个喷洒面积中水量分布与平均水量偏差的情况，计算公式[18]为

(4)

将每个小时内测量的点喷灌强度数据采用式(4)进行计算，并将该时间内的光照强度取平均值，得到系统组合喷灌均匀系数随平均光照强度的变化曲线，如图6所示.

图6 平均光照强度与系统喷灌均匀系数变化曲线

由图6可以看出，随着平均光照强度的增加，均匀性系数逐渐增大，R2=0.917 6，系统喷灌均匀系数与光照强度关系式为

(5)

当光照强度低于200.0 W/m2时，系统供给离心泵的能量不足，系统喷头无法正常运转，所以导致系统喷灌均匀系数不达标.这说明在光照强度低于200.0 W/m2时，系统无法满足基本的系统喷灌均匀性要求.由图6可以看出，光照强度为900.0～1200.0 W/m2，系统喷灌均匀系数为88%～89%，说明在夏季典型晴天情况下，系统喷灌均匀性良好.这是因为光照强度为900.0～1200.0 W/m2时，系统供给离心泵足够能量，使其正常运转，能提供稳定的喷灌所需压力，所以系统喷灌均匀性较高.当光照强度为200.0～600.0 W/m2时，系统喷灌均匀系数为76%～82%.