摘要：干燥是延長農產品貯藏時間，提高農產品附加值的重要環節‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。隨著燃料資源的枯竭、化石燃料成本的上漲，利用太陽能干燥日漸成為最有效的干燥方法之一‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。本文介紹了太陽能空氣干燥裝置的發展現狀，并分析了應用太陽能干燥的有利條件，指出強迫對流可以提高太陽能干燥的效率，但最佳的送風量要從熱質傳遞與經濟性兩者綜合考慮‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。研究表明，優化太陽能干燥裝置有效提高10%~40%的太陽能利用效率，然而目前尚未得到集熱裝置的最優形式。最后，文章指出蓄熱與多能互補是太陽能空氣干燥裝置今后的發展方向。

　　關鍵詞：太陽能干燥;空氣集熱器;集熱效率;強化傳熱

　　干燥一般是指除去濕物料中揮發性濕分(大多情況下是水)，從而獲得具有一定濕含量的固體產品，便于包裝、加工、貯藏、運輸和使用的過程[1-2]。作為一種古老的工藝過程，干燥目前仍廣泛應用于各種生產領域，如農業、林業、化工、礦業、建筑、食品、造紙、制革和紡織等生產過程[3]。然而干燥加工屬于高能耗的加工過程[4]。

　　相關資料顯示，英國、美國的干燥能耗約占制造業總能耗的11.6%與12%，而在我國，一般干燥過程的能源消耗約占整個加工過程總能耗的10%[5]。此外，在一些特定的行業中，干燥能耗更是占據了加工總能耗的主要部分，如干燥消耗的能量占木材產品加工過程中消耗總能量的70%，占玉米與棉花生產所需總能量的60%以上，占紡織品制造業總能耗的50%以上[6]。目前，常用的干燥設備以空氣對流式為主，并以化石燃料、生物能量或者電力作為主要的能量來源[7]。隨著國家對節能環保與低碳發展的重視，根據國家制定的能源發展戰略行動計劃(2014—2020年)的要求，要嚴格控制能源消費總量過快增長[8]。因此，干燥行業必須走節約能源和開發利用新能源的可持續發展道路，實施高效與綠色干燥的發展道路[9]。

　　太陽能是一種儲量豐富，分布廣泛的可再生能源[10]。每年輻射到地球表面的太陽輻射總量為50×1018KJ，約等于目前全世界能量消費的1.3萬倍。因此發展太陽能是節約能源的有效途徑之一。近年來，人們開發了許多太陽能干燥機，利用太陽能干燥各種產品，并且已經報道了大量關于農產品太陽能干燥的研究[11-12]。太陽能空氣集熱器(SAH)是一種熱交換裝置，可將太陽輻射吸收轉化為熱能，并通過空氣與集熱板的對流換熱將其轉移到工作流體中。其具有結構簡單、造價低廉、易于維護、接收太陽輻射面積大等諸多優點[13-14]。

　　1太陽能空氣干燥裝置的歷史與研究現狀

　　1.1太陽能空氣干燥裝置的發展歷史

　　太陽能作為農產品的干燥能源有悠久的歷史，直到現在，露天晾曬仍然是一些地區進行農產品干燥的主要形式[15-16]。但露天晾曬的方式對太陽能的利用效率較低，需要大面積的區域;同時還會由于灰塵、昆蟲、鳥類、真菌等對農產品產生污染[17]。因此采用空氣集熱式太陽能干燥裝置進行農產品干燥是十分必要的。

　　早在1877年，人們已經開始利用涂黑后的金屬來吸收太陽輻射，從而達到對太陽能的有效利用[18]。然而直到20世紀70年代，由于節能環保意識的不足與對化石燃料過量開發，太陽能干燥并未取得較大發展。隨著化石燃料過度開采所帶來的一系列問題，世界興起了開發利用太陽能的熱潮，其中太陽能干燥的應用前景已得到了普遍重視[19]。

　　1.2太陽能空氣干燥裝置的研究現狀

　　1.2.1國外研究現狀

　　目前對太陽能干燥的研究工作主要集中在歐美發達國家，美國、英國與澳大利亞等均已在太陽能干燥裝置的利用上形成了一定的規模[20-21]。在熱帶和亞熱帶國家，如南非、津巴布韋、菲律賓、泰國、印度、孟加拉國等，對太陽能干燥的應用更為普遍[21-22]。其主要原因有：(1)在大部分的發展中國家，農業產品占國民收入的大部分，提升農產品的附加值是發展經濟的迫切需求;(2)在熱帶和亞熱帶國家，太陽輻射受季節變化的影響較小，太陽能干燥裝置可以全年運行;(3)太陽能空氣集熱干燥裝置結構簡單、價格低廉、維護方便，適宜在發展中國家推廣使用[23]。在泰國，早在20世紀80年代就開始利用太陽能空氣集熱裝置來干燥谷物、胡椒、辣椒、咖啡豆等農作物[24]。在馬來西亞，太陽能空氣集熱裝置被廣泛用于農產品的干燥加工中，以取代傳統的化石燃料干燥方式。經過馬來西亞農業研究開發所、馬來西亞標準和工業研究所與馬來西亞森林研究所等的共同研究，采用太陽能空氣集熱干燥裝置可節省30%的燃料費用[25-26]。

　　1.2.2國內研究現狀

　　我國太陽能干燥裝置的研究起步較晚，20世紀80年代以前，我國只有4座用于干燥紅棗、黃花菜、棉花的太陽能干燥裝置，總采光面積僅有183m2[27]。進入21世紀以來，我國的太陽能干燥技術得到較快發展。據統計，截止2019年，全國建成太陽能干燥裝置200多座，總采光面積近20000m2[28]。

　　2太陽能空氣集熱器干燥裝置的優化改進

　　主要由太陽能空氣集熱器與干燥箱組成。在運行過程中，通過太陽能空氣集熱器加熱外界空氣，并將熱空氣送入干燥箱內對農產品進行干燥[41]。太陽能空氣集熱器是太陽能空氣干燥裝置的核心部件。然而，根據Duffie等[42]對太陽能空氣集熱器內的傳熱公式：Nu=0.023Re0.8Pr0.4，可以得到太陽能空氣集熱器的集熱效率偏低。同時在利用太陽能進行干燥時，由于被加熱的熱空氣還會因為漏氣、圍護散熱等方式導致熱量損失，因此太陽能干燥的綜合效率更低。

　　傳統的太陽能空氣集熱效率在40%以下，干燥綜合效率更低。因此對太陽能空氣集熱器進行優化分析，對其流道、間隙、流量等參數進行優化，提高換熱系數，同時采用新技術提高干燥速率、應用范圍等，對提高太陽能空氣干燥裝置的經濟效益，減少干燥時間有著至關重要的作用。

　　2.1對太陽能空氣干燥裝置送風方式的研究

　　Zhai等[51]通過對太陽能空氣集熱器的理論與實驗分析，得到相對于自然通風，采用機械通風的方式可以獲得最佳的空氣加熱效果。Satish等[52]以真空管太陽能空氣干燥裝置為研究對象，以椰子為例，研究在印度氣象條件下最佳的太陽能干燥的送風形式。結果發現，強制對流太陽能干燥器不僅顯著地縮短了干燥時間，而且提升了干燥產品的質量。

　　經過Southampton等[53]對太陽能空氣干燥裝置的自然對流和強制對流運行模式的計算流體力學分析。結果表明，當質量流量為0.025kg/s時，最高溫度為71℃。分析還表明，強制對流模式下的溫度比自然對流模式高出41%。劉偉濤[54]以帶有V型太陽能空氣集熱器的干燥裝置為研究對象，對廣式涼果的自然對流與強迫對流的干燥效果進行了分析‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。結果表明，自然對流干燥時間需14h，強制對流干燥需12h。同時，相對于自然對流干燥，強制對流干燥相對穩定，因此不需要翻動物料來保證干燥的均勻性。

　　2.2對太陽能干燥裝置強化傳熱的研究

　　使用V型結構改變集熱板的形狀，一方面可以增加太陽能集熱板的吸熱面積，同時也可以增強空氣在流動過程中的湍流程度[55]。在此基礎上，葉明同[56]設計開發了帶有V型吸熱板的太陽能空氣干燥裝置。以老撾熱帶地區為基礎環境條件對香蕉的干燥特性進行了實驗研究，通過實驗可以使香蕉片在4d內干基含水率由1.55下降到0.34。

　　班婷等[57]設計了一種雙風道太陽能空氣集熱器，并對其熱性能進行了分析。結果表明，當上下通道空間比為2:1時，悶曬溫度可達87.6℃;當空氣為0.06kg/s時，集熱器平均效率可達84.53%。之后，其又對雙風道太陽能空氣集熱器在干燥中的應用進行了分析。以蒜片為例得到了其干燥時間需要5~7d[58]。

　　Romdhane[46]在2007年提出了一種折流板型太陽能空氣集熱器，其通過在太陽能空氣集熱器內部增加折流板，使空氣呈蛇形流動，以提高太陽能空氣集熱器的集熱效率。之后，開始有很多學者對此種形式的太陽能空氣集熱器進行了分析，并將其進行實際應用。如肉孜·阿木提等[59]、李曉琳[60]、胡建軍等[61]分別對此種集熱器的流動形式、蓋板類型與流道結構進行了分析，得到了最佳的流動方式為雙風道、采用PC(聚碳酸酯)透明蓋板、擾流板數量為5。李峰與肉孜·阿木提等[20,62]建立了一體化的折流板太陽能空氣干燥裝置，選取杏進行干燥試驗。得到了干燥過程的平均效率為42.8%，干燥時間為79h，與傳統的干燥方式相比干燥時間縮短52%，且優等品率達85%。

　　干燥杏的最佳參數為溫度65℃，風速10.5m/s。GuLcimen等[63]對折流板型太陽能空氣集熱器做了進一步的改進，其在蛇形流道內部添加金屬翅片以增強對太陽能的利用效率。通過對甜羅勒的干燥實驗研究，得到干燥時間受送風量的影響，當空氣流量在0.012~0.029kg/s的范圍內，干燥時間420~600min，運行效率在29%~63%。

　　羅建文等[64]對蛇形通路平板太陽能空氣集熱干燥裝置的性能進行了分析，結果表明，該裝置控制系統穩定性好，在設定干燥箱溫度值為60℃情況下，2h內其集熱效率可達到74.32%。之后，張永輝等[65]在原有的研究基礎上又對折流板型太陽能干燥裝置的集熱效果和最佳連接方式進行了研究分析，得到當集熱器與干燥箱的最佳連接方式是機械對流循環且氣體上進下出時效率最高，可達到70%以上。

　　Fudholi等[66]提出了逆流型雙通道金屬絲網填充式太陽能空氣集熱器，并用于檸檬的干燥實驗研究，得到了空氣流量對干燥裝置效率影響十分明顯，當空氣流量從0.006125m3/s增加到0.01734m3/s時，集熱器的熱效率提高了約20%。同時還得到了檸檬在太陽能熱風干燥下的最佳模型。肉孜·阿木提等[67]設計了一種雙風道滲透型太陽能空氣集熱器，并將其應用于山藥下角料的干燥。當干燥室內的熱空氣流量為1.05m3/min時，干燥時間約為11h，可以使干燥速率提高2.5倍左右。

　　2.3蓄熱型太陽能空氣干燥裝置的研究

　　由于太陽能存在不穩定、受氣候變化影響大的缺點，同時由于空氣的比熱容與密度都相對較小，更放大了這個缺點[67]。因此諸多學者開始在太陽能空氣干燥裝置上附加蓄熱裝置已實現太陽能熱風的穩定輸出[68]。

　　Mohanraj等[69]研制了一種帶有礫石蓄熱的太陽能空氣干燥裝置。當空氣流量為0.25kg/s，可以使辣椒在24h內將水分從72.8%最終降至9.1%，其單位能耗除濕量(SMER)約0.87kg/(kW·h)。然而由于采用了蓄熱裝置，其集熱效率有所降低約為21%。Chauhan等[70]研究了帶有巖床蓄熱器的太陽能空氣干燥裝置，其中巖床由多個彼此堆疊的薄層顆粒組成。

　　通過對中芫荽的干燥實驗，得到了當空氣流量為250kg/hm2時，在31日照小時可以將其水分從28.2%降低到11.4%。NATARAJAN等[71]對以鋁片、砂層、巖層為蓄熱材料的太陽能隧道干燥機進行了實驗分析。結果表明，與開放式太陽干燥相比，采用帶蓄熱材料的太陽能隧道干燥機，能有效降低水分去除率和干燥時間。太陽能隧道干燥機蓄熱材料的平均熱效率提高了2%~3%。在蓄熱材料中，砂的蓄熱效率較高，平均熱效率為19.6%。Tiwari等[72]提出了一種空氣-水復合太陽能集熱器。其結構為太陽能空氣集熱器下層附有一個水槽，可以在加熱空氣的同時，通過水槽進行蓄熱。當干燥系統不工作時，該系統可以用來提供熱水。

　　在陽光明媚的時候，熱水器在系統中起著儲存材料的作用。之后，Zhang等[73]對空氣-水復合太陽能集熱器的熱性能進行了深入分析，并對(A)單獨空氣加熱、(B)單獨加熱水、(C)空氣-水復合加熱這三種工作方式進行了分析。結果表明，A、B兩種模式下的平均集熱效率可達51.3%，模式C的總集熱效率可以達到73.4%。此外，Hao等[43]也對空氣-水復合太陽能干燥裝置(FSDF)進行了研究，對其經濟性進行了分析，結果發現，當采用空氣-水復合太陽能干燥裝置時，其年成本和現值分別比電干燥低1.09%和1.086%，比熱泵低142.9%和142.9%，比煤低13.69%和14.46%。因此與不同干燥系統相比，FSDF具有較好的經濟性和較好的應用價值。

　　Komilov等[74]開發了由空氣加熱器和蓄熱器組成的太陽能干燥器。與空氣和晾曬干燥相比，其將干燥過程縮短了4~5倍，并且成品具有高質量。由于太陽能的積累和干燥劑的循環，與單相裝置相比，裝置的生產率和效率提高了1.5~2倍。Esakkimuthu等[75]以HS58為例，探究利用無機鹽相變蓄熱材料在太陽能空氣干燥過程中儲熱的可行性。結果表明，考慮的儲罐配置和PCM球尺寸，200kg/h的空氣流量能夠提供較為均勻的熱傳遞速率。El-Khadraoui等[76]設計了一種采用相變材料的間接式主動式太陽能干燥機，它由太陽能空氣板和太陽能蓄能器(具有相變材料腔的太陽能空氣收集器)組成。通過實驗表明：夜間使用太陽能蓄能器，干燥室溫度上升了4~16℃。蓄熱式太陽能空氣干燥裝置的火用效率和能效分別為8.5%和33.9%‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。

　　馮小江等[77]為了解決太陽能間歇性和不穩定性等問題，研制了一種移動式相變儲熱木材太陽能干燥裝置，并對其進行理論計算。該裝置采用石蠟相變蓄熱管來儲存太陽能熱風的部分能量。結果發現，當干燥0.03m3木材時，所需要的集熱面積、蓄熱管數量分別為1.69m2、248根。

　　3結論與展望

　　太陽能干燥是太陽能光熱利用的重要方向之一，也是取代化石燃料和露天太陽干燥的最佳方法。本文綜述了太陽能空氣集干燥裝置的發展現狀，并對其發展前景與不足進行了總結，分析得出：

　　(1)目前常見的農產品干燥溫度與太陽能中低溫光熱形成互補。根據目前對太陽能空氣干燥的研究，使用太陽能干燥的方式能有效縮短干燥周期、提高產品質量等。同時由于太陽能干燥初投資與運行成本都較低，且操作簡單。因此用于偏遠與欠發達地區的農產品初加工，對促進農業經濟發展有著極為重要的作用。

　　(2)干燥裝置內的空氣流動形式對被干燥物料的熱質傳遞起著至關重要的作用。相比受限于溫度梯度的自然對流的送風方式，利用風機進行強迫對流進行物料的干燥更有利于快速的對物料進行干燥處理。然而，由于風機需要高品位的電能驅動，因此在考慮送風速度時需要從熱質傳遞與經濟性兩方面綜合考慮。

　　(3)受限于空氣的物理性質，傳統的太陽能空氣集熱器的集熱效率相對較低，其效率一般在40%以下。因此，改進太陽能空氣集熱器的集熱板、流動形式及流道結構，對提高太陽能的利用率，減少太陽能空氣干燥裝置的占地面積，提升太陽能干燥的經濟效率有著極為重要的作用。總體來說，通過對太陽能空氣集熱器結構的優化可以有效提高集熱效率10%~40%。然而目前對太陽能空氣集熱器的結構改進眾多，且太陽能的工作情況受輻射強度、環境風速、送風量等因素影響巨大，因此無法單純通過對比效率分析最優的集熱器結構。

　　(4)由于太陽能是間歇性低密度能源，因此，太陽能空氣干燥裝置在進行大規模產業化時必然會遭遇占地面積大、熱風輸出不穩定的問題。故而，還需加強太陽能蓄熱裝置的研發，以克服太陽能間歇性的缺點。然而，增加蓄熱結構會降低集熱裝置白天對太陽能的吸收量，因此蓄熱裝置的設計還需要根據被干燥物料的干燥特性來設置。此外，采用太陽能多能源互補的干燥形式，如太陽能-熱泵、太陽能-生物質能等，可以克服太陽能能源密度低的缺點，也是今后太陽能干燥發展的重點方向。

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