國內外太陽能干燥的研究現狀及經濟性示例

廣西大學物理科學與工程技術學院 ■ 高天天 路哲 李軍 田宇 鐘水庫何開巖

國內外太陽能干燥的研究現狀及經濟性示例

廣西大學物理科學與工程技術學院 ■ 高天天 路哲 李軍 田宇 鐘水庫*何開巖

主要介紹了國內外不同類型的太陽能干燥器的研究現狀及經濟性示例。該研究表明，在節約能源方面，將太陽能干燥技術應用在干燥農產品方面是一種最有效的工具，也可節省大量時間，減少占用面積，提高干燥產品質量。太陽能農產品干燥系統不僅將太陽能作為其運作的能源，近期的將太陽能與其他形式輔助能源相結合的干燥研究，也是降低油耗的一種發展趨勢。

太陽能干燥；國內外現狀；經濟性；應用前景

0 引言

晾曬干燥是用于干燥和保存農產品、食品和其他產品的一種常用、有效且經濟的方法，但是無法控制外部干燥參數，如熱量、水分含量、溫度、空氣流速等，從而導致干燥周期長、干燥速度不理想等問題；同時，刮風、雜物、雨水、昆蟲、動物亦導致干燥產物的質量下降。在農產品加工、儲存、運輸中，產品質量與干燥周期具有重要意義。隨著科技進步，傳統干燥技術已無法滿足當今社會發展需要，而太陽能干燥技術具有節能、環保、簡單、成本低等特點，為干燥技術的研究和發展提供了有利條件。

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

1976年，Everitt和Stanley為解決晾曬問題而首先設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方法(美國專利)。經過幾十年研究，許多著名研究者在太陽能干燥技術方面利用自然和強制循環、輔助能源(如電力和化石燃料)等取得了一些改進，以達到理想的干燥效果[3]。

1 太陽能干燥技術的研究現狀

1.1 國外研究現狀

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品質量，是一種有效、廉價且安全的對農產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產品；特別是在上世紀70年代第二次能源危機后，世界各國相繼加大了在太陽能干燥技術科研、應用、推廣方面的投資力度，尤其是在歐美地區，例如“百萬屋頂計劃”“1000屋頂計劃”“全國太陽能屋頂計劃”等；而目前推廣及應用主要集中在熱帶、亞熱帶地區[4]。表2為國外研究人員對于太陽能干燥器的研究。

表1 農業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 國內研究現狀

我國在農副產品干燥領域應用太陽能干燥技術處于應用推廣起步階段，但隨著化石燃料日益緊缺與利用新能源意識的不斷增強，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律及機理缺乏系統的基礎性研究，這些裝置具有技術水平低、開發研究重復、設計不合理等特點。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，其應用研究較快，尤其是在干燥農副產品、木材、中藥、茶葉、植物莖葉、污泥等物質的研究應用方面，已取得一定成果，

并已有部分應用研究投放市場，且太陽能干燥示范裝置已先后在全國范圍內建成百余座。目前，全國采光面積已累計近10萬m2，在社會、經濟、環境方面獲得了較大的進步。

目前，我國進行太陽能干燥基礎研究和開發應用的機構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、天津大學、中國科技大學、浙江大學、哈爾濱工業大學、上海交通大學、北京林業大學、華中理工大學、云南師范大學、江蘇大學、上海機械學院、青島建筑工程學院等。近幾年國內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 太陽能干燥器技術經濟性示例

太陽能干燥器的技術經濟分析是分析優化干燥系統設計技術可行性的重要環節。這種分析取決于許多因素，如干燥產品的物理特性、干燥的氣候條件、設計的有效性、系統效率、操作和維護成本。就目前所知，晾曬干燥或其他傳統干燥方法的成本是非常低或無成本的，但其干燥產品的質量很差，無法滿足市場競爭的標準；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、產品質量高、投資成本少的特點。不同研究者進行的技術經濟研究結果如表4所示，在100 kg容量的太陽能干燥器中干燥各種產品的單位成本如表5所示[31]，太陽能干燥器與干燥產品的重要參數如表6所示。

表4 各種太陽能干燥器的技術經濟研究

表5 在100 kg容量的太陽能干燥器中干燥各種產品的單位成本[31]

表6 太陽能干燥器與干燥產品的重要參數涉及到的參數

3 太陽能干燥器應用前景

3.1 太陽能干燥器的優勢

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

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，干燥室內的溫度較低、溫度浮動大且夜間無法進行干燥，導致間歇性干燥、干燥周期長。

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

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

3.3 太陽能干燥器應用前景

依據文獻，在各種類型的太陽能干燥器中，間接式強制對流干燥器在干燥速率和干燥品質方面十分優越。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。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，提高系統的干燥性能是顯著的改進。在此方面已取得一定的研究成果，如熱空氣再循環，太陽能空氣集熱單元的V形波紋和翅片板、太陽能干燥系統與相變材料(如石蠟、鹽水合物等)的集成進行潛熱或顯熱存儲，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濟性。

我國地大物博，尤其在中西部地區，農產品資源豐富，特別是在以農產品種植為主的地區，農產品加工產業可以促進地方經濟的發展。在農產品加工過程中，產品干燥是其中最重要的環節之一。提高干燥效率與干燥產品質量，可縮短干燥周期，便于產品的加工、運輸、貯藏和使用；同時可提高農副產品干燥工藝的技術含量，從而提高產品的附加值，使產品的更具競爭力，形成支柱產業。因此，在農副產品干燥方面，高效節能的太陽能干燥器的應用前景十分廣闊。

4 結束語

上述國內外應用研究所獲得的成果、在農副產品生產方面的推廣應用及經濟性示例，表明太陽能干燥系統具有廣闊的應用前景，值得大力開發。目前，我國在農副產品干燥領域應用太陽能干燥技術仍處于應用推廣起步階段，尤其當下國家政策倡導節能減排，更應優先研究開發并推廣。就目前研究而言，還有諸多方面需要改進，尤其是在實用性、自動化與工業化等方面。同時，在

太陽能干燥系統、太陽能集熱與輔熱系統結合優化設計、太陽能干燥農副產品的應用及其自動控制系統的優化設計等課題，還需深化研究及推廣，從而更好地滿足農副產品干燥的現代工業化發展需求。

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2016-05-16

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