综述：缓解太阳能干燥机中资源间歇性的策略：对技术创新、挑战及可持续性视角的批判性回顾

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Strategies for mitigating the resource intermittency in solar dryers: a critical review of technological innovations, challenges, and sustainability perspectives

太阳能干燥技术通过集成能量存储单位和智能控制系统，可有效缓解间歇性太阳能带来的温度波动、不均匀干燥及产品变质问题，延长干燥时间并提升效率，但面临成本高企和规模化应用难题。

　　

本·V·莫尼克斯（Ben V. Monics）| 本诺·温西·温斯利（Beno Wincy Winsly）

印度泰米尔纳德邦金奈，金奈理工学院机械工程系，邮编600 069

摘要

太阳能干燥能够保留产品的大部分营养价值，但由于它依赖于间歇性的太阳辐射，通常会导致加热不稳定、干燥不均匀以及真菌生长和品质下降的问题。为了解决这些问题，最近的研究致力于开发能够通过集成储能装置在阳光不足的时间继续进行干燥的干燥设备。最新趋势表明，智能型、基于反馈的以及人工智能/机器学习辅助的控制器已经出现，这些控制器使干燥设备能够在环境条件变化的情况下独立运行。通过加装热存储单元、热回收系统、湿度控制器和智能自动化装置等混合技术，可以在很大程度上减轻太阳能间歇性的影响，并减少电力或化石燃料的使用。然而，由于这些先进技术的资本成本较高，尽管有诸多优势，小规模农民仍然难以使用。本文探讨了不同的技术策略，这些策略可以通过适当的混合组合有效延长干燥时间并实现均匀干燥。总体而言，大多数创新都旨在实现日落后也能持续或延长干燥过程；然而，特别是在太阳能温室干燥器（SGHDs）等系统中，其大规模应用的技术可行性、经济合理性以及对农村生计和小型农户采纳情况的影响仍需进一步研究。

引言

阻碍可持续农业实践的一个主要食品安全问题是易腐产品（主要是水果、蔬菜、鱼类和草药）收获后的管理效率低下。干燥是一种简单且成本低廉的保存方法，因为它可以将水分含量降至所需水平并抑制微生物活动[1]。尽管露天晒干是最常见的干燥方式，但它存在干燥周期长、灰尘和昆虫污染以及营养和感官品质下降等缺点[2]。因此，人们使用太阳能干燥器（SDs）来克服这些限制，将产品放置在有遮盖的腔室内，以提供更好的温度、气流和相对湿度（RH）控制，从而提高干燥效率并保持产品质量[3]。

太阳能干燥器由太阳能驱动，这是一种清洁且无限可用的资源，但其输出受到太阳辐射波动的影响[45]。太阳能的可用性受地球倾斜和轨道的影响而随昼夜循环和季节变化，并受大气中的云层和灰尘等天气因素的影响。所有这些变化都会导致干燥器内部温度不稳定，从而降低传递给产品的热量，使水分去除不均匀，有时产品还会重新吸收水分。因此，温度和辐射的变化会对干燥效率和产品质量产生负面影响[46]。图1显示了全球平均太阳能（单位为10⁷ J/m²）随季节和纬度的变化情况。为了实现稳定的干燥性能，有必要应对这种间歇性问题，尤其是在阳光不足的情况下。

为了解决这一问题，最近的研究集中在混合式太阳能干燥器和集成储能系统上[48]。混合配置通常是指将太阳能与电加热、生物质或废热驱动的设备相结合，以确保系统在辐射较低时仍能运行[49]。在不同的太阳能热存储技术中，使用相变材料（PCMs）的潜热存储（LHS）被广泛研究，并被认为是最有效的存储方式，可以在夜间释放储存的热量[50]。此外，还对吸热器和集热器材料进行了多种改进，例如使用选择性涂层、纳米复合材料和高导热性表面，以增加太阳能吸收并降低热损失[51]。更好的PCMs以及具有高导热性、长循环寿命和良好形态稳定性的复合PCMs也进一步提高了系统的可靠性[52]。除了材料创新外，自动化控制系统的设计也取得了进展，包括传感器、物联网平台、PID控制器和自适应控制器以及实时反馈机制，从而维持最佳的气流和温度[53]。所有这些改进都是为了减少太阳能间歇性的影响并降低对其他能源的需求。

大多数以往的综述文章主要集中在太阳能干燥器的分类[54]、组件和设计特点[55]、产品性能[56]、混合配置[57]以及热能存储（TES）集成[45]等方面，同时还评估了在自然对流、强制对流和混合对流模式下的整体性能[58]。然而，本综述重点探讨了最近的技术进步如何应对太阳能资源间歇性的挑战，强调了热能存储集成、辅助能源的混合使用以及智能控制策略在克服间歇性、延长有效干燥时间、提高干燥速率、热效率和干燥时间以及整体产品质量方面的作用。特别关注太阳能温室干燥器（SGHDs），因为它们非常适合处理大量农产品，因此对农民和小规模加工者非常有吸引力。本综述为研究人员、设计师和政策制定者提供了知识资源，将科学创新与高效、高质量、延长干燥时间和可持续的太阳能干燥系统的实际应用联系起来。

章节片段

太阳能间歇性对干燥器运行的影响

太阳能间歇性是自然现象，会导致到达地球的太阳辐射发生轻微且不可避免的变化。虽然这些变化是可以预测的，但它们是系统固有的特性，无法完全控制，只能进行管理和减少。这些变化会导致干燥器内部加热不均匀，从而导致最终产品质地变得脆弱或粗糙。例如，一个半控制的双形状SGHD在41–55°C的温度下运行时...

热缓冲太阳能干燥系统

热能存储（TES）在白天吸收太阳能，并在夜间或阴天释放热量，从而使干燥过程在稳定温度下进行。这减少了温度波动，提高了干燥速度并改善了产品质量。根据需求，可以选择 sensible（显热）、latent（潜热）或混合存储方法，但选择合适的材料和设计非常重要。

太阳能干燥器改造的技术和运营障碍

对太阳能干燥器进行改造在提高效率、均匀性和产品质量方面具有明显优势，但其实施范围受到多种类型的障碍限制，包括技术、经济、运营、社会、环境和气候等方面的因素。从技术角度来看，现有基础设施在结构上往往不足以容纳热存储装置（SAHs）、光伏面板（PV panels）、相变材料（PCMs）单元或物联网传感器（IoT sensors）等组件的添加[147]。

太阳能干燥器的成本-性能评估

技术和经济评估表明，对太阳能干燥器进行改造和混合使用可以显著提高性能和财务可行性。据报道，改造后的系统干燥效率提高了15–50%，干燥时间缩短了15–50%，比传统或露天晒干方式减少了30–50%的能耗[151]。安装了相变材料单元（PVT units）、相变材料（PCMs）、生物质加热器、热存储系统和螺旋输送机制的干燥器...

生命周期影响和可持续性表现

根据生命周期评估（LCA）的结果，混合模式太阳能干燥器在环境和经济上都是可持续的。尽管其嵌入能量为20 kWh，但能源回收时间（EPBT）仅需一年多一点。这些设备还有助于减少39.5吨二氧化碳排放，缩短干燥时间60%，可持续性指数超过1，回收期为2.3年[92]。此外，带有集成腔室的SGHDs在各方面表现出最强的性能...

社会影响评估

引入性能提升措施，如热能存储（TES）、混合加热、气流控制和数字监控，将对太阳能干燥器产生重要的社会影响评估，因为这些措施直接影响设备的可靠性、可用性和社区采纳率。文献表明，不可预测的太阳辐射是持续干燥的主要障碍之一，而热能存储的引入使得在设定的温度（45–60°C）下实现连续干燥成为可能，而无需依赖...

未来研究的战略方向

太阳能干燥器热能存储（TES）的最新发展表明，创新不仅在于热能存储，还在于热传递和控制的效率、湿度调节、可持续性和本地适用性。基于椰子油成分、棕榈油衍生物和脂肪酸酯的生物基相变材料（PCMs）的熔点为40-65°C，这接近最佳干燥温度，并具有生物降解性、食品安全性和...

结论

传统的太阳能干燥器，如柜式、直接加热、间接加热和混合模式系统，相比露天晒干提供了更好的卫生环境和更高的温度，但它们对阳光变化的敏感性较高，导致温度不稳定、干燥时间延长以及产品质量变化。当前的太阳能干燥器正在努力克服这些缺点...

CRediT作者贡献声明

本·V·莫尼克斯（Ben V. Monics）：概念构思、可视化、初稿撰写。 本诺·温西·温斯利（Beno Wincy Winsly）：概念构思、方法论设计、监督、验证、修订与编辑。

关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本作品时，作者使用了ChatGPT工具，以根据提供的内容和数据辅助技术总结和语言润色。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。

资金来源

本研究未获得任何外部资金支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。