《Energy Conversion and Management-X》：Drying kinetics and energy-exergy performance of a hybrid solar-biomass dryer
编辑推荐：
在电力有限、环境湿度高的发展中地区，可靠的食品保鲜面临挑战。本研究评估了一种混合太阳能-生物质干燥器在热带条件下干燥高水分蔬菜（卷心菜）的干燥性能、能源效率和?效率，并与独立的阳光和生物质加热模式进行对比。研究发现，混合模式结合了稳定的热量供应和降低的湿度，显著提高了干燥速率和热力学性能，为在离网热带环境中实现规模化、低成本食品干燥展现了巨大潜力。
在发展中地区，尤其是那些电力供应有限、环境湿度高的热带国家，食品的安全保存一直是个棘手难题。传统的露天日晒干燥法常常表现不佳，受天气影响大、耗时漫长，且难以保证产品质量，导致大量农产品在收获后损失。太阳能干燥技术虽然古老且前景广阔，但单一的太阳能依赖使其在阴天或夜间无法工作。与此同时，生物质能作为辅助热源虽能提供持续加热，但其单独使用的能效和环境影响也需要考量。那么，能否将这两种可再生能源结合起来，取长补短，为热带地区的食品干燥提供一个更可靠、高效的解决方案呢？这正是发表在《Energy Conversion and Management-X》上的这项研究试图回答的核心问题。
为了深入探究混合干燥系统的性能，研究人员在孟加拉国加济布尔农业大学（GAU）进行了一系列实验。他们设计并建造了一个名为GAU太阳能-生物质混合干燥器的装置，该装置包含一个半圆形隧道式干燥室、太阳能加热区、生物质加热组件、太阳能光伏驱动的轴流风扇以及排气组件。研究以高水分的卷心菜为干燥样品，将其切成均匀小块，并设置了4公斤、8公斤和12公斤三种不同的批处理量。实验在三种加热模式下进行：纯太阳能模式、纯生物质模式以及太阳能-生物质混合模式。研究团队系统测量了环境温度、干燥室温度、生物质热交换器出口温度、环境及排气相对湿度、太阳辐射强度、空气流速以及卷心菜样品含水量随时间的变化。这些数据为后续的能源和?分析提供了基础。他们使用工程方程求解器（Engineering Equation Solver, EES）实施了经过验证的能源-?模型，来评估系统的热力学性能。所有测量仪器均经过校准，并进行了不确定度和重复性分析，以确保数据的可靠性。
研究结果部分通过多个维度展示了混合干燥系统的优势：
干燥动力学与性能比较：实验获得了不同负载和加热模式下的具体干燥时间。例如，对于4公斤负载，纯太阳能、纯生物质和混合模式下的干燥时间分别为13小时、8小时和7小时；对于12公斤负载，则分别为20小时、17小时和12小时。这表明混合模式在所有负载下都实现了最短的干燥时间。特别地，12公斤负载的混合测试达到了最高的水分蒸发率，为766.15克/小时。这些数据直观地证明了混合系统在加速干燥过程方面的显著效果。
能源与?效率分析：这是本研究的核心发现。以8公斤负载的试验为例，纯太阳能、纯生物质和混合模式的能源效率分别为38%、33%和50%，相应的?效率分别为37%、33%和45%。同时，这三种模式的?损（Exergy Destruction）分别为33.91兆焦、167.54兆焦和107.42兆焦。这些结果清楚地表明，混合模式不仅拥有最高的能源和?效率，意味着其将输入能量转化为有用功（此处指去除水分）的能力最强，而且其?损也显著低于纯生物质模式，说明系统的不可逆损失得到改善，能量质量利用率更高。
系统设计与运行机理：文档通过示意图和描述阐明了干燥器的工作原理。干燥室顶部覆盖透明聚乙烯薄膜以允许阳光进入并产生温室效应，底部涂黑以增强吸热。生物质燃烧产生的烟气通过一个壳管式交叉流热交换器加热空气。一个由太阳能光伏板供电的直流风扇提供强制对流，增强空气流动和干燥速率。在混合模式下，空气同时被太阳能（直接通过温室效应加热干燥室内的空气和样品）和生物质热交换器加热，从而提供了更稳定、更强的热源。这种结合不仅提高了温度，还通过降低干燥室内的相对湿度（因为加热空气的持湿能力增强），共同促进了水分从卷心菜中的扩散和蒸发。
研究的结论与讨论部分强调了本工作的多方面意义。 首先，在实践层面，这项研究为热带高湿度地区提供了一种具体、可评估的混合太阳能-生物质干燥技术方案。它证明，通过结合两种可再生能源，可以克服单一能源干燥器的局限——太阳能的不稳定性和生物质单独使用时的较低效率与较高?损。混合系统实现了更快的干燥速率、更高的能效和?效，这对于减少收获后损失、延长食品保质期、保障粮食安全具有直接价值。其次，在理论贡献上，研究超越了常见的仅报告能源效率的“第一定律”分析，引入了深入的“第二定律”即?分析。?分析揭示了系统内部能量贬值（不可逆性）的主要部位和大小，例如，纯生物质模式的高?损指明了其热交换过程存在较大的改进空间。这为未来干燥器的优化设计（如改进热交换器效率、优化气流组织）提供了明确的诊断依据和方向。此外，研究还连接了热力学性能与实际应用指标，对孟加拉国等类似环境进行了经济性和环境影响（碳排放）的初步评估，将性能差异转化为成本与可持续性之间的权衡，增强了研究成果对农村和半工业化应用的指导意义。最后，研究通过评估薄层干燥模型，为卷心菜干燥提供了可靠的动力学描述和预测模型，可用于工程设计和模拟。总之，这项工作不仅证实了混合太阳能-生物质干燥器在苛刻热带条件下的技术可行性，还通过严谨的能源-?分析框架，为开发低成本、适应当地条件、且符合可持续发展与工业4.0理念的食品干燥技术贡献了重要的实验数据和理论见解。
