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(duì)光伏噴灌系統(tǒng)運(yùn)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(jī)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(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)
【】探討噴頭數(shù)量對(duì)無蓄電池光伏灌溉系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響。搭建光伏灌溉系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái),采用試驗(yàn)測(cè)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(qiáng)度變化而變化,變化幅度隨著光照強(qiáng)度區(qū)間增大而降低,2負(fù)載的飽和光照強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度增大,噴頭飽和壓力減小,泵揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、流量隨光照強(qiáng)度瞬態(tài)變化的幅度逐漸減少,泵流量-揚(yáng)程曲線與管路特性曲線的交點(diǎn)右移,系統(tǒng)在較大流量工況下運(yùn)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
【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(shì)。光伏灌溉系統(tǒng)是光伏揚(yáng)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(chǎng)遠(yuǎn)景非常廣大。
【研究進(jìn)展】1964年第一臺(tái)光伏水泵的出現(xiàn)標(biāo)志著光伏揚(yáng)水技術(shù)的誕生[1]。早期的光伏揚(yáng)水系統(tǒng)受限于太陽能電池等組件高昂的價(jià)格,一直處于緩慢發(fā)展的狀態(tài)[2]。我國(guó)對(duì)于光伏揚(yáng)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(duì)于光伏揚(yáng)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(kuò)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(yáng)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(yùn)用,以大田噴灌為例分析太陽能驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)時(shí)間的長(zhǎng)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(duì)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(qiáng)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(diǎn)】在實(shí)際灌溉中,作物的灌水需求將隨著生長(zhǎng)周期、氣象條件等因素變化而變化[17]。為了實(shí)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(duì)光伏灌溉系統(tǒng)的實(shí)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(duì)光伏噴灌系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響研究較少。【擬解決的關(guān)鍵問題】為此,搭建光伏灌溉系統(tǒng)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái),揭示噴頭負(fù)載數(shù)量對(duì)光伏灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行特性及噴灌性能的影響規(guī)律,填補(bǔ)相關(guān)研究空白,為進(jìn)一步優(yōu)化提供參考依據(jù)。
試驗(yàn)臺(tái)由供水、供能、供壓、噴灌和測(cè)量,總計(jì)5個(gè)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(cè)量設(shè)備:雨量桶、電磁流量計(jì)、電腦、轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x和壓力表等,如圖1所示。試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)圖如圖2所示。表1為試驗(yàn)中所用的試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)及性能參數(shù)。
注 1.1號(hào)噴頭;2.2號(hào)噴頭;3.3號(hào)噴頭;4.4號(hào)噴頭;5.雨量桶;6.控制臺(tái)
圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)
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(dòng)光伏水泵進(jìn)行工作,給噴頭提供其所需的流量和壓力實(shí)現(xiàn)噴灌。
表1 光伏水泵噴灌系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材
在30 min光照強(qiáng)度瞬態(tài)變化下,即光照強(qiáng)度30 min內(nèi)均勻增大工況下,測(cè)量系統(tǒng)負(fù)載2個(gè)和4個(gè)噴頭時(shí)泵流量、揚(yáng)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(qiáng)度瞬態(tài)變化試驗(yàn)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(gè)噴頭,即打開所有噴頭,1號(hào)和2號(hào)串聯(lián),3號(hào)和4號(hào)串聯(lián),1號(hào)和2號(hào)并聯(lián)。②系統(tǒng)負(fù)載2個(gè)噴頭,即打開1號(hào)與4號(hào)噴頭。
圖3為光照強(qiáng)度在30 min內(nèi)升高100 W/m2時(shí),系統(tǒng)分別負(fù)載4個(gè)噴頭和2個(gè)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(shí)間逐漸增大,增大幅度隨著光照強(qiáng)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(qiáng)度,2噴頭負(fù)載下的壓力飽和值出現(xiàn)在800 W/m2光照強(qiáng)度,壓力不再增大時(shí)的光照強(qiáng)度即為不同負(fù)載下的飽和光照強(qiáng)度。
當(dāng)光照強(qiáng)度超過飽和光照強(qiáng)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(shí)間段內(nèi)變化的幅度有所減小。
圖4為不同光照強(qiáng)度瞬態(tài)升高下2種負(fù)載方式的噴灌均勻系數(shù)對(duì)比。從圖4可以看出,隨著光照強(qiáng)度瞬態(tài)升高,系統(tǒng)負(fù)載4個(gè)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(qiáng)度從900 W/m2增加至1 000 W/m2時(shí)達(dá)到最大值88%,系統(tǒng)負(fù)載2個(gè)噴頭的噴灌均勻度先上升再降低,光照強(qiáng)度從600 W/m2增加至700 W/m2時(shí)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(gè)噴頭和2個(gè)噴頭在對(duì)應(yīng)飽和光照變化區(qū)間下1號(hào)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(gè)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(gè)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(duì)比二者的降水量分布發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)負(fù)載2個(gè)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(gè)噴頭時(shí)的噴灌均勻度。
圖5 噴頭徑向水量分布曲線
圖6給出了光照強(qiáng)度在30 min內(nèi)升高100 W/m2時(shí),系統(tǒng)負(fù)載4個(gè)噴頭時(shí)泵流量、揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速隨光照強(qiáng)度和時(shí)間變化的情況。
從圖6可以看出,泵性能隨光照強(qiáng)度瞬態(tài)升高而逐步提高,揚(yáng)程變化幅度最大,轉(zhuǎn)速變化最小。光照強(qiáng)度從500~600 W/m2,泵性能上升幅度最大,流量增加0.11 m3/h;揚(yáng)程提高3.9 m;轉(zhuǎn)速上升150 r/min。
隨著光照強(qiáng)度逐漸增加,泵流量、揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速的變化幅度逐漸減小。光照強(qiáng)度從1 000~1 100 W/m2時(shí),泵性能達(dá)到飽和值,此時(shí)流量增加0.01 m3/h,揚(yáng)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?yàn)殡S著光照強(qiáng)度逐漸升高,電機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速上升并趨于額定值。
圖7所示為光照強(qiáng)度在30 min內(nèi)升高100 W/m2時(shí),系統(tǒng)負(fù)載2個(gè)噴頭時(shí)泵流量、揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速隨光照強(qiáng)度和時(shí)間變化的情況。
從圖7可以看出,隨著光照強(qiáng)度瞬態(tài)上升,泵性能逐漸上升,揚(yáng)程所受影響最為明顯。泵性能在光照強(qiáng)度從500 W/m2升高到600 W/m2時(shí)上升最多,流量增加0.06 m3/h;揚(yáng)程提高5.1 m;轉(zhuǎn)速上升171 r/min。光照強(qiáng)度從700 W/m2變化到800 W/m2時(shí),泵性能達(dá)到飽和值,此時(shí)流量增加0.04 m3/h,揚(yáng)程上升3.6 m,轉(zhuǎn)速上升80 r/min。
圖6 系統(tǒng)負(fù)載4個(gè)噴頭時(shí)泵性能曲線
對(duì)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(qiáng)度瞬態(tài)變化區(qū)間下的泵揚(yáng)程具有較大差異。光照強(qiáng)度從500 W/m2升高到600 W/m2時(shí),2種負(fù)載方式下的揚(yáng)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(shí)的穩(wěn)定性。結(jié)合圖2分析可知,這主要是因?yàn)楸脫P(yáng)程隨流量增加而快速降低。
當(dāng)光伏灌溉系統(tǒng)負(fù)載不同數(shù)量噴頭時(shí),其管路特性曲線也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。當(dāng)光伏水泵在特定的管路中工作時(shí),實(shí)際的揚(yáng)程和流量不僅受泵自身性能影響,也會(huì)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(shí),系統(tǒng)處于最佳工作點(diǎn)。
圖7 系統(tǒng)負(fù)載2個(gè)噴頭時(shí)水泵性能曲線
圖8 流量-揚(yáng)程曲線與管路特性曲線
圖8為系統(tǒng)負(fù)載4個(gè)噴頭和2個(gè)噴頭在飽和光照強(qiáng)度下對(duì)應(yīng)的管路特性曲線和泵流量揚(yáng)程。系統(tǒng)運(yùn)行于負(fù)載4個(gè)噴頭的管路特性曲線和流量-揚(yáng)程曲線交點(diǎn)附近時(shí)噴頭灌溉效果較好,此時(shí)系統(tǒng)提供給噴頭的壓力接近430 kPa,即此時(shí)為噴頭的高性能工作壓力點(diǎn)。系統(tǒng)負(fù)載2個(gè)噴頭時(shí)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(diǎn)下所提供的壓力高于噴頭高性能工作壓力點(diǎn),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(gè)噴頭時(shí)的工作壓力,使得其運(yùn)行工況接近噴頭最佳壓力點(diǎn),進(jìn)而提高系統(tǒng)負(fù)載2個(gè)噴頭時(shí)系統(tǒng)灌溉性能。
目前對(duì)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(yùn)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(huì)使投資成本大幅增加,另一方面也會(huì)有環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。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(shí),光伏水泵的輸出壓力會(huì)隨光照不斷變化,從而使系統(tǒng)灌溉效果一直處于動(dòng)態(tài)變化之中。另外,當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)也會(huì)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(duì)無蓄電池光伏灌溉系統(tǒng),本文采用試驗(yàn)測(cè)量的方法分析了負(fù)載數(shù)量變化對(duì)系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行工況朝大流量工況移動(dòng),系統(tǒng)的運(yùn)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(yùn)行特性以及負(fù)載數(shù)量對(duì)系統(tǒng)灌溉效果的影響規(guī)律,能夠?yàn)楣夥喔认到y(tǒng)工程應(yīng)用、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及智能控制提供了一定的參考。
1)2種負(fù)載下的噴頭壓力均隨著光照強(qiáng)度變化而變化,變化幅度隨著光照強(qiáng)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(qiáng)度,2噴頭負(fù)載下的壓力飽和值出現(xiàn)在800 W/m2光照強(qiáng)度,2負(fù)載的飽和光照強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度下,相比系統(tǒng)負(fù)載4個(gè)噴頭,系統(tǒng)負(fù)載2個(gè)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(qiáng)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(yáng)程、轉(zhuǎn)速、流量隨光照強(qiáng)度瞬態(tài)變化的幅度逐漸減少。在相同光照強(qiáng)度瞬態(tài)變化區(qū)間下2種負(fù)載的泵揚(yáng)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(shí)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(yáng)程曲線與管路特性曲線的交點(diǎn)右移,系統(tǒng)在較大流量工況下運(yùn)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(duì)光伏噴灌系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2021, 40(9): 79-84.
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S277
A
10.13522/j.cnki.ggps.2020662
1672 – 3317(2021)09 - 0079 - 06
2020-11-23
國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0400202);江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)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(jì)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(jì)研究。E-mail: 1170922646@qq.com
責(zé)任編輯:白芳芳