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　　太陽(yáng)能干燥：糧食烘干機(jī)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(shí)又伴隨著巨大的能量消耗。太陽(yáng)能在干燥系統(tǒng)中的應(yīng)用極大減少了化石能源的消耗，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。

近年來(lái)，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(duì)自然環(huán)境造成極大破壞。太陽(yáng)能等可再生能源的應(yīng)用減少了化石能源使用和溫室氣體排放，保護(hù)環(huán)境，成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)。

太陽(yáng)能干燥機(jī)分類

太陽(yáng)能干燥機(jī)按照是否使用干燥介質(zhì)可分為直接式太陽(yáng)能干燥機(jī)和間接式太陽(yáng)能干燥機(jī)；按是否使用風(fēng)機(jī)強(qiáng)制循環(huán)可分為自然對(duì)流式干燥機(jī)和強(qiáng)制對(duì)流式干燥機(jī)。

此外，隨著科技的發(fā)展和熱泵技術(shù)的廣泛使用，太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合干燥機(jī)被越來(lái)越多應(yīng)用于各行業(yè)。

1. 直接式太陽(yáng)能干燥機(jī)

直接式太陽(yáng)能干燥機(jī)原理

直接式太陽(yáng)能干燥機(jī)的工作原理是在干燥室頂部加透明蓋板，太陽(yáng)通過(guò)透明蓋板進(jìn)入干燥室，干燥室內(nèi)的空氣被加熱升溫，同時(shí)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(yáng)能干燥機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)干燥質(zhì)量和干燥時(shí)間要求不高的場(chǎng)合，相比于露天干燥，可以獲得更多的太陽(yáng)能熱量來(lái)干燥物料。

缺點(diǎn)是熱效率低、干燥速率緩慢，無(wú)法應(yīng)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(qiáng)度的不穩(wěn)定性，該系統(tǒng)不適合干燥對(duì)品質(zhì)要求較高的物料，如茶葉、藥材等。

2. 間接強(qiáng)制對(duì)流式太陽(yáng)能干燥機(jī)

間接強(qiáng)制對(duì)流式太陽(yáng)能干燥機(jī)原理

間接式太陽(yáng)能干燥機(jī)的工作原理是將太陽(yáng)能集熱器和待干燥物料分離，由風(fēng)機(jī)帶動(dòng)外界空氣進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行加熱后進(jìn)入干燥室，從而對(duì)物料進(jìn)行干燥。太陽(yáng)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(yīng)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(lái)越多的關(guān)注。熱泵主要分為地源熱泵、化學(xué)源熱泵和空氣源熱泵，其中空氣源熱泵被廣泛應(yīng)用于干燥中。

熱泵干燥技術(shù)具有3方面優(yōu)點(diǎn)。

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(yáng)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(yáng)能熱泵干燥機(jī)相對(duì)于常規(guī)能源干燥機(jī)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(yáng)能-熱泵聯(lián)合干燥機(jī)

熱泵出色的性能，將其與太陽(yáng)能結(jié)合可以較好地解決太陽(yáng)能輻射的間歇性與不穩(wěn)定性給太陽(yáng)能集熱器性能造成的影響，而太陽(yáng)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(bǔ)。

有科研人員開發(fā)了一種太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)。該系統(tǒng)以茶葉為干燥對(duì)象，可在3種模式下運(yùn)行，即太陽(yáng)能集熱器干燥模式、太陽(yáng)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(yáng)能熱泵聯(lián)合干燥機(jī)

雖然太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合干燥機(jī)擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在些許不足。如當(dāng)太陽(yáng)光照充足，集熱器產(chǎn)生的熱量多于干燥室所需熱量時(shí)，集熱器吸收的部分太陽(yáng)能會(huì)被浪費(fèi)掉。為此，有學(xué)者開發(fā)了蓄熱式太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)。

國(guó)外團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種用于蘑菇干燥的太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)，當(dāng)太陽(yáng)能集熱器供熱充足時(shí)，熱泵不參與熱循環(huán)；當(dāng)太陽(yáng)能集熱器供熱不足時(shí)，熱泵啟動(dòng)，參與系統(tǒng)熱循環(huán)。

熱泵啟動(dòng)后，采用太陽(yáng)能集熱器加熱的熱水作為水源熱泵的熱源，干燥過(guò)程中干燥室內(nèi)溫濕度、蘑菇的質(zhì)量采用PLC進(jìn)行控制。

試驗(yàn)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(yáng)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(duì)太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)的性能有了明顯地提升。

為進(jìn)一步提高太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)的性能，有學(xué)者開發(fā)了采用相變材料作為蓄熱工質(zhì)的太陽(yáng)能輔助熱泵干燥系統(tǒng)。

有科研團(tuán)機(jī)開發(fā)了一種以石蠟為蓄熱材料的混合模式太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)，該系統(tǒng)以辣椒為研究對(duì)象，并且用3種不同的設(shè)備干燥紅辣椒，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用相變材料蓄熱可以極大提升干燥速率。

國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)相變材料應(yīng)用于太陽(yáng)能-地源熱泵干燥系統(tǒng)中的性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，相變蓄熱太陽(yáng)能干燥機(jī)除了具有蓄熱式太陽(yáng)能干燥機(jī)的優(yōu)點(diǎn)外，還具有潛熱高、穩(wěn)定性好和腐蝕性低等優(yōu)點(diǎn)，但相變材料也存在一些問題，如制備復(fù)雜、成本高昂和技術(shù)不成熟等，使相變材料的應(yīng)用具有一定的局限性。

存在的問題

太陽(yáng)能干燥機(jī)作為一種新能源技術(shù)受到廣泛關(guān)注，隨著太陽(yáng)能集熱器技術(shù)的日益成熟和熱泵技術(shù)的應(yīng)用，太陽(yáng)能干燥機(jī)發(fā)展迅速。國(guó)內(nèi)外學(xué)者雖然對(duì)太陽(yáng)能干燥技術(shù)做了大量研究，但依然存在以下3點(diǎn)問題。

（1）太陽(yáng)能干燥技術(shù)的應(yīng)用存在局限性，一方面是由于太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度的不穩(wěn)定性；另一方面是由于太陽(yáng)能干燥設(shè)備投入大、經(jīng)濟(jì)回收期較長(zhǎng)，讓許多中小型企業(yè)對(duì)其望而卻步。

（2）太陽(yáng)能廠家對(duì)于太陽(yáng)能設(shè)備宣傳力度不足，導(dǎo)致大部分企業(yè)和個(gè)人對(duì)太陽(yáng)能干燥技術(shù)缺乏了解，在選用干燥設(shè)備時(shí)常常會(huì)忽略太陽(yáng)能干燥機(jī)。

（3）相變材料的使用提高了蓄熱裝置的性能，降低了傳熱過(guò)程的熱損失，但是國(guó)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(yáng)能干燥機(jī)依舊具有廣泛的應(yīng)用前景，為太陽(yáng)能干燥機(jī)可以更好地發(fā)展，提出以下3點(diǎn)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(yáng)能更好地用于干燥過(guò)程，需將現(xiàn)有干燥室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以便提高生產(chǎn)效率和太陽(yáng)能利用率。

（2）改進(jìn)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(shí)間長(zhǎng)，熱量供給與使用在時(shí)間空間上不匹配等問題，可以通過(guò)改進(jìn)控制系統(tǒng)的方法進(jìn)行解決。

（3）提高太陽(yáng)能干燥機(jī)性能。一方面改進(jìn)太陽(yáng)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(guò)開發(fā)新型熱泵，如輔助多級(jí)空氣源熱泵，以及優(yōu)化現(xiàn)有熱泵，提高熱泵性價(jià)比，以便更多的企業(yè)選擇使用太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)作為熱源。

文章來(lái)源：2020年8期《農(nóng)業(yè)工程》（中國(guó)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(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院；2.沈陽(yáng)香雪面粉股份有限公司

原標(biāo)題：國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能干燥技術(shù)研究進(jìn)展

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