斯里蘭卡光伏智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)初探

楊智 葛俊榮 李廷貴

摘 要：針對(duì)斯里蘭卡北部區(qū)域5萬(wàn)戶(hù)光伏智能灌溉農(nóng)業(yè)的建設(shè)計(jì)劃，本文分析了工程區(qū)灌溉系統(tǒng)的水源、灌溉方式等工作條件和功能需求，提出在項(xiàng)目工程典型設(shè)計(jì)中，采用獨(dú)立雙泵模式，增加系統(tǒng)工作的保證時(shí)間，提高灌溉保證率，并提出了應(yīng)深入研究?jī)?yōu)化的具體問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：斯里蘭卡北部；光伏智能灌溉；獨(dú)立雙泵；保證率

一、項(xiàng)目背景

斯里蘭卡位于南亞地區(qū)，地理位置優(yōu)越，在中國(guó)“一帶一路”戰(zhàn)略規(guī)劃中具有重要地位。

斯里蘭卡北部地區(qū)較為干旱，農(nóng)業(yè)發(fā)展較為落后，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)耕種需要耗費(fèi)大量的人力物力，同時(shí)作物產(chǎn)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(qū)域5萬(wàn)戶(hù)的廣大面積上推廣光伏智能灌溉農(nóng)業(yè)的計(jì)劃，先期在Anaradhanapura（簡(jiǎn)稱(chēng)“A區(qū)”）和Polonnaruwa（簡(jiǎn)稱(chēng)“P區(qū)”）種植1萬(wàn)戶(hù)（15萬(wàn)畝）的辣椒和大蒜。

發(fā)展光伏智能灌溉農(nóng)業(yè)，增加糧食產(chǎn)量，符合斯里蘭卡國(guó)家食品安全計(jì)劃的要求；采用新能源，符合電力能源的發(fā)展規(guī)劃要求，并且能夠提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)行業(yè)的管理和現(xiàn)代化水平，深化中斯兩國(guó)在農(nóng)業(yè)和能源領(lǐng)域的合作，促進(jìn)中斯兩國(guó)合作共贏，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和示范輻射作用。

二、工程需求

根據(jù)斯里蘭卡政府要求，先期在A區(qū)和P區(qū)發(fā)展光伏灌溉種植戶(hù)1萬(wàn)戶(hù)（每戶(hù)15畝），專(zhuān)業(yè)種植辣椒和大蒜，供應(yīng)本地市場(chǎng)。因此，本次灌溉能力的計(jì)算以種植辣椒和大蒜為基本參考作物。通過(guò)收集A、P兩區(qū)的基本氣象資料，參考中國(guó)相近區(qū)域農(nóng)作物灌溉方法和定額，求得光伏提水系統(tǒng)的灌溉能力。

A區(qū)、P區(qū)年降雨量約1300mm～1700mm，年內(nèi)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(rùn)，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(qū)，北部、西部、東部以及國(guó)境內(nèi)臨海區(qū)域太陽(yáng)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(yáng)能輻射強(qiáng)勁，而這時(shí)正是灌溉需求的高峰期，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出峰值與灌溉需求的峰谷正好一致。因此，在這一地區(qū)，發(fā)展建設(shè)光伏智能灌溉系統(tǒng)，條件十分優(yōu)越。

工程區(qū)維度低，日照時(shí)間長(zhǎng)，可以滿(mǎn)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(zhǎng)周期120天，輪灌周期為5天，坐果-采收期峰值日耗水強(qiáng)度2.64m3/d.畝。通過(guò)灌溉需水過(guò)程和水量計(jì)算，全生育期定額值為250m3/畝，灌溉高峰期每戶(hù)每小時(shí)的需水量約7.5m3。

光伏提水系統(tǒng)的規(guī)模主要由需要的灌溉能力來(lái)確定。

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

三、系統(tǒng)水泵組成模式選擇

太陽(yáng)能光伏提水系統(tǒng)由光伏板及支架、控制器、光伏水泵組成。通常情況下，根據(jù)需要，可靈活選擇不同規(guī)格的光伏板和工作水泵，優(yōu)化組合，構(gòu)成最契合目標(biāo)任務(wù)的系統(tǒng)。

由于擬建的灌區(qū)內(nèi)農(nóng)灌基礎(chǔ)設(shè)施比較落后，基本沒(méi)有現(xiàn)成的引水渠道等灌溉系統(tǒng)，絕大多數(shù)農(nóng)戶(hù)沒(méi)有可直接引用的、可靠的地表水源。A、P兩區(qū)均為平原，地下水位低于地面高差均不超過(guò)10m。典型設(shè)計(jì)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(nóng)戶(hù)均獨(dú)立取水。由于數(shù)量龐大，采用機(jī)井取水，造價(jià)低，速度快，可滿(mǎn)足快速建設(shè)罐區(qū)的需要。

鑒于罐區(qū)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(hù)，而且機(jī)井的口徑可以適當(dāng)減小，降低機(jī)井造價(jià)。

采用單泵方案，水泵提水的同時(shí)，要提供灌溉工作水壓。為保證灌溉均勻度，毛管進(jìn)口水壓為10m，水泵灌溉面積為1公頃，區(qū)內(nèi)最長(zhǎng)管路長(zhǎng)度均小于200m，管徑合理配置，滴灌作業(yè)時(shí)，灌溉用水出泵水頭保持15m就能滿(mǎn)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(shí)，揚(yáng)程約10m。

單泵工作時(shí)，抽取地下水的同時(shí)，進(jìn)行灌溉作業(yè)，工作時(shí)，水泵至少必須提供25m的凈揚(yáng)程。系統(tǒng)工作揚(yáng)程較高，要求輸出功率較大，由于太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性和周期性波動(dòng)，系統(tǒng)工作的保證時(shí)間會(huì)減少，供水量減小，灌溉保證率下降。

為提高灌溉保證率，根據(jù)我們國(guó)內(nèi)的規(guī)范，這樣的光伏灌溉系統(tǒng)，需要配置蓄水池，容積不小于系統(tǒng)最大日用水量的3倍。這樣，可以保證連續(xù)3天陰天系統(tǒng)仍能供水。

在本項(xiàng)目中，參照國(guó)內(nèi)規(guī)范，確有必要在系統(tǒng)中設(shè)置蓄水池。系統(tǒng)3天的供水量為114m3，體量較大，如果建設(shè)水塔，使系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自流灌溉，則水塔高度至少要達(dá)到15m，容積超過(guò)100m3，規(guī)模較大，水塔造價(jià)過(guò)高，并不可取。因此，只能在地面上建設(shè)蓄水池。這樣，即使使用水池中的水進(jìn)行灌溉，仍需要加壓，必須使用增壓泵。

在光伏泵站系統(tǒng)中，小型電機(jī)和水泵的造價(jià)較低，占比很小，因此，在典型設(shè)計(jì)中，推薦采用雙泵模式。即采用獨(dú)立的兩個(gè)水泵分別承擔(dān)抽水和灌溉供水任務(wù)。這樣一來(lái)，由于水泵的工作揚(yáng)程下降，相同功率的情況下，供水流量可以提升。由于兩個(gè)水泵均能獨(dú)立工作，當(dāng)光伏系統(tǒng)輸出功率高時(shí)，抽水和灌溉可同時(shí)工作，充分利用電能；當(dāng)輸出下降時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)蓄水狀況、灌溉需求進(jìn)行任務(wù)調(diào)度優(yōu)化，在抽水和灌溉間進(jìn)行選擇，即單泵工作。單個(gè)水泵功率較低，即使系統(tǒng)輸出較低，仍能使水泵處于效能較高的工作狀態(tài)。

四、結(jié)論及建議

在本項(xiàng)目中，抽取地下水和灌溉供水的揚(yáng)程十分接近，從理論上講，可以通過(guò)管路設(shè)計(jì)，將兩個(gè)水泵合二為一，增加水泵的功率和出水流量，減少一套電機(jī)水泵，進(jìn)一步降低系統(tǒng)設(shè)備成本。這樣一來(lái)，抽水和灌溉不能同時(shí)作業(yè)，工作模式不同，是否可行？是否合理？還需要作進(jìn)一步的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析比較，選用更優(yōu)的方案進(jìn)行建設(shè)。

由于用戶(hù)數(shù)量多，各用戶(hù)的水源條件必然存在差異，單一的典型設(shè)計(jì)還不能充分滿(mǎn)足所有用戶(hù)的實(shí)際需求，隨著工作的深入推進(jìn)，需要切實(shí)做好調(diào)查勘測(cè)工作，精心設(shè)計(jì)，在機(jī)井位置，水泵選型方面，為每一個(gè)用戶(hù)量身打造個(gè)性化、定制化的精品工程。使項(xiàng)目充分展示中國(guó)設(shè)計(jì)、中國(guó)制造的優(yōu)勢(shì)和魅力，真正發(fā)揮好示范輻射作用，為深化中斯合作貢獻(xiàn)力量，為“一帶一路”建設(shè)添磚加瓦。