A energia solar é um dos recursos mais promissores para ajudar a reduzir o consumo de combustível fóssil e mitigar as emissões de gases de efeito estufa para alimentar um futuro sustentável. Dispositivos atualmente em uso para converter energia solar em energia térmica dependem principalmente da absorção indireta da luz solar, onde a eficiência é geralmente limitada como resultado de grandes perdas de calor por convecção no ambiente circundante. Uma alternativa promissora é a absorção direta da luz solar, onde um fluido pode servir como absorvedor de energia solar e transportador de calor. A vantagem da técnica é baseada na redução das perdas de calor por convecção e radiação, uma vez que o pico de temperatura muda da superfície absorvente (absorção indireta) para a região em massa do fluido transportador (absorção direta). Em um estudo recente, Matteo Alberghini e colegas de trabalho nos Departamentos de Energia, Ciência Aplicada e Tecnologia, e o Instituto Nacional de Óptica da Itália, investigou uma forma sustentável, colóide estável e barato baseado em soluções de café para implementar absorção solar direta. Os resultados de seu trabalho agora são publicados em Relatórios Científicos .

No trabalho proposto por Alberghini et al. o colóide consistia em água destilada, Café arábica, glicerol e sulfato de cobre para otimizar as propriedades e biocompatibilidade do fluido. Os cientistas analisaram o desempenho fototérmico do fluido proposto para absorção solar direta e compararam seu desempenho com os coletores de placa plana tradicionais. Eles mostraram que os coletores podiam ser ajustados com precisão e realizados com impressão 3-D para os testes experimentais.

Os nanocolóides existentes à base de carbono apresentam desvantagens, apesar das propriedades termofísicas promissoras adequadas para absorção solar direta, como resultado da citotoxicidade e impactos nocivos ao meio ambiente. Em trabalho experimental pioneiro, os pesquisadores usaram, portanto, um fluido preto contendo tinta da Índia em água (3,0 g / l) para absorção de energia térmica solar direta. Eles observaram um desempenho encorajador, que levam ao uso de nanocolóides também conhecidos como nanofluidos para permitir a absorção solar direta. Os fluidos são tipicamente caracterizados por uma fase suspensa que é capaz de conferir propriedades fototérmicas aprimoradas à base do fluido. Se oportunamente projetado, esses nanocolóides terão potencial promissor para a conversão solar em térmica.

No presente trabalho, Alberghini et al. primeiro conduziu a caracterização óptica dos coloides à base de café propostos. Uma vez que o café é uma substância complexa, os cientistas usaram café arábica preparado em uma cafeteira de alumínio conhecida como 'moka' para fogões de mesa, para consistência. Eles seguiram um protocolo para preparar o "café do estudante", permitindo o aumento da suspensão de partículas de cafeína em água, e conduziram a microscopia eletrônica de varredura (MEV) para avaliar a distribuição do tamanho das partículas na solução resultante. Em seguida, eles introduziram o glicerol na preparação para diminuir sua temperatura de congelamento para uso ao ar livre em climas frios ou congelantes. Finalmente, os cientistas adicionaram sulfato de cobre (CuSO ₄ ) para reduzir os riscos de formação de algas ou bolor no líquido. Eles consideraram cinco variantes do colóide proposto para os experimentos que permaneceram estáveis ​​durante todo o período de seis meses. As cinco variantes foram a solução colóide primária contendo glicerol (30% p / v) e CuSO ₄ (2 ppm), que os cientistas chamaram de G30, seguido por 1 por cento, 10 por cento, 20 por cento e 50 por cento de frações volumétricas de G30 em água destilada denominadas como; G30w1, G30w10, G30w20 e G30w50 no estudo.

Os cientistas realizaram estudos de caracterização das propriedades ópticas dos coloides propostos em relação ao coeficiente de extinção e calcularam a fração de energia armazenada dos fluidos. Eles derivaram o coeficiente de extinção no estudo como a soma dos coeficientes de absorção e espalhamento para um determinado comprimento de onda. Os cientistas registraram um coeficiente óptico extremamente intenso para o fluido G30, que eles creditaram ao conteúdo de café. A altura dos picos registrados diminuiu com o aumento da diluição de água. Depois disso, Alberghini et al. calculou a fração de energia armazenada das soluções com base na radiação solar incidente e a distância de penetração no fluido, conhecido como comprimento do caminho. O fluido G30 teve a maior energia armazenada, que diminuiu gradualmente com o aumento da diluição de água.

Os cientistas então investigaram experimentalmente o desempenho fototérmico dos colóides à base de café em comparação com um absorvedor seletivo com coletores solares especificamente projetados. Eles usaram geometrias semelhantes nos experimentos para estudar a absorção direta e indireta da luz solar. Os cientistas primeiro projetaram os coletores solares térmicos usando um software de design auxiliado por computador (CAD) antes de sua fabricação.

Durante a absorção direta, os colóides fluindo no canal absorvem a luz solar diretamente. Para absorção indireta, Alberghini et al. montou um absorvedor de superfície seletivo no coletor para que a água flua através dos canais subjacentes. Usando uma bomba peristáltica, eles forneciam fluxo de fluido constante através dos canais e controlavam a temperatura de entrada do fluido usando um banho termostático. Para comparar a eficiência entre os dois coletores, eles calcularam as perdas térmicas e a eficiência óptica por meio da conservação de energia no sistema. Eles também testaram os coloides em três taxas de fluxo diferentes e relataram a eficiência óptica média correspondente dos fluidos às taxas de fluxo.

Além disso, Alberghini et al. desenvolveram e validaram modelos numéricos contra os dados experimentais. Por esta, eles usaram dois modelos; 1) um modelo unidimensional baseado em uma analogia elétrica e 2) um modelo de dinâmica de fluidos de computação bidimensional (CFD). Eles relataram que as perdas ópticas não dependiam da taxa de fluxo, mas nas propriedades ópticas dos fluidos que fluem e na composição do material dos coletores. Os cientistas mantiveram a eficiência do coletor ao atingir um equilíbrio entre a absorção de calor e a reflexão para um desempenho térmico ideal.

Desta maneira, Alberghini et al. mostraram que os coloides à base de café propostos apresentaram propriedades ópticas e térmicas competitivas para absorção solar direta. Os resultados experimentais concordaram com os modelos numéricos, validar esses fluidos para ter um desempenho semelhante à técnica de absorção indireta tradicional. Os cientistas descobriram que durante a operação, a diluição ideal garantiu a melhor capacidade de armazenamento de energia. Os resultados abrirão o caminho para o desenvolvimento de uma família não convencional de biocompatíveis, coloides ambientalmente sustentáveis ​​e baratos para aplicações solares. Os cientistas propõem o uso da técnica em aplicações adicionais baseadas na energia solar, como:

1. Evaporação movida a energia solar
2. Dessalinização de água do mar
3. Aquecimento doméstico de água, e
4. Resfriamento solar sustentável.

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