具有储热功能的低成本黏土锅烹饪器的热性能研究：面向可持续烹饪

《Solar Energy》：Thermal performance of a low-cost clay pot-based cooker with heat storage for sustainable cooking

　　

• 使用三节点集总电容模型评估了低成本陶罐炊具的热性能。
• 本研究评估了烹饪性能、整体系统热效率，并比较了实验与模型结果。
• 评估了五种实验装置，以检查不同烹饪条件下的系统性能。
• 最佳性能的装置保留了 13 小时热能，储存了 536.69 kJ，整体热效率达到 35.68%。
• 实验结果与模型结果的紧密吻合表明该模型能够捕捉系统的整体热性能。

引言
获得清洁可靠的烹饪能源仍然是撒哈拉以南非洲的主要挑战，那里有超过 20 亿人缺乏清洁烹饪燃料 [1]。依赖生物质进行烹饪会导致森林砍伐和环境退化，进一步加速气候危机并为家庭带来健康负担 [[2], [3], [4], [5], [6]]。妇女和儿童受到的影响最大，因为她们主要负责收集柴火，常常浪费本可用于其他经济活动的宝贵时间 [7,8]。
关于传统烹饪燃料的研究已在撒哈拉以南非洲广泛进行。Jetter 等人 [2] 描述了传统和先进炊具，并推荐了一些用于制定国际标准的有效指标。Balume 等人 [4] 调查了发展中国家依赖传统生物质燃料的关键驱动因素。他们进一步描述了向清洁能源转型的主要障碍，包括当地社区对采用清洁烹饪燃料的抵制以及缺乏提高促进清洁烹饪意识的教育。他们还描述了通常为烹饪取柴火的妇女和儿童健康、环境的负面影响。作者提出了替代生物质的解决方案，如太阳能烹饪、电炊具和沼气。此外，Jiang 等人 [3] 报告了全球清洁能源获取率的增加，其中撒哈拉以南非洲农村人口的增幅最低。
最近，包括政策和策略在内的众多举措已被用于确保广泛采用清洁烹饪燃料，如电炊具、液化石油气 (LPG) 和太阳能烹饪 [4,8,9]。然而，与可负担性 [4,6,7,9]、与当地烹饪实践的兼容性（特别是在城乡结合部和农村地区）[4] 以及社会因素（如烹饪习惯、便利性和用户偏好）[4,5] 相关的挑战限制了其广泛采用。此外，液化石油气和电炉不是可再生能源；液化石油气需要反复加气，而电炉需要电池用于离网系统。太阳能炊具可能是一个替代方案；然而，太阳辐射的间歇性限制了日落后烹饪。解决这些挑战需要在太阳能炊具中整合热能储存 (TES) 系统 [10]。混合太阳能炊具在高太阳强度期间储存热量，并在需要时释放，使其成为离网烹饪的潜在解决方案。这些系统适用于太阳辐射丰富但面临能源获取有限挑战的地区。
Verma 等人 [11] 审查了各种太阳能烹饪技术，以评估它们在减少烹饪对生物质依赖方面的潜力。他们的研究表明，太阳能烹饪对经济和环境影响显著积极，并在印度学校中将能源使用减少了约 56%。Ceviz 等人 [12] 审查了直接和混合太阳能炊具及其在减少烹饪能源挑战方面的巨大潜力。作者还提出了太阳能烹饪广泛使用面临的挑战，如太阳能炊具的高初始成本、用户偏好、设计复杂和太阳辐射的间歇性。Lwiwa 和 Nydal [13,14] 研究了具有铁和铝圆柱体（尺寸相同）热储存介质的太阳能聚光器烹饪系统。在达到所需的充电温度后，系统分别成功煮熟了 1 公斤干豆和煮沸了 2 升水。此外，Lwiwa [15] 审查了直接和混合太阳能炊具设计以及用于太阳能烹饪的复合抛物面聚光器。其中一些展示的太阳能炊具依赖于复杂的系统和昂贵的材料，这使得它们在发展中国家的采用率较低。因此，挑战在于开发一种简单、低成本、高效、坚固耐用的太阳能烹饪系统。
一些研究人员提出了低成本的混合太阳能炊具。使用显热储存材料（铝球、黑化鹅卵石和砌砖）对热箱太阳能炊具进行实验评估，以改善热储存和烹饪性能 [16]。在测试的材料中，铝球表现最佳，热效率为 59.61%，烹饪功率为 75.21 W。Vanierschot 和 Mawire [17] 展示了使用计算流体力学 (CFD) 研究带有热能储存的太阳能烹饪锅的详细传热机制。他们的结果显示，向锅的平均传热系数为 1.6 W/(m2·K)，而 TES 的为 7.5 W/(m2·K)。Saxena 等人 [18] 开发了一种新颖的低成本热箱太阳能炊具 - 干燥器，使用碳黑粉末显热储存材料供低收入家庭使用。在夏季、雨季和冬季，系统的热效率分别约为 46.71%、41.8% 和 30%，干燥效率分别约为 52.01%、49.58% 和 50%。同样，[19] 测试了一种低成本太阳能箱式炊具，结合鹅卵石和与碳黑粉末混合的黑色水泥作为显热储存材料，以改善低太阳辐射和日照时间外的烹饪性能。最佳设计实现了 59.1% 的热效率。
陶罐等低成本材料与合适的绝缘材料相结合，是日落后或阴雨天烹饪可持续热能储存的潜在解决方案，解决了经济和环境约束。此外，陶罐可用作烹饪锅和热储存材料。它们也可用作当地冰箱 [20]。文献中已充分描述了粘土的物理化学性质 [21,22] 以及烧结温度对其热导率的影响 [23,24]。从文献检索来看，很少有研究报道陶罐作为炊具和热储存，详见 Trivedi 等人 [20] 对陶制炊具的回顾。作者指出陶罐的使用有限，已被现代炊具如不粘锅和金属锅取代。Schiffer 等人 [25] 通过实验考古学调查了陶器表面处理、热性能和陶罐耐久性的影响。已表明，长期的实验研究结合考古背景，为史前技术变革提供了有价值的见解。
许多建模方法已被用于描述热能储存系统的热传递机制和热性能。一些常用模型包括用于瞬态热行为的集总电容模型 [26,27]、用于计算固体中详细的传导相关温度场和传热问题的有限元模型 [28]，以及用于详细热通量和传热的计算流体力学 (CFD) [17]。本质上，模型的选择取决于太阳能炊具的性质、所需的准确性、计算成本和系统复杂性。
本研究成功设计并测试了一种基于陶罐的带有热储存的炊具，使用当地可用的材料，以太阳能为主要热源进行烹饪。陶罐广泛可用且成本低廉，这可能影响其广泛采用，特别是在太阳能辐射充足的发展中国家。使用由太阳能电池板供电的螺旋加热器（镍铬线）加热元件来加热陶罐。选择镍铬线是因为其广泛使用，具有高熔点、高温下稳定的电阻和高电阻率 [29]。使用棉花材料和铝箔作为绝缘材料。所提出的系统便于外行人使用，采用低成本材料以便在发展中国家家庭采用，特别是在广泛使用生物质的农村地区，有助于向可靠、清洁能源解决方案过渡的倡议。
本研究旨在评估带有热储存的低成本陶罐炊具的热性能，并确定其是否适合烹饪。测试了五种实验配置，包括有或没有烹饪负荷以及带有粘土盖或木盖的陶罐炊具。带有木盖的陶罐炊具的实验结果显示性能最佳，并将此配置与模型结果进行了比较。使用基于 MATLAB 的三节点集总电容模型来确定系统的瞬态热性能。实验结果与模型结果达到了紧密吻合，表明该模型能够代表系统的整体热行为。该模型提供了确定类似太阳能热烹饪系统热性能的合适工具。

章节片段
材料和成本评估
构建和测试基于陶罐的烹饪系统所使用的材料如表 1 所示。选择这些材料是因为它们在本地环境中成本低廉且广泛可用。由于本研究使用的陶罐是由当地工匠本地制造的，因此未进行详细的材料表征，例如使用 XRD 和 XRPD 进行矿物成分分析 [[22], [23], [24]]，以及利用 SEM-EDS 和 WDXRF 测定粘土的化学成分 [23,24]。
实验条件
测试了五种实验装置。第一种装置包括不带绝缘材料的陶罐充放电。然后，对带有粘土盖或木盖、有或没有烹饪测试的陶罐进行充放电。
材料的技术挑战和局限性
尽管基于陶罐的炊具成功煮熟了米饭并储存热能 13 小时，但有几个挑战需要考虑以确保未来研究的长期耐久性。
陶罐热冲击风险/断裂：陶罐由耐火陶瓷材料制成，设计过程中有不同的烧结温度。烧结温度越高，陶罐越强。然而，过热可能导致锅体断裂或开裂。此外，反复加热陶罐以达到

结论
成功设计并测试了一种低成本的陶罐炊具，并使用三节点集总电容模型评估了其热性能。内部陶罐用作炊具和热储存。外部陶罐包含铝箔和棉花材料的绝缘层，充电后将内部陶罐放置其中。在加热、烹饪和冷却过程中评估了五种不同的实验装置，以测试热储存的实用性。

CRediT 作者贡献声明
Grace Shikimai Ngwayenja: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，软件，资源，方法学，调查，形式分析，数据管理，概念化。Neema John Mwenga: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，软件，资源，方法学，调查，形式分析，数据管理，概念化。Leah Isaka Chanzi: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，

生成式 AI 和 AI 辅助技术在写作过程中的声明
在本工作的准备过程中，作者使用 ChatGPT 协助修复开发热模型时在 MATLAB 中遇到的错误。作者仔细审查并编辑了所需的内容，并对已发表的文章承担全部责任。
资金来源
本研究未获得任何资助机构的特定资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者感谢姆库瓦瓦教育学院物理实验室科学家以及分享他们的专业知识并在系统设计和设置中提供动手帮助的工匠。他们的实践知识和建议在制造和测试阶段至关重要。
Grace Shikimai Ngwayenja|Neema John Mwenga|Leah Isaka Chanzi|Casiana Blasius Lwiwa