Sintesi di colloidi a base di caffè. (a) Caffettiera moka utilizzata per la preparazione del caffè (in alto a sinistra); distribuzioni dimensionali delle particelle di caffè in sospensione (in alto a destra); Immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) delle particelle di caffè (in basso). (b) Colloidi con diversa concentrazione di G30 (da destra a sinistra):fluido G30 puro (56,17µg/l di particelle sospese); fluido G30w10 (diluizione 10%); fluido G30w1 (diluizione 1% in acqua); acqua pura. Credito: Rapporti scientifici , doi:10.1038/s41598-019-39032-5
L'energia solare è una delle risorse più promettenti per aiutare a ridurre il consumo di combustibili fossili e mitigare le emissioni di gas serra per alimentare un futuro sostenibile. I dispositivi attualmente in uso per convertire l'energia solare in energia termica si basano principalmente sull'assorbimento indiretto della luce solare, dove l'efficienza è generalmente limitata a causa di importanti dispersioni di calore convettivo nell'ambiente circostante. Un'alternativa promettente è l'assorbimento diretto della luce solare, dove un fluido può fungere sia da assorbitore di energia solare che da vettore di calore. Il vantaggio della tecnica si basa su ridotte perdite di calore convettivo e radiativo, poiché il picco di temperatura si sposta dalla superficie assorbente (assorbimento indiretto) alla regione di massa del fluido vettore (assorbimento diretto). In un recente studio, Matteo Alberghini e collaboratori dei Dipartimenti dell'Energia, Scienza e tecnologia applicate, e l'Istituto Nazionale di Ottica in Italia, studiato una sostenibilità, colloide stabile ed economico a base di soluzioni di caffè per implementare l'assorbimento solare diretto. I risultati del loro lavoro sono ora pubblicati su Rapporti scientifici .
Nel lavoro proposto da Alberghini et al. il colloide era costituito da acqua distillata, caffè arabica, glicerolo e solfato di rame per ottimizzare le proprietà e la biocompatibilità del fluido. Gli scienziati hanno analizzato le prestazioni fototermiche del fluido proposto per l'assorbimento solare diretto e hanno confrontato le sue prestazioni con i tradizionali collettori piani. Hanno dimostrato che i collettori potevano essere personalizzati e realizzati con precisione con la stampa 3D per i test sperimentali.
I nanocolloidi a base di carbonio esistenti hanno presentato inconvenienti, nonostante le promettenti proprietà termofisiche adatte all'assorbimento solare diretto, a causa della citotossicità e degli impatti dannosi sull'ambiente. In un lavoro sperimentale pionieristico, i ricercatori hanno quindi utilizzato un fluido nero contenente inchiostro di china in acqua (3,0 g/l) per l'assorbimento diretto dell'energia solare termica. Hanno osservato una performance incoraggiante, che portano all'uso di nanocolloidi noti anche come nanofluidi per consentire l'assorbimento solare diretto. I fluidi sono tipicamente caratterizzati da una fase sospesa in grado di conferire alla base del fluido migliorate proprietà fototermiche. Se opportunamente progettato, questi nanocolloidi avranno un potenziale promettente per la conversione da solare a termico.
Proprietà ottiche dei colloidi a base di caffè (1%, diluizioni 10% e 100% in acqua). (a) Confronto del coefficiente di estinzione spettrale dei colloidi a base di caffè a diverse diluizioni e una sospensione di 0,05 µg/l di nanocorni di carbonio in acqua27. Il preparato G30 (diluizione 100%) è caffè con 2 ppm di solfato di rame e 30% in peso. glicerolo; G30w1, G30w10 sono rispettivamente frazioni in volume dell'1% e del 10% di G30 in acqua distillata. (b) Frazione energetica immagazzinata (EF) in funzione della lunghezza del percorso per i tre colloidi a base di caffè considerati. Le linee continue corrispondono alla frazione di energia ottenuta con la distribuzione del corpo nero di Planck, mentre linee tratteggiate quella ottenuta con lo spettro standard AM1.5. Per confronto, sono riportate anche le curve per una sospensione di 0,05 µg/l di nanocorna di carbonio in acqua. Credito: Rapporti scientifici , doi:10.1038/s41598-019-39032-5
Nel presente lavoro, Alberghini et al. ha condotto per la prima volta la caratterizzazione ottica dei colloidi a base di caffè proposti. Poiché il caffè è una sostanza complessa, gli scienziati hanno utilizzato il caffè Arabica preparato in una caffettiera in alluminio nota come "moka" per i piani cottura, per coerenza. Hanno seguito un protocollo per preparare il "caffè dello studente" che consente una maggiore sospensione delle particelle di caffeina in acqua e hanno condotto la microscopia elettronica a scansione (SEM) per valutare la distribuzione delle dimensioni delle particelle nella soluzione risultante. Quindi hanno introdotto il glicerolo nella preparazione per abbassarne la temperatura di congelamento per l'uso all'aperto in climi freddi o gelidi. Finalmente, gli scienziati hanno aggiunto solfato di rame (CuSO 4 ) per ridurre i rischi di formazione di alghe o muffe nel liquido. Hanno preso in considerazione cinque varianti del colloide proposto per gli esperimenti che erano stabili durante l'intero arco temporale di sei mesi. Le cinque varianti erano la soluzione colloidale primaria contenente glicerolo (30 % p/v) e CuSO 4 (2 ppm), che gli scienziati hanno chiamato G30, seguito dall'1 per cento, 10 percento, 20 percento e 50 percento di frazioni in volume di G30 in acqua distillata denominate come; G30w1, G30w10, G30w20 e G30w50 nello studio.
Gli scienziati hanno condotto studi di caratterizzazione delle proprietà ottiche dei colloidi proposti rispetto al coefficiente di estinzione e hanno calcolato la frazione di energia immagazzinata dei fluidi. Hanno derivato il coefficiente di estinzione nello studio come la somma dei coefficienti di assorbimento e di dispersione per una data lunghezza d'onda. Gli scienziati hanno registrato un coefficiente ottico estremamente intenso per il fluido G30, che hanno accreditato al contenuto di caffè. L'altezza dei picchi registrati è diminuita con l'aumento della diluizione dell'acqua. Successivamente, Alberghini et al. calcolato la frazione di energia immagazzinata delle soluzioni in base all'irraggiamento solare incidente e alla distanza di penetrazione nel fluido, nota come lunghezza del percorso. Il fluido G30 aveva la più alta energia immagazzinata, che progressivamente diminuiva con l'aumentare della diluizione dell'acqua.
Predisposizione per prove di assorbimento solare. (a) Diagramma di flusso della progettazione e produzione dei collettori solari:da modello CAD, al collezionista stampato in 3D, al montaggio finale. Durante le prove sul campo, le prestazioni dell'assorbitore solare diretto vengono confrontate con quelle del collettore piano tradizionale. (b) Schema dell'apparato sperimentale utilizzato per testare l'efficienza dei colloidi a base di caffè per l'assorbimento diretto dell'energia solare termica. Le linee continue rappresentano i tubi idraulici per il flusso colloidale; linee tratteggiate cavi elettrici per acquisizione dati. Credito: Rapporti scientifici , doi:10.1038/s41598-019-39032-5.
Gli scienziati hanno quindi studiato sperimentalmente le prestazioni fototermiche dei colloidi a base di caffè rispetto a un assorbitore selettivo con collettori solari appositamente progettati. Hanno usato geometrie simili negli esperimenti per studiare l'assorbimento diretto e indiretto della luce solare. Gli scienziati hanno prima progettato i collettori solari termici utilizzando un software di progettazione assistita da computer (CAD) prima della loro produzione.
Durante l'assorbimento diretto, i colloidi che fluiscono nel canale hanno assorbito direttamente la luce solare. Per assorbimento indiretto, Alberghini et al. montato un assorbitore di superficie selettivo sul collettore per far fluire l'acqua attraverso i canali sottostanti. Utilizzando una pompa peristaltica, fornivano un flusso di fluido costante attraverso i canali e controllavano la temperatura di ingresso del fluido utilizzando un bagno termostatico. Per confrontare l'efficienza tra i due collettori, hanno calcolato le perdite termiche e l'efficienza ottica attraverso il risparmio energetico nel sistema. Hanno anche testato i colloidi a tre diverse portate e riportato la corrispondente efficienza ottica media dei fluidi alle portate.
Modellazione delle prestazioni termiche. (a) Decomposizione e analisi delle componenti di potenza (modello 1D) per le diverse configurazioni (assorbimento superficiale diretto e selettivo) a portate di 0,276 µl/s (istogramma superiore) e 0,414 µm/s (istogramma inferiore). Velocità del fluido più elevate riducono le dispersioni termiche verso l'ambiente dovute a temperature di esercizio inferiori. L'assorbimento dell'irraggiamento non è influenzato dalle diverse portate massiche quindi il progetto favorisce il fluido in grado di catturare il più alto irraggiamento possibile, vale a dire il fluido G30w50. (b) Profili di temperatura del fluido alla sezione di uscita (la temperatura di ingresso è costante) ottenuti con il modello 2D. I colloidi hanno una temperatura superficiale inferiore a quella del ricevitore di superficie, e le perdite termiche superiori sono inferiori. Concentrazioni di fluido inferiori portano a una temperatura superficiale ridotta e a profili meno taglienti. Credito: Rapporti scientifici , doi:10.1038/s41598-019-39032-5.
Inoltre, Alberghini et al. modelli numerici sviluppati e convalidati rispetto ai dati sperimentali. Per questo, hanno usato due modelli; 1) un modello unidimensionale basato su un'analogia elettrica e 2) un modello fluidodinamico computazionale bidimensionale (CFD). Hanno riferito che le perdite ottiche non dipendono dalla portata, ma sulle proprietà ottiche dei fluidi in movimento e sulla composizione materiale dei collettori. Gli scienziati hanno mantenuto l'efficienza del collettore trovando un equilibrio tra assorbimento e riflessione del calore per prestazioni termiche ottimali.
Prestazioni fototermiche. (a) Risultati ottenuti per l'efficienza ottica dei colloidi a base di caffè proposti a diverse diluizioni (10%, 20% e 50% di frazione volumetrica G30 in acqua) e dell'assorbitore selettivo di superficie. Il valore medio ottenuto a regime (frequenza di campionamento 5 minuti) per tre diverse portate (0,138, 0,276 e 0,414 µl/s). Le barre di errore sono state ottenute tramite quantificazione dell'incertezza sui dati sperimentali e sui parametri del modello. (b) Evoluzione temporale dell'efficienza ottica sperimentale del fluido G30w50 (nero), della superficie selettiva (blu) e dell'irraggiamento (rosso) per la prova sperimentale alla portata di 0,138 µl/s. Credito: Rapporti scientifici , doi:10.1038/s41598-019-39032-5.
In questo modo, Alberghini et al. hanno mostrato che i colloidi a base di caffè proposti hanno mostrato proprietà ottiche e termiche competitive per l'assorbimento solare diretto. I risultati sperimentali concordati con i modelli numerici, convalidare questi fluidi per eseguire in modo simile alla tradizionale tecnica di assorbimento indiretto. Gli scienziati hanno scoperto che durante il funzionamento, la diluizione ottimale garantiva la migliore capacità di accumulo di energia. I risultati apriranno la strada allo sviluppo di una famiglia non convenzionale di biocompatibili, colloidi ecosostenibili ed economici per applicazioni solari. Gli scienziati propongono di utilizzare la tecnica in ulteriori applicazioni a base solare come:
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