基于光伏-熱機互補技術的農村新型電馕坑裝置設計

張海麗，李 資，關保林，龐 龍，張兆輝

（1.新疆工程學院能源工程學院，烏魯木齊 830091；2.新疆維吾爾自治區質量監督檢驗研究院，烏魯木齊 830011）

馕深受新疆各族人民喜愛，新疆地區的居民通常采用傳統馕坑制作馕，傳統的馕坑采用夯土結構，無法移動，馕坑的大小與每個家庭的人口有關，其尺寸有大、中、小3 種［1］。少數民族家用馕坑的加熱方式大多以燃燒煤碳或木柴為主，產生CO2、CO、SO2等氣體造成大氣污染，雖然個別地區已經開始使用天燃氣和電加熱的方式烤馕，所采用的電為市電，因此電費成了農戶的主要經濟負擔，維吾爾等少數民族家用烤馕裝置仍是使用傳統燒柴方式，烤馕過程中，操作者仍需進行勞動作業，烤馕時間長，有一定的危險性，自動化、機械化程度不高［2］。中國對新能源方面非常重視，在政策和資金方面投入力度較大，得到了較大的發展。光伏發電技術存在光電轉化效率偏低、產生的電能波動性較大、價格昂貴等弊端［3］，但也為今后太陽能發電技術的有效發展打下了堅實基礎，在保護環境和節能減排方面發揮著積極作用。

本研究設計了一種更加安全、衛生、無污染、生產效率高的新型電烤馕裝置來彌補這些不足，同時降低市電產生的經濟負擔，利用太陽能光伏發電系統代替市網供電，降低其能源損耗，并將產生的電儲存以供家用，改變其原有的家用供電模式，減少碳排放，降低大氣污染。采用遠紅外線加熱技術提高輻射的熱能利用率，從而節約能源，并且加熱時間短、效率高。單片機的應用使其實現自動化、智能化，相比于現階段已有的烤馕裝置其功能更加完善，性能更加突出，安全性更高。

1 新型電馕坑結構及工作原理

1.1 新型電馕坑的結構

光伏-熱機互補技術為維吾爾族等少數民族家用立式圓柱形烤馕設備的供電系統，圖1 是光伏-熱機電馕坑裝置模型，采用太陽能電池組構成發電功能裝置，蓄電池用來儲存多余電量并在無太陽照射時為電馕坑或小型家用電器提供電源。另外，可連接國家電網供電，以便因天氣環境等不可控因素影響下新型電馕坑裝置仍能正常運行。光伏-熱機互補技術可提高光能轉化效率，集溫控、傳動等系統為一體，電馕坑加熱方式采用遠紅外線加熱技術，實現碳的零排放，利用單片機控制新型電馕坑裝置達到智能化。

圖1 光伏-熱機電馕坑裝置模型

該新型烤馕坑烤箱直徑為0.6 m，高為0.7 m，設計電馕坑有效容積為0.3 m2，滿足在家中烤制馕的要求。在烤制過程中用單片機進行計時，控制電機對電馕坑進行升降并實時監控溫度。該設備通過光伏發電對馕坑進行加熱時，單次能夠烤制8 個馕。考慮到烤馕過程中食品的衛生安全，以及受熱后使得金屬殼體變形程度影響最小，選用食品安全級別的304 不銹鋼，厚度為3 mm（圖2）。

圖2 電馕坑結構組成

1.2 光伏-熱機電馕坑的工作原理

光伏發電系統為電馕坑供電，依靠太陽能光伏電池板將太陽能轉化為電能。用逆變器將太陽能電池組所發的直流電轉化為交流電給電馕坑供電。圖3 為太陽能發電系統。

圖3 太陽能發電系統

太陽能光伏電池板發電對電馕坑供電，通電后對電馕坑進行預熱20 min，使得貼馕面板各面受熱均勻，用單片機進行實時監控溫度，使貼馕面板達到合適的溫度；當電馕坑內溫度升高至預先所設定的溫度時，啟動電機，電機啟動升降系統將貼馕板伸出烤馕箱外，將馕胚貼在貼馕板面上，貼滿馕胚后，電機則反轉將貼馕板收縮回箱體內，蓋上蓋子開始烤馕。烤馕過程中，利用前置電熱絲產生的熱量來加熱馕胚正面，對馕表面進行上色；后置電熱絲產生熱量對馕板進行加熱，使馕的反面被烤熟。馕表面顏色的變化通過觀察窗口進行觀察，當馕的表面顏色達到成熟要求時，打開蓋子并啟動電機，將烤熟的馕送到箱體外并取下，即完成一次烤馕過程。

2 電馕坑的設計

2.1 遠紅外加熱系統

遠紅外線加熱技術具有效率高、節能效果好的優點。輻射出的遠紅外線波長和被加熱物體的吸收波長一致時，物體內部的分子和原子就會發生“共振”現象，被加熱的物體就會大量吸收遠紅外線，產生強烈的振動，從而使物體溫度升高實現加熱，利用這項技術可以提高加熱效率［4］。圖4 為電馕坑遠紅外線加熱模塊硬件電路。

圖4 遠紅外線加熱模塊硬件電路

碳纖維因為能放射特定波長的遠紅外線常被用來獲取遠紅外線。碳纖維發熱體在通電以后產生遠紅外光，無光污染和紫外線輻射，不會刺激眼睛和灼傷皮膚，且碳纖維具有良好的熱導性，無論貼馕板轉動到什么位置，其受熱總是均衡且相同的。作為發熱體其具有升溫迅速的特性［5］。另外，碳纖維發熱管其電熱轉換效率高達90%以上，具有節能效果，因此，碳纖維發熱體是較好的加熱選擇材料［6，7］。

2.2 立體式升降系統

隨著科技的發展，電馕坑裝置趨向自動化，貼馕板升降桿利用電機運行，通過控制臺按鈕控制電桿升降操作，放置半成品馕餅時工作人員不會接觸到內部加熱器，排除了加熱安全隱患，另外收取成品時可將貼馕板作為架臺進行馕餅自然冷卻［8，9］。圖5為立體式升降系統電路。

圖5 立體式升降系統電路

由于實際在電馕坑中烤制過程中所產生的能量損失等，故本系統最終選擇電源為交流電380 V、電機轉速為1 400 r/min、功率100 W 的調速電機［10］。

2.3 單片機控制系統

單片機控溫系統采用數字溫度傳感器接收溫度的瞬時變化，并將其轉化為數字信號傳遞給單片機，單片機接收到信號后對其進行處理，并將處理后的結果通過端口傳遞給液晶顯示器，液晶顯示器把接受到的信號處理后顯示出這一時刻的溫度值［11］。提前設置溫度的范圍，單片機端口就向外接的控制裝置釋放信號，外接控制裝置接收信號后進行分析，從而控制升溫或者降溫。當溫度恢復至所控制的范圍后，數字溫度傳感器感受到溫度后將信號傳遞給單片機，單片機處理后則停止向外接的控制裝置釋放信號，從而實現溫度的調控［12］。圖6 為單片機控制系統結構。

圖6 單片機控制系統結構

新型家用電馕坑在保留傳統馕坑烤制風味的同時，有效提高了馕坑的工作效率，遠紅外線加熱裝置和控制電路均與控制面板連接；通過控制面板設置烤制溫度和烤制時間，實現了烤馕的現代化、自動化。圖7 為光伏-熱機互補技術家用新型電馕坑硬件電路。

2.4 理論成本計算

基于光伏-熱機互補技術的新型電馕坑裝置理論成本計算，涉及到的太陽能電池發電效率＝（開路電壓×短路電流×填充因子）/電池組所占面積×光照幅度×100%。

1）由于新疆氣候有日照時間長的特點，1 kW 組件有效日照10 h，不考慮損耗1 d 發10 kWh 電，獨立系統的損耗一般在30%。

2）考慮太陽輻射強度，10 h 有效日照，1 d 發7 kWh 電，所謂有效日照小時數指的就是輻射強度。

3）太陽能日發電量=日光照時間×光伏系統總功率×發電效率。

2021 年開始，光伏發電上網電價參考火力發電的價格，基本不超過0.5 元/kWh，就此價格而言，成本的回收期延長，利潤上也會降低，成本也就相對增加。農村光伏并網發電系統，2021 年前的補貼不僅有設備還有上網電價的補貼，基本可以達到1 元/ kWh。并網發電系統造價基本在4 元/W，安裝3 000 W 的系統1.2 萬元，安裝6 000 W 的系統2.4 萬元。組件（光伏板）使用壽命（設計標準）25 年，逆變器一般質保5 年。安裝不超過0.5 元/kWh 的價格，設備的本金回收期基本在5～6 年。

整套裝置太陽電池板價格較昂貴，配有光伏發電逆變器、集電盤、配線、太陽能集能板支架、監控統計設備，現在國內光伏市場的造價是5～7 元/W，每平方米的面積大概能安裝100 W，1 kW占地面積10 m2，因此光伏發電系統的價格為7 000 左右。碳纖維石英加熱管成本200 元，電機價格1 000 元，整套裝置成本預計15 000 元左右。

3 小結

1）設計了光伏-熱機互補技術為立式圓柱形烤馕設備供電的系統，采用太陽能電池組構成發電功能裝置，蓄電池用來儲存多余電量并在無太陽照射時為電馕坑或小型家用電器提供電源。光伏-熱機互補技術提高光能轉化效率，集溫控、傳動等系統為一體，電馕坑加熱方式采用遠紅外線加熱技術，實現碳的零排放，利用單片機控制新型電馕坑裝置達到智能化。

2）采用光伏-熱機互補技術利用熱機來回收光伏電池所產的焦耳廢熱，一方面可有效降低光伏電池溫度以提高其光能利用效率（光伏電池存在負溫度效應），另一方面可利用熱機來做功增加產出。通過清潔能源給電馕坑進行供電，減少了市電的使用，通過節約能源來提高生產效率和產品質量，同時降低生產成本。

3）新型電馕坑裝置結合單片機控制系統使本項目實現了傳統裝置向自動化、智能化的轉變，利用單片機控制烤馕進行溫度的調節、能源的利用，智能溫控系統縮短加熱時長，提高工作效率和安全性，延長裝置使用壽命，使烤馕智能化、簡單化。