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　　太陽能干燥：糧食烘干機械化發(fā)展的新技術(shù)

干燥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，同時又伴隨著巨大的能量消耗。太陽能在干燥系統(tǒng)中的應用極大減少了化石能源的消耗，同時降低了生產(chǎn)成本。

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增加，對自然環(huán)境造成極大破壞。太陽能等可再生能源的應用減少了化石能源使用和溫室氣體排放，保護環(huán)境，成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點。

太陽能干燥機分類

太陽能干燥機按照是否使用干燥介質(zhì)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。

此外，隨著科技的發(fā)展和熱泵技術(shù)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)。

1. 直接式太陽能干燥機

直接式太陽能干燥機原理

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(nèi)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。

直接式太陽能干燥機結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制造，生產(chǎn)成本和使用成本低。適用于小規(guī)模且對干燥質(zhì)量和干燥時間要求不高的場合，相比于露天干燥，可以獲得更多的太陽能熱量來干燥物料。

缺點是熱效率低、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(nèi)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(zhì)要求較高的物料，如茶葉、藥材等。

2. 間接強制對流式太陽能干燥機

間接強制對流式太陽能干燥機原理

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)熱水集熱器。

熱泵干燥技術(shù)的應用

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

熱泵干燥技術(shù)具有3方面優(yōu)點。

一是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。

二是相比于其他太陽能干燥系統(tǒng)，擁有更高的干燥效率。

三是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(zhuǎn)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。

熱泵干燥原理

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(jié)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。

有科研人員開發(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，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(zhì)量較之前有了較大的提高。

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)。

國外團隊開發(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(nèi)溫濕度、蘑菇的質(zhì)量采用PLC進行控制。

試驗結(jié)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 kg/kW·h。

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(zhì)的太陽能輔助熱泵干燥系統(tǒng)。

有科研團機開發(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(shè)備干燥紅辣椒，試驗結(jié)果表明，采用相變材料蓄熱可以極大提升干燥速率。

國內(nèi)研究人員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，結(jié)果表明，相變蓄熱太陽能干燥機除了具有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(shù)不成熟等，使相變材料的應用具有一定的局限性。

存在的問題

太陽能干燥機作為一種新能源技術(shù)受到廣泛關(guān)注，隨著太陽能集熱器技術(shù)的日益成熟和熱泵技術(shù)的應用，太陽能干燥機發(fā)展迅速。國內(nèi)外學者雖然對太陽能干燥技術(shù)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(shù)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(shè)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(shè)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(shù)缺乏了解，在選用干燥設(shè)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(nèi)外相變材料技術(shù)依然不夠成熟，目前還不能作為常規(guī)蓄熱材料。

發(fā)展建議

盡管存在問題，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(jié)構(gòu)和布局。干燥室的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhuǎn)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。

文章來源：2020年8期《農(nóng)業(yè)工程》（中國科技核心期刊）

作者：張洪濱¹，李世巖¹，梁曉軍¹，王金永¹，李鴻印¹，董士偉²

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

原標題：國內(nèi)外太陽能干燥技術(shù)研究進展

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