常 華

（西安工程大學，陜西 西安 710048）

0 引 言

太陽能是世界上豐富的可再生能源，而且是環(huán)境友好的清潔能源，其利用方式多種多樣。例如，為保持農產品的儲存質量，可利用太陽能對其進行干燥，去除農產品水分的同時保證干燥產品的質量。產品質量取決于許多因素，包括干燥溫度和持續(xù)時間。諸如草藥之類的產品需要低溫干燥，以防止傳統(tǒng)的高溫干燥過程中損失揮發(fā)性或活性成分[1]。過去大多利用陽光進行直曬，但該方法需要較大的開放空間，產品質量高度依賴于日照的可用性，并且容易受到異物的污染[2]。太陽能干燥器作為陽光直曬的替代方式，在經濟上也是可行的。

目前，全球已設計和開發(fā)許多類型的太陽能干燥器，根據(jù)所需的干燥能力，可選擇太陽能干燥器的參數(shù)和尺寸，應用之前需要對其進行測試和性能評估。計算流體力學、MATLAB 等軟件的應用對于開發(fā)和分析數(shù)學模型以預測不同類型的太陽能干燥器的性能非常重要。太陽能干燥器的設計也可以借助軟件進行優(yōu)化，從而節(jié)省實驗的時間。統(tǒng)計軟件SPSS、Sigmaplot 和Statistica 等是用于太陽能干燥器的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析的重要工具，它可以計算可決系數(shù)，簡化的卡方檢驗和均方根誤差，這些參數(shù)可用于選擇描述干燥過程的最佳擬合方程[3]。

本文對不同類型的分析軟件和性能評估軟件在不同的太陽能干燥器中的應用進行了比較全面地分析和討論，以期為太陽能干燥器的精準應用提供支撐[4]。

1 太陽能干燥器的模擬和分析

太陽能干燥器大致可分為3 類，包括直接、間接和混合模式太陽能干燥器，這些干燥器應用不同軟件進行模擬的情況如下[5]。

1.1 直接太陽能干燥器

在直接太陽能干燥器中，干燥物直接暴露在陽光下以脫除水分。通常這類干燥系統(tǒng)具有一個涂有黑色油漆的吸熱表面，該表面可以收集陽光并將其轉化為熱量，將被干燥物直接放在該表面上即可。這類干燥器一般配有玻璃蓋和通風孔，以提高干燥效率[6]。

1.1.1 計算流體力學模擬

在直接太陽能干燥器的設計和優(yōu)化中，計算流體力學軟件可做到模擬不同條件下的空氣運動情況以預測干燥速度，進而輔助設計入口風速風向、通風位點布置以及干燥室長度等。

MATHIOULAKIS 等[7-8]研究了采用計算流體力學FLUENT 軟件用于干燥器的性能因素影響，可以看出，計算流體力學軟件中應用較多的是FLUENT，其強大的氣流和溫度分布模擬保證了直接太陽能干燥器的具體設計和細節(jié)優(yōu)化。

1.1.2 FORTRAN

相比于計算流體力學軟件，通過FORTRAN 開發(fā)計算機模擬程序，可更深入地了解干燥過程的熱量和質量平衡，從而進行相應曲線擬合，直接指導太陽能干燥器的改進。

MAHAPATRA 等[9]使用FORTRAN 開發(fā)了計算機模擬程序，以研究帶有集成集熱器的隧道式太陽能干燥器的工藝和性能。在該干燥系統(tǒng)的熱流網絡模型中，考慮了空氣在干燥空間中的熱量和質量平衡方程，以及在干燥條件下材料靜態(tài)層的多層傳質模型。RAFIEE 等[10]使用Compaq Visual FORTRAN 編程語言編寫深層日光溫室干燥器的薄層干燥方程和平衡干燥模型，在不同的指定負載（例如15、30、45、60 kg/m2）下獲得了洋甘菊干燥的實驗數(shù)據(jù)，平衡干燥模型可計算出溫度曲線、物料的水分含量、濕度比曲線和干燥空氣的溫度。

1.1.3 MATLAB 模擬

MATLAB 模擬則比前兩者更加強大，不僅可以編程模擬，還可以進行具體的直接太陽能干燥器設計和優(yōu)化軟件的開發(fā)，值得一提的是，MATLAB 還可用于復雜人工神經網絡模型的開發(fā)，以最大的精度預測直接太陽能干燥器的性能數(shù)據(jù)。

PRAKASH 等[11]使用MATLAB 軟件在干燥器中發(fā)揮作用的影響，開發(fā)了具有網絡設計結構ANFIS模型，以模擬自然對流溫室干燥系統(tǒng)中的水分蒸發(fā)室溫度和粗糖溫度。該ANFIS 模型已通過實驗觀察驗證了粗糖的完全干燥。如圖1 所示，x 和y 被用作輸入向量。燃燒強度w1和w2是從規(guī)定部分的等級獲得。將E 作為燃燒強度相對于所有燃燒強度的總和的比率。輸出的“f”是每個規(guī)則的平均權重。ANFIS模型還用于根據(jù)環(huán)境參數(shù)預測溫室的熱性能。因此，對于給定的帶有薄層的粗糖狀物體，使用ANFIS 模型可能是開發(fā)自然對流溫室干燥器的最佳方法。

圖1 應用于太陽能干燥器的一階Sugeno 模糊模型

1.1.4 SPSS

SPSS 常被看作社會科學的常用統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，其在直接太陽能干燥器的軟件模擬數(shù)據(jù)中的應用主要表現(xiàn)在實驗組的設計和少數(shù)回歸模型的選擇上。HOSSAIN 等[12]在太陽能隧道式干燥器的辣椒干燥中使用了統(tǒng)計分析軟件SPSS 9.0 進行方差分析，對通過實驗獲得的紅色和綠色辣椒的色值和辛辣指數(shù)數(shù)據(jù)進行了檢查?？梢?，在已有研究中，SPSS 對直接太陽能干燥器的統(tǒng)計分析多限制于牛頓模型，對數(shù)模型和Page 模型等線型回歸分析。

1.1.5 TRNSYS

TRNSYS 被廣泛用作太陽能利用的科學模擬工具，它理論上可在瞬態(tài)條件下研究木材干燥過程。由于木材本身的干燥實驗特別耗時費力，而TRNSYS則是專門針對木材的直接太陽能干燥過程而被開發(fā)。TRNSYS 模擬“木材干燥”的流程圖如圖2 所示，干燥過程的計算分為60 個部分，選擇了15 s 的時間步長。TRNSYS 模擬優(yōu)化干燥器的目標是不斷獲得高品質的優(yōu)質干燥木材，而且，建模使困難又耗時的實驗被簡單而快速的計算機軟件模擬所代替。TRNSYS 不光用于木材干燥模型分析，還可用于洋甘菊等輕質產品的干燥過程模擬分析。

圖2 TRNSYS 模擬“木材干燥”的流程圖

1.2 間接太陽能干燥器

在間接太陽能干燥器中，涂有黑色油漆的吸熱表面會加熱周圍的空氣，此時被干燥物不直接暴露于太陽輻射下，而是讓加熱的空氣隨后通過被干燥物，吸收水分并通過煙囪排出。

1.2.1 計算流體力學模擬

相比于直接太陽能干燥器，計算流體力學軟件對于間接太陽能干燥器的模擬分析則需要關注更多的位點，包括但不限于集熱器的進出口、干燥室的進出口等。

ROMERO 等[13]考慮環(huán)境中恒定的對流傳熱系數(shù)后發(fā)現(xiàn)，在干燥1 個月后，香草的質量減少了約62%，而不是傳統(tǒng)的干燥3 個月。通過FLUENT ANSYS 軟件的模擬優(yōu)化，間接太陽能干燥器的干燥效率大幅提升。

1.2.2 Comsol Multiphysics 模擬

Comsol Multiphysics 是基于先進數(shù)值算法的通用仿真軟件，可對間接太陽能干燥器中復雜物理場環(huán)境進行耦合建模，更精確分析其干燥過程參數(shù)的變化。

VINTILA 等[14]應用Comsol Multiphysics 仿真 軟件在間接太陽能干燥器中進行物理場建模。該實驗通過忽略側壁的末端效應，使用簡化的二維域模型，使用Comsol Multiphysics 計算流體力學代碼進行了數(shù)值模擬，將預測結果與測量結果進行比較，發(fā)現(xiàn)有非常好的一致性。

1.2.3 MATLAB 模擬

對于間接太陽能干燥器的模擬分析，MATLAB更能發(fā)揮其強大的瞬態(tài)、層流和三維分析功能。

JAIN 等[15]使用MATLAB5.3 求解了傾斜的多通道太陽能空氣加熱器的瞬態(tài)分析模型，該加熱器與儲熱器集成在一起并連接到深床干燥器上。結果表明，基于MATLAB5.3 提出的模型對于評估谷物干燥應用中的平板太陽能空氣加熱器的熱性能非常有用。

1.3 混合式太陽能干燥器

混合式太陽能干燥器是直接和間接太陽能干燥器的組合，其干燥過程是在入射到待干燥材料上的太陽輻射的綜合作用下進行的，在太陽能收集器中預熱的空氣提供了干燥操作所需的熱量。

1.3.1 FORTRAN

在既有直接太陽能干燥過程，又有間接作用的復合情況下，通過算法變換和系統(tǒng)評估，F(xiàn)ORTRAN 語言強大的編程功能可應對不同占比的直接和間接作用及其多變復雜的運行條件。BENNAMOUN 等[16]開發(fā)了FORTRAN 程序，以獲得平板集熱器和太陽能干燥器的干燥室之間能量平衡的偏微分方程，結果表明，具有3 m2有效集熱器表面積的太陽能間歇式干燥器在50 ℃下每天可干燥250 kg 洋蔥片。

1.3.2 MATLAB 模擬

MATLAB 模擬在混合式太陽能干燥器中的應用則更加傾向于特殊形式的混合太陽能干燥器，包括自然對流太陽能干燥器、PV/T 混合模式干燥器等。同時，MATLAB 模擬的神經網絡模型功能在混合式太陽能干燥器的復雜運行條件下可得到更好的展示。

VINTILA 等[14]對干燥器中MATLAB 軟件的應用作了相應研究，結果顯示，該工具可使設計人員無需進行全面的實驗即可估算和優(yōu)化控制太陽能干燥過程。

1.3.3 Sigmaplot

除了SPSS 和Statistica，具有強大圖形功能的Sigmaplo 統(tǒng)計軟件也被用于混合式太陽能干燥器的統(tǒng)計分析，以可視化方式展示復雜的統(tǒng)計分析結果。

TRIPATHY[17]將Sigmaplot 應用于自然對流混合模式太陽能干燥器中的馬鈴薯干燥回歸分析。為了解釋馬鈴薯樣品的干燥性能，對8 個薄層干燥模型進行了側試并進行了統(tǒng)計比較，得出的結論是，改進的Page 模型最適合于解釋馬鈴薯切片和圓柱體的干燥動力學。

2 結 語

越來越多的模擬和仿真軟件在太陽能干燥器的優(yōu)化設計和深度分析中得到應用，基于這些軟件的分析數(shù)據(jù)，不僅可節(jié)省干燥器的具體實驗運行時間，而且可降低太陽能干燥器的研發(fā)和制造成本。通過軟件模擬，可以清楚地看到干燥室內以及整個干燥單元內的氣流和溫度分布及變化。更重要的是，軟件的模擬分析有助于選擇具體合適的太陽能干燥器類型，還可為特定被干燥物設計新型太陽能干燥器，這對于經濟價值高的果蔬、中草藥等農產品的保存尤為重要。隨著科技的進步，會有更多研究人員提出更強大的太陽能干燥器計算機仿真模擬軟件，這不僅有助于太陽能干燥器本身的設備研發(fā)和完善，也將促進計算機領域相關技術的進一步發(fā)展。