集成显热与潜热储能介质的太阳能干燥器性能对比评价：基于经典与先进?经济及?分析方法

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Comparative performance evaluation of sensible and latent thermal energy storage media integrated into a solar dryer using classical and advanced exergoeconomic and exergy analyses

　　

集成热储能(thermal energy storage, TES)的太阳能干燥器可有效克服太阳能间歇性问题，提升干燥连续性与能源利用率。本研究以卵石为显热储能材料(sensible heat storage media, SHSM)、石蜡为潜热储能材料(latent heat storage media, LHSM)，通过实验对比两种系统的性能，并结合传统与先进?分析及?经济分析方法进行评价。结果表明，两种系统中风机与热储能单元的改进潜力均为最高。先进?分析显示，LHSM与SHSM系统的总?损失中分别有78.13%和79.36%为可避免?损失，表明系统优化空间显著；其中热储能单元分别占SHSM与LHSM系统总可避免?损失的34.49%和33.85%。先进?经济分析进一步表明，通过针对性设计改进可降低约81%的?损失成本，而通过优化干燥室与太阳能集热器单元可实现高达15%的单位时间平准化投资成本削减。研究结果可为高效集成热储能的太阳能干燥器设计与优化提供全面的热力学与经济性指导。

研究背景与意义

干燥是果蔬等农产品减损的重要保存方式，通过将产品湿基含水率从80–90%降至10–20%，抑制微生物活动并延长货架期。然而，传统干燥依赖化石能源，能耗高且伴随温室气体排放。太阳能因资源丰富、环境友好、经济可行成为替代方案，其辐射强度通常在100–1200 W/m²，可提供30–70 °C的干燥空气温度，降低相对湿度并增强传质驱动力。但太阳能的间歇性导致供热不稳定，影响干燥效率与连续性。热储能(TES)技术可在高辐照时储存多余热量并在低辐照时释放，稳定供热条件，提高能源利用率与干燥均匀性。TES主要分为显热、潜热与热化学三类，其中显热与潜热储能在低温干燥中应用最广。已有大量研究分别评估了显热材料（如卵石、花岗岩）与潜热材料（如石蜡基相变材料PCM）的性能，但多数仅采用传统能量与?分析方法，难以区分可避免与不可避免?损失及其经济关联。先进?分析与先进?经济分析已在空调、电力储能等领域应用，但在太阳能干燥器中的研究极为有限。Halil Atalay的研究首次将两者结合，对SHSM与LHSM系统进行对比评价，填补了该领域的空白。

关键技术方法

研究在土耳其伊兹密尔搭建了集成热储能的太阳能干燥器实验平台，包含太阳能空气集热器、储能单元、干燥室、连接件和热回收装置。分别对SHSM（卵石）和LHSM（石蜡）两种配置进行实验，每种配置重复三次，并在连续日期、相似气象条件下运行，以确保可比性。采用单因素方差分析验证环境温度、太阳辐射与相对湿度的气象一致性。研究结合传统?分析、先进?分析（可避免/不可避免、内生/外生?损失分解）以及先进?经济分析（平准化成本、?损失成本评估）对系统六个主要部件进行综合评价。

研究结果

Experimental procedure

实验装置用于比较SHSM与LHSM在维持干燥连续性方面的表现，确保实验条件一致并采集运行数据。

Experimental conditions and validation

通过重复实验与统计检验确保气象条件无显著差异，为后续性能对比提供可靠基础。

Conclusions

传统?分析结果显示，风机与储能介质在两种系统中的?效率最低。先进?分析表明，LHSM与SHSM系统的可避免?损失占比分别为78.13%和79.36%，储能单元占SHSM与LHSM系统总可避免?损失的34.49%和33.85%。先进?经济分析指出，通过优化设计可减少约81%的?损失成本，改善干燥室与集热器可降低最高15%的单位时间投资成本。

讨论与结论翻译

本研究通过先进?与?经济分析对集成显热与潜热储能的太阳能干燥器进行了综合评估，首次在同一框架下量化了组件的可避免与不可避免?损失及其经济影响。结果表明，两种系统的风机与储能单元均具最大改进潜力；SHSM系统在可避免?损失方面优于LHSM，而LHSM在?损失成本方面更具优势。研究为下一代可持续高效太阳能干燥器的设计与优化提供了详细的热力学与经济性依据。