青藏高原牧草太陽(yáng)能烘干溫室及干燥裝置的設(shè)計(jì)

田 斌，吳建民，趙武云，孫 偉

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070)

牧草是牲畜的主要飼料，由于草原過(guò)載放牧，草場(chǎng)退化和水土流失日益嚴(yán)重[1-2]，草原天然優(yōu)質(zhì)牧草產(chǎn)量已不能滿足牲畜的需要，牧民必須購(gòu)置干草飼料補(bǔ)充。同時(shí)，近十多年來(lái)，我國(guó)青海、西藏、內(nèi)蒙古、新疆和甘肅等省、自治區(qū)冬季的草原雪害頻繁發(fā)生，積雪掩蓋草地，致使母畜流產(chǎn)，仔畜成活率低，老弱幼畜死亡增多，牧民損失慘重，急需購(gòu)買大量干草度過(guò)災(zāi)害[3]。

干草需求的日益增長(zhǎng)使牧草產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)加工的重要性凸顯出來(lái)。但新鮮牧草加工貯存面臨的最大問(wèn)題是青飼料水分含量高，細(xì)菌和霉菌容易生長(zhǎng)繁殖，使青飼料發(fā)生霉?fàn)€腐敗，必須及時(shí)干燥降低牧草水分含量。

牧草的干燥分為自然干燥和人工干燥2種。田間晾曬、草架晾曬風(fēng)干牧草等自然干燥法耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，牧草營(yíng)養(yǎng)成分流失較多，且蟲(chóng)害、塵埃及陰雨等惡劣天氣又會(huì)引起牧草品質(zhì)降低[4]，不能滿足企業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)干草的需要。目前國(guó)內(nèi)外牧草人工干燥的主要方式是使用以煤炭或石油為燃料的牧草干燥機(jī)使青飼料迅速脫水干燥，至水分含量降低為14%～17%，該含水量條件下，細(xì)胞呼吸和酶的作用逐漸減弱直至停止，飼草的養(yǎng)分分解很少，所有細(xì)菌、霉菌均不能在其中生長(zhǎng)繁殖，從而達(dá)到長(zhǎng)期保存的目的[5]。但這種方法因設(shè)備投資大、燃料價(jià)格高，使得牧草干燥成本很高，干草的較高售價(jià)又會(huì)造成牲畜喂飼成本的上升，牧民只有在急需時(shí)才被迫購(gòu)買干草喂飼牲畜。因此，研究低成本牧草干燥方法和設(shè)備成為當(dāng)務(wù)之急。

近年來(lái)，包括中國(guó)農(nóng)機(jī)院呼和浩特分院在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外眾多研究院所都在試驗(yàn)性的研究利用太陽(yáng)能干燥牧草的方法和設(shè)備。但受到太陽(yáng)能能量集中度低，設(shè)備生產(chǎn)效率低等多種因素影響，研究結(jié)果均未能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力[6]。本研究通過(guò)在甘肅、青海、西藏部分地區(qū)的調(diào)研，根據(jù)青藏高原太陽(yáng)能非常豐富的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了利用太陽(yáng)能作為牧草干燥能源的牧草烘干溫室及烘干裝置，可極大地降低牧草干燥成本，使牲畜食用質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的干草成為可能。

1 太陽(yáng)能烘干溫室的設(shè)計(jì)

1.1總體布局 如圖1所示，溫室由若干個(gè)平板型太陽(yáng)能空氣集熱器組成的空氣集熱器組和干燥工作間2部分組成。空氣集熱器組長(zhǎng)60 m、寬3 m，為獲得最大的太陽(yáng)輻射熱能，其安裝傾角α與當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥然疽恢?；干燥工作間長(zhǎng)60 m、跨度6 m、后墻高3.5 m，玻璃屋面的傾角也與當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥然疽恢?，以獲得最大的太陽(yáng)輻射熱能，前墻高度尺寸由后墻高和玻璃屋面的傾角確定；空氣集熱器組和干燥工作間安裝在水泥地基上[7-8]。

1.2工作原理 如圖2所示，平板型太陽(yáng)能空氣集熱器主要由黑色吸熱板、透明蓋板、隔熱層和外殼組成[7]。工作時(shí)，太陽(yáng)輻射穿過(guò)透明蓋板投射在吸熱板上，被吸熱板吸收轉(zhuǎn)化為熱能，空氣由圖1所示從集熱器底部進(jìn)入，獲得熱能成為熱空氣。從連接集熱器與干燥工作間的熱空氣管道進(jìn)入牧草車底部的熱空氣室，由下向上穿過(guò)牧草車底部的金屬網(wǎng)和牧草，加熱干燥牧草。

圖1 溫室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 溫室墻和太陽(yáng)能空氣集熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

干燥工作間前墻、屋面均為金屬骨架的玻璃墻面，東西側(cè)墻、后墻如圖2所示用夾層結(jié)構(gòu)保溫絕熱。側(cè)墻、后墻內(nèi)表面、地面及牧草車均涂成黑色，吸收從前墻、屋面投射進(jìn)來(lái)的太陽(yáng)輻射能。使干燥工作間內(nèi)形成高溫狀態(tài)，牧草在高溫干燥工作間內(nèi)被熱空氣不斷加熱干燥，牧草中的水分被熱空氣帶走。工作間頂部均勻布設(shè)排氣孔和風(fēng)機(jī)，吸收了水分的濕空氣由此被風(fēng)機(jī)強(qiáng)制排出。

2 牧草干燥裝置的設(shè)計(jì)

2.1組成 如圖3所示，牧草干燥裝置主要由牧草車和導(dǎo)軌組成，牧草車為三維尺寸3 m×1 m×0.8 m的長(zhǎng)方體形狀，骨架用角鐵焊接而成，頂部敞開(kāi)，四壁及底板為金屬網(wǎng)，在底部角鐵上安裝滾輪，滾輪沿導(dǎo)軌滾動(dòng)，導(dǎo)軌長(zhǎng)64 m，從工作間東西兩側(cè)大門各伸出2 m，用于牧草車裝卸牧草。

圖3 牧草車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2工作過(guò)程 工作時(shí)，被壓扁鍘碎的待干燥牧草裝入牧草車，然后將牧草車沿導(dǎo)軌推入干燥工作間，待全部牧草車均推入后，關(guān)閉干燥工作間東西兩側(cè)墻上安裝的大門，開(kāi)始干燥。工作人員根據(jù)在干燥工作間安裝的溫度、濕度傳感器輸出的溫度、濕度數(shù)值確定結(jié)束干燥的時(shí)間。干燥完畢，打開(kāi)干燥間兩側(cè)大門，將牧草車推出工作間，把牧草傾倒在晾曬場(chǎng)，繼續(xù)散失濕氣，直到水分含量達(dá)到要求[9-10]。

3 技術(shù)可行性分析

太陽(yáng)能干燥技術(shù)已是一種成熟技術(shù)，在小批量農(nóng)產(chǎn)品干燥加工中已有應(yīng)用，本研究設(shè)計(jì)的牧草烘干溫室及干燥裝置的干燥工作原理與已有的農(nóng)產(chǎn)品干燥裝置是相同的，只是規(guī)模比較大。而青藏高原屬于我國(guó)太陽(yáng)能資源最為富集的地區(qū)[7]，西藏、青海西部年均接受太陽(yáng)輻射總量在6 680～8 400 MJ/m2，西藏東南部、青海東部、甘肅東南部年均接受太陽(yáng)輻射總量在5 852～6 680 MJ/m2。因此，青藏高原的年均接受太陽(yáng)輻射值可達(dá)到6 700 MJ/m2。本研究設(shè)計(jì)的空氣集熱器的集熱效率為25%～35%，溫室的集熱效率為40%～50%[7]，取2個(gè)集熱效率參數(shù)的平均值計(jì)算，每天輸入干燥工作間的熱量(Q)如下式計(jì)算：

Q=(A1×30%+A2×45%)×6 700/365

=(180×30%+360×45%)×6 700/365

=3 965 MJ

式中，A1為空氣集熱器組的集熱面積，A2為干燥工作間的集熱面積， 該熱量相當(dāng)于135.5 kg的標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒釋放的熱量。

在青海實(shí)地調(diào)查中，測(cè)量了當(dāng)?shù)夭Ａ厥覂?nèi)的溫度。在天氣晴好時(shí)，中午溫室內(nèi)的溫度為45～65 ℃，同時(shí)試驗(yàn)測(cè)量了平板型太陽(yáng)能空氣集熱器出口的空氣溫度，為80～90 ℃。因此，本研究設(shè)計(jì)的牧草烘干溫室及干燥裝置利用太陽(yáng)能干燥牧草從技術(shù)上是可行的[7]。

4 干燥成本對(duì)比分析

目前國(guó)內(nèi)滾筒式牧草干燥機(jī)械運(yùn)行中，干燥1 kg牧草需耗標(biāo)準(zhǔn)煤0.2～0.3 kg，煤炭?jī)r(jià)格按2010年1月國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)煤的中間價(jià)500元/t計(jì)算，1 kg牧草的燃料成本是0.10～0.15元/kg。根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模的不同，國(guó)產(chǎn)的滾筒式牧草干燥設(shè)備的售價(jià)為50萬(wàn)～100萬(wàn)元/臺(tái)，國(guó)外同類設(shè)備的售價(jià)為30萬(wàn)～80萬(wàn)美元/臺(tái)，按滾筒式牧草干燥機(jī)的一般生產(chǎn)率進(jìn)行設(shè)備折舊，均攤到1 kg牧草上的設(shè)備折舊費(fèi)為0.10～0.12元/kg，加上設(shè)備的耗電成本，滾筒式牧草干燥機(jī)干燥1 kg牧草的成本為0.25～0.30元/kg[11]。

本研究設(shè)計(jì)的牧草烘干溫室及干燥裝置中，太陽(yáng)能空氣集熱器造價(jià)按260元/m2計(jì)算，空氣集熱器組的面積為180 m2，總造價(jià)為4.68萬(wàn)元；水泥地基造價(jià)包含在干燥工作間造價(jià)中，干燥工作間及地基造價(jià)按200 元/m2計(jì)算，干燥工作間的面積為360 m2，總造價(jià)為7.2萬(wàn)元；牧草車及導(dǎo)軌造價(jià)折合在牧草車中計(jì)算，每臺(tái)牧草車按200元計(jì)算，共用50 臺(tái)，總造價(jià)為1.0萬(wàn)元。3項(xiàng)總計(jì)為12.88萬(wàn)元。加上溫室內(nèi)安裝的溫濕度傳感監(jiān)控設(shè)備[12]，總體造價(jià)可控制在14萬(wàn)元以內(nèi)。

本設(shè)計(jì)利用免費(fèi)的太陽(yáng)能為牧草干燥能源，監(jiān)控設(shè)備、排氣風(fēng)機(jī)等消耗電能較小，所以能源成本為0.01～0.02元/kg。設(shè)備折舊率與折舊時(shí)間與滾筒式干燥機(jī)取同樣數(shù)值，均攤到1 kg牧草上的設(shè)備折舊費(fèi)僅為0.03～0.04元/kg。因此，利用牧草烘干溫室及干燥裝置干燥1 kg牧草的成本為0.04～0.06元/kg。與滾筒式干燥機(jī)相比，節(jié)約成本80%以上。

5 存在的問(wèn)題與對(duì)策

本研究設(shè)計(jì)的牧草烘干溫室及干燥裝置與牧草滾筒干燥機(jī)相比，屬于低溫批量干燥。由于完全靠太陽(yáng)能干燥，無(wú)法達(dá)到滾筒干燥機(jī)內(nèi)近千度的高溫，要達(dá)到牧草適宜貯存的干燥程度，需要較長(zhǎng)的干燥時(shí)間，且受天氣影響較大，在多云或陰雨天氣，太陽(yáng)輻射熱能減少，工作無(wú)法正常進(jìn)行，因此仍然存在生產(chǎn)率相對(duì)較低的問(wèn)題。實(shí)際使用中，要提高干燥牧草的效率，較好的選擇是將本研究設(shè)計(jì)的牧草烘干溫室及干燥裝置與小型滾筒式牧草干燥機(jī)結(jié)合在一起，采用分段干燥。由牧草烘干溫室承擔(dān)牧草初級(jí)干燥，將新鮮牧草的含水量由80%降低為40%左右，再由小型滾筒式牧草干燥機(jī)完成后期干燥，將牧草水分再降低為15%以下的安全貯存水分。因?yàn)樵诤娓蓽厥抑心敛莺恳呀?jīng)降到較低水平，可以縮短牧草在滾筒中干燥時(shí)間，小型滾筒式牧草干燥機(jī)的生產(chǎn)效率即可滿足要求。干燥好的牧草用打捆機(jī)壓捆貯存或用粉碎機(jī)粉碎成草粉貯存。這樣，既利用太陽(yáng)能降低了常規(guī)能源消耗，又避免了采購(gòu)大型滾筒式牧草干燥機(jī)的巨額投資，且生產(chǎn)效率也比較高。

6 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的牧草烘干溫室及干燥裝置技術(shù)符合國(guó)家提倡的綠色、環(huán)保、低碳經(jīng)濟(jì)的要求，技術(shù)可行，使用經(jīng)濟(jì)。將其與小型滾筒式牧草干燥機(jī)聯(lián)合起來(lái)使用，相同生產(chǎn)率條件下，比大型牧草干燥機(jī)干燥成本低，比田間自然干燥的牧草品質(zhì)好。因此，可有效的解決青藏高原牧草的干燥問(wèn)題。

[1] 張瑞強(qiáng),高天明,劉鐵軍.希拉穆仁修復(fù)退化草地水土流失水平觀測(cè)研究[J].草業(yè)科學(xué),2010,27(3):21-25.

[2] 仁青吉,武高林,任國(guó)華.放牧強(qiáng)度對(duì)青藏高原東部高寒草甸植物群落特征的影響[J].草業(yè)學(xué)報(bào)，2009,18(5):256-261.

[3] 周陸生,汪青春，李海紅，等.青藏高原東部牧區(qū)大-暴雪過(guò)程雪災(zāi)災(zāi)情實(shí)時(shí)預(yù)評(píng)估方法的研究[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2001,10(2):58-65.

[4] 周衛(wèi)東,黃新,王亞琴，等.不同處理方法對(duì)自然曬制苜蓿干草的影響[J].草業(yè)科學(xué),2006,23(2):43-46.

[5] 王欽.牧草的干燥和貯備技術(shù)[J].中國(guó)草地,1995,17(1):55-58.

[6] 錢珊珠,王春光,劉貴林，等.牧草固定深層太陽(yáng)能干燥的試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008,39(12):97-101.

[7] 羅運(yùn)俊,何梓年,王長(zhǎng)貴.太陽(yáng)能利用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005:1.

[8] 孟少春.單坡溫室設(shè)計(jì)與建造[M].沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2003:6.

[9] 郭江澤,王成章,嚴(yán)學(xué)兵,等.壓扁處理對(duì)苜蓿水分散失的影響[J].草業(yè)科學(xué),2009,26(6):106-109.

[10] 車剛,汪春，李成華，等.紫花苜蓿熱風(fēng)干燥特性與工藝的試驗(yàn)研究[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào),2004,16(4):36-39.

[11] 姚雪東,高振江,王亞?wèn)|.氣流沖擊式滾筒干燥器的研究進(jìn)展[J].農(nóng)機(jī)化研究,2006(6):79-85.

[12] 杜尚豐,李迎霞，馬承偉，等.中國(guó)溫室環(huán)境控制硬件系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2004,20(1):7-12.