太阳能干燥：粮食烘干机械化发展的新技术

干燥是农业生产中的重要环节，同时又伴随着巨大的能量消耗。太阳能在干燥系统中的应用极大减少了化石能源的消耗，同时降低了生产成本。

近年来，随着全球工业化程度不断提高，化石燃料消耗量也随之增加，温室气体和其他有害气体排放量也不断增加，对自然环境造成极大破坏。太阳能等可再生能源的应用减少了化石能源使用和温室气体排放，保护环境，成为业内关注的重点。

太阳能干燥机分类

太阳能干燥机按照是否使用干燥介质可分为直接式太阳能干燥机和间接式太阳能干燥机；按是否使用风机强制循环可分为自然对流式干燥机和强制对流式干燥机。

此外，随着科技的发展和热泵技术的广泛使用，太阳能热泵联合干燥机被越来越多应用于各行业。

1. 直接式太阳能干燥机

直接式太阳能干燥机原理

直接式太阳能干燥机的工作原理是在干燥室顶部加透明盖板，太阳通过透明盖板进入干燥室，干燥室内的空气被加热升温，同时被干燥物料也吸收热量，从而脱去物料中的水分。

直接式太阳能干燥机结构简单，易于加工制造，生产成本和使用成本低。适用于小规模且对干燥质量和干燥时间要求不高的场合，相比于露天干燥，可以获得更多的太阳能热量来干燥物料。

缺点是热效率低、干燥速率缓慢，无法应用于大规模生产。另外，由于一天内气温的变化和光照强度的不稳定性，该系统不适合干燥对品质要求较高的物料，如茶叶、药材等。

2. 间接强制对流式太阳能干燥机

间接强制对流式太阳能干燥机原理

间接式太阳能干燥机的工作原理是将太阳能集热器和待干燥物料分离，由风机带动外界空气进入太阳能集热器进行加热后进入干燥室，从而对物料进行干燥。太阳能集热器的类型一般为空气集热器，也有少数热水集热器。

热泵干燥技术的应用

热泵干燥技术是一种新兴的干燥技术，由于其可靠性好、热效率高而受到越来越多的关注。热泵主要分为地源热泵、化学源热泵和空气源热泵，其中空气源热泵被广泛应用于干燥中。

热泵干燥技术具有3方面优点。

一是干燥性能受气候和环境影响小，在低温环境仍能保持较高干燥效率。

二是相比于其他太阳能干燥系统，拥有更高的干燥效率。

三是空气源热泵仅需消耗少量电能就能将空气中的低位热能转化为高位热能，所以太阳能热泵干燥机相对于常规能源干燥机更加节能，可以极大地减少化石能源的使用。

热泵干燥原理

1. 太阳能-热泵联合干燥机

热泵出色的性能，将其与太阳能结合可以较好地解决太阳能辐射的间歇性与不稳定性给太阳能集热器性能造成的影响，而太阳能集热器的使用可减少热泵的能耗，两者相辅相成，完美互补。

有科研人员开发了一种太阳能热泵联合干燥系统。该系统以茶叶为干燥对象，可在3种模式下运行，即太阳能集热器干燥模式、太阳能热泵联合干燥模式和空气源热泵干燥模式。该系统综合能效比高，相比于传统燃煤干燥节能36.7%~41.1%，并且干燥后的茶叶质量较之前有了较大的提高。

2. 蓄热式太阳能热泵联合干燥机

虽然太阳能热泵联合干燥机拥有诸多优点，但也存在些许不足。如当太阳光照充足，集热器产生的热量多于干燥室所需热量时，集热器吸收的部分太阳能会被浪费掉。为此，有学者开发了蓄热式太阳能热泵联合干燥系统。

国外团队开发了一种用于蘑菇干燥的太阳能热泵干燥系统，当太阳能集热器供热充足时，热泵不参与热循环；当太阳能集热器供热不足时，热泵启动，参与系统热循环。

热泵启动后，采用太阳能集热器加热的热水作为水源热泵的热源，干燥过程中干燥室内温湿度、蘑菇的质量采用PLC进行控制。

试验结果得出，该系统的性能系数为2.1~3.1，能量利用率0.42~0.66，比水分提取率的变化范围为0.26~0.92 kg/kW·h。

此外，该太阳能辅助热泵干燥系统可以节省40.53%的能耗。由此可见，蓄热器对太阳能热泵干燥系统的性能有了明显地提升。

为进一步提高太阳能干燥系统的性能，有学者开发了采用相变材料作为蓄热工质的太阳能辅助热泵干燥系统。

有科研团机开发了一种以石蜡为蓄热材料的混合模式太阳能干燥系统，该系统以辣椒为研究对象，并且用3种不同的设备干燥红辣椒，试验结果表明，采用相变材料蓄热可以极大提升干燥速率。

国内研究人员对相变材料应用于太阳能-地源热泵干燥系统中的性能进行了研究，结果表明，相变蓄热太阳能干燥机除了具有蓄热式太阳能干燥机的优点外，还具有潜热高、稳定性好和腐蚀性低等优点，但相变材料也存在一些问题，如制备复杂、成本高昂和技术不成熟等，使相变材料的应用具有一定的局限性。

存在的问题

太阳能干燥机作为一种新能源技术受到广泛关注，随着太阳能集热器技术的日益成熟和热泵技术的应用，太阳能干燥机发展迅速。国内外学者虽然对太阳能干燥技术做了大量研究，但依然存在以下3点问题。

（1）太阳能干燥技术的应用存在局限性，一方面是由于太阳能辐射强度的不稳定性；另一方面是由于太阳能干燥设备投入大、经济回收期较长，让许多中小型企业对其望而却步。

（2）太阳能厂家对于太阳能设备宣传力度不足，导致大部分企业和个人对太阳能干燥技术缺乏了解，在选用干燥设备时常常会忽略太阳能干燥机。

（3）相变材料的使用提高了蓄热装置的性能，降低了传热过程的热损失，但是国内外相变材料技术依然不够成熟，目前还不能作为常规蓄热材料。

发展建议

尽管存在问题，但太阳能干燥机依旧具有广泛的应用前景，为太阳能干燥机可以更好地发展，提出以下3点建议。

（1）优化干燥室结构和布局。干燥室的结构很大程度上影响了干燥的连续性和均匀性，为让太阳能更好地用于干燥过程，需将现有干燥室结构进行优化，以便提高生产效率和太阳能利用率。

（2）改进现有干燥工艺。现有干燥工艺依然存在干燥品质差，干燥时间长，热量供给与使用在时间空间上不匹配等问题，可以通过改进控制系统的方法进行解决。

（3）提高太阳能干燥机性能。一方面改进太阳能板表面吸热材料，提高光热转化效率。另一方面提高热泵系统的性能，通过开发新型热泵，如辅助多级空气源热泵，以及优化现有热泵，提高热泵性价比，以便更多的企业选择使用太阳能热泵系统作为热源。

文章来源：2020年8期《农业工程》（中国科技核心期刊）

作者：张洪滨¹，李世岩¹，梁晓军¹，王金永¹，李鸿印¹，董士伟²

单位：1.中国农业机械化科学研究院；2.沈阳香雪面粉股份有限公司

原标题：国内外太阳能干燥技术研究进展

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