太陽能微噴灌溉試驗分析

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

我國主要畜牧業生產基地只有4億hm2，因地處內陸，干旱嚴重缺水，單位面積產草量低，畜牧業生產的穩定發展和草場生態的保護，依賴于人工草場灌溉的發展[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，很多地方都無電網覆蓋，日常用電無法得到保障，草場灌溉更是遙不可及。這些地區有著豐富的太陽能資源，80%地區太陽能可利用開發，太陽能總輻射量在1 510～1 740 kWh/(m2·a)之間。隨著太陽能技術和光伏提水技術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水灌溉技術即可以解決無灌溉動力的問題，又可以節約大量水資源，為西部農牧業生產和生態建設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，進行生產試驗，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 試驗數據分析

2.1 太陽能輻射量日變化的測試

針對光伏提水驅動微噴灌溉的不穩定因素-太陽能輻射量日變化進行了測試。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點結束，每個整點對光伏提水機組的流量和主管壓力進行測試，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據見表1。表中數據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，沒有記錄相關數據。“超壓”表示壓力過高，可能對微噴帶造成損害，也沒有記錄想關數據。現將不同時刻、不同位置能夠正常工作的微噴帶條數進行統計，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定。

3 結論及解決方案

3.1 結 論

通過對試驗數據進行分析，發現光伏提水直接驅動微噴帶進行灌溉作業有以下兩個缺點：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中變化很大，從而導致一天當中能夠正常工作的微噴帶數量變化較大，如不進行人工干預，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。②一天當中的同一時刻，距離水源較近和較遠的微噴帶能夠正常工作的數量也不相同，如不進行人工干預，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，中午達到峰值，而后又逐漸變小，直至晚上回零，其變化規律類似于拋物線，由于太陽能資源的這種日變化規律，造成了光伏提水泵的瞬時流量和壓力在一天當中也按該規律變化。而現在常規的太陽能光伏提水灌溉一般采用先進不帶蓄電池的光伏提水系統與節水灌溉設備直接相連，為使能源得到高效利用，節水灌溉灌水器數量一般按接近于峰值流量來設計。這就導致了灌溉系統只有在太陽能資源峰值區域時，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，而距水泵較遠的(最不利的)管網末端一般只有中午太陽能資源達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倍。這種不進行控制的光伏提水節水灌溉在一天內不能保證所有節水灌溉設備出水量相近，滿足不了灌溉均勻度的要求，造成了嚴重的“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定的壓力下工作，造成灌水器工作不穩定，甚至影響了灌水器的使用壽命。

3.2 解決方案

(1)常規方案有兩種：一種是設置高位蓄水池，利用光伏提水把水提到高蓄水池里，再利用重力輸水達到穩定灌溉；另一種是設置蓄電池，將光伏陣列產生的電能儲存在蓄電池中，由蓄電池驅動水泵進行灌溉作業。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，通過檢測主管壓力，來控制正常工作的微噴帶條數，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.內蒙古牧區灌溉草場建設規模與格局評價[J].干旱區資源與環境，2010,24(4):12-18.

[2] 查 詠，吳永忠,劉惠敏.光伏提水系統的設計[J].灌溉排水學報，2009，28(3):170-173.

[3] 金永奎.微水灌溉系統的設計與開發[D].南京：南京理工大學，2006.

[4] 查 詠，吳永忠,劉惠敏.風力和光伏提水泵站的優化設計[J].中國農村水利水電，2010，(8):155-156.

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

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