目前用于將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能的裝置主要依賴于間接吸收太陽(yáng)光，其中效率通常受到周圍環(huán)境中主要對(duì)流熱損失的限制。
一種有希望的替代方案是直接吸收太陽(yáng)光，其中流體可以用作太陽(yáng)能吸收器和熱載體。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是基于減少的對(duì)流和輻射熱損失，因?yàn)闇囟确逯祻奈毡砻妫ㄩg接吸收）轉(zhuǎn)移到載體流體的主體區(qū)域（直接吸收）。
在最近的一項(xiàng)研究中，意大利國(guó)家光學(xué)研究所的科學(xué)家Matteo Alberghini團(tuán)隊(duì)研究出了一種基于咖啡溶液的可持續(xù)，穩(wěn)定和廉價(jià)的膠體，能夠?qū)崿F(xiàn)直接的太陽(yáng)能吸收。
該膠體由蒸餾水，阿拉比卡咖啡，甘油和硫酸銅組成，以優(yōu)化流體的性質(zhì)和生物相容性?？茖W(xué)家分析了所提出的流體的光熱性能，以直接吸收太陽(yáng)能，并將其性能與傳統(tǒng)的平板收集器進(jìn)行了比較。
由于細(xì)胞毒性和對(duì)環(huán)境的有害影響，現(xiàn)有的碳基納米膠體具有缺點(diǎn)。因此，研究人員使用含有印度墨水的黑色液體（3.0 g / l）直接吸收太陽(yáng)能。他們觀察到了令人鼓舞的性能，這實(shí)現(xiàn)了使用納米膠體（也稱為納米流體）來(lái)直接吸收太陽(yáng)能。流體通常以懸浮相為特征，該懸浮相能夠賦予流體基礎(chǔ)增強(qiáng)的光熱性質(zhì)。如果設(shè)計(jì)合理，這些納米膠體將具有太陽(yáng)能 - 熱轉(zhuǎn)換的潛力。
基于咖啡的膠體的光學(xué)性質(zhì)（水中1％，10％和100％稀釋）。
由于咖啡是一種復(fù)雜的物質(zhì)，科學(xué)家們使用阿拉比卡咖啡，這種咖啡是用一種名為“moka”的鋁制咖啡機(jī)制作的以保持一致性。研究人員在水中增加咖啡因顆粒懸浮液，并進(jìn)行掃描電子顯微鏡（SEM）以評(píng)估所得溶液中的粒度分布。然后，他們將甘油引入制劑中以降低其冷凍溫度，以便在寒冷或寒冷的氣候下在戶外使用。最后，科學(xué)家們添加了硫酸銅（CuSO4），以降低液體中藻類或霉菌形成的風(fēng)險(xiǎn)。他們考慮了膠體的五種變體用于實(shí)驗(yàn)，這些變體在六個(gè)月的時(shí)間范圍內(nèi)是穩(wěn)定的。五種變體是含有甘油（30％w / v）和CuSO4（2 ppm）的膠體溶液，科學(xué)家將其命名為G30，然后是1％，10％，20％和50％蒸餾水中的G30，分別命名為G30w1，G30w10，G30w20和G30w50。
科學(xué)家們對(duì)所提出的膠體相對(duì)于消光系數(shù)的光學(xué)特性進(jìn)行了表征研究，并計(jì)算了流體的儲(chǔ)能分?jǐn)?shù)。他們將研究中的消光系數(shù)推導(dǎo)為給定波長(zhǎng)的吸收和散射系數(shù)之和?？茖W(xué)家們?yōu)镚30液體記錄了一個(gè)非常強(qiáng)烈的光學(xué)系數(shù)，它們歸功于咖啡含量。記錄峰的高度隨著水稀釋的增加而降低。根據(jù)入射太陽(yáng)輻射和流入流體的穿透距離計(jì)算溶液的儲(chǔ)存能量分?jǐn)?shù)，稱為路徑長(zhǎng)度。 G30液體具有最高的儲(chǔ)存能量，隨著水稀釋的增加而逐漸減少。
太陽(yáng)能吸收測(cè)試。
然后，科學(xué)家們通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了咖啡基膠體的光熱性能，選擇性吸收器與專門設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能集熱器相比。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用類似的幾何形狀來(lái)研究陽(yáng)光的直接和間接吸收?？茖W(xué)家們?cè)谥圃熘笆紫仁褂糜?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能集熱器。
在直接吸收過(guò)程中，在通道中流動(dòng)的膠體直接吸收太陽(yáng)光。對(duì)于間接吸收，科學(xué)家在收集器上安裝選擇性表面吸收器，使水流過(guò)下面的通道。使用蠕動(dòng)泵提供恒定的流體通過(guò)通道，并使用恒溫槽控制流體的入口溫度。為了比較兩個(gè)收集器之間的效率，他們通過(guò)系統(tǒng)中的節(jié)能計(jì)算了熱損耗和光學(xué)效率。他們還以三種不同的流速測(cè)試了膠體，并報(bào)告了流體對(duì)流速的相應(yīng)平均光學(xué)效率。
熱性能建模
科學(xué)家針對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證的數(shù)值模型。 為此，他們使用了兩種模型：1是基于電學(xué)類比的一維模型。2是二維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模型。 研究人員報(bào)告說(shuō)，光學(xué)損失不依賴于流速，而是取決于流動(dòng)流體的光學(xué)性質(zhì)和收集器的材料成分。 科學(xué)家通過(guò)在吸熱和反射之間取得平衡來(lái)保持收集器的效率，以獲得最佳的熱性能。
光熱性能
通過(guò)這種方式，Alberghini團(tuán)隊(duì)證明，咖啡基膠體顯示出直接太陽(yáng)能吸收的競(jìng)爭(zhēng)性光學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模型一致，從而驗(yàn)證了這些流體的性能與傳統(tǒng)的間接吸收技術(shù)相似。
科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)行過(guò)程中，最佳稀釋保證了最佳的儲(chǔ)能能力。
該研究成果將為開(kāi)發(fā)用于太陽(yáng)能應(yīng)用的非常規(guī)生物相容性，環(huán)境可持續(xù)性和廉價(jià)膠體家族鋪平道路。
科學(xué)家們建議在其他太陽(yáng)能應(yīng)用中使用該技術(shù)，例如：太陽(yáng)能蒸發(fā)，海水淡化，生活用水加熱，和可持續(xù)太陽(yáng)能冷卻。
