劉俊萍，江 楠，許繼恩，李吉鵬，張 晴

（江蘇大學(xué) 流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引 言

【研究意義】太陽(yáng)能噴灌具有顯著的節(jié)能降耗效果，但發(fā)電量易受氣象、時(shí)間等因素影響，在功率高峰工作時(shí)可能出現(xiàn)供能不足的現(xiàn)象，存在能量轉(zhuǎn)換效率低、水力性能不穩(wěn)定等問(wèn)題。光照強(qiáng)度作為能量供給的重要參數(shù)，受地理位置影響，實(shí)時(shí)變化。而光照強(qiáng)度影響太陽(yáng)能板吸收太陽(yáng)能，造成轉(zhuǎn)換的電能不穩(wěn)定，易導(dǎo)致電能帶動(dòng)的水泵工作壓力變化，進(jìn)而影響噴頭進(jìn)口壓力。太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)噴頭工作穩(wěn)定性差，影響灌水質(zhì)量。研究太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)噴灑性能對(duì)提高能量轉(zhuǎn)換率，優(yōu)化不同地區(qū)運(yùn)行參數(shù)配置具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】對(duì)于太陽(yáng)能灌溉系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。Abdelouahed 等[1]改進(jìn)了溫室光伏水泵的嵌入式控制系統(tǒng)，引入抽水資源的可用性作為模糊控制系統(tǒng)的新增輸入變量，提高了設(shè)施的安全性。李丹等[2]利用光伏板、蓄電池、汽油發(fā)電機(jī)互補(bǔ)供電技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種卷盤(pán)式噴灌機(jī)噴頭車的電動(dòng)牽引裝置。張鍇等[3]采用混沌粒子群算法, 構(gòu)建風(fēng)/光/普適農(nóng)業(yè)互補(bǔ)系統(tǒng)，有效降低了成本。李加念等[4]采用太陽(yáng)能供電驅(qū)動(dòng)隔膜泵的提水方式，研制了恒壓供水自動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)了微灌系統(tǒng)入口水壓的穩(wěn)定性。對(duì)于噴灌系統(tǒng)噴灑水力特性方面的研究，主要有：白更等[5]提出了面粉法來(lái)研究測(cè)量水滴的直徑、打擊角度和打擊速度，改進(jìn)了噴灑水滴粒徑的測(cè)量方法；任乃望等[6]采用激光雨滴譜儀研究并比較了動(dòng)態(tài)水壓和恒壓模式下坡地水滴直徑的分布；朱興業(yè)等[7]提出動(dòng)能強(qiáng)度均勻性與組合間距之間有著密切的聯(lián)系?！厩腥朦c(diǎn)】現(xiàn)有研究大多是太陽(yáng)能噴灌機(jī)組驅(qū)動(dòng)性能優(yōu)化和控制系統(tǒng)自動(dòng)化，或是對(duì)現(xiàn)有噴灌機(jī)組進(jìn)行水力特性研究，但關(guān)于太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)供給能源對(duì)噴灑水力性能影響的規(guī)律尚未掌握，存在太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)噴灑性能不穩(wěn)定，能量分布不均及轉(zhuǎn)換效率低等問(wèn)題?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本文通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)噴灑水力特性的研究，揭示不同光照強(qiáng)度下噴灑水滴分布規(guī)律，探索太陽(yáng)能與噴灑水滴落到地面的能量關(guān)系，為提高太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)噴灑性能和能量轉(zhuǎn)換率提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)方法

太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)噴灑水力特性試驗(yàn)在直徑44 m的室內(nèi)圓形噴灌大廳進(jìn)行。圖1 為固定式太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)示意。系統(tǒng)包括太陽(yáng)能板、太陽(yáng)能控制器、離心泵、儲(chǔ)水箱、壓力表、電磁流量計(jì)、水管和噴頭等。離心泵型號(hào)為MG80C，噴頭型號(hào)為NelsonR2000，本系統(tǒng)中配置4 個(gè)噴頭，間距為10 m，安裝高度為1.2 m。試驗(yàn)時(shí)間為夏秋季的09:00—14:30。

圖1 固定式太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of solar sprinkler irrigation system

在太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)10 min 之后，每隔15 min 測(cè)量1 次光照強(qiáng)度和噴頭工作壓力，光照強(qiáng)度由TES 1333R 太陽(yáng)能勘測(cè)儀測(cè)得，噴頭工作壓力由量程1 MPa，精度0.02 MPa 的壓力表測(cè)得。由于噴頭相同且同時(shí)間內(nèi)壓力幾乎一致，因此選取一個(gè)噴頭為研究對(duì)象。當(dāng)噴頭工作壓力穩(wěn)定在某一固定值超過(guò)30 min 后，取該時(shí)間段內(nèi)光照強(qiáng)度平均值。試驗(yàn)期間共獲得7 組噴頭工作壓力及其對(duì)應(yīng)光照強(qiáng)度平均值，結(jié)果如表1 所示。利用外部電源穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)噴灌裝置，使噴頭工作壓力為上述固定值，模擬光照強(qiáng)度提供的能量。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)10 min 后開(kāi)始水力性能試驗(yàn)，用激光雨滴譜儀（Laser Precipitation Monitor, LPM）測(cè)量各個(gè)測(cè)點(diǎn)的水滴直徑和速度。

表1 噴頭工作壓力和光照強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Correspondence between sprinkler working pressure and solar intensity

本研究的太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)水滴試驗(yàn)如圖2 所示。對(duì)單個(gè)噴頭進(jìn)行試驗(yàn)，其余3 個(gè)噴頭此時(shí)并不工作。使用LPM 測(cè)量不同位置處噴灑水滴的直徑和速度，由于4 個(gè)噴頭幾乎等效，因此系統(tǒng)的結(jié)果將單個(gè)噴頭的效果疊加即可。從噴頭初始位置到射程末端，每隔1 m 設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)位置為距噴頭距離。為了避免樣本的偶然性，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)收集10 000 個(gè)噴灑水滴數(shù)據(jù)。為了便于后續(xù)的能量計(jì)算，對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)取平均值記為水滴平均直徑和平均速度。通過(guò)水滴平均直徑和平均速度，計(jì)算單個(gè)水滴動(dòng)能和單位體積動(dòng)能，進(jìn)而對(duì)動(dòng)能強(qiáng)度和能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行研究。對(duì)于存在的測(cè)量誤差，在處理激光雨滴譜儀的水滴數(shù)據(jù)時(shí)有必要對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行判別和剔除。本文根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理采用“3σ”準(zhǔn)則分別對(duì)各直徑級(jí)的速度值所對(duì)應(yīng)粒子數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，判別并剔除其粗大誤差和異常數(shù)據(jù)[9]。

圖2 太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)水滴試驗(yàn)示意Fig.2 Schematic diagram of solar sprinkler irrigation system droplets experiment

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 單個(gè)水滴動(dòng)能

通過(guò)LPM 測(cè)得不同測(cè)點(diǎn)處的水滴速度與直徑，可計(jì)算出單個(gè)水滴落地時(shí)的動(dòng)能。此處單個(gè)水滴動(dòng)能是指測(cè)點(diǎn)處某一直徑級(jí)水滴的水滴動(dòng)能平均值，計(jì)算式[10-11]為：

式中：Esd為直徑為d的單個(gè)水滴動(dòng)能（J）；Vdi為直徑為d的水滴速度（m/s）；W為Vdi對(duì)應(yīng)的粒子數(shù)；i為直徑為d的水滴速度級(jí)名。

1.2.2 單位體積水滴動(dòng)能

單位體積水滴動(dòng)能是指在噴灑區(qū)域中不同測(cè)點(diǎn)處的單個(gè)水滴動(dòng)能總和與總體積的比值，其計(jì)算式[12]為：

式中：Eks為單位體積水滴動(dòng)能（J/L）；j為水滴直徑級(jí)名；m為L(zhǎng)PM 測(cè)量的粒子直徑級(jí)數(shù)。

1.2.3 動(dòng)能強(qiáng)度

太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)動(dòng)能強(qiáng)度由單位體積水滴動(dòng)能及噴灌強(qiáng)度決定，表示單位時(shí)間內(nèi)測(cè)點(diǎn)處的動(dòng)能大小，計(jì)算式[13]為：

式中：K為至噴頭距離l處的噴灑動(dòng)能強(qiáng)度（W/m2）；hj為至噴頭不同距離處的噴灌強(qiáng)度（mm/h）。

1.2.4 能量轉(zhuǎn)換效率

測(cè)點(diǎn)的水滴總動(dòng)能ETl由單個(gè)水滴動(dòng)能Esd，分別乘以該直徑級(jí)對(duì)應(yīng)的粒子數(shù)W，累加后得出，計(jì)算式為：

式中：ETl為測(cè)點(diǎn)距離l處水滴總動(dòng)能（J）；l為測(cè)點(diǎn)距離（m）。

系統(tǒng)水滴總動(dòng)能ET由射程上所有點(diǎn)的水滴總動(dòng)能ETl累加求和得出。本系統(tǒng)中搭配4 個(gè)相同噴頭，因此計(jì)算式為：

式中：ET為系統(tǒng)水滴總動(dòng)能（J）；Ra為最遠(yuǎn)處水滴落點(diǎn)距噴頭的距離（m）。

根據(jù)公式J=W/s，結(jié)合太陽(yáng)能板總面積16 m2和每次試驗(yàn)所用時(shí)間5 min，可計(jì)算得到對(duì)應(yīng)光照強(qiáng)度下太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)與雨滴能量轉(zhuǎn)換效率η計(jì)算式：

式中：η為太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率；x為光照強(qiáng)度（W/m2）。

2 結(jié)果與分析

2.1 水滴直徑和速度分布

2.1.1 水滴直徑分布

圖3 為在不同光照強(qiáng)度下的體積加權(quán)平均法[14-15]計(jì)算出的水滴平均直徑分布。

圖3 不同光照強(qiáng)度下水滴直徑徑向分布Fig.3 Radial distribution of water drop diameter under different solar intensity

由圖3 可以看出，在任一光照強(qiáng)度下，水滴平均直徑隨著距噴頭距離的增大而增大，增大幅度也逐漸變大。在距噴頭1～4 m 處，光照強(qiáng)度對(duì)水滴平均直徑的影響較小，水滴平均直徑基本維持不變。從距噴頭4 m 處開(kāi)始，水滴平均直徑開(kāi)始隨著光照強(qiáng)度的變化而變化。當(dāng)光照強(qiáng)度為225.7 W/m2時(shí)，水滴平均直徑最大。當(dāng)光照強(qiáng)度為716.8 W/m2時(shí)，水滴平均直徑減幅為26%～66%。當(dāng)光照強(qiáng)度為1 145 W/m2時(shí)，水滴平均直徑最小，水滴平均直徑減幅為32%～78%。由此可以看出，在距噴頭距離4 m 后，隨著光照強(qiáng)度的增大，相同測(cè)點(diǎn)處水滴平均直徑變小，變化幅度也逐漸較小。這是因?yàn)殡S著光照強(qiáng)度增大，太陽(yáng)能板接收的能量越大，噴頭壓力增大，在空氣中破碎形成的小水滴數(shù)量增多，因此水滴平均直徑減小。

2.1.2 水滴速度分布

噴灑水滴速度是決定水滴打擊動(dòng)能的重要因素[15]，圖4 為不同平均光照強(qiáng)度下水滴平均速度沿徑向的變化情況分布。

圖4 不同光照強(qiáng)度下水滴平均速度徑向分布Fig.4 Radial distribution of droplet average velocity under different solar intensity

由圖4 可以看出，當(dāng)光照強(qiáng)度一定時(shí)，隨著距噴頭距離增大，水滴平均速度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，并在末端會(huì)有一定的回升。當(dāng)光照強(qiáng)度為225.7 W/m2時(shí)，最大水滴速度為2.67 m/s，最大速度出現(xiàn)在距離噴頭5.6 m 處。光照強(qiáng)度為716.8 W/m2時(shí)，最大水滴速度為2.47 m/s，出現(xiàn)在距離噴頭6.6 m 處。光照強(qiáng)度為1 145 W/m2時(shí)，最大水滴速度為2.39 m/s，最大水滴速度出現(xiàn)點(diǎn)為距離噴頭9 m 處?？梢钥闯?，出現(xiàn)水滴速度最大點(diǎn)的距離隨著光照強(qiáng)度的增加而增大，且光照強(qiáng)度越大，水滴最大速度越小。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是光照強(qiáng)度越大，噴灑水舌獲得的初始動(dòng)能增大，其水滴初始速度較大，飛行距離增大。因此，水滴速度最大點(diǎn)的距離隨著光照強(qiáng)度的增加而增大。

2.2 水滴動(dòng)能分布規(guī)律

2.2.1 單個(gè)水滴動(dòng)能分布規(guī)律

根據(jù)式（1）分別計(jì)算距噴頭距離為4、6 和8 m處的不同水滴直徑對(duì)應(yīng)的單個(gè)水滴動(dòng)能。圖5 為太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)在不同平均光照強(qiáng)度下的單個(gè)水滴動(dòng)能與水滴直徑的關(guān)系。

從圖5 可以看出，在7 種不同光照強(qiáng)度條件下，單個(gè)水滴動(dòng)能隨著水滴直徑增大而增大，增大的幅度隨直徑增大而逐漸減小，呈冪函數(shù)關(guān)系。隨著與噴頭距離的增大，最大水滴直徑越來(lái)越大，且光照強(qiáng)度的變化對(duì)單個(gè)水滴動(dòng)能的影響越來(lái)越小。由于噴灑水舌被周圍氣體包圍，水舌在慣性力、黏性力、重力和表面張力的共同作用下不斷摻氣而分裂出大量水滴，噴灑水舌在破碎成水滴的過(guò)程中，從水舌表面逐漸向核心發(fā)展，水舌核心區(qū)產(chǎn)生的水滴直徑與速度均較大。因此隨著距噴頭距離的增大，較大直徑水滴所占比例越來(lái)越多；故距噴頭越遠(yuǎn)處的水滴直徑越大，速度越大，單個(gè)水滴動(dòng)能也越大，單個(gè)水滴動(dòng)能也相差越來(lái)越小。光照強(qiáng)度對(duì)單個(gè)水滴動(dòng)能的影響主要集中在距離較近處的小直徑水滴。

圖5 不同光照強(qiáng)度下單個(gè)水滴動(dòng)能分布Fig.5 Kinetic energy distribution of single drop under different solar intensity

2.2.2 單位體積水滴動(dòng)能分布規(guī)律

根據(jù)式（2）計(jì)算距噴頭不同距離處的單位體積動(dòng)能。圖6 為太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)在不同平均光照強(qiáng)度下的單位體積動(dòng)能徑向分布。

由圖6 可以看出，光照強(qiáng)度的變化對(duì)單位體積動(dòng)能的徑向分布有較大影響。在測(cè)量點(diǎn)0～3 m 范圍內(nèi)，不同光照強(qiáng)度下單位體積動(dòng)能均較小且相差很小，波動(dòng)范圍為0%～5%。在測(cè)量點(diǎn)3 m 后，單位體積動(dòng)能相差逐漸變大，隨著光照強(qiáng)度的增大，單位體積動(dòng)能呈先增加后減小并趨于穩(wěn)定的過(guò)程。從光照強(qiáng)度為225.7 W/m2開(kāi)始，隨著光照強(qiáng)度增大，單位體積動(dòng)能在300.8 W/m2時(shí)達(dá)到最大，后突然下降并趨于穩(wěn)定，下降幅度為53%～75%，在光照強(qiáng)度為416～1 145 W/m2時(shí)，單位體積動(dòng)能相差不大，總體在0～0.1 J/L范圍內(nèi)浮動(dòng)，差值不超過(guò)8%。在光照強(qiáng)度在300.8 W/m2時(shí)，距噴頭距離為10 m 時(shí)，單位體積動(dòng)能達(dá)到最大值0.35 J/L。在光照強(qiáng)度大于416 W/m2后，水滴動(dòng)能強(qiáng)度保持在0.1 J/L 以下，較為穩(wěn)定。

為了研究太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)在不同光照強(qiáng)度的單位體積水滴動(dòng)能的徑向分布規(guī)律，本文采用多項(xiàng)式回歸分析法，建立了在不同光照強(qiáng)度范圍下單位體積動(dòng)能與距噴頭距離大小的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算式為：

式中：Eks為單位體積水滴動(dòng)能（J/L）；x為測(cè)點(diǎn)距離（m）；k0，k1，k2，k3，b為擬合系數(shù)。

本文系統(tǒng)采用R2000 噴頭，單位體積水滴動(dòng)能與式（7）擬合相關(guān)系數(shù)均在0.9 以上，擬合系數(shù)見(jiàn)表2?？梢?jiàn)本文所建立的函數(shù)模型能較準(zhǔn)確地反映單位體積動(dòng)能分布情況。

表2 R2000 單位體積動(dòng)能徑向分布擬合曲線Table 2 The fitting model of radial distribution of kinetic energy per unit volume of R2000

2.3 動(dòng)能強(qiáng)度分布規(guī)律

根據(jù)式（3）計(jì)算距噴頭不同距離處的動(dòng)能強(qiáng)度。圖7 為太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)在不同平均光照強(qiáng)度下的動(dòng)能強(qiáng)度徑向分布。

圖7 不同光照強(qiáng)度下系統(tǒng)動(dòng)能強(qiáng)度徑向分布Fig.7 Radial distribution of kinetic energy intensity under different solar energy intensity

由圖7 可以看出，動(dòng)能強(qiáng)度隨著距噴頭距離的增大呈指數(shù)型增長(zhǎng)，并在接近射程末端時(shí)突然下降。在測(cè)量點(diǎn)0～7 m 范圍內(nèi)，動(dòng)能強(qiáng)度均較小且相差很小，不同光照強(qiáng)度下波動(dòng)范圍低于5%。測(cè)點(diǎn)距離大于7 m后，隨著光照強(qiáng)度的增加，動(dòng)能強(qiáng)度相差逐漸增大，動(dòng)能強(qiáng)度最大點(diǎn)距噴頭的距離也逐步增大。除此之外，除最大和最小光照強(qiáng)度外，動(dòng)能強(qiáng)度徑向分布曲線的波動(dòng)范圍較小，低于15%。出現(xiàn)上述現(xiàn)象是因?yàn)閯?dòng)能強(qiáng)度是由對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)噴灌強(qiáng)度和單位體積水滴動(dòng)能共同決定，各光照強(qiáng)度下距噴頭1～7 m 處的點(diǎn)噴灌強(qiáng)度波動(dòng)較小，7 m 后噴灌強(qiáng)度逐漸增大并在射程末端迅速減小為0，單位體積動(dòng)能則在光照強(qiáng)度大于416 W/m2后趨于穩(wěn)定，影響較小。太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)在光照強(qiáng)度300.8～1 018.8 W/m2時(shí)動(dòng)能強(qiáng)度波動(dòng)幅度較小，而在光照強(qiáng)度為225.7 W/m2和1 145 W/m2下工作時(shí)，射程末端動(dòng)能強(qiáng)度變化幅度較大，不夠穩(wěn)定，易造成土壤板結(jié)，形成地表徑流。

表3 能量轉(zhuǎn)換效率Table 3 Energy conversion efficiency statistical table

2.4 能量轉(zhuǎn)換效率

根據(jù)式（4）和式（5）計(jì)算系統(tǒng)水滴總動(dòng)能，再由式（6）計(jì)算太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)光照總能量與雨滴總能量轉(zhuǎn)換效率，表3 為固定式太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)在不同光照強(qiáng)度下的能量轉(zhuǎn)換效率。

由表3 可以看出，太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率在24.59%～37.21%波動(dòng)，并隨著光照強(qiáng)度的增大，呈先減小后保持恒定的趨勢(shì)。能量轉(zhuǎn)換效率在光照強(qiáng)度為225.7～416 W/m2時(shí)較高，穩(wěn)定在37%左右。當(dāng)光照強(qiáng)度為416～716.8 W/m2時(shí)，能量轉(zhuǎn)換效率隨著光照強(qiáng)度的上升而下滑，從36.05%下降到24.59%，降幅達(dá)到31.8%。在光照強(qiáng)度在716.8～1 145 W/m2時(shí)，能量轉(zhuǎn)換效率保持恒定，穩(wěn)定在25%左右。出現(xiàn)上述現(xiàn)象是因?yàn)楫?dāng)光照強(qiáng)度介于716.8～1 145 W/m2時(shí)，光照強(qiáng)度較大，經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能控制器轉(zhuǎn)換而來(lái)的交流電較多，提供給離心泵的電能使泵達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，部分光照能量出現(xiàn)滿溢，所以能量轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低。當(dāng)光照強(qiáng)度較低時(shí)，太陽(yáng)能板接收的能量較少，經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能控制器轉(zhuǎn)換而來(lái)的交流電也較少，提供給離心泵的電能未能使泵達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，未出現(xiàn)能量滿溢現(xiàn)象，大部分光照能量間接轉(zhuǎn)化成水滴能量，因此能量轉(zhuǎn)換率相對(duì)較高。

3 討 論

現(xiàn)有光伏參數(shù)的配置，多以月均日輻照強(qiáng)度下的光伏發(fā)電量與負(fù)載耗能之間的關(guān)系來(lái)確定[8]，本研究以小時(shí)為單元，更詳細(xì)地研究了太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。本試驗(yàn)條件下的結(jié)果表明，任一光照強(qiáng)度下，水滴直徑與距噴頭距離呈指數(shù)關(guān)系，水滴平均速度隨距噴頭距離的增加先增大后減小；當(dāng)光照強(qiáng)度從225.7 W/m2變化到1 145 W/m2，系統(tǒng)接收的太陽(yáng)能更多，噴頭的工作壓力增大，空氣中的破碎小水珠增多，使得相同測(cè)點(diǎn)處水滴平均直徑逐漸變小，且變化幅度逐漸變小，水滴平均速度也隨光照強(qiáng)度的增加而減小，與鞏興暉等[17]、任乃望等[6]試驗(yàn)結(jié)論一致。

單個(gè)水滴動(dòng)能與水滴直徑呈冪函數(shù)關(guān)系；單位體積水滴動(dòng)能在距噴頭近處均較小，隨著距噴頭距離增加而增大；動(dòng)能強(qiáng)度沿徑向距離增加，且在射程末端迅速減少至0，與朱興業(yè)等[16]研究全射流噴頭噴灑規(guī)律結(jié)論一致。光照強(qiáng)度對(duì)動(dòng)能的影響表現(xiàn)為，300.8～1 018.8 W/m2時(shí)動(dòng)能波動(dòng)幅度較??；225.7 W/m2和1 145 W/m2時(shí)，射程末端動(dòng)能強(qiáng)度變化幅度較大，不夠穩(wěn)定。本研究的系統(tǒng)配置不建議應(yīng)用于光照強(qiáng)度過(guò)小或過(guò)大的地區(qū)，易造成土壤板結(jié)，形成地表徑流。

太陽(yáng)能灌溉系統(tǒng)為達(dá)到滿足基本功能且投入最小的目的，首部和動(dòng)力的技術(shù)是關(guān)鍵，合適的供電功率有利于降低功耗，能量轉(zhuǎn)換關(guān)系的研究有助于太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)噴灑性能的提高[18-20]。本研究結(jié)果表明，隨著光照強(qiáng)度的增大，能量轉(zhuǎn)換效率呈先減小再保持恒定的趨勢(shì)；光照強(qiáng)度在225.7～416 W/m2時(shí)，系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率最高，為36%左右。結(jié)合上述動(dòng)能的穩(wěn)定性結(jié)果分析，本文系統(tǒng)在光照強(qiáng)度為300.8～416 W/m2的地區(qū)運(yùn)行能量更穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率更高，相似地區(qū)考慮太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)選型時(shí)可參考本研究。

4 結(jié) 論

1）單個(gè)水滴動(dòng)能隨著水滴直徑增大呈冪函數(shù)關(guān)系，光照強(qiáng)度對(duì)其影響主要集中在距離較近處的小直徑水滴。利用多項(xiàng)式回歸法建立了光照強(qiáng)度、單位體積水滴動(dòng)能和距噴頭距離的數(shù)學(xué)模型，擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9 以上。本文建立的數(shù)學(xué)模型較準(zhǔn)確能反映實(shí)際情況。

2）動(dòng)能強(qiáng)度沿徑向距離增加，且在射程末端迅速減少至0。為減小水滴動(dòng)能對(duì)土壤的侵蝕，盡量選擇光照強(qiáng)度在300.8～1 018.8 W/m2的地區(qū)。

3）在光照強(qiáng)度為300.8～416 W/m2的地區(qū)，太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)動(dòng)能強(qiáng)度波動(dòng)幅度最小，能量分布更均勻，能量轉(zhuǎn)換效率更高。