在太陽(yáng)能生產(chǎn)中，太陽(yáng)能腔體接收器最大限度地捕獲來(lái)自太陽(yáng)的光線，將其轉(zhuǎn)化為熱能。然而，高溫太陽(yáng)能接收器往往會(huì)導(dǎo)致熱量分布不均，引起熱應(yīng)力。這可能會(huì)導(dǎo)致塑性變形和部件壽命縮短。為了解決這個(gè)問(wèn)題，沙特阿拉伯阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）的三位研究人員設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能腔體接收器，以改善熱量分布。我們感興趣的是，3D打印在模型開(kāi)發(fā)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

目前的腔體接收器設(shè)計(jì)有垂直管，不允許熱量均勻流動(dòng)。非均勻的熱量流入分布和管壁前后的溫度梯度導(dǎo)致熱應(yīng)力。在氣體太陽(yáng)能接收器的情況下，這些問(wèn)題尤為明顯，因?yàn)闅怏w的熱導(dǎo)率較低。

與此相反，KAUST團(tuán)隊(duì)的模型有一個(gè)帶有蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的圓錐形腔體接收器——完全由3D打印制成。該設(shè)備采用雙螺旋熱交換器，而不是垂直管，以減少熱應(yīng)力，改善熱傳遞和輻射捕獲。這種設(shè)計(jì)增強(qiáng)了光學(xué)性能，并促進(jìn)輻射到達(dá)螺旋管的后部。由于受壓空氣被集中的陽(yáng)光加熱，熱量在設(shè)備內(nèi)管中移動(dòng)。同時(shí)，蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)熱量分布，減少熱應(yīng)力。

為什么選擇3D打??？

KAUST團(tuán)隊(duì)使用DMP（直接金屬打?。〧lex 350雙激光機(jī)器，用Inconel（一種在極端溫度和壓力環(huán)境中常用的鎳基超合金）打印接收器。之前在高溫太陽(yáng)能熱研究中使用過(guò)陶瓷，但對(duì)于KAUST的研究團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，Inconel是一個(gè)更吸引人的選擇。在接受SolarPACES采訪時(shí)，一位研究人員解釋了原因：“與更脆弱的陶瓷相比，金屬可以擴(kuò)大到大規(guī)模應(yīng)用，”KAUST博士后研究員Omar Behar說(shuō)?！八裕锌赡軘U(kuò)大這項(xiàng)技術(shù)并使其商業(yè)化。”

在同一篇SolarPACES文章中，Behar詳細(xì)解釋了為什么3D打印是這種設(shè)計(jì)的顛覆者?！斑@種網(wǎng)格用傳統(tǒng)技術(shù)制造起來(lái)非常困難，”Behar說(shuō)。“它就像一個(gè)蜂窩，開(kāi)始時(shí)很大，然后慢慢變小。所以這種設(shè)計(jì)用傳統(tǒng)制造工藝很難實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的唯一方法是用打印工藝制造。”

打印完成后，太陽(yáng)能腔體接收器經(jīng)過(guò)雙重時(shí)效熱處理，以確保接收器能夠抵抗高溫?？偟膩?lái)說(shuō)，這種設(shè)計(jì)旨在提高太陽(yáng)能腔體接收器的熱、光和機(jī)械性能。結(jié)果表明，這種設(shè)計(jì)在熱量分布上取得了顯著改進(jìn)。根據(jù)KAUST團(tuán)隊(duì)的報(bào)告，“模擬結(jié)果表明，接收器在最大熱通量密度230 kW/m2下高效運(yùn)行，對(duì)應(yīng)于Inconel 718（1000°C）的最大工作溫度，同時(shí)保持約170 mbar的低壓降?！?/p>

展望未來(lái)，KAUST團(tuán)隊(duì)計(jì)劃使用KAUST的高通量太陽(yáng)能模擬器測(cè)試他們的工作，該模擬器的開(kāi)口功率為8000 kWth。要了解更多研究信息，請(qǐng)閱讀他們的報(bào)告。

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