一種太陽能環保烤爐設計

王 斌，劉 偉，顏魯薪

（武威職業學院，甘肅 武威 733000）

1 研制背景及意義

從烤爐的角度出發，傳統木炭燒烤爐明火比較危險，油煙大，燃燒后會產生二氧化碳，氧氣不足時會產生一氧化碳導致人體中毒，油脂滴落在高溫的木炭上會產生致癌物質等缺點。研究一款太陽能烤爐，基于太陽能利用，通過聚光設備與真空太陽能集熱管構成主熱機構，由光伏組件配合、蓄電池及直流加熱設備構成輔熱機構，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，不用耗費煤、碳、電等，污染物排放少，節能環保。

2 設計方案

2.1 太陽能光熱系統

如圖1所示，主要由槽式反光鏡、真空管集熱器及相應支架構成。其中真空管集熱器內需要放入食槽，食槽內有小隔間，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調節即可，因為食材加熱時間較短，在這段時間內太陽高度角變化極小，調節時用手抽拉槽式反光鏡對光。

圖1 太陽能環保烤爐三視圖

2.2 太陽能光伏系統

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

圖2 太陽能環保烤爐實物圖

2.3 控制系統

控制系統由溫度傳感器、輻照儀、開關按鈕、線路、處理器、報警顯示裝置、定時裝置組成。溫度傳感器與定時裝置結合控制不同食材的加熱時間；輻照儀用來監測太陽能輻射量，完成光熱與光伏能源的分配；開關按鈕用來設置加熱時間及不同組合程序；處理器用來編譯相應操作過程的程序，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；報警顯示裝置提示食材相應階段加工完成、操作不當執行保護報警等。

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電原理來實現食物燒烤和燉煮。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，實現食物燒烤、燉煮等功能。其次，光伏組件吸收太陽能轉化為電能為蓄電池充電，對加熱片加熱，提高燒烤速度。最后，控制系統完成定時設置、報警顯示、能量分配等功能。只要在有陽光的地方，將烤爐調整好角度，就可進行燒烤，并且該產品具有方便攜帶和存放，安全健康，節能無污染等優點，無論春夏秋冬，有足夠的太陽輻照就能進行對食物的烤制，不用耗費煤、碳、電等其他資源。

3.2 運行能耗分析

光伏發電系統、光熱系統槽式反光鏡+真空管加熱系統、直流電阻加熱系統、食材加熱系統建模模型功能：可分析不同輻照量及環境溫度下的光伏電池運行特性（包括P-V曲線、U-I曲線、實際的運行功率、電壓、電流）；計算不同輻照量下的光熱吸收的凈能量；計算蓄電池的放電電流；計算不同食材的加熱時間（給定食材進出爐的溫度、質量的情況下）；光伏能量、光熱能量、食材吸熱能量、蓄電池儲存能量的實時分配與優化分析。

3.3 節能試驗及節能效益分析

（1）社會效益。碳排放效益計算：一臺電烤爐一次使用的電量為（假設使用4 h，功率為1.3 kW），消耗的電能為5.2 kW·h。使用太陽能環保烤爐，就相應節約了2.09 kg標準煤，同時減少污染排放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。大力推廣太陽能環保烤爐，可有效減少癌癥病發率、可促進新能源產業的發展、生活質量提高、生活成本降低。

4 創新點及應用

（1）通過聚光設備與真空太陽能集熱管構成主熱機構，由光伏組件配合、蓄電池及直流加熱設備構成輔熱機構，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）設計帶直流電阻加熱裝置的烹飪抽屜，對食材的營養成分有很好的保存作用。

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

（5）溫度與定時控制系統通過溫度控制裝置配合定時裝置調節加工設備的溫度，以控制口感和加工性態。

5結語

本設計太陽能光熱、光伏利用和燒烤相結合，使用可再生能源，實現多能互補，有益于減少碳排放量，減少致癌物的排放，減少傳統能源的消耗，達到高效節能的效果。并有力地推動力了新能源行業創新驅動發展。通過計算，發現太陽能環保烤爐有很好的社會、經濟、能量效益。因此，此產品值得推廣。