太阳能驱动卷盘式喷灌机灌水质量与优化设计研究

摘要

卷盘式喷灌机具有节水省工、机动灵活等特点，较适应我国耕地分布。在我国现行土地政策的引导下，卷盘式喷灌机逐渐成长为我国高效节水灌溉装备中的一支生力军，并在近些年呈现出快速扩增态势。由于自国外引入后长期缺乏技术创新，该机型在运行中呈现出能耗高、灌水质量偏低等诸多不足。本文从制约卷盘式喷灌机应用与推广的实际问题出发，以提高机组灌水质量，降低机组能耗和实现机组优化配置为目标，通过理论分析、数值模拟和试验测试等手段开展了深入细致的研究，力求使卷盘式喷灌机在扩大化生产和应用的背景下补齐技术短板，打破应用壁垒，促使该机型在我国走上良性健康的发展道路。本文主要研究内容与结论如下： （1）开展了卷盘式喷灌机组能耗分析，并通过了太阳能电机驱动方案可行性验证。通过敏感性分析挖掘了机组节能潜力并确定了节能方案。能耗分析结果表明单位灌溉面积机组总能耗随喷头工作压力的升高和管道长度的增加而线性增加，随管径的减小剧烈升高。三因素对机组能耗的敏感性强弱顺序为管径>喷头压力>管长。在20%变化率范围内增大管径可显著降低机组能耗，进一步增大管径则单位面积总能耗不再发生明显变化，反而会引起机组投资的增加。在能耗分析基础上提出了电机驱动替代水涡轮驱动和适当降低喷头压力的节能方案。针对电机驱动缺乏稳定电力供应的现状提出了太阳能电机驱动的设想。定量分析了太阳能电池板发电量分配和蓄电池实时储电状态，计算了光伏发电系统的供电保证率，验证了太阳能电机驱动的技术可行性；采用等效年值法对太阳能电机驱动和水涡轮驱动下的生命周期年费用进行对比，验证了太阳能电机驱动的经济可行性。构建了以光伏发电量对驱动能耗占比K1和连续无光照天数AD为变量的非线性规划优化模型，求解得到了最优化的光伏配置参数。气象条件对光伏发电量影响显著，本文推荐以春季典型气象条件进行光伏组件的配置。 （2）明晰了卷盘式喷灌机配置与运行参数对灌水质量的影响，提出了喷头最低工作压力取值依据。开展了国内卷盘式喷灌机常用大流量喷枪的水量喷洒试验，分析得到了喷枪流量，射程，喷灌强度以及径向水量分布规律。对比分析了三次样条插值、多项式拟合以及简化形曲线在水量分布计算模拟中的应用，结果表明基于最小二乘的多项式拟合曲线计算精度高且形式简单，能够准确刻画喷头的径向水量分布形式。在此基础上构建了移动喷洒水量分布计算模型，模型计算值与实测值偏差在6%以内。通过模型分析了机组运行参数与移动喷洒均匀度的关系：喷枪辐射角和组合间距是喷洒均匀度的主要影响因素。工作压力对移动喷洒均匀度影响不大，当工作压力从0.4MPa下降至0.2MPa 时，喷洒均匀系数从74.7%降为71.9%。采用高解析二维视频雨滴谱仪实测分析了大流量喷枪定喷条件下的水滴粒径、速度以及落地角度的分布规律，在此基础上构建了径向打击动能计算模型。计算结果表明径向打击动能分布呈三角形分布，打击动能强度随到喷头距离的增加先逐渐增加，在喷洒域外端达到强度峰值后迅速降低。工作压力对动能强度分布影响显著，当工作压力低于0.2MPa时将引起动能强度峰值的骤升，因此至少应以0.2MPa为工作压力下限值。在此基础上构建了移动喷洒降水动能分布计算模型，分析了机组运行参数对降水动能分布的影响。单位面积降水动能随距机行道距离的增加先升高后降低，单位体积水动能随距机行道距离的增加而升高。工作压力通过影响径向动能强度分布和灌水历时改变各点处的降水动能，辐射角和行走速度通过影响灌水历时改变各点处降水动能。与中心支轴式喷灌机降水动能相比，大流量喷枪的降水过程相对温和，但降水持续时间长，相同水量降水动能约为为中心支轴式喷灌机的2~4倍。 （3）建立了卷盘式喷灌机的多目标综合评价模型。在对卷盘式喷灌机应用现状进行调研的基础上构建了卷盘式喷灌机综合评价指标体系，涵盖了技术指标、经济指标和社会环境指标3个一级指标和喷洒均匀度、喷灌强度、初始投资、年运行费、单位生产率、劳动强度和机组能耗7个可量化的二级指标，采用雷达图、主成分分析法和数据包络分析法构建了卷盘式喷灌机的多目标综合评价模型。采用CCR模型和BBC模型，计算了各配置方案的技术和规模效率，并对非有效单元进行了优化；基于对抗型交叉评价，实现了配置方案全排序。本研究将卷盘式喷灌机的配置运行参数与使用者的地块形状尺寸，作物、土壤类型等联系起来，用户可据此定制自己最适宜的机组配置参数，保证卷盘式喷灌机的高效运行。 （4）开发了一款太阳能卷盘式喷灌机优化设计软件。统筹考虑了卷盘式喷灌机的能耗与能耗组成，机组灌水质量，太阳能驱动可行性以及太阳能驱动系统优化配置等，用于帮助用户进行卷盘式喷灌机组的快速选型与参数确定。软件包含6个主功能模块，分别为：机组能耗组成分析，喷灌水量分布，喷灌能量分布，太阳能供电保证率分析，太阳能经济性分析和太阳能优化配置。采用本软件，使用者只需要输入机组基本配置与运行参数即可得到卷盘式喷灌机的单位面积能耗以及能耗组成，使机组的节能降耗做到有的放矢。使用者可在试验数据或软件提供的数据库资料基础上实现田间喷灌水量和能量分布的快速计算，帮助使用者合理确定机组运行参数，提高田间灌溉质量。此外，太阳能驱动方案技术可行性、经济可行性以及太阳能优化配置三个计算模块使光伏技术与农灌机械的技术集成做到有据可依，确保实施方案的切实可行，同时给出优化后的光伏配置方案。

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景与目的意义

1.2 国内外研究现状

1.3 存在问题

1.4 研究内容

1.5 技术路线图

第二章 卷盘式喷灌机组能耗分析与太阳能驱动可行性研究

2.1 机组工作背景

2.2 机组能耗组成

2.3 模型应用

2.4 配置参数对机组能耗的影响

2.5 太阳能驱动方案的提出

2.6 太阳能驱动技术可行性

2.7 光伏驱动经济可行性

2.8 案例分析

2.9 讨论

2.10 本章小结

第三章 卷盘式喷灌机喷洒质量研究

3.1 固定喷洒水量分布

3.2 移动喷洒水量分布

3.3 固定喷洒降水动能分布

3.4 移动喷洒降水动能分布

3.5 降水动能对入渗速率的影响

3.6 本章小结

第四章 卷盘式喷灌机综合评价指标体系构建

4.1 评价指标体系框架设计

4.2 评价指标计算推导

4.3 评价指标雷达图

4.4 应用实例

4.5 本章小结

第五章 卷盘式喷灌机组多目标综合评价与配置优化

5.1 主成分分析法

5.2 数据包络分析法

5.3 实例分析

5.4 本章小结

第六章 太阳能卷盘式喷灌机辅助决策软件开发

6.1 软件设计结构与流程

6.2 软件开发环境

6.3 模块组成与功能实现

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 创新点

7.3 论文不足与展望

参考文献

附录

致谢

作者简介