Kaffebaserede kolloider til direkte solabsorption

Solenergi er en af ​​de mest lovende ressourcer til at hjælpe med at reducere forbruget af fossilt brændstof og mindske drivhusgasemissionerne for at drive en bæredygtig fremtid. Enheder, der i øjeblikket bruges til at omdanne solenergi til termisk energi, er for det meste afhængige af den indirekte absorption af sollys, hvor virkningsgraden generelt er begrænset som følge af større konvektiv varmetab til det omgivende miljø. Et lovende alternativ er den direkte absorption af sollys, hvor en væske kan fungere som både solenergiabsorber og varmebærer. Fordelen ved teknikken er baseret på reducerede konvektions- og strålingsvarmetab, da temperaturspidsen skifter fra den absorberende overflade (indirekte absorption) til bulkområdet af bærevæsken (direkte absorption). I en nylig undersøgelse, Matteo Alberghini og kolleger ved Department of Energy, Anvendt Videnskab og Teknologi, og National Institute of Optics i Italien, undersøgt en bæredygtig, stabilt og billigt kolloid baseret på kaffeløsninger til at implementere direkte solabsorption. Resultaterne af deres arbejde er nu offentliggjort på Videnskabelige rapporter .

I arbejdet foreslået af Alberghini et al. kolloidet bestod af destilleret vand, Arabica kaffe, glycerol og kobbersulfat for at optimere væskens egenskaber og biokompatibilitet. Forskerne analyserede den fototermiske ydeevne af den foreslåede væske til direkte solabsorption og sammenlignede dens ydeevne med traditionelle fladpladesamlere. De viste, at opsamlerne kunne skræddersyes præcist og realiseres med 3-D print til de eksperimentelle tests.

Eksisterende kulstofbaserede nanokolloider har givet ulemper, på trods af lovende termofysiske egenskaber egnet til direkte solabsorption, som følge af cytotoksicitet og skadelige påvirkninger af miljøet. I banebrydende eksperimentelt arbejde, forskere har derfor brugt en sort væske, der indeholder indisk blæk i vand (3,0 g/l) til direkte solvarmeenergiabsorbering. De observerede en opmuntrende præstation, som fører til brugen af ​​nanokolloider også kendt som nanofluider for at tillade direkte solabsorption. Væskerne er typisk kendetegnet ved en suspenderet fase, der er i stand til at bibringe forbedrede fototermiske egenskaber til bunden af ​​væsken. Hvis det er passende designet, disse nanokolloider vil have et lovende potentiale for sol-til-termisk konvertering.

I nærværende arbejde, Alberghini et al. først udførte optisk karakterisering af de foreslåede kaffebaserede kolloider. Da kaffe er et komplekst stof, forskerne brugte Arabica-kaffe tilberedt i en aluminiumskaffemaskine kendt som 'moka' til komfurer, for konsistens. De fulgte en protokol for at tilberede 'studenternes kaffe', der tillod øget koffeinpartikelsuspension i vand, og udførte scanningselektronmikroskopi (SEM) for at vurdere partikelstørrelsesfordelingen i den resulterende opløsning. Derefter introducerede de glycerol til præparatet for at sænke dets frysetemperatur til brug udendørs i kolde eller frysende klimaer. Endelig, forskerne tilføjede kobbersulfat (CuSO ₄ ) for at reducere risikoen for alge- eller skimmeldannelse i væsken. De overvejede fem varianter af det foreslåede kolloid til eksperimenterne, der var stabile i hele tidsrammen, der spændte over seks måneder. De fem varianter var den primære kolloide opløsning indeholdende glycerol (30 % w/v) og CuSO ₄ (2 ppm), som forskerne navngav som G30, efterfulgt af 1 pct. 10 procent, 20 procent og 50 procent volumen fraktioner af G30 i destilleret vand navngivet som; G30w1, G30w10, G30w20 og G30w50 i undersøgelsen.

Forskerne udførte karakteriseringsundersøgelser af de foreslåede kolloiders optiske egenskaber i forhold til ekstinktionskoefficienten og beregnede den lagrede energifraktion af væskerne. De udledte ekstinktionskoefficienten i undersøgelsen som summen af ​​absorption og spredningskoefficienter for en given bølgelængde. Forskerne registrerede en ekstremt intens optisk koefficient for G30-væsken, som de krediterede kaffeindholdet. Højden af ​​registrerede toppe faldt med øget vandfortynding. Derefter, Alberghini et al. beregnet den lagrede energifraktion af opløsningerne baseret på den indfaldende soludstråling og indtrængningsafstanden ind i væsken, kendt som stiens længde. G30-væsken havde den højeste lagrede energi, som gradvist aftog med den øgede fortynding af vand.

Forskerne undersøgte derefter eksperimentelt den fototermiske ydeevne af de kaffebaserede kolloider sammenlignet med en selektiv absorber med specifikt designede solfangere. De brugte lignende geometrier i eksperimenterne til at studere både direkte og indirekte absorption af sollys. Forskerne designede først de termiske solfangere ved hjælp af computerstøttet design (CAD) software før deres fremstilling.

Under direkte absorption, kolloider, der strømmer i kanalen, absorberede direkte sollys. Til indirekte absorption, Alberghini et al. monteret en selektiv overfladeabsorber på opsamleren for at vand kan strømme gennem de underliggende kanaler. Ved hjælp af en peristaltisk pumpe, de sørgede for konstant væskestrøm gennem kanalerne og styrede væskens indløbstemperatur ved hjælp af et termostatisk bad. For at sammenligne effektiviteten mellem de to opsamlere, de beregnede termiske tab og optisk effektivitet gennem energibesparelse i systemet. De testede også kolloiderne ved tre forskellige strømningshastigheder og rapporterede den tilsvarende gennemsnitlige optiske effektivitet af væskerne til strømningshastighederne.

Ud over, Alberghini et al. udviklet og valideret numeriske modeller mod de eksperimentelle data. For det, de brugte to modeller; 1) en en-dimensionel model baseret på en elektrisk analogi og 2) en to-dimensional computation fluid dynamics (CFD) model. De rapporterede, at optiske tab ikke afhang af strømningshastigheden, men på de strømmende væskers optiske egenskaber og samlernes materialesammensætning. Forskerne bibeholdt solfangerens effektivitet ved at finde en balance mellem varmeabsorption og refleksion for optimal termisk ydeevne.

På denne måde Alberghini et al. viste, at de foreslåede kaffebaserede kolloider viste konkurrencedygtige optiske og termiske egenskaber til direkte solabsorption. De eksperimentelle resultater stemte overens med de numeriske modeller, validering af disse væsker til at yde på samme måde som den traditionelle indirekte absorptionsteknik. Forskerne fandt ud af, at under drift, den optimale fortynding garanterede den bedste energilagringskapacitet. Resultaterne vil bane vejen for udvikling af en ukonventionel familie af biokompatible, miljømæssigt bæredygtige og billige kolloider til solenergianvendelser. Forskerne foreslår at bruge teknikken i yderligere solbaserede applikationer som:

1. Soldrevet fordampning
2. Afsaltning af havvand
3. Opvarmning af brugsvand, og
4. Bæredygtig solafkøling.

© 2019 Science X Network