太阳能PV/T空气集热器干燥性能实验研究*

KEOVISAR Vanhkeo，王云峰，黄梦萧，杜桂菊

(云南师范大学 太阳能研究所，云南 昆明 650500)

1 引 言

太阳能干燥技术具有节能和环保的特点，随着太阳能集热器的不断改进和创新，太阳能综合利用效率有了很大提高，使太阳能干燥技术得到了一定的发展[1].目前许多太阳能干燥系统均需要电能来驱动风机等设备，且太阳能集热器的利用效率不高[2-6].

本文以食用玫瑰花作为干燥物料，利用太阳能(Photovoltaic/thermal,PV/T)空气集热器收集太阳热能为干燥系统提供所需热风，且整个干燥过程中所需的电能均由太阳能PV/T集热器中的非晶硅电池提供，通过实验获得了该太阳能PV/T空气集热器的热、电性能及食用玫瑰花的干燥特性.

2 实验平台及测试系统

2.1 实验平台

实验装置结构如图1所示，主要由太阳能PV/T空气集热器、干燥箱和风机三部分组成.其PV/T空气集热器朝南倾斜30°放置，干燥箱与集热器出风口相连，由多个直流风机驱动集热器产生的热风直接进入干燥箱内干燥物料.

图1 太阳能PV/T干燥系统原理图Fig.1 Schematic diagram of the solar drying system

太阳能PV/T空气集热器的结构如图2所示，其相关设计参数列于表1中.该集热器从上至下分别是钢化玻璃盖板、非晶硅电池、铝吸热板、空气流道、背板及保温层.采用非晶硅电池主要是因为其温度系数低，电效率受集热器出风温度影响较小，使得集热器能在获得较高热风温度的同时仍保持较稳定的电效率.PV/T集热器有效采光/集热面积为1.85 m2，而非晶硅电池有效面积为1.21 m2，通过EVA胶连接在吸热板上.吸热板背面则为带肋片的空气流道，采用23块直肋以强化空气层内的对流换热和提高热效率.

1.空气出口 2.玻璃盖板 3.非晶硅电池 4.吸热板 5.保温层图2 PV/T空气集热器的结构图Fig.2 Schematic of the solar PV/T air collector

表1 太阳能PV/T空气集热器的相关参数Table 1 The parameters of solar PV/T air collector

1.空气出口 2.空气进口 3.干燥箱门 4.导风板图3 干燥箱结构示意图Fig.3 Schematic of the drying chamber

图3为太阳能干燥箱的结构示意图.该干燥箱主要由空气进口、空气出口和物料托盘等组成，其外形尺寸为1.2 m×0.9 m×1.2 m，壁内部有60 mm厚的聚氨酯保温棉以减少箱内热量散失.在PV/T空气集热器和干燥箱之间装有5个功率为6 W的直流风机以驱动集热器产生的热风进入干燥箱内.箱体下端安装有导风板以消除热风死角，箱内设置了3个不锈钢网制的物料托盘.箱体顶部设有两个带风阀的排湿口以调节干燥箱内的湿度.

2.2 实验测试系统

空气进入PV/T空气集热器被加热后，被设置在集热器出风口的直流风机强制输送到干燥箱内用于玫瑰花干燥，非晶硅电池所发的电能通过充放电控制器优先供给风机使用，多余的电能储存在蓄电池内.在集热器进、出口处各设有3个温度探头，非晶硅电池背面也设有温度探头来观测温度对其电性能的影响，各层物料盘处均有温、湿度计记录整个干燥过程中各层的温、湿度变化情况，相关测试设备的参数列于表2中.实验在2019年4月至5月间连续进行，测试时间为每天9∶00-17∶00，每份100 g玫瑰花瓣均匀平铺于各层物料盘上，实验过程中每隔1小时记录一次质量.

表2 系统的测试设备Table 2 System equipment parameter

3 系统性能评价

3.1 PV/T空气集热器的性能评估评价

PV/T空气集热器的性能通常由产生的电量和热量来评估.PV/T空气集热器瞬时集热量为[7]：

(1)

测试整个时间段内吸热板的总集热量为：

(2)

式中：t1和t2分别为实验开始和结束的时间，s.

则PV/T集热器的瞬时热效率为：

(3)

式中：Ac为集热器的采光面积，m2；(τα)为吸热板的透射吸收积；G为太阳辐照强度，W/m2；其中(τα)为透射吸收积，其计算如下：

(4)

式中：τ为玻璃盖板的透过率；α为吸热板的吸收率；ρd为漫反射率.

集热器全天的平均热效率为：

(5)

式中：H为一天的辐照量，MJ/m2.

该PV/T空气集热器的瞬时发电功率为：

W=P=UI

(6)

式中：U为电压，V；I为电流，A；P为电池的瞬时功率，W.

整个测试过程中光伏电池的总发电量为：

(7)

则该PV/T集热器的瞬时电效率为：

(8)

式中：Apv为电池的有效面积，m2.

全天平均电效率为：

(9)

由于能源品位高低不同，电能是高品位能源，热能是低品位能源，在计算综合能源效率时，需将其转化为同一标准：

(10)

式中：ξ为光伏电池覆盖率，ξ=Apv/Ac；ηpower为普通热发电厂的效率，一般取0.38.

3.2 物料干燥能力的评价

干燥过程物料含水率[8]：

(11)

式中：G0为物料初始质量，kg；X0为物料初始含水率；G′为干燥过程中物料的质量，kg.

湿物料干燥速率为：

(12)

式中：m为汽化的水分质量，kg；S为干燥面积，m2；GC为绝对干燥物料的质量，kg.

3.3 干燥过程所需热量

所需热量主要用于预热干燥箱及干燥玫瑰花物料，还包括干燥过程中开关干燥箱门和管道中的热损失.

空气及原始所含水分升温所带走的热量[8]：

Q1=1.01L(T2-T0)+1.88LH0(T2-T0)

(13)

式中：L为绝对干燥空气的质量，kg；T0为空气进入干燥箱的温度，℃；T2为空气出干燥箱时的温度，℃；H0为空气进入干燥器的湿度.

蒸发物料水分的热量：

Q2=M(2 490+1.88T2-4.187T1′)

(14)

式中：M为水分蒸发量，kg(水)/s；T1′为物料进干燥箱时的温度，℃.

物料及其中残存水分升温带走的热量：

Q3=GC(T2′-T1′)(cs+X2cw′)

(15)

式中：GC为绝对干燥物料的质量，kg；T2′为物料出干燥箱时的温度，℃；cs为绝对干燥物料的比热容，kJ/(kg·℃)；X2为湿物料出干燥箱时的干基含水率；cw′为水分的比热容，其值为4.187 kJ/(kg·℃).

实验过程的热损失[9-10]：

Q4=0.2×(Q1+Q2+Q3)

(16)

式中0.2为干燥箱的平均热损系数.

整个干燥系统所需要的热量：

Q总=Q1+Q2+Q3+Q4

(17)

4 结果与分析

4.1 PV/T空气集热器的性能分析

选取某典型晴天9∶00-17∶00的测试结果进行分析，该天平均环境温度为22.52 ℃，测试期间太阳总辐照量为22.14 MJ/m2.由图4中热、电功率、太阳辐射强度随时间的变化关系可看出，热、电功率与辐照强度变化趋势基本一致，热、电功率在一个实验周期内的早上和下午偏低，这是因为早上和下午，太阳光入射角度偏大，吸热板和太阳电池接收到的太阳辐照比例偏小.同时，由式(2)、(4)、(7)、(9)和(10)计算出该PV/T空气集热器在测试期间所获得总的热能和电能分别是10.89 MJ和1.7 MJ，其热、电转换效率及综合能量转换效率分别是32.06%、7.66%和45.93%.所获得电能能够满足5个功率为6 W的直流风机连续运行15.74 h，但干燥期间风机只运行了8 h，因此白天多余的电能用蓄电池储存起来，用于为夜间干燥箱内的排湿风机供电.

图4 热、电功率、辐照强度随时间的变化情况Fig.4 The variation of the thermal/electrical power with time

4.2 干燥特性分析

4.2.1 物料的干燥曲线及干燥速度曲线

图5 物料含水率随干燥时间的变化Fig.5 Variation of moisture content of materials with drying time

物料含水量随时间变化(干燥曲线)如图5所示，根据干燥箱的进风口设计，最底层物料盘首先接触由集热器出来的热空气，随后热空气依次流过中、上层物料盘.因此，干燥箱内的温度分布呈现自下而上逐渐降低的趋势，则各层玫瑰花干燥所需的时间则与温度分布趋势相反，由下至上分别干燥了5、6和7 h.由图可见，玫瑰花的干燥阶段主要分为加速期和降速期，其原因是热风加热由外向内，表面水分优先蒸发，传质与传热方向相反，待物料表面水分过低时便进入了降速期，降速期为水分由花瓣内部向表面迁移的过程，除与温度相关外还受到玫瑰花瓣本身结构影响.

图6 干燥速度随物料含水量的变化曲线 Fig.6 Variation curve of drying rate with water content of the material

图6为干燥速度随含水量的变化曲线，玫瑰花初始时含水率为90%，干燥结束后的含水率为10%.在干燥过程中，随着太阳辐照度的增加，干燥速度也随之增强，下、中和顶层的最大干燥速度分别是0.035 kg/(m2·h)、 0.031 kg/(m2·h)和 0.031 kg/(m2·h)，随着玫瑰花表面水分的蒸发，其干燥速度越来越小.原因是到了干燥后期，玫瑰花内的含水率已经非常少了，其内部水分扩散到物料表面越来越困难，但其整体干燥速度仍呈现出底层高于中层和上层的趋势.

4.2.2 干燥所需能量分析

表3为该天玫瑰花的质量变化数据，该物料每小时称量一次，可看出，下层的物料在14∶00干燥完成，中层、顶层均向后延迟.这是因为下层物料盘距离热风进口比较近，温度偏高造成的.

由式(13)、(14)、(15)和(16)计算得出空气及原始所含水分升温所需热量、蒸发水分所需的热量、物料及其残存水分升温所需热量和系统热损分别是4.047 kJ、668.27 kJ、1.60 kJ和134.85 kJ，该系统运行起来需要的总热量是808.77 kJ.由上述的PV/T性能分析得到，该集热器能提供10.89 MJ热能，足够供给干燥箱.为了使热量得到充分利用，按此能量的计算，该天气条件下，能干燥玫瑰花瓣的最大质量是4.04 kg.

5 结 论

对所设计的太阳能PV/T空气集热器的干燥性能进行了实验研究，得到以下的结果：

该多晶硅太阳能PV/T空气集热器在测试期间内的热、电效率和综合效率分别为32.06%、7.66%和45.93%，即由太阳能转换的热能和电能分别是10.09 MJ和1.7 MJ，实验中能够驱动5个6 W的直流风机运行15.74 h，优先供给直流风机，白天用不完的电能储存在蓄电池中用于夜间箱内排湿.

将初始含水率为90%的玫瑰花干燥至10%时，该太阳能干燥箱内下层、中层和顶层所用时间是5 h、6 h和7 h,最大干燥速度是0.035 kg/ (m2·h)、 0.031 kg/(m2·h)和0.031 kg/(m2·h)，共脱去0.24 kg的水.

从系统能量分析得出干燥0.30 kg玫瑰花，该干燥箱系统需要的能量是808.77 kJ，大部分的能量被消耗在系统热损上，下一步工作中将进一步优化系统以减少热损失.整个干燥过程中集热器转换的热量是10.89 MJ，能够满足干燥的热量需求，经计算在相同工况下该系统干燥玫瑰花的最大量为4.04 kg.

表3 玫瑰花的重量变化数据Table 3 Variation of the weight during the drying test