KEOVISAR Vanhkeo，王云峰，黃夢蕭，杜桂菊

(云南師范大學 太陽能研究所，云南 昆明 650500)

1 引 言

太陽能干燥技術具有節(jié)能和環(huán)保的特點，隨著太陽能集熱器的不斷改進和創(chuàng)新，太陽能綜合利用效率有了很大提高，使太陽能干燥技術得到了一定的發(fā)展[1].目前許多太陽能干燥系統(tǒng)均需要電能來驅動風機等設備，且太陽能集熱器的利用效率不高[2-6].

本文以食用玫瑰花作為干燥物料，利用太陽能(Photovoltaic/thermal,PV/T)空氣集熱器收集太陽熱能為干燥系統(tǒng)提供所需熱風，且整個干燥過程中所需的電能均由太陽能PV/T集熱器中的非晶硅電池提供，通過實驗獲得了該太陽能PV/T空氣集熱器的熱、電性能及食用玫瑰花的干燥特性.

2 實驗平臺及測試系統(tǒng)

2.1 實驗平臺

實驗裝置結構如圖1所示，主要由太陽能PV/T空氣集熱器、干燥箱和風機三部分組成.其PV/T空氣集熱器朝南傾斜30°放置，干燥箱與集熱器出風口相連，由多個直流風機驅動集熱器產生的熱風直接進入干燥箱內干燥物料.

圖1 太陽能PV/T干燥系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the solar drying system

太陽能PV/T空氣集熱器的結構如圖2所示，其相關設計參數(shù)列于表1中.該集熱器從上至下分別是鋼化玻璃蓋板、非晶硅電池、鋁吸熱板、空氣流道、背板及保溫層.采用非晶硅電池主要是因為其溫度系數(shù)低，電效率受集熱器出風溫度影響較小，使得集熱器能在獲得較高熱風溫度的同時仍保持較穩(wěn)定的電效率.PV/T集熱器有效采光/集熱面積為1.85 m2，而非晶硅電池有效面積為1.21 m2，通過EVA膠連接在吸熱板上.吸熱板背面則為帶肋片的空氣流道，采用23塊直肋以強化空氣層內的對流換熱和提高熱效率.

1.空氣出口 2.玻璃蓋板 3.非晶硅電池 4.吸熱板 5.保溫層圖2 PV/T空氣集熱器的結構圖Fig.2 Schematic of the solar PV/T air collector

表1 太陽能PV/T空氣集熱器的相關參數(shù)Table 1 The parameters of solar PV/T air collector

1.空氣出口 2.空氣進口 3.干燥箱門 4.導風板圖3 干燥箱結構示意圖Fig.3 Schematic of the drying chamber

圖3為太陽能干燥箱的結構示意圖.該干燥箱主要由空氣進口、空氣出口和物料托盤等組成，其外形尺寸為1.2 m×0.9 m×1.2 m，壁內部有60 mm厚的聚氨酯保溫棉以減少箱內熱量散失.在PV/T空氣集熱器和干燥箱之間裝有5個功率為6 W的直流風機以驅動集熱器產生的熱風進入干燥箱內.箱體下端安裝有導風板以消除熱風死角，箱內設置了3個不銹鋼網制的物料托盤.箱體頂部設有兩個帶風閥的排濕口以調節(jié)干燥箱內的濕度.

2.2 實驗測試系統(tǒng)

空氣進入PV/T空氣集熱器被加熱后，被設置在集熱器出風口的直流風機強制輸送到干燥箱內用于玫瑰花干燥，非晶硅電池所發(fā)的電能通過充放電控制器優(yōu)先供給風機使用，多余的電能儲存在蓄電池內.在集熱器進、出口處各設有3個溫度探頭，非晶硅電池背面也設有溫度探頭來觀測溫度對其電性能的影響，各層物料盤處均有溫、濕度計記錄整個干燥過程中各層的溫、濕度變化情況，相關測試設備的參數(shù)列于表2中.實驗在2019年4月至5月間連續(xù)進行，測試時間為每天9∶00-17∶00，每份100 g玫瑰花瓣均勻平鋪于各層物料盤上，實驗過程中每隔1小時記錄一次質量.

表2 系統(tǒng)的測試設備Table 2 System equipment parameter

3 系統(tǒng)性能評價

3.1 PV/T空氣集熱器的性能評估評價

PV/T空氣集熱器的性能通常由產生的電量和熱量來評估.PV/T空氣集熱器瞬時集熱量為[7]：

(1)

測試整個時間段內吸熱板的總集熱量為：

(2)

式中：t1和t2分別為實驗開始和結束的時間，s.

則PV/T集熱器的瞬時熱效率為：

(3)

式中：Ac為集熱器的采光面積，m2；(τα)為吸熱板的透射吸收積；G為太陽輻照強度，W/m2；其中(τα)為透射吸收積，其計算如下：

(4)

式中：τ為玻璃蓋板的透過率；α為吸熱板的吸收率；ρd為漫反射率.

集熱器全天的平均熱效率為：

(5)

式中：H為一天的輻照量，MJ/m2.

該PV/T空氣集熱器的瞬時發(fā)電功率為：

W=P=UI

(6)

式中：U為電壓，V；I為電流，A；P為電池的瞬時功率，W.

整個測試過程中光伏電池的總發(fā)電量為：

(7)

則該PV/T集熱器的瞬時電效率為：

(8)

式中：Apv為電池的有效面積，m2.

全天平均電效率為：

(9)

由于能源品位高低不同，電能是高品位能源，熱能是低品位能源，在計算綜合能源效率時，需將其轉化為同一標準：

(10)

式中：ξ為光伏電池覆蓋率，ξ=Apv/Ac；ηpower為普通熱發(fā)電廠的效率，一般取0.38.

3.2 物料干燥能力的評價

干燥過程物料含水率[8]：

(11)

式中：G0為物料初始質量，kg；X0為物料初始含水率；G′為干燥過程中物料的質量，kg.

濕物料干燥速率為：

(12)

式中：m為汽化的水分質量，kg；S為干燥面積，m2；GC為絕對干燥物料的質量，kg.

3.3 干燥過程所需熱量

所需熱量主要用于預熱干燥箱及干燥玫瑰花物料，還包括干燥過程中開關干燥箱門和管道中的熱損失.

空氣及原始所含水分升溫所帶走的熱量[8]：

Q1=1.01L(T2-T0)+1.88LH0(T2-T0)

(13)

式中：L為絕對干燥空氣的質量，kg；T0為空氣進入干燥箱的溫度，℃；T2為空氣出干燥箱時的溫度，℃；H0為空氣進入干燥器的濕度.

蒸發(fā)物料水分的熱量：

Q2=M(2 490+1.88T2-4.187T1′)

(14)

式中：M為水分蒸發(fā)量，kg(水)/s；T1′為物料進干燥箱時的溫度，℃.

物料及其中殘存水分升溫帶走的熱量：

Q3=GC(T2′-T1′)(cs+X2cw′)

(15)

式中：GC為絕對干燥物料的質量，kg；T2′為物料出干燥箱時的溫度，℃；cs為絕對干燥物料的比熱容，kJ/(kg·℃)；X2為濕物料出干燥箱時的干基含水率；cw′為水分的比熱容，其值為4.187 kJ/(kg·℃).

實驗過程的熱損失[9-10]：

Q4=0.2×(Q1+Q2+Q3)

(16)

式中0.2為干燥箱的平均熱損系數(shù).

整個干燥系統(tǒng)所需要的熱量：

Q總=Q1+Q2+Q3+Q4

(17)

4 結果與分析

4.1 PV/T空氣集熱器的性能分析

選取某典型晴天9∶00-17∶00的測試結果進行分析，該天平均環(huán)境溫度為22.52 ℃，測試期間太陽總輻照量為22.14 MJ/m2.由圖4中熱、電功率、太陽輻射強度隨時間的變化關系可看出，熱、電功率與輻照強度變化趨勢基本一致，熱、電功率在一個實驗周期內的早上和下午偏低，這是因為早上和下午，太陽光入射角度偏大，吸熱板和太陽電池接收到的太陽輻照比例偏小.同時，由式(2)、(4)、(7)、(9)和(10)計算出該PV/T空氣集熱器在測試期間所獲得總的熱能和電能分別是10.89 MJ和1.7 MJ，其熱、電轉換效率及綜合能量轉換效率分別是32.06%、7.66%和45.93%.所獲得電能能夠滿足5個功率為6 W的直流風機連續(xù)運行15.74 h，但干燥期間風機只運行了8 h，因此白天多余的電能用蓄電池儲存起來，用于為夜間干燥箱內的排濕風機供電.

圖4 熱、電功率、輻照強度隨時間的變化情況Fig.4 The variation of the thermal/electrical power with time

4.2 干燥特性分析

4.2.1 物料的干燥曲線及干燥速度曲線

圖5 物料含水率隨干燥時間的變化Fig.5 Variation of moisture content of materials with drying time

物料含水量隨時間變化(干燥曲線)如圖5所示，根據(jù)干燥箱的進風口設計，最底層物料盤首先接觸由集熱器出來的熱空氣，隨后熱空氣依次流過中、上層物料盤.因此，干燥箱內的溫度分布呈現(xiàn)自下而上逐漸降低的趨勢，則各層玫瑰花干燥所需的時間則與溫度分布趨勢相反，由下至上分別干燥了5、6和7 h.由圖可見，玫瑰花的干燥階段主要分為加速期和降速期，其原因是熱風加熱由外向內，表面水分優(yōu)先蒸發(fā)，傳質與傳熱方向相反，待物料表面水分過低時便進入了降速期，降速期為水分由花瓣內部向表面遷移的過程，除與溫度相關外還受到玫瑰花瓣本身結構影響.

圖6 干燥速度隨物料含水量的變化曲線 Fig.6 Variation curve of drying rate with water content of the material

圖6為干燥速度隨含水量的變化曲線，玫瑰花初始時含水率為90%，干燥結束后的含水率為10%.在干燥過程中，隨著太陽輻照度的增加，干燥速度也隨之增強，下、中和頂層的最大干燥速度分別是0.035 kg/(m2·h)、 0.031 kg/(m2·h)和 0.031 kg/(m2·h)，隨著玫瑰花表面水分的蒸發(fā)，其干燥速度越來越小.原因是到了干燥后期，玫瑰花內的含水率已經非常少了，其內部水分擴散到物料表面越來越困難，但其整體干燥速度仍呈現(xiàn)出底層高于中層和上層的趨勢.

4.2.2 干燥所需能量分析

表3為該天玫瑰花的質量變化數(shù)據(jù)，該物料每小時稱量一次，可看出，下層的物料在14∶00干燥完成，中層、頂層均向后延遲.這是因為下層物料盤距離熱風進口比較近，溫度偏高造成的.

由式(13)、(14)、(15)和(16)計算得出空氣及原始所含水分升溫所需熱量、蒸發(fā)水分所需的熱量、物料及其殘存水分升溫所需熱量和系統(tǒng)熱損分別是4.047 kJ、668.27 kJ、1.60 kJ和134.85 kJ，該系統(tǒng)運行起來需要的總熱量是808.77 kJ.由上述的PV/T性能分析得到，該集熱器能提供10.89 MJ熱能，足夠供給干燥箱.為了使熱量得到充分利用，按此能量的計算，該天氣條件下，能干燥玫瑰花瓣的最大質量是4.04 kg.

5 結 論

對所設計的太陽能PV/T空氣集熱器的干燥性能進行了實驗研究，得到以下的結果：

該多晶硅太陽能PV/T空氣集熱器在測試期間內的熱、電效率和綜合效率分別為32.06%、7.66%和45.93%，即由太陽能轉換的熱能和電能分別是10.09 MJ和1.7 MJ，實驗中能夠驅動5個6 W的直流風機運行15.74 h，優(yōu)先供給直流風機，白天用不完的電能儲存在蓄電池中用于夜間箱內排濕.

將初始含水率為90%的玫瑰花干燥至10%時，該太陽能干燥箱內下層、中層和頂層所用時間是5 h、6 h和7 h,最大干燥速度是0.035 kg/ (m2·h)、 0.031 kg/(m2·h)和0.031 kg/(m2·h)，共脫去0.24 kg的水.

從系統(tǒng)能量分析得出干燥0.30 kg玫瑰花，該干燥箱系統(tǒng)需要的能量是808.77 kJ，大部分的能量被消耗在系統(tǒng)熱損上，下一步工作中將進一步優(yōu)化系統(tǒng)以減少熱損失.整個干燥過程中集熱器轉換的熱量是10.89 MJ，能夠滿足干燥的熱量需求，經計算在相同工況下該系統(tǒng)干燥玫瑰花的最大量為4.04 kg.

表3 玫瑰花的重量變化數(shù)據(jù)Table 3 Variation of the weight during the drying test