基于TracrPro軟件分析的新型太陽能灶研究

文/向明利 韓 滔 石強強 蘇鈺潔

0 引言

據生態保護部統計，我國仍有將近6億人口使用固體燃料做飯，尤其在農村地區情況更為普遍，燃燒薪柴會產生大量顆粒物，加劇肺癌風險。太陽能灶給農牧民提供了一種更為清潔的烹飪方式，運用在我國太陽能資源豐富的西部地區，能減少烹飪的碳排放，降低用于燒水做飯的薪柴砍伐率。西部地區不少政府通過補貼購買等方式，大力推動太陽能灶的普及，其中聚光式相比于箱式更加滿足我國實際烹飪需求，在西部地區應用范圍較廣。但傳統聚光式太陽灶加熱時間長達兩個小時， 給使用帶來了很大不便，降低了農牧民們的使用熱情，使太陽灶的推廣沒有完全達到預期的目的。

為此，本文針對聚光式太陽能灶提出了一種新型灶具結構，該設計是通過在灶具底部設置多個內凹通道，增加太陽光線在底部的反射次數，延長光線停留時間，提高傳熱效率縮短加熱時長。進一步地，為使新型太陽能灶具有更好的光學性能，本文采用TracePro分析軟件探究了通道尺寸參數對其的影響。

1 灶具構造

聚光式太陽灶由拋物面聚光鏡、灶具及支架組成，傳統灶具的底部為平面，對于太陽能的吸收率較低，為了提高太陽灶的光學效率，提出了一種底面內凹的新型灶具結構，原理如圖1（a）所示，光線經聚光鏡反射到灶具底部，進入表面粗糙的內凹通道，光線進行漫反射，進而增加對太陽能的吸收率。此外，為提高傳熱效率，還對灶具做了如下設計：（1）在通道外壁安裝翅片，增加換熱面積。（2）在灶具外壁粘貼防火耐高溫的保溫材料，減少散熱損失。灶具結構如圖1（b）所示。

圖1 灶具原理及結構圖

2 光學分析

采用TracePro軟件對新型灶具的光學效率進行分析，以傳統灶具為參照進行對比，驗證新型灶具結構的性能提升。此外，還探究通道尺寸對于光學性能的影響，找出最佳的通道參數，為新型灶具結構進一步落地提供理論支撐。

2.1 建模

新型灶具結構是通過設置內凹通道來提高光線吸收率，同時，通道的直徑大小、高度以及通道個數都影響著進入通道光線的多少，為探究內凹通道的物理參數對于光通量的影響，本文共設定了9種不同尺寸的通道組合，如表1所示。

表1 新型灶具設計尺寸表

按照通道個數的不同設定了3種布置方式，分別是5個通道（每個通道直徑6.5 cm）、9個通道（直徑5 cm）和13個通道（直徑4 cm），如圖2（b）（c）（d）所示。此外，通道高度的不同也影響著光線的入射率，按照與通道直徑的倍數關系進行設置高度，分別有1倍直徑、1.5倍直徑與2倍直徑這三種高度。采用Pro ENGNEER軟件對傳統和新型灶具結構進行建模，兩種灶具尺寸均為直徑25cm×高25cm。

圖2 傳統灶具結構與新型灶具結構布局

2.2 TracePro模擬

為分析新型灶具結構的光學性能，采用光學仿真軟件TracePro定義和追蹤光線，得到灶具底部的光通量結果。該軟件是基于MCRT（蒙特卡洛射線追蹤）方法進行的，其原理是從隨機點隨機方向發射射線，根據射線方向及表面特性來判斷光線的走向，達到追蹤光線的目的。

TracePro對拋物面聚光鏡、灶具的模擬如圖3所示，其中，模型中聚光鏡的直徑為126.49 cm，長度20 cm，焦距50 cm，較實際生活中的聚光鏡尺寸有同比例縮小。在TracePro中設置表面光源模擬自然條件下的太陽能光源，設置的某地區同一時間同一光照條件，對不同結構的灶具進行光線路徑分析。設定光源的光通量為10 000 W，發射光線總數為10 000，假設鍋具材質能使太陽光全部反射，折射系數為1，穿透率為0，吸收率為0。

圖3 TracePro模擬圖

2.3 模擬結果

采用TracePro軟件對傳統灶具結構以及9種不同通道尺寸的新型灶具結構分別進行了光線追蹤與結果統計，得到每種構造下灶具各面的光通量分布圖。根據軟件計算結果，得到傳統灶具結構底面光通量為127.33 W。而對于新型灶具結構，其光通量主要體現在灶具底部與內凹通道內側兩部分，以通道尺寸為直徑5 cm×高度5 cm的灶具為例，其底面光通量分布如圖4（a）所示，某一通道的內側面光通量分布結果如圖4（b）所示。

圖4 光通量分布圖

根據光通量分布圖，可以得到灶具底面和各個內凹通道獲得的光通量，統計所有受光面的光通量之和，分別得到9種不同通道尺寸的灶具結構下的光通量總和，如表2、表3和表4所示。將新型灶具結果與傳統灶具光通量進行對比，可以得到增加內凹通道對整個灶具的光學性能提升率，如表5所示，從而分析出內凹通道尺寸對于光學性能的影響。

灶具設置為5個通道（外徑6.5 cm）的模擬結果分析如表2所示。

表2 5個通道（外徑6.5 cm）灶具的光通量

灶具設置為9個通道（外徑5 cm）的模擬結果分析如表3所示。

表3 九個通道（外徑5 cm）灶具的光通量

灶具設置為13個通道（外徑4 cm）的模擬結果分析如表4所示。

表4 十三個通道（外徑4 cm）灶具的光通量

根據上述光通量結果，可以發現：

（1）不同通道數目，通道的高度增加，總光通量是呈增長趨勢的。說明通道高度增加，太陽能利用效率增加。

（2）通道高度較低時，出現最小光通量為0W的現象。說明高度如果較低，可能會使太陽光線無法進入通道內，降低太陽能利用率。

（3）總光通量最大的灶具結構是13個通道，每個通道的外徑為4 cm，高度為8 cm。

對比傳統灶具結構（光通量為127.33 W），其每種結構的光通量浮動比例如表5所示。

表5 新型灶具結構與傳統灶具相比的光通量浮動比例（%）

根據橫向對比結果可以發現：改變灶具結構，在底面設置通道結構可以不同程度的提高灶具接受的光通量。其中“9通道，高度為10 cm”的結構和“13通道，高度為8 cm”的結構光通量的浮動分別為64.05%和68.37%。考慮經濟和技術問題，筆者認為選擇“9通道，高10 cm”的改造方案較為合適。

3 結語

采用TracePro軟件對傳統灶具結構以及9種不同通道尺寸的新型灶具結構分別進行了光線追蹤與結果統計，對不同通道尺寸下灶具結構的光通量結果進行對比分析，得到：

（1）內凹通道的設置使得新型灶具結構的光通量較傳統灶具結構有明顯提升，最高可達68.37%，因而該結構設計能在一定程度上有效提升整個灶具結構的光學性能。

（2）通道高度對于灶具光學性能的影響呈正相關，即高度越高，進入通道內壁的光通量越大，對于光線的吸收率則越高。

（3）通道內徑越大，則能夠入射的光線數量越多，但在灶具底面積一定的情況下，內徑越大則能夠設置的通道數量越少，因而可以發現5個通道（外徑6.5 cm）的光通量并非最大。最佳選擇結果是“9通道（外徑5 cm），高10 cm”的通道參數尺寸，較傳統灶具其光通量浮動比例為64.05%。