太陽能干燥(solar drying)是指利用太陽輻射能和太陽能干燥裝置所進(jìn)行的干燥作業(yè)。應(yīng)用太陽能干燥食品原料已發(fā)展了較長的時(shí)間，針對(duì)不同的食品原料，國內(nèi)外已開發(fā)出相應(yīng)的太陽能干燥設(shè)備。太陽能干燥設(shè)備(系統(tǒng))是以太陽能利用為主的干燥設(shè)備，一般由集熱器和干燥室組成，還有其他如風(fēng)機(jī)、泵、輔助加熱設(shè)備等的輔助設(shè)備。根據(jù)干燥系統(tǒng)內(nèi)氣流的流動(dòng)方式，可以把干燥系統(tǒng)分為自然對(duì)流型和強(qiáng)迫對(duì)流型；根據(jù)集熱器結(jié)構(gòu)形式，可將干燥系統(tǒng)分為溫室型、集熱器型、集熱器一溫室型。本文從干燥系統(tǒng)內(nèi)氣流流動(dòng)方式，分別介紹近年來國內(nèi)外該領(lǐng)域的研究成果，包括各種干燥裝置的結(jié)構(gòu)、特性、用途和干燥效果，根據(jù)對(duì)自然對(duì)流式和強(qiáng)迫對(duì)流式干燥設(shè)備的原理和優(yōu)缺點(diǎn)的分析，著重探討了國內(nèi)外關(guān)于這兩個(gè)不同方式的干燥設(shè)備的最近的研究進(jìn)展。
1 太陽能干燥設(shè)備的類型
1．1 自然對(duì)流型
自然對(duì)流型太陽能干燥系統(tǒng)中無附加風(fēng)機(jī)，氣流靠溫差作用流動(dòng)。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，主要有箱式、棚式、溫室式、盤架式和煙囪式幾種。
自然對(duì)流型干燥系統(tǒng)的干燥室與作物溫室的結(jié)構(gòu)相似，太陽能透過玻璃進(jìn)入干燥室后，輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，此過程要求不斷排濕，干燥室內(nèi)的被干燥物可直接接受太陽光，其轉(zhuǎn)換效率取決于物料表面及干燥室材料的吸收特性，熱利用率相對(duì)較高。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)較低，建造容易，操作簡單，干燥成本低，因而在國內(nèi)外有較廣泛的應(yīng)用。
此外，比較新型的聚光型太陽能干燥系統(tǒng)也屬于自然對(duì)流型，該干燥器類似于普通的聚光集熱器，由聚光鏡、集熱吸收管、跟蹤系統(tǒng)等組成，充分體現(xiàn)了空氣自然對(duì)流原理，可提供的干燥溫度約為80-120％，屬于中溫干燥，具有干燥速度快、提高殺蟲率等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高。這種類型的干燥裝置一般用于價(jià)位較高的物料，國外有用于濃縮棕櫚汁，也有用于谷物種子和棉花種子的干燥。
1．2強(qiáng)迫對(duì)流型
自然對(duì)流型干燥系統(tǒng)在很多情況下不能滿足干燥要求，一些改進(jìn)型的干燥系統(tǒng)，氣流需通過附加的動(dòng)力實(shí)現(xiàn)氣流流動(dòng)，就是強(qiáng)迫型太陽能十燥系統(tǒng)。
根據(jù)強(qiáng)迫對(duì)流型太陽能干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型，可以分為集熱器型、溫室一集熱器型。
集熱器型太陽能干燥器系統(tǒng)由空氣集熱器和干燥室組成，外界空氣通過空氣集熱器加熱，然后通過風(fēng)機(jī)將熱空氣送進(jìn)干燥窒，強(qiáng)迫李氣對(duì)流，不但解決自然對(duì)流干燥系統(tǒng)的風(fēng)量問題，還加速傳熱傳質(zhì)過程，提高了干燥效率。由于集熱器與干燥拳分開，可以避免陽光直接曬到物料，該種干燥器還適用于某些對(duì)外觀有特殊要求的原料。需要再提一下的是，在這類干燥裝置中設(shè)一個(gè)輔助加熱設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物料進(jìn)行連續(xù)干燥操作。
將溫室和空氣集熱器結(jié)合起來就組成溫室一集熱器型太陽能干燥裝置。由于干燥室體積大，所以采用強(qiáng)迫對(duì)流的流動(dòng)方式，干燥原料一方面從溫室直接吸收太陽能，另一方面接受來自空氣集熱器的熱風(fēng)的加熱，因兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，干燥溫度比集熱器型有所提高。有資料表明，當(dāng)溫室透光面積和集熱器面積之比為1：1時(shí)，溫度可提高5～10℃。這種類型的太陽能干燥裝置，由于溫度較高，總熱壓差相對(duì)較大，空氣流量?般有保證，但對(duì)于人部分的需要大風(fēng)量進(jìn)行干燥的物料則仍需用風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫循環(huán)。
各種丁燥器類型對(duì)比見表1。
2國內(nèi)外太陽能干燥設(shè)備研究進(jìn)展
2．1 自然對(duì)流型干燥設(shè)備
國內(nèi)關(guān)于人陽能自然對(duì)流干燥的進(jìn)一步研究較少，國外則有較多創(chuàng)新性進(jìn)展。A.Madhlopa等是直接利用太陽能直接干燥物料，在照射太陽能的基礎(chǔ)上，在地底用煤或者其他燃料加熱空氣，再通過自然對(duì)流，將熱空氣送進(jìn)干燥室，提高熱空氣溫度，也可以取得較好的效果，相對(duì)于單獨(dú)只用煤干燥或只是直接用太陽光于燥都有明顯的優(yōu)勢。優(yōu)點(diǎn)是無論白天或晚上都可以進(jìn)行下燥，設(shè)備簡單，成本低；缺點(diǎn)是耗能相對(duì)于集熱器太陽能的要大一些。
Prasad等的研究和Madhlopa等相似，也是利用太陽光直接照射，底下用生物燃料，如煤燃燒以加熱空氣，利用氣流溫差，自然對(duì)流進(jìn)入干燥室干燥產(chǎn)品，相對(duì)來說，該沒備的設(shè)計(jì)比較巧妙，充分利用了空氣中的熱能，也可以在氣候條件不是很穩(wěn)定的地區(qū)使用。
Madhlopa和Prasad等的干燥設(shè)備都是屬于自然對(duì)流的形式，同時(shí)也是固定式的，對(duì)于太陽能的充分利用有一定的局限性。相對(duì)而言，Singh等人涉及的干燥設(shè)備雖然也屬于自然對(duì)流的形式，但不同的是，它足便攜式的，可以根據(jù)不同季節(jié)氣候不同調(diào)整設(shè)備的角度和方向，同時(shí)拆除方便。該設(shè)備由一系列的金屬管直接接合，在集熱器后方直接放置物料盤，在兩側(cè)和底部采用保溫材料，空氣從底部進(jìn)出，經(jīng)加熱后膨脹上升，從頂部出來，帶走汽化水分，從而達(dá)到干燥目的，當(dāng)氣候不佳時(shí)，可拆除設(shè)備收藏。該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)足成本低，制作簡單，使用方便，耗能??；缺點(diǎn)足對(duì)太陽能的利用率低，干燥時(shí)間較長，干燥溫度也小高，適合一些低溫食品干燥。
2．2強(qiáng)迫對(duì)流型干燥設(shè)備
2．2．1 國內(nèi)研究進(jìn)展
沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院樸在林做的太陽能及熱能智能互補(bǔ)型農(nóng)副產(chǎn)品干燥裝置是在原有小型農(nóng)戶柴爐干燥裝置的基礎(chǔ)研制發(fā)的，該裝置利用了太陽能干燥產(chǎn)品，在干燥溫度達(dá)不到要求的情況下，通過外置的輔助干燥沒備(熱風(fēng)爐)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行輔助加熱。該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以陽光板作為蓋板的太陽能干燥器具有較高的熱轉(zhuǎn)換效率，適合當(dāng)前條件下農(nóng)戶對(duì)農(nóng)副產(chǎn)品干燥加工的需求，見圖l。
國內(nèi)比較大型的強(qiáng)迫對(duì)流干燥設(shè)備也比較多，如建在廣東省的用于臘腸、臘肉干燥的太陽能溫室一集熱型干燥器。其采光面積達(dá)620m2，是世界上為數(shù)不多的大型太陽能干燥器之一。該干燥器也采用熱風(fēng)作為輔助加熱能源，以滿足連續(xù)運(yùn)行的需要，成品日產(chǎn)量達(dá)4000kg，其節(jié)能效果為節(jié)電21％，節(jié)煤20％--40％。廣州皇上皇肉食制品廠的大型太陽能干燥器也屬于此類型。
太陽能熱泵干燥設(shè)備系統(tǒng)，按照太陽能和熱泵系統(tǒng)的連接方式，太陽能熱泵系統(tǒng)分為串連系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)和混合連接系統(tǒng)，其中串連系統(tǒng)又可分為傳統(tǒng)串連式系統(tǒng)和直接膨脹式系統(tǒng)。
太陽能熱泵系統(tǒng)在性能上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的太陽能系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)各自的缺點(diǎn)，使得整個(gè)系統(tǒng)的cop有較大的提高，而系統(tǒng)性能的提高使得運(yùn)行費(fèi)用減少，從而降低了系統(tǒng)總投資。隨著研究的進(jìn)展和技術(shù)的成熟，太陽能熱泵系統(tǒng)可以應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在食品干燥領(lǐng)域也有很大發(fā)展窄間，可創(chuàng)造更大的效益。
人工干燥的能耗在工業(yè)能耗具有舉足輕重的地位，自然干燥又難以克服產(chǎn)品衛(wèi)生和品質(zhì)等問題，阻礙了干燥行業(yè)(特別是農(nóng)產(chǎn)品干燥行業(yè))的發(fā)展。單一的太陽能干燥器因無需消耗常規(guī)能源，而且特別適合于干燥溫度較低(70℃以下)、水分揮發(fā)較慢、加工時(shí)間長的物料，如涼果、紅棗等，在實(shí)際應(yīng)用中已初步顯示其優(yōu)越性；而采用太陽能并使用輔助加熱的智能型太陽能干燥器一。具有能耗低(相對(duì)人工干燥)，集熱器制造方式簡單，價(jià)格低廉，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)且穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，克服了單一太陽能r燥溫度、周期不穩(wěn)定的不足，具有良好的發(fā)展前景，甚至可能成為農(nóng)產(chǎn)品干燥加工的主要設(shè)備。
2．2．2 國外研究進(jìn)展
在強(qiáng)迫對(duì)流方式太陽能干燥設(shè)備的設(shè)計(jì)上，國外的研究方向比較詳細(xì)，做的工作比較多，所做的設(shè)備一般是針對(duì)具體的農(nóng)產(chǎn)品如辣椒、木薯、谷類、葡萄等進(jìn)行研究，找出最適干燥條件，如果我們能夠綜合起來考慮，把各自的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)出一個(gè)可以針對(duì)大部分，或者說同種類型的農(nóng)產(chǎn)品都適用的設(shè)備，這將有重大的意義。
Bennamoun等人研究的是溫室型太陽能干燥設(shè)備．采用強(qiáng)迫對(duì)流方式進(jìn)行干燥，人為地利用風(fēng)機(jī)將在集熱器中加熱后的熱空氣引入干燥室干燥產(chǎn)品。
集熱器的表面積和加熱后熱空氣溫度直接影響到干燥的效果，隨著這兩個(gè)因素影響的增大，干燥所需的時(shí)間減少；而干燥產(chǎn)品的整體質(zhì)量和分布面積相比之下就不是很重要，如果在設(shè)備中加入一個(gè)電加熱器，將可以使設(shè)備在不理想的氣候條件下也可以運(yùn)行。該設(shè)備屬于間歇操作，在3m2和一個(gè)加熱器在500C溫度下，平均每天可以處理250kg產(chǎn)品。
Supranto等人的研究也屬于強(qiáng)迫對(duì)流干燥，所做的改進(jìn)之處只是把集熱器用一個(gè)多孔介質(zhì)隔開，從而分為兩個(gè)通道，讓空氣得以充分加熱。
通過該設(shè)備證明了用太陽能對(duì)植物油的干燥是可行的，也是非常有利的，有非常好的應(yīng)用前景。，而通過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算也證明雙管道的集熱器可以使溫度得到比較大的提高，可以提高25～300C，而使集熱器的熱效率有了很大的提高。
Karim等人在前面的平板集熱器的基礎(chǔ)上，對(duì)集熱器的表面積進(jìn)行研究，對(duì)v型、平板加散熱片和平板型三種集熱器的單雙空氣通道的情況下分別進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單空氣通道平板集熱器的熱效率最低，v型作為結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的集熱器，熱效率也是最高。同時(shí)，可以使用更薄的金屬，有利于節(jié)省材料，降低成本。具體的結(jié)果是：v型集熱氣的熱效率高于平板集熱器．雙層空氣通道的集熱器效率遠(yuǎn)高于單層集熱器，如平板集熱器的雙空氣通道熱效率遠(yuǎn)比單宅氣通道的高，而V型集熱器的雙層空氣通道的優(yōu)勢就不是很明顯，見圖2。
一般來說，隨著空氣流量的增加，干燥效率增加，在空氣流量達(dá)到O.056kg/m2·s時(shí)效率達(dá)到最高，而一般在流量達(dá)到0.035kg/m2·s時(shí)就可以達(dá)到最佳的干燥效果。由于v型集熱器的效率最高，并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，是應(yīng)用過程中的最佳選擇。
前面所提到的設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)都沒有涉及到廢熱空氣的回收，而是直接將廢熱空氣排人大氣，雖然沒有什么污染，但是這對(duì)于熱量的利用而言，是一種很大浪費(fèi)。Sarsavadia等人就針對(duì)這個(gè)問題設(shè)計(jì)了一個(gè)太陽能干燥設(shè)備，該設(shè)備也通過采用強(qiáng)迫對(duì)流方式，在平板集熱器上加上不規(guī)則吸熱片，然后通過輔助設(shè)備(空氣加熱器、電加熱器和風(fēng)機(jī))，使大部分的熱空氣重新從底部進(jìn)入干燥器，有效的利用了熱量，效率有明顯的提高。同時(shí)，在晚問或者氣候不好的情況下，可以使用輔助加熱設(shè)備，使干燥不問斷進(jìn)行，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作，有很大的現(xiàn)實(shí)意義。該設(shè)備充分體現(xiàn)了熱量的合理利用，不過也有缺點(diǎn)，就是當(dāng)空氣達(dá)到飽和濕度時(shí)，也應(yīng)該及時(shí)將熱空氣排出，操作相對(duì)復(fù)雜，設(shè)備費(fèi)用也相對(duì)較高。
該設(shè)備雖然涉及到了廢熱空氣的回收，但是對(duì)于儲(chǔ)能問題沒有涉及，如果可以通過白天將一部分多余的太陽能儲(chǔ)存起來，而能在晚間使用的話，可以減少輔助加熱設(shè)備所消耗的能量，從而提高效率，得到更高的利益。Shanmugam等就在儲(chǔ)能這個(gè)方面做了相關(guān)的研究，他們做了一種干燥儲(chǔ)能材料(60％膨潤土、10％CaCl2、20％的蛭石、10％的粘合劑)，該材料利用CaCl2的吸濕性，彭潤土的多孔蓬松性以及蛭石的吸熱儲(chǔ)能性，白天干燥材料與干燥室隔開，利用太陽光直接照射該材料將能量儲(chǔ)存其中，在晚間通過密閉該干燥室，使干燥材料與干燥竄相連，利用風(fēng)扇使空氣不斷回流，利用儲(chǔ)能材料中的熱能干燥產(chǎn)品，利用CaCl2的吸濕性將窄氣中的水分吸收，第2d白天又將干燥材料與干燥室隔開，利用太陽能干燥儲(chǔ)能材料，同時(shí)存儲(chǔ)能量。反復(fù)進(jìn)行，可以循環(huán)使用，從而使熱量得到最大的程度的利用。
同時(shí)，Shanmugam等還通過實(shí)驗(yàn)表明，如果在干燥室上立一面鏡子，通過反射光等作用，干燥設(shè)備熱效率得到更大的提高。該設(shè)備體現(xiàn)了熱能的合理利用，但是有個(gè)缺點(diǎn)就是，干燥儲(chǔ)能材料的存儲(chǔ)有限，如果碰到長時(shí)間陰雨天氣，就不能體現(xiàn)出它的優(yōu)點(diǎn)，建議添加一個(gè)輔助加熱設(shè)備即可解決問題。
此外，關(guān)于熱量的充分利用，還有就是太陽能和熱泵的綜合使用。但是目前熱泵的應(yīng)用大部分還是用于木材干燥，用于食品還不是很多，同時(shí)也因?yàn)樵O(shè)備費(fèi)用相對(duì)較高，雖然能量利用率也很高，但是面對(duì)普及還有很大的難度。
3建議和展望
3．1 太陽能干燥屬于一種節(jié)能干燥技術(shù)，但其本身受氣候條件的制約，如果能夠與其他形式的能源相結(jié)合使用會(huì)有更佳的效果，如煤或者其他燃料、熱泵，而儲(chǔ)存太陽能備用是最佳的選擇，因而建議在太陽能資源比較豐富的地區(qū)使用。
3．2相比較而言，利用自然對(duì)流方式的太陽能利用溫度較低，而強(qiáng)迫對(duì)流干燥的溫度較高，總的來說適用于中低溫食品的干燥，如大部分水果、蜜餞、谷類等的干燥。
3．3 國內(nèi)對(duì)于太陽能的研究相對(duì)于國外來說較少，但是與國外的研究趨勢足一樣的，都是向節(jié)能方向發(fā)展，如和其他形式的輔助設(shè)備一起使用，延長干燥設(shè)備的使用時(shí)間，還有就是智能化方面的研究。
3．4如果我們能夠針對(duì)各種類型的干燥設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，研究出一種能夠適合大部分食品的干燥設(shè)備，可在節(jié)能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)效益。
總體而言，國內(nèi)太陽能干燥在食品領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段，有許多需要完善的地方，實(shí)用性、自動(dòng)化和工業(yè)化是主要的發(fā)展方向。日前需要研制適用于太陽能干燥裝置的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于干燥過程中熱能的充分利用?，F(xiàn)在大部分的干燥裝置很多都沒有時(shí)廢熱空氣進(jìn)行同收利用，造成熱量的大量浪費(fèi)，我們應(yīng)該朝這個(gè)方向研究。此外，還有干燥過程中溫度、濕度、風(fēng)速等條件的監(jiān)控，以及電動(dòng)風(fēng)門、電動(dòng)閥、風(fēng)機(jī)等也可以直接與計(jì)算機(jī)連接，直接控制，以適應(yīng)現(xiàn)代化干燥作業(yè)的需要。太陽能干燥器的經(jīng)濟(jì)效益足明顯的，應(yīng)該說在中國市場的潛力是巨大的。【稿件聲明】凡來源為IMSIA國際金屬太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的稿件，版權(quán)均歸IMSIA國際金屬太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟所有，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來源。
