青藏高原牧草太阳能烘干温室及干燥装置的设计

2011-04-25吴建民赵武云

草业科学 2011年2期

田斌，吴建民，赵武云，孙伟

(甘肃农业大学，甘肃兰州 730070)

牧草是牲畜的主要饲料，由于草原过载放牧，草场退化和水土流失日益严重[1-2]，草原天然优质牧草产量已不能满足牲畜的需要，牧民必须购置干草饲料补充。同时，近十多年来，我国青海、西藏、内蒙古、新疆和甘肃等省、自治区冬季的草原雪害频繁发生，积雪掩盖草地，致使母畜流产，仔畜成活率低，老弱幼畜死亡增多，牧民损失惨重，急需购买大量干草度过灾害[3]。

干草需求的日益增长使牧草产业化生产加工的重要性凸显出来。但新鲜牧草加工贮存面临的最大问题是青饲料水分含量高，细菌和霉菌容易生长繁殖，使青饲料发生霉烂腐败，必须及时干燥降低牧草水分含量。

牧草的干燥分为自然干燥和人工干燥2种。田间晾晒、草架晾晒风干牧草等自然干燥法耗费时间长，牧草营养成分流失较多，且虫害、尘埃及阴雨等恶劣天气又会引起牧草品质降低[4]，不能满足企业大规模生产优质干草的需要。目前国内外牧草人工干燥的主要方式是使用以煤炭或石油为燃料的牧草干燥机使青饲料迅速脱水干燥，至水分含量降低为14%～17%，该含水量条件下，细胞呼吸和酶的作用逐渐减弱直至停止，饲草的养分分解很少，所有细菌、霉菌均不能在其中生长繁殖，从而达到长期保存的目的[5]。但这种方法因设备投资大、燃料价格高，使得牧草干燥成本很高，干草的较高售价又会造成牲畜喂饲成本的上升，牧民只有在急需时才被迫购买干草喂饲牲畜。因此，研究低成本牧草干燥方法和设备成为当务之急。

近年来，包括中国农机院呼和浩特分院在内的国内外众多研究院所都在试验性的研究利用太阳能干燥牧草的方法和设备。但受到太阳能能量集中度低，设备生产效率低等多种因素影响，研究结果均未能转化为产业化生产能力[6]。本研究通过在甘肃、青海、西藏部分地区的调研，根据青藏高原太阳能非常丰富的特点，设计了利用太阳能作为牧草干燥能源的牧草烘干温室及烘干装置，可极大地降低牧草干燥成本，使牲畜食用质优价廉的干草成为可能。

1 太阳能烘干温室的设计

1.1总体布局如图1所示，温室由若干个平板型太阳能空气集热器组成的空气集热器组和干燥工作间2部分组成。空气集热器组长60 m、宽3 m，为获得最大的太阳辐射热能，其安装倾角α与当地的地理纬度基本一致；干燥工作间长60 m、跨度6 m、后墙高3.5 m，玻璃屋面的倾角也与当地的地理纬度基本一致，以获得最大的太阳辐射热能，前墙高度尺寸由后墙高和玻璃屋面的倾角确定；空气集热器组和干燥工作间安装在水泥地基上[7-8]。

1.2工作原理如图2所示，平板型太阳能空气集热器主要由黑色吸热板、透明盖板、隔热层和外壳组成[7]。工作时，太阳辐射穿过透明盖板投射在吸热板上，被吸热板吸收转化为热能，空气由图1所示从集热器底部进入，获得热能成为热空气。从连接集热器与干燥工作间的热空气管道进入牧草车底部的热空气室，由下向上穿过牧草车底部的金属网和牧草，加热干燥牧草。

图1 温室结构简图

图2 温室墙和太阳能空气集热器结构简图

干燥工作间前墙、屋面均为金属骨架的玻璃墙面，东西侧墙、后墙如图2所示用夹层结构保温绝热。侧墙、后墙内表面、地面及牧草车均涂成黑色，吸收从前墙、屋面投射进来的太阳辐射能。使干燥工作间内形成高温状态，牧草在高温干燥工作间内被热空气不断加热干燥，牧草中的水分被热空气带走。工作间顶部均匀布设排气孔和风机，吸收了水分的湿空气由此被风机强制排出。

2 牧草干燥装置的设计

2.1组成如图3所示，牧草干燥装置主要由牧草车和导轨组成，牧草车为三维尺寸3 m×1 m×0.8 m的长方体形状，骨架用角铁焊接而成，顶部敞开，四壁及底板为金属网，在底部角铁上安装滚轮，滚轮沿导轨滚动，导轨长64 m，从工作间东西两侧大门各伸出2 m，用于牧草车装卸牧草。

图3 牧草车结构简图

2.2工作过程工作时，被压扁铡碎的待干燥牧草装入牧草车，然后将牧草车沿导轨推入干燥工作间，待全部牧草车均推入后，关闭干燥工作间东西两侧墙上安装的大门，开始干燥。工作人员根据在干燥工作间安装的温度、湿度传感器输出的温度、湿度数值确定结束干燥的时间。干燥完毕，打开干燥间两侧大门，将牧草车推出工作间，把牧草倾倒在晾晒场，继续散失湿气，直到水分含量达到要求[9-10]。

3 技术可行性分析

太阳能干燥技术已是一种成熟技术，在小批量农产品干燥加工中已有应用，本研究设计的牧草烘干温室及干燥装置的干燥工作原理与已有的农产品干燥装置是相同的，只是规模比较大。而青藏高原属于我国太阳能资源最为富集的地区[7]，西藏、青海西部年均接受太阳辐射总量在6 680～8 400 MJ/m2，西藏东南部、青海东部、甘肃东南部年均接受太阳辐射总量在5 852～6 680 MJ/m2。因此，青藏高原的年均接受太阳辐射值可达到6 700 MJ/m2。本研究设计的空气集热器的集热效率为25%～35%，温室的集热效率为40%～50%[7]，取2个集热效率参数的平均值计算，每天输入干燥工作间的热量(Q)如下式计算：

Q=(A1×30%+A2×45%)×6 700/365

=(180×30%+360×45%)×6 700/365

=3 965 MJ

式中，A1为空气集热器组的集热面积，A2为干燥工作间的集热面积，该热量相当于135.5 kg的标准煤完全燃烧释放的热量。

在青海实地调查中，测量了当地玻璃温室内的温度。在天气晴好时，中午温室内的温度为45～65 ℃，同时试验测量了平板型太阳能空气集热器出口的空气温度，为80～90 ℃。因此，本研究设计的牧草烘干温室及干燥装置利用太阳能干燥牧草从技术上是可行的[7]。

4 干燥成本对比分析

目前国内滚筒式牧草干燥机械运行中，干燥1 kg牧草需耗标准煤0.2～0.3 kg，煤炭价格按2010年1月国内标准煤的中间价500元/t计算，1 kg牧草的燃料成本是0.10～0.15元/kg。根据生产规模的不同，国产的滚筒式牧草干燥设备的售价为50万～100万元/台，国外同类设备的售价为30万～80万美元/台，按滚筒式牧草干燥机的一般生产率进行设备折旧，均摊到1 kg牧草上的设备折旧费为0.10～0.12元/kg，加上设备的耗电成本，滚筒式牧草干燥机干燥1 kg牧草的成本为0.25～0.30元/kg[11]。

本研究设计的牧草烘干温室及干燥装置中，太阳能空气集热器造价按260元/m2计算，空气集热器组的面积为180 m2，总造价为4.68万元；水泥地基造价包含在干燥工作间造价中，干燥工作间及地基造价按200 元/m2计算，干燥工作间的面积为360 m2，总造价为7.2万元；牧草车及导轨造价折合在牧草车中计算，每台牧草车按200元计算，共用50 台，总造价为1.0万元。3项总计为12.88万元。加上温室内安装的温湿度传感监控设备[12]，总体造价可控制在14万元以内。

本设计利用免费的太阳能为牧草干燥能源，监控设备、排气风机等消耗电能较小，所以能源成本为0.01～0.02元/kg。设备折旧率与折旧时间与滚筒式干燥机取同样数值，均摊到1 kg牧草上的设备折旧费仅为0.03～0.04元/kg。因此，利用牧草烘干温室及干燥装置干燥1 kg牧草的成本为0.04～0.06元/kg。与滚筒式干燥机相比，节约成本80%以上。

5 存在的问题与对策

本研究设计的牧草烘干温室及干燥装置与牧草滚筒干燥机相比，属于低温批量干燥。由于完全靠太阳能干燥，无法达到滚筒干燥机内近千度的高温，要达到牧草适宜贮存的干燥程度，需要较长的干燥时间，且受天气影响较大，在多云或阴雨天气，太阳辐射热能减少，工作无法正常进行，因此仍然存在生产率相对较低的问题。实际使用中，要提高干燥牧草的效率，较好的选择是将本研究设计的牧草烘干温室及干燥装置与小型滚筒式牧草干燥机结合在一起，采用分段干燥。由牧草烘干温室承担牧草初级干燥，将新鲜牧草的含水量由80%降低为40%左右，再由小型滚筒式牧草干燥机完成后期干燥，将牧草水分再降低为15%以下的安全贮存水分。因为在烘干温室中牧草含水量已经降到较低水平，可以缩短牧草在滚筒中干燥时间，小型滚筒式牧草干燥机的生产效率即可满足要求。干燥好的牧草用打捆机压捆贮存或用粉碎机粉碎成草粉贮存。这样，既利用太阳能降低了常规能源消耗，又避免了采购大型滚筒式牧草干燥机的巨额投资，且生产效率也比较高。