乳品行業被認為是能源消耗最大的食品加工行業之一，需要大量的熱能和電能用于巴氏殺菌、均質化、蒸發、干燥和就地清洗等過程[1]、[2]、[3]。僅巴氏殺菌過程就占據了總熱需求的很大份額，因為它需要精確且連續的加熱，溫度通常在63至90°C之間，具體取決于所采用的方法[4]。發展中國家的多數加工設施都是中小型乳品企業，它們嚴重依賴傳統的蒸汽鍋爐、電加熱器、燃氣燃燒器或木柴系統來滿足這一需求[5]。大量使用基于化石燃料的熱能不僅增加了運營成本，還顯著加劇了溫室氣體排放、室內空氣污染和不可再生能源資源的消耗[6]。因此，乳品行業的能源消耗已成為一個經濟和環境方面的挑戰，迫切需要轉向可持續的熱能生成技術。

傳統中小型乳品企業的牛奶巴氏殺菌通常采用電鍋爐、液化石油氣燃燒器或木柴加熱的鍋具進行批量加熱，這些方法能源效率低且熱損失大[7]、[8]。此類系統缺乏自動化，加熱效果不穩定，需要操作員持續干預。此外，對電網電力的依賴使得農村乳品企業容易受到停電和電壓波動的影響，從而降低了時間-溫度控制的可靠性。結果，每升巴氏殺菌牛奶的能源成本變得過高，限制了分散式乳品企業的經濟可持續性。整合可再生能源，特別是太陽能熱技術，為降低能源成本、提高工藝可靠性和減少環境影響提供了可行的途徑。太陽能豐富、免費且在乳品生產地區廣泛可用[9]，可以為巴氏殺菌等熱過程提供可持續的替代方案，尤其是在結合混合能源供應系統以補償季節性間歇性的情況下。以往關于乳品巴氏殺菌和熱交換器技術的研究主要關注熱-水力性能和能源效率的特定方面。板式熱交換器中的停留時間分布研究明確了非理想流動行為，量化了塞流、混合流、死區和串聯并聯通道布置下的軸向擴散現象，但這些分析僅限于水力診斷，未考慮季節性變化、長期運行或實際氣候條件下的可再生能源整合[10]。對先進熱交換器幾何形狀（如三重同心管[11]和三重螺旋盤管[12]）的并行研究顯示了傳熱系數和熱水力性能的顯著提升；然而，這些研究是在受控實驗室條件下進行的，未評估全年巴氏殺菌性能、低溫季節的運行可靠性以及與混合能源系統的耦合。在系統層面，已有研究提出使用氨基壓縮熱泵同時進行加熱和冷卻[13]，實現了顯著的能源節省和脫碳潛力，但這些研究主要關注熱力學效率，未探討季節性性能、混合運行策略或通過實驗、數值、環境和技術經濟分析的全面驗證。這些不足促使研究關注能夠同時解決能源可持續性和運行可靠性的可再生能源驅動和混合巴氏殺菌技術。

為應對這些限制，近年來出現了大量針對基于太陽能的牛奶巴氏殺菌系統的研究；然而，仍存在一些差距和限制。拋物面槽式集熱系統能夠達到巴氏殺菌溫度，但缺乏集成熱存儲，并對云層覆蓋具有較高的敏感性，導致加熱不連續[14]。真空管集熱-吸附冷卻系統具備雙重加熱-冷卻功能，但其多級復雜性、較大的集熱面積需求和有限的冬季性能限制了實際應用[15]。平板集熱系統（尤其是帶有反射器的系統）在實驗室規模試驗中實現了快速溫度升高，但在漫射輻射條件下表現不佳，無法維持連續流動的巴氏殺菌[16]。同心管巴氏殺菌器在優化流速下達到了高溫短時間（HTST）溫度，但缺乏季節性特性分析、數值驗證和熵值或經濟評估[17]。并網光伏（PV）基礎的牛奶加工系統降低了處理成本，但完全依賴電力加熱，缺乏熱備份，且對電網穩定性依賴性強[18]。肯尼亞開發的低成本農村巴氏殺菌器能夠處理小批量牛奶，但加熱時間較長，缺乏混合加熱機制或經濟分析[19]。混合太陽能/燃氣HTST系統表現出高再生效率，但結構復雜、成本高昂，且需要熟練操作員[20]；而PV/T輔助熱泵系統雖然性能優異，但資本成本和技術復雜性較高，不適合農村地區應用[21]。在偏遠和資源匱乏地區開發的太陽能熱處理系統也面臨類似挑戰，在這些地區，可靠性、自動化和在變化無常的太陽條件下全年運行是關鍵要求。太陽能熱水研究顯示，要在變化多端的太陽輻射下保持穩定的出口溫度，需要適當的系統配置和閉環控制策略，特別是在多云和瞬態條件下[22]。區域性的太陽能資源評估進一步表明，系統性能強烈依賴于具體地點，設計及長期運行時必須明確考慮當地太陽輻射、環境溫度和風況[23]。對分散式太陽能熱系統的實驗和理論分析強調了通過綜合建模和實驗驗證來確保在瞬態運行條件下的可靠性能的必要性[24]。此外，對全太陽能驅動系統的全年性能評估表明，季節性變化顯著影響效率和生產力，因此需要混合運行和長期評估，而不僅僅是短期測試[25]。這些發現指出了明確的研究空白，促使本研究致力于開發一種能夠在季節性和地點特定太陽變化下可靠運行的穩健混合太陽能輔助系統，并通過全面的實驗驗證和綜合性能評估加以支持。

從現有文獻回顧來看，關于乳品巴氏殺菌和太陽能輔助熱系統的研究大多是以孤立的方式進行的，個別研究分別關注流體動力學、傳熱增強或能源整合。然而，現有文獻缺乏一個統一的、經過全年驗證的巴氏殺菌框架，該框架能夠同時考慮季節性太陽變化、混合運行可靠性、連續流動的熱行為以及實際氣候條件下的產品安全性。顯然，需要超越短期或組件級別的評估，轉向一個能夠在動態氣候條件下可靠提供合規巴氏殺菌服務的系統級框架，特別是對于能源受限地區的中小型乳品企業。為此，本研究開發了一種混合太陽能輔助的自動牛奶巴氏殺菌系統，該系統能夠在輻射高峰期充分利用太陽能，并在太陽輻射較低時通過輔助手段確保不間斷運行。本研究的創新之處在于其全面的、多維度評估方法，結合了長期實驗監測、經過驗證的數值模擬、詳細的能源和熵值分析、環境影響量化、技術經濟評估以及微生物產品驗證，所有這些都在一個統一的框架內完成。通過系統地評估不同季節和運行模式下的性能，本研究為將太陽能輔助巴氏殺菌從實驗概念推進到可擴展、可靠且經濟可行的分散式乳品加工應用提供了科學基礎和實踐依據。

通過提供一種完全自動化、能源高效且經濟可行的基于太陽能的巴氏殺菌解決方案，本研究推動了可再生能源在分散式乳品加工中的技術應用。其模塊化和可擴展性使其適用于農村牛奶合作社、社區乳品單位和小型企業，尤其是在太陽能資源豐富的地區。此外，該系統直接促進了聯合國可持續發展目標7（負擔得起的清潔能源）的實現，通過推廣可再生能源的應用、提高能源效率、減少對電網電力和化石燃料的依賴以及降低碳排放。通過綜合分析和全年性能驗證，本研究展示了太陽能輔助混合巴氏殺菌作為乳品行業可持續和變革性技術的實際潛力。