談明高， 云天平， 吳賢芳，劉厚林，馬皓晨

(1. 江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)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 212013； 3. 江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；4.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

光伏抽水灌溉系統(tǒng)是光伏水泵技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)的有機(jī)接合.它將光伏水泵抽水系統(tǒng)取出的水通過灌溉系統(tǒng)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行灌溉，具有低能耗、節(jié)約資源、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效達(dá)到節(jié)能、節(jié)水、農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、增收的目的，特別適用于中國光照充足的西北地區(qū)[1-2].光伏抽水灌溉系統(tǒng)由光電池、控制器、光伏水泵、蓄水裝置及灌溉系統(tǒng)等部分組成.出于對(duì)環(huán)境保護(hù)、降低成本以及便于移動(dòng)的考慮，光伏抽水灌溉系統(tǒng)一般不采用蓄電池組.因此光照輻射的不穩(wěn)定性給光伏抽水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)帶來了極大的挑戰(zhàn).

目前，國內(nèi)外對(duì)光伏水泵和農(nóng)業(yè)噴灌方面已開展了許多研究，MEHMOOD等[3]利用Matlab軟件仿真討論光伏水泵系統(tǒng)的節(jié)能效果，以促進(jìn)巴基斯坦農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展.PETROSELLI等[4]在意大利維泰博地區(qū)收集一臺(tái)光伏水泵1 a運(yùn)行數(shù)據(jù)，用于確定農(nóng)業(yè)灌溉的使用需求.MASHELENI等[5]使用精確度較高的控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏抽水系統(tǒng)的良好控制，顯著提高了系統(tǒng)效率.邱林等[6]對(duì)傳統(tǒng)光伏組件和具備最大功率點(diǎn)跟蹤設(shè)備的光伏組件進(jìn)行比較，研究表明后者具備更佳的效率.劉明陽等[7]根據(jù)電容充放電原理，通過對(duì)光伏水泵啟動(dòng)電流試驗(yàn)分析提出一種基于S3C44B0X控制的電容器充放電啟動(dòng)方法，可有效延長光伏水泵工作時(shí)間，供水效率大幅提升.徐斌等[8]提出了一種聯(lián)合供電水泵系統(tǒng)，通過功率補(bǔ)償器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，在光伏發(fā)電不足時(shí)自動(dòng)接入市電進(jìn)行功率缺額補(bǔ)償.劉鵬等[9]詳細(xì)介紹了光伏水泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，并根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和系統(tǒng)可靠性要求，提出了基于下垂控制原理和電壓補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)多機(jī)并聯(lián)均流運(yùn)行和最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的控制策略.此外，還有學(xué)者從光伏逆變器、光伏水泵等方面開展光伏灌溉研究[10-15].

綜上所述可知，目前關(guān)于光照強(qiáng)度變化對(duì)光伏灌溉系統(tǒng)運(yùn)行特性的研究還比較缺乏.文中以噴灌均勻度和噴灌強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用試驗(yàn)測(cè)試的方法研究光照強(qiáng)度對(duì)光伏灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行特性的影響規(guī)律，以期為光伏水泵灌溉系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考.

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

測(cè)量儀器及試驗(yàn)器材如表1和表2所示.

表1 光伏水泵噴灌系統(tǒng)性能測(cè)量儀器

表2 光伏水泵噴灌系統(tǒng)試驗(yàn)器材

光伏水泵噴灌試驗(yàn)裝置由4個(gè)部分組成：光伏發(fā)電組件、控制器、光伏水泵和噴頭，其中試驗(yàn)選用的光伏發(fā)電設(shè)備由8塊光伏組件組成.試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖如圖1所示，其中控制臺(tái)包含光伏水泵、光伏逆變器、光伏組件等裝置，1號(hào)和2號(hào)為近端噴頭，3號(hào)和4號(hào)為遠(yuǎn)端噴頭.

圖1 試驗(yàn)布置圖

噴灌噴頭安裝高度為1.2 m，選擇正方形10 m×10 m區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)區(qū)，噴頭采用正方形布置，區(qū)域內(nèi)按1 m×1 m方格網(wǎng)狀布置雨量筒，區(qū)域內(nèi)共81個(gè)雨量筒.

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)環(huán)境溫度為28 ℃，光伏組件傾角為45°，在8個(gè)光照區(qū)間下進(jìn)行光伏水泵噴灌試驗(yàn)，分別為[500，600), [600，700), [700，800), [800，900)，[900，1 000)，[1 000，1 100)，[1 100，1 200)， [1 200，1 300].每個(gè)光照區(qū)間進(jìn)行3次試驗(yàn)，單次試驗(yàn)進(jìn)行6 min；試驗(yàn)記錄光照強(qiáng)度、光伏組件溫度、光伏組件輸出功率、水泵流量、水泵出口壓力、噴頭進(jìn)口壓力、噴頭射程和噴頭旋轉(zhuǎn)周期、雨量筒水量.

1.3 評(píng)判指標(biāo)

農(nóng)業(yè)上噴灌效果的量化指標(biāo)主要為組合平均噴灌強(qiáng)度、噴灌均勻系數(shù)與分布均勻系數(shù)[16].

1) 組合平均噴灌強(qiáng)度

計(jì)算公式為

(1)

2) 噴灌均勻系數(shù)Cu

計(jì)算公式為

(2)

3) 分布均勻系數(shù)Du值

計(jì)算公式為

(3)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 系統(tǒng)工作特性

圖2為光照強(qiáng)度E與噴頭射程L、旋轉(zhuǎn)周期t之間的關(guān)系.從圖中可以看出，在光照強(qiáng)度小于900 W/m2時(shí)，噴頭射程隨光照強(qiáng)度增大而增大，旋轉(zhuǎn)周期隨光照強(qiáng)度增大而減少，噴頭運(yùn)行參數(shù)變化幅度大.當(dāng)光照強(qiáng)度大于900 W/m2時(shí)，噴頭射程和旋轉(zhuǎn)周期均隨著光照強(qiáng)度增加上下波動(dòng)，變化幅度相對(duì)較小.光照強(qiáng)度從900 W/m2增大到1 300 W/m2，噴頭射程分別為9.3，9.8，9.6，9.7 m，旋轉(zhuǎn)周期分別為24.5，19.8，23.0，20.9 s.隨光照強(qiáng)度的變化，射程和旋轉(zhuǎn)周期呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律，即射程最大時(shí)旋轉(zhuǎn)時(shí)間最短.

圖2 噴頭射程及旋轉(zhuǎn)時(shí)間隨光照強(qiáng)度變化關(guān)系

工作壓力是影響噴頭性能的主要因素，因此射程與旋轉(zhuǎn)周期變化規(guī)律可能與噴頭工作壓力大小有關(guān).圖3為噴頭工作壓力H隨光照強(qiáng)度E變化曲線.從圖中可以看出，由于存在沿程管路損失，整體上近端工作壓力大于遠(yuǎn)端工作壓力.光照強(qiáng)度小于900 W/m2時(shí)，噴頭壓力隨光照強(qiáng)度增大而增大，噴頭壓力變化幅度大.光照強(qiáng)度從900 W/m2增大到1 300 W/m2時(shí)，噴頭壓力先上升、后下降、再上升，工作壓力波動(dòng)趨勢(shì)與圖2射程波動(dòng)趨勢(shì)一致，與旋轉(zhuǎn)周期反向一致，變化幅度較小.在1 000 W/m2附近噴頭工作壓力最大，最大近端壓力為 0.440 MPa，最大遠(yuǎn)端壓力為0.425 MPa，此時(shí)噴頭射程最大，噴頭旋轉(zhuǎn)周期最小，系統(tǒng)達(dá)到飽和工況，系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)達(dá)到最大值.1 100 W/m2光強(qiáng)以后的噴頭工作壓力變化幅度小于2%.

圖3 噴頭工作壓力隨光照強(qiáng)度變化曲線

噴頭工作壓力是由水泵運(yùn)行工況決定的.圖4為光照強(qiáng)度E與泵流量q、出口壓力Ho的關(guān)系.從圖中可以看出，光照強(qiáng)度小于900 W/m2時(shí)，泵流量和出口壓力均隨著光照強(qiáng)度增大而增大，運(yùn)行參數(shù)變化幅度大，泵出口壓力增大幅度大于泵流量.光照強(qiáng)度從900 W/m2增大到1 200 W/m2時(shí)，水泵流量和出口壓力與圖3中較高光照強(qiáng)度時(shí)噴頭工作壓力波動(dòng)趨勢(shì)一致，運(yùn)行參數(shù)變化幅度?。划?dāng)光照強(qiáng)度在1 000 W/m2附近時(shí)水泵的流量和出口壓力最大，分別為1.68 m3/h和0.450 MPa，此時(shí)水泵運(yùn)行參數(shù)達(dá)到最大值.1 100 W/m2光強(qiáng)以后的出口壓力變化幅度小于2%.

圖4 泵流量及揚(yáng)程隨光照強(qiáng)度變化曲線

為了進(jìn)一步分析光伏水泵的運(yùn)行特性，圖5給出了光照強(qiáng)度E與光伏組件輸出功率P和溫度T的影響規(guī)律.從圖中可以看出，在光照強(qiáng)度小于900 W/m2時(shí)，輸出功率和溫度均隨著光照強(qiáng)度增大而增大，運(yùn)行參數(shù)變化幅度大，輸出功率變化幅度略大于溫度.光照強(qiáng)度從900 W/m2增大到1 200 W/m2時(shí)，輸出功率先大幅上升、后小幅下降、再小幅上升，變化幅度比低光強(qiáng)時(shí)小，與圖4較高光照強(qiáng)度水泵的出口壓力波動(dòng)趨勢(shì)一致；在1 000 W/m2附近,光伏組件輸出功率最大，對(duì)應(yīng)水泵最大出口壓力和噴頭最大工作壓力.

進(jìn)一步從圖5中可以看出，在光照強(qiáng)度1 000 W/m2附近，輸出功率變化波動(dòng)較大，從上升趨勢(shì)轉(zhuǎn)為急劇下降趨勢(shì).這是由于在光照強(qiáng)度小于1 000 W/m2時(shí)光伏組件溫度較低，對(duì)光伏組件的輸出功率影響較小，影響輸出功率的主要因素是光照強(qiáng)度；當(dāng)光照強(qiáng)度提升到1 100 W/m2，光伏組件溫度隨著光照強(qiáng)度增加快速上升，影響輸出功率的因素變?yōu)闇囟群凸庹諒?qiáng)度，光伏組件的輸出功率下降，從而導(dǎo)致了系統(tǒng)工作工況的一系列變化.過高的溫度會(huì)降低光伏發(fā)電效率，從而影響系統(tǒng)性能.

圖5 光伏組件輸出功率和溫度隨光照強(qiáng)度變化關(guān)系

2.2 噴頭評(píng)判指標(biāo)

圖6為光照強(qiáng)度E與組合平均噴灌強(qiáng)度ρ的關(guān)系.從圖中可以看出，光照強(qiáng)度小于900 W/m2時(shí)，組合平均噴灌強(qiáng)度隨著光照強(qiáng)度區(qū)間增大而增大.光照強(qiáng)度從900 W/m2增大到1 200 W/m2時(shí)，組合平均噴灌強(qiáng)度先上升、后下降、再小幅上升，與圖5光伏組件輸出功率波動(dòng)趨勢(shì)一致.1 000 W/m2和1 200 W/m2附近的噴灌強(qiáng)度較高，在1 000 W/m2附近組合平均噴灌強(qiáng)度達(dá)到最大值3.0 mm/h，這是因?yàn)樵搮^(qū)間水泵流量最大，噴灌強(qiáng)度基本對(duì)應(yīng)了水泵流量的變化趨勢(shì).

圖6 組合澆灌強(qiáng)度隨光照強(qiáng)度變化曲線

噴灌均勻系數(shù)是衡量噴頭水力性能和噴灌質(zhì)量的重要指標(biāo)之一.圖7為光照強(qiáng)度與均勻系數(shù)的關(guān)系.如圖7所示，系統(tǒng)的噴灌均勻系數(shù)CU和分布均勻系數(shù)DU均隨光照強(qiáng)度E增大而增大，1 100 W/m2和1 200 W/m2附近的噴灌均勻系數(shù)較大，在1 200 W/m2附近噴灌均勻系數(shù)達(dá)到最大值，為0.88.可見在較高的光照強(qiáng)度下，系統(tǒng)具備良好的噴灌均勻性.在相同工況下，噴灌均勻系數(shù)均大于分布系數(shù)，總體上呈線性關(guān)系.隨著光照強(qiáng)度的增大，分布均勻系數(shù)增大，噴頭噴灌質(zhì)量好.結(jié)合圖5可知，均勻系數(shù)在較高光照強(qiáng)度時(shí)未表現(xiàn)出波動(dòng)趨勢(shì)是因?yàn)楣庹諒?qiáng)度1 000 W/m2附近的輸出功率最大，輸出功率波動(dòng)大，噴頭壓力過大，工況波動(dòng)大，導(dǎo)致該區(qū)間噴灌質(zhì)量下降；當(dāng)光照強(qiáng)度繼續(xù)增大時(shí)，輸出功率下降，輸出功率波動(dòng)減緩，噴頭壓力下降，工況波動(dòng)減緩，噴灌質(zhì)量得以上升.

圖7 噴灌均勻系數(shù)及分布均勻系數(shù)變化曲線

3 結(jié) 論

對(duì)不同光照強(qiáng)度區(qū)間的光伏抽水灌溉系統(tǒng)性能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，得出結(jié)論如下：

1) 較低光照強(qiáng)度下，噴頭射程與壓力隨著光照強(qiáng)度增大而增大，參數(shù)變化幅度大；較高光照強(qiáng)度下，噴頭射程與壓力均呈現(xiàn)出先上升、后下降、再上升的波動(dòng)趨勢(shì)，光伏水泵出口壓力和噴頭壓力波動(dòng)趨勢(shì)一致，光伏水泵出口壓力與光伏發(fā)電端輸出功率波動(dòng)趨勢(shì)一致，系統(tǒng)整體運(yùn)行協(xié)調(diào)一致.光照強(qiáng)度1 000 W/m2附近系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)達(dá)到閾值.

2) 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)未達(dá)到閾值前，影響水泵與噴頭運(yùn)行的因素主要是光照強(qiáng)度，噴頭和水泵的壓力均隨著光照強(qiáng)度增大而增大，變化幅度較大；運(yùn)行參數(shù)達(dá)到閾值后，光照強(qiáng)度繼續(xù)增大，影響因素轉(zhuǎn)變?yōu)楣庹諒?qiáng)度和溫度，其中光照強(qiáng)度為增益因素，溫度為減益因素，壓力變化幅度小.

3) 較低光照強(qiáng)度下，組合平均噴灌強(qiáng)度隨著光照強(qiáng)度增大而增大；較高光照強(qiáng)度下，組合平均噴灌強(qiáng)度隨著光照強(qiáng)度上下變化，與光伏組件輸出功率的變化趨勢(shì)一致，在閾值附近達(dá)到最大值3.0 mm/h.噴灌均勻系數(shù)隨著光照強(qiáng)度增大而增大，噴灌均勻系數(shù)最大值為0.88.