圆柱形光生物反应器阵列中漫射太阳辐射的蒙特卡洛光线追踪模拟与视因子优化研究

为解决圆柱形光生物反应器(PBR)阵列中漫射辐射量化难题，研究人员采用蒙特卡洛光线追踪(MCRT)技术，系统分析了PBR尺寸、间距及排列方式(方形/交错/仿生向日葵布局)对视因子的影响。研究发现交错阵列中心PBR视因子比外围降低97%，间距从1.26m减至0.56m使平均视因子下降46%，仿生布局平均视因子(0.226)低于传统布局(0.241-0.242)。该研究为大规模PBR阵列的光学优化提供了量化工具，对提升微藻培养效率具有重要意义。

　　

在全球碳中和背景下，微藻培养因其高效的CO₂固定能力和生物质生产能力成为研究热点。然而，传统开放培养系统易受污染且效率低下，封闭式圆柱形光生物反应器(PBR)虽能解决这些问题，但在大规模阵列布置中，反应器间的相互遮光效应会显著影响漫射辐射分布——这种被称为"视因子(view factor)"的光学参数，直接决定微藻接收的太阳辐射量。此前研究多聚焦单PBR，对阵列配置下的辐射传输缺乏量化手段，导致工程设计常依赖经验法则，严重制约产业化进程。

针对这一瓶颈，哈尔滨工业大学的研究团队在《Bioresource Technology》发表创新成果。他们首次将蒙特卡洛光线追踪(MCRT)技术引入PBR阵列光学分析，通过模拟数十万条光线在复杂三维场景中的传播路径，精确计算圆柱形PBR侧壁与半球形天空/平坦地面之间的视因子。研究团队开发了包含7个PBR的典型阵列模型，系统考察了半径、高度、间距(0.56-1.26m)三种几何参数，并创新性地引入仿生向日葵布局与传统方形、交错排列进行对比。

关键技术包括：1)基于MCRT算法的三维辐射场建模；2)多参数敏感性分析框架；3)仿生布局的斐波那契螺旋空间排布算法。研究特别关注天空视因子F_2-1和地面视因子F_3-1的量化，这两个参数分别表征PBR接收天空漫射光和地面反射光的能力。

【Model system】
建立包含7个PBR的阵列模型，中央反应器侧壁标记为表面1，天空和地面分别定义为表面2和3，通过坐标变换实现三维光线追踪。

【View factor】
推导视因子计算公式：Q_2-1=Q?₂A₂F_2-1，揭示辐射传输与几何构型的数学关系。

【Results and discussion】
关键发现包括：1)交错阵列中心PBR视因子比外围降低97%，凸显"峡谷效应"；2)间距缩小至0.56m使平均视因子降低46%；3)三种布局平均视因子分别为方形0.2410、交错0.2416、仿生0.2259，仿生设计因外围密度过高导致性能下降。

【Summary and conclusion】
研究证实半径和间距是影响遮光效应的主导参数，传统布局光学性能优于仿生设计。该工作建立的MCRT方法为PBR多物理场模拟提供了关键辐射参数，其量化结论可直接指导工业级阵列的间距设计——例如建议维持间距≥0.56m以避免视因子急剧下降。研究团队特别指出，未来需结合直射光分布优化布局，这对实现微藻培养系统的"光-流-质"协同调控具有重要价值。

这项研究不仅解决了PBR阵列设计中的基础光学难题，其开发的MCRT框架还可拓展应用于太阳能集热器、核反应堆燃料棒阵列等能源系统的辐射传输分析，展现出广泛的工程适用性。作者Yihan Zheng和Lifeng Li等强调，该方法将推动微藻生物燃料从实验室走向规模化生产，为可再生能源发展提供新范式。