実績説明(乾燥）

太陽熱を利用した商業的規模の乾燥について

J.C.　Hollick, Conserval Systems Inc.
(株)ロゴスシステムズ訳
　

天日乾燥

乾燥が最も普通に行なわれている方法は、夫々の農家において行われている太陽による乾燥である。例えば、太陽は香料を乾燥する事に適しているが、乾燥を均一に行なう為に人手により香料を良く反転しなければならない。天日乾燥は、太陽エネルギーを使用するものであり、太陽熱乾燥の最も基本的な方法であると考えられる。しかしながら、この方法はまた、多くの問題点を有している。乾燥されるものの品質は、一定ではなく、生産量はまちまちであり、虫、動物或いは天候によりロス４０％は通常であり、且つまた乾燥に大きなスペースを必要とする。

天日乾燥は、ソーラー熱乾燥 (SOLAR DRYING)とは異なる方法であると考える。即ち、ソーラー熱乾燥は、太陽熱収集器、乾燥装置及び常には必要でない熱源を併せ持つものである。生産者が“天日乾燥”より“ソーラー熱乾燥”に切り替える場合、両者における燃料は同一なので熱量低減に加えて他の理由がなければならない。

ソーラー熱乾燥

いくつかの商業規模の乾燥方法が、生産量を増加するために、伝統的な天日乾燥から切り替わってきている。その切り替えの理由は、伝統的な天日乾燥の持つ問題点を解決する事に有る。残念な事ではあるが、多くの場合その切り替えにより太陽熱より、化石燃料、例えば油、木材、石炭に変わっている。種々の乾燥機が、乾燥すべき材料に依存して工業的に採用されている。顧客は、より良い品質、高収率を可能とする乾燥装置を選定する事が出来る。ここでは、完全なる乾燥装置の評価までは言及していないが、太陽熱が多くの市販の乾燥機にいかに適用可能であるかを示している。

SOLARWALL によるソーラー熱集熱器

ソーラー空気集熱器は、過去各種農産物の乾燥に使用されてきたが、工業的に容易に受け入れられてきたものではない。通常のソーラー集熱器は、高価なものであり、使用するその透明板に多くの問題を抱えている。この場合、ガラス或いは光を透過するプラスティクス材料が黒色表面からの太陽熱を透過し抱え込む為に必要であった。ガラスは割れる心配が有り、プラスティク板は、紫外線の損傷を受けるし、またからすが噛んだり、つついたりする事による損傷を受ける。

吸引を利用する方法あるいはSOLARWALL集熱器は、透明板を利用するソーラー空気予熱器に比べより安価であり、極めて効果的である。透明板は、入光に対し約15％の反射を伴う。この透明板を取り去ることにより熱効率は向上するし、また材料コストも低減することができる。使用する金属シートは、ソーラー集熱板としてまた、建物外装板として10年以上の耐久性を有する状況を作り出す。

米国のエネルギー省関連の改良技術に関し、この貫流型集熱器(SOLARWALL集熱器のことを米国ではこのように言う)は、エネルギー関連発明の上位2％の中に入っており、国立新エネルギー研究所（NREL）の助けを受けてその開発が行われた。国際エネルギー機関プロジェクト（Task14）では、この貫流型集熱器は、過去開発されたものの中で、最も優れたものとしており、カナダ政府機関により測定されたデータでは、太陽熱集熱効率では80％を超えるデータを示している。このレポートに示された太陽熱に関するデータは、独立研究機関による「SOLARWALL集熱器に関するテスト」に基づいている。

乾燥の原理

いかなるものの乾燥も、その材料の内部から表面へ向かっての水分の移動とその表面からの水分の遊離にある。移動速度は、それぞれ異なるものである。吸湿性の物質、例えば穀粒、果物、スパイス等は、乾燥後に残留水分を保有している。この種の物質中の水分は、それ自体、水の表面張力によって物質内部に存在する水分即ち、拘束されていない水と、ジュース成分として内部にある毛管部に蓄えられた水分双方が存在している。いかなるものの乾燥プロセスも、異なる乾燥速度のステージにより特徴付けられている。

最初のステージは、一定の乾燥傾向にあり（恒率乾燥期間）、この間においては、表面の水分は外部温度、湿度によって決められる速度並びにその循環の程度等によって影響されながら蒸発が進行する。第二のステージは、水分分離速度が減少する状態である(減率乾燥期間)。これは、物質内の液境界面における浸透によるものである。この間では、形成される蒸気と液界面の移動距離が増加してくるので、乾燥速度は、減少してくる。

乾燥速度は、物質周辺を通過する空気の量、温度並びに湿度によって影響を受ける。実際に用いられている方法は、外気を暖めることにより相対湿度を下げ、水分を吸収することができるようにその容量を上げた状態で、乾燥すべき物質にこの温度を上げた空気を当てることにある。この暖められた空気は、水分を吸収し、対象物を乾燥し、水分を含んだ空気は排出される。

種々の物質の乾燥に必要なエネルギーは、それぞれの物質の最初と最終の水分の含有率により決まる。物質それぞれは、異なった乾燥速度を持ち且つ許容される温度限界がある。多くの場合、あまり高くない空気の温度上昇が、乾燥を成功するために必要なことである。

多くのスパイスを含む農産物について、含有水分、遊離すべき水分量および水分の遊離、乾燥するのに必要なエネルギーが記載されている。乾燥するのに必要なエネルギーがわかるなら、化石燃料を太陽熱に置き換えるに対応するソーラーパネル面積を簡単に計算することができる。

乾燥システム

乾燥すべき物質は夫々異なった特徴を有しており、夫々に対応した乾燥方法をとることが必要となる。乾燥機には、バッチタイプか連続タイプがある。バッチ乾燥機は、多くの形態があり、連続乾燥機も対象物質を動かすメカニズム、それらに暖められた乾燥用の空気を導入する方法等でいろいろなデザインがある。図－1に通常使用されている乾燥機を示す。ここでは、種々の乾燥のメカニズムを評価することが目的ではなく、通常使用されている乾燥システムの一部或いは全てに、太陽熱により暖められた空気を適用することができるかどうかということがポイントである。図－2は、既存の乾燥装置に太陽熱の集熱機を結びつける方法について示している。

太陽熱による乾燥の評価

次の商業用乾燥操作に関する評価は、太陽熱乾燥システムによる省エネを決定する場合の例として参考となるだろう。

Bora Agro Foods, Pune（インド）にあるこの会社は、Samrat Brand Super Sesame Seed, Golden Brand Coriander And Diamond Brand Ajwan の商標で、ごま種、チリー(Chilies)、コエンドロ（Coriander）を乾燥製造している。Boraは、これらを生産者より購入し、乾燥している。2年前までは、Boraは露天乾燥で行っていたが、ディーゼル油による流動乾燥方法に切り替えた。露天乾燥は、広い土地を必要とし、乾燥に長時間を要し、一貫した乾燥を行うことは困難であった。機械的な乾燥方法はこの問題を解消したが、高いエネルギーコストを招いた。

この会社は、２基のドライヤーを持ち、容量１日３０トン、２４時間操業している。燃料消費量は、4000ｌ／日である。燃料コストは、9Rs／ｌであり、発生費用は36,000Rs／日となる。Hollick氏が２月にプラントを訪問した時、ごま種の乾燥が行われていた。資料によると、夫々のドライヤーは、９０℃に加熱された20,000　cfm（566ｍ3／min）の空気を25馬力のファンで夫々送風している。ごま種は、22％の水分から2％までに乾燥され、ドライヤーの滞留時間は、１４分である。材料は、暖められ乾燥された後、冷却を経て包装される。ドライヤー並びに太陽熱利用方法の提案について図－3に示す。

冷却サイクルを少なくするためには、低い温度が望ましいのではないかとオーナーに質問したところ、彼はソーラーパネルから得られる低い温度を活用するために、滞留時間を増やすことが必要であり、機械をスローダウンすることが必要であるといった。そしてそれをすぐ試みることにした。そして、ソーラーパネルからの暖かい空気は、ファンおよびバーナー用空気の予熱機として使用されることとなった。

エネルギー必要量

SOLARWALLパネルを使用して、ごま種を乾燥するために必要なエネルギーは、下記のように計算される。図－4は、異なる空気量に対する集熱器を通過する空気の得られる温度を示している。また、図－5は、SOLARWALL集熱器の効率を示している。

1より、1kgを乾燥するのに必要なエネルギーは、0.516MJ
30トンを乾燥するに必要なエネルギーは、30,000ｘ0.516=15,480ＭＪ
油の発熱量は、39ＭＪ／L
バーナーの効率は、60％（40％は、煙突から逃げる）
使用される油の効率を考慮して、39ｘ0.6=23.4ＭＪ／L がファンにいく
油の使用量は、15,480ＭＪ／39ｘ0.6=662 L

実際には、4000ｌの油が使用されており、この乾燥機の効率は、概略662／4000=17％と著しく悪い。これは、ドライヤー内部に過剰の加熱空気が存在していることであり、乾燥後のごま種の冷却が必要であることを示している。これは極めて重要なことであり、ドライヤーの選択と操作がエネルギー消費量に大きく関わっていることを示している。ドライヤーの効率を100％にすることは難しいにせよ、効率を向上させることは可能である。仮に効率50％になるなら、必要な油は、662／0.5=1324ｌとなる。

ソーラー加熱

夫々の建物に対しSOLARWALL設置可能な屋根の面積は、6000ft2（560ｍ2）
ファンの容量は、夫々20,000cfm（566ｍ3／min）
Puneにおける年間平均の一日あたりの日射量は、20ＭＪ／ｍ2（丸い数字で）
集熱器を通過する空気量は、20,000／6000=3.33cfm／ft2
図－4より空気量は曲線Ｃ及びＤの中間に位置する
天気の日の温度上昇は、800Ｗ／ｍ2で外気温度+23℃となる
外気温度が３０℃の場合、30+23=53℃
図－5より集熱器効率は、3.33cfm／ft2で概略60％とすると、SOLARWALL により生み出される一日あたりの集熱量は、20ｘ0.6=12MJ／ｍ2
30トンのごま種を乾燥するに必要なエネルギーは、15,480ＭＪ
ドライヤーの効率を50％とすると、必要エネルギーは、15,480／0.5=31,000ＭＪ
ソーラーパネル必要量は、31,000／12=2,580ｍ2
設置可能な屋根面積は、560ｍ2ｘ2屋根=1120ｍ2

乾燥操作は、一日24時間行われるので、ソーラー乾燥によって、すべての燃料を置き換えることはできないが、仮に乾燥のスピードを通常行われている90℃の代わりに、５０℃の空気温度に相当する条件にスローダウン出来るのなら昼間に必要なエネルギーの殆どをソーラーによって供給することは可能となる。

経済的な分析

SOLARWALL集熱器の材工コストは、概略　2500Rs／ｍ2である。また、SOLARWALLシステムは、インド政府からパネル1ｍ2あたり、800Rsの補助金が出ることになっている。この補助金は、1998年3月31日迄に取り付ける者に対し適用されることになっている。

集熱器の材工コストは、1120ｍ2ｘ2500Rs＝　　　　　　　2,800,000Rs
SOLARWALLパネルと2つのファンへの取り付け＝　　　　　　　400,000
小計　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　3,200,000　　　
連邦政府からの補助金、800Rs／ｍ2ｘ1120＝　　　　　　－896,000
合計　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2,304,000Rs

燃料費の削減は、12（MJ／ｍ2）／23.4（MJ／ｌ）＝0.5（ｌ／ｍ2・日）
年間の油の削減量は、1120ｍ2ｘ300（日／年）ｘ0.5＝168,000ｌ
年間の削減コストは、168,000ｌｘ9（Rs／ｌ）＝1,512,000Rs
単純回収年数は、2,304,000／1,512,000＝1.5年

この単純回収年数は、ソーラーによる加熱方法の優れた効果をよく示している。仮に、低い温度で運転を行う時、別のドライヤーが無く、新しくドライヤー及びその建屋を購入しなければならないとすると、トータルのコストは更に上昇することになったであろう。ドライヤー設備は既に購入したものを使用しており、そのコストは十分吟味されており、油を使用することはあっても、効果的な状況になったといえる。

ここで注意しなければならないこととして、ソーラー加熱設備のためのコスト回収は、ソーラーパネルに関する投資に基づくもののみであり、乾燥全体に関わるシステムをさすものではない。仮に、トータルのコスト評価が、新しいソーラー乾燥プロジェクトを対象にして行われるのならば、改良された品質、高収率、少ない土地、すばやい乾燥その他、これらによって受けることが出来るメリットを正確に計算しなければならない。

代表的なスパイス

インド南部における重要なスパイスの概略の年間生産量、平均国内価格、並びにこれらを乾燥するに必要なエネルギー量を表－2に示す。

Cardamom

Cardamomは、太陽に晒すと緑に変色するので、天日乾燥することは出来ない。商業的乾燥は必要であり、木材、油の燃焼のかわりに、ソーラーエネルギーを使用することを第一義的に考えなければならない。理由は、Cardamomは、45～60℃の温度で乾燥しなければならず、ソーラー加熱による乾燥に極めて適合したものであるからである。図－4により、ソーラーパネルを通過する空気量は、曲線BとCの中間、2から4　cfm／ft2に設計される。上記の例に同様の数値を用いることにより、ソーラーパネル1ｍ2当たり、1日0.5ｌすなわち19.5MJのエネルギーを回収することが出来る。年間300日の乾燥を行うとすると、ソーラーパネル1ｍ2あたり年間、5850MJの化石燃料を回収することが出来るし、9Rsｘ（5850／39）＝1350Rsのコスト低減を行うことが出来る。仮に、もっと大きい空気量を採用するとすると、温度上昇は、４５℃の空気温度に下げることが出来るし、集熱器の効率も表－5からわかるように向上するし、パネル当たりのコスト低減も高いものとなろう。ソーラーパネルｍ2当たり1日、大略8kgのCardamomを水分40％から10％まで乾燥することが出来る。(ただし効率を50％とする)

Chilies

Chiliesは、分離すべき含有水分が高く、且つ高温で乾燥することが出来る。集熱器の空気量は、図－4の曲線B、即ち2～4　cfm／ft2で、30℃の温度差が得られ、60℃にも達する空気温度が得られる。低い空気量では45％の効率なので、1ｍ2及び1日当たり20MJｘ0.45=9MJのエネルギーを確保することが出来る。Chilliesは、表－1にあるように、乾燥に多くのエネルギーを必要とするので、乾燥効率を50％とすると、ソーラーパネル1ｍ2及び1日当たり3kg乾燥することが出来る。もし、更に低い温度上昇で高い空気量を採用する場合、乾燥に長い時間を要することになる。この場合、ソーラーパネルの効率は向上し、パネル1ｍ2及び1日当たり、4kgのChiliesを、含有水分80％から5％にすることが出来る。

結論

ソーラーエネルギーは、通常スパイスを乾燥する最も優れたエネルギーソースであり、用いられている方法は、太陽の光を浴びながら地面にスパイスを広げて行う天日乾燥である。この天日乾燥は、安価であるが品質維持には問題がある。虫、動物、その他のものの混入によるロスは大きく、加えて乾燥に広大なスペースを要し、また長時間を要する。この天日乾燥からソーラー或いはその他の乾燥方法に切り替えるのは、品質の改善と収率向上にある。しかしながら多くの零細な栽培者は、スパイスの乾燥において、少量例えば100kg以下のようなスケールにおいて、付近の土地を借用して、この安価ではない天日乾燥を継続採用している。

対して大規模栽培者、商業関係者は、ソーラー利用を考える第一の候補者といえる。即ち、彼等は、装置の長期利用を考えているし、これら装置の早期回収を目論んでいるからである。乾燥は、思いのほかエネルギーを消費する。乾燥機は比較的低い温度レベルでしかも大量の空気を必要とする。このシナリオは、低廉化のソーラー集熱器が、大量の空気に対してソーラー加熱を行うことが出来ることとうまく適合する。ソーラーパネルは、ドライヤーのある建物の屋根或いは、壁に装備することが出来るし、このパネルを通して得られる加熱空気は、ファン或いはドライヤーに直接或いは余熱用として挿入利用される。

市場に出ているドライヤーは、加熱源として油、木材を使用するように設計されている。
油の燃焼は、時にして必要とする温度を超えることがあり、そして実際のドライヤーの効率は、大量の熱が利用されず放出されるので往々にして低い。効率を上げるためには、低い空気温度で運転しなければならない。この空気温度を例えば50℃以下の条件にすると、これはソーラー加熱に適合するものであり、これを適用することにより、熱の損失を止めることが出来るし、結果的に効率も改善することが出来る。種々のスパイスに対して、そのスパイスにあった乾燥条件を吟味し最適化を行うことにより、乾燥装置並びに乾燥方法を検討しなければならない。

Bora Agro Foods に提案したソーラー乾燥は、1.5年の回収年数である。ソーラーパネル1ｍ2は、1日当たり、12kgのごま種を乾燥することが出来る。また、同じく湿ったCardamomを8kg、Chilliesを4kg乾燥することが出来る。

提案

全ての商業的に運転されている乾燥操作二関し、ソーラー加熱の適用について検討する必要がある。
小規模の農場の個々のドライヤーには適合することができないが、彼らを支援する地方のコミニテイの中にソーラードライヤーを設置することを検討する必要がある。
スパイス組合及びインド工業同盟は、栽培者並びに工場経営者に対し、ソーラー乾燥のメリットについてセミナーを開くことを行ってはどうか。
より重要なスパイスに対しそのセンターにおいて、デモンストレーション・プロジェクトが設置されることを望む。このデモは、既存のドライヤー並びに全くの新規のソーラー乾燥システム双方において行ってはどうだろうか。このデモのモニタリングは、省エネルギー及び製品品質を評価する上で必要なことである。
ソーラー加熱用設備の回収年数は、2年以下であり、それによって得られる権利は、ソーラーを採用するところに与えなければならない。
茶の葉実績。

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