储热技术在木材太阳能干燥中的应用与发展趋势

于海涛，高建民，陈 瑶

（北京林业大学木质材料科学与应用教育部重点实验室，北京 100083）

太阳能是一种清洁可再生能源，资源丰富、能量供应充足。然而太阳能受地理、昼夜和季节等规律性变化的影响，具有显著的不稳定性和间歇性[2]。为了提高太阳能热利用系统的稳定性和可靠性，储热技术变得不可或缺。充分利用储热技术，开发新型储热材料是提高能源利用率和保护环境的重要手段，对于降低干燥行业的能耗具有广泛的应用前景。

1 储热技术

储热技术是提高能源利用率的重要手段之一，它利用物理热的形式将暂时不用的余热或者多余的热量储存于适当的介质中，在需要使用时再通过一定的方法将其释放出来，从而解决了由于时间或者地点上供热与用热的不匹配和不均匀所导致的能源利用率低的问题，最大限度的利用加热过程中的热能或余热，提高整个加热系统的热利用率。目前储热技术主要研究显热、潜热和化学能三种热能的储存，在我国工业和民用中用途广泛，在能源科学技术领域占有极其重要的地位[3]。

1.1 显热储存

每一种物质均具有一定的比热容，在物质形态不变的情况下随着温度的变化，它会吸收或者放出热量，显热储存技术就是利用物质的这一特性。其储热效果和材料的比热容、密度等因素关系密切[4]。显热储存系统结构简单，运行方便。但是其最重要的缺点是储能密度较小，即单位体积所能储存的能量较少，从而导致储能装置的体积往往过于庞大。

在液体储热中水蓄热是最为常见的显热储存方式，通过改变水的温度进行蓄热，利用水的显热进行能量储存，具有价格低廉、来源方便、比热容大等优点，主要应用于建筑采暖、生活用热水、农林作物干燥等领域[5]。导热油一般应用于中高温储热中，近年来在低温储热中也得到了关注[6-7]。岩床型储热材料通常用于空气加热系统中，在干燥领域得到了广泛的研究[8]。Madhlopa等[9]设计建造了带有辅助热源的太阳能干燥系统，采用卵石作为显热储热材料；Mohanraj等[10]将砾石储热耦合平板型太阳能空气集热器用以干燥辣椒，在无阳光照射的情况下添加储热材料的干燥器干燥时间延长了4 h。Fudholi 等[11]将沙子作为储热材料应用到太阳能果蔬干燥中，并根据实验数据推导出了相应的方程用于计算热空气和被干产品的温度变化。

1.2 潜热储存

潜热储存（相变储能）是利用物态转变过程中，等温释放的相变潜热通过盛装相变材料的元件，将能量储存起来待需要时再把热能通过一定的方式释放出来以供使用。物态的转变通常存在以下几种形式：固-气、固-液、液-气、固-固[12]。潜热储能不仅能量密度高，而且所用装置简单、体积小、设计灵活、使用方便且易于管理。在这三类储能中，潜热储能最具有实际发展前途，也是目前研究和应用最多、最重要的储能方式。

中低温潜热储存技术主要应用于工业干燥、建筑节能、工业余热利用等领域。其中石蜡、脂肪酸、无机水合盐等相变储热材料得到了广泛的应用[13]。Devahastin 等[14]研究了在农作物干燥中石蜡的储/放热性能，并指出农作物适宜的干燥温度为40～75 ℃。在建筑节能领域，石蜡、脂肪酸等有机相变材料掺入到普通的建筑材料构件中，从而获得了诸如相变储热墙板、相变储能采暖地板、相变储能混凝土等新型建筑材料[15]。在中低温工业余热回收领域中，水合CaCl2、硬脂酸等相变储能材料得到了广泛关注[16]。徐燕等[17]将十水硫酸钠储热材料应用在农业大棚中取得了良好的实用效果。然而，石蜡、脂肪酸、无机水合盐等相变储热材料也普遍存在一些缺点，诸如导热系数低、密度小、易泄露、易挥发等。国内外科研工作者做了大量的工作，以提高其导热系数，改善储/放热性能。周艳等[18]对正十八烷中分别添加纳米Cu粒子、纳米Al粒子及纳米Fe2O3粒子的复合相变材料的传热性能进行了实验研究，结果表明纳米Al粒子/正十八烷复合相变材料导热系数的提高较其它两者更为明显。Cui 等[19]研究了纳米碳纤维和纳米碳管对大豆蜡、石蜡导热性能的影响，由于分散性的原因，纳米碳纤维对导热性能的提升起到了更好的作用。吴淑英等[20]制备了纳米石墨烯片/石蜡复合相变蓄热材料，纳米石墨烯片在质量分数为2%时，复合材料导热系数相对提高率为34.2%，表现出良好的强化导热效果。Harikrishnan 等[21]将纳米杂化材料（二氧化钛50%和氧化铜50%）添加到石蜡中，结果表明加入杂化材料（含量1%）后复合相变材料的融化和凝固时间分别缩短了29.8%和27.7%。复合相变材料的导热性能和黏度均有所提升。Xia等[22]制备了膨胀石墨/石蜡复合相变储热材料，研究了膨胀石墨质量分数（0～10%）对相变材料热物理性能影响，结果表明随着膨胀石墨质量分数的增加，复合材料的导热系数不断增加，且膨胀石墨质量分数为10%的复合材料储/放热周期缩短了66.5%。Li等[23]利用二氧化硅高的导热系数、高的比表面积和界面效应，采用溶胶-凝胶法制备了定型石蜡二氧化硅复合相变材料，有效地改善了固-液相变材料的泄漏和挥发问题，并能显著地提高复合材料的导热系数。为了提高硬脂酸、己二酸等材料的储热性能，张正国等[24]、周建伟等[25]、朱教群等[26]制备了硬脂酸/二氧化硅、硬脂酸/氧化石墨烯、己二酸/二氧化硅复合相变储热材料，解决了硬脂酸在相变时的渗出泄漏问题，并提高了复合材料的导热效率及稳定性。王婷玉[27]采用微胶囊的方法解决了十二水合磷酸氢二钠的过冷问题，Frusteri等[28]则对碳纤维强化无机物相变储热材料的导热性能进行了研究。

1.3 化学能储存

化学能储存是利用储能材料相接触时发生化学反应，而通过热能与化学能的转换进行能量存储的方法。化学储能是一种高能量、高密度的储存方式，它的储能密度一般都高于显热和潜热，而且此种储能体系通过催化剂或产物分离方法极易用于长期能量储存。然而这种储热方式的缺点是技术复杂、价格昂贵、且整体效率低[29]。

化学能储存主要应用于化学热泵、化学热管、化学热机等方面。澳大利亚大学设计了氨化学储热系统，用于碟式热发电系统，储存方便，储热效果良好[30]。目前光伏化学储热成为化学储能技术的研究热点。利用材料的光控化学结构转变，将光能存储于亚稳态的化学键中，通过可控回复实现热能的释放。偶氮苯/石墨烯、偶氮苯/碳纳米管等光伏化学材料克服了传统光伏储热材料与技术存在存储密度低和装置体积庞大等局限性，为实现高密度、长效循环的太阳能储热提供了可能[31]。

如乐善秦腔《四进士》中，宋士杰在公堂上为救杨素贞的大段念白，不仅表现了宋士杰打抱不平、伸张正义的鲜明态度，而且体现了宋士杰的性格。

2 储热技术在木材太阳能干燥中的应用

太阳能干燥是指利用太阳辐射能及太阳能干燥装置所进行的干燥作业[32]。国内外储热技术在太阳能干燥领域均有一些研究，目前太阳能干燥主要应用于谷物、烟草、果蔬等农副产品中，其次是木材[33]。近年来，潜热储热技术在太阳能储热领域引起了更高的兴趣及关注，科研工作者对相变储热技术在太阳能干燥中的应用做出了大量研究。

2.1 显热储热技术在木材太阳能干燥中的应用

常见的显热储热干燥室有黑龙江省林业科学院设计、建造的集热器分开布置的不透明墙壁型太阳能干燥室。该系统主要分为三个部分：干燥室、储热床、空气集热器。储热床为显热储存方式，采用鹅卵石作为储热材料，覆盖涂黑瓦楞铁皮，以增大吸收太阳能效果，有利于存储热能。外墙与地面设有膨胀珍珠岩夹层，以提高保温性能[34]。

Luna等[35]开发研究了一种以水作为储热材料的潜热储存太阳能干燥窑，以干燥松木。该系统主要分为四个部分：干燥室、空气太阳能收集器、水太阳能集热器以及储热单元。储热单元由两部分组成：交换储存单元和加热单元。使用水作为储热流体，使用空气作为换热流体。水太阳能集热器储存的热量一部分用于加热空气以干燥木材，另一部分用于加热储热单元以实现储热的目的，蓄水箱中包含多个竖管，其中部分竖管中含有干燥室中回收的废热气体。空气太阳能收集器将加热的新鲜空气和部分循环废气直接用以干燥木材。极大地提高了太阳能的使用效率，对于木材的节能干燥具有重要意义。

北京林业大学研制了太阳能与双热源热泵联合干燥系统，节能环保效果明显，且能够提高其干燥效益。该系统主要由太阳能热风干燥子系统、空气源热泵干燥子系统、水源热泵干燥子系统组成。当天气晴好时，储热水箱中水温较高，热水直接通过窑内散热铜管，加热空气干燥木材；在水源热泵模式下，储热水箱中的热水通过换热器给热泵提供热量，实现热泵干燥的目的；在空气源热泵模式下，热泵直接从空气中取热，对干燥窑加热。此三种干燥模式根据相应干燥情况，互相切换，满足不同的干燥要求[36]。

2.2 潜热储热技术在木材太阳能干燥中的应用

2.2.1 石蜡储热系统在木材太阳能干燥中的应用

石蜡在众多潜热储热材料中，具有相变潜热较高、几乎没有过冷、没有相分离和腐蚀性等优点而成为常用的储热材料。木材太阳能干燥适宜的干燥温度为40～100 ℃，属于低温储热的应用范畴。在此基础上科研工作者将石蜡储热系统成功应用于木材太阳能干燥中，以实现节能干燥的目的。并对该技术做了大量的科学研究。

冯小江等[37]为了解决太阳能间歇性和不稳定性等问题，成功研制了移动式石蜡相变储热木材太阳能干燥装置，如图1所示。该装置主要包括热管真空太阳能空气集热系统，石蜡相变储热系统，干燥系统，自动控制系统4个部分。装置中相变储热系统由装有石蜡相变储热材料的铝管构成。白天使用太阳能集热器将热量传给干燥室和相变储热系统，夜间相变储热系统向干燥室供热，热能供应不足时由电加热进行补充，既改善了太阳能干燥的间歇性，又大大提高了系统的节能效果，解决了传统太阳能显热储热体积大、热效率低等缺点。

由于热管式集热器工艺要求和成本较高，整体式集热器省去了连接集热器和干燥室的管道，并有助于减少热量传递损失。潘学飚等[38]设计并开发了带有热管与储热装置的整体式太阳能干燥室，如图2所示。该干燥室的储热装置由300根石蜡管分成两组，分别安装在干燥室的东、西侧，纵向阵列式排列。实验结果表明安装石蜡管束后干燥室夜间温度比环境温度高10～20 ℃，干燥室温度趋于平稳，但储热能力有限，难以使干燥室在夜间维持较高温度。

图1 新型相变储热木材太阳能干燥室Fig.1 A new tape solar wood dryer with latent heat storage system

图2 太阳能木材干燥窑Fig.2 Solar drying kiln structure

何正斌等[39]对石蜡相变储热管的放热时间进行了理论预测与验证，实验结果表明在实际干燥过程中，储热单元中的石蜡管中心和管壁一直存在温度差，而且换热介质的气流速度越大，管壁的温度减小得越快。甘雪菲等[40]在已有节能装置的基础上对管排数、风速等参数对石蜡管的换热系数以及放热效率的影响进行研究。研究表明，放热效率随着风速的增大而下降，随管排数的增加而有所提高。另外，延长放热时间，可以提高换热效率，最高可使放热效率提高62%。随后作者又对石蜡储热系统的储热换热性能做了相应的研究，实验结果表明在该装置下空气温度越高，风速越大，则储热换热效果越好，储热所需时间越短。空气温度变化越大，换热系数的变化也越大[41]。

张晓燕等[42]为了提高石蜡的导热性和相变潜热，制备了硫酸铝铵/石蜡复合相变储热材料，石蜡中加入40%的硫酸铝铵，使复合相变储热材料的潜热增加、热导率显著提高，储放热时间明显缩短。为了着重改善石蜡相变储热系统的储换热性能，作者将纳米石墨与石蜡相结合，制备了石蜡/纳米石墨复合相变储热材料，通过变换铝管管径、循环风速以及空气温度，计算出复合相变储热材料的换热系数及放热效率，为储热系统的优化匹配提供了理论依据[43]。

2.2.2 水合盐储热系统在木材太阳能干燥中的应用

相变材料的研究日益广泛，水合盐类相变材料具有较高的潜热密度，且可供选择的熔点范围也很广，然而在木材太阳能干燥中应用较少。孙军等[44]采用MgCl2·6H2O和Mg(NO3)2·6H2O作为相变材料，并根据不同干燥工艺需求进行优化设计，以白松为试材，节能效果较好，干燥成本及系统稳定性均能满足干燥要求。

3 储热技术在木材太阳能干燥中的发展趋势

太阳能干燥是太阳能热利用的重要部分。储热技术在太阳能干燥领域的研究仍处于初级阶段，显热储热技术在生产实践中得到了一定的实用效果，但其储能密度低、体积庞大等问题仍需亟待解决；潜热储热技术在储热机理、材料以及储热系统方面都有比较深入的研究，但我国潜热储热技术及材料的理论和应用研究与发达国家相比还较薄弱。从应用范围来看，国内在太阳能干燥的应用研究还有待提高；而化学能储存技术目前多应用于光伏领域，在太阳能干燥等中低温储热领域中鲜有研究。从目前的储热技术在太阳能干燥的研究和利用情况来看，作者认为木材太阳能干燥的发展趋势主要有下列4个方面。

（1）加强对中低温储热材料的研究，提高储热材料的导热系数和换热效率，以实现强传热、保蓄热的目的，更好地满足太阳能干燥的工业需求。

（2）强化相变储热单元的性能，研发适宜木材干燥用的储热单元，以提高储热速率，缩短相变蓄热时间。

（3）梯级相变技术应用于太阳能干燥中，以提高系统的传热和热力学性能及提高能源的利用率。

（4）显热储热与潜热储热相结合，克服单一材料本身存在的一些缺陷，提高其储能密度并为储热系统提供稳定的能量。

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