儲熱技術(shù)在木材太陽能干燥中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢

于海濤，高建民，陳 瑤

（北京林業(yè)大學(xué)木質(zhì)材料科學(xué)與應(yīng)用教育部重點實驗室，北京 100083）

太陽能是一種清潔可再生能源，資源豐富、能量供應(yīng)充足。然而太陽能受地理、晝夜和季節(jié)等規(guī)律性變化的影響，具有顯著的不穩(wěn)定性和間歇性[2]。為了提高太陽能熱利用系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，儲熱技術(shù)變得不可或缺。充分利用儲熱技術(shù)，開發(fā)新型儲熱材料是提高能源利用率和保護環(huán)境的重要手段，對于降低干燥行業(yè)的能耗具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 儲熱技術(shù)

儲熱技術(shù)是提高能源利用率的重要手段之一，它利用物理熱的形式將暫時不用的余熱或者多余的熱量儲存于適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)中，在需要使用時再通過一定的方法將其釋放出來，從而解決了由于時間或者地點上供熱與用熱的不匹配和不均勻所導(dǎo)致的能源利用率低的問題，最大限度的利用加熱過程中的熱能或余熱，提高整個加熱系統(tǒng)的熱利用率。目前儲熱技術(shù)主要研究顯熱、潛熱和化學(xué)能三種熱能的儲存，在我國工業(yè)和民用中用途廣泛，在能源科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域占有極其重要的地位[3]。

1.1 顯熱儲存

每一種物質(zhì)均具有一定的比熱容，在物質(zhì)形態(tài)不變的情況下隨著溫度的變化，它會吸收或者放出熱量，顯熱儲存技術(shù)就是利用物質(zhì)的這一特性。其儲熱效果和材料的比熱容、密度等因素關(guān)系密切[4]。顯熱儲存系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運行方便。但是其最重要的缺點是儲能密度較小，即單位體積所能儲存的能量較少，從而導(dǎo)致儲能裝置的體積往往過于龐大。

在液體儲熱中水蓄熱是最為常見的顯熱儲存方式，通過改變水的溫度進行蓄熱，利用水的顯熱進行能量儲存，具有價格低廉、來源方便、比熱容大等優(yōu)點，主要應(yīng)用于建筑采暖、生活用熱水、農(nóng)林作物干燥等領(lǐng)域[5]。導(dǎo)熱油一般應(yīng)用于中高溫儲熱中，近年來在低溫儲熱中也得到了關(guān)注[6-7]。巖床型儲熱材料通常用于空氣加熱系統(tǒng)中，在干燥領(lǐng)域得到了廣泛的研究[8]。Madhlopa等[9]設(shè)計建造了帶有輔助熱源的太陽能干燥系統(tǒng)，采用卵石作為顯熱儲熱材料；Mohanraj等[10]將礫石儲熱耦合平板型太陽能空氣集熱器用以干燥辣椒，在無陽光照射的情況下添加儲熱材料的干燥器干燥時間延長了4 h。Fudholi 等[11]將沙子作為儲熱材料應(yīng)用到太陽能果蔬干燥中，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)推導(dǎo)出了相應(yīng)的方程用于計算熱空氣和被干產(chǎn)品的溫度變化。

1.2 潛熱儲存

潛熱儲存（相變儲能）是利用物態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，等溫釋放的相變潛熱通過盛裝相變材料的元件，將能量儲存起來待需要時再把熱能通過一定的方式釋放出來以供使用。物態(tài)的轉(zhuǎn)變通常存在以下幾種形式：固-氣、固-液、液-氣、固-固[12]。潛熱儲能不僅能量密度高，而且所用裝置簡單、體積小、設(shè)計靈活、使用方便且易于管理。在這三類儲能中，潛熱儲能最具有實際發(fā)展前途，也是目前研究和應(yīng)用最多、最重要的儲能方式。

中低溫潛熱儲存技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)干燥、建筑節(jié)能、工業(yè)余熱利用等領(lǐng)域。其中石蠟、脂肪酸、無機水合鹽等相變儲熱材料得到了廣泛的應(yīng)用[13]。Devahastin 等[14]研究了在農(nóng)作物干燥中石蠟的儲/放熱性能，并指出農(nóng)作物適宜的干燥溫度為40～75 ℃。在建筑節(jié)能領(lǐng)域，石蠟、脂肪酸等有機相變材料摻入到普通的建筑材料構(gòu)件中，從而獲得了諸如相變儲熱墻板、相變儲能采暖地板、相變儲能混凝土等新型建筑材料[15]。在中低溫工業(yè)余熱回收領(lǐng)域中，水合CaCl2、硬脂酸等相變儲能材料得到了廣泛關(guān)注[16]。徐燕等[17]將十水硫酸鈉儲熱材料應(yīng)用在農(nóng)業(yè)大棚中取得了良好的實用效果。然而，石蠟、脂肪酸、無機水合鹽等相變儲熱材料也普遍存在一些缺點，諸如導(dǎo)熱系數(shù)低、密度小、易泄露、易揮發(fā)等。國內(nèi)外科研工作者做了大量的工作，以提高其導(dǎo)熱系數(shù)，改善儲/放熱性能。周艷等[18]對正十八烷中分別添加納米Cu粒子、納米Al粒子及納米Fe2O3粒子的復(fù)合相變材料的傳熱性能進行了實驗研究，結(jié)果表明納米Al粒子/正十八烷復(fù)合相變材料導(dǎo)熱系數(shù)的提高較其它兩者更為明顯。Cui 等[19]研究了納米碳纖維和納米碳管對大豆蠟、石蠟導(dǎo)熱性能的影響，由于分散性的原因，納米碳纖維對導(dǎo)熱性能的提升起到了更好的作用。吳淑英等[20]制備了納米石墨烯片/石蠟復(fù)合相變蓄熱材料，納米石墨烯片在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時，復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)相對提高率為34.2%，表現(xiàn)出良好的強化導(dǎo)熱效果。Harikrishnan 等[21]將納米雜化材料（二氧化鈦50%和氧化銅50%）添加到石蠟中，結(jié)果表明加入雜化材料（含量1%）后復(fù)合相變材料的融化和凝固時間分別縮短了29.8%和27.7%。復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱性能和黏度均有所提升。Xia等[22]制備了膨脹石墨/石蠟復(fù)合相變儲熱材料，研究了膨脹石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0～10%）對相變材料熱物理性能影響，結(jié)果表明隨著膨脹石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)不斷增加，且膨脹石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的復(fù)合材料儲/放熱周期縮短了66.5%。Li等[23]利用二氧化硅高的導(dǎo)熱系數(shù)、高的比表面積和界面效應(yīng)，采用溶膠-凝膠法制備了定型石蠟二氧化硅復(fù)合相變材料，有效地改善了固-液相變材料的泄漏和揮發(fā)問題，并能顯著地提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。為了提高硬脂酸、己二酸等材料的儲熱性能，張正國等[24]、周建偉等[25]、朱教群等[26]制備了硬脂酸/二氧化硅、硬脂酸/氧化石墨烯、己二酸/二氧化硅復(fù)合相變儲熱材料，解決了硬脂酸在相變時的滲出泄漏問題，并提高了復(fù)合材料的導(dǎo)熱效率及穩(wěn)定性。王婷玉[27]采用微膠囊的方法解決了十二水合磷酸氫二鈉的過冷問題，F(xiàn)rusteri等[28]則對碳纖維強化無機物相變儲熱材料的導(dǎo)熱性能進行了研究。

1.3 化學(xué)能儲存

化學(xué)能儲存是利用儲能材料相接觸時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而通過熱能與化學(xué)能的轉(zhuǎn)換進行能量存儲的方法?；瘜W(xué)儲能是一種高能量、高密度的儲存方式，它的儲能密度一般都高于顯熱和潛熱，而且此種儲能體系通過催化劑或產(chǎn)物分離方法極易用于長期能量儲存。然而這種儲熱方式的缺點是技術(shù)復(fù)雜、價格昂貴、且整體效率低[29]。

化學(xué)能儲存主要應(yīng)用于化學(xué)熱泵、化學(xué)熱管、化學(xué)熱機等方面。澳大利亞大學(xué)設(shè)計了氨化學(xué)儲熱系統(tǒng)，用于碟式熱發(fā)電系統(tǒng)，儲存方便，儲熱效果良好[30]。目前光伏化學(xué)儲熱成為化學(xué)儲能技術(shù)的研究熱點。利用材料的光控化學(xué)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，將光能存儲于亞穩(wěn)態(tài)的化學(xué)鍵中，通過可控回復(fù)實現(xiàn)熱能的釋放。偶氮苯/石墨烯、偶氮苯/碳納米管等光伏化學(xué)材料克服了傳統(tǒng)光伏儲熱材料與技術(shù)存在存儲密度低和裝置體積龐大等局限性，為實現(xiàn)高密度、長效循環(huán)的太陽能儲熱提供了可能[31]。

如樂善秦腔《四進士》中，宋士杰在公堂上為救楊素貞的大段念白，不僅表現(xiàn)了宋士杰打抱不平、伸張正義的鮮明態(tài)度，而且體現(xiàn)了宋士杰的性格。

2 儲熱技術(shù)在木材太陽能干燥中的應(yīng)用

太陽能干燥是指利用太陽輻射能及太陽能干燥裝置所進行的干燥作業(yè)[32]。國內(nèi)外儲熱技術(shù)在太陽能干燥領(lǐng)域均有一些研究，目前太陽能干燥主要應(yīng)用于谷物、煙草、果蔬等農(nóng)副產(chǎn)品中，其次是木材[33]。近年來，潛熱儲熱技術(shù)在太陽能儲熱領(lǐng)域引起了更高的興趣及關(guān)注，科研工作者對相變儲熱技術(shù)在太陽能干燥中的應(yīng)用做出了大量研究。

2.1 顯熱儲熱技術(shù)在木材太陽能干燥中的應(yīng)用

常見的顯熱儲熱干燥室有黑龍江省林業(yè)科學(xué)院設(shè)計、建造的集熱器分開布置的不透明墻壁型太陽能干燥室。該系統(tǒng)主要分為三個部分：干燥室、儲熱床、空氣集熱器。儲熱床為顯熱儲存方式，采用鵝卵石作為儲熱材料，覆蓋涂黑瓦楞鐵皮，以增大吸收太陽能效果，有利于存儲熱能。外墻與地面設(shè)有膨脹珍珠巖夾層，以提高保溫性能[34]。

Luna等[35]開發(fā)研究了一種以水作為儲熱材料的潛熱儲存太陽能干燥窯，以干燥松木。該系統(tǒng)主要分為四個部分：干燥室、空氣太陽能收集器、水太陽能集熱器以及儲熱單元。儲熱單元由兩部分組成：交換儲存單元和加熱單元。使用水作為儲熱流體，使用空氣作為換熱流體。水太陽能集熱器儲存的熱量一部分用于加熱空氣以干燥木材，另一部分用于加熱儲熱單元以實現(xiàn)儲熱的目的，蓄水箱中包含多個豎管，其中部分豎管中含有干燥室中回收的廢熱氣體?？諝馓柲苁占鲗⒓訜岬男迈r空氣和部分循環(huán)廢氣直接用以干燥木材。極大地提高了太陽能的使用效率，對于木材的節(jié)能干燥具有重要意義。

北京林業(yè)大學(xué)研制了太陽能與雙熱源熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)，節(jié)能環(huán)保效果明顯，且能夠提高其干燥效益。該系統(tǒng)主要由太陽能熱風(fēng)干燥子系統(tǒng)、空氣源熱泵干燥子系統(tǒng)、水源熱泵干燥子系統(tǒng)組成。當(dāng)天氣晴好時，儲熱水箱中水溫較高，熱水直接通過窯內(nèi)散熱銅管，加熱空氣干燥木材；在水源熱泵模式下，儲熱水箱中的熱水通過換熱器給熱泵提供熱量，實現(xiàn)熱泵干燥的目的；在空氣源熱泵模式下，熱泵直接從空氣中取熱，對干燥窯加熱。此三種干燥模式根據(jù)相應(yīng)干燥情況，互相切換，滿足不同的干燥要求[36]。

2.2 潛熱儲熱技術(shù)在木材太陽能干燥中的應(yīng)用

2.2.1 石蠟儲熱系統(tǒng)在木材太陽能干燥中的應(yīng)用

石蠟在眾多潛熱儲熱材料中，具有相變潛熱較高、幾乎沒有過冷、沒有相分離和腐蝕性等優(yōu)點而成為常用的儲熱材料。木材太陽能干燥適宜的干燥溫度為40～100 ℃，屬于低溫儲熱的應(yīng)用范疇。在此基礎(chǔ)上科研工作者將石蠟儲熱系統(tǒng)成功應(yīng)用于木材太陽能干燥中，以實現(xiàn)節(jié)能干燥的目的。并對該技術(shù)做了大量的科學(xué)研究。

馮小江等[37]為了解決太陽能間歇性和不穩(wěn)定性等問題，成功研制了移動式石蠟相變儲熱木材太陽能干燥裝置，如圖1所示。該裝置主要包括熱管真空太陽能空氣集熱系統(tǒng)，石蠟相變儲熱系統(tǒng)，干燥系統(tǒng)，自動控制系統(tǒng)4個部分。裝置中相變儲熱系統(tǒng)由裝有石蠟相變儲熱材料的鋁管構(gòu)成。白天使用太陽能集熱器將熱量傳給干燥室和相變儲熱系統(tǒng)，夜間相變儲熱系統(tǒng)向干燥室供熱，熱能供應(yīng)不足時由電加熱進行補充，既改善了太陽能干燥的間歇性，又大大提高了系統(tǒng)的節(jié)能效果，解決了傳統(tǒng)太陽能顯熱儲熱體積大、熱效率低等缺點。

由于熱管式集熱器工藝要求和成本較高，整體式集熱器省去了連接集熱器和干燥室的管道，并有助于減少熱量傳遞損失。潘學(xué)飚等[38]設(shè)計并開發(fā)了帶有熱管與儲熱裝置的整體式太陽能干燥室，如圖2所示。該干燥室的儲熱裝置由300根石蠟管分成兩組，分別安裝在干燥室的東、西側(cè)，縱向陣列式排列。實驗結(jié)果表明安裝石蠟管束后干燥室夜間溫度比環(huán)境溫度高10～20 ℃，干燥室溫度趨于平穩(wěn)，但儲熱能力有限，難以使干燥室在夜間維持較高溫度。

圖1 新型相變儲熱木材太陽能干燥室Fig.1 A new tape solar wood dryer with latent heat storage system

圖2 太陽能木材干燥窯Fig.2 Solar drying kiln structure

何正斌等[39]對石蠟相變儲熱管的放熱時間進行了理論預(yù)測與驗證，實驗結(jié)果表明在實際干燥過程中，儲熱單元中的石蠟管中心和管壁一直存在溫度差，而且換熱介質(zhì)的氣流速度越大，管壁的溫度減小得越快。甘雪菲等[40]在已有節(jié)能裝置的基礎(chǔ)上對管排數(shù)、風(fēng)速等參數(shù)對石蠟管的換熱系數(shù)以及放熱效率的影響進行研究。研究表明，放熱效率隨著風(fēng)速的增大而下降，隨管排數(shù)的增加而有所提高。另外，延長放熱時間，可以提高換熱效率，最高可使放熱效率提高62%。隨后作者又對石蠟儲熱系統(tǒng)的儲熱換熱性能做了相應(yīng)的研究，實驗結(jié)果表明在該裝置下空氣溫度越高，風(fēng)速越大，則儲熱換熱效果越好，儲熱所需時間越短。空氣溫度變化越大，換熱系數(shù)的變化也越大[41]。

張曉燕等[42]為了提高石蠟的導(dǎo)熱性和相變潛熱，制備了硫酸鋁銨/石蠟復(fù)合相變儲熱材料，石蠟中加入40%的硫酸鋁銨，使復(fù)合相變儲熱材料的潛熱增加、熱導(dǎo)率顯著提高，儲放熱時間明顯縮短。為了著重改善石蠟相變儲熱系統(tǒng)的儲換熱性能，作者將納米石墨與石蠟相結(jié)合，制備了石蠟/納米石墨復(fù)合相變儲熱材料，通過變換鋁管管徑、循環(huán)風(fēng)速以及空氣溫度，計算出復(fù)合相變儲熱材料的換熱系數(shù)及放熱效率，為儲熱系統(tǒng)的優(yōu)化匹配提供了理論依據(jù)[43]。

2.2.2 水合鹽儲熱系統(tǒng)在木材太陽能干燥中的應(yīng)用

相變材料的研究日益廣泛，水合鹽類相變材料具有較高的潛熱密度，且可供選擇的熔點范圍也很廣，然而在木材太陽能干燥中應(yīng)用較少。孫軍等[44]采用MgCl2·6H2O和Mg(NO3)2·6H2O作為相變材料，并根據(jù)不同干燥工藝需求進行優(yōu)化設(shè)計，以白松為試材，節(jié)能效果較好，干燥成本及系統(tǒng)穩(wěn)定性均能滿足干燥要求。

3 儲熱技術(shù)在木材太陽能干燥中的發(fā)展趨勢

太陽能干燥是太陽能熱利用的重要部分。儲熱技術(shù)在太陽能干燥領(lǐng)域的研究仍處于初級階段，顯熱儲熱技術(shù)在生產(chǎn)實踐中得到了一定的實用效果，但其儲能密度低、體積龐大等問題仍需亟待解決；潛熱儲熱技術(shù)在儲熱機理、材料以及儲熱系統(tǒng)方面都有比較深入的研究，但我國潛熱儲熱技術(shù)及材料的理論和應(yīng)用研究與發(fā)達國家相比還較薄弱。從應(yīng)用范圍來看，國內(nèi)在太陽能干燥的應(yīng)用研究還有待提高；而化學(xué)能儲存技術(shù)目前多應(yīng)用于光伏領(lǐng)域，在太陽能干燥等中低溫儲熱領(lǐng)域中鮮有研究。從目前的儲熱技術(shù)在太陽能干燥的研究和利用情況來看，作者認(rèn)為木材太陽能干燥的發(fā)展趨勢主要有下列4個方面。

（1）加強對中低溫儲熱材料的研究，提高儲熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)和換熱效率，以實現(xiàn)強傳熱、保蓄熱的目的，更好地滿足太陽能干燥的工業(yè)需求。

（2）強化相變儲熱單元的性能，研發(fā)適宜木材干燥用的儲熱單元，以提高儲熱速率，縮短相變蓄熱時間。

（3）梯級相變技術(shù)應(yīng)用于太陽能干燥中，以提高系統(tǒng)的傳熱和熱力學(xué)性能及提高能源的利用率。

（4）顯熱儲熱與潛熱儲熱相結(jié)合，克服單一材料本身存在的一些缺陷，提高其儲能密度并為儲熱系統(tǒng)提供穩(wěn)定的能量。

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