基于动态干燥模型的太阳能干燥系统性能优化：采用级联相变热储能技术

《Renewable Energy》：Performance Optimization of a Solar Drying System with Cascaded Phase Change Thermal Storage based on Dynamic Drying Model

太阳能干燥系统通过级联相变热存储（CPCTS）提升效率与稳定性，经数值模拟与实验验证，采用等效时间理论建立动态模型，优化后系统效率达60.5%，蒸发量提升8.61%，温度波动降低35.7%。

　　

李晓霞|高一凡|袁国斌|郭晓|李金平

兰州理工大学绿色能源与储能学院，中国兰州730050

摘要：

太阳能干燥技术因其低碳特性和经济效益而受到广泛关注。然而，传统的太阳能干燥系统受到太阳能间歇性和波动性的限制，这使得确保系统连续运行变得具有挑战性。本研究创新性地提出了一种带有级联相变热储存的太阳能干燥系统，以实现稳定、高效和连续的运行。通过数值模拟和实验验证，在多个时间尺度上（包括典型的日常和年度条件）对系统性能进行了研究。引入了等效时间理论来建立连续动态干燥模型，从而能够分析在不同运行条件下的储存/放热和干燥特性。此外，还开发了一种动态运行策略优化方法来提高系统性能。结果表明，在典型的日常条件下，与单级相变热储存系统相比，所提出的系统热储存容量提高了8.64%；在冬至时，太阳能利用率达到了49.31%。优化后，水分蒸发率提高了8.61%，整体系统效率提高了13.05%，入口空气温度波动减少了35.7%。系统峰值效率在7月份达到了60.5%。这项研究为太阳能干燥系统的热集成设计和运行策略优化提供了重要的科学价值。

引言

快速的工业化导致了能源的过度开发和碳排放的迅速增加。据统计，2024年全球总碳排放量超过了416亿吨，其中中国的碳排放量为121亿吨，占全球总量的30%以上[1]。在许多发展中国家，农业在经济发展中起着重要作用。干燥作为一种常用的作物处理方法，可以延长作物的储存时间并便于运输[2]。然而，传统的干燥方法能耗极高且效率低下。仅在中国，用于干燥的能源消耗就约占全国总能源消耗的12%，而能源利用效率仅为30%左右[3]。因此，有必要优化和改进传统的干燥方法[4],[5]。从能源利用的角度来看，太阳能干燥不仅减少了传统能源消耗和碳排放，而且以显著更低的成本提高了农产品的保质期和品质[6],[7]。从作物干燥条件的角度来看，大多数作物需要45-75°C的干燥温度，这正好符合太阳能低温利用的温度范围[8],[9]。因此，太阳能干燥技术在促进节能和减排以及农业发展方面具有重要的意义和实际应用价值。

早在20世纪70年代，各国就对太阳能干燥技术进行了大量的实验研究[10],[11]。值得一提的是，美国的太阳能干燥设备已经实现了商业化的生产，这标志着太阳能干燥技术已经进入了生产和应用阶段[12]。近年来，太阳能干燥技术已经多样化，以适应不同的干燥需求。墨西哥萨卡特卡斯（Zacatecas）建立的实验性太阳能干燥厂采用了一种混合太阳能分布式干燥系统，该系统在雨天或夜间也能连续工作，平均每日可处理2吨农产品[13]。阿根廷Vaccarella的一个太阳能干燥厂具有450公斤的产能，系统能够保持每天6小时以上的干燥温度，满足大多数水果和蔬菜的脱水需求[14]。Amonovich等人[15]对一种温室型太阳能干燥机进行了研究，发现其能源效率在11%到73%之间。相比之下，带有集成生物质炉的太阳能干燥机的能源效率为45-81%。

在太阳能热利用领域，热能储存技术通过缓解能源供需的时空不匹配问题发挥着关键作用。Rulazi等人[16]研究了使用皂石作为热储存材料的间接干燥柜对50公斤菠萝和胡萝卜的干燥过程。干燥柜内的平均空气温度记录为50.4°C，干燥效率为21%。尽管显热储存是一种经济上可行的平衡能源供需的方法，但其较低的热储存密度导致体积较大，这在一定程度上限制了其推广和应用[17]。与显热储存相比，潜热储存可以通过利用相变材料（PCM）的高能量密度有效解决这一问题。Andharia等人[18]系统地比较了黑卵石显热储存系统和基于石蜡的潜热储存系统在太阳能干燥装置中的热力学性能，结果表明潜热储存系统在干燥速率和运行温度稳定性方面明显优于显热系统。同样，Mathew等人[19]比较了苯甲酸潜热储存系统和Therminol-55显热储存系统在真空管热管耦合苹果干燥装置中的性能，测量结果显示潜热储存系统的储存能量比显热储存系统高出63.2%。

最近的研究越来越多地关注将PCM集成到太阳能驱动的热系统中，以提高能源利用效率和运行稳定性。Matapour等人[20]研究了一种结合PCM和干燥剂的太阳能旋转干燥机，并对其热性能进行了生命周期评估（LCA），证明了结合热储存和湿度控制策略的有效性。Goel等人[21]的最新综述强调了PCM在各种太阳能热应用中的潜在整合价值。Jahromi等人[22]应用人工神经网络、进化多项式回归和LCA技术预测了装有PCM的太阳能通风机的性能，强调了基于PCM的太阳能系统的可持续性分析。Matapour等人[23]对带有热储存机制的太阳能旋转干燥机的热性能进行了实验和数值研究，证实了热储存在提高干燥连续性和温度稳定性方面的积极作用。Jahromi等人[24]进一步评估了使用纳米流体和PCM连接的太阳能抛物面集热器与干燥机的能源和熵性能，报告了热效率和熵效率的显著提升。这些研究共同证明了PCM辅助的太阳能系统在改善干燥和空气加热应用性能方面的有效性。

级联相变热储存（CPCTS）相比单级PCM系统具有更高的储存/放热效率。Saeed等人[25]开发了一个二维瞬态模拟模型，通过遗传算法选择了最佳的PCM组合以最大化太阳能储存。结果表明，CPCTS中最后一层PCM的熔点对热储存性能有更显著的影响。Lu等人[26]设计了一种两级相变热储存（PCTS）系统，证明与单级PCM储存装置相比，CPCTS系统总热储存/放热容量分别提高了53%和66.3%。Chinnapandian等人[27]还将CPCTS装置串联起来，以回收柴油发动机的废热。实验表明，CPCTS可以回收11%到20%的废热。Wang等人[28]通过对CPCTS装置进行锯齿结构设计进行了结构优化，并对其性能进行了研究。结果表明，级联配置显著提高了热储存性能。此外，还发现CPCTS装置中PCM之间的熔点差异越大，热储存率的提升越显著。

总之，学者们对具有热储存功能的太阳能干燥系统进行了广泛的研究。然而，现有的太阳能干燥系统在应对宽温度范围内的辐射波动方面能力不足。此外，现有研究对干燥系统在多个时间尺度（典型日/年度范围）上的运行特性分析不足，数学模型的简化也存在问题。

因此，本研究旨在通过将PCTS装置与太阳能干燥系统耦合来解决这些问题。本文第2节描述了实验系统和基本参数。第3节介绍了系统数学模型、模拟模型和评估指标。第4节分析和优化了在典型日常运行条件下带有CPCTS的太阳能干燥系统的性能。这项研究在扩展太阳能热储存系统的应用方面具有重要的理论价值，并对干燥系统的优化设计和实际应用具有重要的参考意义。

系统组件

本文提出了一种带有CPCTS的太阳能干燥系统。系统结构示意图如图1所示。该系统主要根据功能分为两个子系统。其中，级联热储存子系统的核心组件包括三个PCM单元：PCM1（基于赤藓糖醇的混合物）、PCM2（硬脂酸）和PCM3（石蜡）。这些单元与平板集热器串联连接，PCM封装在铝合金外壳中。

系统模型

在本节中，开发并验证了PCTS单元和太阳能干燥机的模型。创新性地引入了等效干燥时间的概念，建立了连续动态响应干燥模型，突破了传统干燥模型无法在不稳定运行条件下准确预测物料含水量（MR）的瓶颈。建立了带有CPCTS的太阳能干燥系统模型，并提出了性能评估指标。

结果与分析

第4节分析了在典型日常运行条件下带有CPCTS的太阳能干燥系统的运行性能。通过引入控制器和热储存/放热控制单元，通过优化热储存/放热过程优化了CPCTS系统的运行策略。最后，分析了CPCTS系统在全年运行期间的干燥性能和环境效益。

结论

本研究提出了一种带有CPCTS的太阳能干燥系统。引入了等效时间理论来建立连续动态干燥模型。该系统能够适应辐射变化，持续进行干燥过程，并在多个维度上提高系统性能和效率。

通过多种运行条件下的模拟和多时间尺度上的运行策略优化，研究了系统性能。

作者贡献声明

郭晓：研究、数据整理。李金平：研究、监督。李晓霞：撰写——原始草案、方法论、软件、验证。高一凡：方法论、软件、监督。袁国斌：研究、验证

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了兰州理工大学“洪刘优秀青年人才”支持计划（Q2024）和兰州理工大学教师科研启动费（062305）的支持。同时，也得到了甘肃省重点研发计划-工业项目（25YFGA036）和兰州青年科技创新项目（2024-QN-190）的资助。

李晓霞，女性，工程博士，副教授，硕士导师。她是甘肃省“三个区域”内的科技创新人才，西北低碳城市支持技术协同创新中心联合实验室的副主任，也是兰州理工大学“红柳计划”下的杰出青年。她主要从事太阳能和热储存的高效利用研究，主持并参与了10多项研究项目。