太陽能微噴灌溉試驗分析

朱俊峰，王世鋒，曹 亮(中國水利水電科學(xué)研究院牧區(qū)水利科學(xué)研究所， 呼和浩特 010020)

我國主要畜牧業(yè)生產(chǎn)基地只有4億hm2，因地處內(nèi)陸，干旱嚴(yán)重缺水，單位面積產(chǎn)草量低，畜牧業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定發(fā)展和草場生態(tài)的保護，依賴于人工草場灌溉的發(fā)展[1]。而人工灌溉草場(或飼草料地)不足100萬hm2，制約灌溉面積進(jìn)一步擴大的因素除水土條件外，另一個重要的因素就是缺乏便利的灌溉動力。尤其是我國西北牧區(qū)，很多地方都無電網(wǎng)覆蓋，日常用電無法得到保障，草場灌溉更是遙不可及。這些地區(qū)有著豐富的太陽能資源，80%地區(qū)太陽能可利用開發(fā)，太陽能總輻射量在1 510～1 740 kWh/(m2·a)之間。隨著太陽能技術(shù)和光伏提水技術(shù)的成熟以及成本的不斷下降，利用西部豐富的太陽能為動力的節(jié)水灌溉技術(shù)即可以解決無灌溉動力的問題，又可以節(jié)約大量水資源，為西部農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)建設(shè)提供必要的保障條件。

1 試驗方案

太陽能微噴灌溉由水源、光伏提水機組和微噴系統(tǒng)三部分組成[2]。水源為一地下蓄水池，水量充足；光伏提水機組配備太陽能電池板2 kW，提水水泵一臺，功率1.1 kW，額定揚程20 m，額定流量7 m3/s；微噴系統(tǒng)主管100 m，微噴帶16根，每根長30 m，間隔6 m[3]。

將光伏提水機組與微噴灌溉直接連接，進(jìn)行生產(chǎn)試驗，利用自動記錄儀，記錄同一時刻的輻射量、主管壓力和流量。根據(jù)與水源井的距離，將16根微噴帶分為首部、中部和尾部，觀察一天當(dāng)中不同時刻不同位置微噴帶的工作效果。試驗方案見圖1。

圖1 試驗測試方案Fig.1 Experimental test program

2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 太陽能輻射量日變化的測試

針對光伏提水驅(qū)動微噴灌溉的不穩(wěn)定因素-太陽能輻射量日變化進(jìn)行了測試。在試驗期的典型日記錄了每日24個整點的太陽能總輻射量，見圖2。

圖2 太陽能輻射量的日變化Fig.2 The diurnal variation of solar radiation

2.2 流量和壓力日變化的測試

根據(jù)太陽能輻射量的日變化，選擇從每日的上午8點開始，下午18點結(jié)束，每個整點對光伏提水機組的流量和主管壓力進(jìn)行測試，測量點取在離水源井10 m處。以月為單位，每個時刻的瞬時流量、壓力都是該月該時刻瞬時值的平均值，見圖3。

圖3 瞬時流量和壓力Fig.3 The instantaneous flow rate and pressure

由圖3可以看出，太陽能提水流量和壓力的日變化規(guī)律與太陽能輻射量日變化相似，大至呈倒鐘形，變化非常明顯，而且會受到其他突發(fā)天氣條件的影響，這對太陽能微噴灌溉十分不利，不能保證穩(wěn)定的水源供給。

2.3 太陽能微噴效果日變化的測試

試驗中，根據(jù)離水源井的距離將這16根微噴帶分為3組，分別為首部(6根)、中部(5根)、尾部(5根)。記錄了不同時刻，不同位置，啟動不同條數(shù)微噴帶時的主管壓力和微噴帶的噴射距離，首部微噴帶的具體數(shù)據(jù)見表1。表中數(shù)據(jù)均為多次試驗的平均值。

表1 首部微噴帶的主管壓力和噴射距離Tab.1 The pressure and injection distance of the head micro jet zone

表1中的“-”表示微噴帶無法正常工作，沒有記錄相關(guān)數(shù)據(jù)?！俺瑝骸北硎緣毫^高，可能對微噴帶造成損害，也沒有記錄想關(guān)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)將不同時刻、不同位置能夠正常工作的微噴帶條數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，見圖4。

圖4 不同時刻、不同位置可正常開啟的微噴帶條數(shù)Fig.4 The number of the micro jet strips can be normally opened at different times and positions

由圖4可以看出，每日不同時刻、不同位置可正常開啟的微噴帶的條數(shù)也是呈倒鐘形分布的，這和太陽能資源的日變化、太陽能提水的日變化分布情況相似。歸根結(jié)底，這種變化主要是由于太陽能資源的日變化而引起的，能源動力的特性決定了灌溉效果的不穩(wěn)定。

3 結(jié)論及解決方案

3.1 結(jié) 論

通過對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)光伏提水直接驅(qū)動微噴帶進(jìn)行灌溉作業(yè)有以下兩個缺點：①由于太陽能資源的日變化，光伏提水的流量和壓力在一天當(dāng)中變化很大，從而導(dǎo)致一天當(dāng)中能夠正常工作的微噴帶數(shù)量變化較大，如不進(jìn)行人工干預(yù)，則不能滿足所有微噴帶的流量和壓力要求，從而不能保證微噴帶正常工作。②一天當(dāng)中的同一時刻，距離水源較近和較遠(yuǎn)的微噴帶能夠正常工作的數(shù)量也不相同，如不進(jìn)行人工干預(yù)，則不能保證所有微噴帶出水量相同，從而不能保證灌溉的均勻度。

綜上所述，在光伏提水節(jié)水灌溉中，由于太陽能資源輻射量的日變化是從早晨零開始，逐漸變大，中午達(dá)到峰值，而后又逐漸變小，直至晚上回零，其變化規(guī)律類似于拋物線，由于太陽能資源的這種日變化規(guī)律，造成了光伏提水泵的瞬時流量和壓力在一天當(dāng)中也按該規(guī)律變化。而現(xiàn)在常規(guī)的太陽能光伏提水灌溉一般采用先進(jìn)不帶蓄電池的光伏提水系統(tǒng)與節(jié)水灌溉設(shè)備直接相連，為使能源得到高效利用，節(jié)水灌溉灌水器數(shù)量一般按接近于峰值流量來設(shè)計。這就導(dǎo)致了灌溉系統(tǒng)只有在太陽能資源峰值區(qū)域時，灌水器才能全部正常投入灌水工作，在一天中其他時間隨著太陽能資源的變化部分灌水器正常工作，部分灌水器在達(dá)不到壓力和流量下工作，部分灌水器不工作，距水泵較近的(最有利的)灌水器一般全天工作，而距水泵較遠(yuǎn)的(最不利的)管網(wǎng)末端一般只有中午太陽能資源達(dá)到峰值時才工作一段時間，首端和末端的灌水器一天總流量相差數(shù)倍。這種不進(jìn)行控制的光伏提水節(jié)水灌溉在一天內(nèi)不能保證所有節(jié)水灌溉設(shè)備出水量相近，滿足不了灌溉均勻度的要求，造成了嚴(yán)重的“旱”“澇”不均。同時，隨著太陽能資源的變化，這種直接式不控制的灌溉模式也保證不了灌水器在規(guī)定的壓力下工作，造成灌水器工作不穩(wěn)定，甚至影響了灌水器的使用壽命。

3.2 解決方案

(1)常規(guī)方案有兩種：一種是設(shè)置高位蓄水池，利用光伏提水把水提到高蓄水池里，再利用重力輸水達(dá)到穩(wěn)定灌溉；另一種是設(shè)置蓄電池，將光伏陣列產(chǎn)生的電能儲存在蓄電池中，由蓄電池驅(qū)動水泵進(jìn)行灌溉作業(yè)。這兩種方案最大的缺點就是造價高。

(2)采用微電子自動控制技術(shù)，通過檢測主管壓力，來控制正常工作的微噴帶條數(shù)，能夠保證所有微噴帶都能正常工作；通過給正常工作的微噴帶計時，來控制每條微噴帶的噴水量，達(dá)到所有微噴帶在正常工作條件下的噴水量相近，從而保證灌溉的均勻度。

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[1] 高潤宏，楊繼福.內(nèi)蒙古牧區(qū)灌溉草場建設(shè)規(guī)模與格局評價[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2010,24(4):12-18.

[2] 查 詠，吳永忠,劉惠敏.光伏提水系統(tǒng)的設(shè)計[J].灌溉排水學(xué)報，2009，28(3):170-173.

[3] 金永奎.微水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[D].南京：南京理工大學(xué)，2006.

[4] 查 詠，吳永忠,劉惠敏.風(fēng)力和光伏提水泵站的優(yōu)化設(shè)計[J].中國農(nóng)村水利水電，2010，(8):155-156.

[5] 王世鋒，吳永忠，曹 亮.風(fēng)力提水直驅(qū)滴管運行試驗分析[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2012,(12):29-31.

[6] 程榮香，張瑞強.光伏提水技術(shù)在農(nóng)作物灌溉上的應(yīng)用[J]. 可再生能源，2008，26(3):72-74.