太陽能循環加熱系統的初步實現

蒙佗　施智雄

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

關鍵詞：太陽能；循環加熱；食物加工

中圖分類號：TK519 文獻標識碼：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

太陽能循環加熱系統主要用于食物的加熱、烹飪及風干作用，這項技術主要針對高寒地區，在高寒地區大多數人以炒、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境，另一方面在高寒地區能源較少，陽光充足卻又得不到利用。太陽能循環加熱系統可以充分利用太陽能解決食物的加熱、烹飪、風干及普通供電問題。

1 研究背景及原因

高寒地區能源來源較少，但部分人民居住在大山、草原等高原、寒冷地區，由于居住分散，村村通電工程供電線路太長導致電能損耗太大，各種家用烹制類電器在該地區無法使用，而且由于高原地區水的沸點太低，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，當秸稈不夠時還可以尋找到枯木、干草，草原地區采用干牛糞作為燃料，但高寒地區太陽能資源豐富，每平方米的太陽能光熱輻射可達到1000～1200 W，比盆地和低緯度地區高出30%～50%，現有的高寒地區應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調試一下太陽灶的方位，食物加工必須隨時進行人工干預，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，解決高原地區的人民用熱水的需求。無法加工食物與農產品。太陽能循環加熱系統主要解決高寒地區的食物烹飪與農產品加工問題。太陽能循環加熱系統無論雨雪和陰天都能進行農產品的中溫干燥，結束石漠化由于生存而進行的灌木生態破壞，和草原上用干牛糞做燃料的歷史。

2 工作原理

太陽能循環加熱系統是光伏發電技術和光熱技術的結合，由太陽能供電并提供熱能源，由圖1可以看出此系統是通過真空管吸收太陽光的能量加熱空氣并通過風機將熱空氣送到食物加熱區（食物加熱區主要用于食物的加熱，烹飪或者風干），在食物加熱區內有一個測溫計，測溫計連接繼電器，繼電器控制風機的啟停。設定一個溫度值，當溫度高于設定溫度時繼電器斷電使風機停止轉動，關閉風機后過一段時間，當溫度低于設定溫度時繼電器吸合，風機通電開始工作，食物加熱區的空氣在風機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，熱空氣會到達頂部的食物加熱區從而達到加熱、烹飪食物的目的。另一方面陽光充足的時候太陽能板通過光伏發電給風機、測溫計、繼電器等用電設備供電，剩余電量部分給鋰電池充電。當太陽能板所發的電量無法驅動用電設備時，繼電器常開觸點由閉合變為斷開自動切換為鋰電池給用電設備供電。

太陽能光熱轉換是指特定裝備內的工作物質通過反射、吸收或其它方式把太陽輻射能集中起來，轉換為熱能，獲得足夠高的溫度，以滿足不同的需要。光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術。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成。太陽能電池經過串聯后進行封裝保護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電裝置。

3 實踐認證

由于太陽能循環加熱系統主要用于食物加工，此處實驗只驗證對食物加工部分。對供電部分不予驗證。

試驗在樣機中進行（如圖2所示），試驗地點在西昌，試驗時間4月20日。由于西昌處于川西高原地帶，氣候干燥且日照時間長，日照強度大。樣機擺設是南北朝向，太陽能真空管與水平地面的角度40°。溫度統計如表所示：

在實際測量數據中發現食物加熱區溫度可以超過300 ℃，為了測試樣機是否能達到烹飪、風干、加熱食物的目的。測試分為三部分進行。

實驗一：烹飪實驗

將測溫計設定溫度260 ℃后，把1 kg生肉放入樣機食物烹飪區內，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，已經達到可以食用的程度。

實驗二：風干實驗

食物的風干實驗在早上7：30進行，找來0.4 kg土豆，切成塊放入樣機內，1 h后拿出土豆后發現土豆外表褶皺內部變硬，再次稱重僅有0.21 kg，土豆中約一半水都被風干，且風干效果明顯。多次實驗差距并不大。

實驗三：加熱實驗

加熱實驗比較簡單找來兩杯0.25 kg水并蓋上蓋子，放入樣機中加熱，并將測溫計設定溫度120 ℃，30 min后水由室溫被加熱到823 ℃。

測試當天（4月20日）西昌的日照時間大概是從早上7：00到19：00，但是測試地點的日照時間大概是從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。從表中可以看出樣機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。

實驗結果表明利用太陽能循環加熱系統可以達到烹飪、風干及加熱食物的目的。

4 總結

介紹了太陽能循環加熱系統的初步實現，并成功實現了利用太陽能循環加熱系統加工食物的目的。此設備充分利用太陽能的光熱原理解決高寒地區由于能源來源較少導致的食物烹飪、加熱困難問題；太陽能循環加熱系統對環境有極大的保護作用并充分的利用了太陽能資源。太陽能循環加熱系統有無論雨雪和陰天都能對農產品進行中溫的干燥作用，也避免了如太陽灶需要每隔15 min調試方位的缺點。

參考文獻：

[1] 王聰，代蓓蓓，于佳玉，等.太陽能光電、光熱轉換材料的研究現狀與進展[J].硅酸鹽學報，2017.

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

[3] 王光偉，許書云，韓蕾，等.太陽能光熱利用主要技術及應用評述[J].材料導報，2014.