斯里兰卡光伏智能灌溉系统设计初探

杨智 葛俊荣 李廷贵

摘 要：针对斯里兰卡北部区域5万户光伏智能灌溉农业的建设计划，本文分析了工程区灌溉系统的水源、灌溉方式等工作条件和功能需求，提出在项目工程典型设计中，采用独立双泵模式，增加系统工作的保证时间，提高灌溉保证率，并提出了应深入研究优化的具体问题。

关键词：斯里兰卡北部；光伏智能灌溉；独立双泵；保证率

一、项目背景

斯里兰卡位于南亚地区，地理位置优越，在中国“一带一路”战略规划中具有重要地位。

斯里兰卡北部地区较为干旱，农业发展较为落后，现有的农业耕种需要耗费大量的人力物力，同时作物产量较低，人民耕种的热情不高。因此，斯里兰卡政府提出了在北部区域5万户的广大面积上推广光伏智能灌溉农业的计划，先期在Anaradhanapura（简称“A区”）和Polonnaruwa（简称“P区”）种植1万户（15万亩）的辣椒和大蒜。

发展光伏智能灌溉农业，增加粮食产量，符合斯里兰卡国家食品安全计划的要求；采用新能源，符合电力能源的发展规划要求，并且能够提高当地农业行业的管理和现代化水平，深化中斯两国在农业和能源领域的合作，促进中斯两国合作共赢，具有重要的现实意义和示范辐射作用。

二、工程需求

根据斯里兰卡政府要求，先期在A区和P区发展光伏灌溉种植户1万户（每户15亩），专业种植辣椒和大蒜，供应本地市场。因此，本次灌溉能力的计算以种植辣椒和大蒜为基本参考作物。通过收集A、P两区的基本气象资料，参考中国相近区域农作物灌溉方法和定额，求得光伏提水系统的灌溉能力。

A区、P区年降雨量约1300mm～1700mm，年内分布基本相似。夏季干热少雨，6月～8月，降雨量最少；冬季温暖湿润，10月～次年1月，降雨量最多。

斯里兰卡靠近赤道，纬度范围约在北纬5°55′至9°50′，属于热带地区，北部、西部、东部以及国境内临海区域太阳能辐射资源均较好，年平均总辐射量约为6600MJ/m2～7900MJ/m2。

由于本地的气候特性，夏季干热少雨，太阳能辐射强劲，而这时正是灌溉需求的高峰期，光伏发电系统的输出峰值与灌溉需求的峰谷正好一致。因此，在这一地区，发展建设光伏智能灌溉系统，条件十分优越。

工程区维度低，日照时间长，可以满足光伏泵平均每天工作6.5h。

以灌溉需求较高的典型作物辣椒为例，生长周期120天，轮灌周期为5天，坐果-采收期峰值日耗水强度2.64m3/d.亩。通过灌溉需水过程和水量计算，全生育期定额值为250m3/亩，灌溉高峰期每户每小时的需水量约7.5m3。

光伏提水系统的规模主要由需要的灌溉能力来确定。

考虑到斯里兰卡实地情况、后期维护条件，从留有余度考虑，水泵的设计流量为8m3/h。由于本种植园处于平原区，提水扬程不高，但需要安装水泵的点较多，需要的扬程不一，本次暂按35m为上限设计，出水口径50mm，适用井径100mm，太阳能板功率约3000W，光伏板面积约22m2。

三、系统水泵组成模式选择

太阳能光伏提水系统由光伏板及支架、控制器、光伏水泵组成。通常情况下，根据需要，可灵活选择不同规格的光伏板和工作水泵，优化组合，构成最契合目标任务的系统。

由于拟建的灌区内农灌基础设施比较落后，基本没有现成的引水渠道等灌溉系统，绝大多数农户没有可直接引用的、可靠的地表水源。A、P两区均为平原，地下水位低于地面高差均不超过10m。典型设计中，水源为地下水。平原上各处地下水埋深浅，水源条件基本一致，各灌溉农户均独立取水。由于数量庞大，采用机井取水，造价低，速度快，可满足快速建设罐区的需要。

鉴于罐区泵站吸程较低，可使用高吸程自吸泵供水。水泵安装在井外地表，便于水泵安装维护，而且机井的口径可以适当减小，降低机井造价。

采用单泵方案，水泵提水的同时，要提供灌溉工作水压。为保证灌溉均匀度，毛管进口水压为10m，水泵灌溉面积为1公顷，区内最长管路长度均小于200m，管径合理配置，滴灌作业时，灌溉用水出泵水头保持15m就能满足要求，如果采用微喷灌，灌溉用水出泵水头需要保持20m。抽取地下水时，扬程约10m。

单泵工作时，抽取地下水的同时，进行灌溉作业，工作时，水泵至少必须提供25m的净扬程。系统工作扬程较高，要求输出功率较大，由于太阳能的不稳定性和周期性波动，系统工作的保证时间会减少，供水量减小，灌溉保证率下降。

为提高灌溉保证率，根据我们国内的规范，这样的光伏灌溉系统，需要配置蓄水池，容积不小于系统最大日用水量的3倍。这样，可以保证连续3天阴天系统仍能供水。

在本项目中，参照国内规范，确有必要在系统中设置蓄水池。系统3天的供水量为114m3，体量较大，如果建设水塔，使系统能实现自流灌溉，则水塔高度至少要达到15m，容积超过100m3，规模较大，水塔造价过高，并不可取。因此，只能在地面上建设蓄水池。这样，即使使用水池中的水进行灌溉，仍需要加压，必须使用增压泵。

在光伏泵站系统中，小型电机和水泵的造价较低，占比很小，因此，在典型设计中，推荐采用双泵模式。即采用独立的两个水泵分别承担抽水和灌溉供水任务。这样一来，由于水泵的工作扬程下降，相同功率的情况下，供水流量可以提升。由于两个水泵均能独立工作，当光伏系统输出功率高时，抽水和灌溉可同时工作，充分利用电能；当输出下降时，系统根据蓄水状况、灌溉需求进行任务调度优化，在抽水和灌溉间进行选择，即单泵工作。单个水泵功率较低，即使系统输出较低，仍能使水泵处于效能较高的工作状态。

四、结论及建议

在本项目中，抽取地下水和灌溉供水的扬程十分接近，从理论上讲，可以通过管路设计，将两个水泵合二为一，增加水泵的功率和出水流量，减少一套电機水泵，进一步降低系统设备成本。这样一来，抽水和灌溉不能同时作业，工作模式不同，是否可行？是否合理？还需要作进一步的经济技术分析比较，选用更优的方案进行建设。

由于用户数量多，各用户的水源条件必然存在差异，单一的典型设计还不能充分满足所有用户的实际需求，随着工作的深入推进，需要切实做好调查勘测工作，精心设计，在机井位置，水泵选型方面，为每一个用户量身打造个性化、定制化的精品工程。使项目充分展示中国设计、中国制造的优势和魅力，真正发挥好示范辐射作用，为深化中斯合作贡献力量，为“一带一路”建设添砖加瓦。