Zonne-energie is een van de meest veelbelovende bronnen om het verbruik van fossiele brandstoffen te helpen verminderen en de uitstoot van broeikasgassen te verminderen om een ​​duurzame toekomst mogelijk te maken. Apparaten die momenteel in gebruik zijn om zonne-energie om te zetten in thermische energie, zijn meestal afhankelijk van de indirecte absorptie van zonlicht, waar het rendement doorgaans beperkt is als gevolg van grote convectieve warmteverliezen naar de omgeving. Een veelbelovend alternatief is de directe opname van zonlicht, waarbij een vloeistof zowel als zonne-energieabsorbeerder als warmtedrager kan dienen. Het voordeel van de techniek is gebaseerd op verminderde convectieve en stralingswarmteverliezen, aangezien de temperatuurpiek verschuift van het absorberende oppervlak (indirecte absorptie) naar het bulkgebied van de dragervloeistof (directe absorptie). In een recente studie, Matteo Alberghini en medewerkers van de ministeries van Energie, Toegepaste wetenschap en technologie, en het Nationaal Instituut voor Optica in Italië, onderzoek gedaan naar een duurzame, stabiel en goedkoop colloïd op basis van koffieoplossingen om directe zonneabsorptie te realiseren. De resultaten van hun werk zijn nu gepubliceerd op Wetenschappelijke rapporten .

In het werk voorgesteld door Alberghini et al. het colloïde bestond uit gedestilleerd water, Arabica koffie, glycerol en kopersulfaat om de eigenschappen en biocompatibiliteit van de vloeistof te optimaliseren. De wetenschappers analyseerden de fotothermische prestaties van de voorgestelde vloeistof voor directe zonneabsorptie en vergeleken de prestaties met traditionele vlakke plaatcollectoren. Ze toonden aan dat de collectoren precies op maat gemaakt en gerealiseerd konden worden met 3D-printen voor de experimentele tests.

Bestaande op koolstof gebaseerde nanocolloïden hebben nadelen opgeleverd, ondanks veelbelovende thermofysische eigenschappen die geschikt zijn voor directe zonneabsorptie, als gevolg van cytotoxiciteit en schadelijke effecten op het milieu. In baanbrekend experimenteel werk, onderzoekers hebben daarom een ​​zwarte vloeistof met Oost-Indische inkt in water (3,0 g/l) gebruikt voor directe absorptie van thermische zonne-energie. Ze zagen een bemoedigend optreden, die leiden tot het gebruik van nanocolloïden, ook wel nanovloeistoffen genoemd, om directe zonneabsorptie mogelijk te maken. De vloeistoffen worden typisch gekenmerkt door een gesuspendeerde fase die in staat is om verbeterde fotothermische eigenschappen te verlenen aan de basis van de vloeistof. Indien goed ontworpen, deze nanocolloïden zullen een veelbelovend potentieel hebben voor omzetting van zonne-energie naar thermische.

In het huidige werk, Alberghini et al. voerde eerst optische karakterisering uit van de voorgestelde colloïden op basis van koffie. Omdat koffie een complexe stof is, de wetenschappers gebruikten Arabica-koffie bereid in een aluminium koffiezetapparaat dat bekend staat als 'moka' voor kookplaten, voor consistentie. Ze volgden een protocol om 'studentenkoffie' te bereiden, waardoor een verhoogde suspensie van cafeïnedeeltjes in water mogelijk was, en voerden scanning elektronenmicroscopie (SEM) uit om de deeltjesgrootteverdeling in de resulterende oplossing te beoordelen. Vervolgens introduceerden ze glycerol in het preparaat om de vriestemperatuur te verlagen voor gebruik buitenshuis in koude of vriesklimaten. Eindelijk, de wetenschappers voegden kopersulfaat (CuSO ₄ ) om het risico op algen- of schimmelvorming in de vloeistof te verminderen. Ze overwogen vijf varianten van het voorgestelde colloïde voor de experimenten die stabiel waren gedurende het hele tijdsbestek van zes maanden. De vijf varianten waren de primaire colloïdoplossing die glycerol (30% w/v) en CuSO . bevatte ₄ (2 ppm), die de wetenschappers G30 noemden, gevolgd door 1 procent, 10 procent, 20 procent en 50 procent volumefracties van G30 in gedestilleerd water genoemd als; G30w1, G30w10, G30w20 en G30w50 in de studie.

De wetenschappers voerden karakteriseringsstudies uit van de optische eigenschappen van de voorgestelde colloïden ten opzichte van de extinctiecoëfficiënt en berekenden de opgeslagen energiefractie van de vloeistoffen. Ze hebben de extinctiecoëfficiënt in het onderzoek afgeleid als de som van absorptie- en verstrooiingscoëfficiënten voor een bepaalde golflengte. De wetenschappers registreerden een extreem intense optische coëfficiënt voor de G30-vloeistof, die zij toeschreven aan de koffie-inhoud. De hoogte van de geregistreerde pieken nam af met toenemende waterverdunning. Daarna, Alberghini et al. berekende de opgeslagen energiefractie van de oplossingen op basis van de invallende zonnestraling en de penetratieafstand in de vloeistof, bekend als de padlengte. De G30-vloeistof had de hoogste opgeslagen energie, die geleidelijk afnam met de verhoogde verdunning van water.

De wetenschappers onderzochten vervolgens experimenteel de fotothermische prestaties van de op koffie gebaseerde colloïden in vergelijking met een selectieve absorber met speciaal ontworpen zonnecollectoren. Ze gebruikten vergelijkbare geometrieën in de experimenten om zowel directe als indirecte absorptie van zonlicht te bestuderen. De wetenschappers ontwierpen eerst de thermische zonnecollectoren met behulp van computer aided design (CAD) software voorafgaand aan hun fabricage.

Tijdens directe absorptie, colloïden die in het kanaal stromen absorbeerden direct zonlicht. Voor indirecte absorptie, Alberghini et al. monteerde een selectieve oppervlakteabsorbeerder op de collector zodat water door de onderliggende kanalen kan stromen. Met behulp van een peristaltische pomp, ze zorgden voor een constante vloeistofstroom door de kanalen en regelden de inlaattemperatuur van de vloeistof met behulp van een thermostatisch bad. Om de efficiëntie tussen de twee collectoren te vergelijken, ze berekenden thermische verliezen en optische efficiëntie door energiebesparing in het systeem. Ze testten ook de colloïden bij drie verschillende stroomsnelheden en rapporteerden de overeenkomstige gemiddelde optische efficiëntie van de vloeistoffen aan de stroomsnelheden.

In aanvulling, Alberghini et al. ontwikkelde en gevalideerde numerieke modellen tegen de experimentele gegevens. Voor deze, ze gebruikten twee modellen; 1) een eendimensionaal model gebaseerd op een elektrische analogie en 2) een tweedimensionaal computation fluid dynamics (CFD) model. Ze meldden dat optische verliezen niet afhankelijk waren van de stroomsnelheid, maar op de optische eigenschappen van de stromende vloeistoffen en de materiaalsamenstelling van de collectoren. De wetenschappers handhaafden de efficiëntie van de collector door een balans te vinden tussen warmteabsorptie en reflectie voor optimale thermische prestaties.

Op deze manier, Alberghini et al. toonde aan dat de voorgestelde colloïden op koffiebasis concurrerende optische en thermische eigenschappen vertoonden voor directe zonneabsorptie. De experimentele resultaten kwamen overeen met de numerieke modellen, het valideren van deze vloeistoffen om op dezelfde manier te presteren als de traditionele indirecte absorptietechniek. De wetenschappers ontdekten dat tijdens de operatie, de optimale verdunning garandeerde de beste energieopslagcapaciteit. De resultaten zullen de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van een onconventionele familie van biocompatibele, milieuvriendelijke en goedkope colloïden voor zonne-energietoepassingen. De wetenschappers stellen voor om de techniek te gebruiken in aanvullende op zonne-energie gebaseerde toepassingen, zoals:

1. Door zonne-energie aangedreven verdamping
2. Ontzilting van zeewater
3. Verwarming van water voor huishoudelijk gebruik, en
4. Duurzame zonnekoeling.

© 2019 Wetenschap X Netwerk