在太阳能生产中，太阳能腔体接收器最大限度地捕获来自太阳的光线，将其转化为热能。然而，高温太阳能接收器往往会导致热量分布不均，引起热应力。这可能会导致塑性变形和部件寿命缩短。为了解决这个问题，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的三位研究人员设计了一种太阳能腔体接收器，以改善热量分布。我们感兴趣的是，3D打印在模型开发中发挥了至关重要的作用。

目前的腔体接收器设计有垂直管，不允许热量均匀流动。非均匀的热量流入分布和管壁前后的温度梯度导致热应力。在气体太阳能接收器的情况下，这些问题尤为明显，因为气体的热导率较低。

与此相反，KAUST团队的模型有一个带有蜂窝状晶格结构的圆锥形腔体接收器——完全由3D打印制成。该设备采用双螺旋热交换器，而不是垂直管，以减少热应力，改善热传递和辐射捕获。这种设计增强了光学性能，并促进辐射到达螺旋管的后部。由于受压空气被集中的阳光加热，热量在设备内管中移动。同时，蜂窝状晶格结构调节热量分布，减少热应力。

为什么选择3D打印？

KAUST团队使用DMP（直接金属打印）Flex 350双激光机器，用Inconel（一种在极端温度和压力环境中常用的镍基超合金）打印接收器。之前在高温太阳能热研究中使用过陶瓷，但对于KAUST的研究团队来说，Inconel是一个更吸引人的选择。在接受SolarPACES采访时，一位研究人员解释了原因：“与更脆弱的陶瓷相比，金属可以扩大到大规模应用，”KAUST博士后研究员Omar Behar说。“所以，有可能扩大这项技术并使其商业化。”

在同一篇SolarPACES文章中，Behar详细解释了为什么3D打印是这种设计的颠覆者。“这种网格用传统技术制造起来非常困难，”Behar说。“它就像一个蜂窝，开始时很大，然后慢慢变小。所以这种设计用传统制造工艺很难实现。实现这一点的唯一方法是用打印工艺制造。”

打印完成后，太阳能腔体接收器经过双重时效热处理，以确保接收器能够抵抗高温。总的来说，这种设计旨在提高太阳能腔体接收器的热、光和机械性能。结果表明，这种设计在热量分布上取得了显著改进。根据KAUST团队的报告，“模拟结果表明，接收器在最大热通量密度230 kW/m²下高效运行，对应于Inconel 718（1000°C）的最大工作温度，同时保持约170 mbar的低压降。”

展望未来，KAUST团队计划使用KAUST的高通量太阳能模拟器测试他们的工作，该模拟器的开口功率为8000 kWth。要了解更多研究信息，请阅读他们的报告。

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