温室型太阳能装置在农产品干燥中的应用

张肖肖，王广润，蒋 斌，窦 刚

（山东天力能源股份有限公司，山东济南 250100）

截至2018 年，世界人口已达到76 亿。考虑到未来25 年人口的增长，食品供给量需要增加50%以解决食品短缺问题[1]。而根据联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）最近的一项研究报告显示，全世界35%的食品在生产和零售环节被浪费，其中主要的粮食蔬菜和水果的损失在50%～60%之间[2]。利用干燥技术可减少运输及销售环节中产生的腐败并延长食品的贮藏时间，从而预防食品短缺[3]。目前干燥已成为延长农产品存储时间、增加农产品附加值的有效手段[4]。

太阳能是一种储量丰富、分布广泛的可再生能源[5]。人们利用太阳能进行农产品的干燥历史悠久。在太阳能集热装置大规模利用之前，露天晾晒是最为常用的方式[6-7]。其原理是落在产品表面的太阳辐射被部分吸收，利用这部分热量除去农产品内部的水分[8]。然而，在露天晾晒条件下，被干燥的农产品容易受到灰尘、微生物甚至鸟类粪便的污染[9]。此外，露天晾晒受限于环境条件，加工时间较长，且容易使农产品品质降低[10]，导致农产品干燥质量远低于国家标准。

温室是一个封闭的框架结构，可有效减少环境污染源对干燥物料品质的影响；温室的透明屋顶也可有效减少由长波辐射引起的热量损失，提高太阳能利用效率[11]。因此，采用温室干燥方式，可以克服露天晾晒的缺点，提高干燥品质。温室干燥是以温室作为集热装置的干燥方式，其将产品放置在温室内接收太阳辐射的托盘中，通过自然或强制对流除去水分[12]。根据相关研究，温室效应可以将干燥材料加热到高于环境温度25 ℃以上[12-13]。根据相关文献研究得到的长期贮存建议的安全水分含量及干燥温度，除了少数产品如烟叶所需要的干燥温度较高外，大部分农产品的干燥温度均在温室制热温度范围内（30～50 ℃），因此温室干燥具有较强的适应性[9]。此外，由于温室是农业种植中的重要设施，因此采用温室干燥既增加了温室的利用时间，也减少了干燥设备的投资成本，从而吸引了众多学者对温室干燥装置的研究。为更好地了解温室干燥的发展现状，本文对温室干燥装置进行了总结，并综述了温室干燥所得产品的干燥特性以及温室干燥装置的经济性。

1 温室干燥装置的分类

根据干燥送风模式的不同，温室干燥装置可分为被动式温室干燥装置（图1）[14]和主动式温室干燥装置（图2）[15]。其中被动模式是利用空气的热胀冷缩原理，通过自然通风的模式进行通风与除湿；而主动模式则是通过风机强迫温室内的气体流动。

图1 被动式温室干燥装置Fig.1 drying device of passive greenhouse

图2 主动式温室干燥装置Fig.2 Drying deviceActive of greenhouse

1.1 自然对流温室干燥装置

自然对流温室干燥装置的原理是利用太阳能烟囱效应抽吸环境中的空气完成。对温室内农产品的对流干燥过程，其最大的优点在于在干燥过程中完全不消耗电力能源，从而使温室干燥装置可以在电网不完善的地区应用。Koyuncu[16]设计了一种可移动式的自然对流温室干燥装置，结果表明，所提出的装置相对于露天晾晒可以提高5～9 ℃的烘箱温度，并提高干燥效率2～5 倍。Gbaha等[17]设计了一种温室型太阳能直接干燥装置，由透明盖板、干燥箱、干燥支架及太阳能烟囱组成。通过对木薯、香蕉、芒果的干燥试验，可以得到其干燥时间分别为19、22、27h。采用此方式可将果蔬的保质期延长至1 年。虽然相比于露天晾晒，自然对流温室干燥装置能够有效缩短干燥时间，但由于太阳能烟囱效应受太阳辐射强度的影响，存在送风不稳定和风流量小的特点，限制了对农产品品质的精准控制。Nair 等[18]发明了一种可折叠的自然对流温室干燥装置，用来干燥葡萄，然而设备会造成干燥过程中温度分布不均匀。

1.2 强迫对流温室干燥装置

为克服自然对流温室干燥装置的缺点，相关学者设计了强迫对流温室干燥装置，利用电动风扇强迫空气在温室中流动，从而能够根据外部环境精准调节空气流量。邢丙丙等[19]将地热能源作为太阳能温室的辅助能源，设计了一种地热-太阳能干燥室温室兼用装置，使其可做到冬季温室育苗及夏季温室干燥。通过对脱水土豆片的干燥试验可以得到其可在22 h 内干燥600 kg 新鲜土豆片；该温室每年产值为42 万元，经济效益为15 万元。

为克服温室干燥装置能量输出不稳定的缺点，有学者将蓄热技术应用于温室干燥装置中。Jain[20]研究填充床蓄热温室在作物干燥中的应用（图3）。通过实验得出，其可在24 h 内干燥2 280 kg 洋葱。Berroug 等[21]研究提出了由相变材料PCM（CaCl2·6H2O）制成的北墙在被动温室中的应用（图4），在温室地面面积每平方米相当于32.4 kg PCM 的情况下，冬季夜间植物温度和室内空气温度均高于6～12 ℃，波动较小。夜间相对湿度平均降低10%～15%。

图3 显热蓄热式温室干燥装置Fig.3 Sensible heat storage greenhouse drying device

此外，为了增强太阳能温室对太阳能的利用效率，研究人员探索了减少损失、并增强干燥物料吸收太阳辐射量的方法。Gupta 等[22]通过对温室的Auto-CAD 建模分析，表明在北半球，当温室采用全透明围护结构时，温室北墙的能量损耗最为显著。Sethi 等[23]在传统温室的北墙上添加了倾斜的辐射反射墙（见图4）。结果表明，在强迫对流条件下，温室内空气和作物温度分别提高1～4.5 ℃和1～3 ℃，干燥时间减少16.67%。王锐锋[24]对强迫对流温室干燥装置的透明材料进行了研究，结果表明聚碳酸酯可以有效提高30.1%的室内温度，且干燥的青梅废品率由8%～10%降到了2%～3%。刘鸿雁等[25]和高阳[26]以金丝小枣为例，对温室最佳的透明盖板材料进行了分析，透光材料选择PVC 薄膜、玻璃、PC 阳光板三种。结果表明，在三种太阳能温室型干燥装置中，玻璃温室型和PC温室型干燥装置集热效果好，干燥速率高，而PVC 温室型集热效果最差，干燥小枣时间最长。

图4 相变蓄热式温室干燥装置Fig.4 Greenhouse drying device of phase change heat storage greenhouse

根据相关研究，强迫对流温室干燥的效果要优于自然对流温室干燥。然而强迫对流的干燥模式需要通过电力驱动风机运转。而太阳能干燥的最大优势在于不消耗化石燃料，因此为了解决通风能源的问题，复合光伏热温室干燥装置（图5）应运而生[27]。其原理是在普通温室上加装太阳能光伏板，利用其产生的电能驱动风机，达到强迫对流的送风模式。Barnwal 等[28]设计了一种光热/光伏一体化温室干燥装置，通过试验表明强迫对流的方式可以有效降低温室干燥装置的热损系数，由自然对流的18 W/(m2·K)减少到11 W/(m2·K)。Janjai 等[29]设计了一种PV/T温室干燥装置，其风机的动力来源于50 W 光伏组件，对于干燥龙眼与香蕉具有良好效果；之后，其又在占巴塞（老挝）开发了大型PV/T 温室干燥装置，顶部采用抛物线形结构并包覆聚碳酸酯材料，9 个直流排气扇由50 W太阳能电池组件供电，整个装置的容量为1 000 kg。Nayak 等[30]建立了PV/T 温室干燥装置数学模型，其模拟得到的太阳能光伏板正、背面和温室空气温度的误差在7.05%～17.58%之间。之后还对其进行了火用分析，得到火用效率水平约为4%。

图5 混合光伏温室干燥装置Fig.5 Drying device of hybrid photovoltaic greenhouse

2 温室干燥模型研究

模拟技术可以通过对偏微分方程组与热平衡方程组的求解来预测作物含水量、干燥速率、作物质量[31]。建立干燥模型可以减少对温室干燥研究的投资成本，并能够了解温室与干燥物料内部的温度场、速度场以及湿度场的详细分布。Prakash 等[31]采利用自适应神经模糊推理系统（ANFIS），来预测温室的室温及相对湿度。结果表明，温度与湿度的误差分别为2.6%与12%。Jain 等[32]通过MATLAB 软件对作物温度、温室内空气温度和水分蒸发速率进行预测。通过试验验证，其预测物料温度与含水率均方根误差分别为2.98%和16.55%。之后，Kumar 等[33]建立了粗糖自然对流温室干燥的数学模型。通过试验对比，此模型与试验值的相关性达到0.9 以上，可以用来对粗糖的温室干燥进行预测。

此外，Anwar[34]与Jain[35]分别对露天晾晒与温室干燥下的对流传质系数进行了研究，结果表明在强迫对流状态下，对流传质系数是雷诺数与普朗特数的函数；而在自然对流状态下，对流传质系数是格拉晓夫与普朗特数的函数，其函数形式见式（1）（2）。

式中，hc为农产品的传质系数，W/(m2·℃)；C与n为经验常数；Pr为普朗特数；Gr为格拉晓夫数；Re为雷诺数；X为农产品的干基含水率；Kv为空气的导热系数，W/(m·℃)。

有较多学者对影响干燥对流传热系数的因素进行分析，其中包括干燥的送风形式、干燥物料的种类、形状与质量，具体见表1。

表1 农产品温室干燥对流换热系数模型的参考值Table 1 Reference value of dry convective heat transfer coefficient model in agricultural greenhouse

3 温室干燥的经济性研究

3.1 农产品温室太阳能干燥时间的研究

在不影响品质的情况下，农产品干燥的最终目标是在较短的时间内获得低水分的产品，以缩短生产周期并延长贮藏时间。众多学者对不同农产品在温室干燥中的干燥时间进行了研究。表2（见下页）显示了几种物料的温室太阳能干燥时间，如Fadhel[40]对集热器自然对流干燥、温室干燥与自然晾晒三种干燥方式进行了研究。结果表明，温室干燥可以减少20%的干燥时间。王锐锋[24]通过对青梅的干燥实验发现，相比于露天晾晒，温室干燥大幅减少了干燥时间，使废品率降低了6%。Janjai 等[41]在老挝的占巴塞（北纬15.13°、东经105.79°）开发了一个单次干燥1 000 kg 的大型温室型干燥装置。通过对香蕉、辣椒与咖啡的干燥测试发现，香蕉的干燥时间由露天晾晒的7 d 减少到5 d，辣椒由5 d 减少到3 d，咖啡由4 d 减少到2 d。此外，经过品质分析，温室干燥香蕉、辣椒和咖啡的质量和颜色优于露天晾晒的。Rathore 等[42]对隧道式太阳能温室干燥装置进行了研究，指出太阳能隧道温室干燥装置的工作温度在55～70 ℃之间，温度梯度为10～28 ℃，非常适合葡萄的干燥。Kumar 等[36]与Kadam 等[43]分别对洋葱的温室干燥进行了研究，指出强迫通风温室干燥的对流传质系数最大，其干燥效率提高30%～135%。Eke 等[44]以玉米为例对温室干燥与露天晾晒进行对比，结果表明温室干燥可以减少55%的干燥时间。郝文刚等[45]对温室干燥与露天晾晒的红薯进行了对比分析，结果表明温室干燥的平均干燥速率比露天晾晒高7.7 g/h，平均太阳能热利用效率为21.23%。

表2 温室太阳能干燥时间的研究Table 2 Researches on drying time of greenhouse

3.2 温室型太阳能干燥经济性的研究

温室型太阳能干燥装置能够大幅度缩短农产品干燥时间，减少生产周期。因此对太阳能温室干燥装置在农产品干燥应用中的经济性的研究尤为重要。赵英等[50]对锅炉热气干燥与温室干燥进行了对比分析。结果表明，相比于锅炉热气烘干，采用太阳能温室干燥西洋参可节约干燥投资90%以上，全部加工过程投资减少60%左右。Suzihaque 等[51]对一种温室干燥装置的运营、维护、施工和产品成本进行了分析，指出托盘面积、咖啡豆密度和劳动力价格对利润的影响最大。根据相关研究，采用温室干燥装置的投资回收期一般在3 年以内，因此温室干燥是提高农产品收益的有效方式。表3 中详细列举了关于温室干燥的经济性分析。

表3 温室干燥的经济性分析Table 3 Economic analysis of greenhouse drying

4 小结

相比于自然对流温室干燥，PV/T 温室与蓄热温室是温室干燥装置的未来发展趋势。PV/T 温室干燥装置在普通温室上加装太阳能光伏板，并利用其产生的电能驱动风机，达到强迫对流的送风模式，可以使干燥过程完全脱离电力，可有效地应用于偏远地区；而将蓄热技术应用于温室干燥能够实现干燥装置稳定连续的能量输出，在时间上拓展太阳能的工作区间，进一步提高温室的能源利用效率与干燥品质。

温室干燥是提高农产品干燥效率与品质的有效途径。然而，由于送风温度与速度的波动性与农产品干燥过程中的夜间缓苏现象，某些物料在进行温室干燥时其品质可能低于传统的热风干燥。在经济效益上，温室干燥具有十分明显的优势，其投资回收期均在3 年以内，远低于设备寿命（15～20 年）；此外，温室还可以进行夏季干燥、冬季育苗的交替工作，能够提升温室的利用率。