分析太陽能干燥技術(shù)及問題

0前言 　　新能源和可再生能源的開發(fā)和利用已經(jīng)成為全球性的重大課題。太陽能是新能源和可再生能源中最引人注目、開發(fā)研究最多、應(yīng)用最廣的清潔能源，我國太陽能熱利用經(jīng)過多年的發(fā)展最為廣泛、迅速的產(chǎn)業(yè)。目前，我國已成為世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)和應(yīng)用國，前幾年以每年20％～35％的速度遞增。 　　2014年太陽能集熱系統(tǒng)保有量達到4.14億m2（289520MWth），國家能源局給光熱產(chǎn)業(yè)提出十三五期間我國光熱產(chǎn)業(yè)的保有量最低要達到8 億平方米的目標，這是光熱產(chǎn)業(yè)首次被提到國家政策決策層面進行討論。國家發(fā)改委日前發(fā)布相關(guān)通知指出，獲得批準的太陽能工業(yè)熱利用項目將可享受中央補貼，而作為太陽能工農(nóng)業(yè)利用方式之一的太陽能干燥技術(shù)和應(yīng)用必將得到大力推廣，本文就太陽能干燥的原理、分類、優(yōu)勢、應(yīng)用及存在的問題進行相關(guān)闡述，并給出了解決存在問題的幾種方案。 　　1太陽能干燥 　　利用太陽能進行物品的干燥，是太陽能熱利用的方式之一，太陽能干燥是指利用太陽輻射能、太陽能干燥裝置進行干燥作業(yè)，可稱為主動式太陽能干燥。具有干燥周期短、效率高、產(chǎn)品品質(zhì)好等優(yōu)點。太陽能干燥技術(shù)的應(yīng)用范圍有了進一步擴大，已從食品、農(nóng)副產(chǎn)品，擴大到木材、中藥材、工業(yè)產(chǎn)品等，太陽能干燥器主要是應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面。 　　2太陽能干燥原理 　　太陽能干燥的過程，就其機理來說，它是利用太陽能的輻射能先轉(zhuǎn)變成熱能后再使物料中水分汽化，并擴散到空氣中的過程，也就是一個“脫水”的傳熱傳質(zhì)過程。太陽能干燥是使被干燥物料直接吸收太陽能或通過太陽空氣集熱器所加熱的空氣，進行對流傳熱，間接地吸收太陽能，物料表面獲得熱能后，再傳至物料內(nèi)部，水分從物料的內(nèi)部以液態(tài)或汽態(tài)方式擴散，透過物料層而達到表面，然后通過物料表面的氣膜而擴散到熱汽流中，通過這樣的傳熱傳質(zhì)過程，使物料逐步脫水干燥。太陽能煙葉熱烘干系統(tǒng)烤房如圖1所示。 圖1太陽能煙葉熱烘干系統(tǒng)烤房 　　3太陽能干燥分類 　　太陽能干燥技術(shù)和裝置按接受太陽能及能量輸入方式主要分四種類型：溫室型、集熱器型、集熱器———溫室型和整體式。此外，根據(jù)熱空氣的流動方式，我們還可以把太陽能干燥裝置分為自然循環(huán)式和強制循環(huán)式。 　　3.1溫室型太陽能干燥器 　　溫室型太陽能干燥器的結(jié)構(gòu)與栽培農(nóng)作物的溫室相似，溫室即為干燥室，待干物料置于溫室內(nèi)，直接吸收太陽輻射，溫室內(nèi)的空氣被加熱升溫，物料脫去水分，達到干燥目的。溫室型太陽能干燥器一般都設(shè)有排風(fēng)裝置，排去含濕量大的空氣，縮短物料干燥周期，這種干燥器結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、在農(nóng)村被廣泛應(yīng)用。 　　3.2集熱器型太陽能干燥器 　　集熱器型太陽能干燥器是太陽能空氣集熱器與干燥室組合而成的干燥裝置，這種干燥器利用集熱器把空氣加熱60℃～70℃，然后通入干燥室，物料在干燥室內(nèi)實現(xiàn)對流熱質(zhì)交換過程，達到干燥目的。 　　3.3集熱器———溫室型太陽能干燥器 　　溫室型太陽能干燥器結(jié)構(gòu)簡單、效率較高，缺點是干燥室溫升較小，在干燥含水率高的物料時（如蔬菜、水果等），溫室型干燥器所獲得的能量不足以在較短的時間內(nèi)使物料干燥至安全含水率以下。為增加能量以保證被干物料的干燥質(zhì)量，在溫室外增加一部分太陽能集熱器，就組成了集熱器———溫室型太陽能干燥裝置。 　　3.4整體式太陽能干燥器 　　整體式太陽能干燥器將太陽能空氣集熱器與干燥室兩者合并成為一個整體。裝有物料的料盤排列在干燥室內(nèi)，物料直接吸收太陽輻射能，起吸熱板的作用，空氣則由于溫室效應(yīng)而被加熱。干燥室內(nèi)安裝軸流風(fēng)機，使空氣在兩列干燥室中不斷循環(huán)，并上下穿透物料層，使物料表面增加與熱空氣接觸的機會。 　　4 太陽能干燥的應(yīng)用 　　在我國，太陽能干燥技術(shù)是一個新發(fā)展起來的產(chǎn)業(yè)，具有非常廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和良好的市場前景。太陽能干燥在農(nóng)副產(chǎn)品方面的應(yīng)用較多，如蔬菜、水果、掛面、煙葉、木材、中草藥材、人參、鹿茸等產(chǎn)品的干燥，在水產(chǎn)方面有魚、蝦類、貝類等。在輕工產(chǎn)品方面有蠶絲、橡膠、唐三彩瓷器、制鞋等產(chǎn)品的干燥，另外山西陳醋、東北發(fā)酵大醬等方面也都可以利用太陽能進行干燥，同時在這些方面已取得了積極的應(yīng)用成果。天津大港油田團泊洼農(nóng)場建立的650m2太陽能干燥裝置如圖2所示 圖2天津大港油田團泊洼農(nóng)場建立的650m2太陽能干燥裝置 　　5太陽能干燥存在的問題 　　盡管太陽能是取之不盡用之不竭的，但是，太陽能屬間歇性能源，能流密度低，日照較好的地方，地面上一平方米的面積所能接收的能量只有1 千瓦左右，要想滿足使用要求，往往需要相當(dāng)大的采光面積，從而使裝置面積大、用料多、成本增加；同時，太陽能受天氣的影響較大，給使用太陽能帶來很多麻煩，對于太陽能干燥來說，勢必造成初期投資較高、系統(tǒng)不穩(wěn)定、干燥周期長等問題，要解決這些問題，可以從以下幾個方面考慮。 　　5.1太陽能中低溫儲能 　　對于太陽能干燥應(yīng)用領(lǐng)域，需要中低溫儲能，就是把太陽輻射能采集轉(zhuǎn)換成中低溫的熱能后儲存起來，在太陽能不足時再釋放出來，以滿足生產(chǎn)（或生活）中連續(xù)穩(wěn)定的需求，對于太陽能干燥來說，儲能裝置也是非常需要的，這就需要研發(fā)或采用儲能材料，最好是相變儲能材料，利用一種物質(zhì)的相變（多為固態(tài)和液態(tài)之間的轉(zhuǎn)變）來達到儲存或釋放大量熱能，這種儲能物質(zhì)要求具有儲能容量高、循環(huán)性好、儲存和釋放能量速度快等特點，這樣就可以將白天多余的太陽能以中低溫品質(zhì)的熱能儲存起來，延長系統(tǒng)使用太陽能的時間。 　　5.2太陽能為主的多能互補系統(tǒng) 　　太陽能的應(yīng)用往往不能單純靠太陽能單一能源完成，這就需要其他能源作為輔助能源進行補充，實現(xiàn)多能互補的系統(tǒng)。對于太陽能干燥技術(shù)來說，多能源互補是將太陽能、熱泵、生物質(zhì)能、燃氣、光電等按實際需要進行任意組合，實現(xiàn)多種能源的優(yōu)勢互補和合理配置，有效推動節(jié)能環(huán)保、低碳、舒適的生活，全面滿足太陽能干燥工程、供熱采暖、空調(diào)制冷和生活熱水等領(lǐng)域的需求。以多能源集成干燥系統(tǒng)中的子系統(tǒng)既可以單獨工作，也可根據(jù)用戶需求自由組合。太陽能與哪些輔助能源組成互補系統(tǒng)，要根據(jù)實際工程當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c、建筑分布情況、輔助能源的品質(zhì)和數(shù)量來設(shè)計，多能源組合可以互相彌補不同能源間的缺陷。 　　5.3開發(fā)研制高效太陽能集熱產(chǎn)品 　　由于太陽能干燥系統(tǒng)采光面積大、裝置場地大、用料多等問題，這就需要運用真空技術(shù)、鍍膜技術(shù)、熱管技術(shù)以及聚光技術(shù)等研發(fā)和應(yīng)用高效的太陽能集熱器，例如熱管式集熱器以及復(fù)合內(nèi)聚光集熱器等新興產(chǎn)品，突破傳統(tǒng)的全玻璃真空太陽能集熱器以及平板集熱器所占面積大、工質(zhì)溫度低、轉(zhuǎn)化效率低等問題，提高太陽輻射能到熱能的轉(zhuǎn)化率以及整個系統(tǒng)的效率，使得整個太陽能干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、費用低場地面積小，更容易應(yīng)用和推廣。 　　6結(jié)語 　　我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和出口的大國之一，農(nóng)產(chǎn)品資源豐富，物種多樣。我國農(nóng)產(chǎn)品干燥是產(chǎn)品加工過程中的一個重要工藝過程，采用常規(guī)能源干燥農(nóng)產(chǎn)品，需消耗大量能源，因投資大，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品干燥成本增高，并造成不同程度的環(huán)境污染。采用太陽能干燥農(nóng)副產(chǎn)品，能節(jié)約常規(guī)能源、避免環(huán)境污染、提高產(chǎn)品質(zhì)量、改變落后的生產(chǎn)加工方式。因此我國應(yīng)用太陽能干燥農(nóng)副產(chǎn)品，發(fā)展前景廣闊。 　　目前，國內(nèi)太陽能干燥技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段，我們尚需對太陽能干燥系統(tǒng)、太陽能集熱器加熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，太陽能與其他能源的結(jié)合方式，各種不同物料的太陽能干燥新工藝及其優(yōu)化干燥工藝條件的自控系統(tǒng)等課題，展開深入研究，使太陽能干燥這項技術(shù)，更好地適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)干燥作業(yè)的需要。（北京大學(xué)包頭創(chuàng)新研究院付加庭）