國內外太陽能干燥技術研究進展

張洪濱，李世巖，梁曉軍，王金永，李鴻印，董士偉

(1.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院，北京100083； 2.沈陽香雪面粉股份有限公司，遼寧 沈陽110164)

0 引言

近年來，隨著全球工業(yè)化程度不斷提高，化石燃料消耗量也隨之增加，溫室氣體和其他有害氣體排放量也不斷刷新歷史紀錄，對自然環(huán)境造成極大地破壞。人們逐漸意識到工業(yè)化帶來的巨大經(jīng)濟利益是以犧牲自然環(huán)境為代價的。可持續(xù)發(fā)展成為當下熱點話題，要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，不僅要減少化石能源的使用，還要尋找能夠替代化石燃料的清潔能源，太陽能等可再生能源的應用極大地減少了化石能源的使用和溫室氣體的排放，可保護環(huán)境。

太陽能是人類最早開發(fā)利用的可再生能源，在小農(nóng)經(jīng)濟時代，人們就利用太陽能露天晾曬農(nóng)作物來延長保存時間。隨著科學技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的露天晾曬逐漸被太陽能干燥機所取代。常見的太陽能干燥機種類有直接式太陽能干燥機、間接式太陽能干燥機及太陽能熱泵聯(lián)合干燥機等。太陽能干燥機的設計理念應以低成本、高效率和高性能為基本原則，在降低化石能源消耗、保護環(huán)境的同時將成本降到最低。

1 集熱器分類

常見的太陽能集熱器分類方式有2種：按照傳熱工質類型可分為液體集熱器和空氣集熱器；按照是否具有真空空間可分為真空管集熱器和平板型集熱器。太陽能干燥機所使用的集熱器多為平板型空氣集熱器，也有極少數(shù)使用真空管集熱器，如武亮等[1]用真空管集熱器加熱導熱介質的方式為掛面干燥室提供熱能，但由于應用量較少不具有代表性。

2 干燥機分類

太陽能干燥機按照是否使用干燥介質可分為直接式太陽能干燥機和間接式太陽能干燥機；按是否使用風機強制循環(huán)可分為自然對流式干燥機和強制對流式干燥機[2]。此外，隨著科技的發(fā)展和熱泵技術的廣泛使用，太陽能熱泵聯(lián)合干燥機被越來越多應用于各行業(yè)。

2.1直接式太陽能干燥機

直接式太陽能干燥機的工作原理是在干燥室頂部加透明蓋板，太陽通過透明蓋板進入干燥室，干燥室內的空氣被加熱升溫，同時被干燥物料也吸收熱量，從而脫去物料中的水分。該系統(tǒng)原理如圖1所示。

郝文剛等[3]開發(fā)了一種直接式太陽能干燥系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由進風口、出風口、物料托盤、透明蓋板和不銹鋼板組成，在干燥箱不銹鋼板內表面涂上黑色吸熱涂料，外部采用聚氨酯保溫棉作為隔熱材料，以減少熱量的損失。試驗結果顯示，相比于露天干燥，直接式太陽能干燥在干燥速率和熱效率方面都有了較大的提高。李汴生等[4]對直接式太陽能干燥機干燥性能進行了研究，結果表明，該設備的干燥效率為61.60%，干燥時間較自然晾曬縮短了72%，干燥速率和干燥效率提升顯著。

直接式太陽能干燥機的主要優(yōu)缺點如下。

首先，該系統(tǒng)結構簡單，易于加工制造，生產(chǎn)成本和使用成本低。其次，適用于小規(guī)模且對干燥質量和干燥時間要求不高的場合，相比于露天干燥，該系統(tǒng)可以獲得更多的來自太陽的熱量來干燥物料。

但是，該系統(tǒng)熱效率低，干燥速率緩慢，無法應用于大規(guī)模生產(chǎn)。另外，由于一天內氣溫的變化和光照強度的不穩(wěn)定性，該系統(tǒng)不適合干燥對品質要求較高的物料，如茶葉、藥材等。

2.2間接強制對流式太陽能干燥機

間接式太陽能干燥機的工作原理是將太陽能集熱器和待干燥物料分離，由風機帶動外界空氣進入太陽能集熱器進行加熱后進入干燥室，從而對物料進行干燥，太陽能集熱器的類型一般為空氣集熱器，也有少數(shù)的熱水集熱器，通過太陽能將熱水加熱，熱水通入干燥室后對干燥室內空氣進行加熱，從而達到干燥的目的，但由于二次換熱增加了熱能損失，所以大多數(shù)間接強制對流式太陽能干燥器都采用空氣集熱器作為熱源，該系統(tǒng)原理如圖2所示。

BAHAMMOU Y等[5]開發(fā)了一種用于處理沙丁魚廢物的間接強制對流式太陽能干燥機。該系統(tǒng)由空氣集熱器、輔助加熱器、風管、干燥箱、離心式風機、溫度傳感器、濕度傳感器、風閥、物料托盤和控制系統(tǒng)組成。試驗結果表明，當風速為150 m3h，干燥室溫度為60 ℃時，系統(tǒng)的能量效率達到最低，其值為2.43%～3.09%；當風速為300 m3h，干燥室溫度為90 ℃時，系統(tǒng)的干燥效率達到最高，其值為4.33%～6.17%?；鹩眯适窃u價干燥系統(tǒng)性能的另一指標，該系統(tǒng)分別對干燥過程和干燥室的火用效率進行研究。結果顯示，干燥過程的火用效率為6.01%～18.12%，干燥室的火用效率為48.11%～72.98%，而且干燥過程的火用效率隨著風速和干燥室溫度增加而減小，干燥室的火用效率變化情況則與之相反，主要是因為干燥過程太陽能干燥機產(chǎn)生的熱量僅有少量用于蒸發(fā)干燥物料中的水份，從而造成火用效率偏低，這也是大多數(shù)太陽能干燥機存在的問題。

此外，有學者還設計了一種直接間接混合式太陽能干燥機，但應用效果并不十分理想。DJEBLI A等[6]分別設計了間接強制對流式和直接間接混合式2種太陽能干燥機，并對其性能進行了對比。研究發(fā)現(xiàn)，在干燥相同類型、相同質量物料的前提下混合式太陽能干燥器的干燥時間明顯長于間接式太陽能干燥器，即間接式太陽能干燥器擁有更好的干燥性能。而且，間接式太陽能干燥機干燥后的成品色澤更好，在設備制造成本相當?shù)那闆r下，間接式太陽能干燥機無疑是更好的選擇。

3 熱泵干燥技術的應用

熱泵干燥技術是一種新興的干燥技術，由于其可靠性好、熱效率高而受到越來越多的關注。

熱泵主要分為地源熱泵、化學源熱泵和空氣源熱泵。其中空氣源熱泵被廣泛應用于干燥中，熱泵工作原理如圖3所示。

來自干燥室的空氣通過自身帶有的殘余熱量除去其中絕大部分水分，該部分水分被冷凝后直接排掉。從蒸發(fā)器出來的低溫低壓工質進入壓縮機后被絕熱壓縮成高溫高壓氣體，此時工質的沸點隨壓力的升高而升高，高沸點工質進入冷凝器液化釋放出熱量，加熱來自蒸發(fā)器的已經(jīng)降溫除濕的低溫空氣，被加熱后的空氣進入干燥室對被干燥物料進行干燥。而從冷凝器出來的熱泵工質進入膨脹閥絕熱膨脹降低壓力后再次進入蒸發(fā)器，如此往復循環(huán)。

熱泵干燥技術具有3方面優(yōu)點。首先，干燥性能受氣候和環(huán)境影響小，在低溫環(huán)境仍能保持較高干燥效率。其次，相比于其他太陽能干燥系統(tǒng)，擁有更高的干燥效率。最后，由于空氣源熱泵僅需消耗少量電能就能將空氣中的低位熱能轉化為高位熱能，所以太陽能熱泵干燥機相對于常規(guī)能源干燥機更加節(jié)能，可以極大地減少化石能源的使用。

3.1太陽能-熱泵聯(lián)合干燥機

熱泵出色的性能，將其與太陽能結合可以較好地解決太陽能輻射的間歇性與不穩(wěn)定性給太陽能集熱器性能造成的影響，而太陽能集熱器的使用可減少熱泵的能耗，兩者相輔相成，完美互補。

明廷玉等[7]開發(fā)了一種太陽能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)。該系統(tǒng)以茶葉為干燥對象，可在3種模式下運行，即太陽能集熱器干燥模式、太陽能熱泵聯(lián)合干燥模式和空氣源熱泵干燥模式。該系統(tǒng)綜合能效比高，供熱系數(shù)為3.6，相比于傳統(tǒng)燃煤干燥節(jié)能36.7%～41.1%，并且干燥后的茶葉質量較之前有了較大的提高。MOHANRAJ M[8]對太陽能熱泵干燥系統(tǒng)在濕熱天氣下的干燥性能進行了研究。結果顯示，該系統(tǒng)的性能系數(shù)范圍為2.31～2.77，平均性能系數(shù)為2.54，比水分提取率為0.79 kgkWh，在40 h內，底部和頂部托盤的水分含量(濕基)分別從52%降至9.2%和9.8%。而且，與傳統(tǒng)的干燥設備相比，干燥產(chǎn)品的質量有了較大提高。

3.2蓄熱式太陽能熱泵聯(lián)合干燥機

雖然太陽能熱泵聯(lián)合干燥機擁有諸多優(yōu)點，但也存在些許不足。如當太陽光照充足，集熱器產(chǎn)生的熱量多于干燥室所需熱量時，集熱器吸收的部分太陽能會被浪費掉。為此，有學者開發(fā)了蓄熱式太陽能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)。SEYFI Sevik等[9]開發(fā)了一種用于蘑菇干燥的太陽能熱泵干燥系統(tǒng)，當太陽能集熱器供熱充足時，熱泵不參與熱循環(huán)；當太陽能集熱器供熱不足時，熱泵啟動，參與系統(tǒng)熱循環(huán)。熱泵啟動后，采用太陽能集熱器加熱的熱水作為水源熱泵的熱源，干燥過程中干燥室內溫濕度、蘑菇的質量采用PLC進行控制。試驗結果得出，該系統(tǒng)的性能系數(shù)為2.1～3.1，能量利用率0.42～0.66，比水分提取率的變化范圍為0.26～0.92 kgkWh。QIU Yu等[10]對蓄熱式太陽能輔助熱泵干燥系統(tǒng)的性能進行了分析，分別對太陽能干燥、熱泵干燥和太陽能輔助熱泵干燥3種模式進行了對比。試驗結果表明，在太陽能輔助熱泵干燥模式下，干燥系統(tǒng)的性能系數(shù)范圍為3.21～3.49。此外，該太陽能輔助熱泵干燥系統(tǒng)可以節(jié)省40.53%的能耗。由此可見，蓄熱器對太陽能熱泵干燥系統(tǒng)的性能有了明顯地提升。

為進一步提高太陽能干燥系統(tǒng)的性能，有學者開發(fā)了采用相變材料作為蓄熱工質的太陽能輔助熱泵干燥系統(tǒng)。其中，應用最為廣泛的相變材料為石蠟、CaCl2·6H2O和Na2SO4·10H2O。AZAIZIA Z等[11]開發(fā)了一種以石蠟為蓄熱材料的混合模式太陽能干燥系統(tǒng)，該系統(tǒng)以辣椒為研究對象，并且用3種不同的設備干燥紅辣椒。第1種是帶有相變蓄熱模塊的太陽能干燥機，第2種是沒有相變蓄熱模塊的太陽能干燥機，第3種是露天曬干。試驗結果表明，有相變材料蓄熱模塊的太陽能干燥機干燥室的夜間溫度比無相變材料蓄熱模塊的高7.2 ℃，3種設備的干燥時間分別為30、55和75 h，可見采用相變材料蓄熱可以極大提升干燥速率。王芳等[12]對相變材料應用于太陽能-地源熱泵干燥系統(tǒng)中的性能進行了研究，采用聚乙烯長方體塑料小桶作為相變材料CaCl2·6H2O的封裝容器，增大換熱面積，該系統(tǒng)性能系數(shù)COP可達6.49，節(jié)能效果顯著。閆澤濱等[13]對采用Na2SO4·10H2O為相變材料的太陽能熱泵供熱系統(tǒng)的性能進行了分析，試驗證明該復合供熱系統(tǒng)的COP比原有熱泵供熱機組提高了12%，達到了2.4。相變蓄熱太陽能干燥機除了具有前述蓄熱式太陽能干燥機的優(yōu)點外，還具有潛熱高、穩(wěn)定性好和腐蝕性低等優(yōu)點，但相變材料也存在一些問題，如制備復雜、成本高昂和技術不成熟等，使相變材料的應用具有一定的局限性[14-15]。

4 存在的問題及建議

太陽能干燥機作為一種新能源技術受到廣泛關注，隨著太陽能集熱器技術的日益成熟和熱泵技術的應用，太陽能干燥機發(fā)展迅速。本文介紹了2種太陽能干燥機的性能及特點，國內外學者雖然對太陽能干燥技術做了大量研究，但依然存在以下3點問題。

(1)太陽能干燥技術的應用存在局限性，一方面是由于太陽能輻射強度的不穩(wěn)定性；另一方面是由于太陽能干燥設備投入大、經(jīng)濟回收期較長，讓許多中小型企業(yè)對其望而卻步。

(2)太陽能廠家對于太陽能設備宣傳力度不足，導致大部分企業(yè)和個人對太陽能干燥技術缺乏了解，在選用干燥設備時常常會忽略太陽能干燥機。

(3)相變材料的使用提高了蓄熱裝置的性能，降低了傳熱過程的熱損失，但是國內外相變材料技術依然不夠成熟，目前還不能作為常規(guī)蓄熱材料。

盡管存在上述問題，但太陽能干燥機依舊具有廣泛的應用前景，為太陽能干燥機可以更好地發(fā)展，提出以下3點建議。

(1)優(yōu)化干燥室結構和布局。干燥室的結構很大程度上影響了干燥的連續(xù)性和均勻性，為讓太陽能更好地用于干燥過程，需將現(xiàn)有干燥室結構進行優(yōu)化，以便提高生產(chǎn)效率和太陽能利用率。

(2)改進現(xiàn)有干燥工藝?，F(xiàn)有干燥工藝依然存在干燥品質差，干燥時間長，熱量供給與使用在時間空間上不匹配等問題，可以通過改進控制系統(tǒng)的方法進行解決。

(3)提高太陽能干燥機性能。一方面改進太陽能板表面吸熱材料，提高光熱轉化效率。另一方面提高熱泵系統(tǒng)的性能，通過開發(fā)新型熱泵，如輔助多級空氣源熱泵，以及優(yōu)化現(xiàn)有熱泵，提高熱泵性價比，以便更多的企業(yè)選擇使用太陽能熱泵系統(tǒng)作為熱源。