廣西大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院 ■ 高天天 路哲 李軍 田宇 鐘水庫何開巖

國內(nèi)外太陽能干燥的研究現(xiàn)狀及經(jīng)濟(jì)性示例

廣西大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院 ■ 高天天 路哲 李軍 田宇 鐘水庫*何開巖

主要介紹了國內(nèi)外不同類型的太陽能干燥器的研究現(xiàn)狀及經(jīng)濟(jì)性示例。該研究表明，在節(jié)約能源方面，將太陽能干燥技術(shù)應(yīng)用在干燥農(nóng)產(chǎn)品方面是一種最有效的工具，也可節(jié)省大量時間，減少占用面積，提高干燥產(chǎn)品質(zhì)量。太陽能農(nóng)產(chǎn)品干燥系統(tǒng)不僅將太陽能作為其運(yùn)作的能源，近期的將太陽能與其他形式輔助能源相結(jié)合的干燥研究，也是降低油耗的一種發(fā)展趨勢。

太陽能干燥；國內(nèi)外現(xiàn)狀；經(jīng)濟(jì)性；應(yīng)用前景

0 引言

晾曬干燥是用于干燥和保存農(nóng)產(chǎn)品、食品和其他產(chǎn)品的一種常用、有效且經(jīng)濟(jì)的方法，但是無法控制外部干燥參數(shù)，如熱量、水分含量、溫度、空氣流速等，從而導(dǎo)致干燥周期長、干燥速度不理想等問題；同時，刮風(fēng)、雜物、雨水、昆蟲、動物亦導(dǎo)致干燥產(chǎn)物的質(zhì)量下降。在農(nóng)產(chǎn)品加工、儲存、運(yùn)輸中，產(chǎn)品質(zhì)量與干燥周期具有重要意義。隨著科技進(jìn)步，傳統(tǒng)干燥技術(shù)已無法滿足當(dāng)今社會發(fā)展需要，而太陽能干燥技術(shù)具有節(jié)能、環(huán)保、簡單、成本低等特點，為干燥技術(shù)的研究和發(fā)展提供了有利條件。

通常依據(jù)空氣流動模式、太陽能利用方式、空氣運(yùn)動方向、干燥產(chǎn)品類型、保溫材料對太陽能干燥器進(jìn)行分類，大致分為直接受熱式、間接受熱式、混合受熱式3類[1]。由于不同農(nóng)產(chǎn)品及同種農(nóng)產(chǎn)品之間的含水量不同，如表1所示[2]，根據(jù)干燥產(chǎn)品的不同含水量，干燥系統(tǒng)通?？煞譃榈蜏睾透邷馗稍锵到y(tǒng)。

1976年，Everitt和Stanley為解決晾曬問題而首先設(shè)計了一款太陽能干燥器，即一間由透明光罩覆蓋的房屋。這個想法的主要目的是提供一種解決晾曬缺陷的新的輔助改進(jìn)方法(美國專利)。經(jīng)過幾十年研究，許多著名研究者在太陽能干燥技術(shù)方面利用自然和強(qiáng)制循環(huán)、輔助能源(如電力和化石燃料)等取得了一些改進(jìn)，以達(dá)到理想的干燥效果[3]。

1 太陽能干燥技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

太陽能干燥器幾乎不受外界條件干擾，并且可確保所需的產(chǎn)品質(zhì)量，是一種有效、廉價且安全的對農(nóng)產(chǎn)品和食品的干燥方法。早在1974年和1975年，美國就開始研究利用太陽能來干燥谷物等農(nóng)產(chǎn)品；特別是在上世紀(jì)70年代第二次能源危機(jī)后，世界各國相繼加大了在太陽能干燥技術(shù)科研、應(yīng)用、推廣方面的投資力度，尤其是在歐美地區(qū)，例如“百萬屋頂計劃”“1000屋頂計劃”“全國太陽能屋頂計劃”等；而目前推廣及應(yīng)用主要集中在熱帶、亞熱帶地區(qū)[4]。表2為國外研究人員對于太陽能干燥器的研究。

表1 農(nóng)業(yè)和食品商品的含水量范圍[2]

表2 太陽能干燥器方面的研究概況

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國在農(nóng)副產(chǎn)品干燥領(lǐng)域應(yīng)用太陽能干燥技術(shù)處于應(yīng)用推廣起步階段，但隨著化石燃料日益緊缺與利用新能源意識的不斷增強(qiáng)，自1975年以來，各地先后建立了各種中、小型太陽能干燥試驗裝置；然而由于初期對太陽能干燥的規(guī)律及機(jī)理缺乏系統(tǒng)的基礎(chǔ)性研究，這些裝置具有技術(shù)水平低、開發(fā)研究重復(fù)、設(shè)計不合理等特點。自“七五”國家計劃將太陽能干燥與利用列為我國重點科研項目后，其應(yīng)用研究較快，尤其是在干燥農(nóng)副產(chǎn)品、木材、中藥、茶葉、植物莖葉、污泥等物質(zhì)的研究應(yīng)用方面，已取得一定成果，

并已有部分應(yīng)用研究投放市場，且太陽能干燥示范裝置已先后在全國范圍內(nèi)建成百余座。目前，全國采光面積已累計近10萬m2，在社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境方面獲得了較大的進(jìn)步。

目前，我國進(jìn)行太陽能干燥基礎(chǔ)研究和開發(fā)應(yīng)用的機(jī)構(gòu)有中科院廣州能源研究所、中科院工程熱物理研究所、北京市太陽能研究所有限公司(原“北京市太陽能研究所”)、上海市能源研究所、清華大學(xué)、天津大學(xué)、中國科技大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京林業(yè)大學(xué)、華中理工大學(xué)、云南師范大學(xué)、江蘇大學(xué)、上海機(jī)械學(xué)院、青島建筑工程學(xué)院等。近幾年國內(nèi)研究人員的研究如表3所示。

表3 太陽能干燥器方面的研究概況

2 太陽能干燥器技術(shù)經(jīng)濟(jì)性示例

太陽能干燥器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析是分析優(yōu)化干燥系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)可行性的重要環(huán)節(jié)。這種分析取決于許多因素，如干燥產(chǎn)品的物理特性、干燥的氣候條件、設(shè)計的有效性、系統(tǒng)效率、操作和維護(hù)成本。就目前所知，晾曬干燥或其他傳統(tǒng)干燥方法的成本是非常低或無成本的，但其干燥產(chǎn)品的質(zhì)量很差，無法滿足市場競爭的標(biāo)準(zhǔn)；而另一方面，太陽能干燥器已被證明是一種高效的干燥裝置，具有操作簡單、產(chǎn)品質(zhì)量高、投資成本少的特點。不同研究者進(jìn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究結(jié)果如表4所示，在100 kg容量的太陽能干燥器中干燥各種產(chǎn)品的單位成本如表5所示[31]，太陽能干燥器與干燥產(chǎn)品的重要參數(shù)如表6所示。

表4 各種太陽能干燥器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究

表5 在100 kg容量的太陽能干燥器中干燥各種產(chǎn)品的單位成本[31]

表6 太陽能干燥器與干燥產(chǎn)品的重要參數(shù)涉及到的參數(shù)

3 太陽能干燥器應(yīng)用前景

3.1 太陽能干燥器的優(yōu)勢

常規(guī)干燥方法在質(zhì)量、精度、容量、經(jīng)濟(jì)性和操作性等方面都存在嚴(yán)重的缺點，干燥期間的損失估計為發(fā)展中國家總產(chǎn)量的30%～40%。太陽能干燥器克服了傳統(tǒng)干燥方法的瓶頸，大幅度縮短干燥時間、提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少初期投資、縮短資金回收期；并且通過輔助裝置可實現(xiàn)對干燥環(huán)境的精確控制，從而不受外界環(huán)境條件的影響；通過精確控制干燥參數(shù)可實現(xiàn)自動控制干燥系統(tǒng)，從而進(jìn)行工業(yè)化、商業(yè)化干燥，在不同天氣條件下獲得理想的、較高的干燥效率與產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2 太陽能干燥器的局限性

1)太陽能干燥器受限于太陽能的日照時長與天氣情況。在沒有輔助裝置控制，只以太陽能為能量來源時，干燥室內(nèi)的溫度較低、溫度浮動大且夜間無法進(jìn)行干燥，導(dǎo)致間歇性干燥、干燥周期長。

2)不同農(nóng)產(chǎn)品及同種農(nóng)產(chǎn)品之間的含水量不同，且在干燥產(chǎn)品的不同含水量下，干燥所需的最適干燥環(huán)境不同。依據(jù)文獻(xiàn)，僅依靠太陽能很難獲得最佳干燥溫度，尤其是在季節(jié)溫差較大的地區(qū)，難以實現(xiàn)全年高效干燥。

3)太陽能干燥器的初期投入成本與干燥效率隨輔助設(shè)備的增加而增加，投資回收期也隨之增長。尤其在發(fā)展中國家，初期投入與生活壓力成正比，阻礙工業(yè)化、高效化的干燥進(jìn)程。

3.3 太陽能干燥器應(yīng)用前景

依據(jù)文獻(xiàn)，在各種類型的太陽能干燥器中，間接式強(qiáng)制對流干燥器在干燥速率和干燥品質(zhì)方面十分優(yōu)越。由于較高的干燥速率和能源效率，適合于低太陽輻射和高濕度氣候區(qū)。由于太陽能空氣集熱單元是間接式太陽能干燥器最重要的部分，因此，提高系統(tǒng)的干燥性能是顯著的改進(jìn)。在此方面已取得一定的研究成果，如熱空氣再循環(huán)，太陽能空氣集熱單元的V形波紋和翅片板、太陽能干燥系統(tǒng)與相變材料(如石蠟、鹽水合物等)的集成進(jìn)行潛熱或顯熱存儲，從而在低太陽輻射量和夜間保持太陽能干燥器的干燥性能，減少在復(fù)雜氣象條件下對輔助加熱裝置的需求，顯著改善干燥過程的經(jīng)濟(jì)性。

我國地大物博，尤其在中西部地區(qū)，農(nóng)產(chǎn)品資源豐富，特別是在以農(nóng)產(chǎn)品種植為主的地區(qū)，農(nóng)產(chǎn)品加工產(chǎn)業(yè)可以促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。在農(nóng)產(chǎn)品加工過程中，產(chǎn)品干燥是其中最重要的環(huán)節(jié)之一。提高干燥效率與干燥產(chǎn)品質(zhì)量，可縮短干燥周期，便于產(chǎn)品的加工、運(yùn)輸、貯藏和使用；同時可提高農(nóng)副產(chǎn)品干燥工藝的技術(shù)含量，從而提高產(chǎn)品的附加值，使產(chǎn)品的更具競爭力，形成支柱產(chǎn)業(yè)。因此，在農(nóng)副產(chǎn)品干燥方面，高效節(jié)能的太陽能干燥器的應(yīng)用前景十分廣闊。

4 結(jié)束語

上述國內(nèi)外應(yīng)用研究所獲得的成果、在農(nóng)副產(chǎn)品生產(chǎn)方面的推廣應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性示例，表明太陽能干燥系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景，值得大力開發(fā)。目前，我國在農(nóng)副產(chǎn)品干燥領(lǐng)域應(yīng)用太陽能干燥技術(shù)仍處于應(yīng)用推廣起步階段，尤其當(dāng)下國家政策倡導(dǎo)節(jié)能減排，更應(yīng)優(yōu)先研究開發(fā)并推廣。就目前研究而言，還有諸多方面需要改進(jìn)，尤其是在實用性、自動化與工業(yè)化等方面。同時，在

太陽能干燥系統(tǒng)、太陽能集熱與輔熱系統(tǒng)結(jié)合優(yōu)化設(shè)計、太陽能干燥農(nóng)副產(chǎn)品的應(yīng)用及其自動控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計等課題，還需深化研究及推廣，從而更好地滿足農(nóng)副產(chǎn)品干燥的現(xiàn)代工業(yè)化發(fā)展需求。

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2016-05-16

鐘水庫(1967—)，男，工學(xué)博士，主要從事太陽能光熱利用方面的研究。zhongshuiku@163. com