太陽能果蔬干燥技術(shù)研究進(jìn)展

程俊雄，曾勵強(qiáng)，李金嶸，何 松

湖南人文科技學(xué)院 能源與機(jī)電工程學(xué)院，湖南婁底 417000

果蔬干燥是指在自然條件下或以人工方式去除部分水果和蔬菜水分，從而有效阻礙微生物的生長和繁殖，實現(xiàn)長期保存食品的目標(biāo)。果蔬經(jīng)過干燥處理后，質(zhì)量下降，體積減小，可以節(jié)省儲存空間和運(yùn)輸成本，不僅便于儲存大量水果和蔬菜，還大大提高了果蔬的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。

方慶[3]研究發(fā)現(xiàn)，在采摘后，如果不能及時進(jìn)行人為處理，果蔬體內(nèi)存在的水分和糖類會使其迅速腐敗，使得果蔬失去其自身的利用價值?？等萚4]通過實驗表明，中國傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品，如水果、蔬菜和中草藥，通常在太陽下直接自然干燥，干燥周期長，云、雨、蚊子、微生物生長和灰塵污染等自然條件對其影響較大；而傳統(tǒng)的干燥室、熱風(fēng)干燥和微波干燥等方法容易導(dǎo)致熱敏性維生素和其他營養(yǎng)物質(zhì)流失，且存在能源消耗嚴(yán)重、衛(wèi)生質(zhì)量差、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。真空冷凍干燥技術(shù)可以有效解決上述問題，但其生產(chǎn)設(shè)備投入大、生產(chǎn)成本高，無法得到大范圍的普及。

針對以上問題，人類逐漸開始運(yùn)用大自然中太陽的力量予以解決。最原始的果蔬貯藏技術(shù)主要是利用太陽輻射熱量促使所要貯藏的瓜果蔬菜中的水分蒸發(fā)，通過“擠干”果蔬的水分延長果蔬的貯藏時間。張英麗等[5]通過利用太陽能干燥無核紫葡萄的研究發(fā)現(xiàn)，太陽能干燥比自然干燥的時間快13 d，效率極高。

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷完善和創(chuàng)新，果蔬干燥技術(shù)也得到了進(jìn)一步發(fā)展?？茖W(xué)家將太陽能與科技相結(jié)合，使太陽能更高效地應(yīng)用于果蔬干燥行業(yè)。明廷玉等[6]指出，目前太陽能干燥主要用于工業(yè)干燥、農(nóng)業(yè)干燥和其他物料的干燥，是中國干燥領(lǐng)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的催化劑。同時，太陽能干燥技術(shù)正朝著智能化、自動化、高效化方向發(fā)展，太陽能與其他能源的聯(lián)合干燥成為該行業(yè)的未來發(fā)展趨勢。

1 自然干燥技術(shù)

自然干燥是指在自然環(huán)境條件下干燥物料的方法。自然干燥主要是借助太陽的輻射熱或自然界的風(fēng)力，使物料中的水分氣化，從而達(dá)到除去水分的目的。自然干燥主要分為曬干和陰干兩種方式。將原料直接放在太陽底下暴曬，從而使原料表面和內(nèi)部變得干燥的稱為曬干；將原料放在通風(fēng)良好且能避雨的室內(nèi)，利用風(fēng)能脫水干燥的稱為陰干[7]。我國西北地區(qū)常采用陰干的方式對果蔬進(jìn)行脫水處理。自然干燥方法簡便、設(shè)備簡單、干燥成本低，但干燥周期較長[8]。

劉麗英等[9]通過測定紫花苜蓿不同收獲期的干燥速率、葉綠素含量、主要營養(yǎng)成分等指標(biāo)，得出苜蓿干燥的最佳環(huán)境條件：溫度日均值26.29～27.95 ℃，空氣濕度日均值34.74%～36.71%，太陽輻射強(qiáng)度日均值268.36～422.33 W/m2，風(fēng)速日均值1.59～1.82 km/h。郭太雷[10]通過對采用自然干燥法生產(chǎn)的綠肥青干草或草粉進(jìn)行多次實驗分析，發(fā)現(xiàn)其中各成分含量分別為吸附水8%～13%，粗蛋白質(zhì)14.0%～20.5%，粗脂肪2.6%～3.0%，粗纖維22.0%～27.2%，無氮浸出物29.5%，粗灰分10.2%，鈣1.02%，磷0.37%，尚含豐富的維生素和微量元素，且具有氣味芬芳、品質(zhì)良好的特點(diǎn)。

2 太陽能在果蔬干燥領(lǐng)域的應(yīng)用

作為“獨(dú)一無二”的新能源，太陽能具有可再生性和清潔性。人類利用太陽能歷史最悠久、應(yīng)用最廣泛的就是在太陽能干燥領(lǐng)域，太陽能干燥農(nóng)產(chǎn)品可使傳統(tǒng)能源消耗減少50%～100%。傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品太陽能干燥方法是直接噴霧干燥，已經(jīng)被使用了幾千年，但干燥效率低，周期長，面積大，易受風(fēng)沙和天氣的影響，易受灰塵、蒼蠅、蟲蟻的污染，影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。與自然干燥(大氣干燥)相比，太陽能干燥的主要優(yōu)點(diǎn)是大大縮短了干燥時間，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。由于世界面臨著巨大的能源危機(jī)，能源匱乏嚴(yán)重威脅著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，越來越多的人利用太陽能進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品的干燥[11]。

太陽能干燥就是利用太陽能對各種物料進(jìn)行干燥，其干燥裝置主要有以下幾種類型：溫室型干燥、集熱器型干燥、溫室-集熱器型干燥、太陽能熱泵干燥等。關(guān)恒利[12]通過比較以上四種太陽能干燥技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)不同的農(nóng)作物適合不同的干燥方式，如集熱器式干燥技術(shù)適合橡膠產(chǎn)品的干燥。王文茹等[13]綜合太陽能利用技術(shù)、組合干燥技術(shù)、熱能回收技術(shù)、真空技術(shù)和自動控制技術(shù)運(yùn)用于果蔬干燥，研發(fā)出一套新型太陽能果蔬組合干燥設(shè)備，該產(chǎn)品較其他常規(guī)干燥設(shè)備效率提高20%左右，能耗降低30%左右，在果蔬干燥加工領(lǐng)域具有非常重要的意義，為果蔬干燥加工工藝及設(shè)備提供了技術(shù)與設(shè)計依據(jù)，且干燥獲得的產(chǎn)品品質(zhì)好、效率高、能耗低。

太陽能干燥的運(yùn)行成本低，在投資方面，太陽能與常規(guī)能源烘干差異不大，但在系統(tǒng)運(yùn)行方面，使用常規(guī)能源的干燥設(shè)備其燃料成本很高，而太陽能烘干除了風(fēng)機(jī)消耗少量電能，太陽能還是免費(fèi)的。即使太陽能烘干不能完全取代常規(guī)能源烘干的使用，通過將兩者有機(jī)結(jié)合，使太陽能提供的能量占總能耗的較高比例，也可以節(jié)約大量的運(yùn)行成本。

2.1 溫室型干燥技術(shù)

溫室型干燥技術(shù)是利用果蔬周圍的全部或部分光覆蓋材料，使植物在冬季和其他不適合在室外種植的時間點(diǎn)也能進(jìn)行種植的技術(shù)，統(tǒng)稱為溫室干燥技術(shù)。溫室型干燥技術(shù)主要是利用溫室將太陽輻射(短波輻射)轉(zhuǎn)化為長波輻射，并通過溫室采光罩進(jìn)入溫室，提高土壤溫度和室內(nèi)溫度。太陽輻射所轉(zhuǎn)化而成的長波輻射會被溫室采光罩阻擋在溫室內(nèi)，在室內(nèi)形成一個熱池，提高室內(nèi)溫度。太陽能溫室的另一個新應(yīng)用是利用溫室干燥農(nóng)產(chǎn)品[14-15]。

Zaman等[16]于20世 紀(jì)80年代中期所做的稻谷混合干燥、溫室干燥、自然干燥的3種太陽能干燥裝置中，物料同一時間的干燥溫度分別為51 ℃、46 ℃和33 ℃，說明混合型干燥器的干燥速率最高，溫室次之，自然干燥效率最低。詹長軍[17]利用溫室型太陽能干燥裝置干燥果脯，溫室型太陽能干燥裝置適合于溫度較低的干燥作業(yè)，果脯直接受太陽照射，色澤更鮮亮，可提高商品質(zhì)量；對電力供應(yīng)的依賴性較弱，既可自然通風(fēng)，也可強(qiáng)制通風(fēng)排濕。

太陽能溫室利用其溫室效應(yīng)的特征，具有低成本、低能耗和除菌效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，太陽能溫室的集熱溫度達(dá)64 ℃以上，具備干燥作業(yè)的能力，干燥作業(yè)時需配合通風(fēng)策略，建議風(fēng)速3 m/s，由濕度控制排濕周期。

2.2 集熱器型干燥

空氣集熱器太陽能干燥器的基本結(jié)構(gòu)包括太陽能集熱器組件、干燥室、風(fēng)扇、進(jìn)口和出口管道、材料支架、透風(fēng)材料盤、循環(huán)風(fēng)扇和排濕風(fēng)扇。設(shè)計這種干燥器系統(tǒng)時，必須配置輔助器加熱裝置，保證全天候連續(xù)運(yùn)行干燥。集熱器型干燥系統(tǒng)主要是通過使用風(fēng)扇將太陽能空氣吹入太陽能空氣集熱器，集熱器將冷空氣加熱并送入干燥室，用熱空氣加熱材料，使水分不斷蒸發(fā)，并用排風(fēng)扇不斷將水分排出干燥室，從而達(dá)到干燥材料的目的[18-19]。

高陽[20]利用集熱器型干燥技術(shù)對金絲小棗進(jìn)行了干燥研究，其結(jié)果表明，將太陽能集熱器型干燥裝置溫升約26 ℃，空氣相對濕度低于室外約60%，9 d即可完成干燥，干燥用時比室外自然晾曬減少了一半，且其中營養(yǎng)物質(zhì)保存良好。

2.3 溫室-集熱器型干燥

溫室-集熱器型干燥器主要由太陽能溫室干燥箱、太陽能空氣集熱器、溫濕度控制系統(tǒng)組成。運(yùn)行時，風(fēng)機(jī)將外部低溫空氣強(qiáng)制送入太陽能空氣集熱器，此時太陽能空氣集熱器將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為空氣加熱器熱能，將外部低溫空氣干燥成太陽能溫室干燥箱內(nèi)的熱空氣。物料在太陽能溫室內(nèi)被干燥，并通過太陽能電池板直接吸收太陽輻射，熱空氣通過太陽能空氣。來自集熱器的熱空氣通過輻射和對流傳熱，同時通過風(fēng)機(jī)和溫濕度控制系統(tǒng)進(jìn)行干燥。一方面，材料通過太陽能電池板直接吸收太陽輻射；另一方面，熱空氣通過太陽能空氣集熱器的輻射和對流傳熱被加熱。同時，溫濕度控制系統(tǒng)通過干燥風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量和風(fēng)量調(diào)節(jié)熱空氣的溫度和濕度，滿足物料的干燥過程，達(dá)到干燥目的。

張慧媛[21]通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)了新疆的葡萄、杏仁和哈密瓜等特色水果的產(chǎn)量逐年增加，但無法保障其干燥后的干果產(chǎn)量、品質(zhì)和衛(wèi)生情況的問題，并通過實踐找出了解決方法，即可以通過采用溫室-集熱器型太陽能干燥技術(shù)來提升葡萄干等干制品的品質(zhì)。

2.4 太陽能熱泵聯(lián)合干燥

太陽能集熱器和熱泵技術(shù)的組合干燥系統(tǒng)被稱為太陽能熱泵干燥系統(tǒng)，太陽能熱泵干燥系統(tǒng)由太陽能集熱器、熱泵、蓄熱裝置、供暖末端裝置和控制系統(tǒng)5大部分組成。

太陽能和空氣源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)，在天氣晴朗，太陽輻射強(qiáng)度較大時，采用太陽能單獨(dú)進(jìn)行干燥作業(yè)，太陽能集熱器將空氣加熱后，通過風(fēng)機(jī)送入干燥室對物料進(jìn)行干燥，干燥后的廢氣直接排入大氣；在陰雨天或夜晚等太陽能輻射強(qiáng)度較小時，采用熱泵單獨(dú)進(jìn)行干燥作業(yè)，冷空氣通過熱泵系統(tǒng)加熱后形成熱空氣，通過風(fēng)機(jī)送入干燥室，排出的廢氣經(jīng)過熱泵系統(tǒng)進(jìn)行余熱回收，實現(xiàn)循環(huán)利用；當(dāng)氣溫較低或多云時，太陽能輻射強(qiáng)度較小，提供的熱量不能夠滿足干燥需求，則采用聯(lián)合干燥作業(yè)模式，由太陽能集熱器和熱泵系統(tǒng)同時供熱，并回收余熱；在冬季環(huán)境溫度較低時，依靠太陽能集熱器的轉(zhuǎn)換熱量，一方面可以緩解空氣源熱泵傳熱不足的問題，另一方面可以解決空氣源熱泵的除霜問題。

太陽能集熱器與熱泵系統(tǒng)聯(lián)合的干燥技術(shù)在果蔬干燥行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，使傳統(tǒng)的果蔬干燥工藝得到了優(yōu)化和改進(jìn)。為進(jìn)一步提高果蔬、木材、煙草等農(nóng)產(chǎn)品干燥過程中的能源利用效率并充分利用清潔能源，近年來，國內(nèi)一些學(xué)者提出了熱泵技術(shù)與太陽能相結(jié)合的聯(lián)合干燥方案，并進(jìn)行了相關(guān)理論和試驗研究。景元琳等[22]總結(jié)了太陽能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)的太陽能干燥系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行、熱泵干燥系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行、太陽能熱泵聯(lián)合干燥3種運(yùn)行模式和國內(nèi)近年來關(guān)于該技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并通過實踐證明，該技術(shù)在木材干燥領(lǐng)域相比傳統(tǒng)燃煤干燥可節(jié)能36.7%～41.1%，并且具有節(jié)省時間、環(huán)保及可提升產(chǎn)品品質(zhì)等優(yōu)勢。

白旭升等[23]闡述了太陽能熱泵聯(lián)合干燥的工作模式，綜述了太陽能熱泵聯(lián)合干燥在木材、農(nóng)副產(chǎn)品等行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)太陽能熱泵系統(tǒng)是將熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于干燥過程中，解決了太陽能受環(huán)境影響因素較大、熱流密度低的問題，同時具備除濕的特點(diǎn)，能夠控制干燥室內(nèi)的相對濕度，可提高系統(tǒng)的性能系數(shù)、減少能源的消耗。Qiu等[24]對太陽能熱泵干燥系統(tǒng)進(jìn)行了研究，系統(tǒng)中加入了儲水罐以有效回收熱量并改善太陽能的利用狀況，同時根據(jù)太陽能輻射強(qiáng)度，系統(tǒng)可自動切換運(yùn)行模式，結(jié)果表明在太陽能和熱泵聯(lián)合干燥模式下，系統(tǒng)可節(jié)省40.53%的能耗。

3 結(jié)束語

太陽能干燥技術(shù)作為一種新能源技術(shù)受到廣泛關(guān)注。太陽能的科學(xué)利用為我國解決了大部分資源難題，尤其是在利用太陽能對農(nóng)作物進(jìn)行干燥貯藏方面取得了較大成就。太陽能干燥技術(shù)具有能源效率高、環(huán)境友好和保留干燥食品中的營養(yǎng)成分的優(yōu)點(diǎn)，但也具有能量密度低、不穩(wěn)定、容量小和熱效率低的缺點(diǎn)。隨著太陽能干燥技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，太陽能集熱器的創(chuàng)新研究已經(jīng)大大提高了太陽能熱利用效率。

擴(kuò)大太陽能干燥的應(yīng)用范圍是太陽能干燥技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。我國農(nóng)業(yè)資源豐富，需要進(jìn)行干燥，以利于儲存和增值，許多工業(yè)生產(chǎn)過程也需要干燥。因此，必須降低太陽能干燥投資成本，加大推廣力度，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。