Coloides a base de café para absorción solar directa

Síntesis de coloides a base de café. a) Cafetera moka utilizada para la preparación del café (arriba a la izquierda); distribuciones de tamaño de las partículas de café suspendidas (arriba a la derecha); Imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de las partículas de café (abajo). (b) Coloides con diferente concentración de G30 (de derecha a izquierda):fluido G30 puro (56,17 g / l de partículas en suspensión); Fluido G30w10 (dilución al 10%); Fluido G30w1 (dilución al 1% en agua); agua pura. Crédito: Informes científicos , doi:10.1038 / s41598-019-39032-5

La energía solar es uno de los recursos más prometedores para ayudar a reducir el consumo de combustibles fósiles y mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero para impulsar un futuro sostenible. Los dispositivos que se utilizan actualmente para convertir la energía solar en energía térmica se basan principalmente en la absorción indirecta de la luz solar. donde la eficiencia es generalmente limitada como resultado de importantes pérdidas de calor por convección en el entorno circundante. Una alternativa prometedora es la absorción directa de la luz solar, donde un fluido puede servir como absorbedor de energía solar y como portador de calor. La ventaja de la técnica se basa en la reducción de las pérdidas de calor por convección y radiación, ya que el pico de temperatura se desplaza desde la superficie absorbente (absorción indirecta) a la región de volumen del fluido portador (absorción directa). En un estudio reciente, Matteo Alberghini y colaboradores de los Departamentos de Energía, Ciencia y Tecnología Aplicadas, y el Instituto Nacional de Óptica de Italia, investigado un sustentable, coloide estable y económico a base de soluciones de café para implementar la absorción solar directa. Los resultados de su trabajo ahora se publican en Informes científicos .

En el trabajo propuesto por Alberghini et al. el coloide consistía en agua destilada, Café arábica, glicerol y sulfato de cobre para optimizar las propiedades y biocompatibilidad del fluido. Los científicos analizaron el rendimiento fototérmico del fluido propuesto para la absorción solar directa y compararon su rendimiento con los colectores tradicionales de placa plana. Demostraron que los colectores se podían adaptar y realizar con precisión con impresión 3D para las pruebas experimentales.

Los nanocoloides existentes a base de carbono han presentado inconvenientes, a pesar de las prometedoras propiedades termofísicas adecuadas para la absorción solar directa, como resultado de la citotoxicidad y los impactos nocivos sobre el medio ambiente. En un trabajo experimental pionero, Por lo tanto, los investigadores han utilizado un líquido negro que contiene tinta china en agua (3,0 g / l) para absorber la energía térmica solar directa. Observaron una actuación alentadora, que conducen al uso de nanocoloides también conocidos como nanofluidos para permitir la absorción solar directa. Los fluidos se caracterizan típicamente por una fase suspendida que puede conferir propiedades fototérmicas mejoradas a la base del fluido. Si se diseña oportunamente, estos nanocoloides tendrán un potencial prometedor para la conversión solar a térmica.

Propiedades ópticas de los coloides a base de café (1%, Diluciones al 10% y 100% en agua). (a) Comparación del coeficiente de extinción espectral de los coloides a base de café a diferentes diluciones y una suspensión de 0,05 g / l de nanocuernos de carbono en agua27. La preparación G30 (dilución al 100%) es café con 2 ppm de sulfato de cobre y 30% en peso. glicerol; G30w1, G30w10 son fracciones en volumen del 1% y 10% respectivamente de G30 en agua destilada. (b) Fracción de energía almacenada (EF) en función de la longitud del camino para los tres coloides a base de café considerados. Las líneas continuas corresponden a la fracción de energía obtenida con la distribución del cuerpo negro de Planck, mientras que las líneas discontinuas que se obtuvieron con el espectro estándar AM1.5. Para comparacion, También se presentan las curvas para una suspensión de 0,05 g / l de nanocuernos de carbono en agua. Crédito: Informes científicos , doi:10.1038 / s41598-019-39032-5

En el presente trabajo, Alberghini y col. realizó por primera vez la caracterización óptica de los coloides propuestos a base de café. Dado que el café es una sustancia compleja, los científicos utilizaron café Arábica preparado en una cafetera de aluminio conocida como 'moka' para estufas, por consistencia. Siguieron un protocolo para preparar "café de estudiantes" que permitía aumentar la suspensión de partículas de cafeína en agua y realizaron microscopía electrónica de barrido (SEM) para evaluar la distribución del tamaño de partículas en la solución resultante. Luego, introdujeron glicerol en la preparación para bajar su temperatura de congelación para su uso al aire libre en climas fríos o gélidos. Finalmente, los científicos agregaron sulfato de cobre (CuSO ₄ ) para reducir los riesgos de formación de algas o moho en el líquido. Consideraron cinco variantes del coloide propuesto para los experimentos que se mantuvieron estables durante todo el período de tiempo que abarca seis meses. Las cinco variantes fueron la solución coloide primaria que contiene glicerol (30% p / v) y CuSO ₄ (2 ppm), que los científicos nombraron como G30, seguido del 1 por ciento, 10 por ciento, 20 por ciento y 50 por ciento de fracciones en volumen de G30 en agua destilada nombradas como; G30w1, G30w10, G30w20 y G30w50 en el estudio.

Los científicos realizaron estudios de caracterización de las propiedades ópticas de los coloides propuestos en relación con el coeficiente de extinción y calcularon la fracción de energía almacenada de los fluidos. Derivaron el coeficiente de extinción en el estudio como la suma de los coeficientes de absorción y dispersión para una longitud de onda determinada. Los científicos registraron un coeficiente óptico extremadamente intenso para el fluido G30, que atribuyeron al contenido de café. La altura de los picos registrados disminuyó con el aumento de la dilución de agua. Después de eso, Alberghini y col. calculó la fracción de energía almacenada de las soluciones basándose en la radiación solar incidente y la distancia de penetración en el fluido, conocido como la longitud del camino. El fluido G30 tenía la mayor energía almacenada, que disminuyó gradualmente con el aumento de la dilución del agua.

Puesta a punto para las pruebas de absorción solar. (a) Diagrama de flujo del diseño y fabricación de los colectores solares:a partir del modelo CAD, al coleccionista impreso en 3D, hasta el montaje final. Durante las pruebas de campo, el rendimiento del absorbedor solar directo se compara con el del colector de placa plana tradicional. (b) Esquema de la configuración experimental utilizada para probar la eficiencia de los coloides a base de café para la absorción directa de energía solar térmica. Las líneas continuas representan tuberías hidráulicas para el flujo coloidal; líneas discontinuas de cables eléctricos para la adquisición de datos. Crédito: Informes científicos , doi:10.1038 / s41598-019-39032-5.

Luego, los científicos investigaron experimentalmente el rendimiento fototérmico de los coloides a base de café en comparación con un absorbente selectivo con colectores solares diseñados específicamente. Utilizaron geometrías similares en los experimentos para estudiar la absorción directa e indirecta de la luz solar. Los científicos diseñaron primero los colectores solares térmicos utilizando software de diseño asistido por computadora (CAD) antes de su fabricación.

Durante la absorción directa, los coloides que fluyen en el canal absorben directamente la luz solar. Para absorción indirecta, Alberghini y col. montó un absorbedor de superficie selectivo en el colector para que el agua fluyera a través de los canales subyacentes. Usando una bomba peristáltica, proporcionaron un flujo de fluido constante a través de los canales y controlaron la temperatura de entrada del fluido mediante un baño termostático. Para comparar la eficiencia entre los dos colectores, calcularon las pérdidas térmicas y la eficiencia óptica mediante la conservación de energía en el sistema. También probaron los coloides a tres tasas de flujo diferentes e informaron la eficiencia óptica media correspondiente de los fluidos a las tasas de flujo.

Modelado de actuaciones térmicas. (a) Descomposición y análisis de los componentes de potencia (modelo 1D) para las diferentes configuraciones (absorción superficial directa y selectiva) a caudales de 0,276 ml / s (histograma superior) y 0,414 ml / s (histograma inferior). Una mayor velocidad del fluido reduce las pérdidas térmicas hacia el medio ambiente debido a temperaturas de funcionamiento más bajas. La absorción de irradiancia no se ve influenciada por diferentes caudales másicos, por lo que el diseño favorece el fluido capaz de capturar la mayor irradiancia posible. a saber, el fluido G30w50. (b) Perfiles de temperatura del fluido en la sección de salida (la temperatura de entrada es constante) obtenidos con el modelo 2D. Los coloides tienen una temperatura superficial más baja que la del receptor de superficie, y las pérdidas térmicas superiores son menores. Las concentraciones de fluido más bajas conducen a una temperatura de la superficie reducida y perfiles menos afilados. Crédito: Informes científicos , doi:10.1038 / s41598-019-39032-5.

Además, Alberghini y col. modelos numéricos desarrollados y validados contra los datos experimentales. Para esto, utilizaron dos modelos; 1) un modelo unidimensional basado en una analogía eléctrica y 2) un modelo de dinámica de fluidos de cálculo bidimensional (CFD). Informaron que las pérdidas ópticas no dependían del caudal, sino sobre las propiedades ópticas de los fluidos que fluyen y la composición material de los colectores. Los científicos mantuvieron la eficiencia del colector al lograr un equilibrio entre la absorción de calor y la reflexión para un rendimiento térmico óptimo.

Rendimiento fototérmico. (a) Resultados obtenidos para la eficiencia óptica de los coloides propuestos a base de café a diferentes diluciones (10%, 20% y 50% de fracción volumétrica de G30 en agua) y del absorbente superficial selectivo. El valor medio obtenido en estado estable (frecuencia de muestreo de 5 minutos) para tres caudales diferentes (0,138, 0,276 y 0,414 ml / s). Las barras de error se han obtenido mediante la cuantificación de la incertidumbre de los datos experimentales y de los parámetros del modelo. (b) Evolución temporal de la eficiencia óptica experimental del fluido G30w50 (negro), de la superficie selectiva (azul) y de la irradiancia (rojo) para el ensayo experimental a un caudal de 0,138 ml / s. Crédito: Informes científicos , doi:10.1038 / s41598-019-39032-5.

De este modo, Alberghini y col. mostró que los coloides propuestos a base de café mostraban propiedades ópticas y térmicas competitivas para la absorción solar directa. Los resultados experimentales coincidieron con los modelos numéricos, validando estos fluidos para que funcionen de manera similar a la técnica tradicional de absorción indirecta. Los científicos descubrieron que durante la operación, la dilución óptima garantizaba la mejor capacidad de almacenamiento de energía. Los resultados allanarán el camino hacia el desarrollo de una familia no convencional de biocompatibles, coloides ecológicamente sostenibles y económicos para aplicaciones solares. Los científicos proponen utilizar la técnica en aplicaciones adicionales basadas en energía solar como: