Syntes av kaffebaserade kolloider. a) Kaffekanna moka som används för kaffetillagning (uppe till vänster). storleksfördelningar av de suspenderade kaffepartiklarna (högst upp till höger); Scanning Electron Microscopy (SEM) bilder av kaffepartiklarna (botten). (b) Kolloider med olika G30 -koncentration (från höger till vänster):ren G30 -vätska (56,17 g/l suspenderade partiklar); G30w10 vätska (10% utspädning); G30w1 vätska (1% utspädning i vatten); rent vatten. Kreditera: Vetenskapliga rapporter , doi:10.1038/s41598-019-39032-5
Solenergi är en av de mest lovande resurserna för att minska fossilt bränsleförbrukning och minska utsläpp av växthusgaser för att driva en hållbar framtid. Enheter som för närvarande används för att omvandla solenergi till termisk energi är mest beroende av indirekt absorption av solljus, där effektiviteten i allmänhet är begränsad till följd av stora konvektiva värmeförluster i den omgivande miljön. Ett lovande alternativ är direkt absorption av solljus, där en vätska kan fungera som både solenergiabsorberare och värmebärare. Fördelen med tekniken är baserad på minskade konvektiva och strålande värmeförluster, eftersom temperaturtoppen skiftar från den absorberande ytan (indirekt absorption) till bärarvätskans bulkområde (direkt absorption). I en färsk studie, Matteo Alberghini och medarbetare vid energidepartementen, Tillämpad vetenskap och teknik, och National Institute of Optics i Italien, undersökt en hållbar, stabil och billig kolloid baserad på kaffelösningar för att genomföra direkt solabsorption. Resultaten av deras arbete publiceras nu den Vetenskapliga rapporter .
I det arbete som föreslagits av Alberghini et al. kolloiden bestod av destillerat vatten, Arabica kaffe, glycerol och kopparsulfat för att optimera vätskans egenskaper och biokompatibilitet. Forskarna analyserade den föreslagna vätskans fototermiska prestanda för direkt solabsorption och jämförde dess prestanda med traditionella plattskivsamlare. De visade att samlarna kunde skräddarsys exakt och realiseras med 3D-utskrift för de experimentella testerna.
Befintliga kolbaserade nanokolloider har uppvisat nackdelar, trots lovande termofysiska egenskaper som lämpar sig för direkt solabsorption, som ett resultat av cytotoxicitet och skadliga effekter på miljön. I banbrytande experimentarbete, forskare har därför använt en svart vätska som innehåller bläck i Indien (3,0 g/l) för direkt solvärmeenergiabsorbering. De såg en uppmuntrande prestation, vilket leder till användning av nanokolloider, även kända som nanofluider för att möjliggöra direkt solabsorption. Vätskorna kännetecknas typiskt av en suspenderad fas som kan ge förbättrade fototermiska egenskaper till vätskans bas. Om den är utformad tillfälligt, dessa nanokolloider kommer att ha lovande potential för sol-till-termisk omvandling.
Optiska egenskaper hos de kaffebaserade kolloiderna (1%, 10% och 100% spädningar i vatten). (a) Jämförelse av den spektrala extinktionskoefficienten för de kaffebaserade kolloiderna vid olika spädningar och en 0,05 g/l suspension av kolnanohorn i vatten27. G30 -beredningen (100% utspädning) är kaffe med 2 ppm kopparsulfat och 30% vikt. glycerol; G30w1, G30w10 är 1% respektive 10% volymfraktioner av G30 i destillerat vatten. (b) Lagrad energifraktion (EF) som en funktion av banlängden för de tre betraktade kaffebaserade kolloiderna. Hela linjer motsvarar energifraktionen som erhålls med Plancks svartkroppsfördelning, medan streckade linjer som erhållits med standardspektrumet AM1.5. För jämförelse, kurvorna för en 0,05 g/l suspension av kolnanohorn i vatten rapporteras också. Kreditera: Vetenskapliga rapporter , doi:10.1038/s41598-019-39032-5
I det nuvarande arbetet, Alberghini et al. genomförde först optisk karakterisering av de föreslagna kaffebaserade kolloiderna. Eftersom kaffe är en komplex substans, forskarna använde Arabica -kaffe framställt i en kaffebryggare av aluminium som kallas 'moka' för spishällar, för konsistens. De följde ett protokoll för att förbereda "studentkaffe" som möjliggjorde ökad koffeinpartikelsuspension i vatten och genomförde skanningselektronmikroskopi (SEM) för att bedöma partikelstorleksfördelningen i den resulterande lösningen. Sedan introducerade de glycerol till preparatet för att sänka dess frysningstemperatur för användning utomhus i kallt eller frysande klimat. Till sist, forskarna tillsatte kopparsulfat (CuSO 4 ) för att minska risken för alger eller mögelbildning i vätskan. De övervägde fem varianter av den föreslagna kolloiden för experimenten som var stabila under hela tidsramen som sträckte sig över sex månader. De fem varianterna var den primära kolloidlösningen innehållande glycerol (30 % vikt/volym) och CuSO 4 (2 sid / min), som forskarna namngav som G30, följt av 1 procent, 10 procent, 20 procent och 50 procent volymfraktioner av G30 i destillerat vatten benämnt som; G30w1, G30w10, G30w20 och G30w50 i studien.
Forskarna genomförde karaktäriseringsstudier av de föreslagna kolloidernas optiska egenskaper i förhållande till utrotningskoefficienten och beräknade den lagrade energifraktionen av vätskorna. De härledde extinktionskoefficienten i studien som summan av absorption och spridningskoefficienter för en given våglängd. Forskarna registrerade en extremt intens optisk koefficient för G30 -vätskan, som de krediterade kaffeinnehållet. Höjden på de registrerade topparna minskade med ökad vattenutspädning. Därefter, Alberghini et al. beräknat den lagrade energifraktionen av lösningarna baserat på den infallande solens strålning och penetrationsavståndet till vätskan, känd som banlängden. G30 -vätskan hade den högsta lagrade energin, som gradvis minskade med den ökade utspädningen av vatten.
Inställning för solabsorptionstester. (a) Flödesschema för solfångarnas konstruktion och tillverkning:från CAD -modell, till 3D-tryckt samlare, till slutmontering. Under fälttester, prestanda för den direkta solabsorbatorn jämförs med den hos den traditionella plattplattsamlaren. (b) Schema för experimentuppsättningen som används för att testa effektiviteten hos de kaffebaserade kolloiderna för direkt soluppvärmning av solenergi. Solida linjer representerar hydrauliska rör för det kolloidala flödet; streckade linjer elektriska ledningar för datainsamling. Kreditera: Vetenskapliga rapporter , doi:10.1038/s41598-019-39032-5.
Forskarna undersökte sedan experimentellt den fototermiska prestandan hos de kaffebaserade kolloiderna jämfört med en selektiv absorberare med specialdesignade solfångare. De använde liknande geometrier i experimenten för att studera både direkt och indirekt absorption av solljus. Forskarna designade först solvärmekollektorerna med hjälp av datorstödd design (CAD) -programvara innan de tillverkades.
Under direkt absorption, kolloider som flyter i kanalen absorberas direkt solljus. För indirekt absorption, Alberghini et al. monterade en selektiv ytabsorberare på uppsamlaren för att vatten ska rinna genom de underliggande kanalerna. Med hjälp av en peristaltisk pump, de gav konstant vätskeflöde genom kanalerna och styrde inloppstemperaturen för vätskan med hjälp av ett termostatbad. För att jämföra effektiviteten mellan de två samlarna, de beräknade termiska förluster och optisk effektivitet genom energibesparing i systemet. De testade också kolloiderna vid tre olika flödeshastigheter och rapporterade motsvarande medeloptisk effektivitet för vätskorna till flödeshastigheterna.
Modellering av termiska prestanda. (a) Sönderdelning och analys av effektkomponenterna (1D -modell) för de olika konfigurationerna (direkt och selektiv ytabsorption) vid 0,276 ml/s (övre histogram) och 0,414 ml/s (nedre histogram) flödeshastigheter. Högre vätskehastighet minskar de termiska förlusterna mot miljön på grund av lägre driftstemperaturer. Bestrålningsabsorberingen påverkas inte av olika massflödeshastigheter, varför designen gynnar vätskan som kan fånga så hög bestrålning som möjligt, nämligen G30w50 -vätskan. (b) Vätsketemperaturprofiler vid utloppssektionen (inloppstemperaturen är konstant) erhållen med 2D -modellen. Kolloiderna har lägre yttemperatur än ytmottagarens, och toppvärmeförlusterna är lägre. Lägre vätskekoncentrationer leder till minskad yttemperatur och mindre skarpa profiler. Kreditera: Vetenskapliga rapporter , doi:10.1038/s41598-019-39032-5.
Dessutom, Alberghini et al. utvecklat och validerade numeriska modeller mot experimentella data. För detta, de använde två modeller; 1) en endimensionell modell baserad på en elektrisk analogi och 2) en tvådimensionell modell för beräkningsvätskedynamik (CFD). De rapporterade att optiska förluster inte berodde på flödeshastigheten, men på de flytande vätskornas optiska egenskaper och samlarnas materialkomposition. Forskarna upprätthöll samlarens effektivitet genom att hitta en balans mellan värmeabsorption och reflektion för optimal termisk prestanda.
Foto-termisk prestanda. (a) Resultat för den optiska effektiviteten hos de föreslagna kaffebaserade kolloiderna vid olika spädningar (10%, 20% och 50% G30 volymfraktion i vatten) och av den selektiva ytabsorbenten. Medelvärdet erhållet vid steady state (5 minuters samplingsfrekvens) för tre olika flödeshastigheter (0,138, 0,276 och 0,414 ml/s) rapporteras. Felstaplarna har erhållits via osäkerhetskvantifiering av experimentdata och modellparametrar. (b) Tidsutveckling av den experimentella optiska effektiviteten för G30w50 -vätskan (svart), av den selektiva ytan (blå) och bestrålningen (röd) för experimenttestet med 0,138 ml/s flödeshastighet. Kreditera: Vetenskapliga rapporter , doi:10.1038/s41598-019-39032-5.
På det här sättet, Alberghini et al. visade att de föreslagna kaffebaserade kolloiderna visade konkurrenskraftiga optiska och termiska egenskaper för direkt solabsorption. De experimentella resultaten överensstämde med de numeriska modellerna, validera dessa vätskor för att fungera på samma sätt som den traditionella indirekta absorptionstekniken. Forskarna fann att under operationen den optimala utspädningen garanterade bästa energilagringskapacitet. Resultaten kommer att bana väg för att utveckla en okonventionell familj av biokompatibla, miljömässigt hållbara och billiga kolloider för solapplikationer. Forskarna föreslår att man använder tekniken i ytterligare solbaserade applikationer som:
© 2019 Science X Network
