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(jù)生態(tài)保護部統(tǒng)計，我國仍有將近6億人口使用固體燃料做飯，尤其在農(nóng)村地區(qū)情況更為普遍，燃燒薪柴會產(chǎn)生大量顆粒物，加劇肺癌風險。太陽能灶給農(nóng)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(qū)，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(qū)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(qū)應用范圍較廣。但傳統(tǒng)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(nóng)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(jié)構(gòu)，該設計是通過在灶具底部設置多個內(nèi)凹通道，增加太陽光線在底部的反射次數(shù)，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(shù)對其的影響。

1 灶具構(gòu)造

聚光式太陽灶由拋物面聚光鏡、灶具及支架組成，傳統(tǒng)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(nèi)凹的新型灶具結(jié)構(gòu)，原理如圖1（a）所示，光線經(jīng)聚光鏡反射到灶具底部，進入表面粗糙的內(nèi)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(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。

圖1 灶具原理及結(jié)構(gòu)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(tǒng)灶具為參照進行對比，驗證新型灶具結(jié)構(gòu)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(shù)，為新型灶具結(jié)構(gòu)進一步落地提供理論支撐。

2.1 建模

新型灶具結(jié)構(gòu)是通過設置內(nèi)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(shù)都影響著進入通道光線的多少，為探究內(nèi)凹通道的物理參數(shù)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(shù)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(shù)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(tǒng)和新型灶具結(jié)構(gòu)進行建模，兩種灶具尺寸均為直徑25cm×高25cm。

圖2 傳統(tǒng)灶具結(jié)構(gòu)與新型灶具結(jié)構(gòu)布局

2.2 TracePro模擬

為分析新型灶具結(jié)構(gòu)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(jié)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(fā)射射線，根據(jù)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(qū)同一時間同一光照條件，對不同結(jié)構(gòu)的灶具進行光線路徑分析。設定光源的光通量為10 000 W，發(fā)射光線總數(shù)為10 000，假設鍋具材質(zhì)能使太陽光全部反射，折射系數(shù)為1，穿透率為0，吸收率為0。

圖3 TracePro模擬圖

2.3 模擬結(jié)果

采用TracePro軟件對傳統(tǒng)灶具結(jié)構(gòu)以及9種不同通道尺寸的新型灶具結(jié)構(gòu)分別進行了光線追蹤與結(jié)果統(tǒng)計，得到每種構(gòu)造下灶具各面的光通量分布圖。根據(jù)軟件計算結(jié)果，得到傳統(tǒng)灶具結(jié)構(gòu)底面光通量為127.33 W。而對于新型灶具結(jié)構(gòu)，其光通量主要體現(xiàn)在灶具底部與內(nèi)凹通道內(nèi)側(cè)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(nèi)側(cè)面光通量分布結(jié)果如圖4（b）所示。

圖4 光通量分布圖

根據(jù)光通量分布圖，可以得到灶具底面和各個內(nèi)凹通道獲得的光通量，統(tǒng)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(jié)構(gòu)下的光通量總和，如表2、表3和表4所示。將新型灶具結(jié)果與傳統(tǒng)灶具光通量進行對比，可以得到增加內(nèi)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(nèi)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(jié)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(jié)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(jié)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(jù)上述光通量結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）不同通道數(shù)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(xiàn)最小光通量為0W的現(xiàn)象。說明高度如果較低，可能會使太陽光線無法進入通道內(nèi)，降低太陽能利用率。

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

對比傳統(tǒng)灶具結(jié)構(gòu)（光通量為127.33 W），其每種結(jié)構(gòu)的光通量浮動比例如表5所示。

表5 新型灶具結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)灶具相比的光通量浮動比例（%）

根據(jù)橫向?qū)Ρ冉Y(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：改變灶具結(jié)構(gòu)，在底面設置通道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和“13通道，高度為8 cm”的結(jié)構(gòu)光通量的浮動分別為64.05%和68.37%?？紤]經(jīng)濟和技術(shù)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(jié)語

采用TracePro軟件對傳統(tǒng)灶具結(jié)構(gòu)以及9種不同通道尺寸的新型灶具結(jié)構(gòu)分別進行了光線追蹤與結(jié)果統(tǒng)計，對不同通道尺寸下灶具結(jié)構(gòu)的光通量結(jié)果進行對比分析，得到：

（1）內(nèi)凹通道的設置使得新型灶具結(jié)構(gòu)的光通量較傳統(tǒng)灶具結(jié)構(gòu)有明顯提升，最高可達68.37%，因而該結(jié)構(gòu)設計能在一定程度上有效提升整個灶具結(jié)構(gòu)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(nèi)壁的光通量越大，對于光線的吸收率則越高。

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