一種基于Peltier效應的空氣能源電飯煲設計方案

屈宇琛，李嘉婉，孫宇迪，侯翔天，丁連博，馮松

（南華大學，湖南 衡陽 421000）

0 引言

烹飪的過程會消耗巨大的能量用以給食物加熱，烹飪是人們消耗能源的一大途徑。廚具的熱效率較低會浪費大量的能源，典型的燃氣類灶具的熱效率僅能保證達到50%以上，電器類灶具的情況相對較好，熱效率能達到80%左右。目前對于廚具熱效率優化研究很多，但傳統的加熱方式熱效率不能大于100%，提升廚具的熱效率已經接近極限。設計一種空氣能源的電飯煲，利用Peltier效應，在電能加熱的同時，從空氣中吸收熱量用于加熱。基于現有的半導體制冷技術，電飯煲的熱效率可以超過100%，提升至110%以上。相較于傳統的電器類廚具提升了30%以上的熱效率，具有顯著節熱效率果。

1 加熱組件設計

半導體制冷器是一種基于Peltier效應的新型制冷器件。同常規的壓縮式制冷方式相比，半導體制冷技術具有無運動部件、無噪音、體積小、質量輕、無污染、壽命長、易于實現小型化、集成化和可靠性高等特點。半導體制冷器結構如圖1所示。

圖1 半導體制冷器結構

半導體制冷器能夠承受的最高溫度依據型號不同在100℃到200℃之間不等。由于熱傳導的功率是正比于溫度梯度的，但半導體制冷器能達到的最高溫度被制約于200℃以下，且在200℃以內的溫度下，半導體制冷器的溫度越低，其工作狀態和穩定性越高。相比于常規的加熱器件可以達到更高的溫度，這需要設計、生產導熱能力更優越的材料以保證足夠的加熱功率。一般金屬的導熱能力可以滿足需求，不銹鋼的熱導率一般為36~54W/mk。但在此需要考慮電飯煲內膽與外壁之間的接觸情況，內膽與外壁接觸不良的情況下會充入空氣，在不考慮熱對流的情況下，空氣的熱導率僅為0.01~0.04W/mk，對傳熱功率影響較大。為此，在外壁表面覆蓋一層柔性導熱材料，當放入內膽時，保證內膽與與柔性導熱材料緊密接觸（如圖2所示）。對于半導體制冷器之間以及加熱組件的其他部分的接觸，由于使用中不會相互分開，使用一種成本較低的膏狀導熱硅脂填充即可實現良好的導熱效果（如圖3所示）。

圖2 內膽與外壁的接觸處理

單一半導體制冷單元能夠維持冷熱源之間的最大溫差僅在70℃左右，因此需要采取堆疊制冷器的方式才能實現在100℃以上的食物和15℃的室溫之間逆向傳熱（如圖3所示）。

圖3 加熱組件堆疊原理示意圖

2 控制系統設計

控制系統的功能主要是監測加熱組件的溫度及工作狀態、控制電飯煲的工作狀態、為加熱組件提供保護、供用戶操作。

由于電飯煲的加熱組件工作的環境是不確定的，食物的種類、周圍的溫度等因素都會對加熱組件內的溫度造成影響。半導體制冷器所能承受的最高溫度隨型號不同在100~200℃之間。控制系統在電飯煲工作的過程中，需要監控加熱組件各層片的溫度，通過調整各半導體制冷單元的功率，以確保不會出現半導體制冷器出現溫度過高燒毀的情況。控制系統還會對加熱組件建立數學模型，并結合實際監測參數，對半導體制冷器堆疊過程中不同溫度層的半導體制冷器進行功率優化，在正常工作的前提下，盡量提高電飯煲的熱效率。而用戶在使用電飯煲的時候，只需要進行簡單的操作，選擇工作模式、定時等，電飯煲即可自動工作。

下面簡單描述控制系統的組成部分，控制系統的整體結構如圖5所示。

（1）測溫：加熱組件需要監測的主要參數就是溫度，控制系統會分別測量堆疊半導體制冷器每一層的溫度，以達到更好的保護作用和效率優化。溫度測量傳感器采用熱敏電阻產生電壓模擬信號，通過A/D信號轉換為數字信號，傳輸給單片機識別并讀取溫度信息。

（2）單片機：控制系統核心采用嵌入式集成開發的Arduino單片機系統，相比于C51系列的單片機，Arduino單片機系統集成了A/D轉換器和D/A轉換器、I/O引腳有自帶的PWM控制功能。選擇Arduion單片機作為控制系統的處理器，可大幅度簡化外圍電路，降低控制電路的設計和調試難度。并且Arduino單片機的編程器集成了下載和串口調試的功能，方便軟件方面的調試。Arduino的編程軟件整合了許多種類的庫文件，可大大減輕程序編寫和調試的負擔，對于我們作品的開發是一類非常方便可靠的單片機系統。

（3）數碼管顯示：數碼管顯示的信息包括溫度、設定時間、工作模式等。

（4）電源系統：電源系統負責給整個電飯煲供電，其中單片機工作的電壓為5V，而半導體制冷器工作的電壓為12V左右。為半導體制冷器供電的開關電源受單片機控制，單片機通過D/A轉換器輸出的模擬信號可以控制開關電源的電壓大小以及方向，以此來進行半導體制冷器的功率極性調節。

（5）按鍵：用于用戶操作、設定電飯煲功能。

圖4 控制系統結構

3 工作性能分析

電飯煲結構示意圖如圖5所示。由于其加熱組件的結構，空氣能源電飯煲比普通電飯煲高度高一些。在工作時，嵌入式處理器根據用戶通過控制面板設定的模式，控制電源組件為加熱組件和風扇供電。加熱組件的每一層都有獨立的溫度傳感器，并且每一層半導體制冷器都獨立受控。加熱組件的上端直接連接內膽進行加熱，風扇轉動迫使空氣從側邊進風口流向底部出風口，散熱片在此過程中吸收空氣中的熱量。內膽外有隔熱外壁，減少熱量的散失。當電飯煲開啟制冷模式時，半導體制冷器上的電流方向會反轉，此時半導體制冷器從內膽中向空氣中吸收熱量，實現給內膽中食物降溫的功能。

圖5 空氣能源電飯煲結構示意圖

采用TEC112703、TEC112704與TEC112706系列制冷器，制冷器在不同的溫度差和不同的電壓下工作效率不同，圖6為制冷器的工作效率圖，規格書數據為制冷器廠家提供的測試數據，模型計算結果為理論計算值。可見溫度越低，制冷器的工作效率越高，電壓對工作效率的影響則不是單調函數。隨著電飯煲加熱的進行，加熱模組上下端的溫度差越來越高，對應的最佳工作效率的電壓也不同，效率隨電壓變化的曲線逐漸變為單峰曲線。為了兼顧電飯煲的熱效率和加熱功率，我們通過處理器對工作過程中的電壓進行優化，同時，為用戶提供節能模式和大功率模式的選擇。但隨著鍋內溫度的升高，半導體制冷器的工作效率必然會有所下降，電飯煲工作于不同的外界環境以及不同工作模式下也導致其工作效率改變。在最糟糕的工作條件下，其瞬時熱效率也會下降到90%左右，但一次工作的平均熱效率也可以達到100%以上。在一般情況下，空氣能源電飯煲的工作的最高瞬時熱效率可達到150%，最低工作熱效率在100%左右，平均工作熱效率為110%~130%。

圖6 不同溫度下效率cop與電壓的關系[3]

4 經濟性分析

空氣能源電飯煲是基于普通電飯煲生產出來的產品，所以在對其進行經濟分析時僅討論額外增加的成本，以及其節能的效果和所帶來的經濟效益。空氣能源電飯煲額外增加的配件及成本清單如表1所示。

表1 產品增加配件的成本清單

一臺空氣能源電飯煲相較于普通電飯煲所增加的成本大約在283.5元左右，這是在研發階段通過零售渠道購買配件所增加的成本。如果實際生產，是通過批發方式獲取配件，且空氣能源電飯煲不需要普通電飯煲的加熱盤，機械溫控裝置等配件，可節約一定成本，此額外增加的成本預計將縮減到200元左右。該產品有希望獲得國家對節能環保產品的政策支持，在用戶購買時得到補貼，如此，產品所額外增加的成本是可以被大多數用戶接受的。

空氣能源電飯煲包含煮飯、煲湯等多種功能，其平均工作效率比普通電飯煲高出30%左右。根據中國全國人民的飲食習慣進行估計，如果一個家庭大多數時間在家做飯。考慮到電飯煲的各種功能使用情況，空氣能源電飯煲平均每天可幫助用戶節約0.4-0.8kw/h的電能。在一般城市地區，平均電價按0.6元/（kw/h）計算，空氣能源電飯煲平均一年可以為用戶節省87.6-175.2元的電費，具有良好的節能效果和經濟效益。

5 結語

在全國大中城市，家用電器類廚具普及數量很多，電器類廚具的節能性都有待改進，空氣能源電飯煲采用半導體制冷技術，具又顯著節能效果。現在的電飯煲已經逐步發展為了多功能電飯煲，不僅用于煮飯，還可以進行如燉菜、煲湯等方式的烹飪，本設計加入了制冷功能，更加擴寬了電飯煲的使用場景。在以米食為主食之一的中國各個地區，空氣能源電飯煲均可應用。現有節能產品在推廣上遇到的一類共同問題就是成本相較于普通產品偏高，但本設計具有的顯著節熱效率果在長期使用中不僅可以彌補成本問題，還可以帶來更多的節能經濟效益。