1.中國農業機械化科學研究院
2. 瀋陽香雪麪粉股份有限公司
乾燥是農業生產中的重要環節，同時又伴隨着巨大的能量消耗。太陽能在乾燥系統中的應用極大減少了化石能源的消耗，同時降低了生產成本。
近年來，隨着全球工業化程度不斷提高，化石燃料消耗量也隨之增加，温室氣體和其他有害氣體排放量也不斷增加，對自然環境造成極大破壞。太陽能等可再生能源的應用減少了化石能源使用和温室氣體排放，保護環境，成為業內關注的重點。
太陽能幹燥機分類
太陽能幹燥機按照是否使用乾燥介質可分為直接式太陽能幹燥機和間接式太陽能幹燥機；按是否使用風機強制循環可分為自然對流式乾燥機和強制對流式乾燥機。此外，隨着科技的發展和熱泵技術的廣泛使用，太陽能熱泵聯合乾燥機被越來越多應用於各行業。
1. 直接式太陽能幹燥機
直接式太陽能幹燥機的工作原理是在乾燥室頂部加透明蓋板，太陽通過透明蓋板進入乾燥室，乾燥室內的空氣被加熱升温，同時被幹燥物料也吸收熱量，從而脱去物料中的水分。
直接式太陽能幹燥機結構簡單，易於加工製造，生產成本和使用成本低。適用於小規模且對乾燥質量和乾燥時間要求不高的場合，相比於露天干燥，可以獲得更多的太陽能熱量來乾燥物料。
缺點是熱效率低、乾燥速率緩慢，無法應用於大規模生產。另外，由於一天內氣温的變化和光照強度的不穩定性，該系統不適合乾燥對品質要求較高的物料，如茶葉、藥材等。
2. 間接強制對流式太陽能幹燥機
間接式太陽能幹燥機的工作原理是將太陽能集熱器和待乾燥物料分離，由風機帶動外界空氣進入太陽能集熱器進行加熱後進入乾燥室，從而對物料進行乾燥。太陽能集熱器的類型一般為空氣集熱器，也有少數熱水集熱器。。
熱泵乾燥技術的應用
熱泵乾燥技術是一種新興的乾燥技術，由於其可靠性好、熱效率高而受到越來越多的關注。熱泵主要分為地源熱泵、化學源熱泵和空氣源熱泵，其中空氣源熱泵被廣泛應用於乾燥中。
熱泵乾燥技術具有3方面優點。一是乾燥性能受氣候和環境影響小，在低温環境仍能保持較高幹燥效率。二是相比於其他太陽能幹燥系統，擁有更高的乾燥效率。三是空氣源熱泵僅需消耗少量電能就能將空氣中的低位熱能轉化為高位熱能，所以太陽能熱泵乾燥機相對於常規能源乾燥機更加節能，可以極大地減少化石能源的使用。
1. 太陽能-熱泵聯合乾燥機
熱泵出色的性能，將其與太陽能結合可以較好地解決太陽能輻射的間歇性與不穩定性給太陽能集熱器性能造成的影響，而太陽能集熱器的使用可減少熱泵的能耗，兩者相輔相成，完美互補。
有科研人員開發了一種太陽能熱泵聯合乾燥系統。該系統以茶葉為乾燥對象，可在3種模式下運行，即太陽能集熱器乾燥模式、太陽能熱泵聯合乾燥模式和空氣源熱泵乾燥模式。該系統綜合能效比高，相比於傳統燃煤乾燥節能36.7%~41.1%，並且乾燥後的茶葉質量較之前有了較大的提高。
2. 蓄熱式太陽能熱泵聯合乾燥機
雖然太陽能熱泵聯合乾燥機擁有諸多優點，但也存在些許不足。如當太陽光照充足，集熱器產生的熱量多於乾燥室所需熱量時，集熱器吸收的部分太陽能會被浪費掉。為此，有學者開發了蓄熱式太陽能熱泵聯合乾燥系統。
國外團隊開發了一種用於蘑菇乾燥的太陽能熱泵乾燥系統，當太陽能集熱器供熱充足時，熱泵不參與熱循環；當太陽能集熱器供熱不足時，熱泵啓動，參與系統熱循環。
熱泵啓動後，採用太陽能集熱器加熱的熱水作為水源熱泵的熱源，乾燥過程中乾燥室內温濕度、蘑菇的質量採用PLC進行控制。
試驗結果得出，該系統的性能係數為2.1~3.1，能量利用率0.42~0.66，比水分提取率的變化範圍為0.26~0.92 kg/kW·h。
此外，該太陽能輔助熱泵乾燥系統可以節省40.53%的能耗。由此可見，蓄熱器對太陽能熱泵乾燥系統的性能有了明顯地提升。
為進一步提高太陽能幹燥系統的性能，有學者開發了採用相變材料作為蓄熱工質的太陽能輔助熱泵乾燥系統。
有科研團機開發了一種以石蠟為蓄熱材料的混合模式太陽能幹燥系統，該系統以辣椒為研究對象，並且用3種不同的設備乾燥紅辣椒，試驗結果表明，採用相變材料蓄熱可以極大提升乾燥速率。
國內研究人員對相變材料應用於太陽能-地源熱泵乾燥系統中的性能進行了研究，結果表明，相變蓄熱太陽能幹燥機除了具有蓄熱式太陽能幹燥機的優點外，還具有潛熱高、穩定性好和腐蝕性低等優點，但相變材料也存在一些問題，如製備複雜、成本高昂和技術不成熟等，使相變材料的應用具有一定的侷限性。
存在的問題
（1）太陽能幹燥技術的應用存在侷限性，一方面是由於太陽能輻射強度的不穩定性；另一方面是由於太陽能幹燥設備投入大、經濟回收期較長，讓許多中小型企業對其望而卻步。
（2）太陽能廠家對於太陽能設備宣傳力度不足，導致大部分企業和個人對太陽能幹燥技術缺乏瞭解，在選用乾燥設備時常常會忽略太陽能幹燥機。
（3）相變材料的使用提高了蓄熱裝置的性能，降低了傳熱過程的熱損失，但是國內外相變材料技術依然不夠成熟，目前還不能作為常規蓄熱材料。
發展建議
儘管存在問題，但太陽能幹燥機依舊具有廣泛的應用前景，為太陽能幹燥機可以更好地發展，提出以下3點建議。
（1）優化乾燥室結構和佈局。乾燥室的結構很大程度上影響了乾燥的連續性和均勻性，為讓太陽能更好地用於乾燥過程，需將現有乾燥室結構進行優化，以便提高生產效率和太陽能利用率。
（2）改進現有乾燥工藝。現有乾燥工藝依然存在乾燥品質差，乾燥時間長，熱量供給與使用在時間空間上不匹配等問題，可以通過改進控制系統的方法進行解決。
（3）提高太陽能幹燥機性能。一方面改進太陽能板表面吸熱材料，提高光熱轉化效率。另一方面提高熱泵系統的性能，通過開發新型熱泵，如輔助多級空氣源熱泵，以及優化現有熱泵，提高熱泵性價比，以便更多的企業選擇使用太陽能熱泵系統作為熱源。
文章來源：2020年8期《農業工程》（中國科技核心期刊）
原標題：國內外太陽能幹燥技術研究進展
—END—