مقدمه
خشک کردن مواد غذایی یکی از قدیمی‌ترین روش‌های نگهداری آنهاست. با کاهش مقدار رطوبت ماده غذایی، امکان فساد میکروبی آن از بین می‌رود و وزن و حجم آن نیز به مقدار زیادی کاهش می‌یابد. از طرفی، فرآیند خشک کردن از لحاظ مصرف انرژی یکی از پرهزینه‌ترین عملیات پس از برداشت در کشاورزی است. امروزه منبع اصلی تامین انرژی سوخت‌های فسیلی هستند که در آینده به اتمام خواهند رسید. از جمله انرژی‌های تجدیدپذیر، انرژی خورشیدی است که می‌تواند جایگزینی برای انرژی‌های فسیلی باشد.

در بسیاری از مناطق روستایی کشورهای در حال توسعه، خرید خشک‌کن‌های صنعتی برای کشاورزان از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نیست و کشاورزان خرده پا به ندرت از این تجهیزات استفاده می‌کنند. روش سنتی خشک کردن محصول زیر تابش مستقیم آفتاب هم معایب و محدودیت‌هایی دارد که از جمله می‌توان به تلفات بالای محصول، خشک شدن ناکافی، آلودگی به گرد و غبار، آلودگی‌های قارچی، حملة حشرات، پرندگان و جوندگان به محصول،‌ و بارندگی غیرمنتظره اشاره کرد.

کاربرد خشک‌کن‌های خورشیدی در محل‌های تولید محصولات کشاورزی مانند مزارع و باغ‌ها باعث صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کاهش هزینه‌های تولید و تبدیل بهینه محصولات کشاورزی می‌شود. کیفیت محصول، به خصوص محصولاتی مانند سبزی‌های برگی (که با داشتن ترکیبات معطر در برابر دمای بالای خشک‌کن‌های صنعتی فوق‌العاده حساس هستند وقتی با خشک‌کن‌های خورشیدی خشک شود به طور قابل توجهی نسبت به روش‌های سنتی (پهن کردن محصول در معرض آفتاب و باد) و روش صنعتی (که پرهزینه است) خواهد بود.

بررسی انواع خشک‌کن‌های خورشیدی
خشک‌کن‌های خورشیدی
به طور کلی خشک کن‌های خورشیدی به دو گروه عمده خشک‌کن‌های فعال و خشک‌کن‌های غیرفعال تقسیم می‌شوند. خشک‌کن‌های خورشیدی غیرفعال، خشک‌کن‌هایی هستند که در آنها تنها از انرژی خورشید جهت خشک کردن محصول استفاده می‌گردد. در خشک‌کن‌های خورشیدی فعال علاوه بر انرژی خورشید معمولا از یک مکنده یا دمنده برای ایجاد جریان هوا در سرتاسر بستر محصول استفاده می‌شود.
خشک‌کن‌های خورشیدی غیرفعال به سه دسته تقسیم می‌شوند:

۱- خشک‌کن غیرفعال مستقیم، در این خشک‌کن‌ها بستر محصول در معرض تابش مستقیم خورشید قرار می‌گیرد و جریان هوا به روش جابجایی آزاد برقرار می‌گردد.

۲- خشک‌کن‌های غیرفعال غیرمستقیم، در این خشک‌کن‌ها هوای گرم از سرتاسر بستر محصول عبور می‌کند و جریان هوا معمولا به روش جابجایی آزاد برقرار می‌گردد. در این روش بستر محصول مستقیما در معرض تابش خورشید قرار ندارد.
۳- خشک‌کن‌های غیرفعال مختلط، این نوع از خشک‌کن‌ها ترکیبی از دو روش قبلی هستند. در این روش هوای گرم شده توسط انرژی خورشید از سرتاسر بستر محصول عبور می‌کند و در عین حال خود بستر نیز به طور همزمان در معرض تابش مستقیم خورشید قرار دارد.

شكل كلي از دستگاه خشك كن
خشک‌کن‌های خورشیدی فعال نیز در انواع کلی زیر وجود دارند:
۱- خشک‌کن خورشیدی فعال غیرمستقیم، در این نوع خشک‌کن‌ها علاوه بر انرژی خورشید معمولا از یک مکنده یا دمنده برای ایجاد جریان سریع هوا در سرتاسر بستر محصول استفاده می‌گردد و محصول مستقیما در معرض تابش نور خورشید نمی‌باشد.
۲- خشک‌کن خورشیدی فعال مختلط، در این نوع علاوه بر جابجایی اجباری- هوای گرم شده- به وسیله دمنده (یا مکنده) بستر محصول نیز در معرض تابش مستقیم خورشید قرار می‌گیرد.

۱- خشک‌کن خورشیدی فعال غیرمستقیم با سبدهای چند لایه
این خشک کن (شکل ۴) دارای یک جمع‌کننده انرژی خورشید با صفحه جاذب پلکانی (به منظور افزایش سطح جذب انرژی و سطح تماس با هوای داخل جمع‌کننده) و یک محفظه خشک‌کن می‌باشد. هوا گرم داخل جمع‌کننده از طریق یک مکنده گریز از مرکز به سمت محفظه خشک‌کن حرکت می‌کند. در داخل محفظه خشک‌کن سبدهایی با چند لایه طوری قرار گرفته‌اند و محصول روی این طوری‌ها پهن می‌شود. جریان هوای داخل جمع‌کننده از داخل این سبدها عبور کرده و ضمن گرفتن رطوبت محصول از مجرای خروجی خشک‌کن خارج می‌شود.

ظرفیت بارگیری این نوع خشک‌کن ۳۸ کیلوگرم به ازای هر مترمربع سطح جمع‌کننده می‌باشد. دوره خشک شدن در این روش ۵ تا ۶ روز است و محصول دارای کیفیت بسیار مطلوبی می‌باشد.

تصوير يك خشك كن خورشيدي فعال غير مستقيم با سبدهاي چند لايه
۲- خشک‌کن‌های فعال مختلط از نوع تونلی
در این نوع از خشک‌کن (شکل ۵) محفظه خشک کردن به صورت تونلی می‌باشد که محصول به صورت یک لایه نازک در داخل آن پهن می‌گردد. جذب انرژی خورشید هم در جمع کننده و هم مستقیما توسط محفظه خشک شدن صورت می‌گیرد. برای ظرفیتهای پایین (حدود ۵۰ تا ۳۰۰ کیلوگرم‌) معمولا محفظه خشک کردن و جمع‌کننده پشت سر هم (به صورت سری قرار می‌گیرند ولی در ظرفیتهای بالا (تا ۱۰۰۰ کیلوگرم) این دو قسمت کنار هم و به صورت موازی قرار می‌گیرند. در خشک کن تونلی با جمع‌کننده خورشیدی، جمع‌کننده و محفظه تونلی خشک شدن هر دو روی زمین بسته می‌شوند و یک پوشش شفاف روی آنها قرار می‌گیرد و دیوارهای اطراف نیز عایق‌بندی می‌گردد. در این نوع خشک‌کن جابجایی هوا به صورت اجباری و توسط یک مکنده گریز از مرکز صورت می‌گیرد. برای جلوگیری از ورود حشرات به داخل خشک کن در مجرای ورودی هوا به داخل به طور معمول یک توری سیمی قرار می‌گیرد.

تصوير يك خشك كن فعال مختلط از نوع تونلي
۳- خشک‌کن‌های خورشیدی غیرفعال مستقیم از نوع سقف شیشه‌ای

خشک کن خورشیدی سقف شیشه‌ای (شکل ۲) شبیه یک اتاقکی می‌باشد که شامل دو ردیف موازی سبد توری از جنس گالوانیزه که هر کدام دارای بدنه چوبی می‌باشند، است. این خشک‌کن دارای سقف شیشه‌ای دو تکه می‌باشد که یکی از این دو به جهت شمال جغرافیایی و دیگری در جهت جنوب شیب گرفته‌اند. هوای گرم شده در داخل محفظه همراه با رطوبت جذب شده از قسمت بالایی اتاقک خارج می‌شود، در اثر خلاء ایجاد شده هوای تازه از قسمت پایین اتاقک وارد می‌شود و بدین ترتیب جریان هوا در داخل خشک‌کن برقرار می‌گردد. درجه حرارت داخل این خشک‌کن می‌توانند تا دو برابر درجه حرارت هوای محیط در موقع ظهر برسد.

نماي شماتيك يك خشك كن هاي خورشيدي غير فعال مستقيم از نوع سقف شيشه اي
۴- خشک کن خورشیدی غیرفعال مختلط

این خشک کن (شکل ۳) دارای دو قسمت جمع‌کننده انرژی خورشید و محفظه خشک شدن محصول که در آن قرار می‌گیرند، می‌باشد. جمع‌کننده دارای یک پوشش شفاف و یک صفحه جاذب سیاه رنگ می‌باشد. محفظه خشک کردن نیز دارای پوشش شفاف می‌باشد تا محصول علاوه بر این که در معرض تابش مستقیم خورشید قرار می‌گیرد از خطر باران و گرد و خاک هم حفظ گردد. جابجایی هوای گرم در خشک کن به صورت جابجایی آزاد (جابجایی در اثر تغییرات چگالی هوای گرم شده) است و در صورت وزش باد و با مکش ایجاد شده در مجرای خروجی هوای خشک کن این جریان افزایش خواهد یافت. بیشترین درجه حرارت داخل محفظه خشک کردن در شرایطی که دمای محیط حدود ۲۰ درجه سانتی‌گراد بوده، معادل ۵۰ درجه سانتی‌گراد گزارش شده است. ظرفیت بارگیری تا ۱۰۰ کیلوگرم در هر متر مکعب فضای داخل محفظه و یا ۲۵ کیلوگرم برای هر مترمربع از سطح جمع‌کننده می‌باشد.

تصوير شماتيك خشك كن خورشيدي غيرفعال مختلط
۵- خشک‌کن‌های خورشیدی غیرفعال مستقیم از نوع کابینتی
این نوع خشک‌کن‌ها بسیار ساده بوده و توسط روستائیان نیز به سادگی با هزینه اندک قابل ساخت و استفاده کردن خواهد بود.
این خشک کن از نوع خشک‌کن‌های غیرفعال مستقیم می‌باشد که معمولا از چوب ساخته می‌شود و طول آن تقریبا ۳ برابر پهنای آن است. خشک‌کن دارای یک لایه شیشه یا پلاستیک شفاف است که نور خورشید از آن عبور کرده و به سطح سیاه رنگ زیر و اطراف برخورد کرده و حرارت تولید می‌کند، درجه حرارت در داخل جمع‌کننده به حدود ۸۰ درجه سانتی‌گراد می‌تواند برسد و محصول نهایی دارای کیفیت بالاتری نسبت به خشک کردن سنتی می‌باشد.

نماي شماتيك يك خشك كن غير فعال مستقيم
اجزای خشک کن:
جمع کننده: جمع‌کننده انرژی خورشیدی از یک قاب آلومینیومی ساخته شده که سایر اجزاء را در خود نگه می‌دارد. صفحه جاذب از ورق آلومینیومی و با نوعی رنگ تیرة مات با ضریب جذب بالا و نام تجاری دنکستل پوشانده شده است. زیر صفحه جاذب از نوعی عایق فومی به ضخامت ) (وات بر متر درجه سانتی‌گراد) استفاده می‌شود. و زیر لایه عایق صفحه زیرین قرار دارد که جنس آن ورق گالوانیزه است. صفحه پوشش هم از شیشه ساختمانی با ضخامت ۴ میلی‌متر است که با صفحه جاذب فاصله دارد. که این مقدار فاصله با استفاده از مقادیر جرم و دبی هوای محاسبه شده برای خشک‌کن، عرضی مجرای عبور هوای جمع‌کننده و مساحت جمع‌کننده بدست می‌آید.

جمع كننده انرژي خورشيدي
محفظه خشک کن: فرآیند اصلی خشک کردن در این قسمت انجام می‌شود. هوای گرم شده توسط جمع‌کننده‌های خورشیدی بوسیله مکنده، مکیده شده و به این قسمت هدایت می‌شود. در این قسمت با عبور هوای گرم از بستر محصول رطوبت موجود در آنها تبخیر و به خارج هدایت خواهد شد. محفظه خشک کن شامل محفظه آرام‌کننده، پوشش شیشه‌ای، درب جهت دسترسی به داخل آن دریچه جهت اتصال به سیستم تأمین هوا، پشم شیشه جهت عایق‌کاری،

شیارهایی جهت نگهداری سینی‌های محصول رکاب می‌باشد. این محفظه خود به عنوان صحیح‌کننده انرژی خورشیدی عمل می‌کنند لذا داخل محفظه خشک‌کننده با رنگ سیاه مات پوشیده شده است تا در مواقعی که از تابش مستقیم نور خورشید در حالتهای مختلط بهره گرفته می‌شود، خود به عنوان جمع‌کننده عمل کرده و حداکثر جذب انرژی خورشید حاصل گردد. فاصله قرارگیری سینی‌ها نسبت به هم بسیار مهم می‌باشد طوری که سینی بالایی باید سایه‌اندازی ناچیزی روی سینی پائین داشته باشد.

محفظه خشك كن
سینی نگه‌داری محصول: در یک خشک کن محصول به صورت لایه نازک خشک می‌گردد. به منظور قرار دادن محصول به صورت لایه نازک در داخل محفظه خشک کننده باید با توجه به ظرفیت محفظه خشک کننده و ابعاد آن از سینی استفاده می‌شود. در اکثر موارد سینی‌ها از توده پارچه‌ای با قاب چوبی ساخته می‌شود.
سیستم تأمین و انتقال هوا: در یک خشک‌کن هوا از جمع‌کننده‌ها توسط سیستم تأمین و انتقال هوا مکیده و وارد محفظه خشک‌کننده می‌گردد. برای خروج هوا از خشک‌کن لوله قابل انعطاف آلومینیومی بکار گرفته می‌شود که انتهای دیگر این لوله به یک مکنده ختم می‌شود.

 

کانال رابط: برای اتنتقال هوای گرم شده در جمع‌کننده‌ها به محفظه خشک‌کن از یک کانال ذوزنقه‌ای شکل استفاده می‌شود. این کانال چوبی طوری ساخته می‌شود که از یک طرف دارای یک دهانه با اندازه مشخص می‌باشد که به انتهای بالایی جمع‌کننده متصل می‌گردد. و از طرف دیگر دارای اندازه مشخص و به قسمت جلو- پائین محفظه خشک‌کننده با پیچ محکم می‌گردد. برای به حداقل رساندن تلفات حرارتی سطح کانال بصورت مؤثر توسط پشم شیشه پوشیده می‌شود.

مکنده: هوای گرم شده در جمع‌کننده توسط این وسیله مکیده می‌شود و از بستر محصول عبور داده می‌شود. عموما مکنده در قسمت عقب محفظه خشک‌کن نصب شده است.
خفه کن: دبی هوای خشک کننده را تغییر می‌دهد. خفه کن در خروجی مکنده نصب می‌گردد.
سیستم کنترل PID:
اغلب فاکتورهای مؤثر بر مقدار بازده انرژی در یک خشک کن خورشیدی در طول فرآیند خشک کردن محصول دائما در حال تغییر می‌باشند. از جمله این فاکتورها می‌توان به میزان انرژی تابشی جذب شده توسط جمع‌کننده، دبی هوای ورودی به جمع‌کننده و محفظه خشک‌کن، جرم رطوبت تبخیر شده از محصول، دمای هوا و … اشاره نمود. با وجود تغییر هر یک از این فاکتورها، معمولا فن با حداکثر دور می‌چرخد که در واقع هم اتلاف انرژی است و هم به کاهش بازده خشک کن

در حین فرآیند خشک شدن محصول می‌انجامد. برای رفع این مشکل کنترل مداوم و پیوسته متغیرهای اصلی در طول فرآیند خشک شدن محصول ضروری به نظر می‌رسد. به همین منظور یک سیستم کنترل PID طراحی و ساخته شد. در این سیستم دور فن به عنوان متغیر کنترلی ورودی در نظر گرفته شد. این سیستم ضمن پایش دمای سیستم در نقاط مختلف با استفاده از حسگرهای دیجیتالی، با دریافت اطلاعات مربوط به متغیرهای موثر بر خشک کردن محصول و انجام محاسبات لازم، بازده فعلی و بهینه خشک کن را محاسبه نموده و با هم مقایسه می‌نماید. سپس با توجه به اختلاف این دو مقدار، دور جدیدی برای فن محاسبه شده و سیستم کنترل به منظور رساندن دور فن به دور مطلوب اعمال می‌گردد.

سخت‌افزار سیستم کنترل
فن مورد آزمایش از نوع لوله محوری با قطر پروانه cm12 و ولتاژ ورودی ۲۲۰ ولت AC می‌باشد (Soheili mehdizadeh et al., 2006). اجزاء اصلی سیستم کنترل خودکار به شرح زیر می‌باشد:
۲ عدد میکروکنترلر PI 16-8535 ATMEGA (برنامه‌نویسی میکروکنترلر با زبان C و کامپایلر Code VisionAVR انجام شد)، رگولاتور ۵ ولت cv7805L (تامین ولتاژ محدوده کاری حسگرها)، دو عدد کریستال ۱۶ مگاهرتز، مدار مجتمع ۲۳۲ MAX، فرستنده و گیرنده فروسرخ (جهت شمارش تعداد دور پره‌ها)، اپتوکوپلر، ترایاک، آداپتور، حسگر دما ۳۰-۱۶۰ SMT.

با توجه به فاصله زیاد بین ورودی جمع‌کننده، خروجی جمع‌کننده و خروجی هوا از محفظه خشک کن که می‌باید دمای آن‌ها در طی آزمایش اندازه‌گیری شود، از حسگرهای دیجیتالی استفاده می‌شد. حسگرهای دیجیتال امکان انتقال داده با دقت بالا و حداقل خطا را حین استفاده از سیم‌های بلند متصل به پایه‌های حسگر تضمین می‌نمایند.

نرم‌افزار سیستم کنترل خودکار
برنامه‌ای که برای سیستم کنترل در نظر گرفته می‌شود شامل مراحل ذیل می‌باشد:
الف- محاسبه سرعت فعلی فن
ب- دریافت سرعت ورودی از واحد در ارتباط با رایانه
پ- اعمال کنترل

محاسبه سرعت فعلی فن از طریق دو حسگر فرستنده و گیرنده فروسرخ انجام می‌شود. این حسگرها در دو طرف فن (در قسمت جلو و پشت پره‌های فن) روبروی یکدیگر قرار داده شد. فن دارای ۶ پره می‌باشد و هر شش بار عبور پره‌ها از جلوی فن برابر با یک دور فن می‌باشد.
یک سیستم کنترل پسخوردی به منظور کنترل دور فن و کاهش خطا طراحی گردید. شکل ۱- نمودار بلوکی این سیستم را نشان می‌دهد.

نمودار بلوکی سیستم کنترل دور فن
برنامه میکروکنترلر که به زبان C نوشته شده است، شامل سه بخش اصلی است (شکل ۲) که به طور همزمان اجرا می‌شوند. حلقه اصلی ورودی درگاه سریال را کنترل کرده و فرمان‌های رایانه را انجام می‌دهد. حلقه دوم خروجی حسگرهای دما را محاسبه و اعلام می‌نماید که به صورت تابعی در برنامه فراخوانی می‌شود. کنترل سرعت موتور قسمت سوم است که سرعت موتور را محاسبه نموده همچنین کنترل سرعت موتور حول مقدار ورودی را بر عهده دارد. شکل ۲ نمودار جریان این سیستم کنترل دور فن را نشان می‌دهد.

برای ارتباط کاربر با سخت‌افزار یک کنترل اکتیو ایکس نوشته شده، این نرم‌افزار به صورت بسته نرم‌افزاری قابل نصب بر روی رایانه است که به راحتی در محیط ۶Visual Basic قابل استفاده می‌باشد.

نمودار جریان کنترل دور فن
سیستم کنترل به این صورت طراحی گردیده که ابتدا بازده بهینه دستگاه محاسبه شده و با بازده فعلی مقایسه می‌شود. چنانچه این دو مقدار با یکدیگر برابر نباشند، دور جدید که به ازاء آن بازده بهینه می‌گردد محاسبه می‌شود. سپس این دور به کنترلر ارسال شده و کنترلر دور جدید را به فن اعمال می‌کند.
با استفاده از کنترل MScomm ویژوال امکان دریافت اطلاعات از پورت ۲۳۲RS و ارسال فرامین کنترل به آن فراهم گردید. از این طریق برنامه با سخت‌افزار کنترل مرتبط می‌رگدد.