浅谈基于物联网的太阳能热电联供果蔬干燥系统设计

王玉巍，竟静静，宾大山，刘朝蓬

（1.新疆工程学院；2.大唐新疆清洁能源有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

可再生能源的利用是实现我国“21世纪可持续发展战略”的重要措施之一，太阳能的发展和应用在改善能源结构、保障能源安全、推进生态文明建设方面有重要意义。新疆地区有丰富的太阳能资源，用太阳能干燥果蔬有品质高、效率高、清洁环保的优点。新鲜果蔬容易发霉不易保存，采用自然晾晒加工过程较长，果蔬在晾晒期间容易霉变，且存在质量不可控、虫蚁污染等问题，机械化烘干主要以燃煤、燃油和用电实现，存在高能耗的问题。刘巍等人在对比了农产品自然干燥、热风微波干燥、太阳能干燥等技术与应用，分析了各种干燥技术的优缺点，传统晾晒效率低卫生差，太阳能热泵组合干燥设备制作复杂且成本高，太阳能集热箱式干燥房夜晚无法继续高效工作。李建军等人采用太阳能集热装置和送风机构对葡萄进行干燥处理，效果符合葡萄干品质要求。有效缩短干燥产品的加工周期，但该装置只在白天阳光充足时效率较高，阴天和夜间无法进行工作。王尚银等人采用蓝钛集热板设计枸杞干燥机，采用燃气热风炉在晚上和阴雨天供热，能够实现全天候干燥作业，但是需铺设燃气管路，干燥过程产生燃烧废气、增加碳排放、环保性较差。因此，设计一套能够24小时不间断工作的太阳能热电联供果蔬干燥系统很有必要，本系统采用无线传感器网络技术集传感器技术、无线通信技术于一体，设计能源供应、干燥、测控、人机交互等单元。采用太阳能集热装置吸收热能，通过换热器加热空气，将热空气由风机吹入晾干塔中，冲击果蔬表面，实现快速干燥。搭建光伏发电单元为系统提供电能，安装储热和蓄电装置，用于夜间或阴雨天持续工作。

1 系统的总体设计

本系统通过分析现有果蔬干燥方法和装备，设计主要有以下四个部分组成：晾干塔、热循环单元、光伏发电单元和物联网监控单元。晾干塔采用塔式结构，晾干塔内部产生旋转的气流可最大限度利用热风且果蔬干燥均匀。热循环单元包括太阳能集热、储热和换热部分。光伏发电单元包括光伏阵列、蓄电池和保护控制部分，为系统提供电能。物联网监控单元包括上位机监控系统、下位机监控系统、风扇及水泵的驱动电路等部分。能够实现干燥流程实时监控、上位机或手机无线控制温度和风量，在线检测果蔬状态，既提高果蔬制干效率，又改善果蔬干口感，干燥更加高效环保。

2 果蔬干燥装置的硬件设计

2.1 晾干塔

晾干塔的外形设计为圆塔形，内部有换热器、导流板风扇。换热器中有热水流过，换热器下方安装的调速风扇开始旋转，在风扇的转动下，带来空气的快速流动，换热器与空气进行热交换加热空气形成热气流，在晾干塔内部安有导流板，使热气流产生旋转，使气流与果蔬有更大的接触面积。换热性能是圆形晾干塔重要性能之一，在安装圆形晾干塔时，应安装在通风比较好的地方。

2.2 热循环单元

热循环单元由真空集热管、蓄热水箱、调速水泵和换热器等部分构成。系统选用水作为循环工质，太阳能集热管并列排布，在太阳能集热管和换热器之间串联一个调速水泵，控制热水循环速度，调速水泵与驱动电路相连，由单片机进行速度控制。太阳能集热器出口串联一个蓄热水箱，蓄热水箱主要提供夜间的供热，蓄热水箱的容量和保温性能直接影响夜间供热的时间，间接影响干燥速率。

2.3 光伏发电单元

光伏单元包括光伏阵列、DC-DC转换器、蓄电池、保护控制部分、控制单元供电部分、水泵和风扇供电部分。白天通过太阳能电池板进行发电，把多余的电能储存在蓄电池中，晚上用蓄电池中的电为整个系统提供电能。保护控制部分主要防止蓄电池过充、过放。

2.4 物联网监控单元

物联网监控单元下位机采用单片机作为CPU，通过传感器检测关键参数，采用ZigBee模块上传至上位机，移动终端通过访问上位机数据库接收相应数据。采用温度传感器对太阳能集热管的进出口温度、换热器的进出口温度、晾干塔内进出口温度、晾干塔内部和出口湿度进行采集。下位机采用PWM调速技术，控制水泵、风扇的转速以调节热水流量和空气流量，实现温度控制，达到晾干塔内温度恒定。

3 控制系统软件设计

3.1 下位机程序设计

下位机设计采用keil5进行编程，包括光伏发电程序、双路温度测量程序、显示程序、PWM输出程序、自动控温程序。光伏发电单元采用A/D转换芯片采集蓄电池电压并传输给单片机，在单片机中将数据与设定值进行比较，对继电器实现控制。单片机间接的实现了对蓄电池充电的自动控制。热循环和晾干塔内温度控制部分的程序是通过单片机调节PWM输出的占空比实现的。单片机采样当前温度传感器检测到的晾干塔内温度值，通过与设定的温度阈值进行对比，判断是否进行热水流量和风扇转速的控制。如设定晾干塔内温度恒定在40℃，将检测到的温度与40℃进行自动比对，根据比对的结果，进行相应的操作。利用控制水泵、电机的转速，从而控制了晾干塔内的温度。当PWM输出到达最大或者最小时，通过蜂鸣器向外界发出报警。单片机将系统各采样点温度、湿度、状态信息等通过ZigBee模块传输到上位机，在上位机进行数据存储和显示。

3.2 上位机程序设计

上位机主要使用Microsoft Visual Studio软件，C#语言编程，采用ZigBee组件搭建无线网络通信系统，采集下位机上传的数据，对晾干塔内的温湿度以及热循环系统的各项参数进行采集、存储和分析，此外，还可以通过上位机实现对风扇和水泵的远程控制，当系统检测到物料湿度符合要求后通过弹出窗口提醒物料出仓，此外，还可以通过手机APP实现实时数据的监控。

4 系统运行试验

系统模型搭建完成后通过调试运行，能够实现晾干塔内温湿度的测量和上传，水泵和风扇能够调节水流量和空气流量，进而调节烘干房内温度。根据夏秋季节新疆哈密地区气象条件计算，可使系统做到全天温度变化时，烘干室内温度保持不变。采用葡萄作为加工物料进行干燥加工，基本达到设计目标。通过设置温度阈值与风速阈值等参数实现了不同果蔬物料含水量不同时所需的最适干燥环境控制。

5 结语

本系统在应用过程中采用储热和蓄电装置，解决了现有太阳能干燥技术存在的对气象依赖性高、可控性差的问题，具有灵活、可控、高效的优势。将物联网技术和智能手机软件应用进行集成，形成了一套着力于解决干燥系统温度采集、数据远传、信息报警和远程监控的系统应用平台。本作品为农作物加工提供了方便，减少了农作物采摘后在运输过程中的损耗。采用太阳能供能，晾干过程清洁无污染，与工业干燥相比节省电能和煤耗，大幅提升了农产品干燥效率同时降低了经济成本。且结构简单安装方便，解决了偏远农田供电问题，采用物联网技术，结合自动控制技术，减少人力成本，干燥周期缩短，能够提高农产品品质和口感。适用于农场安装使用，也可用于工业生产，提升经济效益。