溫室型太陽能裝置在農(nóng)產(chǎn)品干燥中的應用

張肖肖，王廣潤，蔣 斌，竇 剛

（山東天力能源股份有限公司，山東濟南 250100）

截至2018 年，世界人口已達到76 億。考慮到未來25 年人口的增長，食品供給量需要增加50%以解決食品短缺問題[1]。而根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO）最近的一項研究報告顯示，全世界35%的食品在生產(chǎn)和零售環(huán)節(jié)被浪費，其中主要的糧食蔬菜和水果的損失在50%～60%之間[2]。利用干燥技術(shù)可減少運輸及銷售環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的腐敗并延長食品的貯藏時間，從而預防食品短缺[3]。目前干燥已成為延長農(nóng)產(chǎn)品存儲時間、增加農(nóng)產(chǎn)品附加值的有效手段[4]。

太陽能是一種儲量豐富、分布廣泛的可再生能源[5]。人們利用太陽能進行農(nóng)產(chǎn)品的干燥歷史悠久。在太陽能集熱裝置大規(guī)模利用之前，露天晾曬是最為常用的方式[6-7]。其原理是落在產(chǎn)品表面的太陽輻射被部分吸收，利用這部分熱量除去農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部的水分[8]。然而，在露天晾曬條件下，被干燥的農(nóng)產(chǎn)品容易受到灰塵、微生物甚至鳥類糞便的污染[9]。此外，露天晾曬受限于環(huán)境條件，加工時間較長，且容易使農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)降低[10]，導致農(nóng)產(chǎn)品干燥質(zhì)量遠低于國家標準。

溫室是一個封閉的框架結(jié)構(gòu)，可有效減少環(huán)境污染源對干燥物料品質(zhì)的影響；溫室的透明屋頂也可有效減少由長波輻射引起的熱量損失，提高太陽能利用效率[11]。因此，采用溫室干燥方式，可以克服露天晾曬的缺點，提高干燥品質(zhì)。溫室干燥是以溫室作為集熱裝置的干燥方式，其將產(chǎn)品放置在溫室內(nèi)接收太陽輻射的托盤中，通過自然或強制對流除去水分[12]。根據(jù)相關(guān)研究，溫室效應可以將干燥材料加熱到高于環(huán)境溫度25 ℃以上[12-13]。根據(jù)相關(guān)文獻研究得到的長期貯存建議的安全水分含量及干燥溫度，除了少數(shù)產(chǎn)品如煙葉所需要的干燥溫度較高外，大部分農(nóng)產(chǎn)品的干燥溫度均在溫室制熱溫度范圍內(nèi)（30～50 ℃），因此溫室干燥具有較強的適應性[9]。此外，由于溫室是農(nóng)業(yè)種植中的重要設施，因此采用溫室干燥既增加了溫室的利用時間，也減少了干燥設備的投資成本，從而吸引了眾多學者對溫室干燥裝置的研究。為更好地了解溫室干燥的發(fā)展現(xiàn)狀，本文對溫室干燥裝置進行了總結(jié)，并綜述了溫室干燥所得產(chǎn)品的干燥特性以及溫室干燥裝置的經(jīng)濟性。

1 溫室干燥裝置的分類

根據(jù)干燥送風模式的不同，溫室干燥裝置可分為被動式溫室干燥裝置（圖1）[14]和主動式溫室干燥裝置（圖2）[15]。其中被動模式是利用空氣的熱脹冷縮原理，通過自然通風的模式進行通風與除濕；而主動模式則是通過風機強迫溫室內(nèi)的氣體流動。

圖1 被動式溫室干燥裝置Fig.1 drying device of passive greenhouse

圖2 主動式溫室干燥裝置Fig.2 Drying deviceActive of greenhouse

1.1 自然對流溫室干燥裝置

自然對流溫室干燥裝置的原理是利用太陽能煙囪效應抽吸環(huán)境中的空氣完成。對溫室內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品的對流干燥過程，其最大的優(yōu)點在于在干燥過程中完全不消耗電力能源，從而使溫室干燥裝置可以在電網(wǎng)不完善的地區(qū)應用。Koyuncu[16]設計了一種可移動式的自然對流溫室干燥裝置，結(jié)果表明，所提出的裝置相對于露天晾曬可以提高5～9 ℃的烘箱溫度，并提高干燥效率2～5 倍。Gbaha等[17]設計了一種溫室型太陽能直接干燥裝置，由透明蓋板、干燥箱、干燥支架及太陽能煙囪組成。通過對木薯、香蕉、芒果的干燥試驗，可以得到其干燥時間分別為19、22、27h。采用此方式可將果蔬的保質(zhì)期延長至1 年。雖然相比于露天晾曬，自然對流溫室干燥裝置能夠有效縮短干燥時間，但由于太陽能煙囪效應受太陽輻射強度的影響，存在送風不穩(wěn)定和風流量小的特點，限制了對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的精準控制。Nair 等[18]發(fā)明了一種可折疊的自然對流溫室干燥裝置，用來干燥葡萄，然而設備會造成干燥過程中溫度分布不均勻。

1.2 強迫對流溫室干燥裝置

為克服自然對流溫室干燥裝置的缺點，相關(guān)學者設計了強迫對流溫室干燥裝置，利用電動風扇強迫空氣在溫室中流動，從而能夠根據(jù)外部環(huán)境精準調(diào)節(jié)空氣流量。邢丙丙等[19]將地熱能源作為太陽能溫室的輔助能源，設計了一種地熱-太陽能干燥室溫室兼用裝置，使其可做到冬季溫室育苗及夏季溫室干燥。通過對脫水土豆片的干燥試驗可以得到其可在22 h 內(nèi)干燥600 kg 新鮮土豆片；該溫室每年產(chǎn)值為42 萬元，經(jīng)濟效益為15 萬元。

為克服溫室干燥裝置能量輸出不穩(wěn)定的缺點，有學者將蓄熱技術(shù)應用于溫室干燥裝置中。Jain[20]研究填充床蓄熱溫室在作物干燥中的應用（圖3）。通過實驗得出，其可在24 h 內(nèi)干燥2 280 kg 洋蔥。Berroug 等[21]研究提出了由相變材料PCM（CaCl2·6H2O）制成的北墻在被動溫室中的應用（圖4），在溫室地面面積每平方米相當于32.4 kg PCM 的情況下，冬季夜間植物溫度和室內(nèi)空氣溫度均高于6～12 ℃，波動較小。夜間相對濕度平均降低10%～15%。

圖3 顯熱蓄熱式溫室干燥裝置Fig.3 Sensible heat storage greenhouse drying device

此外，為了增強太陽能溫室對太陽能的利用效率，研究人員探索了減少損失、并增強干燥物料吸收太陽輻射量的方法。Gupta 等[22]通過對溫室的Auto-CAD 建模分析，表明在北半球，當溫室采用全透明圍護結(jié)構(gòu)時，溫室北墻的能量損耗最為顯著。Sethi 等[23]在傳統(tǒng)溫室的北墻上添加了傾斜的輻射反射墻（見圖4）。結(jié)果表明，在強迫對流條件下，溫室內(nèi)空氣和作物溫度分別提高1～4.5 ℃和1～3 ℃，干燥時間減少16.67%。王銳鋒[24]對強迫對流溫室干燥裝置的透明材料進行了研究，結(jié)果表明聚碳酸酯可以有效提高30.1%的室內(nèi)溫度，且干燥的青梅廢品率由8%～10%降到了2%～3%。劉鴻雁等[25]和高陽[26]以金絲小棗為例，對溫室最佳的透明蓋板材料進行了分析，透光材料選擇PVC 薄膜、玻璃、PC 陽光板三種。結(jié)果表明，在三種太陽能溫室型干燥裝置中，玻璃溫室型和PC溫室型干燥裝置集熱效果好，干燥速率高，而PVC 溫室型集熱效果最差，干燥小棗時間最長。

圖4 相變蓄熱式溫室干燥裝置Fig.4 Greenhouse drying device of phase change heat storage greenhouse

根據(jù)相關(guān)研究，強迫對流溫室干燥的效果要優(yōu)于自然對流溫室干燥。然而強迫對流的干燥模式需要通過電力驅(qū)動風機運轉(zhuǎn)。而太陽能干燥的最大優(yōu)勢在于不消耗化石燃料，因此為了解決通風能源的問題，復合光伏熱溫室干燥裝置（圖5）應運而生[27]。其原理是在普通溫室上加裝太陽能光伏板，利用其產(chǎn)生的電能驅(qū)動風機，達到強迫對流的送風模式。Barnwal 等[28]設計了一種光熱/光伏一體化溫室干燥裝置，通過試驗表明強迫對流的方式可以有效降低溫室干燥裝置的熱損系數(shù)，由自然對流的18 W/(m2·K)減少到11 W/(m2·K)。Janjai 等[29]設計了一種PV/T溫室干燥裝置，其風機的動力來源于50 W 光伏組件，對于干燥龍眼與香蕉具有良好效果；之后，其又在占巴塞（老撾）開發(fā)了大型PV/T 溫室干燥裝置，頂部采用拋物線形結(jié)構(gòu)并包覆聚碳酸酯材料，9 個直流排氣扇由50 W太陽能電池組件供電，整個裝置的容量為1 000 kg。Nayak 等[30]建立了PV/T 溫室干燥裝置數(shù)學模型，其模擬得到的太陽能光伏板正、背面和溫室空氣溫度的誤差在7.05%～17.58%之間。之后還對其進行了火用分析，得到火用效率水平約為4%。

圖5 混合光伏溫室干燥裝置Fig.5 Drying device of hybrid photovoltaic greenhouse

2 溫室干燥模型研究

模擬技術(shù)可以通過對偏微分方程組與熱平衡方程組的求解來預測作物含水量、干燥速率、作物質(zhì)量[31]。建立干燥模型可以減少對溫室干燥研究的投資成本，并能夠了解溫室與干燥物料內(nèi)部的溫度場、速度場以及濕度場的詳細分布。Prakash 等[31]采利用自適應神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)（ANFIS），來預測溫室的室溫及相對濕度。結(jié)果表明，溫度與濕度的誤差分別為2.6%與12%。Jain 等[32]通過MATLAB 軟件對作物溫度、溫室內(nèi)空氣溫度和水分蒸發(fā)速率進行預測。通過試驗驗證，其預測物料溫度與含水率均方根誤差分別為2.98%和16.55%。之后，Kumar 等[33]建立了粗糖自然對流溫室干燥的數(shù)學模型。通過試驗對比，此模型與試驗值的相關(guān)性達到0.9 以上，可以用來對粗糖的溫室干燥進行預測。

此外，Anwar[34]與Jain[35]分別對露天晾曬與溫室干燥下的對流傳質(zhì)系數(shù)進行了研究，結(jié)果表明在強迫對流狀態(tài)下，對流傳質(zhì)系數(shù)是雷諾數(shù)與普朗特數(shù)的函數(shù)；而在自然對流狀態(tài)下，對流傳質(zhì)系數(shù)是格拉曉夫與普朗特數(shù)的函數(shù)，其函數(shù)形式見式（1）（2）。

式中，hc為農(nóng)產(chǎn)品的傳質(zhì)系數(shù)，W/(m2·℃)；C與n為經(jīng)驗常數(shù)；Pr為普朗特數(shù)；Gr為格拉曉夫數(shù)；Re為雷諾數(shù)；X為農(nóng)產(chǎn)品的干基含水率；Kv為空氣的導熱系數(shù)，W/(m·℃)。

有較多學者對影響干燥對流傳熱系數(shù)的因素進行分析，其中包括干燥的送風形式、干燥物料的種類、形狀與質(zhì)量，具體見表1。

表1 農(nóng)產(chǎn)品溫室干燥對流換熱系數(shù)模型的參考值Table 1 Reference value of dry convective heat transfer coefficient model in agricultural greenhouse

3 溫室干燥的經(jīng)濟性研究

3.1 農(nóng)產(chǎn)品溫室太陽能干燥時間的研究

在不影響品質(zhì)的情況下，農(nóng)產(chǎn)品干燥的最終目標是在較短的時間內(nèi)獲得低水分的產(chǎn)品，以縮短生產(chǎn)周期并延長貯藏時間。眾多學者對不同農(nóng)產(chǎn)品在溫室干燥中的干燥時間進行了研究。表2（見下頁）顯示了幾種物料的溫室太陽能干燥時間，如Fadhel[40]對集熱器自然對流干燥、溫室干燥與自然晾曬三種干燥方式進行了研究。結(jié)果表明，溫室干燥可以減少20%的干燥時間。王銳鋒[24]通過對青梅的干燥實驗發(fā)現(xiàn)，相比于露天晾曬，溫室干燥大幅減少了干燥時間，使廢品率降低了6%。Janjai 等[41]在老撾的占巴塞（北緯15.13°、東經(jīng)105.79°）開發(fā)了一個單次干燥1 000 kg 的大型溫室型干燥裝置。通過對香蕉、辣椒與咖啡的干燥測試發(fā)現(xiàn)，香蕉的干燥時間由露天晾曬的7 d 減少到5 d，辣椒由5 d 減少到3 d，咖啡由4 d 減少到2 d。此外，經(jīng)過品質(zhì)分析，溫室干燥香蕉、辣椒和咖啡的質(zhì)量和顏色優(yōu)于露天晾曬的。Rathore 等[42]對隧道式太陽能溫室干燥裝置進行了研究，指出太陽能隧道溫室干燥裝置的工作溫度在55～70 ℃之間，溫度梯度為10～28 ℃，非常適合葡萄的干燥。Kumar 等[36]與Kadam 等[43]分別對洋蔥的溫室干燥進行了研究，指出強迫通風溫室干燥的對流傳質(zhì)系數(shù)最大，其干燥效率提高30%～135%。Eke 等[44]以玉米為例對溫室干燥與露天晾曬進行對比，結(jié)果表明溫室干燥可以減少55%的干燥時間。郝文剛等[45]對溫室干燥與露天晾曬的紅薯進行了對比分析，結(jié)果表明溫室干燥的平均干燥速率比露天晾曬高7.7 g/h，平均太陽能熱利用效率為21.23%。

表2 溫室太陽能干燥時間的研究Table 2 Researches on drying time of greenhouse

3.2 溫室型太陽能干燥經(jīng)濟性的研究

溫室型太陽能干燥裝置能夠大幅度縮短農(nóng)產(chǎn)品干燥時間，減少生產(chǎn)周期。因此對太陽能溫室干燥裝置在農(nóng)產(chǎn)品干燥應用中的經(jīng)濟性的研究尤為重要。趙英等[50]對鍋爐熱氣干燥與溫室干燥進行了對比分析。結(jié)果表明，相比于鍋爐熱氣烘干，采用太陽能溫室干燥西洋參可節(jié)約干燥投資90%以上，全部加工過程投資減少60%左右。Suzihaque 等[51]對一種溫室干燥裝置的運營、維護、施工和產(chǎn)品成本進行了分析，指出托盤面積、咖啡豆密度和勞動力價格對利潤的影響最大。根據(jù)相關(guān)研究，采用溫室干燥裝置的投資回收期一般在3 年以內(nèi)，因此溫室干燥是提高農(nóng)產(chǎn)品收益的有效方式。表3 中詳細列舉了關(guān)于溫室干燥的經(jīng)濟性分析。

表3 溫室干燥的經(jīng)濟性分析Table 3 Economic analysis of greenhouse drying

4 小結(jié)

相比于自然對流溫室干燥，PV/T 溫室與蓄熱溫室是溫室干燥裝置的未來發(fā)展趨勢。PV/T 溫室干燥裝置在普通溫室上加裝太陽能光伏板，并利用其產(chǎn)生的電能驅(qū)動風機，達到強迫對流的送風模式，可以使干燥過程完全脫離電力，可有效地應用于偏遠地區(qū)；而將蓄熱技術(shù)應用于溫室干燥能夠?qū)崿F(xiàn)干燥裝置穩(wěn)定連續(xù)的能量輸出，在時間上拓展太陽能的工作區(qū)間，進一步提高溫室的能源利用效率與干燥品質(zhì)。

溫室干燥是提高農(nóng)產(chǎn)品干燥效率與品質(zhì)的有效途徑。然而，由于送風溫度與速度的波動性與農(nóng)產(chǎn)品干燥過程中的夜間緩蘇現(xiàn)象，某些物料在進行溫室干燥時其品質(zhì)可能低于傳統(tǒng)的熱風干燥。在經(jīng)濟效益上，溫室干燥具有十分明顯的優(yōu)勢，其投資回收期均在3 年以內(nèi)，遠低于設備壽命（15～20 年）；此外，溫室還可以進行夏季干燥、冬季育苗的交替工作，能夠提升溫室的利用率。