斯里蘭卡光伏智能灌溉系統設計初探

楊智 葛俊榮 李廷貴

摘 要：針對斯里蘭卡北部區域5萬戶光伏智能灌溉農業的建設計劃，本文分析了工程區灌溉系統的水源、灌溉方式等工作條件和功能需求，提出在項目工程典型設計中，采用獨立雙泵模式，增加系統工作的保證時間，提高灌溉保證率，并提出了應深入研究優化的具體問題。

關鍵詞：斯里蘭卡北部；光伏智能灌溉；獨立雙泵；保證率

一、項目背景

斯里蘭卡位于南亞地區，地理位置優越，在中國“一帶一路”戰略規劃中具有重要地位。

斯里蘭卡北部地區較為干旱，農業發展較為落后，現有的農業耕種需要耗費大量的人力物力，同時作物產量較低，人民耕種的熱情不高。因此，斯里蘭卡政府提出了在北部區域5萬戶的廣大面積上推廣光伏智能灌溉農業的計劃，先期在Anaradhanapura（簡稱“A區”）和Polonnaruwa（簡稱“P區”）種植1萬戶（15萬畝）的辣椒和大蒜。

發展光伏智能灌溉農業，增加糧食產量，符合斯里蘭卡國家食品安全計劃的要求；采用新能源，符合電力能源的發展規劃要求，并且能夠提高當地農業行業的管理和現代化水平，深化中斯兩國在農業和能源領域的合作，促進中斯兩國合作共贏，具有重要的現實意義和示范輻射作用。

二、工程需求

根據斯里蘭卡政府要求，先期在A區和P區發展光伏灌溉種植戶1萬戶（每戶15畝），專業種植辣椒和大蒜，供應本地市場。因此，本次灌溉能力的計算以種植辣椒和大蒜為基本參考作物。通過收集A、P兩區的基本氣象資料，參考中國相近區域農作物灌溉方法和定額，求得光伏提水系統的灌溉能力。

A區、P區年降雨量約1300mm～1700mm，年內分布基本相似。夏季干熱少雨，6月～8月，降雨量最少；冬季溫暖濕潤，10月～次年1月，降雨量最多。

斯里蘭卡靠近赤道，緯度范圍約在北緯5°55′至9°50′，屬于熱帶地區，北部、西部、東部以及國境內臨海區域太陽能輻射資源均較好，年平均總輻射量約為6600MJ/m2～7900MJ/m2。

由于本地的氣候特性，夏季干熱少雨，太陽能輻射強勁，而這時正是灌溉需求的高峰期，光伏發電系統的輸出峰值與灌溉需求的峰谷正好一致。因此，在這一地區，發展建設光伏智能灌溉系統，條件十分優越。

工程區維度低，日照時間長，可以滿足光伏泵平均每天工作6.5h。

以灌溉需求較高的典型作物辣椒為例，生長周期120天，輪灌周期為5天，坐果-采收期峰值日耗水強度2.64m3/d.畝。通過灌溉需水過程和水量計算，全生育期定額值為250m3/畝，灌溉高峰期每戶每小時的需水量約7.5m3。

光伏提水系統的規模主要由需要的灌溉能力來確定。

考慮到斯里蘭卡實地情況、后期維護條件，從留有余度考慮，水泵的設計流量為8m3/h。由于本種植園處于平原區，提水揚程不高，但需要安裝水泵的點較多，需要的揚程不一，本次暫按35m為上限設計，出水口徑50mm，適用井徑100mm，太陽能板功率約3000W，光伏板面積約22m2。

三、系統水泵組成模式選擇

太陽能光伏提水系統由光伏板及支架、控制器、光伏水泵組成。通常情況下，根據需要，可靈活選擇不同規格的光伏板和工作水泵，優化組合，構成最契合目標任務的系統。

由于擬建的灌區內農灌基礎設施比較落后，基本沒有現成的引水渠道等灌溉系統，絕大多數農戶沒有可直接引用的、可靠的地表水源。A、P兩區均為平原，地下水位低于地面高差均不超過10m。典型設計中，水源為地下水。平原上各處地下水埋深淺，水源條件基本一致，各灌溉農戶均獨立取水。由于數量龐大，采用機井取水，造價低，速度快，可滿足快速建設罐區的需要。

鑒于罐區泵站吸程較低，可使用高吸程自吸泵供水。水泵安裝在井外地表，便于水泵安裝維護，而且機井的口徑可以適當減小，降低機井造價。

采用單泵方案，水泵提水的同時，要提供灌溉工作水壓。為保證灌溉均勻度，毛管進口水壓為10m，水泵灌溉面積為1公頃，區內最長管路長度均小于200m，管徑合理配置，滴灌作業時，灌溉用水出泵水頭保持15m就能滿足要求，如果采用微噴灌，灌溉用水出泵水頭需要保持20m。抽取地下水時，揚程約10m。

單泵工作時，抽取地下水的同時，進行灌溉作業，工作時，水泵至少必須提供25m的凈揚程。系統工作揚程較高，要求輸出功率較大，由于太陽能的不穩定性和周期性波動，系統工作的保證時間會減少，供水量減小，灌溉保證率下降。

為提高灌溉保證率，根據我們國內的規范，這樣的光伏灌溉系統，需要配置蓄水池，容積不小于系統最大日用水量的3倍。這樣，可以保證連續3天陰天系統仍能供水。

在本項目中，參照國內規范，確有必要在系統中設置蓄水池。系統3天的供水量為114m3，體量較大，如果建設水塔，使系統能實現自流灌溉，則水塔高度至少要達到15m，容積超過100m3，規模較大，水塔造價過高，并不可取。因此，只能在地面上建設蓄水池。這樣，即使使用水池中的水進行灌溉，仍需要加壓，必須使用增壓泵。

在光伏泵站系統中，小型電機和水泵的造價較低，占比很小，因此，在典型設計中，推薦采用雙泵模式。即采用獨立的兩個水泵分別承擔抽水和灌溉供水任務。這樣一來，由于水泵的工作揚程下降，相同功率的情況下，供水流量可以提升。由于兩個水泵均能獨立工作，當光伏系統輸出功率高時，抽水和灌溉可同時工作，充分利用電能；當輸出下降時，系統根據蓄水狀況、灌溉需求進行任務調度優化，在抽水和灌溉間進行選擇，即單泵工作。單個水泵功率較低，即使系統輸出較低，仍能使水泵處于效能較高的工作狀態。

四、結論及建議

在本項目中，抽取地下水和灌溉供水的揚程十分接近，從理論上講，可以通過管路設計，將兩個水泵合二為一，增加水泵的功率和出水流量，減少一套電機水泵，進一步降低系統設備成本。這樣一來，抽水和灌溉不能同時作業，工作模式不同，是否可行？是否合理？還需要作進一步的經濟技術分析比較，選用更優的方案進行建設。

由于用戶數量多，各用戶的水源條件必然存在差異，單一的典型設計還不能充分滿足所有用戶的實際需求，隨著工作的深入推進，需要切實做好調查勘測工作，精心設計，在機井位置，水泵選型方面，為每一個用戶量身打造個性化、定制化的精品工程。使項目充分展示中國設計、中國制造的優勢和魅力，真正發揮好示范輻射作用，為深化中斯合作貢獻力量，為“一帶一路”建設添磚加瓦。