太陽能循環(huán)加熱系統(tǒng)的初步實(shí)現(xiàn)

蒙佗　施智雄

摘 要：太陽能的轉(zhuǎn)化主要分為：光電、光熱、光化學(xué)（光催化）、光生物能4 種形式。通過光熱、光電技術(shù)可以解決高寒地區(qū)食物烹飪加熱及普通供電問題。重點(diǎn)了討論利用太陽能為能源制作太陽能循環(huán)加熱系統(tǒng)對食物進(jìn)行加熱、烹飪、風(fēng)干等作用。

關(guān)鍵詞：太陽能；循環(huán)加熱；食物加工

中圖分類號：TK519 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.08.002

Abstract： The conversion of solar energy is mainly divided into four forms： photovoltaic， photothermal， photochemical （photocatalysis）， and photobioenergy. Through photothermal， photovoltaic technology to solve the problem of food cooking heating and ordinary power supply in cold regions. This article focuses on the use of solar energy for energy production of solar heating systems for food heating， cooking， drying and other effects.

Keywords： solar energy； cycle heating； food processing

0 引言

太陽能循環(huán)加熱系統(tǒng)主要用于食物的加熱、烹飪及風(fēng)干作用，這項(xiàng)技術(shù)主要針對高寒地區(qū)，在高寒地區(qū)大多數(shù)人以炒、烤的方式烹飪食物，但是炒和烤都是以燃燒木材為燃料，一方面燃燒木材會破壞環(huán)境，另一方面在高寒地區(qū)能源較少，陽光充足卻又得不到利用。太陽能循環(huán)加熱系統(tǒng)可以充分利用太陽能解決食物的加熱、烹飪、風(fēng)干及普通供電問題。

1 研究背景及原因

高寒地區(qū)能源來源較少，但部分人民居住在大山、草原等高原、寒冷地區(qū)，由于居住分散，村村通電工程供電線路太長導(dǎo)致電能損耗太大，各種家用烹制類電器在該地區(qū)無法使用，而且由于高原地區(qū)水的沸點(diǎn)太低，食物一般采用炒制工藝，或烤制工藝成熟磨粉，高原地區(qū)原住民族同胞由于生存需要，必須尋找生火材料，一般是植物秸稈，當(dāng)秸稈不夠時(shí)還可以尋找到枯木、干草，草原地區(qū)采用干牛糞作為燃料，但高寒地區(qū)太陽能資源豐富，每平方米的太陽能光熱輻射可達(dá)到1000～1200 W，比盆地和低緯度地區(qū)高出30%～50%，現(xiàn)有的高寒地區(qū)應(yīng)用太陽能主要有太陽灶和家用太陽能光熱熱水器，太陽灶利用反光材料反射與聚焦太陽光能量，并通過黑色容器吸熱，但需要每隔15 min調(diào)試一下太陽灶的方位，食物加工必須隨時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)，陰天、雨雪天氣無法使用。家用太陽能光熱熱水器主要解決水的加熱，解決高原地區(qū)的人民用熱水的需求。無法加工食物與農(nóng)產(chǎn)品。太陽能循環(huán)加熱系統(tǒng)主要解決高寒地區(qū)的食物烹飪與農(nóng)產(chǎn)品加工問題。太陽能循環(huán)加熱系統(tǒng)無論雨雪和陰天都能進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品的中溫干燥，結(jié)束石漠化由于生存而進(jìn)行的灌木生態(tài)破壞，和草原上用干牛糞做燃料的歷史。

2 工作原理

太陽能循環(huán)加熱系統(tǒng)是光伏發(fā)電技術(shù)和光熱技術(shù)的結(jié)合，由太陽能供電并提供熱能源，由圖1可以看出此系統(tǒng)是通過真空管吸收太陽光的能量加熱空氣并通過風(fēng)機(jī)將熱空氣送到食物加熱區(qū)（食物加熱區(qū)主要用于食物的加熱，烹飪或者風(fēng)干），在食物加熱區(qū)內(nèi)有一個測溫計(jì)，測溫計(jì)連接繼電器，繼電器控制風(fēng)機(jī)的啟停。設(shè)定一個溫度值，當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)繼電器斷電使風(fēng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動，關(guān)閉風(fēng)機(jī)后過一段時(shí)間，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)繼電器吸合，風(fēng)機(jī)通電開始工作，食物加熱區(qū)的空氣在風(fēng)機(jī)的作用下通過鋁合金管抽到真空管底部，由于熱空氣密度小于冷空氣，熱空氣會到達(dá)頂部的食物加熱區(qū)從而達(dá)到加熱、烹飪食物的目的。另一方面陽光充足的時(shí)候太陽能板通過光伏發(fā)電給風(fēng)機(jī)、測溫計(jì)、繼電器等用電設(shè)備供電，剩余電量部分給鋰電池充電。當(dāng)太陽能板所發(fā)的電量無法驅(qū)動用電設(shè)備時(shí)，繼電器常開觸點(diǎn)由閉合變?yōu)閿嚅_自動切換為鋰電池給用電設(shè)備供電。

太陽能光熱轉(zhuǎn)換是指特定裝備內(nèi)的工作物質(zhì)通過反射、吸收或其它方式把太陽輻射能集中起來，轉(zhuǎn)換為熱能，獲得足夠高的溫度，以滿足不同的需要。光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。主要由太陽電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，主要部件由電子元器件構(gòu)成。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽電池組件，再配合功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。

3 實(shí)踐認(rèn)證

由于太陽能循環(huán)加熱系統(tǒng)主要用于食物加工，此處實(shí)驗(yàn)只驗(yàn)證對食物加工部分。對供電部分不予驗(yàn)證。

試驗(yàn)在樣機(jī)中進(jìn)行（如圖2所示），試驗(yàn)地點(diǎn)在西昌，試驗(yàn)時(shí)間4月20日。由于西昌處于川西高原地帶，氣候干燥且日照時(shí)間長，日照強(qiáng)度大。樣機(jī)擺設(shè)是南北朝向，太陽能真空管與水平地面的角度40°。溫度統(tǒng)計(jì)如表所示：

在實(shí)際測量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)食物加熱區(qū)溫度可以超過300 ℃，為了測試樣機(jī)是否能達(dá)到烹飪、風(fēng)干、加熱食物的目的。測試分為三部分進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)一：烹飪實(shí)驗(yàn)

將測溫計(jì)設(shè)定溫度260 ℃后，把1 kg生肉放入樣機(jī)食物烹飪區(qū)內(nèi)，40 min后將肉拿出并用接觸式食品測溫儀測試肉的溫度，食品溫度在180 ℃左右，已經(jīng)達(dá)到可以食用的程度。

實(shí)驗(yàn)二：風(fēng)干實(shí)驗(yàn)

食物的風(fēng)干實(shí)驗(yàn)在早上7：30進(jìn)行，找來0.4 kg土豆，切成塊放入樣機(jī)內(nèi)，1 h后拿出土豆后發(fā)現(xiàn)土豆外表褶皺內(nèi)部變硬，再次稱重僅有0.21 kg，土豆中約一半水都被風(fēng)干，且風(fēng)干效果明顯。多次實(shí)驗(yàn)差距并不大。

實(shí)驗(yàn)三：加熱實(shí)驗(yàn)

加熱實(shí)驗(yàn)比較簡單找來兩杯0.25 kg水并蓋上蓋子，放入樣機(jī)中加熱，并將測溫計(jì)設(shè)定溫度120 ℃，30 min后水由室溫被加熱到823 ℃。

測試當(dāng)天（4月20日）西昌的日照時(shí)間大概是從早上7：00到19：00，但是測試地點(diǎn)的日照時(shí)間大概是從7：00到傍晚18：00，之后由于山體的遮擋陽光無法直射真空管，真空管開始處于保溫狀態(tài)。從表中可以看出樣機(jī)在保溫方面做的也很不錯，沒有光照的條件下從18：30到19：30溫度幾乎沒有變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用太陽能循環(huán)加熱系統(tǒng)可以達(dá)到烹飪、風(fēng)干及加熱食物的目的。

4 總結(jié)

介紹了太陽能循環(huán)加熱系統(tǒng)的初步實(shí)現(xiàn)，并成功實(shí)現(xiàn)了利用太陽能循環(huán)加熱系統(tǒng)加工食物的目的。此設(shè)備充分利用太陽能的光熱原理解決高寒地區(qū)由于能源來源較少導(dǎo)致的食物烹飪、加熱困難問題；太陽能循環(huán)加熱系統(tǒng)對環(huán)境有極大的保護(hù)作用并充分的利用了太陽能資源。太陽能循環(huán)加熱系統(tǒng)有無論雨雪和陰天都能對農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行中溫的干燥作用，也避免了如太陽灶需要每隔15 min調(diào)試方位的缺點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王聰，代蓓蓓，于佳玉，等.太陽能光電、光熱轉(zhuǎn)換材料的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2017.

[2] 段中亞，褚玉芳.太陽灶及其應(yīng)用概述[J].農(nóng)技服務(wù)，2008（3）：109.

[3] 王光偉，許書云，韓蕾，等.太陽能光熱利用主要技術(shù)及應(yīng)用評述[J].材料導(dǎo)報(bào)，2014.