太阳能循环加热系统的初步实现

蒙佗　施智雄

摘 要：太阳能的转化主要分为：光电、光热、光化学（光催化）、光生物能4 种形式。通过光热、光电技术可以解决高寒地区食物烹饪加热及普通供电问题。重点了讨论利用太阳能为能源制作太阳能循环加热系统对食物进行加热、烹饪、风干等作用。

关键词：太阳能；循环加热；食物加工

中图分类号：TK519 文献标识码：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

太阳能循环加热系统主要用于食物的加热、烹饪及风干作用，这项技术主要针对高寒地区，在高寒地区大多数人以炒、烤的方式烹饪食物，但是炒和烤都是以燃烧木材为燃料，一方面燃烧木材会破坏环境，另一方面在高寒地区能源较少，阳光充足却又得不到利用。太阳能循环加热系统可以充分利用太阳能解决食物的加热、烹饪、风干及普通供电问题。

1 研究背景及原因

高寒地区能源来源较少，但部分人民居住在大山、草原等高原、寒冷地区，由于居住分散，村村通电工程供电线路太长导致电能损耗太大，各种家用烹制类电器在该地区无法使用，而且由于高原地区水的沸點太低，食物一般采用炒制工艺，或烤制工艺成熟磨粉，高原地区原住民族同胞由于生存需要，必须寻找生火材料，一般是植物秸秆，当秸秆不够时还可以寻找到枯木、干草，草原地区采用干牛粪作为燃料，但高寒地区太阳能资源丰富，每平方米的太阳能光热辐射可达到1000～1200 W，比盆地和低纬度地区高出30%～50%，现有的高寒地区应用太阳能主要有太阳灶和家用太阳能光热热水器，太阳灶利用反光材料反射与聚焦太阳光能量，并通过黑色容器吸热，但需要每隔15 min调试一下太阳灶的方位，食物加工必须随时进行人工干预，阴天、雨雪天气无法使用。家用太阳能光热热水器主要解决水的加热，解决高原地区的人民用热水的需求。无法加工食物与农产品。太阳能循环加热系统主要解决高寒地区的食物烹饪与农产品加工问题。太阳能循环加热系统无论雨雪和阴天都能进行农产品的中温干燥，结束石漠化由于生存而进行的灌木生态破坏，和草原上用干牛粪做燃料的历史。

2 工作原理

太阳能循环加热系统是光伏发电技术和光热技术的结合，由太阳能供电并提供热能源，由图1可以看出此系统是通过真空管吸收太阳光的能量加热空气并通过风机将热空气送到食物加热区（食物加热区主要用于食物的加热，烹饪或者风干），在食物加热区内有一个测温计，测温计连接继电器，继电器控制风机的启停。设定一个温度值，当温度高于设定温度时继电器断电使风机停止转动，关闭风机后过一段时间，当温度低于设定温度时继电器吸合，风机通电开始工作，食物加热区的空气在风机的作用下通过铝合金管抽到真空管底部，由于热空气密度小于冷空气，热空气会到达顶部的食物加热区从而达到加热、烹饪食物的目的。另一方面阳光充足的时候太阳能板通过光伏发电给风机、测温计、继电器等用电设备供电，剩余电量部分给锂电池充电。当太阳能板所发的电量无法驱动用电设备时，继电器常开触点由闭合变为断开自动切换为锂电池给用电设备供电。

太阳能光热转换是指特定装备内的工作物质通过反射、吸收或其它方式把太阳辐射能集中起来，转换为热能，获得足够高的温度，以满足不同的需要。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，主要部件由电子元器件构成。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。

3 实践认证

由于太阳能循环加热系统主要用于食物加工，此处实验只验证对食物加工部分。对供电部分不予验证。

试验在样机中进行（如图2所示），试验地点在西昌，试验时间4月20日。由于西昌处于川西高原地带，气候干燥且日照时间长，日照强度大。样机摆设是南北朝向，太阳能真空管与水平地面的角度40°。温度统计如表所示：

在实际测量数据中发现食物加热区温度可以超过300 ℃，为了测试样机是否能达到烹饪、风干、加热食物的目的。测试分为三部分进行。

实验一：烹饪实验

将测温计设定温度260 ℃后，把1 kg生肉放入样机食物烹饪区内，40 min后将肉拿出并用接触式食品测温仪测试肉的温度，食品温度在180 ℃左右，已经达到可以食用的程度。

实验二：风干实验

食物的风干实验在早上7：30进行，找来0.4 kg土豆，切成块放入样机内，1 h后拿出土豆后发现土豆外表褶皱内部变硬，再次称重仅有0.21 kg，土豆中约一半水都被风干，且风干效果明显。多次实验差距并不大。

实验三：加热实验

加热实验比较简单找来两杯0.25 kg水并盖上盖子，放入样机中加热，并将测温计设定温度120 ℃，30 min后水由室温被加热到823 ℃。

测试当天（4月20日）西昌的日照时间大概是从早上7：00到19：00，但是测试地点的日照时间大概是从7：00到傍晚18：00，之后由于山体的遮挡阳光无法直射真空管，真空管开始处于保温状态。从表中可以看出样机在保温方面做的也很不错，没有光照的条件下从18：30到19：30温度几乎没有变化。

实验结果表明利用太阳能循环加热系统可以达到烹饪、风干及加热食物的目的。

4 总结

介绍了太阳能循环加热系统的初步实现，并成功实现了利用太阳能循环加热系统加工食物的目的。此设备充分利用太阳能的光热原理解决高寒地区由于能源来源较少导致的食物烹饪、加热困难问题；太阳能循环加热系统对环境有极大的保护作用并充分的利用了太阳能资源。太阳能循环加热系统有无论雨雪和阴天都能对农产品进行中温的干燥作用，也避免了如太阳灶需要每隔15 min调试方位的缺点。

参考文献：

[1] 王聪，代蓓蓓，于佳玉，等.太阳能光电、光热转换材料的研究现状与进展[J].硅酸盐学报，2017.

[2] 段中亚，褚玉芳.太阳灶及其应用概述[J].农技服务，2008（3）：109.

[3] 王光伟，许书云，韩蕾，等.太阳能光热利用主要技术及应用评述[J].材料导报，2014.