太陽能PV/T空氣集熱器干燥性能實驗研究*

KEOVISAR Vanhkeo，王云峰，黃夢蕭，杜桂菊

(云南師范大學(xué) 太陽能研究所，云南 昆明 650500)

1 引 言

太陽能干燥技術(shù)具有節(jié)能和環(huán)保的特點，隨著太陽能集熱器的不斷改進和創(chuàng)新，太陽能綜合利用效率有了很大提高，使太陽能干燥技術(shù)得到了一定的發(fā)展[1].目前許多太陽能干燥系統(tǒng)均需要電能來驅(qū)動風(fēng)機等設(shè)備，且太陽能集熱器的利用效率不高[2-6].

本文以食用玫瑰花作為干燥物料，利用太陽能(Photovoltaic/thermal,PV/T)空氣集熱器收集太陽熱能為干燥系統(tǒng)提供所需熱風(fēng)，且整個干燥過程中所需的電能均由太陽能PV/T集熱器中的非晶硅電池提供，通過實驗獲得了該太陽能PV/T空氣集熱器的熱、電性能及食用玫瑰花的干燥特性.

2 實驗平臺及測試系統(tǒng)

2.1 實驗平臺

實驗裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由太陽能PV/T空氣集熱器、干燥箱和風(fēng)機三部分組成.其PV/T空氣集熱器朝南傾斜30°放置，干燥箱與集熱器出風(fēng)口相連，由多個直流風(fēng)機驅(qū)動集熱器產(chǎn)生的熱風(fēng)直接進入干燥箱內(nèi)干燥物料.

圖1 太陽能PV/T干燥系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the solar drying system

太陽能PV/T空氣集熱器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其相關(guān)設(shè)計參數(shù)列于表1中.該集熱器從上至下分別是鋼化玻璃蓋板、非晶硅電池、鋁吸熱板、空氣流道、背板及保溫層.采用非晶硅電池主要是因為其溫度系數(shù)低，電效率受集熱器出風(fēng)溫度影響較小，使得集熱器能在獲得較高熱風(fēng)溫度的同時仍保持較穩(wěn)定的電效率.PV/T集熱器有效采光/集熱面積為1.85 m2，而非晶硅電池有效面積為1.21 m2，通過EVA膠連接在吸熱板上.吸熱板背面則為帶肋片的空氣流道，采用23塊直肋以強化空氣層內(nèi)的對流換熱和提高熱效率.

1.空氣出口 2.玻璃蓋板 3.非晶硅電池 4.吸熱板 5.保溫層圖2 PV/T空氣集熱器的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic of the solar PV/T air collector

表1 太陽能PV/T空氣集熱器的相關(guān)參數(shù)Table 1 The parameters of solar PV/T air collector

1.空氣出口 2.空氣進口 3.干燥箱門 4.導(dǎo)風(fēng)板圖3 干燥箱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of the drying chamber

圖3為太陽能干燥箱的結(jié)構(gòu)示意圖.該干燥箱主要由空氣進口、空氣出口和物料托盤等組成，其外形尺寸為1.2 m×0.9 m×1.2 m，壁內(nèi)部有60 mm厚的聚氨酯保溫棉以減少箱內(nèi)熱量散失.在PV/T空氣集熱器和干燥箱之間裝有5個功率為6 W的直流風(fēng)機以驅(qū)動集熱器產(chǎn)生的熱風(fēng)進入干燥箱內(nèi).箱體下端安裝有導(dǎo)風(fēng)板以消除熱風(fēng)死角，箱內(nèi)設(shè)置了3個不銹鋼網(wǎng)制的物料托盤.箱體頂部設(shè)有兩個帶風(fēng)閥的排濕口以調(diào)節(jié)干燥箱內(nèi)的濕度.

2.2 實驗測試系統(tǒng)

空氣進入PV/T空氣集熱器被加熱后，被設(shè)置在集熱器出風(fēng)口的直流風(fēng)機強制輸送到干燥箱內(nèi)用于玫瑰花干燥，非晶硅電池所發(fā)的電能通過充放電控制器優(yōu)先供給風(fēng)機使用，多余的電能儲存在蓄電池內(nèi).在集熱器進、出口處各設(shè)有3個溫度探頭，非晶硅電池背面也設(shè)有溫度探頭來觀測溫度對其電性能的影響，各層物料盤處均有溫、濕度計記錄整個干燥過程中各層的溫、濕度變化情況，相關(guān)測試設(shè)備的參數(shù)列于表2中.實驗在2019年4月至5月間連續(xù)進行，測試時間為每天9∶00-17∶00，每份100 g玫瑰花瓣均勻平鋪于各層物料盤上，實驗過程中每隔1小時記錄一次質(zhì)量.

表2 系統(tǒng)的測試設(shè)備Table 2 System equipment parameter

3 系統(tǒng)性能評價

3.1 PV/T空氣集熱器的性能評估評價

PV/T空氣集熱器的性能通常由產(chǎn)生的電量和熱量來評估.PV/T空氣集熱器瞬時集熱量為[7]：

(1)

測試整個時間段內(nèi)吸熱板的總集熱量為：

(2)

式中：t1和t2分別為實驗開始和結(jié)束的時間，s.

則PV/T集熱器的瞬時熱效率為：

(3)

式中：Ac為集熱器的采光面積，m2；(τα)為吸熱板的透射吸收積；G為太陽輻照強度，W/m2；其中(τα)為透射吸收積，其計算如下：

(4)

式中：τ為玻璃蓋板的透過率；α為吸熱板的吸收率；ρd為漫反射率.

集熱器全天的平均熱效率為：

(5)

式中：H為一天的輻照量，MJ/m2.

該PV/T空氣集熱器的瞬時發(fā)電功率為：

W=P=UI

(6)

式中：U為電壓，V；I為電流，A；P為電池的瞬時功率，W.

整個測試過程中光伏電池的總發(fā)電量為：

(7)

則該PV/T集熱器的瞬時電效率為：

(8)

式中：Apv為電池的有效面積，m2.

全天平均電效率為：

(9)

由于能源品位高低不同，電能是高品位能源，熱能是低品位能源，在計算綜合能源效率時，需將其轉(zhuǎn)化為同一標準：

(10)

式中：ξ為光伏電池覆蓋率，ξ=Apv/Ac；ηpower為普通熱發(fā)電廠的效率，一般取0.38.

3.2 物料干燥能力的評價

干燥過程物料含水率[8]：

(11)

式中：G0為物料初始質(zhì)量，kg；X0為物料初始含水率；G′為干燥過程中物料的質(zhì)量，kg.

濕物料干燥速率為：

(12)

式中：m為汽化的水分質(zhì)量，kg；S為干燥面積，m2；GC為絕對干燥物料的質(zhì)量，kg.

3.3 干燥過程所需熱量

所需熱量主要用于預(yù)熱干燥箱及干燥玫瑰花物料，還包括干燥過程中開關(guān)干燥箱門和管道中的熱損失.

空氣及原始所含水分升溫所帶走的熱量[8]：

Q1=1.01L(T2-T0)+1.88LH0(T2-T0)

(13)

式中：L為絕對干燥空氣的質(zhì)量，kg；T0為空氣進入干燥箱的溫度，℃；T2為空氣出干燥箱時的溫度，℃；H0為空氣進入干燥器的濕度.

蒸發(fā)物料水分的熱量：

Q2=M(2 490+1.88T2-4.187T1′)

(14)

式中：M為水分蒸發(fā)量，kg(水)/s；T1′為物料進干燥箱時的溫度，℃.

物料及其中殘存水分升溫帶走的熱量：

Q3=GC(T2′-T1′)(cs+X2cw′)

(15)

式中：GC為絕對干燥物料的質(zhì)量，kg；T2′為物料出干燥箱時的溫度，℃；cs為絕對干燥物料的比熱容，kJ/(kg·℃)；X2為濕物料出干燥箱時的干基含水率；cw′為水分的比熱容，其值為4.187 kJ/(kg·℃).

實驗過程的熱損失[9-10]：

Q4=0.2×(Q1+Q2+Q3)

(16)

式中0.2為干燥箱的平均熱損系數(shù).

整個干燥系統(tǒng)所需要的熱量：

Q總=Q1+Q2+Q3+Q4

(17)

4 結(jié)果與分析

4.1 PV/T空氣集熱器的性能分析

選取某典型晴天9∶00-17∶00的測試結(jié)果進行分析，該天平均環(huán)境溫度為22.52 ℃，測試期間太陽總輻照量為22.14 MJ/m2.由圖4中熱、電功率、太陽輻射強度隨時間的變化關(guān)系可看出，熱、電功率與輻照強度變化趨勢基本一致，熱、電功率在一個實驗周期內(nèi)的早上和下午偏低，這是因為早上和下午，太陽光入射角度偏大，吸熱板和太陽電池接收到的太陽輻照比例偏小.同時，由式(2)、(4)、(7)、(9)和(10)計算出該PV/T空氣集熱器在測試期間所獲得總的熱能和電能分別是10.89 MJ和1.7 MJ，其熱、電轉(zhuǎn)換效率及綜合能量轉(zhuǎn)換效率分別是32.06%、7.66%和45.93%.所獲得電能能夠滿足5個功率為6 W的直流風(fēng)機連續(xù)運行15.74 h，但干燥期間風(fēng)機只運行了8 h，因此白天多余的電能用蓄電池儲存起來，用于為夜間干燥箱內(nèi)的排濕風(fēng)機供電.

圖4 熱、電功率、輻照強度隨時間的變化情況Fig.4 The variation of the thermal/electrical power with time

4.2 干燥特性分析

4.2.1 物料的干燥曲線及干燥速度曲線

圖5 物料含水率隨干燥時間的變化Fig.5 Variation of moisture content of materials with drying time

物料含水量隨時間變化(干燥曲線)如圖5所示，根據(jù)干燥箱的進風(fēng)口設(shè)計，最底層物料盤首先接觸由集熱器出來的熱空氣，隨后熱空氣依次流過中、上層物料盤.因此，干燥箱內(nèi)的溫度分布呈現(xiàn)自下而上逐漸降低的趨勢，則各層玫瑰花干燥所需的時間則與溫度分布趨勢相反，由下至上分別干燥了5、6和7 h.由圖可見，玫瑰花的干燥階段主要分為加速期和降速期，其原因是熱風(fēng)加熱由外向內(nèi)，表面水分優(yōu)先蒸發(fā)，傳質(zhì)與傳熱方向相反，待物料表面水分過低時便進入了降速期，降速期為水分由花瓣內(nèi)部向表面遷移的過程，除與溫度相關(guān)外還受到玫瑰花瓣本身結(jié)構(gòu)影響.

圖6 干燥速度隨物料含水量的變化曲線 Fig.6 Variation curve of drying rate with water content of the material

圖6為干燥速度隨含水量的變化曲線，玫瑰花初始時含水率為90%，干燥結(jié)束后的含水率為10%.在干燥過程中，隨著太陽輻照度的增加，干燥速度也隨之增強，下、中和頂層的最大干燥速度分別是0.035 kg/(m2·h)、 0.031 kg/(m2·h)和 0.031 kg/(m2·h)，隨著玫瑰花表面水分的蒸發(fā)，其干燥速度越來越小.原因是到了干燥后期，玫瑰花內(nèi)的含水率已經(jīng)非常少了，其內(nèi)部水分擴散到物料表面越來越困難，但其整體干燥速度仍呈現(xiàn)出底層高于中層和上層的趨勢.

4.2.2 干燥所需能量分析

表3為該天玫瑰花的質(zhì)量變化數(shù)據(jù)，該物料每小時稱量一次，可看出，下層的物料在14∶00干燥完成，中層、頂層均向后延遲.這是因為下層物料盤距離熱風(fēng)進口比較近，溫度偏高造成的.

由式(13)、(14)、(15)和(16)計算得出空氣及原始所含水分升溫所需熱量、蒸發(fā)水分所需的熱量、物料及其殘存水分升溫所需熱量和系統(tǒng)熱損分別是4.047 kJ、668.27 kJ、1.60 kJ和134.85 kJ，該系統(tǒng)運行起來需要的總熱量是808.77 kJ.由上述的PV/T性能分析得到，該集熱器能提供10.89 MJ熱能，足夠供給干燥箱.為了使熱量得到充分利用，按此能量的計算，該天氣條件下，能干燥玫瑰花瓣的最大質(zhì)量是4.04 kg.

5 結(jié) 論

對所設(shè)計的太陽能PV/T空氣集熱器的干燥性能進行了實驗研究，得到以下的結(jié)果：

該多晶硅太陽能PV/T空氣集熱器在測試期間內(nèi)的熱、電效率和綜合效率分別為32.06%、7.66%和45.93%，即由太陽能轉(zhuǎn)換的熱能和電能分別是10.09 MJ和1.7 MJ，實驗中能夠驅(qū)動5個6 W的直流風(fēng)機運行15.74 h，優(yōu)先供給直流風(fēng)機，白天用不完的電能儲存在蓄電池中用于夜間箱內(nèi)排濕.

將初始含水率為90%的玫瑰花干燥至10%時，該太陽能干燥箱內(nèi)下層、中層和頂層所用時間是5 h、6 h和7 h,最大干燥速度是0.035 kg/ (m2·h)、 0.031 kg/(m2·h)和0.031 kg/(m2·h)，共脫去0.24 kg的水.

從系統(tǒng)能量分析得出干燥0.30 kg玫瑰花，該干燥箱系統(tǒng)需要的能量是808.77 kJ，大部分的能量被消耗在系統(tǒng)熱損上，下一步工作中將進一步優(yōu)化系統(tǒng)以減少熱損失.整個干燥過程中集熱器轉(zhuǎn)換的熱量是10.89 MJ，能夠滿足干燥的熱量需求，經(jīng)計算在相同工況下該系統(tǒng)干燥玫瑰花的最大量為4.04 kg.

表3 玫瑰花的重量變化數(shù)據(jù)Table 3 Variation of the weight during the drying test