青藏高原牧草太陽能烘干溫室及干燥裝置的設計

田 斌，吳建民，趙武云，孫 偉

(甘肅農業大學，甘肅 蘭州 730070)

牧草是牲畜的主要飼料，由于草原過載放牧，草場退化和水土流失日益嚴重[1-2]，草原天然優質牧草產量已不能滿足牲畜的需要，牧民必須購置干草飼料補充。同時，近十多年來，我國青海、西藏、內蒙古、新疆和甘肅等省、自治區冬季的草原雪害頻繁發生，積雪掩蓋草地，致使母畜流產，仔畜成活率低，老弱幼畜死亡增多，牧民損失慘重，急需購買大量干草度過災害[3]。

干草需求的日益增長使牧草產業化生產加工的重要性凸顯出來。但新鮮牧草加工貯存面臨的最大問題是青飼料水分含量高，細菌和霉菌容易生長繁殖，使青飼料發生霉爛腐敗，必須及時干燥降低牧草水分含量。

牧草的干燥分為自然干燥和人工干燥2種。田間晾曬、草架晾曬風干牧草等自然干燥法耗費時間長，牧草營養成分流失較多，且蟲害、塵埃及陰雨等惡劣天氣又會引起牧草品質降低[4]，不能滿足企業大規模生產優質干草的需要。目前國內外牧草人工干燥的主要方式是使用以煤炭或石油為燃料的牧草干燥機使青飼料迅速脫水干燥，至水分含量降低為14%～17%，該含水量條件下，細胞呼吸和酶的作用逐漸減弱直至停止，飼草的養分分解很少，所有細菌、霉菌均不能在其中生長繁殖，從而達到長期保存的目的[5]。但這種方法因設備投資大、燃料價格高，使得牧草干燥成本很高，干草的較高售價又會造成牲畜喂飼成本的上升，牧民只有在急需時才被迫購買干草喂飼牲畜。因此，研究低成本牧草干燥方法和設備成為當務之急。

近年來，包括中國農機院呼和浩特分院在內的國內外眾多研究院所都在試驗性的研究利用太陽能干燥牧草的方法和設備。但受到太陽能能量集中度低，設備生產效率低等多種因素影響，研究結果均未能轉化為產業化生產能力[6]。本研究通過在甘肅、青海、西藏部分地區的調研，根據青藏高原太陽能非常豐富的特點，設計了利用太陽能作為牧草干燥能源的牧草烘干溫室及烘干裝置，可極大地降低牧草干燥成本，使牲畜食用質優價廉的干草成為可能。

1 太陽能烘干溫室的設計

1.1總體布局 如圖1所示，溫室由若干個平板型太陽能空氣集熱器組成的空氣集熱器組和干燥工作間2部分組成。空氣集熱器組長60 m、寬3 m，為獲得最大的太陽輻射熱能，其安裝傾角α與當地的地理緯度基本一致；干燥工作間長60 m、跨度6 m、后墻高3.5 m，玻璃屋面的傾角也與當地的地理緯度基本一致，以獲得最大的太陽輻射熱能，前墻高度尺寸由后墻高和玻璃屋面的傾角確定；空氣集熱器組和干燥工作間安裝在水泥地基上[7-8]。

1.2工作原理 如圖2所示，平板型太陽能空氣集熱器主要由黑色吸熱板、透明蓋板、隔熱層和外殼組成[7]。工作時，太陽輻射穿過透明蓋板投射在吸熱板上，被吸熱板吸收轉化為熱能，空氣由圖1所示從集熱器底部進入，獲得熱能成為熱空氣。從連接集熱器與干燥工作間的熱空氣管道進入牧草車底部的熱空氣室，由下向上穿過牧草車底部的金屬網和牧草，加熱干燥牧草。

圖1 溫室結構簡圖

圖2 溫室墻和太陽能空氣集熱器結構簡圖

干燥工作間前墻、屋面均為金屬骨架的玻璃墻面，東西側墻、后墻如圖2所示用夾層結構保溫絕熱。側墻、后墻內表面、地面及牧草車均涂成黑色，吸收從前墻、屋面投射進來的太陽輻射能。使干燥工作間內形成高溫狀態，牧草在高溫干燥工作間內被熱空氣不斷加熱干燥，牧草中的水分被熱空氣帶走。工作間頂部均勻布設排氣孔和風機，吸收了水分的濕空氣由此被風機強制排出。

2 牧草干燥裝置的設計

2.1組成 如圖3所示，牧草干燥裝置主要由牧草車和導軌組成，牧草車為三維尺寸3 m×1 m×0.8 m的長方體形狀，骨架用角鐵焊接而成，頂部敞開，四壁及底板為金屬網，在底部角鐵上安裝滾輪，滾輪沿導軌滾動，導軌長64 m，從工作間東西兩側大門各伸出2 m，用于牧草車裝卸牧草。

圖3 牧草車結構簡圖

2.2工作過程 工作時，被壓扁鍘碎的待干燥牧草裝入牧草車，然后將牧草車沿導軌推入干燥工作間，待全部牧草車均推入后，關閉干燥工作間東西兩側墻上安裝的大門，開始干燥。工作人員根據在干燥工作間安裝的溫度、濕度傳感器輸出的溫度、濕度數值確定結束干燥的時間。干燥完畢，打開干燥間兩側大門，將牧草車推出工作間，把牧草傾倒在晾曬場，繼續散失濕氣，直到水分含量達到要求[9-10]。

3 技術可行性分析

太陽能干燥技術已是一種成熟技術，在小批量農產品干燥加工中已有應用，本研究設計的牧草烘干溫室及干燥裝置的干燥工作原理與已有的農產品干燥裝置是相同的，只是規模比較大。而青藏高原屬于我國太陽能資源最為富集的地區[7]，西藏、青海西部年均接受太陽輻射總量在6 680～8 400 MJ/m2，西藏東南部、青海東部、甘肅東南部年均接受太陽輻射總量在5 852～6 680 MJ/m2。因此，青藏高原的年均接受太陽輻射值可達到6 700 MJ/m2。本研究設計的空氣集熱器的集熱效率為25%～35%，溫室的集熱效率為40%～50%[7]，取2個集熱效率參數的平均值計算，每天輸入干燥工作間的熱量(Q)如下式計算：

Q=(A1×30%+A2×45%)×6 700/365

=(180×30%+360×45%)×6 700/365

=3 965 MJ

式中，A1為空氣集熱器組的集熱面積，A2為干燥工作間的集熱面積， 該熱量相當于135.5 kg的標準煤完全燃燒釋放的熱量。

在青海實地調查中，測量了當地玻璃溫室內的溫度。在天氣晴好時，中午溫室內的溫度為45～65 ℃，同時試驗測量了平板型太陽能空氣集熱器出口的空氣溫度，為80～90 ℃。因此，本研究設計的牧草烘干溫室及干燥裝置利用太陽能干燥牧草從技術上是可行的[7]。

4 干燥成本對比分析

目前國內滾筒式牧草干燥機械運行中，干燥1 kg牧草需耗標準煤0.2～0.3 kg，煤炭價格按2010年1月國內標準煤的中間價500元/t計算，1 kg牧草的燃料成本是0.10～0.15元/kg。根據生產規模的不同，國產的滾筒式牧草干燥設備的售價為50萬～100萬元/臺，國外同類設備的售價為30萬～80萬美元/臺，按滾筒式牧草干燥機的一般生產率進行設備折舊，均攤到1 kg牧草上的設備折舊費為0.10～0.12元/kg，加上設備的耗電成本，滾筒式牧草干燥機干燥1 kg牧草的成本為0.25～0.30元/kg[11]。

本研究設計的牧草烘干溫室及干燥裝置中，太陽能空氣集熱器造價按260元/m2計算，空氣集熱器組的面積為180 m2，總造價為4.68萬元；水泥地基造價包含在干燥工作間造價中，干燥工作間及地基造價按200 元/m2計算，干燥工作間的面積為360 m2，總造價為7.2萬元；牧草車及導軌造價折合在牧草車中計算，每臺牧草車按200元計算，共用50 臺，總造價為1.0萬元。3項總計為12.88萬元。加上溫室內安裝的溫濕度傳感監控設備[12]，總體造價可控制在14萬元以內。

本設計利用免費的太陽能為牧草干燥能源，監控設備、排氣風機等消耗電能較小，所以能源成本為0.01～0.02元/kg。設備折舊率與折舊時間與滾筒式干燥機取同樣數值，均攤到1 kg牧草上的設備折舊費僅為0.03～0.04元/kg。因此，利用牧草烘干溫室及干燥裝置干燥1 kg牧草的成本為0.04～0.06元/kg。與滾筒式干燥機相比，節約成本80%以上。

5 存在的問題與對策

本研究設計的牧草烘干溫室及干燥裝置與牧草滾筒干燥機相比，屬于低溫批量干燥。由于完全靠太陽能干燥，無法達到滾筒干燥機內近千度的高溫，要達到牧草適宜貯存的干燥程度，需要較長的干燥時間，且受天氣影響較大，在多云或陰雨天氣，太陽輻射熱能減少，工作無法正常進行，因此仍然存在生產率相對較低的問題。實際使用中，要提高干燥牧草的效率，較好的選擇是將本研究設計的牧草烘干溫室及干燥裝置與小型滾筒式牧草干燥機結合在一起，采用分段干燥。由牧草烘干溫室承擔牧草初級干燥，將新鮮牧草的含水量由80%降低為40%左右，再由小型滾筒式牧草干燥機完成后期干燥，將牧草水分再降低為15%以下的安全貯存水分。因為在烘干溫室中牧草含水量已經降到較低水平，可以縮短牧草在滾筒中干燥時間，小型滾筒式牧草干燥機的生產效率即可滿足要求。干燥好的牧草用打捆機壓捆貯存或用粉碎機粉碎成草粉貯存。這樣，既利用太陽能降低了常規能源消耗，又避免了采購大型滾筒式牧草干燥機的巨額投資，且生產效率也比較高。

6 結論

本研究設計的牧草烘干溫室及干燥裝置技術符合國家提倡的綠色、環保、低碳經濟的要求，技術可行，使用經濟。將其與小型滾筒式牧草干燥機聯合起來使用，相同生產率條件下，比大型牧草干燥機干燥成本低，比田間自然干燥的牧草品質好。因此，可有效的解決青藏高原牧草的干燥問題。

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