一种太阳能干燥系统的自适应能量分配控制方法及系统与流程

本发明涉及太阳能热干燥，具体涉及一种太阳能干燥系统的自适应能量分配控制方法及系统。

背景技术：

1、太阳能干燥技术利用聚光或温室效应收集太阳辐射能，广泛应用于污泥、生物质等湿物料的脱水减量处理。在此类直接干燥系统中，载湿气体流经物料表面带走水分，其热力状态直接影响除湿效率与能耗水平。

2、针对空气进入干燥腔前是否预热，行业内存在两种对立观点。一种基于能量守恒，认为预热空气消耗的显热直接减少了用于物料升温与水分蒸发的可用能，对强化干燥不利；另一种基于传质动力学，认为空气升温后饱和含湿量增加，增强了携带水蒸气外排的能力，有利于维持蒸发驱动力。两种观点均有一定物理依据，导致工程实践中难以抉择预热策略的适用条件。

3、相关技术通常仅依据环境气温等单一变量粗略控制预热启停，缺乏能够量化权衡上述两种效应的数学模型，也未建立基于实时传热传质参数的动态决策判据；这使得变工况下能量分配缺乏科学依据，系统无法精确判断何时应预热、何时应停止预热。实际运行中，高空气流量时错误预热导致大量热能随空气无效散失，低空气流量时缺乏预热又造成传质驱动力不足，制约了系统能效与干燥速率的稳定性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种太阳能干燥系统的自适应能量分配控制方法及系统，以解决上述背景技术提出的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种太阳能干燥系统的自适应能量分配控制方法，所述系统包括用于将太阳能转化为热能以直接加热物料的直接加热装置，以及用于向物料表面输送载湿气体的气体输送装置，包括以下步骤：

3、获取系统状态参数，所述系统状态参数至少包括物料温度、环境温度、预热后的载湿气体温度，以及物料完成换热后的出口气体温度和出口气体相对湿度；

4、基于热平衡原理，根据获取的预热后载湿气体温度、出口气体温度及物料温度，结合预设的换热面积和当前空气质量流量，反演计算当前工况下物料侧与载湿气体之间的对流传热能力表征值，以预设控制周期为间隔更新对流传热能力表征值；

5、根据物料温度与环境温度的温差判定系统运行阶段；当所述温差大于或等于预设阈值时，计算物料表面饱和水蒸气分压与出口气体水蒸气分压的差值作为实时传质驱动力，并以所述实时传质驱动力处于预设目标区间为目标，动态调节所述气体输送装置输出的空气质量流量；

6、实时比较所述对流传热能力表征值与载湿气体侧吸热能力表征值的大小关系，若对流传热能力表征值大于或等于吸热能力表征值，则将太阳能分配至载湿气体预热路径；若对流传热能力表征值小于吸热能力表征值，则将太阳能分配至直接加热物料路径并关断载湿气体预热路径。

7、有益效果：本技术提供的自适应能量分配控制方法，其技术目的在于解决背景技术中提及的缺乏量化权衡模型与动态决策机制的问题，从而实现对太阳能干燥系统中直接加热物料与预热载湿气体两种能量路径的合理决策。

8、本技术通过获取物料温度、环境温度、预热后气体温度及出口气体温湿度等多维度状态参数，构建了完整的系统状态感知基础，为后续量化决策提供了实时数据支撑，避免了传统方案仅依赖单一环境变量的片面性。通过基于热平衡原理反演计算对流传热能力表征值并以控制周期为间隔持续更新，能够适应物料含水率变化、表面形态改变等工程实际中的动态因素，克服了固定经验参数导致的模型失配问题，使系统始终运行于参数自校正状态。通过引入物料表面与出口气体之间的水蒸气分压差作为实时传质驱动力，并以该驱动力处于预设目标区间为目标动态调节空气质量流量，确保了载湿气体流量与当前物料蒸发速率相匹配，既防止风量过小导致空气过早饱和而削弱传质驱动力，也防止风量过大导致能量随空气无效排出，从而实现传质效率与能量利用效率的配合优化。通过实时比对表征物料侧对流换热能力的物理量与表征载湿气体侧吸热能力的物理量的大小关系作为能量分配的判据，将原本复杂的连续优化问题转化为二元决策逻辑，解决了变工况下能量分配缺乏科学依据的技术难题，使系统能够在不同空气流量条件下自动选择最优能量路径。

9、在一些实施例中，所述对流传热能力表征值为对流换热系数与换热面积的乘积，所述载湿气体侧吸热能力表征值为两倍空气质量流量与空气比热容的乘积。

10、有益效果：本方案将实际的传热能力对比关系转化为可实时计算、可直接比较的物理量，使决策具备合理的数值依据；其中，对流换热系数与换热面积的乘积表征物料表面与载湿气体之间单位温差下的实际对流换热能力，两倍空气质量流量与空气比热容的乘积表征载湿气体在流经物料过程中的热容吸纳上限，二者量纲一致、物理含义相对应，可直接进行数值比较，无需额外量纲转换或经验修正，保证了判据的准确性和通用性；同时，此种量化方式可直接利用常规传感器采集的温度、流量等参数计算获得，无需增设专用检测设备，也有利于降低系统的实施成本。

11、在一些实施例中，所述对流换热系数的反演计算基于热平衡方程：

12、

ma

ca(

thot-

tout)=0.5

ha(

thot+

tout-2

t)

13、其中，

ma为空气质量流量，

ca为空气比热容，

thot为加热后的空气温度，

tout为空气流经物料后的温度，

t为物料温度，

h为对流换热系数，

a为换热面积；

14、所述对流换热系数

h的反演计算公式为：

15、

h=2

ma

ca(

thot-

tout,meas)/

a(

thot+

tout,meas-2

t)；

16、

tout,meas为出口气体温度实测值。

17、有益效果：通过预热后气体温度

tout、出口气体温度实测值

tout,meas及物料温度

t三个可直接测量的温度参数，结合已知的空气质量流量

ma和换热面积

a，即可反演推算当前工况下真实的对流换热系数值，无需依赖经验关联式或复杂的风洞标定实验；其计算过程简捷，可在每个控制周期内快速完成，从而使对流换热系数值的更新与实际干燥进程保持同步，确保后续能量分配判据的输入参数始终反映系统的真实传热状态。

18、在一些实施例中，所述预设阈值为3℃，当物料温度与环境温度的温差小于3℃时，判定系统处于冷态启动阶段，执行强制约束：将二次风流量归零，全部太阳能分配至直接加热物料路径，同时将总空气质量流量锁定在系统最低通风档位，直至下一采样周期所述温差大于3℃。

19、有益效果：通过设置温差阈值作为运行阶段判定条件，当物料温度与环境温度温差小于3℃时，判断系统处于冷态启动或弱辐照降温阶段，此时物料尚未形成有效蒸发驱动力；在此条件下执行二次风归零和总风量锁定最低档位的双重强制约束，将全部太阳能集中用于直接加热物料，避免了低温阶段因通风散热造成的能量无效流失，加速了物料温度的早期积累和提升，同时降低了通风能耗；该规则在系统启动初期及阴雨或早晚弱辐照时段均能自动生效，增强了系统对恶劣天气条件的适应能力。

20、在一些实施例中，所述传质驱动力的预设目标区间为δpmin至δpmax；所述空气质量流量的动态调节方式为：

21、当实时传质驱动力δp小于δpmin时，增大空气质量流量，下一时刻目标流量

ma,target=

ma×(1 + k1×( δpmin-δp) /δpmin)，其中，k1为第一比例系数；

22、当实时传质驱动力δp大于δpmax时，减小空气质量流量，下一时刻目标流量

ma,target=

ma× (1 - k2×( δp -δpmax) /δpmax)，其中，k2为第二比例系数，

23、当实时传质驱动力δp处于所述预设目标区间内或者当前空气质量流量已达到系统最大通风能力时，保持当前空气质量流量不变。

24、有益效果：本方案中，通过设定传质驱动力的目标区间δpmin至δpmax，将风量控制转化为以传质驱动力偏差为反馈量的闭环调节；当δp低于下限时，说明空气过早接近饱和、携带水分能力不足，按第一比例系数k1进行正向增量调节，增加风量以恢复传质驱动力；当δp高于上限时，说明空气流量过大、未充分吸湿即被排出，按第二比例系数k2进行负向调节，减小风量以提高能量利用率；当δp处于目标区间内或风量已达系统上限时则保持当前风量，避免超调。通过此三种调节模式的配合，使风量调节过程平稳、连续，既不剧烈振荡也不过慢响应，有利于维持干燥过程的长期稳定运行，提高干燥效率。

25、在一些实施例中，所述第一比例系数k1和所述第二比例系数k2的取值范围均为0.1-0.3。

26、有益效果：本方案将调节步长限制在每次调整不超过当前风量的10%至30%范围内，保证了系统对传质驱动力偏差具有足够的响应速度，又防止了单次调节幅度过大引起的控制振荡；此取值范围兼顾了不同干燥阶段的风量调节需求，在干燥初期驱动力偏低时需要适度增量以快速建立传质条件，在干燥末期驱动力偏高时需要温和减量以避免风量陡降导致物料表面温度波动。

27、在一些实施例中，当判定将太阳能分配至载湿气体预热路径时，将二次风流量占比r提高至0.3以上；当判定将太阳能分配至直接加热物料路径时，将二次风流量占比r设定为0。

28、有益效果：热力学理论推导表明最优能量分配出现在

r=1或

r=0的边界，但工程实际中全量预热（

r=1）会导致空气温升过高，带来风道及干燥腔散热损失增大、输送电耗增加等不利因素，且预热比例对干燥效果的提升存在明显的边际递减效应；将预热启用阈值设定为

r≥0.3而非强制

r=1，以在不损失绝大部分预热收益的前提下，避免了全量预热带来的能量二次浪费和输送能耗上升，实现了干燥速率与系统综合能效的工程最优平衡。

29、第二方面，本发明还提供了一种太阳能干燥系统的自适应能量分配控制系统，包括：

30、传感器模块，用于实时获取系统状态参数，所述系统状态参数至少包括物料温度、环境温度、预热后的载湿气体温度、出口气体温度及出口气体相对湿度；

31、中央处理模块，与所述传感器模块电连接，用于接收所述系统状态参数并执行上述的自适应能量分配控制方法，输出能量分配指令和风量调节指令；

32、执行机构模块，与所述中央处理模块电连接，用于响应所述能量分配指令和风量调节指令，调节太阳能至物料和载湿气体预热路径的分配比例，以及调节所述气体输送装置的空气质量流量。

33、有益效果：通过传感器模块与中央处理模块及执行机构模块的电连接配合，构建完整的感知、决策与执行的控制闭环；传感器模块负责将系统的热力状态转化为电信号输入，中央处理模块承担计算与逻辑判断功能，执行机构模块将控制指令转化为具体执行动作，以调节太阳能分配比例及空气质量流量；通过三者配合，使控制方法在实际干燥装置上自动、连续、稳定地运行，无需人工的干预。

34、在一些实施例中，所述传感器模块包括设置在物料表面的温度传感器，设置在载湿气体预热装置出口处的风温传感器以及设置在干燥腔排气口处的风温传感器、风速传感器及湿度传感器；

35、所述执行机构模块包括直射调节组件、预热调节组件和通风调节组件，所述直射调节组件连接在所述直接加热装置与所述中央处理模块之间，所述预热调节组件连接在载湿气体预热装置与所述中央处理模块之间，所述通风调节组件设置于在所述气体输送装置的气体管路中。

36、有益效果：在感知层面，通过在物料表面、预热装置出口及干燥腔排气口分别设置温度传感器、风速传感器、湿度传感器，实现对系统状态参数的定点、实时采集；其中，排气口集成风速传感器还能够为空气质量流量的计算提供直接测量依据，提高了风量调节的精度；在执行层面，直射调节组件、预热调节组件和通风调节组件各自独立连接中央处理模块，分别对应于太阳能直接加热量、预热装置启停及功率、空气质量流量和二次风占比的独立调节，三者相互独立，使中央处理模块能够精确执行能量分配指令与风量调节指令。

37、在一些实施例中，直接加热装置包括设置在物料上方的集热透镜，所述集热透镜下方设置有均温板，所述均温板的上表面通过导热介质与承载物料的物料托盘热连接，所述均温板的下表面与二次风加热腔的腔壁围合形成二次风道，所述二次风道的进风端连接冷二次风入口、出风端连接一次风与二次风混合装置的第一入口，所述一次风与二次风混合装置的第二入口连接一次风道，所述一次风与二次风混合装置的出口朝向物料表面设置；

38、所述通风调节组件包括设置在一次风道和二次风道上的流量调节组件，所述流量调节组件与所述中央处理模块电连接，用于根据所述风量调节指令分别调节一次风道和二次风道的开度，以改变总空气质量流量及二次风流量占比。

39、有益效果：通过将集热透镜聚焦的太阳光线投射至均温板，利用均温板的上下双面传热结构实现太阳能的一体化分配，上表面通过导热介质向上加热托盘中的物料、下表面作为换热壁面向下预热流经二次风加热腔的二次风，以同一结构实现了两种加热功能的集成，避免了为空气预热额外增设独立集热器或电加热装置带来的系统复杂度和成本增加；二次风道与一次风道在混合装置处汇合后共同吹向物料表面，使预热后的二次风与冷一次风在抵达物料前完成掺混，确保物料表面获得温度均匀的混合载湿气体，避免了局部过热或过冷导致的干燥不均问题；流量调节组件分别设置于一次风道和二次风道上并与中央处理模块电连接，使风量动态调节逻辑能够精确映射为一次风和二次风流量的独立调节，满足控制逻辑及系统的设计需求。