基于光伏-熱機(jī)互補(bǔ)技術(shù)的農(nóng)村新型電馕坑裝置設(shè)計

張海麗，李 資，關(guān)保林，龐 龍，張兆輝

（1.新疆工程學(xué)院能源工程學(xué)院，烏魯木齊 830091；2.新疆維吾爾自治區(qū)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，烏魯木齊 830011）

馕深受新疆各族人民喜愛，新疆地區(qū)的居民通常采用傳統(tǒng)馕坑制作馕，傳統(tǒng)的馕坑采用夯土結(jié)構(gòu)，無法移動，馕坑的大小與每個家庭的人口有關(guān)，其尺寸有大、中、小3 種［1］。少數(shù)民族家用馕坑的加熱方式大多以燃燒煤碳或木柴為主，產(chǎn)生CO2、CO、SO2等氣體造成大氣污染，雖然個別地區(qū)已經(jīng)開始使用天燃?xì)夂碗娂訜岬姆绞娇锯危捎玫碾姙槭须?，因此電費(fèi)成了農(nóng)戶的主要經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，維吾爾等少數(shù)民族家用烤馕裝置仍是使用傳統(tǒng)燒柴方式，烤馕過程中，操作者仍需進(jìn)行勞動作業(yè)，烤馕時間長，有一定的危險性，自動化、機(jī)械化程度不高［2］。中國對新能源方面非常重視，在政策和資金方面投入力度較大，得到了較大的發(fā)展。光伏發(fā)電技術(shù)存在光電轉(zhuǎn)化效率偏低、產(chǎn)生的電能波動性較大、價格昂貴等弊端［3］，但也為今后太陽能發(fā)電技術(shù)的有效發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，在保護(hù)環(huán)境和節(jié)能減排方面發(fā)揮著積極作用。

本研究設(shè)計了一種更加安全、衛(wèi)生、無污染、生產(chǎn)效率高的新型電烤馕裝置來彌補(bǔ)這些不足，同時降低市電產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，利用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)代替市網(wǎng)供電，降低其能源損耗，并將產(chǎn)生的電儲存以供家用，改變其原有的家用供電模式，減少碳排放，降低大氣污染。采用遠(yuǎn)紅外線加熱技術(shù)提高輻射的熱能利用率，從而節(jié)約能源，并且加熱時間短、效率高。單片機(jī)的應(yīng)用使其實(shí)現(xiàn)自動化、智能化，相比于現(xiàn)階段已有的烤馕裝置其功能更加完善，性能更加突出，安全性更高。

1 新型電馕坑結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 新型電馕坑的結(jié)構(gòu)

光伏-熱機(jī)互補(bǔ)技術(shù)為維吾爾族等少數(shù)民族家用立式圓柱形烤馕設(shè)備的供電系統(tǒng)，圖1 是光伏-熱機(jī)電馕坑裝置模型，采用太陽能電池組構(gòu)成發(fā)電功能裝置，蓄電池用來儲存多余電量并在無太陽照射時為電馕坑或小型家用電器提供電源。另外，可連接國家電網(wǎng)供電，以便因天氣環(huán)境等不可控因素影響下新型電馕坑裝置仍能正常運(yùn)行。光伏-熱機(jī)互補(bǔ)技術(shù)可提高光能轉(zhuǎn)化效率，集溫控、傳動等系統(tǒng)為一體，電馕坑加熱方式采用遠(yuǎn)紅外線加熱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)碳的零排放，利用單片機(jī)控制新型電馕坑裝置達(dá)到智能化。

圖1 光伏-熱機(jī)電馕坑裝置模型

該新型烤馕坑烤箱直徑為0.6 m，高為0.7 m，設(shè)計電馕坑有效容積為0.3 m2，滿足在家中烤制馕的要求。在烤制過程中用單片機(jī)進(jìn)行計時，控制電機(jī)對電馕坑進(jìn)行升降并實(shí)時監(jiān)控溫度。該設(shè)備通過光伏發(fā)電對馕坑進(jìn)行加熱時，單次能夠烤制8 個馕?？紤]到烤馕過程中食品的衛(wèi)生安全，以及受熱后使得金屬殼體變形程度影響最小，選用食品安全級別的304 不銹鋼，厚度為3 mm（圖2）。

圖2 電馕坑結(jié)構(gòu)組成

1.2 光伏-熱機(jī)電馕坑的工作原理

光伏發(fā)電系統(tǒng)為電馕坑供電，依靠太陽能光伏電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。用逆變器將太陽能電池組所發(fā)的直流電轉(zhuǎn)化為交流電給電馕坑供電。圖3 為太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

圖3 太陽能發(fā)電系統(tǒng)

太陽能光伏電池板發(fā)電對電馕坑供電，通電后對電馕坑進(jìn)行預(yù)熱20 min，使得貼馕面板各面受熱均勻，用單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控溫度，使貼馕面板達(dá)到合適的溫度；當(dāng)電馕坑內(nèi)溫度升高至預(yù)先所設(shè)定的溫度時，啟動電機(jī)，電機(jī)啟動升降系統(tǒng)將貼馕板伸出烤馕箱外，將馕胚貼在貼馕板面上，貼滿馕胚后，電機(jī)則反轉(zhuǎn)將貼馕板收縮回箱體內(nèi)，蓋上蓋子開始烤馕?？锯芜^程中，利用前置電熱絲產(chǎn)生的熱量來加熱馕胚正面，對馕表面進(jìn)行上色；后置電熱絲產(chǎn)生熱量對馕板進(jìn)行加熱，使馕的反面被烤熟。馕表面顏色的變化通過觀察窗口進(jìn)行觀察，當(dāng)馕的表面顏色達(dá)到成熟要求時，打開蓋子并啟動電機(jī)，將烤熟的馕送到箱體外并取下，即完成一次烤馕過程。

2 電馕坑的設(shè)計

2.1 遠(yuǎn)紅外加熱系統(tǒng)

遠(yuǎn)紅外線加熱技術(shù)具有效率高、節(jié)能效果好的優(yōu)點(diǎn)。輻射出的遠(yuǎn)紅外線波長和被加熱物體的吸收波長一致時，物體內(nèi)部的分子和原子就會發(fā)生“共振”現(xiàn)象，被加熱的物體就會大量吸收遠(yuǎn)紅外線，產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動，從而使物體溫度升高實(shí)現(xiàn)加熱，利用這項(xiàng)技術(shù)可以提高加熱效率［4］。圖4 為電馕坑遠(yuǎn)紅外線加熱模塊硬件電路。

圖4 遠(yuǎn)紅外線加熱模塊硬件電路

碳纖維因?yàn)槟芊派涮囟úㄩL的遠(yuǎn)紅外線常被用來獲取遠(yuǎn)紅外線。碳纖維發(fā)熱體在通電以后產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外光，無光污染和紫外線輻射，不會刺激眼睛和灼傷皮膚，且碳纖維具有良好的熱導(dǎo)性，無論貼馕板轉(zhuǎn)動到什么位置，其受熱總是均衡且相同的。作為發(fā)熱體其具有升溫迅速的特性［5］。另外，碳纖維發(fā)熱管其電熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%以上，具有節(jié)能效果，因此，碳纖維發(fā)熱體是較好的加熱選擇材料［6，7］。

2.2 立體式升降系統(tǒng)

隨著科技的發(fā)展，電馕坑裝置趨向自動化，貼馕板升降桿利用電機(jī)運(yùn)行，通過控制臺按鈕控制電桿升降操作，放置半成品馕餅時工作人員不會接觸到內(nèi)部加熱器，排除了加熱安全隱患，另外收取成品時可將貼馕板作為架臺進(jìn)行馕餅自然冷卻［8，9］。圖5為立體式升降系統(tǒng)電路。

圖5 立體式升降系統(tǒng)電路

由于實(shí)際在電馕坑中烤制過程中所產(chǎn)生的能量損失等，故本系統(tǒng)最終選擇電源為交流電380 V、電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min、功率100 W 的調(diào)速電機(jī)［10］。

2.3 單片機(jī)控制系統(tǒng)

單片機(jī)控溫系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器接收溫度的瞬時變化，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)接收到信號后對其進(jìn)行處理，并將處理后的結(jié)果通過端口傳遞給液晶顯示器，液晶顯示器把接受到的信號處理后顯示出這一時刻的溫度值［11］。提前設(shè)置溫度的范圍，單片機(jī)端口就向外接的控制裝置釋放信號，外接控制裝置接收信號后進(jìn)行分析，從而控制升溫或者降溫。當(dāng)溫度恢復(fù)至所控制的范圍后，數(shù)字溫度傳感器感受到溫度后將信號傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)處理后則停止向外接的控制裝置釋放信號，從而實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)控［12］。圖6 為單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖6 單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新型家用電馕坑在保留傳統(tǒng)馕坑烤制風(fēng)味的同時，有效提高了馕坑的工作效率，遠(yuǎn)紅外線加熱裝置和控制電路均與控制面板連接；通過控制面板設(shè)置烤制溫度和烤制時間，實(shí)現(xiàn)了烤馕的現(xiàn)代化、自動化。圖7 為光伏-熱機(jī)互補(bǔ)技術(shù)家用新型電馕坑硬件電路。

2.4 理論成本計算

基于光伏-熱機(jī)互補(bǔ)技術(shù)的新型電馕坑裝置理論成本計算，涉及到的太陽能電池發(fā)電效率＝（開路電壓×短路電流×填充因子）/電池組所占面積×光照幅度×100%。

1）由于新疆氣候有日照時間長的特點(diǎn)，1 kW 組件有效日照10 h，不考慮損耗1 d 發(fā)10 kWh 電，獨(dú)立系統(tǒng)的損耗一般在30%。

2）考慮太陽輻射強(qiáng)度，10 h 有效日照，1 d 發(fā)7 kWh 電，所謂有效日照小時數(shù)指的就是輻射強(qiáng)度。

3）太陽能日發(fā)電量=日光照時間×光伏系統(tǒng)總功率×發(fā)電效率。

2021 年開始，光伏發(fā)電上網(wǎng)電價參考火力發(fā)電的價格，基本不超過0.5 元/kWh，就此價格而言，成本的回收期延長，利潤上也會降低，成本也就相對增加。農(nóng)村光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，2021 年前的補(bǔ)貼不僅有設(shè)備還有上網(wǎng)電價的補(bǔ)貼，基本可以達(dá)到1 元/ kWh。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)造價基本在4 元/W，安裝3 000 W 的系統(tǒng)1.2 萬元，安裝6 000 W 的系統(tǒng)2.4 萬元。組件（光伏板）使用壽命（設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)）25 年，逆變器一般質(zhì)保5 年。安裝不超過0.5 元/kWh 的價格，設(shè)備的本金回收期基本在5～6 年。

整套裝置太陽電池板價格較昂貴，配有光伏發(fā)電逆變器、集電盤、配線、太陽能集能板支架、監(jiān)控統(tǒng)計設(shè)備，現(xiàn)在國內(nèi)光伏市場的造價是5～7 元/W，每平方米的面積大概能安裝100 W，1 kW占地面積10 m2，因此光伏發(fā)電系統(tǒng)的價格為7 000 左右。碳纖維石英加熱管成本200 元，電機(jī)價格1 000 元，整套裝置成本預(yù)計15 000 元左右。

3 小結(jié)

1）設(shè)計了光伏-熱機(jī)互補(bǔ)技術(shù)為立式圓柱形烤馕設(shè)備供電的系統(tǒng)，采用太陽能電池組構(gòu)成發(fā)電功能裝置，蓄電池用來儲存多余電量并在無太陽照射時為電馕坑或小型家用電器提供電源。光伏-熱機(jī)互補(bǔ)技術(shù)提高光能轉(zhuǎn)化效率，集溫控、傳動等系統(tǒng)為一體，電馕坑加熱方式采用遠(yuǎn)紅外線加熱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)碳的零排放，利用單片機(jī)控制新型電馕坑裝置達(dá)到智能化。

2）采用光伏-熱機(jī)互補(bǔ)技術(shù)利用熱機(jī)來回收光伏電池所產(chǎn)的焦耳廢熱，一方面可有效降低光伏電池溫度以提高其光能利用效率（光伏電池存在負(fù)溫度效應(yīng)），另一方面可利用熱機(jī)來做功增加產(chǎn)出。通過清潔能源給電馕坑進(jìn)行供電，減少了市電的使用，通過節(jié)約能源來提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同時降低生產(chǎn)成本。

3）新型電馕坑裝置結(jié)合單片機(jī)控制系統(tǒng)使本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)裝置向自動化、智能化的轉(zhuǎn)變，利用單片機(jī)控制烤馕進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)、能源的利用，智能溫控系統(tǒng)縮短加熱時長，提高工作效率和安全性，延長裝置使用壽命，使烤馕智能化、簡單化。