Nozzle structure optimisation in a photovoltaic irrigation system

Abstract

On the basis of the significant impact of the sprinkler nozzle structure in photovoltaic irrigation systems, the nozzle parameters are optimised to improve sprinkler adaptability and irrigation uniformity under different light intensities. An experimental test and numerical simulation were conducted to analyse the influence of nozzles with distinct parameters on the spray irrigation effect. Taking the irrigation uniformity coefficient as the optimisation goal and the nozzle outlet shape, outlet area and straight flow channel length as the optimisation variables, an orthogonal experimental design was employed, and the optimal solution was obtained via range analysis. The experimental results indicate that the sprinkler performs best when the outlet shape is circular, the nozzle outlet area is 7 mm² and the flow channel length is 2 mm. The optimal nozzle characteristics were tested and compared with those of the original design, and numerical simulation was used to demonstrate the optimised internal flow mechanism. The results demonstrate that the optimised flow rate and spray range are improved, and the working pressure and rotation period are significantly reduced, enabling the system to adapt to a more extensive range of light intensities. The radial water distribution structure is better, and the combined application rate and uniformity coefficient are also significantly improved. In addition, the sprinkler outlet speed is more consistent, and the area of the high-speed zone in the spray plate increases, which is conducive to reducing energy loss and enhancing sprinkler irrigation uniformity.

Résumé

Sur la base de l'impact significatif exercé par la structure des buses d'aspersion sur les systèmes d'irrigation photovoltaïques, les paramètres des buses d'aspersion sont optimisés pour améliorer l'adaptabilité des buses d'aspersion et l'uniformité de l'irrigation sous différentes intensités lumineuses. Un essai expérimental et une simulation numérique ont été effectués pour analyser l'influence des buses avec des paramètres distincts sur l'effet d'irrigation par pulvérisation. En prenant le coefficient d'uniformité d'irrigation comme objectif d'optimisation et la forme de sortie de la buse, la zone de sortie et la longueur du canal d'écoulement droit comme variables d'optimisation, un plan expérimental orthogonal a été utilisé et la solution optimale a été obtenue par l'analyse de la portée. Les résultats expérimentaux indiquent que l'asperseur fonctionne mieux quand la forme de sortie est circulaire, que la surface de sortie de la buse est de 7 mm² et que la longueur du canal d'écoulement est de 2 mm. Les caractéristiques optimales de la buse ont été testées et comparées à celles de la conception originale, et la simulation numérique a été utilisée pour démontrer le mécanisme optimisé de l'écoulement interne. Les résultats montrent que le débit et la portée de pulvérisation optimisés sont améliorés et que la pression de service et la durée de rotation sont considérablement réduites, ce qui permet au système de s'adapter à une gamme plus étendue des intensités lumineuses. La structure de distribution radiale de l'eau est meilleure, et le taux d'application combiné ainsi que le coefficient d'uniformité sont également considérablement améliorés. En outre, la vitesse de sortie des asperseurs est plus constante et la zone à grande vitesse dans la plaque de pulvérisation augmente, ce qui est propice à la réduction des pertes d'énergie et à l'amélioration de l'uniformité de l'irrigation par aspersion.