喷头数量对光伏喷灌系统运行特性的影响

谈明高，云天平，吴贤芳，马皓晨，刘厚林

▪灌溉技术与装备▪

喷头数量对光伏喷灌系统运行特性的影响

谈明高1,2，云天平1*，吴贤芳3，马皓晨4，刘厚林1,2

（1.江苏大学 流体机械及工程技术研究中心，江苏 镇江 212013；2.江苏大学 镇江流体工程装备技术研究院，江苏 镇江 212009；3.江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013；4.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013）

【】探讨喷头数量对无蓄电池光伏灌溉系统运行特性的影响。搭建光伏灌溉系统试验台，采用试验测量的方法获得不同喷头负载数量下的系统性能。①不同负载下的喷头压力均随着光照强度变化而变化，变化幅度随着光照强度区间增大而降低，2负载的饱和光照强度比4负载低了300 W/m2；②随着系统负载喷头数量增大，喷头饱和工作压力逐渐降低，2负载饱和压力约为450 kPa，4负载饱和压力约为435 kPa，喷头达到饱和压力所需光照强度逐渐升高；③随着喷头数量增大，喷头径向降水量逐渐减少，喷头各段之间降水量差值逐渐减小，2负载的径向水量分布结构为较差的“梯形分布”，4负载的径向水量分布结构为较好的“三角形分布”；④喷灌均匀系数随着负载喷头数量增加而增大，4喷头最大均匀系数比2喷头大2%。随着喷头负载数量增大，系统饱和光照强度增大，喷头饱和压力减小，泵扬程、转速、流量随光照强度瞬态变化的幅度逐渐减少，泵流量-扬程曲线与管路特性曲线的交点右移，系统在较大流量工况下运行，喷头工作压力降低，喷灌均匀性更好。

光伏；喷灌；喷头数量；泵

0 引 言

【研究意义】近年来，随着石化能源的逐渐枯竭和水资源的日益紧张，节能和节水逐渐成为各行各业的发展趋势。光伏灌溉系统是光伏扬水技术和节水灌溉技术的结合，已成为解决农业中存在的耗水耗能大，灌溉率低等问题的方法之一，市场远景非常广大。

【研究进展】1964年第一台光伏水泵的出现标志着光伏扬水技术的诞生[1]。早期的光伏扬水系统受限于太阳能电池等组件高昂的价格，一直处于缓慢发展的状态[2]。我国对于光伏扬水系统的研究始于20世纪70年代，但直到1982年后才得到真正的发展，且研究也多局限于光伏阵列与日需水量匹配性方面[3-4]。之后，太阳能在农业能源中的占比逐渐增加，并在2000年后得益于光伏组件的迅速发展，光伏灌溉技术也取得了较大的突破，与节水灌溉3种方式：喷灌、微灌和滴灌的结合更加高效。对于光伏扬水系统的研究也逐渐由单一的系统匹配性研究向结构扩展或性能优化等多元化发展[5-13]。光伏灌溉系统作为光伏扬水系统和节水灌溉技术的结合，其相关的研究最早从光伏灌溉系统中水泵的抽水供能方向展开。Edzard等[14]基于植物需水量和光伏水泵选型问题，论述了光能发电在农田灌水中的运用，以大田喷灌为例分析太阳能驱动的水泵系统，指出合理蓄能是将每日所需水量存在高位水箱中进行夜间灌溉，通过长时间的长期蓄能以满足非均匀需水量曲线，并用多余的功率将高位水箱灌满水以进行夜间灌溉。Cuadros等[15]根据西班牙南部的气候和土壤特性，提出了一种针对橄榄树的光伏灌溉系统安装方式，并根据土壤含水率分布分析抽水所需能量，最后根据滴灌10 hm2所需最高光照强度确定系统安装方式。Kelley等[16]基于气候条件、土壤含水率分布、CO2排放等分析了光伏节水灌溉的可行性，结果发现光伏节水灌溉在大多数地区均有较高的可行性。

【切入点】在实际灌溉中，作物的灌水需求将随着生长周期、气象条件等因素变化而变化[17]。为了实现高效、节水的灌水策略，需要改变喷头负载数量以满足植物灌水需求。尽管前人已经针对光伏灌溉系统的实际应用和灌溉要求做出了一定的研究，但目前关于喷头负载数量对光伏喷灌系统运行特性的影响研究较少。【拟解决的关键问题】为此，搭建光伏灌溉系统性能测试试验台，揭示喷头负载数量对光伏灌溉系统的运行特性及喷灌性能的影响规律，填补相关研究空白，为进一步优化提供参考依据。

1 试验装置与试验方案

1.1 试验装置

试验台由供水、供能、供压、喷灌和测量，总计5个部分组成。供水设备：水箱；供能设备：光伏阵列模拟电源，逆变器；供压设备：光伏水泵；喷灌设备：喷头；测量设备：雨量桶、电磁流量计、电脑、转速测量仪和压力表等，如图1所示。试验台简图如图2所示。表1为试验中所用的试验设备型号及性能参数。

注 1.1号喷头；2.2号喷头；3.3号喷头；4.4号喷头；5.雨量桶；6.控制台

图2 试验系统

1.2 试验原理

光伏阵列模拟电源通过配电柜进行供电，将输入的三相电转换为输出到逆变器的直流电。由光伏阵列提供的不稳定电流通过逆变器进行MPPT，在保证供能稳定的前提下，进一步优化光伏阵列的供电能力。光伏水泵逆变器驱动光伏水泵进行工作，给喷头提供其所需的流量和压力实现喷灌。

表1 光伏水泵喷灌系统实验器材

1.3 试验方案

在30 min光照强度瞬态变化下，即光照强度30 min内均匀增大工况下，测量系统负载2个和4个喷头时泵流量、扬程、转速以及喷头压力、喷灌均匀度、径向降水量分布等参数。

光照强度瞬态变化试验方案: 500～600、600～700、700～800、800～900、900～1000、1 000～1 100 W/m2。

喷头负载方案：①系统负载4个喷头，即打开所有喷头，1号和2号串联，3号和4号串联，1号和2号并联。②系统负载2个喷头，即打开1号与4号喷头。

2 结果与分析

2.1 不同负载下的喷头性能对比

图3为光照强度在30 min内升高100 W/m2时，系统分别负载4个喷头和2个喷头的压力变化曲线。从图3可以看出，2种负载下的喷头压力随着时间逐渐增大，增大幅度随着光照强度区间增大而逐渐减小。其中，4喷头负载下的压力饱和值出现在1 100 W/m2光照强度，2喷头负载下的压力饱和值出现在800 W/m2光照强度，压力不再增大时的光照强度即为不同负载下的饱和光照强度。

当光照强度超过饱和光照强度，喷头压力不再变化。随着负载喷头数量增加，喷头压力在相同时间段内变化的幅度有所减小。

图4为不同光照强度瞬态升高下2种负载方式的喷灌均匀系数对比。从图4可以看出，随着光照强度瞬态升高，系统负载4个喷头的喷灌均匀系数逐渐增加，喷灌均匀系数在光照强度从900 W/m2增加至1 000 W/m2时达到最大值88%，系统负载2个喷头的喷灌均匀度先上升再降低，光照强度从600 W/m2增加至700 W/m2时喷灌均匀度达到最大值86%。图5为系统分别负载4个喷头和2个喷头在对应饱和光照变化区间下1号喷头的径向降水量分布曲线。从图5可以看出，系统负载4个喷头的降水量分布成“三角形”结构。在喷头近端的降水量为1.1～1.3 mm；在喷头中端的降水量为0.8～1.0 mm；在喷头远端的降水量为0～0.7 mm。系统负载2个喷头的降水量成“梯形”结构。在喷头近端的降水量为1.3～1.4 mm；在喷头中端的降水量为0.9～1.1 mm；在喷头远端的降水量为0～0.9 mm。

图4 喷头喷灌均匀度曲线

对比二者的降水量分布发现，系统负载2个喷头的整体降水量范围较高，且喷头各段之间降水量的差值也更大。较高的降水量使得各段之间的降水量差异更加明显，进而降低了系统负载2个喷头时的喷灌均匀度。

图5 喷头径向水量分布曲线

2.2 不同负载下的泵性能对比

图6给出了光照强度在30 min内升高100 W/m2时，系统负载4个喷头时泵流量、扬程和转速随光照强度和时间变化的情况。

从图6可以看出，泵性能随光照强度瞬态升高而逐步提高，扬程变化幅度最大，转速变化最小。光照强度从500～600 W/m2，泵性能上升幅度最大，流量增加0.11 m3/h；扬程提高3.9 m；转速上升150 r/min。

随着光照强度逐渐增加，泵流量、扬程和转速的变化幅度逐渐减小。光照强度从1 000～1 100 W/m2时，泵性能达到饱和值，此时流量增加0.01 m3/h，扬程上升0.4 m，转速上升26 r/min，各性能变化幅度均小于1%。这是因为随着光照强度逐渐升高，电机的转速迅速上升并趋于额定值。

图7所示为光照强度在30 min内升高100 W/m2时，系统负载2个喷头时泵流量、扬程和转速随光照强度和时间变化的情况。

从图7可以看出，随着光照强度瞬态上升，泵性能逐渐上升，扬程所受影响最为明显。泵性能在光照强度从500 W/m2升高到600 W/m2时上升最多，流量增加0.06 m3/h；扬程提高5.1 m；转速上升171 r/min。光照强度从700 W/m2变化到800 W/m2时，泵性能达到饱和值，此时流量增加0.04 m3/h，扬程上升3.6 m，转速上升80 r/min。

图6 系统负载4个喷头时泵性能曲线

对比图6和图7发现，随着系统负载喷头数量变化，在相同光照强度瞬态变化区间下的泵扬程具有较大差异。光照强度从500 W/m2升高到600 W/m2时，2种负载方式下的扬程最大差值达6 m，这极大地影响了系统负载不同数量喷头时的稳定性。结合图2分析可知，这主要是因为泵扬程随流量增加而快速降低。

2.3 光伏喷灌系统管路特性分析

当光伏灌溉系统负载不同数量喷头时，其管路特性曲线也会相应发生变化。当光伏水泵在特定的管路中工作时，实际的扬程和流量不仅受泵自身性能影响，也会受到管路特性的制约。当管路所需压力与泵所提供压力重合时，系统处于最佳工作点。

图7 系统负载2个喷头时水泵性能曲线

图8 流量-扬程曲线与管路特性曲线

图8为系统负载4个喷头和2个喷头在饱和光照强度下对应的管路特性曲线和泵流量扬程。系统运行于负载4个喷头的管路特性曲线和流量-扬程曲线交点附近时喷头灌溉效果较好，此时系统提供给喷头的压力接近430 kPa，即此时为喷头的高性能工作压力点。系统负载2个喷头时受其较小的工作流量影响，泵提供给喷头的压力过高，这使得泵在该流量点下所提供的压力高于喷头高性能工作压力点，造成喷头灌溉效果降低。由此可见，可以通过降低系统负载2个喷头时的工作压力，使得其运行工况接近喷头最佳压力点，进而提高系统负载2个喷头时系统灌溉性能。

3 讨 论

目前对光伏灌溉系统的光伏发电阵列[18]、光伏逆变器[19]、光伏水泵[20]等组件都进行了一定的研究，但现有研究的模型多为配有蓄电池的光伏灌溉系统。光伏灌溉系统配有蓄电池后系统运行更为稳定，灌溉效果也更好。但系统配有蓄电池一方面会使投资成本大幅增加，另一方面也会有环境污染的风险。因此，无蓄电池光伏灌溉系统的研究就显得非常必要。

当光伏灌溉系统没有蓄电池时，光伏水泵的输出压力会随光照不断变化，从而使系统灌溉效果一直处于动态变化之中。另外，当系统的负载发生变化时也会导致光伏水泵的输出压力发生变化，从而影响系统的灌溉效果。

针对无蓄电池光伏灌溉系统，本文采用试验测量的方法分析了负载数量变化对系统运行特性及喷灌效果的影响，研究发现随着喷头负载数量的增多，运行工况朝大流量工况移动，系统的运行稳定性和喷灌均匀性随之提高。

本文首次研究了无蓄电池光伏灌溉系统的运行特性以及负载数量对系统灌溉效果的影响规律，能够为光伏灌溉系统工程应用、优化设计以及智能控制提供了一定的参考。

4 结 论

1）2种负载下的喷头压力均随着光照强度变化而变化，变化幅度随着光照强度区间增大而降低。其中，4喷头负载下的压力饱和值出现在1 100 W/m2光照强度，2喷头负载下的压力饱和值出现在800 W/m2光照强度，2负载的饱和光照强度比4负载低。

2）随着系统负载喷头数量增加，喷头饱和工作压力逐渐降低，喷头达到饱和压力所需光照强度逐渐升高，喷头径向降水量逐渐减少，喷头各段之间降水量差值逐渐减小。在饱和光照强度下，相比系统负载4个喷头，系统负载2个喷头的饱和压力上升15 kPa，喷灌均匀度减少2%，喷头达到饱和工作压力所需最低光照强度降低300 W/m2，径向降水量成较差的“梯形”分布。

3）随着负载喷头数量增大，泵扬程、转速、流量随光照强度瞬态变化的幅度逐渐减少。在相同光照强度瞬态变化区间下2种负载的泵扬程具有较大差异，这极大地影响了系统负载不同数量喷头时的稳定性。

4）随着系统负载喷头数量增大，泵流量-扬程曲线与管路特性曲线的交点右移，系统在较大流量工况下运行，喷头工作压力降低，喷灌均匀性更好。

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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

谈明高, 云天平, 吴贤芳, 等. 喷头数量对光伏喷灌系统运行特性的影响[J]. 灌溉排水学报, 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

国家重点研发计划项目（2016YFC0400202）；江苏省现代农业重点研发计划项目（BE2017356）

谈明高，男。研究员，博士生导师，博士，主要从事现代泵设计理论与方法的研究。E-mail: tmgwxf@ujs.edu.cn

云天平，男。硕士研究生，主要从事光伏灌溉系统优化设计研究。E-mail: 1170922646@qq.com

责任编辑：白芳芳