一种基于Peltier效应的空气能源电饭煲设计方案

屈宇琛，李嘉婉，孙宇迪，侯翔天，丁连博，冯松

（南华大学，湖南 衡阳 421000）

0 引言

烹饪的过程会消耗巨大的能量用以给食物加热，烹饪是人们消耗能源的一大途径。厨具的热效率较低会浪费大量的能源，典型的燃气类灶具的热效率仅能保证达到50%以上，电器类灶具的情况相对较好，热效率能达到80%左右。目前对于厨具热效率优化研究很多，但传统的加热方式热效率不能大于100%，提升厨具的热效率已经接近极限。设计一种空气能源的电饭煲，利用Peltier效应，在电能加热的同时，从空气中吸收热量用于加热。基于现有的半导体制冷技术，电饭煲的热效率可以超过100%，提升至110%以上。相较于传统的电器类厨具提升了30%以上的热效率，具有显著节热效率果。

1 加热组件设计

半导体制冷器是一种基于Peltier效应的新型制冷器件。同常规的压缩式制冷方式相比，半导体制冷技术具有无运动部件、无噪音、体积小、质量轻、无污染、寿命长、易于实现小型化、集成化和可靠性高等特点。半导体制冷器结构如图1所示。

图1 半导体制冷器结构

半导体制冷器能够承受的最高温度依据型号不同在100℃到200℃之间不等。由于热传导的功率是正比于温度梯度的，但半导体制冷器能达到的最高温度被制约于200℃以下，且在200℃以内的温度下，半导体制冷器的温度越低，其工作状态和稳定性越高。相比于常规的加热器件可以达到更高的温度，这需要设计、生产导热能力更优越的材料以保证足够的加热功率。一般金属的导热能力可以满足需求，不锈钢的热导率一般为36~54W/mk。但在此需要考虑电饭煲内胆与外壁之间的接触情况，内胆与外壁接触不良的情况下会充入空气，在不考虑热对流的情况下，空气的热导率仅为0.01~0.04W/mk，对传热功率影响较大。为此，在外壁表面覆盖一层柔性导热材料，当放入内胆时，保证内胆与与柔性导热材料紧密接触（如图2所示）。对于半导体制冷器之间以及加热组件的其他部分的接触，由于使用中不会相互分开，使用一种成本较低的膏状导热硅脂填充即可实现良好的导热效果（如图3所示）。

图2 内胆与外壁的接触处理

单一半导体制冷单元能够维持冷热源之间的最大温差仅在70℃左右，因此需要采取堆叠制冷器的方式才能实现在100℃以上的食物和15℃的室温之间逆向传热（如图3所示）。

图3 加热组件堆叠原理示意图

2 控制系统设计

控制系统的功能主要是监测加热组件的温度及工作状态、控制电饭煲的工作状态、为加热组件提供保护、供用户操作。

由于电饭煲的加热组件工作的环境是不确定的，食物的种类、周围的温度等因素都会对加热组件内的温度造成影响。半导体制冷器所能承受的最高温度随型号不同在100~200℃之间。控制系统在电饭煲工作的过程中，需要监控加热组件各层片的温度，通过调整各半导体制冷单元的功率，以确保不会出现半导体制冷器出现温度过高烧毁的情况。控制系统还会对加热组件建立数学模型，并结合实际监测参数，对半导体制冷器堆叠过程中不同温度层的半导体制冷器进行功率优化，在正常工作的前提下，尽量提高电饭煲的热效率。而用户在使用电饭煲的时候，只需要进行简单的操作，选择工作模式、定时等，电饭煲即可自动工作。

下面简单描述控制系统的组成部分，控制系统的整体结构如图5所示。

（1）测温：加热组件需要监测的主要参数就是温度，控制系统会分别测量堆叠半导体制冷器每一层的温度，以达到更好的保护作用和效率优化。温度测量传感器采用热敏电阻产生电压模拟信号，通过A/D信号转换为数字信号，传输给单片机识别并读取温度信息。

（2）单片机：控制系统核心采用嵌入式集成开发的Arduino单片机系统，相比于C51系列的单片机，Arduino单片机系统集成了A/D转换器和D/A转换器、I/O引脚有自带的PWM控制功能。选择Arduion单片机作为控制系统的处理器，可大幅度简化外围电路，降低控制电路的设计和调试难度。并且Arduino单片机的编程器集成了下载和串口调试的功能，方便软件方面的调试。Arduino的编程软件整合了许多种类的库文件，可大大减轻程序编写和调试的负担，对于我们作品的开发是一类非常方便可靠的单片机系统。

（3）数码管显示：数码管显示的信息包括温度、设定时间、工作模式等。

（4）电源系统：电源系统负责给整个电饭煲供电，其中单片机工作的电压为5V，而半导体制冷器工作的电压为12V左右。为半导体制冷器供电的开关电源受单片机控制，单片机通过D/A转换器输出的模拟信号可以控制开关电源的电压大小以及方向，以此来进行半导体制冷器的功率极性调节。

（5）按键：用于用户操作、设定电饭煲功能。

图4 控制系统结构

3 工作性能分析

电饭煲结构示意图如图5所示。由于其加热组件的结构，空气能源电饭煲比普通电饭煲高度高一些。在工作时，嵌入式处理器根据用户通过控制面板设定的模式，控制电源组件为加热组件和风扇供电。加热组件的每一层都有独立的温度传感器，并且每一层半导体制冷器都独立受控。加热组件的上端直接连接内胆进行加热，风扇转动迫使空气从侧边进风口流向底部出风口，散热片在此过程中吸收空气中的热量。内胆外有隔热外壁，减少热量的散失。当电饭煲开启制冷模式时，半导体制冷器上的电流方向会反转，此时半导体制冷器从内胆中向空气中吸收热量，实现给内胆中食物降温的功能。

图5 空气能源电饭煲结构示意图

采用TEC112703、TEC112704与TEC112706系列制冷器，制冷器在不同的温度差和不同的电压下工作效率不同，图6为制冷器的工作效率图，规格书数据为制冷器厂家提供的测试数据，模型计算结果为理论计算值。可见温度越低，制冷器的工作效率越高，电压对工作效率的影响则不是单调函数。随着电饭煲加热的进行，加热模组上下端的温度差越来越高，对应的最佳工作效率的电压也不同，效率随电压变化的曲线逐渐变为单峰曲线。为了兼顾电饭煲的热效率和加热功率，我们通过处理器对工作过程中的电压进行优化，同时，为用户提供节能模式和大功率模式的选择。但随着锅内温度的升高，半导体制冷器的工作效率必然会有所下降，电饭煲工作于不同的外界环境以及不同工作模式下也导致其工作效率改变。在最糟糕的工作条件下，其瞬时热效率也会下降到90%左右，但一次工作的平均热效率也可以达到100%以上。在一般情况下，空气能源电饭煲的工作的最高瞬时热效率可达到150%，最低工作热效率在100%左右，平均工作热效率为110%~130%。

图6 不同温度下效率cop与电压的关系[3]

4 经济性分析

空气能源电饭煲是基于普通电饭煲生产出来的产品，所以在对其进行经济分析时仅讨论额外增加的成本，以及其节能的效果和所带来的经济效益。空气能源电饭煲额外增加的配件及成本清单如表1所示。

表1 产品增加配件的成本清单

一台空气能源电饭煲相较于普通电饭煲所增加的成本大约在283.5元左右，这是在研发阶段通过零售渠道购买配件所增加的成本。如果实际生产，是通过批发方式获取配件，且空气能源电饭煲不需要普通电饭煲的加热盘，机械温控装置等配件，可节约一定成本，此额外增加的成本预计将缩减到200元左右。该产品有希望获得国家对节能环保产品的政策支持，在用户购买时得到补贴，如此，产品所额外增加的成本是可以被大多数用户接受的。

空气能源电饭煲包含煮饭、煲汤等多种功能，其平均工作效率比普通电饭煲高出30%左右。根据中国全国人民的饮食习惯进行估计，如果一个家庭大多数时间在家做饭。考虑到电饭煲的各种功能使用情况，空气能源电饭煲平均每天可帮助用户节约0.4-0.8kw/h的电能。在一般城市地区，平均电价按0.6元/（kw/h）计算，空气能源电饭煲平均一年可以为用户节省87.6-175.2元的电费，具有良好的节能效果和经济效益。

5 结语

在全国大中城市，家用电器类厨具普及数量很多，电器类厨具的节能性都有待改进，空气能源电饭煲采用半导体制冷技术，具又显著节能效果。现在的电饭煲已经逐步发展为了多功能电饭煲，不仅用于煮饭，还可以进行如炖菜、煲汤等方式的烹饪，本设计加入了制冷功能，更加扩宽了电饭煲的使用场景。在以米食为主食之一的中国各个地区，空气能源电饭煲均可应用。现有节能产品在推广上遇到的一类共同问题就是成本相较于普通产品偏高，但本设计具有的显著节热效率果在长期使用中不仅可以弥补成本问题，还可以带来更多的节能经济效益。