溫室型太陽能裝置在農(nóng)產(chǎn)品干燥中的應(yīng)用

張肖肖，王廣潤，蔣 斌，竇 剛

（山東天力能源股份有限公司，山東濟(jì)南 250100）

截至2018 年，世界人口已達(dá)到76 億?？紤]到未來25 年人口的增長，食品供給量需要增加50%以解決食品短缺問題[1]。而根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO）最近的一項研究報告顯示，全世界35%的食品在生產(chǎn)和零售環(huán)節(jié)被浪費(fèi)，其中主要的糧食蔬菜和水果的損失在50%～60%之間[2]。利用干燥技術(shù)可減少運(yùn)輸及銷售環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的腐敗并延長食品的貯藏時間，從而預(yù)防食品短缺[3]。目前干燥已成為延長農(nóng)產(chǎn)品存儲時間、增加農(nóng)產(chǎn)品附加值的有效手段[4]。

太陽能是一種儲量豐富、分布廣泛的可再生能源[5]。人們利用太陽能進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品的干燥歷史悠久。在太陽能集熱裝置大規(guī)模利用之前，露天晾曬是最為常用的方式[6-7]。其原理是落在產(chǎn)品表面的太陽輻射被部分吸收，利用這部分熱量除去農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部的水分[8]。然而，在露天晾曬條件下，被干燥的農(nóng)產(chǎn)品容易受到灰塵、微生物甚至鳥類糞便的污染[9]。此外，露天晾曬受限于環(huán)境條件，加工時間較長，且容易使農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)降低[10]，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品干燥質(zhì)量遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)。

溫室是一個封閉的框架結(jié)構(gòu)，可有效減少環(huán)境污染源對干燥物料品質(zhì)的影響；溫室的透明屋頂也可有效減少由長波輻射引起的熱量損失，提高太陽能利用效率[11]。因此，采用溫室干燥方式，可以克服露天晾曬的缺點(diǎn)，提高干燥品質(zhì)。溫室干燥是以溫室作為集熱裝置的干燥方式，其將產(chǎn)品放置在溫室內(nèi)接收太陽輻射的托盤中，通過自然或強(qiáng)制對流除去水分[12]。根據(jù)相關(guān)研究，溫室效應(yīng)可以將干燥材料加熱到高于環(huán)境溫度25 ℃以上[12-13]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究得到的長期貯存建議的安全水分含量及干燥溫度，除了少數(shù)產(chǎn)品如煙葉所需要的干燥溫度較高外，大部分農(nóng)產(chǎn)品的干燥溫度均在溫室制熱溫度范圍內(nèi)（30～50 ℃），因此溫室干燥具有較強(qiáng)的適應(yīng)性[9]。此外，由于溫室是農(nóng)業(yè)種植中的重要設(shè)施，因此采用溫室干燥既增加了溫室的利用時間，也減少了干燥設(shè)備的投資成本，從而吸引了眾多學(xué)者對溫室干燥裝置的研究。為更好地了解溫室干燥的發(fā)展現(xiàn)狀，本文對溫室干燥裝置進(jìn)行了總結(jié)，并綜述了溫室干燥所得產(chǎn)品的干燥特性以及溫室干燥裝置的經(jīng)濟(jì)性。

1 溫室干燥裝置的分類

根據(jù)干燥送風(fēng)模式的不同，溫室干燥裝置可分為被動式溫室干燥裝置（圖1）[14]和主動式溫室干燥裝置（圖2）[15]。其中被動模式是利用空氣的熱脹冷縮原理，通過自然通風(fēng)的模式進(jìn)行通風(fēng)與除濕；而主動模式則是通過風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫溫室內(nèi)的氣體流動。

圖1 被動式溫室干燥裝置Fig.1 drying device of passive greenhouse

圖2 主動式溫室干燥裝置Fig.2 Drying deviceActive of greenhouse

1.1 自然對流溫室干燥裝置

自然對流溫室干燥裝置的原理是利用太陽能煙囪效應(yīng)抽吸環(huán)境中的空氣完成。對溫室內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品的對流干燥過程，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于在干燥過程中完全不消耗電力能源，從而使溫室干燥裝置可以在電網(wǎng)不完善的地區(qū)應(yīng)用。Koyuncu[16]設(shè)計了一種可移動式的自然對流溫室干燥裝置，結(jié)果表明，所提出的裝置相對于露天晾曬可以提高5～9 ℃的烘箱溫度，并提高干燥效率2～5 倍。Gbaha等[17]設(shè)計了一種溫室型太陽能直接干燥裝置，由透明蓋板、干燥箱、干燥支架及太陽能煙囪組成。通過對木薯、香蕉、芒果的干燥試驗，可以得到其干燥時間分別為19、22、27h。采用此方式可將果蔬的保質(zhì)期延長至1 年。雖然相比于露天晾曬，自然對流溫室干燥裝置能夠有效縮短干燥時間，但由于太陽能煙囪效應(yīng)受太陽輻射強(qiáng)度的影響，存在送風(fēng)不穩(wěn)定和風(fēng)流量小的特點(diǎn)，限制了對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的精準(zhǔn)控制。Nair 等[18]發(fā)明了一種可折疊的自然對流溫室干燥裝置，用來干燥葡萄，然而設(shè)備會造成干燥過程中溫度分布不均勻。

1.2 強(qiáng)迫對流溫室干燥裝置

為克服自然對流溫室干燥裝置的缺點(diǎn)，相關(guān)學(xué)者設(shè)計了強(qiáng)迫對流溫室干燥裝置，利用電動風(fēng)扇強(qiáng)迫空氣在溫室中流動，從而能夠根據(jù)外部環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)節(jié)空氣流量。邢丙丙等[19]將地?zé)崮茉醋鳛樘柲軠厥业妮o助能源，設(shè)計了一種地?zé)?太陽能干燥室溫室兼用裝置，使其可做到冬季溫室育苗及夏季溫室干燥。通過對脫水土豆片的干燥試驗可以得到其可在22 h 內(nèi)干燥600 kg 新鮮土豆片；該溫室每年產(chǎn)值為42 萬元，經(jīng)濟(jì)效益為15 萬元。

為克服溫室干燥裝置能量輸出不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，有學(xué)者將蓄熱技術(shù)應(yīng)用于溫室干燥裝置中。Jain[20]研究填充床蓄熱溫室在作物干燥中的應(yīng)用（圖3）。通過實(shí)驗得出，其可在24 h 內(nèi)干燥2 280 kg 洋蔥。Berroug 等[21]研究提出了由相變材料PCM（CaCl2·6H2O）制成的北墻在被動溫室中的應(yīng)用（圖4），在溫室地面面積每平方米相當(dāng)于32.4 kg PCM 的情況下，冬季夜間植物溫度和室內(nèi)空氣溫度均高于6～12 ℃，波動較小。夜間相對濕度平均降低10%～15%。

圖3 顯熱蓄熱式溫室干燥裝置Fig.3 Sensible heat storage greenhouse drying device

此外，為了增強(qiáng)太陽能溫室對太陽能的利用效率，研究人員探索了減少損失、并增強(qiáng)干燥物料吸收太陽輻射量的方法。Gupta 等[22]通過對溫室的Auto-CAD 建模分析，表明在北半球，當(dāng)溫室采用全透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)時，溫室北墻的能量損耗最為顯著。Sethi 等[23]在傳統(tǒng)溫室的北墻上添加了傾斜的輻射反射墻（見圖4）。結(jié)果表明，在強(qiáng)迫對流條件下，溫室內(nèi)空氣和作物溫度分別提高1～4.5 ℃和1～3 ℃，干燥時間減少16.67%。王銳鋒[24]對強(qiáng)迫對流溫室干燥裝置的透明材料進(jìn)行了研究，結(jié)果表明聚碳酸酯可以有效提高30.1%的室內(nèi)溫度，且干燥的青梅廢品率由8%～10%降到了2%～3%。劉鴻雁等[25]和高陽[26]以金絲小棗為例，對溫室最佳的透明蓋板材料進(jìn)行了分析，透光材料選擇PVC 薄膜、玻璃、PC 陽光板三種。結(jié)果表明，在三種太陽能溫室型干燥裝置中，玻璃溫室型和PC溫室型干燥裝置集熱效果好，干燥速率高，而PVC 溫室型集熱效果最差，干燥小棗時間最長。

圖4 相變蓄熱式溫室干燥裝置Fig.4 Greenhouse drying device of phase change heat storage greenhouse

根據(jù)相關(guān)研究，強(qiáng)迫對流溫室干燥的效果要優(yōu)于自然對流溫室干燥。然而強(qiáng)迫對流的干燥模式需要通過電力驅(qū)動風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。而太陽能干燥的最大優(yōu)勢在于不消耗化石燃料，因此為了解決通風(fēng)能源的問題，復(fù)合光伏熱溫室干燥裝置（圖5）應(yīng)運(yùn)而生[27]。其原理是在普通溫室上加裝太陽能光伏板，利用其產(chǎn)生的電能驅(qū)動風(fēng)機(jī)，達(dá)到強(qiáng)迫對流的送風(fēng)模式。Barnwal 等[28]設(shè)計了一種光熱/光伏一體化溫室干燥裝置，通過試驗表明強(qiáng)迫對流的方式可以有效降低溫室干燥裝置的熱損系數(shù)，由自然對流的18 W/(m2·K)減少到11 W/(m2·K)。Janjai 等[29]設(shè)計了一種PV/T溫室干燥裝置，其風(fēng)機(jī)的動力來源于50 W 光伏組件，對于干燥龍眼與香蕉具有良好效果；之后，其又在占巴塞（老撾）開發(fā)了大型PV/T 溫室干燥裝置，頂部采用拋物線形結(jié)構(gòu)并包覆聚碳酸酯材料，9 個直流排氣扇由50 W太陽能電池組件供電，整個裝置的容量為1 000 kg。Nayak 等[30]建立了PV/T 溫室干燥裝置數(shù)學(xué)模型，其模擬得到的太陽能光伏板正、背面和溫室空氣溫度的誤差在7.05%～17.58%之間。之后還對其進(jìn)行了火用分析，得到火用效率水平約為4%。

圖5 混合光伏溫室干燥裝置Fig.5 Drying device of hybrid photovoltaic greenhouse

2 溫室干燥模型研究

模擬技術(shù)可以通過對偏微分方程組與熱平衡方程組的求解來預(yù)測作物含水量、干燥速率、作物質(zhì)量[31]。建立干燥模型可以減少對溫室干燥研究的投資成本，并能夠了解溫室與干燥物料內(nèi)部的溫度場、速度場以及濕度場的詳細(xì)分布。Prakash 等[31]采利用自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)（ANFIS），來預(yù)測溫室的室溫及相對濕度。結(jié)果表明，溫度與濕度的誤差分別為2.6%與12%。Jain 等[32]通過MATLAB 軟件對作物溫度、溫室內(nèi)空氣溫度和水分蒸發(fā)速率進(jìn)行預(yù)測。通過試驗驗證，其預(yù)測物料溫度與含水率均方根誤差分別為2.98%和16.55%。之后，Kumar 等[33]建立了粗糖自然對流溫室干燥的數(shù)學(xué)模型。通過試驗對比，此模型與試驗值的相關(guān)性達(dá)到0.9 以上，可以用來對粗糖的溫室干燥進(jìn)行預(yù)測。

此外，Anwar[34]與Jain[35]分別對露天晾曬與溫室干燥下的對流傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在強(qiáng)迫對流狀態(tài)下，對流傳質(zhì)系數(shù)是雷諾數(shù)與普朗特數(shù)的函數(shù)；而在自然對流狀態(tài)下，對流傳質(zhì)系數(shù)是格拉曉夫與普朗特數(shù)的函數(shù)，其函數(shù)形式見式（1）（2）。

式中，hc為農(nóng)產(chǎn)品的傳質(zhì)系數(shù)，W/(m2·℃)；C與n為經(jīng)驗常數(shù)；Pr為普朗特數(shù)；Gr為格拉曉夫數(shù)；Re為雷諾數(shù)；X為農(nóng)產(chǎn)品的干基含水率；Kv為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

有較多學(xué)者對影響干燥對流傳熱系數(shù)的因素進(jìn)行分析，其中包括干燥的送風(fēng)形式、干燥物料的種類、形狀與質(zhì)量，具體見表1。

表1 農(nóng)產(chǎn)品溫室干燥對流換熱系數(shù)模型的參考值Table 1 Reference value of dry convective heat transfer coefficient model in agricultural greenhouse

3 溫室干燥的經(jīng)濟(jì)性研究

3.1 農(nóng)產(chǎn)品溫室太陽能干燥時間的研究

在不影響品質(zhì)的情況下，農(nóng)產(chǎn)品干燥的最終目標(biāo)是在較短的時間內(nèi)獲得低水分的產(chǎn)品，以縮短生產(chǎn)周期并延長貯藏時間。眾多學(xué)者對不同農(nóng)產(chǎn)品在溫室干燥中的干燥時間進(jìn)行了研究。表2（見下頁）顯示了幾種物料的溫室太陽能干燥時間，如Fadhel[40]對集熱器自然對流干燥、溫室干燥與自然晾曬三種干燥方式進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，溫室干燥可以減少20%的干燥時間。王銳鋒[24]通過對青梅的干燥實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，相比于露天晾曬，溫室干燥大幅減少了干燥時間，使廢品率降低了6%。Janjai 等[41]在老撾的占巴塞（北緯15.13°、東經(jīng)105.79°）開發(fā)了一個單次干燥1 000 kg 的大型溫室型干燥裝置。通過對香蕉、辣椒與咖啡的干燥測試發(fā)現(xiàn)，香蕉的干燥時間由露天晾曬的7 d 減少到5 d，辣椒由5 d 減少到3 d，咖啡由4 d 減少到2 d。此外，經(jīng)過品質(zhì)分析，溫室干燥香蕉、辣椒和咖啡的質(zhì)量和顏色優(yōu)于露天晾曬的。Rathore 等[42]對隧道式太陽能溫室干燥裝置進(jìn)行了研究，指出太陽能隧道溫室干燥裝置的工作溫度在55～70 ℃之間，溫度梯度為10～28 ℃，非常適合葡萄的干燥。Kumar 等[36]與Kadam 等[43]分別對洋蔥的溫室干燥進(jìn)行了研究，指出強(qiáng)迫通風(fēng)溫室干燥的對流傳質(zhì)系數(shù)最大，其干燥效率提高30%～135%。Eke 等[44]以玉米為例對溫室干燥與露天晾曬進(jìn)行對比，結(jié)果表明溫室干燥可以減少55%的干燥時間。郝文剛等[45]對溫室干燥與露天晾曬的紅薯進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明溫室干燥的平均干燥速率比露天晾曬高7.7 g/h，平均太陽能熱利用效率為21.23%。

表2 溫室太陽能干燥時間的研究Table 2 Researches on drying time of greenhouse

3.2 溫室型太陽能干燥經(jīng)濟(jì)性的研究

溫室型太陽能干燥裝置能夠大幅度縮短農(nóng)產(chǎn)品干燥時間，減少生產(chǎn)周期。因此對太陽能溫室干燥裝置在農(nóng)產(chǎn)品干燥應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性的研究尤為重要。趙英等[50]對鍋爐熱氣干燥與溫室干燥進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，相比于鍋爐熱氣烘干，采用太陽能溫室干燥西洋參可節(jié)約干燥投資90%以上，全部加工過程投資減少60%左右。Suzihaque 等[51]對一種溫室干燥裝置的運(yùn)營、維護(hù)、施工和產(chǎn)品成本進(jìn)行了分析，指出托盤面積、咖啡豆密度和勞動力價格對利潤的影響最大。根據(jù)相關(guān)研究，采用溫室干燥裝置的投資回收期一般在3 年以內(nèi)，因此溫室干燥是提高農(nóng)產(chǎn)品收益的有效方式。表3 中詳細(xì)列舉了關(guān)于溫室干燥的經(jīng)濟(jì)性分析。

表3 溫室干燥的經(jīng)濟(jì)性分析Table 3 Economic analysis of greenhouse drying

4 小結(jié)

相比于自然對流溫室干燥，PV/T 溫室與蓄熱溫室是溫室干燥裝置的未來發(fā)展趨勢。PV/T 溫室干燥裝置在普通溫室上加裝太陽能光伏板，并利用其產(chǎn)生的電能驅(qū)動風(fēng)機(jī)，達(dá)到強(qiáng)迫對流的送風(fēng)模式，可以使干燥過程完全脫離電力，可有效地應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)；而將蓄熱技術(shù)應(yīng)用于溫室干燥能夠?qū)崿F(xiàn)干燥裝置穩(wěn)定連續(xù)的能量輸出，在時間上拓展太陽能的工作區(qū)間，進(jìn)一步提高溫室的能源利用效率與干燥品質(zhì)。

溫室干燥是提高農(nóng)產(chǎn)品干燥效率與品質(zhì)的有效途徑。然而，由于送風(fēng)溫度與速度的波動性與農(nóng)產(chǎn)品干燥過程中的夜間緩蘇現(xiàn)象，某些物料在進(jìn)行溫室干燥時其品質(zhì)可能低于傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥。在經(jīng)濟(jì)效益上，溫室干燥具有十分明顯的優(yōu)勢，其投資回收期均在3 年以內(nèi)，遠(yuǎn)低于設(shè)備壽命（15～20 年）；此外，溫室還可以進(jìn)行夏季干燥、冬季育苗的交替工作，能夠提升溫室的利用率。