【摘要】：卷盤式噴灌機具有節(jié)水省工、機動靈活等特點,較適應(yīng)我國耕地分布。在我國現(xiàn)行土地政策的引導(dǎo)下,卷盤式噴灌機逐漸成長為我國高效節(jié)水灌溉裝備中的一支生力軍,并在近些年呈現(xiàn)出快速擴增態(tài)勢。由于自國外引入后長期缺乏技術(shù)創(chuàng)新,該機型在運行中呈現(xiàn)出能耗高、灌水質(zhì)量偏低等諸多不足。本文從制約卷盤式噴灌機應(yīng)用與推廣的實際問題出發(fā),以提高機組灌水質(zhì)量,降低機組能耗和實現(xiàn)機組優(yōu)化配置為目標(biāo),通過理論分析、數(shù)值模擬和試驗測試等手段開展了深入細致的研究,力求使卷盤式噴灌機在擴大化生產(chǎn)和應(yīng)用的背景下補齊技術(shù)短板,打破應(yīng)用壁壘,促使該機型在我國走上良性健康的發(fā)展道路。本文主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下:(1)開展了卷盤式噴灌機組能耗分析,并通過了太陽能電機驅(qū)動方案可行性驗證。通過敏感性分析挖掘了機組節(jié)能潛力并確定了節(jié)能方案。能耗分析結(jié)果表明單位灌溉面積機組總能耗隨噴頭工作壓力的升高和管道長度的增加而線性增加,隨管徑的減小劇烈升高。三因素對機組能耗的敏感性強弱順序為管徑噴頭壓力管長。在20%變化率范圍內(nèi)增大管徑可顯著降低機組能耗,進一步增大管徑則單位面積總能耗不再發(fā)生明顯變化,反而會引起機組投資的增加。在能耗分析基礎(chǔ)上提出了電機驅(qū)動替代水渦輪驅(qū)動和適當(dāng)降低噴頭壓力的節(jié)能方案。針對電機驅(qū)動缺乏穩(wěn)定電力供應(yīng)的現(xiàn)狀提出了太陽能電機驅(qū)動的設(shè)想。定量分析了太陽能電池板發(fā)電量分配和蓄電池實時儲電狀態(tài),計算了光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電保證率,驗證了太陽能電機驅(qū)動的技術(shù)可行性;采用等效年值法對太陽能電機驅(qū)動和水渦輪驅(qū)動下的生命周期年費用進行對比,驗證了太陽能電機驅(qū)動的經(jīng)濟可行性。構(gòu)建了以光伏發(fā)電量對驅(qū)動能耗占比K1和連續(xù)無光照天數(shù)AD為變量的非線性規(guī)劃優(yōu)化模型,求解得到了最優(yōu)化的光伏配置參數(shù)。氣象條件對光伏發(fā)電量影響顯著,本文推薦以春季典型氣象條件進行光伏組件的配置。(2)明晰了卷盤式噴灌機配置與運行參數(shù)對灌水質(zhì)量的影響,提出了噴頭最低工作壓力取值依據(jù)。開展了國內(nèi)卷盤式噴灌機常用大流量噴槍的水量噴灑試驗,分析得到了噴槍流量,射程,噴灌強度以及徑向水量分布規(guī)律。對比分析了三次樣條插值、多項式擬合以及簡化形曲線在水量分布計算模擬中的應(yīng)用,結(jié)果表明基于最小二乘的多項式擬合曲線計算精度高且形式簡單,能夠準(zhǔn)確刻畫噴頭的徑向水量分布形式。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了移動噴灑水量分布計算模型,模型計算值與實測值偏差在6%以內(nèi)。通過模型分析了機組運行參數(shù)與移動噴灑均勻度的關(guān)系:噴槍輻射角和組合間距是噴灑均勻度的主要影響因素。工作壓力對移動噴灑均勻度影響不大,當(dāng)工作壓力從0.4MPa下降至0.2MPa時,噴灑均勻系數(shù)從74.7%降為71.9%。采用高解析二維視頻雨滴譜儀實測分析了大流量噴槍定噴條件下的水滴粒徑、速度以及落地角度的分布規(guī)律,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了徑向打擊動能計算模型。計算結(jié)果表明徑向打擊動能分布呈三角形分布,打擊動能強度隨到噴頭距離的增加先逐漸增加,在噴灑域外端達到強度峰值后迅速降低。工作壓力對動能強度分布影響顯著,當(dāng)工作壓力低于0.2MPa時將引起動能強度峰值的驟升,因此至少應(yīng)以0.2MPa為工作壓力下限值。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了移動噴灑降水動能分布計算模型,分析了機組運行參數(shù)對降水動能分布的影響。單位面積降水動能隨距機行道距離的增加先升高后降低,單位體積水動能隨距機行道距離的增加而升高。工作壓力通過影響徑向動能強度分布和灌水歷時改變各點處的降水動能,輻射角和行走速度通過影響灌水歷時改變各點處降水動能。與中心支軸式噴灌機降水動能相比,大流量噴槍的降水過程相對溫和,但降水持續(xù)時間長,相同水量降水動能約為為中心支軸式噴灌機的2~4倍。(3)建立了卷盤式噴灌機的多目標(biāo)綜合評價模型。在對卷盤式噴灌機應(yīng)用現(xiàn)狀進行調(diào)研的基礎(chǔ)上構(gòu)建了卷盤式噴灌機綜合評價指標(biāo)體系,涵蓋了技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟指標(biāo)和社會環(huán)境指標(biāo)3個一級指標(biāo)和噴灑均勻度、噴灌強度、初始投資、年運行費、單位生產(chǎn)率、勞動強度和機組能耗7個可量化的二級指標(biāo),采用雷達圖、主成分分析法和數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法構(gòu)建了卷盤式噴灌機的多目標(biāo)綜合評價模型。采用CCR模型和BBC模型,計算了各配置方案的技術(shù)和規(guī)模效率,并對非有效單元進行了優(yōu)化;基于對抗型交叉評價,實現(xiàn)了配置方案全排序。本研究將卷盤式噴灌機的配置運行參數(shù)與使用者的地塊形狀尺寸,作物、土壤類型等聯(lián)系起來,用戶可據(jù)此定制自己最適宜的機組配置參數(shù),保證卷盤式噴灌機的高效運行。(4)開發(fā)了一款太陽能卷盤式噴灌機優(yōu)化設(shè)計軟件。統(tǒng)籌考慮了卷盤式噴灌機的能耗與能耗組成,機組灌水質(zhì)量,太陽能驅(qū)動可行性以及太陽能驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)化配置等,用于幫助用戶進行卷盤式噴灌機組的快速選型與參數(shù)確定。軟件包含6個主功能模塊,分別為:機組能耗組成分析,噴灌水量分布,噴灌能量分布,太陽能供電保證率分析,太陽能經(jīng)濟性分析和太陽能優(yōu)化配置。采用本軟件,使用者只需要輸入機組基本配置與運行參數(shù)即可得到卷盤式噴灌機的單位面積能耗以及能耗組成,使機組的節(jié)能降耗做到有的放矢。使用者可在試驗數(shù)據(jù)或軟件提供的數(shù)據(jù)庫資料基礎(chǔ)上實現(xiàn)田間噴灌水量和能量分布的快速計算,幫助使用者合理確定機組運行參數(shù),提高田間灌溉質(zhì)量。此外,太陽能驅(qū)動方案技術(shù)可行性、經(jīng)濟可行性以及太陽能優(yōu)化配置三個計算模塊使光伏技術(shù)與農(nóng)灌機械的技術(shù)集成做到有據(jù)可依,確保實施方案的切實可行,同時給出優(yōu)化后的光伏配置方案。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S277.94
【圖文】：

卷盤式噴灌機實物與田間工作示意圖

圖 1-2 國內(nèi)歷年卷盤式噴灌機研究論文數(shù)量分布Fig. 1-2 Research papers on hard hose traveler in China灌機能耗分析與優(yōu)化研究現(xiàn)狀機組的高能耗是基于有壓灌溉快速應(yīng)用階段灌溉能耗整耗是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能耗的重要組成部分，灌溉方式的改變必

http://www.kifco.com/OurProducts/Water-Reels圖 1-3 卷盤式噴灌機不同驅(qū)動方式Fig.1-3 Different drive modes of hard hose traveler農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域的應(yīng)用了提高水渦輪能量轉(zhuǎn)換效率的研究。除了通過優(yōu)化水渦性以外，也有一些企業(yè)進行了嘗試采用能量轉(zhuǎn)化效率更

本文編號：2788755