Generación Personal de la Energía con los Materiales Termoeléctricos: Una Entrevista con Profesor Roberto Dorey

Profesor Roberto Dorey, Silla en Nanomaterials, Universidad de Cranfield.
Autor Correspondiente: r.a.dorey@cranfield.ac.uk

Profesor Roberto Dorey lleva a un grupo de investigación en la Universidad de Cranfield que explora la aplicación de nanomaterials en los sectores de la energía y del ambiente. En esta “Pensó entrevista al Arranque De Cinta”, él habla Para Querer Soutter sobre su trabajo sobre las tecnologías personales de la generación de la energía, que tendrán muchas aplicaciones en el sector militar, así como en dispositivos del consumidor.

WS: ¿Puede usted contornear por favor los tipos de tecnologías personales de la generación de la energía que usted ha estado trabajando conectado?

RD: Hay muchos tipos de diversas tecnologías personales de la generación de la energía - piezoelectrics, pilas de combustible, Etc. - los principales que trabajan con en el momento se basa en los materiales termoeléctricos y los materiales absorbentes solares, que se complementan de una manera realmente útil.

Un material termoeléctrico puede generar corriente eléctrica de una diferencia de la temperatura, y los materiales absorbentes solares permiten convirtamos luz del sol en calor - permiten que nuestro depósito de la temperatura caliente hacia arriba más efectivo. Tan cuando usted trae los dos juntos en un dispositivo, usted puede generar eficientemente potencia del efecto termoeléctrico.

El material termoeléctrico es el que está con la ciencia más interesante detrás de él, y el que la gente pudo no haber parecido antes. Si usted calienta hacia arriba algún material, usted excita ondas portadoras en la banda de conducción - los electrones o los agujeros. Si usted se imagina el calentar hacia arriba de un extremo de una barra de metal y el guardar del otro frío del final, el extremo caliente debe generar más ondas portadoras que el extremo frío, así que usted termina hacia arriba con más carga en un extremo del material que el otro - usted tiene un voltaje. La Naturaleza entonces intenta crear una más distribución de carga uniforme. Eso significa que esas ondas portadoras emigrarán a través del material, y entonces usted tiene una corriente.

Usando esta aproximación general, podemos generar corriente eléctrica apenas de una diferencia de la temperatura. Todos Los materiales harán esto hasta cierto punto; apenas suceso que la gran mayoría de materiales la hace increíblemente mal, así que no la notamos. Pero hay cierta selección de materiales del semiconductor que la hagan muy bien, y podemos comenzar a hacer uso de esa potencia.

Si tomamos esos materiales del semiconductor y los modificamos introduciendo dopantes, podemos hacer el p-tipo semiconductores que generan muchos agujeros (cargas positivas) cuando están calentados, y n-tipo semiconductores que generen electrones. Si conectamos estos dos tipos en serie, y ponemos una diferencia de la temperatura a través de ambos materiales, podemos comenzar a conseguir voltajes más altos. Apenas un material generará los años 10 a 100 de milivoltios a través de él, que es apenas cualquier cosa. Pero apenas como empilar encima de muchas baterías, si usted comienza a la cadena de margaritas esta p y el n-tipo materiales junto, usted puede generar voltajes útiles.

WS: ¿Tan cómo la nanotecnología ayuda a hacer estos materiales más eficientes?

RD: Hay dos maneras diferentes de conducto energía a través de su sistema. Uno es transferencia de energía térmica vía los fonones, que son vibraciones del cedazo cristalino, y el otro está vía los electrones que viajan a través de su material. Tan para un buen material termoeléctrico usted quisiera que él tuviera una conductividad térmica muy pobre, pero una conductividad eléctrica muy buena.

Sin Embargo, si usted piensa en el cobre, por ejemplo, tiene una buena conductividad eléctrica, que es porqué la utilizamos en cables, pero también la utilizamos en calderas, porque es un buen conductor térmico también, y eso es real realmente malo para el efecto termoeléctrico. Y si usted va la otra manera, a los aisladores como cerámica y cristales, son buenas en aislar de energía térmica, pero son también buenos aisladores eléctricos. Usted está luchando Tan siempre una batalla que intenta encontrar un material que tenga el conjunto correcto de las propiedades para el efecto termoeléctrico.

Hay Afortunadamente escalas de una diferencia de largo para la conducción térmica y eléctrica. La conducción Térmica tiende a ocurrir sobre distancias relativamente grandes, así que el viaje de las ondas del fonón una distancia antes de que se disperse o se refleje, pero los electrones tienden a rebotar alrededor por todas partes. Tan si usted pone un poco de estructura del nanoscale en su material, usted puede romper los fonones, porque su material no tiene suficiente de una estructura periódica para desarrollar una onda efectiva de vibraciones a través de la estructura cristalina, pero los electrones no son afectados, porque están dispersando ya en una escala mucho más pequeña de la longitud. Tan con nanostructures, usted puede reducir la conductividad térmica, pero mantiene una buena conductividad eléctrica, así que el funcionamiento del material termoeléctrico sube.

Con los amortiguadores de energía solar, estamos intentando jugar un truco similar estructurando los materiales así que tienen realmente reflectividad, tan muy poco de las despedidas de la radiación de la luz de incidente de la superficie, y toda consigue absorbida.

Combinando esos dos aspectos de la nanotecnología juntos, usando estas estructuras muy pequeñas, podemos conseguir los materiales que absorben energía solar realmente bien, y los materiales que tienen buenas propiedades termoeléctricas también. Y los materiales ellos mismos no son exóticos - es el nanostructure que da las propiedades mejoradas los materiales, comparado con los mismos materiales en la fase a granel.

WS: ¿Cómo esta tecnología beneficiará a soldados en el campo de batalla?

RD: Básicamente, estamos observando cada vez mayores el rango de un soldado - aumentando el periodo de tiempo él o ella puede tirante lejos de base, y de disminuir el periodo que tienen que llevar alrededor. El soldado medio tiene alrededor 70 kilogramos en su dorso en servicio o fuera en patrulla, y el bastantes de ese es peso de la batería. Real, mucho es repuestos para las baterías que están en el equipo ya. Tan si usted puede hacer las baterías más largo pasado, él puede tirante fuera para más de largo, lleva más comida, más munición.

Tan hay beneficios reales si usted puede reducir la carga de la energía salvada que él tiene que llevar alrededor con él. Y usted puede comenzar a hacer algunas cosas realmente emocionantes también, si usted reduce proporcionalmente de ése a la generación localizada de la energía. Por ejemplo, un sensor, que podría explorar para los ataques químicos u otros peligros, se podría mover por motor por una pequeña derecha termoeléctrica del dispositivo al lado de él, así que usted no necesita roscar los cables de la batería para moverla por motor.

WS: ¿Cuánta corriente podía un sistema termoeléctrico portátil posible generar?

RD: Depende Bien cómo es grande es el arsenal, apenas como con las células solares. Con las células solares hablamos generalmente de “potencia por metro cuadrado”, y es exactamente lo mismo con thermoelectrics - cuanto más grande es el área sobre la cual él operatorio, más la potencia que genera. El reto es Tan golpear la misma clase de niveles que estemos viendo de las células solares - cerca de 100 mW/cm2.

Sin Embargo, con los sistemas termoeléctricos, la potencia que usted genera también aumentos con la diferencia de la temperatura. Tan usted podría tener una área extensa el trabajar en una pequeña diferencia de la temperatura - para decir temperatura ambiente a la temperatura del cuerpo de un soldado, diferencia de cerca de 16 °C.

Alternativamente, usted podría tener una zona absorbente solar más pequeña, dedicada que calienta hacia arriba con la exposición a la luz del sol. Incluso en Cranfield en marzo, manejado calentar un poco de material absorbente solar hasta el °C 70 o 80 apenas sentándolo en el alféizar en la oficina. De modo que dé le una diferencia de la temperatura del °C 60, y a ése puede comenzar a conseguir le más cercano a los años 10 o 100 de mW/cm2, que es una cantidad de potencia útil.

WS: ¿Cuánto tiempo usted lo piensa estará antes de que comencemos a ver tecnologías personales de la generación de la energía en productos de consumo, así como en el sector militar?

RD: Menos tiempo que usted piensa Probablemente. En el ambiente militar, si se rompe usted es allí es repercusiones serias, así que los dispositivos necesitan ser diversos tipos más robustos y withstand de ambientes que puede ser que necesiten estar para las aplicaciones civiles. Y es una cosa realmente fresca para los aparatos que cargan - apenas pensando sobre cuánta gente de los aparatos posee y está llevando alrededor, es solución del juguete “de un muchacho típico” para mantenerlos cargados todo para más de largo. De modo que el mercado tenga hambre para ése bueno de la aplicación.

En términos de cuál va a venir primero, las aplicaciones militares o comerciales, no quisiera poner ningún dinero en él. Puedo ver hay aplicaciones militares muy sin obstrucción, pero también muchas áreas comerciales fuertes, así que pensaría que aparecerán casi al mismo tiempo. En Cuanto a la clase de duración, estamos comenzando a ver productos del cercano-a-mercado el venir en línea ya, así que no está muy lejos. Sin Embargo, se basan en las tecnologías convencionales - los materiales termoeléctricos existentes que no son ése nanostructured en absoluto. Se están integrando con cocinar el equipo para acampar, por ejemplo, donde están disponibles los gradientes de temperatura grandes. Tan hay materia ahí fuera ya, pero será probablemente otro par de años antes de que veamos a la cara nana de ella que aparece.

WS: ¿Cuáles son algunos de los descubrimientos grandes siguientes que veremos a gente el trabajar conectado en los próximos años?

RD: Una de las cosas realmente emocionantes está intentando conseguir estas cosas integradas en las materias textiles y los tejidos, así que se convierten en una parte del sistema - nos hablando teniendo una cosa caja de cerillas-clasificada no están cosiendo a la cara de su cubierta, estas cosas hicimos una parte integrante de la ropa.

Así Pues, usted puede imaginarse, para los soldados, la hizo pieza de su mochila, por ejemplo - el mismo tejido que su mochila está hecha de sería el elemento termoeléctrico activo. Usted está intentando Tan otra vez reducir el peso total que el soldado está llevando alrededor, y entregar un conjunto completo integrado.

Y eso es un reto real - el intentar hacer estas cosas en un substrato plano como un pedazo de silicio es bastante desafiador. Intentando hacerlo en una estructura 3D, una estructura tejida es muy emocionante.

WS: ¿Qué le inspiró a que comenzara a trabajar en los materiales termoeléctricos y otras tecnologías personales de la generación de la energía?

RD: Soy científico de los materiales entrenando, y los nanomaterials activos han sido siempre un área emocionante a trabajar hacia adentro. El concepto de trabajo en la generación personal de la energía particularmente vino alrededor de varias diversas cosas.

Era En Parte frustración de hacer lotes de viajar, y del tener baterías para teléfono funcionadas con fuera a lo más momento inoportuno, nunca teniendo una punta que cargaba en el aeropuerto, o teniendo el tipo del sacar de enchufe.

Entonces leí algunos artículos en cómo las telecomunicaciones se convertían en África - acaban de faltar fuera la cosa entera de la línea horizonte, y han ido derecho a los móviles. El número de utilizadores movibles en África es apenas staggering, y es más alto que en Europa o América, porque todavía tenemos las líneas horizonte. ¿Han faltado fuera ese concepto entero de poner en una configuración fija para los teléfonos, y ésa me consiguió que pensaba - podríamos apenas faltar fuera el concepto de poner en una configuración fija para la distribución de potencia?

Incluso en el REINO UNIDO y la Europa, en donde tenemos National Grid que se conecta por todas partes, no se adapta realmente a nuestras formas de vida activas más. Incluso en una oficina, usted puede tener socketes de potencia en la pared al lado de su escritorio, pero si su escritorio está en el medio de una oficina grande, de conseguirle potencia puede todavía ser muy difícil - y ésa está apenas en su oficina, con potencia supuesto por todas partes.

Y apenas consigue más difícilmente mientras que usted deja el edificio y va exterior - conseguir potencia en el movimiento es muy desafiador. Entonces fuera de la ciudad, en alrededores rurales, la potencia no está definitivamente siempre alrededor. Y ése está todo en un país desarrollado con una infraestructura de la potencia.

Pienso Tan que hay un mercado real para la potencia en el vatio al rango del kilovatio - suficiente para servir individuos o un hogar, uniéndose quizá y moviendo por motor un pueblo.

¡Es realmente una clase de aproximación “ascendente” a mover por motor - que sea muy apropiada cuando estamos hablando de la nanotecnología y de fabricación “ascendente”!

Sobre Profesor Roberto Dorey

Roberto Dorey celebra una Silla en Nanomaterials en la Universidad de Cranfield, y es parte del Instituto Superficial de la Ciencia y de la Nanotecnología. Él lleva un grupo de investigación independiente en nano y la microtecnología en energía y el ambiente. Su trabajo de investigación explora tres temas correlacionados:

  • Soluciones Personales de la generación de la energía basadas en los materiales y los dispositivos funcionales incluyendo los materiales sólidos de las pilas de combustible del óxido, termoeléctricos, ferroeléctricos, pyroelectric y piezoeléctricos.
  • Sensores Ambientales y estructurales de la supervisión de salud
  • Rutas de tramitación Respetuosas del medio ambiente para el uso de la energía que disminuye, del material y de la substancia química.


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

Last Update: 16. February 2013 16:47

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