L'énergie solaire est l'une des ressources les plus prometteuses pour aider à réduire la consommation de combustibles fossiles et atténuer les émissions de gaz à effet de serre pour alimenter un avenir durable. Les dispositifs actuellement utilisés pour convertir l'énergie solaire en énergie thermique reposent principalement sur l'absorption indirecte de la lumière du soleil, où l'efficacité est généralement limitée en raison d'importantes pertes de chaleur par convection dans le milieu environnant. Une alternative prometteuse est l'absorption directe de la lumière solaire, où un fluide peut servir à la fois d'absorbeur d'énergie solaire et de caloporteur. L'avantage de la technique repose sur des pertes de chaleur convectives et radiatives réduites, puisque le pic de température se déplace de la surface absorbante (absorption indirecte) vers la région de masse du fluide porteur (absorption directe). Dans une étude récente, Matteo Alberghini et ses collaborateurs des départements de l'énergie, Sciences appliquées et technologie, et l'Institut national d'optique en Italie, enquêté sur un développement durable, colloïde stable et peu coûteux à base de solutions de café pour mettre en œuvre l'absorption solaire directe. Les résultats de leurs travaux sont maintenant publiés sur Rapports scientifiques .

Dans les travaux proposés par Alberghini et al. le colloïde était constitué d'eau distillée, Café arabica, du glycérol et du sulfate de cuivre pour optimiser les propriétés et la biocompatibilité du fluide. Les scientifiques ont analysé les performances photothermiques du fluide proposé pour l'absorption solaire directe et ont comparé ses performances avec les capteurs plats traditionnels. Ils ont montré que les collecteurs pouvaient être personnalisés avec précision et réalisés avec une impression 3D pour les tests expérimentaux.

Les nanocolloïdes à base de carbone existants ont présenté des inconvénients, malgré des propriétés thermo-physiques prometteuses adaptées à l'absorption solaire directe, en raison de la cytotoxicité et des effets nocifs sur l'environnement. Dans des travaux expérimentaux pionniers, les chercheurs ont donc utilisé un fluide noir contenant de l'encre de Chine dans de l'eau (3,0 g/l) pour l'absorption directe de l'énergie solaire thermique. Ils ont observé une performance encourageante, qui conduisent à l'utilisation de nanocolloïdes également appelés nanofluides pour permettre l'absorption solaire directe. Les fluides sont typiquement caractérisés par une phase en suspension qui est capable de conférer des propriétés photothermiques améliorées à la base du fluide. Si opportunément conçu, ces nanocolloïdes auront un potentiel prometteur pour la conversion solaire-thermique.

Dans le travail present, Alberghini et al. première caractérisation optique des colloïdes proposés à base de café. Le café étant une substance complexe, les scientifiques ont utilisé du café Arabica préparé dans une cafetière en aluminium connue sous le nom de « moka » pour les plaques de cuisson, pour la cohérence. Ils ont suivi un protocole pour préparer le « café de l'étudiant » permettant d'augmenter la suspension de particules de caféine dans l'eau et ont effectué une microscopie électronique à balayage (MEB) pour évaluer la distribution de la taille des particules dans la solution résultante. Ensuite, ils ont introduit du glycérol dans la préparation pour abaisser sa température de congélation pour une utilisation à l'extérieur dans des climats froids ou glacials. Finalement, les scientifiques ont ajouté du sulfate de cuivre (CuSO 4 ) pour réduire les risques de formation d'algues ou de moisissures dans le liquide. Ils ont considéré cinq variantes du colloïde proposé pour les expériences qui étaient stables pendant toute la période s'étalant sur six mois. Les cinq variantes étaient la solution colloïdale primaire contenant du glycérol (30 % p/v) et du CuSO 4 (2 ppm), que les scientifiques ont nommé G30, suivi de 1 %, 10 pourcent, 20 % et 50 % de fractions en volume de G30 dans de l'eau distillée nommées comme ; G30w1, G30w10, G30w20 et G30w50 dans l'étude.

Les scientifiques ont mené des études de caractérisation des propriétés optiques des colloïdes proposés par rapport au coefficient d'extinction et calculé la fraction d'énergie stockée des fluides. Ils ont dérivé le coefficient d'extinction dans l'étude comme la somme des coefficients d'absorption et de diffusion pour une longueur d'onde donnée. Les scientifiques ont enregistré un coefficient optique extrêmement intense pour le fluide G30, qu'ils attribuent à la teneur en café. La hauteur des pics enregistrés diminuait avec l'augmentation de la dilution dans l'eau. Après, Alberghini et al. calculé la fraction d'énergie stockée des solutions en fonction du rayonnement solaire incident et de la distance de pénétration dans le fluide, connu sous le nom de longueur de chemin. Le fluide G30 avait l'énergie stockée la plus élevée, qui diminuait progressivement avec l'augmentation de la dilution de l'eau.

Les scientifiques ont ensuite étudié expérimentalement les performances photothermiques des colloïdes à base de café par rapport à un absorbeur sélectif doté de capteurs solaires spécialement conçus. Ils ont utilisé des géométries similaires dans les expériences pour étudier l'absorption directe et indirecte de la lumière du soleil. Les scientifiques ont d'abord conçu les capteurs solaires thermiques à l'aide d'un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) avant leur fabrication.

Lors de l'absorption directe, les colloïdes circulant dans le canal absorbaient directement la lumière du soleil. Pour l'absorption indirecte, Alberghini et al. monté un absorbeur de surface sélectif sur le collecteur pour que l'eau s'écoule à travers les canaux sous-jacents. A l'aide d'une pompe péristaltique, ils fournissaient un débit de fluide constant à travers les canaux et contrôlaient la température d'entrée du fluide à l'aide d'un bain thermostatique. Pour comparer l'efficacité entre les deux collecteurs, ils ont calculé les pertes thermiques et l'efficacité optique grâce à la conservation de l'énergie dans le système. Ils ont également testé les colloïdes à trois débits différents et ont rapporté l'efficacité optique moyenne correspondante des fluides aux débits.

En outre, Alberghini et al. développé et validé des modèles numériques par rapport aux données expérimentales. Pour ça, ils ont utilisé deux modèles; 1) un modèle unidimensionnel basé sur une analogie électrique et 2) un modèle de calcul de dynamique des fluides (CFD) bidimensionnel. Ils ont signalé que les pertes optiques ne dépendaient pas du débit, mais sur les propriétés optiques des fluides en écoulement et la composition matérielle des collecteurs. Les scientifiques ont maintenu l'efficacité du collecteur en trouvant un équilibre entre l'absorption et la réflexion de la chaleur pour des performances thermiques optimales.

De cette façon, Alberghini et al. ont montré que les colloïdes à base de café proposés présentaient des propriétés optiques et thermiques compétitives pour l'absorption solaire directe. Les résultats expérimentaux concordent avec les modèles numériques, valider ces fluides pour qu'ils fonctionnent de manière similaire à la technique d'absorption indirecte traditionnelle. Les scientifiques ont découvert que pendant le fonctionnement, la dilution optimale garantissait la meilleure capacité de stockage d'énergie. Les résultats ouvriront la voie au développement d'une famille non conventionnelle de produits biocompatibles, colloïdes écologiquement durables et peu coûteux pour les applications solaires. Les scientifiques proposent d'utiliser la technique dans d'autres applications solaires telles que :

1. Évaporation solaire
2. Dessalement d'eau de mer
3. Chauffage de l'eau sanitaire, et
4. Refroidissement solaire durable.

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