Persönliche Energiegewinnung mit Thermoelektrischen Materialien: Ein Interview mit Prof Robert Dorey

Professor Robert Dorey, Stuhl in den Nanomaterials, Cranfield-Universität.
Entsprechender Autor: r.a.dorey@cranfield.ac.uk

Professor Robert Dorey führt eine Forschungsgruppe an Cranfield-Universität die Anwendung von Nanomaterials in den Energie- und Umgebungssektoren erforschend. In diesem „Vordenker“ Interview spricht er, um Soutter über seine Arbeit über persönliche Energiegewinnungstechnologien, die viele Anwendungen im Militärsektor haben, sowie in den Verbrauchereinheiten Gewillt Zu Sein.

WS: Können Sie die Baumuster von persönlichen Energiegewinnungstechnologien bitte umreißen, die Sie ein bearbeitet haben?

RD: Es gibt viele Baumuster verschiedene persönliche Energiegewinnungstechnologien - piezoelectrics, Brennstoffzellen, Usw. - die Hauptarbeitend mit im Augenblick basieren auf thermoelektrischen Materialien und Solarabsorbermaterialien, die auf eine wirklich nützliche Art sich ergänzen.

Ein thermoelektrisches Material kann elektrische Leistung von einer Temperaturdifferenz erzeugen, und die Solarabsorbermaterialien erlauben uns, Sonnenlicht in Wärme zu konvertieren - sie lassen unseren Temperaturhydrauliktank oben effektiv heizen. So, wenn Sie die zwei zusammen in eine Einheit holen, können Sie Leistung vom thermoelektrischen Effekt effizient erzeugen.

Das thermoelektrische Material ist das mit der interessantesten Wissenschaft hinter ihm und auf das, das Leute möglicherweise nicht vorher zufällig gestoßen. Wenn Sie oben irgendein Material heizen, erregen Sie Ladungsträger in das Leitungsband - entweder Elektronen oder Löcher. Wenn Sie ein, Ende einer Metallgericht oben zu heizen sich vorstellen und die andere Endenkälte zu halten, sollte das heiße Ende mehr Ladungsträger als das kalte Ende erzeugen, also beenden Sie oben mit mehr Ladung bei einem Ende des Materials als das andere - Sie haben eine Spannung. Natur versucht dann, eine einheitlichere Ladungsverteilung zu erstellen. Das bedeutet, dass jene Ladungsträger durch das Material migrieren und dann Sie einen Strom haben.

Unter Verwendung dieses allgemeinen Anfluges können wir elektrische Leistung gerade von einer Temperaturdifferenz erzeugen. Alle Materialien tun dies gewissermassen; sie geschieht gerade, dass die überwiegende Mehrheit von Materialien sie unglaublich schlecht tun, also beachten wir sie nicht. Aber es gibt eine bestimmte Auswahl von Halbleitermaterialien, die sie ziemlich gut tun, und wir können diese, Leistung auszunutzen beginnen.

Wenn wir jene Halbleitermaterialien nehmen und sie ändern, indem wir herein Dopante setzen, können wir P-artige Halbleiter machen, die erzeugen viele Löcher (positive Ladung) wenn sie und N-Halbleiter geheizt werden, die Elektronen erzeugen. Wenn wir diese zwei eintippen Serien und setzen eine Temperaturdifferenz über beiden jener Materialien, wir können höhere Spannungen, zu erhalten beginnen anschließen. Gerade ein Material erzeugt 10's bis 100 von Millivolt über ihm, das kaum alles ist. Aber gerade wie das Stapeln herauf viele Körperverletzungen, wenn Sie daisy chain dieses P- und N-artigematerialien zusammen beginnen, können Sie nützliche Spannungen erzeugen.

WS: So wie hilft Nanotechnologie, diese Materialien effizienter zu machen?

RD: Es gibt zwei unterschiedliche Arten des Leitens von Energie durch Ihre Anlage. Eins ist Wärmeübertragung über Phonone, die Schwingungen des Kristallgitters sind, und das andere ist über die Elektronen, die durch Ihr Material sich bewegen. So für ein gutes thermoelektrisches Material wünschen Sie es eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit haben, aber eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit.

Jedoch wenn Sie an Kupfer zum Beispiel denken hat sie eine gute elektrische Leitfähigkeit, die ist, warum wir sie in den Kabeln verwenden, aber wir verwenden sie auch in den Kesseln, weil es ein guter Wärmeleiter auch ist und das wirklich für den thermoelektrischen Effekt wirklich falsch ist. Und wenn Sie die andere Methode, zu den Isolatoren wie Keramik und Gläsern gehen, sind sie am Isolieren von der Wärme gut, aber sie sind auch gute elektrische Isolatoren. So kämpfen Sie immer einen Kampf, der versucht, ein Material zu finden, das das rechte Set von Eigenschaften für den thermoelektrischen Effekt hat.

Glücklicherweise gibt es einen Unterschied bezüglich der Längenschuppen für thermische und elektrische Leitung. Wärmeleitung neigt, über verhältnismäßig großen Abständen, also dem Phononwellenarbeitsweg aufzutreten eine Langstrecke, bevor sie zerstreut oder reflektiert wird, aber Elektronen neigen, herum überall aufzuprallen. So, wenn Sie irgendeine nanoscale Zelle in Ihr Material setzen, können Sie die Phonone stören, weil Ihr Material nicht genug einer periodischen Zelle hat, zum einer effektiven Welle von Schwingungen durch die Kristallstruktur zu entwickeln, aber die Elektronen sind nicht betroffen, weil sie bereits an einer viel kleineren Längenschuppe zerstreuen. So mit nanostructures, können Sie die Wärmeleitfähigkeit verringern, aber behalten eine gute elektrische Leitfähigkeit bei, also steigt die Leistung des thermoelektrischen Materials.

Mit den Solarenergieabsorbern versuchen wir, einen ähnlichen Trick zu spielen, indem wir die Materialien strukturieren, also haben sie wirklich Reflexionsvermögen, so sehr wenig der Vorfallleuchten-Strahlungsschläge weg von der Oberfläche, und alle sie erhält absorbiert.

Indem wir zusammen jene zwei Aspekte der Nanotechnologie, unter Verwendung dieser sehr kleinen Zellen kombinieren, können wir Materialien, die Solarenergie wirklich gut absorbieren, und Materialien erhalten, die gute thermoelektrische Eigenschaften auch haben. Und die Materialien selbst sind nicht exotisch - es ist das nanostructure, das die Materialien verbesserten Eigenschaften gibt, verglichen mit den gleichen Materialien in der Massenphase.

WS: Wie fördert diese Technologie Soldaten im Schlachtfeld?

RD: Im Allgemeinen betrachten wir, erhöhend die Reichweite eines Soldaten - die Dauer erhöhend er, oder sie kann weg von Basis und der Verringerung der Menge bleiben, die sie herum tragen müssen. Der durchschnittliche Soldat hat herum 70 Kilogramm auf ihrer Rückseite im Einsatz oder heraus auf Patrouille, und Quite a lot von diesem ist Batteriegewicht. Wirklich viel ist es Austausch für die Batterien, die im Gerät bereits sind. So, wenn Sie die Batterien letztes längeres machen können, können sie für länger wegbleiben, tragen mehr Nahrung, mehr Munition.

So es gibt wirklichen Nutzen, wenn Sie die Belastung von der gespeicherten Energie verringern können, die sie mit ihnen herum tragen müssen. Und Sie können einige, wirklich aufregende Sachen auch zu tun beginnen, wenn Sie von dem zu lokalisierter Energiegewinnung herunterschrauben. Zum Beispiel könnte ein Fühler, der auf chemische Angriffe oder andere Gefahren scannen könnte, von einem kleinen thermoelektrischen Einheitsrecht neben ihn angeschaltet werden, also von Ihnen braucht nicht, Kabel vom Batteriesatz zu verlegen, um ihn anzuschalten.

WS: Wie viel Strom konnte eine tragbare thermoelektrische Anlage durchführbar erzeugen?

RD: Gut hängt er, wie groß die Reihe ist, gerade wie mit Solarzellen ab. Mit Solarzellen befassen uns wir normalerweise „mit Flächenleistung“, und sie ist genau die selbe mit thermoelectrics - je größer der Bereich, über dem es funktioniert, desto mehr Leistung, die, es erzeugt. So ist die Herausforderung, die gleiche Sortierung von Stufen zu schlagen, die wir von den Solarzellen - ungefähr 100 mW/cm2 sehen.

Jedoch mit thermoelektrischen Anlagen, die Leistung, der Sie auch Zunahmen mit der Temperaturdifferenz erzeugen. So konnten Sie ein großes Gebiet haben, an einer kleinen Temperaturdifferenz zu arbeiten - Raumtemperatur zur Gehäusetemperatur eines Soldaten, ungefähr 16 °C Unterschied zu sagen.

Wechselweise konnten Sie eine kleinere, engagierte absorbierende Solarzone haben, die oben mit Aussetzung zum Sonnenlicht heizt. Sogar in Cranfield im März, erreicht, etwas Solarabsorbermaterial bis zu °C 70 oder 80 zu heizen, gerade durch das Sitzen es auf dem Fensterbrett im Büro. Damit Ihnen eine Temperaturdifferenz von °C 60 gibt und dem kann Sie, näher an 10's oder 100 von mW/cm2 zu erhalten beginnen, das eine nützliche Menge Leistung ist.

WS: Wie lang denken Sie es sind, bevor wir anfangen, persönliche Energiegewinnungstechnologien in den Konsumgütern zu sehen, sowie im Militärsektor?

RD: Vermutlich denken weniger Zeit als Sie. In der Militärumgebung wenn sie bricht, sind Sie dort sind ernste Rückwirkungen, also müssen die Einheiten robustere und der Widerstände verschiedene Baumuster von Umgebungen, als sein sie möglicherweise für Zivilanwendungen sein müssten. Und es ist eine wirklich kühle Sache für Aufladungsgeräte - gerade denkend über, wieviele Gerätleute besitzen und herum tragen, ist es Spielzeug“ Lösung eines typischen „Jungen für das Halten sie ganz aufgeladen für länger. Damit Markt für den Hunger hat, der von der Anwendung nett ist.

Im Hinblick auf, welches wird zuerst kommen, das Militär oder die kommerziellen Anwendungen, möchte Ich kein Geld auf es stecken. Ich kann sehen, es sehr klare Militäranwendungen, aber auch viele starken Gewerbegebiete gibt, also Ich denken würde, dass sie etwa zur gleichen Zeit erscheinen. Was die Sortierung anbetrifft der Zeitspanne, fangen wir an, Fast-zumarkt Produkte zu sehen, online bereits zu kommen, also ist sie nicht sehr weit weg. Jedoch basieren sie auf herkömmlichen Technologien - existierende thermoelektrische Materialien, die nicht das sind, das überhaupt nanostructured ist. Sie werden mit dem Kochen des Geräts für das Kampieren zum Beispiel integriert wo große Temperaturgradienten erhältlich sind. So es gibt Material dort draussen bereits, aber es ist vermutlich ein anderes Paar von Jahren, bevor wir die Nano-Seite von ihr erscheinend sehen.

WS: Was sind einige der folgenden großen Durchbrüche, dass wir Leute sehen, ein in den nächsten Jahren zu arbeiten?

RD: Eine der wirklich aufregenden Sachen versucht, diese Sachen zu erhalten integriert in Gewebe und in Gewebe, also werden sie ein Teil der Anlage - wir werden nicht befassend, eine Streichholzschachtel-groß Sache habend zur Seite Ihres Mantels, diese Sachen genäht, würden werden ein wesentlicher Bestandteil des Kleides.

So können dir Sie, für Soldaten, es vorstellen würden werden Teil ihres Rucksacks, zum Beispiel - das Gewebe, dass ihr Rucksack von hergestellt wird, würde das aktive thermoelektrische Element sein. So versuchen Sie noch einmal, das Gesamtgewicht zu verringern, das der Soldat herum trägt, und ein völlig integriertes Paket zu entbinden.

Und die ist eine echte Herausforderung - das Versuchen, diese Sachen auf einer flachen Substratfläche wie einem Stück Silikon zu machen ist genug schwierig. Versuchend, es auf einer Zelle 3D zu machen, ist eine gesponnene Zelle sehr aufregend.

WS: Was spornte Sie an an, thermoelektrischen Materialien und anderen persönlichen Energiegewinnungstechnologien zu arbeiten zu beginnen?

RD: Ich bin ein Materialwissenschaftler, indem ich ausbilde, und aktive Nanomaterials sind immer ein aufregender Bereich gewesen, zum herein zu arbeiten. Das Konzept des Arbeitens an persönlicher Energiegewinnung kam insbesondere ungefähr von einigen verschiedenen Sachen.

Teils war es Frustration vom Handeln von vielen von Bewegen, und Telefonbatterien habend, führen Sie heraus höchstens unangebrachten Moment aus, einen Aufladungspunkt nie haben am Flughafen, oder das Auspressungsbaumuster des Bolzens haben.

Dann las Ich einige Artikel auf, wie Telekommunikation in Afrika sich entwickelte - sie haben gerade heraus die ganze Überlandleitungssache verfehlt und gerade zu den Mobiles gegangen. Die Anzahl von beweglichen Benutzern in Afrika ist gerade erstaunlich, und sie ist höher als in Europa oder in Amerika, weil wir noch die Überlandleitungen haben. Sie haben heraus dieses ganze Konzept des Setzens in eine örtlich festgelegte Architektur für Telefone verfehlt, und die erhielt mich denkend - könnten wir das Konzept des Setzens in eine örtlich festgelegte Architektur für Netzverteilung gerade heraus verfehlen?

Sogar in GROSSBRITANNIEN und im Europa, in dem wir National Grid haben, das überall angeschlossen wird, entspricht sie nicht wirklich unseren aktiven Lebensstilen mehr. Sogar in einem Büro, können Sie Netzdosen in der Wand neben Ihren Schreibtisch, aber, wenn Ihr Schreibtisch mitten in einem großen Büro ist, das Gelangen von Leistung an sie haben können ziemlich schwierig noch sein - und die ist gerade in Ihrem Büro, mit Leistung angenommen überall.

Und sie erhält gerade stark, während Sie das Gebäude lassen und Außenseite gehen - Leistung in Bewegung zu erhalten ist ziemlich schwierig. Dann außerhalb der Stadt, in den ländlichen Umgebungen, ist Leistung bestimmt nicht immer herum. Und alles das ist in einem entwickelten Land mit einer Leistungsinfrastruktur.

So denke Ich, dass es einen wirklichen Markt für Leistung am Watt zur Kilowattreichweite - genug gibt, zum von Einzelpersonen oder von Haushalt zu dienen, möglicherweise oben verbindet und ein Dorf anschaltet.

Es ist wirklich eine Art „bottom-up-“ Anflug zu macht-, das sehr angebracht ist, wenn wir Nanotechnologie und „mit der bottom-up-“ Herstellung uns befassen!

Über Professor Robert Dorey

Robert Dorey hält einen Stuhl in den Nanomaterials an Cranfield-Universität an und ist ein Teil des OberflächenWissenschafts-und Nanotechnologie-Instituts. Er führt eine unabhängige Forschungsgruppe auf Nano und Mikrotechnologie in der Energie und in der Umgebung. Seine Forschungsarbeit erforscht drei zusammenhängend Themen:

  • Persönliche Energiegewinnungslösungen basiert auf Funktionsmaterialien und Einheiten einschließlich feste Oxidbrennstoffzelle-, thermoelektrische, ferroelectric, pyroelectric und piezoelektrischematerialien.
  • Umwelt- und strukturelle Gesundheitsüberwachungsfühler
  • Umweltfreundliche aufbereitende Wege für Minderungsenergie-, Material- und Chemikalienverwendung.


Date Added: Aug 15, 2012 | Updated: Feb 16, 2013

Last Update: 16. February 2013 16:45

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