《Results in Engineering》：Design and Experimental Performance Assessment of a Hybrid Solar Box Cooker Integrated with a Biomass Rocket Stove
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家庭烹饪能源需求在很大程度上仍依赖化石燃料和传统生物质，导致能源不安全和温室气体（greenhouse gas, GHG）排放。利用太阳能进行烹饪，尤其在印度尼西亚等热带地区，具有显著潜力；然而，其性能强烈受天气条件和太阳辐射可用性的影响。本研究旨在设计、制造
家庭烹饪能源需求在很大程度上仍依赖化石燃料和传统生物质，导致能源不安全和温室气体（greenhouse gas, GHG）排放。利用太阳能进行烹饪，尤其在印度尼西亚等热带地区，具有显著潜力；然而，其性能强烈受天气条件和太阳辐射可用性的影响。本研究旨在设计、制造并实验评估一种将箱式太阳能灶（box-type solar cooker）与生物质火箭炉（biomass rocket stove）集成的混合太阳能-生物质烹饪系统（hybrid solar–biomass cooking system）。研究人员在三种运行模式下（仅太阳能模式（solar-only）、仅生物质模式（biomass-only）和混合模式（hybrid））进行了实验测试，使用水和带鸡蛋的水作为烹饪负载。评估重点包括温度分布、烹饪性能和热效率（thermal efficiency）。结果表明，混合系统在约1小时内将水加热至约100°C，并在0.5小时内完全煮熟鸡蛋，鸡蛋峰值温度达到99°C。混合灶还比单独火箭炉保持了更高的平均水温和更好的燃烧后热稳定性。混合系统的整体热效率（overall thermal efficiency, ηtot）范围为28.75%（水加热）至30.27%（鸡蛋烹饪），高于火箭炉但低于箱式太阳能灶。经济分析表明，混合系统每餐成本低于火箭炉，而环境分析表明，相对于传统柴火基线，其排放量略有减少。总体而言，太阳能和生物质能的集成提高了烹饪速度、热灵活性和实际适用性，同时为热带地区家庭烹饪提供了经济和环境优势。
**论文解读：混合太阳能-生物质烹饪系统的设计与实验性能评估**
**1. 研究背景与问题**
家庭烹饪能源是全球住宅能源消耗的重要组成部分，目前约有21-23亿人口仍依赖污染燃料和低效烹饪技术，尤其是固体生物质和传统炉灶，这在发展中国家尤为突出，导致了严重的室内空气污染和健康问题。在印度尼西亚等国家，液化石油气（Liquefied Petroleum Gas, LPG）是主要烹饪燃料，但依赖化石燃料带来了温室气体（GHG）排放、价格波动和进口依赖等挑战，且LPG补贴对财政构成压力。因此，亟需基于本地资源、更可持续且排放更低的替代烹饪技术。
印度尼西亚地处赤道附近，太阳能资源丰富，年平均全球水平辐照度（Global Horizontal Irradiance, GHI）为4.73-5.77 kWh/m2/天，但太阳能利用主要集中在光伏发电领域，非电太阳能热应用（如太阳能烹饪）在政策支持和实际推广上仍有限。太阳能灶是研究最广泛的清洁烹饪技术之一，其中箱式太阳能灶因成本低、易制造和保温性好而备受关注。然而，太阳能灶的主要限制是对持续太阳辐射的强依赖性，天气变化显著影响加热速率和烹饪时间，导致其在日常烹饪中可靠性不足。
为克服这一限制，研究人员开始开发混合烹饪系统，将太阳能与辅助能源结合。生物质因在乡村和城郊地区广泛可得且成本低，成为有吸引力的互补能源。生物质火箭炉（rocket stove）具有高燃烧效率和低污染物排放的特点。现有研究多采用间接集成方式（如分离加热室或热风管道），导致热损失较大，且缺乏在三种运行模式（仅太阳能、仅生物质、混合）下使用相同负载和统一测试程序的系统评估。此外，在湿热热带气候条件下（如印度尼西亚）的实验证据仍然有限。因此，本研究旨在开发一种将箱式太阳能灶与生物质火箭炉直接集成于同一烹饪腔室的混合系统，并进行系统实验评估，以填补上述研究空白。该论文发表在《Results in Engineering》。
**2. 主要技术方法**
研究人员设计并制造了一个混合太阳能-生物质烹饪系统原型，核心是将箱式太阳能灶与生物质火箭炉直接集成在一个紧凑单元中，共享烹饪腔室，无中间换热器。太阳能灶部分采用铝板腔体，四壁用岩棉（rockwool）保温，顶部为单层玻璃盖板，并配有一个可手动调节倾角的平面反射镜（涂覆太阳能反射膜）以增加入射辐射。火箭炉采用钢板制成，直接安装在烹饪腔室下方，使用商业木炭（charcoal）为燃料，每次测试固定用量0.5 kg。实验在印度尼西亚亚齐省Langsa市（约4.47°N, 97.97°E）的室外开阔场地进行，干季晴朗至部分多云天气。主要测试设备包括：K型热电偶（测量内壁、外壁、腔室空气、烹饪负载、火箭炉腔室和环境的温度）、日射强度计（EKO MS-802，测量全球太阳辐射强度）、数字秤、风速计和数据采集系统（DAQ）。实验设计了三种运行模式（仅太阳能、仅生物质、混合）和两种烹饪负载（1.2 kg水、1.2 kg水加鸡蛋），共六种实验配置。热效率计算分别基于太阳能灶、火箭炉和混合系统的能量平衡方程。经济分析采用生命周期成本（LCC）和每餐均化成本（LCCM），环境分析基于碳减排量（CO? mitigation）。
**3. 研究结果**
**3.1 实验期间的环境条件**
实验期间太阳辐射强度从上午约400-450 W/m2升至中午12:00-12:45的峰值约850-870 W/m2，平均约550 W/m2。环境温度稳定在28-33°C，风速在0.7-5.2 m/s之间。这些条件有利于评估太阳能烹饪系统性能。
**3.2 混合系统集成对加热特性的影响**
通过对比三种运行模式下水和鸡蛋的温度分布，得出以下结论：
- **3.2.1 箱式太阳能灶水加热**：水温度从30°C升至最高71.96°C，用时约2.5小时，平均加热速率0.28°C/min。冷却速率为-0.15°C/min。内壁与外壁温差平均20.48°C，表明保温有效。
- **3.2.2 火箭炉水加热**：水快速达到沸点（101.91°C），用时约1小时，加热速率1.20°C/min，是太阳能灶的4.3倍。但冷却速率高达-0.37°C/min，燃料耗尽后温度迅速下降。
- **3.2.3 混合灶水加热**：水约1小时达到100°C，加热速率1.15°C/min，与火箭炉相当。冷却速率仅-0.11°C/min，显著低于单独系统，显示太阳能输入提供了持续辅助热源，改善了热稳定性。平均水温60°C，高于太阳能灶（50.37°C）和火箭炉（46°C）。
**3.3 以鸡蛋为负载的烹饪性能**
- **3.3.1 太阳能灶烹饪鸡蛋**：鸡蛋约1小时完全煮熟，峰值温度75.03°C，加热速率0.50°C/min。冷却速率-0.20°C/min。
- **3.3.2 火箭炉烹饪鸡蛋**：鸡蛋约30分钟完全煮熟，峰值温度94°C，加热速率2.13°C/min。冷却速率-0.42°C/min，热保持能力差。
- **3.3.3 混合灶烹饪鸡蛋**：鸡蛋约30分钟完全煮熟，峰值温度99°C，加热速率2.30°C/min，高于火箭炉。冷却速率-0.48°C/min，尽管高温操作导致热损失较大，但快速烹饪能力突出。
**3.4 系统热效率**
箱式太阳能灶热效率（η
s）最高：水加热44.29%，鸡蛋烹饪47.61%。火箭炉热效率（η
b）分别为27.43%和29.01%。混合系统整体热效率（η
tot）分别为28.75%和30.27%，低于太阳能灶但高于火箭炉。效率降低归因于高温组合操作导致的对流和传导热损失增加。
**3.5 以马铃薯为负载的额外评估**
太阳能灶约6小时成功煮熟马铃薯，证实其适用于慢速烹饪和烘烤类应用。
**3.6 混合系统经济与排放分析**
经济分析（基于20年寿命、4.75%利率）显示：混合系统生命周期成本（LCC）为647.65美元，每餐均化成本（LCCM）为1.87美元；火箭炉LCC为581.54美元，LCCM为2.24美元；太阳能灶LCC仅77.57美元，LCCM为0.69美元。混合系统虽成本高于太阳能灶，但低于火箭炉，且烹饪容量更大。排放分析显示，相对于传统柴火基线（11.44 tCO?），混合系统净减排0.81 tCO?（约7.1%），而太阳能灶减排10.42 tCO?。混合系统的碳信用价值为12.28美元，远低于太阳能灶的156.38美元。
**讨论与结论**
讨论部分指出，混合系统在加热速率和烹饪速度上具有优势，但热效率受高温热损失限制。未来优化方向包括：采用更高太阳能吸收率的先进光热材料、选择性涂层和表面微纳结构以增强光捕获效应，集成储热材料，改善高温绝缘性能，并量化水蒸气冷凝对玻璃盖板透射率的影响。
研究结论总结如下：混合灶可在约1小时内将水加热至约100°C，约0.5小时内完全煮熟鸡蛋（峰值温度99°C），性能优于单独太阳能灶和火箭炉；整体热效率为28.75%-30.27%，低于太阳能灶但高于火箭炉，主要原因是高温组合操作增加了热损失；经济分析表明混合系统每餐成本（1.87美元）低于火箭炉（2.24美元）但高于太阳能灶（0.69美元）；环境分析显示混合系统相对于传统柴火基线减排约7.1%。总体而言，混合配置提高了烹饪可靠性和操作灵活性，但需进一步优化热效率和环境性能。
