談明高，云天平，吳賢芳，馬皓晨，劉厚林

?灌溉技術(shù)與裝備?

噴頭數(shù)量對光伏噴灌系統(tǒng)運行特性的影響

談明高1,2，云天平1*，吳賢芳3，馬皓晨4，劉厚林1,2

（1.江蘇大學(xué) 流體機械及工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué) 鎮(zhèn)江流體工程裝備技術(shù)研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212009；3.江蘇大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；4.江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

【】探討噴頭數(shù)量對無蓄電池光伏灌溉系統(tǒng)運行特性的影響。搭建光伏灌溉系統(tǒng)試驗臺，采用試驗測量的方法獲得不同噴頭負(fù)載數(shù)量下的系統(tǒng)性能。①不同負(fù)載下的噴頭壓力均隨著光照強度變化而變化，變化幅度隨著光照強度區(qū)間增大而降低，2負(fù)載的飽和光照強度比4負(fù)載低了300 W/m2；②隨著系統(tǒng)負(fù)載噴頭數(shù)量增大，噴頭飽和工作壓力逐漸降低，2負(fù)載飽和壓力約為450 kPa，4負(fù)載飽和壓力約為435 kPa，噴頭達(dá)到飽和壓力所需光照強度逐漸升高；③隨著噴頭數(shù)量增大，噴頭徑向降水量逐漸減少，噴頭各段之間降水量差值逐漸減小，2負(fù)載的徑向水量分布結(jié)構(gòu)為較差的“梯形分布”，4負(fù)載的徑向水量分布結(jié)構(gòu)為較好的“三角形分布”；④噴灌均勻系數(shù)隨著負(fù)載噴頭數(shù)量增加而增大，4噴頭最大均勻系數(shù)比2噴頭大2%。隨著噴頭負(fù)載數(shù)量增大，系統(tǒng)飽和光照強度增大，噴頭飽和壓力減小，泵揚程、轉(zhuǎn)速、流量隨光照強度瞬態(tài)變化的幅度逐漸減少，泵流量-揚程曲線與管路特性曲線的交點右移，系統(tǒng)在較大流量工況下運行，噴頭工作壓力降低，噴灌均勻性更好。

光伏；噴灌；噴頭數(shù)量；泵

0 引 言

【研究意義】近年來，隨著石化能源的逐漸枯竭和水資源的日益緊張，節(jié)能和節(jié)水逐漸成為各行各業(yè)的發(fā)展趨勢。光伏灌溉系統(tǒng)是光伏揚水技術(shù)和節(jié)水灌溉技術(shù)的結(jié)合，已成為解決農(nóng)業(yè)中存在的耗水耗能大，灌溉率低等問題的方法之一，市場遠(yuǎn)景非常廣大。

【研究進(jìn)展】1964年第一臺光伏水泵的出現(xiàn)標(biāo)志著光伏揚水技術(shù)的誕生[1]。早期的光伏揚水系統(tǒng)受限于太陽能電池等組件高昂的價格，一直處于緩慢發(fā)展的狀態(tài)[2]。我國對于光伏揚水系統(tǒng)的研究始于20世紀(jì)70年代，但直到1982年后才得到真正的發(fā)展，且研究也多局限于光伏陣列與日需水量匹配性方面[3-4]。之后，太陽能在農(nóng)業(yè)能源中的占比逐漸增加，并在2000年后得益于光伏組件的迅速發(fā)展，光伏灌溉技術(shù)也取得了較大的突破，與節(jié)水灌溉3種方式：噴灌、微灌和滴灌的結(jié)合更加高效。對于光伏揚水系統(tǒng)的研究也逐漸由單一的系統(tǒng)匹配性研究向結(jié)構(gòu)擴展或性能優(yōu)化等多元化發(fā)展[5-13]。光伏灌溉系統(tǒng)作為光伏揚水系統(tǒng)和節(jié)水灌溉技術(shù)的結(jié)合，其相關(guān)的研究最早從光伏灌溉系統(tǒng)中水泵的抽水供能方向展開。Edzard等[14]基于植物需水量和光伏水泵選型問題，論述了光能發(fā)電在農(nóng)田灌水中的運用，以大田噴灌為例分析太陽能驅(qū)動的水泵系統(tǒng)，指出合理蓄能是將每日所需水量存在高位水箱中進(jìn)行夜間灌溉，通過長時間的長期蓄能以滿足非均勻需水量曲線，并用多余的功率將高位水箱灌滿水以進(jìn)行夜間灌溉。Cuadros等[15]根據(jù)西班牙南部的氣候和土壤特性，提出了一種針對橄欖樹的光伏灌溉系統(tǒng)安裝方式，并根據(jù)土壤含水率分布分析抽水所需能量，最后根據(jù)滴灌10 hm2所需最高光照強度確定系統(tǒng)安裝方式。Kelley等[16]基于氣候條件、土壤含水率分布、CO2排放等分析了光伏節(jié)水灌溉的可行性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)光伏節(jié)水灌溉在大多數(shù)地區(qū)均有較高的可行性。

【切入點】在實際灌溉中，作物的灌水需求將隨著生長周期、氣象條件等因素變化而變化[17]。為了實現(xiàn)高效、節(jié)水的灌水策略，需要改變噴頭負(fù)載數(shù)量以滿足植物灌水需求。盡管前人已經(jīng)針對光伏灌溉系統(tǒng)的實際應(yīng)用和灌溉要求做出了一定的研究，但目前關(guān)于噴頭負(fù)載數(shù)量對光伏噴灌系統(tǒng)運行特性的影響研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為此，搭建光伏灌溉系統(tǒng)性能測試試驗臺，揭示噴頭負(fù)載數(shù)量對光伏灌溉系統(tǒng)的運行特性及噴灌性能的影響規(guī)律，填補相關(guān)研究空白，為進(jìn)一步優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 試驗裝置與試驗方案

1.1 試驗裝置

試驗臺由供水、供能、供壓、噴灌和測量，總計5個部分組成。供水設(shè)備：水箱；供能設(shè)備：光伏陣列模擬電源，逆變器；供壓設(shè)備：光伏水泵；噴灌設(shè)備：噴頭；測量設(shè)備：雨量桶、電磁流量計、電腦、轉(zhuǎn)速測量儀和壓力表等，如圖1所示。試驗臺簡圖如圖2所示。表1為試驗中所用的試驗設(shè)備型號及性能參數(shù)。

注 1.1號噴頭；2.2號噴頭；3.3號噴頭；4.4號噴頭；5.雨量桶；6.控制臺

圖2 試驗系統(tǒng)

1.2 試驗原理

光伏陣列模擬電源通過配電柜進(jìn)行供電，將輸入的三相電轉(zhuǎn)換為輸出到逆變器的直流電。由光伏陣列提供的不穩(wěn)定電流通過逆變器進(jìn)行MPPT，在保證供能穩(wěn)定的前提下，進(jìn)一步優(yōu)化光伏陣列的供電能力。光伏水泵逆變器驅(qū)動光伏水泵進(jìn)行工作，給噴頭提供其所需的流量和壓力實現(xiàn)噴灌。

表1 光伏水泵噴灌系統(tǒng)實驗器材

1.3 試驗方案

在30 min光照強度瞬態(tài)變化下，即光照強度30 min內(nèi)均勻增大工況下，測量系統(tǒng)負(fù)載2個和4個噴頭時泵流量、揚程、轉(zhuǎn)速以及噴頭壓力、噴灌均勻度、徑向降水量分布等參數(shù)。

光照強度瞬態(tài)變化試驗方案: 500～600、600～700、700～800、800～900、900～1000、1 000～1 100 W/m2。

噴頭負(fù)載方案：①系統(tǒng)負(fù)載4個噴頭，即打開所有噴頭，1號和2號串聯(lián)，3號和4號串聯(lián)，1號和2號并聯(lián)。②系統(tǒng)負(fù)載2個噴頭，即打開1號與4號噴頭。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同負(fù)載下的噴頭性能對比

圖3為光照強度在30 min內(nèi)升高100 W/m2時，系統(tǒng)分別負(fù)載4個噴頭和2個噴頭的壓力變化曲線。從圖3可以看出，2種負(fù)載下的噴頭壓力隨著時間逐漸增大，增大幅度隨著光照強度區(qū)間增大而逐漸減小。其中，4噴頭負(fù)載下的壓力飽和值出現(xiàn)在1 100 W/m2光照強度，2噴頭負(fù)載下的壓力飽和值出現(xiàn)在800 W/m2光照強度，壓力不再增大時的光照強度即為不同負(fù)載下的飽和光照強度。

當(dāng)光照強度超過飽和光照強度，噴頭壓力不再變化。隨著負(fù)載噴頭數(shù)量增加，噴頭壓力在相同時間段內(nèi)變化的幅度有所減小。

圖4為不同光照強度瞬態(tài)升高下2種負(fù)載方式的噴灌均勻系數(shù)對比。從圖4可以看出，隨著光照強度瞬態(tài)升高，系統(tǒng)負(fù)載4個噴頭的噴灌均勻系數(shù)逐漸增加，噴灌均勻系數(shù)在光照強度從900 W/m2增加至1 000 W/m2時達(dá)到最大值88%，系統(tǒng)負(fù)載2個噴頭的噴灌均勻度先上升再降低，光照強度從600 W/m2增加至700 W/m2時噴灌均勻度達(dá)到最大值86%。圖5為系統(tǒng)分別負(fù)載4個噴頭和2個噴頭在對應(yīng)飽和光照變化區(qū)間下1號噴頭的徑向降水量分布曲線。從圖5可以看出，系統(tǒng)負(fù)載4個噴頭的降水量分布成“三角形”結(jié)構(gòu)。在噴頭近端的降水量為1.1～1.3 mm；在噴頭中端的降水量為0.8～1.0 mm；在噴頭遠(yuǎn)端的降水量為0～0.7 mm。系統(tǒng)負(fù)載2個噴頭的降水量成“梯形”結(jié)構(gòu)。在噴頭近端的降水量為1.3～1.4 mm；在噴頭中端的降水量為0.9～1.1 mm；在噴頭遠(yuǎn)端的降水量為0～0.9 mm。

圖4 噴頭噴灌均勻度曲線

對比二者的降水量分布發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)負(fù)載2個噴頭的整體降水量范圍較高，且噴頭各段之間降水量的差值也更大。較高的降水量使得各段之間的降水量差異更加明顯，進(jìn)而降低了系統(tǒng)負(fù)載2個噴頭時的噴灌均勻度。

圖5 噴頭徑向水量分布曲線

2.2 不同負(fù)載下的泵性能對比

圖6給出了光照強度在30 min內(nèi)升高100 W/m2時，系統(tǒng)負(fù)載4個噴頭時泵流量、揚程和轉(zhuǎn)速隨光照強度和時間變化的情況。

從圖6可以看出，泵性能隨光照強度瞬態(tài)升高而逐步提高，揚程變化幅度最大，轉(zhuǎn)速變化最小。光照強度從500～600 W/m2，泵性能上升幅度最大，流量增加0.11 m3/h；揚程提高3.9 m；轉(zhuǎn)速上升150 r/min。

隨著光照強度逐漸增加，泵流量、揚程和轉(zhuǎn)速的變化幅度逐漸減小。光照強度從1 000～1 100 W/m2時，泵性能達(dá)到飽和值，此時流量增加0.01 m3/h，揚程上升0.4 m，轉(zhuǎn)速上升26 r/min，各性能變化幅度均小于1%。這是因為隨著光照強度逐漸升高，電機的轉(zhuǎn)速迅速上升并趨于額定值。

圖7所示為光照強度在30 min內(nèi)升高100 W/m2時，系統(tǒng)負(fù)載2個噴頭時泵流量、揚程和轉(zhuǎn)速隨光照強度和時間變化的情況。

從圖7可以看出，隨著光照強度瞬態(tài)上升，泵性能逐漸上升，揚程所受影響最為明顯。泵性能在光照強度從500 W/m2升高到600 W/m2時上升最多，流量增加0.06 m3/h；揚程提高5.1 m；轉(zhuǎn)速上升171 r/min。光照強度從700 W/m2變化到800 W/m2時，泵性能達(dá)到飽和值，此時流量增加0.04 m3/h，揚程上升3.6 m，轉(zhuǎn)速上升80 r/min。

圖6 系統(tǒng)負(fù)載4個噴頭時泵性能曲線

對比圖6和圖7發(fā)現(xiàn)，隨著系統(tǒng)負(fù)載噴頭數(shù)量變化，在相同光照強度瞬態(tài)變化區(qū)間下的泵揚程具有較大差異。光照強度從500 W/m2升高到600 W/m2時，2種負(fù)載方式下的揚程最大差值達(dá)6 m，這極大地影響了系統(tǒng)負(fù)載不同數(shù)量噴頭時的穩(wěn)定性。結(jié)合圖2分析可知，這主要是因為泵揚程隨流量增加而快速降低。

2.3 光伏噴灌系統(tǒng)管路特性分析

當(dāng)光伏灌溉系統(tǒng)負(fù)載不同數(shù)量噴頭時，其管路特性曲線也會相應(yīng)發(fā)生變化。當(dāng)光伏水泵在特定的管路中工作時，實際的揚程和流量不僅受泵自身性能影響，也會受到管路特性的制約。當(dāng)管路所需壓力與泵所提供壓力重合時，系統(tǒng)處于最佳工作點。

圖7 系統(tǒng)負(fù)載2個噴頭時水泵性能曲線

圖8 流量-揚程曲線與管路特性曲線

圖8為系統(tǒng)負(fù)載4個噴頭和2個噴頭在飽和光照強度下對應(yīng)的管路特性曲線和泵流量揚程。系統(tǒng)運行于負(fù)載4個噴頭的管路特性曲線和流量-揚程曲線交點附近時噴頭灌溉效果較好，此時系統(tǒng)提供給噴頭的壓力接近430 kPa，即此時為噴頭的高性能工作壓力點。系統(tǒng)負(fù)載2個噴頭時受其較小的工作流量影響，泵提供給噴頭的壓力過高，這使得泵在該流量點下所提供的壓力高于噴頭高性能工作壓力點，造成噴頭灌溉效果降低。由此可見，可以通過降低系統(tǒng)負(fù)載2個噴頭時的工作壓力，使得其運行工況接近噴頭最佳壓力點，進(jìn)而提高系統(tǒng)負(fù)載2個噴頭時系統(tǒng)灌溉性能。

3 討 論

目前對光伏灌溉系統(tǒng)的光伏發(fā)電陣列[18]、光伏逆變器[19]、光伏水泵[20]等組件都進(jìn)行了一定的研究，但現(xiàn)有研究的模型多為配有蓄電池的光伏灌溉系統(tǒng)。光伏灌溉系統(tǒng)配有蓄電池后系統(tǒng)運行更為穩(wěn)定，灌溉效果也更好。但系統(tǒng)配有蓄電池一方面會使投資成本大幅增加，另一方面也會有環(huán)境污染的風(fēng)險。因此，無蓄電池光伏灌溉系統(tǒng)的研究就顯得非常必要。

當(dāng)光伏灌溉系統(tǒng)沒有蓄電池時，光伏水泵的輸出壓力會隨光照不斷變化，從而使系統(tǒng)灌溉效果一直處于動態(tài)變化之中。另外，當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)載發(fā)生變化時也會導(dǎo)致光伏水泵的輸出壓力發(fā)生變化，從而影響系統(tǒng)的灌溉效果。

針對無蓄電池光伏灌溉系統(tǒng)，本文采用試驗測量的方法分析了負(fù)載數(shù)量變化對系統(tǒng)運行特性及噴灌效果的影響，研究發(fā)現(xiàn)隨著噴頭負(fù)載數(shù)量的增多，運行工況朝大流量工況移動，系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和噴灌均勻性隨之提高。

本文首次研究了無蓄電池光伏灌溉系統(tǒng)的運行特性以及負(fù)載數(shù)量對系統(tǒng)灌溉效果的影響規(guī)律，能夠為光伏灌溉系統(tǒng)工程應(yīng)用、優(yōu)化設(shè)計以及智能控制提供了一定的參考。

4 結(jié) 論

1）2種負(fù)載下的噴頭壓力均隨著光照強度變化而變化，變化幅度隨著光照強度區(qū)間增大而降低。其中，4噴頭負(fù)載下的壓力飽和值出現(xiàn)在1 100 W/m2光照強度，2噴頭負(fù)載下的壓力飽和值出現(xiàn)在800 W/m2光照強度，2負(fù)載的飽和光照強度比4負(fù)載低。

2）隨著系統(tǒng)負(fù)載噴頭數(shù)量增加，噴頭飽和工作壓力逐漸降低，噴頭達(dá)到飽和壓力所需光照強度逐漸升高，噴頭徑向降水量逐漸減少，噴頭各段之間降水量差值逐漸減小。在飽和光照強度下，相比系統(tǒng)負(fù)載4個噴頭，系統(tǒng)負(fù)載2個噴頭的飽和壓力上升15 kPa，噴灌均勻度減少2%，噴頭達(dá)到飽和工作壓力所需最低光照強度降低300 W/m2，徑向降水量成較差的“梯形”分布。

3）隨著負(fù)載噴頭數(shù)量增大，泵揚程、轉(zhuǎn)速、流量隨光照強度瞬態(tài)變化的幅度逐漸減少。在相同光照強度瞬態(tài)變化區(qū)間下2種負(fù)載的泵揚程具有較大差異，這極大地影響了系統(tǒng)負(fù)載不同數(shù)量噴頭時的穩(wěn)定性。

4）隨著系統(tǒng)負(fù)載噴頭數(shù)量增大，泵流量-揚程曲線與管路特性曲線的交點右移，系統(tǒng)在較大流量工況下運行，噴頭工作壓力降低，噴灌均勻性更好。

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The Effect of Nozzle Numbers on Operation of Photovoltaic Sprinkler Irrigation Systems

TAN Minggao1,2, YUN Tianping1*, W.0U Xianfang3, MA Haochen4, LIU Houlin1,2

(1.Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;2.Zhenjiang Fluid Engineering Equipment Technology Research Institute, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;3.School ofEnergyand Power Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013, China;4.School of MechanicalEngineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

【】Photovoltaic has been increasingly used to power irrigation systems in China, but optimizing its power output and operating load is an issue that is poorly understood. This paper aims to address this by taking sprinkler irrigation systems powered by photovoltaic as an example.【】The photovoltaic system used in this work was battery-free, and the experiment was conducted in a test rig in which the operation of the system under different nozzle numbers was measured and compared.【】①Water pressure in the nozzles varied with light intensity, and the variation decreased as the duration of light intensity increased. The saturated light intensity under two loads was 300 W/m2, lower than that under four loads. ②With the increase in the number of sprinkler nozzles, the saturated working pressure in the nozzles decreases. The saturated water pressure in the sprinklers under two nozzles was about 450 kPa, and it reduced to 435 kPa when the nozzle numbers increased to four, indicating that the illumination intensity required to reach the saturated pressure in the sprinkler system increased as the number of nozzles increased. ③With the increases in sprinkler head numbers, the falling of water droplets in the radial direction and the difference in water droplets between the sprinkler sections both decreased. Water distribution under two nozzles was approximately trapezoidal, while under four nozzles the distribution became triangle from where the nozzles were to the far ends. ④The uniformity coefficient of the sprinkler irrigation system increased as the number of nozzles increased, and the maximum uniformity coefficient under four sprinkler nozzles was 2% larger than that under two nozzles.【】Increasing the number of nozzles can increase the saturated light intensity of the system and reduced the saturated water pressure in the nozzles. The light-height of the pumps, rotational speed and flow rate all decreased as the light intensity transient amplitude increased. The pump flow, head curve and the pipeline characteristic curve move to the right of the intersection point, and the system running at fast flow condition can reduce nozzle pressure and improve sprinkler irrigation uniformity.

photovoltaic; sprinkler irrigation; nozzle numbers; pump

談明高, 云天平, 吳賢芳, 等. 噴頭數(shù)量對光伏噴灌系統(tǒng)運行特性的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2021, 40(9): 79-84.

TAN Minggao, YUN Tianping, WU Xianfang, et al. The Effect of Nozzle Numbers on Operation of Photovoltaic Sprinkler Irrigation Systems [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(9): 79-84.

S277

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020662

1672 – 3317（2021）09 - 0079 - 06

2020-11-23

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFC0400202）；江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)重點研發(fā)計劃項目（BE2017356）

談明高，男。研究員，博士生導(dǎo)師，博士，主要從事現(xiàn)代泵設(shè)計理論與方法的研究。E-mail: tmgwxf@ujs.edu.cn

云天平，男。碩士研究生，主要從事光伏灌溉系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計研究。E-mail: 1170922646@qq.com

責(zé)任編輯：白芳芳