综述：利用相变材料增强型太阳能干燥机实现可持续食品保存的气候适应性方法

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：A climate-adaptive approach to sustainable food preservation using phase change material–enhanced solar dryers

　　摘要
太阳能干燥被广泛用于作物收获后的保存。然而，其效果往往受到太阳辐射强度变化和温度不稳定性的限制。因此，相变材料为解决这一问题提供了有效方案——它们能在阳光充足的时段储存多余的热能，在辐射较弱的时期释放出来，从而实现持续且均匀的干燥。本综述系统分析了基于相变材料的太阳能干燥器的最新进展，重点探讨了不同的干燥器结构、相变材料类型以及集成策略。研究结果表明，引入相变材料可使热效率提升10–75%，干燥时间缩短17–76%，水分去除效率提高至80–90%以上，还能在日落后继续干燥3–8小时。此外，系统的特定能耗显著降低，温度均匀性得到改善，进而提升了产品品质。环境评估显示，每个系统在其使用寿命内可减少多达3000公斤的二氧化碳排放，而技术经济分析则表明其投资回报期在0.22至2.16年之间。尽管存在这些优势，但在为不同作物选择合适的相变材料、将此类系统扩大用于工业应用，以及将太阳能干燥与纳米材料或主动控制系统结合方面，仍存在研究空白。总体而言，集成相变材料的太阳能干燥器是一种可持续、高效且可扩展的技术，有助于减少作物收获后的损失，提升不同农业气候条件下的粮食安全水平。

引言
农业、食品加工及工业领域对干燥工艺的需求不断增长，这导致了能源消耗的增加以及相应的温室气体排放。传统干燥方法通常依赖化石燃料加热或来自不可再生资源的电网电力，从而产生大量二氧化碳排放[1]。此外，效率低下的露天日晒干燥也会造成食物损失，通过资源浪费、运输成本以及重复加工等方式间接增加碳足迹[2]。随着全球范围内为减缓气候变化和实现碳中和目标而付出的努力不断加大，提升干燥技术的能源效率与可持续性已成为当务之急。干燥是作物收获后处理过程中耗能最高的环节，占据了农业食品行业总能源消耗的很大比例[3]。因此，那些以柴油、煤炭或天然气为动力的传统燃烧式干燥机会排放大量二氧化碳及其他污染物[4]。转向以可再生能源为基础的干燥系统，尤其是太阳能干燥机，为减少排放提供了可持续的途径。太阳能干燥利用清洁的可再生能源，大幅降低了對化石燃料的依赖，进而减少了运营过程中的碳足迹[5]。

太阳能干燥是最古老且应用最广泛的农业产品保存技术之一，其原理是通过将产品中的水分降至抑制微生物生长和酶促反应的水平来实现保存[6]。在许多热带和亚热带地区，如印度，太阳能干燥在减少水果[7]、蔬菜[8]、谷物[9]、香料[10]以及药用植物[11]的收获后损失方面发挥着重要作用。不过，传统的露天日晒干燥虽然成本低廉且操作简单，却存在诸多缺陷，包括灰尘和昆虫污染、易受风雨影响、干燥不均匀、营养成分流失以及严重的产品损失等问题[12]。相比之下，太阳能干燥机通过利用太阳能产生热空气，借助对流换热将农产品中的水分带走。相较于露天日晒干燥，太阳能干燥机的干燥速度更快，能更好地防止外部污染物侵害，同时更有利于保持产品的颜色、风味及营养成分[13]。目前，已有多种类型的太阳能干燥机被开发出来，包括直接式、间接式以及混合式系统。直接式太阳能干燥机让产品直接暴露在阳光下；间接式干燥机则先在集热器中加热水气，再将其引入干燥室[14]；混合式干燥机则结合了这两种方式，以进一步提升热性能。尽管取得了这些进展，传统太阳能干燥机仍然严重依赖于太阳辐射，且只能在白天使用。此外，温度波动以及间歇性的云层覆盖往往会降低干燥效率，延长干燥时间。

在干燥系统中，一个重大挑战在于如何在太阳辐射较弱或日落后维持稳定的干燥温度[15]。温度下降可能导致干燥不彻底、微生物滋生、水分重新吸收以及产品品质下降。为解决这一问题，人们开始探索将热能存储系统集成到太阳能干燥机中，以便在阳光充足的时段储存多余的热能，而在太阳辐射减弱时释放出来，从而保持稳定的干燥条件[16]。在各类热能存储技术中，利用相变材料进行潜热存储因其较高的能量存储密度以及在相变过程中几乎保持恒定的温度而展现出巨大潜力[17]。此外，良好的传热特性也为相变材料的集成提供了支持，确保在太阳辐射强度变化的条件下仍能实现稳定高效的干燥效果[18]。图1展示了集成相变材料用于热能存储的太阳能干燥系统的工作原理（改编自[[19]、[20]、[21]]）。阳光照射在玻璃表面上，被集热板吸收并转化为热能。加热后的空气因自然对流而向上流动，如箭头所示，将热量传递给置于干燥室内的托盘。相变材料层（标记为PCM I、II和III）被 strategically布置在气流路径下方或旁边，通过吸收潜热在阳光最强的时段储存多余热能。当太阳辐射强度下降时，这些储存的能量会被释放出来，维持干燥室内的稳定温度，从而实现持续干燥。该系统顶部设有出气口，便于排出湿气，同时还配有用于装卸材料的门。总体而言，这种设计提升了干燥效率，减少了温度波动，并确保在太阳辐射不稳定的情况下仍能持续工作。

太阳能干燥机可根据热能利用方式、气流机制以及系统结构进行分类。了解这些分类有助于根据干燥需求、气候条件、产品特性以及期望的产品品质来选择合适的干燥机类型。

a) 露天日晒干燥：这是最简单且最传统的干燥方法，农产品直接铺放在阳光下进行干燥。整个干燥过程完全依赖于太阳辐射和周围的风力条件，因此干燥速度较慢，且容易受到灰尘、昆虫和微生物的污染。其干燥温度范围为30至45摄氏度，不适合用于高价值或对卫生要求较高的食品加工领域[19]。

b) 直接式太阳能干燥系统：这类系统采用透明罩结构，太阳辐射可直接加热产品，同时通过温室效应留住热量。空气温度通常在50至70摄氏度之间，既提高了干燥速度，又减少了外部污染的影响。由于其结构简单且能提升产品品质，这类系统被广泛用于水果、蔬菜以及药用草本的干燥[14]。

c) 间接式太阳能干燥系统：与直接式类似，这类系统也配有独立的太阳能空气加热器，用于在空气进入干燥室之前对其进行加热，从而避免产品直接暴露在阳光下。加热后的空气温度一般在45至65摄氏度之间，有助于保持产品的颜色、营养成分及香气[14]。

d) 混合式太阳能干燥机：这类系统结合了直接式太阳能辐射与预热的空气，从而加快干燥速度并提升热效率。干燥空气的温度可超过70摄氏度，相比自然日晒干燥，干燥时间可缩短30–50%[20]。

e) 强制对流式太阳能干燥机：这类干燥机配备了电动机驱动的风扇，以增强干燥室内的气流。可控的气流有助于提高热量和质量的传递效率，实现均匀干燥，同时可将干燥时间缩短多达60%，非常适合大规模农业加工应用[22]。

f) 混合型太阳能干燥机：这类系统还整合了生物质加热器、电加热器以及热能存储系统等辅助加热源，能够在阴天或夜间继续维持干燥过程。其工作温度可保持在50至80摄氏度之间，确保持续干燥[21]。表1列出了不同类型干燥机的详细对比及其应用场景。

相变材料在熔化过程中以潜热的形式储存热能，而在固化过程中则释放这些热能。图2展示了市场上现有的各类相变材料。根据其成分和热行为，它们大致可分为有机型、无机型以及共晶型三类[23]。有机相变材料包括石蜡和脂肪酸，这类材料具有化学稳定性、无腐蚀性以及可靠的相变特性[24]。无机相变材料主要由盐类水合物和金属构成，它们具有较高的潜热和导热性，但可能存在过冷现象和相分离问题[25]。共晶型相变材料则是为获得较低的熔点而设计的混合物，可分为有机-有机、有机-无机或无机-无机组合等多种类型[26]。这种分类有助于根据温度范围、稳定性以及热存储能力来选择适合用于热能存储的相变材料[27]。

这一特性使得相变材料能够保持近乎恒定的温度，这对于需要控制温度条件的农产品干燥来说非常理想[28]。在太阳能干燥应用中常用的相变材料包括石蜡[29]、脂肪酸[30]以及盐类水合物[31]，这些材料的选用依据是其熔点、潜热容量、化学稳定性、无毒性和成本等因素。其中，以石蜡为基础的相变材料因其易得性、良好的热稳定性以及与食品干燥温度范围（通常为40–70摄氏度）的匹配度而特别受欢迎[32]。盐类水合物虽然具有较高的热存储能力，但可能存在相分离和过冷问题；而脂肪酸则兼具良好的热稳定性和生物降解性[33]。

将相变材料集成到太阳能干燥机中，能够显著提升系统的热稳定性，使干燥过程在阳光不足的时段也能继续进行。在太阳辐射最强的时候，相变材料会吸收多余的热量并熔化，从而储存能量[34]。当太阳辐射减弱时，相变材料会固化并释放储存的热量，维持干燥空气的温度，确保持续去除产品中的水分。这一功能不仅缩短了干燥时间，还提高了干燥的均匀性，进而提升了整个系统的效率[35]。研究表明，采用相变材料辅助的太阳能干燥机可在日落后继续干燥数小时，同时保持温度在理想的范围内。表2列出了现有各类相变材料的详细信息。有机相变材料具有很高的稳定性（超过5000次循环），且环保，非常适合用于中低温干燥，但其导热性较低。无机相变材料则具有更高的导热性和潜热，更适合用于高温及工业领域的干燥，但腐蚀和过冷等问题限制了其应用范围。而共晶型相变材料则能结合有机和无机材料的优点，具有可调节的熔点，适用于特定应用场景，不过其制备复杂且成本较高，这些都是其缺点。

此外，图3展示了相变材料在热循环过程中的热存储与释放机制。在较低温度下，相变材料处于固态，会吸收显热，随着温度上升而发生相变。在加热过程中，相变材料会经历固液相变，同时储存大量潜热，但温度几乎保持不变[36]。当温度下降时，液态的相变材料会固化，并将储存的潜热释放到周围环境中。这种可逆的熔化-固化循环使得相变材料能够实现有效的热能存储和温度调控。

1. 太阳能干燥机：将多余的太阳热量储存在相变材料中，在辐射较弱或夜间释放出来，从而实现持续干燥，并保持稳定温度，进而提高水分去除效率。
2. 农业产品干燥：适用于水果、蔬菜、谷物、香料以及草药等产品的干燥，不仅能提升产品品质，还能减少收获后的损失和污染风险。
3. 食品加工：可用于咖啡、可可、鱼类以及乳制品的干燥，能够确保温度分布均匀，延长产品保质期。
4. 药品及草药干燥：可在受控的低温环境下保存产品中的生物活性成分、香气以及药用特性。
5. 工业用热风干燥机及托盘干燥机：有助于回收废热，提升热效率，从而降低能源消耗和运营成本。
6. 混合型干燥系统：通过与生物质加热器、热泵或光伏风扇相结合，能够在天气条件多变的情况下保持稳定运行。

相变材料在太阳能干燥应用中的有效性主要取决于其潜热容量、导热性、相变温度以及长期热稳定性。因此，有机相变材料（尤其是石蜡和脂肪酸）因其化学稳定性、无腐蚀性以及与典型干燥温度范围（40–70摄氏度）的匹配度，而被普遍认为是最适合用于太阳能干燥的材料[37]。不过，它们的导热性相对较低，这可能会限制热量传递的速度，从而降低整个系统的响应速度。相比之下，无机相变材料如盐类水合物则具有更高的潜热存储能力和更好的导热性，能够更快地吸收和释放热量[38]，因此在需要快速响应的应用场景中更具优势。然而，过冷、相分离以及腐蚀等问题可能会降低它们的长期可靠性和使用效果。

此外，共晶型相变材料则有望通过结合有机和无机材料的优点，实现性能的优化，它们具有可调的熔点[39]。它们的优势在于能够根据特定的干燥温度要求进行定制，不过较高的成本和复杂的制备工艺限制了其广泛应用。因此，近期的研究进展表明，经过纳米改性的相变材料[40]以及复合相变材料[23]通过提升热导率和传热速率，显著提高了干燥效果，进而提升了干燥性能并缩短了干燥时间。总体而言，虽然有机相变材料仍是太阳能干燥中最实用且应用最广泛的材料，但无机相变材料及先进的复合相变材料虽具有更高的热性能，但在稳定性和成本效益方面仍需进一步优化。此外，图4展示了从最初的研发阶段（2020年）到系统优化阶段（2023年），再到前沿技术阶段（2025年）的相变材料辅助型太阳能干燥器的演变过程。早期的系统多采用小容量干燥器，并具备基本的潜热储存功能，但其升温效果有限，日落后干燥时间也很短。到2023年，经过优化的相变材料配置以及混合增强技术使传热效率提升了30–60%，从而实现了稳定的温度，并将日落后の干燥时间延长了2–5小时。而到了2025年，先进的大规模系统将引入经过纳米改性的相变材料以及智能控制技术，使得效率提升20–40%，同时实现更好的节能效果，并保持产品较高的营养价值。尽管相变材料辅助型太阳能干燥器具有诸多优势，但仍有若干挑战制约着其大规模实际应用。图5也展示了实际应用中面临的主要挑战：1. 大多数相变材料，尤其是有机材料，其热导率较低，这限制了传热效率，进而降低了整体效率；2. 长期的热稳定性和可靠性仍需关注，因为反复的熔化-固化循环可能导致材料降解、相分离以及过冷现象；3. 从设计角度而言，如何正确选择和封装相变材料仍是一大难题，因为必须妥善解决材料泄漏、体积变化以及材料兼容性等问题；4. 相变材料本身、封装技术以及系统集成所带来的高初始成本也限制了其应用，尤其是在农村和小型应用场景中；5. 此外，由于缺乏标准化的设计方法及性能评估标准，难以在不同研究之间进行结果比较。在研究空白方面，目前关于真实气候条件下的长期性能分析的研究还较少，尤其是针对季节性变化的考量。像经过纳米改性的相变材料这类先进材料的应用仍处于初期阶段，还需要进一步研究其稳定性、成本以及可规模化生产的问题。另外，结合数值模拟与实验研究，以及运用人工智能/机器学习技术进行优化的工作也相对较少，而这些对于改进系统设计和管理而言至关重要。另一个重要的局限在于，目前缺乏与工业干燥系统的充分对比分析，特别是在技术经济可行性和大规模应用性方面。未来的研究应聚焦于降低成本策略、混合系统整合（如与生物质能或热泵结合），以及实时性能优化，以提高相变材料辅助型太阳能干燥器的实际应用价值。本综述不同于以往的文献，它全面且以性能为导向地总结了2022年至2026年间发表的关于相变材料辅助型太阳能干燥器的实验及现场研究结果。与那些仅关注相变材料选择、太阳能集热器设计或混合干燥系统等单个组件的研究不同，本研究着眼于这些组件对热稳定性、干燥效率、能源利用效率以及产品质量的综合影响。此外，它还重点介绍了经过纳米改性及复合处理的相变材料、强制对流技术以及混合热能储存策略的发展现状，为克服低热导率、相分离以及成本限制等实际问题提供了重要见解。通过整合定量性能指标、与传统及工业干燥系统的对比分析以及可持续性评估，本综述为设计新一代太阳能干燥系统提供了新的指导思路。同时，它还指出了当前的研究空白，并提出了大规模应用、技术经济优化以及智能系统整合的发展方向，从而为相变材料增强型太阳能干燥技术未来的发展提供了兼具科学性与实用性的框架。尽管之前的综述研究已经探讨了太阳能干燥技术以及热储存系统的整合问题，但很少有研究对带有储存系统改进的相变材料辅助型太阳能干燥器进行全面评估。因此，现有的研究大多只关注相变材料储热、太阳能空气加热器改进、混合干燥配置等单个组件，往往缺乏在真实运行条件下的系统性性能比较、干燥连续性以及能源效率分析。一些研究侧重于实验室规模的验证，而现场性能、长期可靠性以及技术经济可行性则未能得到充分研究。此外，关于增强的太阳能吸收能力、热储存效果以及智能系统整合对干燥效率和产品质量的综合影响，也尚未有全面的总结。本综述通过以性能为导向的方式分析先进的太阳能干燥技术，重点关注基于相变材料的储热技术，从而弥补了这些不足。与以往独立评估这些组件的研究不同，本研究着眼于它们对热稳定性、干燥效率以及能源利用效率的综合影响。此外，本综述还强调了定量性能提升、系统可靠性以及可持续性优势，有助于人们全面了解新一代太阳能干燥系统。因此，本综述的主要目标是分析和总结先进的熱增强策略在提升太阳能干燥器性能方面的作用，重点关注能源效率、温度稳定性以及可持续干燥应用。为实现这一目标，本综述确立了以下具体目标：1. 评估相变材料在潜热储存中的应用，以及其在维持稳定干燥温度和延长非日照时段作业时间方面的作用；2. 研究用于提升太阳能吸收效率和干燥系统中传热效率的集成热储存技术；3. 比较不同干燥系统配置，包括辅助加热系统和强制对流系统，以提升系统的可靠性和连续运行能力；4. 分析在改进的热管理策略下，干燥速率、能源效率以及产品品质保持方面的提升情况；5. 探讨可持续性及技术经济优势，包括节能效果、减排效益，以及其在农村和离网应用中的适用性；6. 明确当前的研究空白及未来发展方向，包括大规模应用、材料耐久性、成本优化以及智能监测系统的整合。研究方法本综述采用了系统化且结构化的研究方法，对太阳能干燥技术中的先进热增强策略进行了分析，以提升系统性能。该研究方法的流程如图6所示，从全面检索相关文献开始，再到深入的分析与综合。为此，研究人员从Scopus、Web of Science、ScienceDirect以及Google Scholar等主要科学数据库中，通过相关关键词检索到了大量相关文献。性能评估框架图9展示了太阳能干燥系统的评估框架。在建立数学模型之前，该评估框架被用来系统地分析带有相变材料整合的太阳能干燥系统的性能。该框架制定了标准化标准，用于比较不同干燥系统配置下的热行为、干燥动力学以及能源利用效率。此外，关键的评估维度还包括热储存系统的有效性、传热效率的提升、干燥性能以及整体能源效率。采用相变材料的干燥系统本部分介绍了在太阳能干燥系统中应用相变材料后所获得的实验和分析结果。这些结果分析了在不同运行条件下的热行为、干燥动力学、能源性能以及水分去除特性。为此，研究人员分析了温度分布、干燥速率、热效率以及能源利用效率等关键性能指标，以此评估系统的有效性。随后还对这些指标进行了比较分析。总结与未来展望总体而言，与传统的太阳能干燥系统相比，采用相变材料的太阳能干燥器在干燥性能、热稳定性以及产品品质方面都取得了显著提升。由于能够在阳光充足的时段储存多余的太阳能，而在辐射强度较低的时段释放潜热，相变材料使得干燥过程更加连续且均匀，从而减少了对天气状况变化的依赖。实验研究还显示，采用这种技术后，干燥效率提升了10–75%，干燥时间则减少了17–76%。结论本综述表明，相变材料辅助型太阳能干燥器是一种非常有效的解决方案，能够有效克服传统太阳能干燥系统存在的间歇性问题和温度不稳定问题。通过在阳光强烈的时段储存多余的太阳能，而在辐射强度较低的时段释放潜热，相变材料的应用使得干燥过程可以持续进行，同时提升了温度的均匀性，并提高了水分去除效率。各项研究结果表明，采用这种技术后，系统的热效率提升了10–75%，干燥效果得到了显著改善。作者贡献声明Manzoore Elahi M. Soudagar：概念构思、研究方法设计、监督指导、论文撰写与编辑。V. Mohanavel：数据整理、定量分析、研究方法设计、论文撰写与编辑。Ramesh Singh：实验研究、结果验证、定量分析、论文撰写与编辑。N. A. Abu Osman：监督指导、概念构思、论文撰写与编辑。D.S. Vijayan：研究方法设计、数据验证、定量分析、论文撰写与编辑。Senthil Kumar Vishnu：概念构思、研究方法设计、数据收集。资金来源说明本研究未获得任何资助机构的特定资助。利益冲突声明作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。致谢作者感谢印度AMET大学为本研究提供的必要研究基础设施。Manzoore Elahi M. Soudagar|V. Mohanavel|S. Ramesh|N.A. Abu Osman|D.S. Vijayan|Senthil Kumar Vishnu|Manikandan Ayyar|D. Shanmugapriya|S. Rahul中国浙江省丽水市丽水学院工程学院，邮编323000