先进混合太阳能干燥系统：性能、集成、技术就绪度与水—能—食物（WEF）应用的多准则批判性评述

《Energy Nexus》：Advanced Hybrid Solar Drying Systems: A Critical and Multi-Criteria Review of Performance, Integration, Technology Readiness, and Water–Energy–Food Applications

　　

对下一代混合太阳能干燥技术进行综合评述。对光伏/热（PV/T）、热能储存（TES）、生物质和海水淡化辅助干燥机进行批判性评估。多联产概念可实现高达 40–55% 的?效率（exergy efficiency）。系统评估技术就绪度（TRL）和商业化前景。提出面向可扩展和可持续干燥系统的研究路线图。

该综述的研究背景是：太阳能干燥可持续、成本较低，适合太阳辐射丰富而常规能源受限地区，可保存农产品和生物制品、减少采后损失并延长货架期。但传统被动和直接太阳能干燥器受天气影响大，热控不足、性能不稳、干燥时间长，影响产品质量、加工能力和商业可行性，尤其对药用草本、水果、香料和水产等敏感产品不利。混合太阳能干燥系统通过将太阳能干燥器与光伏/热（PV/T，Photovoltaic/Thermal）、太阳能热集热器、热能储存（TES，Thermal Energy Storage）、生物质加热和太阳能辅助海水淡化等结合，提高可靠性、能效和气候适应性。已有综述多分别讨论单一混合路径，缺少在共同框架下比较运行条件、产品质量、干燥连续性、资源可得性、系统复杂性、经济性和环境性能。研究人员因此开展结构化批判性综述，并关注水—能—食物（WEF，Water–Energy–Food）框架下的多输出系统，意义在于从技术清单转向面向部署的多准则综合。

主要关键技术方法不超过250字：研究人员采用结构化批判性综述，遵循PRISMA 2020报告原则。样本队列来源为Scopus、Web of Science和ScienceDirect数据库中的英文文献，时间范围为1998年12月至2026年4月。检索词组合太阳能干燥与PV/T、太阳能集热器、TES、相变材料（PCM，Phase Change Material）、生物质、热泵、辅助加热、海水淡化等。纳入涉及太阳能或太阳能辅助干燥且至少含一种相关混合/辅助技术、提供充足技术或性能信息、报告实验、数值、理论、技术经济、环境或案例结果的研究；排除与太阳能干燥无关、信息不足、非英文且无合适英文版本、重复记录、会议摘要、社论、学位论文和书籍章节。最终证据基础为260项研究，经两阶段筛选，两名评审独立评估，分歧通过讨论和共识解决。数据提取涵盖出版特征、地点、产品、干燥器配置、混合技术、能源、集热与储存、运行条件、方法、规模和性能指标，并按PV/T、太阳能集热器、TES、生物质、热泵/电加热、海水淡化或水—能子系统组织。因产品、气候、边界和指标异质性大，采用比较叙事综合而非正式meta分析。

研究结果按原文小标题概括如下。2 综述方法：通过PRISMA式检索与筛选，研究人员建立了260项研究的证据库，并采用比较叙事综合，评估技术、经济、环境、技术就绪度和部署因素。3 太阳能干燥技术基础：3.1 太阳能干燥技术指出直接、间接和混合模式各有优劣，直接干燥简单经济但可能造成紫外降解和过热，间接干燥保护品质，混合模式提高干燥速率和均匀性；3.3 性能指标通过干燥效率、SMER、SEC、压降和空气物性等评价，报告干燥效率常见10–35%，并强调应报告范围而非孤立峰值；3.4 构造材料与热组件表明玻璃、聚碳酸酯、黑漆铝、镀锌铁、聚氨酯、岩棉、农业废弃物、不锈钢网、竹、食品级塑料、木材、铝和钢等各有热性能、耐久、成本和食品安全权衡。4 混合化驱动因素：4.1 连续性和能源供应、4.2 连续运行、能效和多功能性、4.3 气候和应用约束、4.8 环境和政策考虑表明，混合化由太阳能间歇、低热效、干燥时间长、控制不足、气候变异、直接暴露、特定产品要求、可扩展性、离网能源独立和可持续政策驱动；解决方案包括备用能源、TES、PV/T、优化集热器、自动控制、间接/混合模式、模块化设计和政策支持。5 PV/T系统：5.1 工作原理、5.2 设计配置与案例研究、5.3 收益与技术挑战、5.4 效率与性能分析表明，PV/T同时产电和热，电可供风扇、传感器和控制系统，热可供干燥；但存在电—热权衡，取热降低PV温度可提高电效率，却可能降低热品位；空气基PV/T电效率约4–24%，水基约5.1–15.8%，热效率常见30–60%；案例显示印度姜黄干燥时间较开放日晒减少40%，埃及椰枣干燥SMER提高；挑战是热管理、复杂性和初投资。6 太阳能集热器：平板集热器（FPC）、真空管集热器（ETC）和复合抛物面聚光器（CPC）是常用类型，FPC简单经济，ETC保温较好，CPC可提高热输出，通常通过保温管道或换热器与干燥室耦合，并可集成TES或生物质加热。7 TES系统：7.1 类型、7.2 农业干燥功能与收益、7.3 挑战与未来方向表明，TES分为显热储存（SHS）、潜热储存（LHS）和热化学储能（TCES）；SHS成熟低成本但体积大，LHS用PCM提供较高能量密度和近等温放热，但存在低导热、泄漏、过冷和相分离，TCES密度高但复杂且不成熟；TES可延长非日照运行并稳定温湿度，但“24/7干燥”是有条件的；未来方向包括多PCM、纳米增强、热化学储存、先进封装、换热器优化、CFD和机器学习辅助预测。8 生物质辅助混合太阳能干燥器：8.1 类型、8.2 工作原理、8.3 收益与挑战、8.4 效率与性能表明，生物质辅助混合太阳能干燥器（BHSD）结合太阳能和生物质燃烧/气化，间接换热可防止产品污染；直接炉、气化炉和颗粒燃烧器的热效率分别约25–40%、50–75%和60–80%；集热器效率约19–35%，干燥效率18–23%，干燥时间较太阳能单独最多减少50%；环境效益取决于生物质来源、运输、燃烧效率和生命周期边界，残余/废弃生物质通常优于专门种植生物质。9 海水淡化单元与太阳能干燥器集成：9.1 技术途径、9.2 性能评价参数、9.3 环境与社会经济收益、9.4 政策与市场表明，湿化—去湿（HDH）、膜蒸馏（MD）、太阳能蒸馏（SD）、多效蒸发（MEE/MED）和反渗透（RO）可与干燥耦合；HDH和MD等热驱动技术适合低温废热，RO需电；HDH与干燥集成报告约29.55–42.31 L/day淡水，GOR为1.24–1.79，SD常见约2–7 L/m²·day，MED约1.5–2.5 kWh/m³，RO约2.5–4.0 kWh/m³；需同时满足淡水需求、盐水源、太阳能/废热和淡水价值，政策需标准、认证、LCA和技术经济分析。10 比较分析与性能评估：通过归一化指标比较，电、热、联合能量和?效率应分开处理；TES或生物质可提高连续性，但高热效率不等于低SEC、短干燥时间或高质量，TRL高也不等于性能优越。11 成本分析：11.1 假设和输入参数、11.2 经济指标定义、11.3 气候和应用特定经济性能、11.4 经济敏感性与权衡表明，CAPEX、OPEX、LCOD、回收期和总生命周期成本受规模、产品、气候、能源价格等影响；系统寿命常为10–25年，折现率5–24%，维护约1–5% CAPEX/年，CAPEX从467至22,664美元，简单混合回收期约0.5–2.2年，复杂系统约2.7–7.5年；太阳能-TES的LCOD约0.05–0.15 $/kg水分，太阳能-生物质约0.04–0.12 $/kg，PV/T约0.10–0.25 $/kg，PV/T-海水淡化约0.20–0.40 $/kg。12 批判性比较综合：PV/T解决寄生电和面积限制但有电—热性能惩罚，TES解决昼夜间歇但增热质和成本，生物质提供可调度热但涉及燃料物流和排放，海水淡化在WEF框架下利用余热但增CAPEX和维护；系统选择应由主导约束决定，例如间接集热器+TES适合热敏高值产品，太阳能空气加热器+强制对流+显热TES适合干旱大宗谷物，潮湿高腐败风险产品需TES和辅助热源，先进多联产适合大型或缺水场景。13 案例研究：卢旺达太阳能柜+生物质炉把番茄片从94%降至9%水分，12 h、最高70°C，减重92%，减少20–30%采后损失；印度姜黄干燥从80%到10%，60–65°C；撒哈拉以南使用皂石TES的50 kg干燥器提供日落后3–4 h供热，热效率45%、集热器效率43%、储存效率74.5%；印度村级直接自然对流太阳能-生物质干燥器把姜黄从11天降至1.5天，55–60°C，效率28.57%。区域上，南亚/东南亚适合太阳能-生物质，中东北非适合干燥-海水淡化，撒哈拉以南适合社区规模储热，无普适最优。14 先进混合技术：提出概念性WEF配置，整合PV/T、太阳能集热器、TES、生物质锅炉、有机朗肯循环（ORC）、海水淡化、碳捕集等，但原文强调这些配置是概念性系统级建议，未作为完整系统实验验证；同时产电、热、淡水和干燥产品不必然提高系统?效率，需明确系统边界并评估各组件?损。15 未来研究方向：先进材料、紧凑模块化、智能控制、成本降低、LCA、社会接受、培训、国际合作和标准；15.1 控制、可扩展性与实际实施批判性评估指出，Tier 1–2系统可用简单开/关或PI/PID控制，Tier 3–4需多回路、预测或模型控制；IoT和PLC在实验室/样机有效，但农村部署受传感器、电力、通信、维护和数据集限制；CFD应发展多物理场、连续相物种输运和多孔介质模型，并进行实验验证。

讨论部分总结：原文讨论强调没有一种混合配置在所有部署环境中普遍最优，混合化不应被假定为 inherently更可持续；其环境和经济收益必须通过生命周期、技术经济和运行评估证明，并考虑附加设备、维护、辅助能耗和系统复杂性。研究结论翻译如下：该综述从热性能、干燥时间、能源利用、环境收益、技术就绪度和WEF整合方面批判性评估了混合太阳能干燥技术。文献表明，混合化较传统太阳能干燥可改善干燥性能和运行连续性，但收益强烈依赖产品特性、气候条件、能源可得性、系统配置和规模。常规直接、间接和混合模式干燥器热效率分别约为10–20%、20–30%和25–35%，较开放日晒的干燥时间减少约50–60%、60–70%和70–80%；间接和混合模式适合热敏或高值产品，混合模式在需要更短干燥时间和更高产量时有利。PV/T系统热—电联合利用约60–70%，适合需要同时供热和供电的离网应用；生物质辅助系统集热器效率约19–35%、干燥效率18–23%，较太阳能单独干燥时间最多减少50%，但经济可行性取决于生物质可得性、燃料质量、当地能源价格和规模。TES主要延长运行时间并稳定干燥温度，而非保证更高瞬时效率；PCM储存适合需温度调节场景，低成本显热储存适合可负担性和材料可得性优先场景。智能控制可改善监测、适应性和多能源协调，但当前文献不足以证明智能控制普遍带来性能提升，控制复杂性还是商业化障碍。对缺水和能源受限的干旱沿海地区，PV/T、太阳能热、TES、生物质备用和海水淡化集成可同时产热、电、淡水和干燥产品，但太阳能利用超过60%、ORC电效率约12–20%、多输出?效率约40–55%等应视为配置特定而非普遍可达。无混合配置普遍优越；推荐需求驱动选择：质量敏感和间歇太阳能条件用间接或混合模式+TES，需热电自洽用PV/T，可靠本地生物质可用时用生物质备用，需精确监测和协调能量管理时用智能控制，淡水需求有足够系统价值时集成海水淡化。混合化不应被假定固有更可持续，可持续混合系统必须在此附加复杂性下产生可测量的生命周期环境、经济和功能净改善。未来研究应优先标准化报告、长期多季节现场验证、不确定性技术经济优化，以及智能控制和多输出配置的定量评估。原文作者为 Amirhossein Barzigar、Amirhossein Edalatpour、Erfan Ebadati、Arun S Mujumdar、S.M. Hosseinalipour。