一種太陽能環(huán)?？緺t設(shè)計(jì)

王 斌，劉 偉，顏魯薪

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

1 研制背景及意義

從烤爐的角度出發(fā)，傳統(tǒng)木炭燒烤爐明火比較危險(xiǎn)，油煙大，燃燒后會產(chǎn)生二氧化碳，氧氣不足時(shí)會產(chǎn)生一氧化碳導(dǎo)致人體中毒，油脂滴落在高溫的木炭上會產(chǎn)生致癌物質(zhì)等缺點(diǎn)。研究一款太陽能烤爐，基于太陽能利用，通過聚光設(shè)備與真空太陽能集熱管構(gòu)成主熱機(jī)構(gòu)，由光伏組件配合、蓄電池及直流加熱設(shè)備構(gòu)成輔熱機(jī)構(gòu)，充分利用太陽能資源，即使在沒有光照或者光照很弱的情況下亦能完成食材烹制。該產(chǎn)品二氧化碳、一氧化碳排放量少，沒有明火，食材可以保鮮，安全健康；充分利用太陽能光熱和光伏資源，熱效率高，不用耗費(fèi)煤、碳、電等，污染物排放少，節(jié)能環(huán)保。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 太陽能光熱系統(tǒng)

如圖1所示，主要由槽式反光鏡、真空管集熱器及相應(yīng)支架構(gòu)成。其中真空管集熱器內(nèi)需要放入食槽，食槽內(nèi)有小隔間，放置不同的食材，食槽抽屜需要與真空管口保持良好的密封，保證熱量流失小。槽式反光鏡的追蹤手動(dòng)調(diào)節(jié)即可，因?yàn)槭巢募訜釙r(shí)間較短，在這段時(shí)間內(nèi)太陽高度角變化極小，調(diào)節(jié)時(shí)用手抽拉槽式反光鏡對光。

圖1 太陽能環(huán)保烤爐三視圖

2.2 太陽能光伏系統(tǒng)

如圖2所示，主要有單晶硅太陽能電池板、電阻、電路及其接頭構(gòu)成。太陽能電池板產(chǎn)生電能，一部分供給直流電阻加熱實(shí)物，多余的那部分電能儲存在蓄電池中，在太陽光比較弱時(shí)作為補(bǔ)充電源。電阻裝在食槽底部。電池板、控制器、電阻、蓄電池之間用相應(yīng)的線路連接。

圖2 太陽能環(huán)?？緺t實(shí)物圖

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由溫度傳感器、輻照儀、開關(guān)按鈕、線路、處理器、報(bào)警顯示裝置、定時(shí)裝置組成。溫度傳感器與定時(shí)裝置結(jié)合控制不同食材的加熱時(shí)間；輻照儀用來監(jiān)測太陽能輻射量，完成光熱與光伏能源的分配；開關(guān)按鈕用來設(shè)置加熱時(shí)間及不同組合程序；處理器用來編譯相應(yīng)操作過程的程序，完成輸入與輸出信號之間的裝換，接收傳感器及按鈕的輸入信號，將控制信號傳遞給傳感器；報(bào)警顯示裝置提示食材相應(yīng)階段加工完成、操作不當(dāng)執(zhí)行保護(hù)報(bào)警等。

3 工作原理及性能分析

3.1 工作原理

利用聚光集熱原理和光伏發(fā)電原理來實(shí)現(xiàn)食物燒烤和燉煮。首先將太陽輻射能通過反光板和真空管聚光、傳熱、儲熱等，從而獲取熱量，實(shí)現(xiàn)食物燒烤、燉煮等功能。其次，光伏組件吸收太陽能轉(zhuǎn)化為電能為蓄電池充電，對加熱片加熱，提高燒烤速度。最后，控制系統(tǒng)完成定時(shí)設(shè)置、報(bào)警顯示、能量分配等功能。只要在有陽光的地方，將烤爐調(diào)整好角度，就可進(jìn)行燒烤，并且該產(chǎn)品具有方便攜帶和存放，安全健康，節(jié)能無污染等優(yōu)點(diǎn)，無論春夏秋冬，有足夠的太陽輻照就能進(jìn)行對食物的烤制，不用耗費(fèi)煤、碳、電等其他資源。

3.2 運(yùn)行能耗分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)、光熱系統(tǒng)槽式反光鏡+真空管加熱系統(tǒng)、直流電阻加熱系統(tǒng)、食材加熱系統(tǒng)建模模型功能：可分析不同輻照量及環(huán)境溫度下的光伏電池運(yùn)行特性（包括P-V曲線、U-I曲線、實(shí)際的運(yùn)行功率、電壓、電流）；計(jì)算不同輻照量下的光熱吸收的凈能量；計(jì)算蓄電池的放電電流；計(jì)算不同食材的加熱時(shí)間（給定食材進(jìn)出爐的溫度、質(zhì)量的情況下）；光伏能量、光熱能量、食材吸熱能量、蓄電池儲存能量的實(shí)時(shí)分配與優(yōu)化分析。

3.3 節(jié)能試驗(yàn)及節(jié)能效益分析

（1）社會效益。碳排放效益計(jì)算：一臺電烤爐一次使用的電量為（假設(shè)使用4 h，功率為1.3 kW），消耗的電能為5.2 kW·h。使用太陽能環(huán)?？緺t，就相應(yīng)節(jié)約了2.09 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)減少污染排放1.39千克碳粉塵、2.52 kg二氧化碳（CO2）、1.57 kg二氧化硫（SO2）、0.0812kg氮氧化物（NOX）。

（2）其他效益。大力推廣太陽能環(huán)?？緺t，可有效減少癌癥病發(fā)率、可促進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、生活質(zhì)量提高、生活成本降低。

4 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

（1）通過聚光設(shè)備與真空太陽能集熱管構(gòu)成主熱機(jī)構(gòu)，由光伏組件配合、蓄電池及直流加熱設(shè)備構(gòu)成輔熱機(jī)構(gòu)，充分利用太陽能資源，即使在沒有光照或者光照很弱的情況下亦能完成食材烹制。

（2）采用槽式集熱裝置及真空管作為主熱源，熱效率高。

（3）設(shè)計(jì)帶直流電阻加熱裝置的烹飪抽屜，對食材的營養(yǎng)成分有很好的保存作用。

（4）光伏輔熱系統(tǒng)的控制部分，可實(shí)現(xiàn)電量顯示、低電量提醒、充電控制等控制功能。

（5）溫度與定時(shí)控制系統(tǒng)通過溫度控制裝置配合定時(shí)裝置調(diào)節(jié)加工設(shè)備的溫度，以控制口感和加工性態(tài)。

5結(jié)語

本設(shè)計(jì)太陽能光熱、光伏利用和燒烤相結(jié)合，使用可再生能源，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)，有益于減少碳排放量，減少致癌物的排放，減少傳統(tǒng)能源的消耗，達(dá)到高效節(jié)能的效果。并有力地推動(dòng)力了新能源行業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展。通過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)太陽能環(huán)?？緺t有很好的社會、經(jīng)濟(jì)、能量效益。因此，此產(chǎn)品值得推廣。