Rétablissement Personnel d'Énergie avec les Matériaux Thermoélectriques : Une Entrevue avec Prof. Robert Dorey

Professeur Robert Dorey, Présidence en Nanomaterials, Université de Cranfield.
Auteur Correspondant : r.a.dorey@cranfield.ac.uk

Professeur Robert Dorey aboutit un organisme de recherche à l'Université de Cranfield explorant l'application des nanomaterials dans les secteurs d'énergie et d'environnement. Dans cette entrevue de « Leader d'Opinion », il parle Pour Vouloir Soutter au sujet de son travail sur les technologies personnelles de rétablissement d'énergie, qui auront beaucoup d'applications dans le secteur militaire, ainsi que dans des appareils client.

LE WS : Pouvez-vous s'il vous plaît donner les types de technologies personnelles de rétablissement d'énergie que vous aviez travaillées en circuit ?

RD : Il y a beaucoup de types de différentes technologies personnelles de rétablissement d'énergie - piezoelectrics, cellules à combustible, Etc. - le principal qui fonctionne avec sont à l'heure actuelle basé sur les matériaux thermoélectriques et les matériaux absorbants solaires, qui se complètent réellement d'un moyen utile.

Un matériau thermoélectrique peut développer le courant électrique d'une différence de la température, et les matériaux absorbants solaires nous permettent de convertir la lumière solaire en chaleur - ils permettent à notre réservoir de la température de réchauffer plus effectivement. Ainsi quand vous réunissez les deux dans un dispositif, vous pouvez efficacement développer l'alimentation électrique de l'effet thermoélectrique.

Le matériau thermoélectrique est celui avec la science la plus intéressante derrière lui, et celui que les gens ont pu ne pas avoir trouvé par hasard avant. Si vous réchauffez n'importe quel matériau, vous excitez des porteurs de charge dans la bande de conduction - des électrons ou des trous. Si vous imaginez réchauffer une extrémité d'une barre en métal et maintenir l'autre rhume de fin, l'extrémité chaude devrait produire de plus de porteurs de charge que l'extrémité froide, ainsi vous terminez avec plus de charge à une extrémité du matériau que l'autre - vous avez une tension. La Nature essaye alors de produire une distribution de charge plus uniforme. Cela signifie que ces porteurs de charge migreront par le matériau, et alors vous avez un courant.

Utilisant cet élan général, nous pouvons développer le courant électrique juste d'une différence de la température. Tous Les matériaux feront ceci dans une certaine mesure ; elle se produit juste que l'immense majorité de matériaux la font incroyablement mauvais, ainsi nous ne la remarquons pas. Mais il y a une certaine sélection des matériaux de semi-conducteur qui la font bien bien, et nous pouvons commencer à nous servir de cette alimentation électrique.

Si nous prenons ces matériaux de semi-conducteur et les modifions en mettant des dopants dedans, nous pouvons effectuer les semi-conducteurs de type p qui produisent de beaucoup de trous (charges positives) si passionnés, et de semi-conducteurs de type n qui produisent des électrons. Si nous connectons ces deux types en série, et mettons une différence de la température en travers de les deux ces matériaux, nous pouvons commencer à obtenir des tensions plus élevées. Juste un matériau produira des années 10 à 100 de millivolts en travers de lui, qui est à peine quelque chose. Mais juste comme l'empilement vers le haut de beaucoup de batteries, si vous commencez à daisy chain ces les matériaux de p et de type n ensemble, vous pouvez produire des tensions utiles.

LE WS : Ainsi comment la nanotechnologie aide-t-elle à rendre ces matériaux plus efficaces ?

RD : Il y a deux voies différentes de conduire l'énergie par votre système. On est transfert d'énergie thermique par l'intermédiaire des phonons, qui sont des vibrations du réseau cristallin, et l'autre est par l'intermédiaire des électrons se déplaçant par votre matériau. Ainsi pour un bon matériau thermoélectrique vous voulez que lui a une conduction thermique très faible, mais une conductivité électrique très bonne.

Cependant, si vous pensez au cuivre, par exemple, elle a une bonne conductivité électrique, qui est pourquoi nous l'utilisons en fils, mais nous l'utilisons également dans les bouilloires, parce que c'est un bon conducteur thermique aussi bien, et c'est réellement réellement mauvais pour l'effet thermoélectrique. Et si vous allez l'autre voie, aux isolants comme la céramique et les glaces, elles sont bonnes pour l'isolation de l'énergie thermique, mais elles sont également de bons isolants électriques. Ainsi vous livrez toujours bataille essayant de trouver un matériau qui a le bon ensemble de propriétés pour l'effet thermoélectrique.

Il y a Heureusement une différence dans des échelles de longueur pour la conduction thermique et électrique. La conduction Thermique tend à se produire au-dessus des distances relativement grandes, ainsi de la course d'ondes de phonon une longue distance avant qu'elle soit dispersée ou réfléchie, mais les électrons tendent à rebondir autour partout. Ainsi si vous mettez une certaine structure de nanoscale dans votre matériau, vous pouvez perturber les phonons, parce que votre matériau n'a pas assez d'une structure périodique pour développer une onde pertinente des vibrations par la structure cristalline, mais les électrons ne sont pas affectés, parce qu'ils dispersent déjà à une échelle beaucoup plus petite de longueur. Ainsi avec des nanostructures, vous pouvez réduire la conduction thermique, mais mettez à jour une bonne conductivité électrique, ainsi la performance du matériau thermoélectrique monte.

Avec les amortisseurs à énergie solaire, nous essayons de jouer un tour assimilé en structurant les matériaux ainsi ils ont réellement la réflectivité, tellement très peu des rebondissements de radiothérapie de la lumière d'incident hors de la surface, et elle toute obtient absorbée.

En combinant ces deux aspects de nanotechnologie ensemble, utilisant ces petites structures mêmes, nous pouvons obtenir les matériaux qui absorbent l'énergie solaire réellement bien, et les matériaux qui ont de bonnes propriétés thermoélectriques aussi bien. Et les matériaux eux-mêmes ne sont pas exotiques - c'est le nanostructure qui donne les propriétés améliorées par matériaux, avec les mêmes matériaux pendant la phase en vrac.

LE WS : Comment cette technologie bénéficiera-t-elle des soldats dans le champ de bataille ?

RD : Fondamentalement, nous regardons augmentants le domaine d'un soldat - augmentant le laps de temps il ou il peut rester à partir de la base, et de diminuer le montant qu'ils doivent transporter autour. Le soldat moyen a environ 70 kilogrammes sur leur arrière en service ou à l'extérieur sur la patrouille, et énormément de ce est grammage de batterie. En Fait, beaucoup de c'est des remontages pour les batteries qui sont dans le matériel déjà. Ainsi si vous pouvez effectuer aux batteries dernier plus long, elles peuvent rester à l'extérieur pour plus longtemps, transportent plus de nourriture, plus de munitions.

Donc il y a les avantages réels si vous pouvez réduire la charge de l'énergie enregistrée qu'elles doivent transporter autour avec elles. Et vous pouvez commencer à faire quelques choses excitantes réellement aussi bien, si vous réduisez de celui au rétablissement plus localisé d'énergie. Par exemple, un senseur, qui pourrait balayer pour des crises chimiques ou d'autres risques, pourrait être actionné par un petit juste thermoélectrique de dispositif à côté de lui, ainsi vous n'a pas besoin de fileter des câbles du pack batterie pour l'actionner.

LE WS : De Combien de courant un système thermoélectrique portatif a-t-il pu faisable produire ?

RD : Bien il dépend combien grand l'alignement est, juste comme avec les piles solaires. Avec les piles solaires nous parlons habituellement de la « alimentation électrique par mètre carré », et c'est exact pareil pour le thermoelectrics - plus la zone au-dessus dont il fonctionne est grande, plus l'alimentation électrique qu'il développe. Ainsi le défi est de heurter le même tri des niveaux que nous voyons des piles solaires - environ 100 mW/cm2.

Cependant, avec les systèmes thermoélectriques, l'alimentation électrique que vous produisez également des augmentations avec la différence de la température. Ainsi vous pourriez avoir une vaste zone travailler à une petite différence de la température - pour dire la température ambiante à la température corporelle d'un soldat, différence d'environ 16 °C.

Alternativement, vous pourriez avoir une plus petite, dédiée zone absorbante solaire qui réchauffe avec l'exposition à la lumière solaire. Même dans Cranfield en mars, parvenu à chauffer un certain matériau absorbant solaire jusqu'au °C 70 ou 80 juste en le reposant sur le rebord de fenêtre dans le bureau. De sorte que donne t'une différence de la température du °C 60, et à celui peut commencer à obtenir vous plus près des années 10 ou 100 de mW/cm2, qui est une quantité d'énergie utile.

LE WS : Combien de temps le pensez-vous serez-vous avant que nous commencions à voir des technologies personnelles de rétablissement d'énergie dans des produits de consommation, ainsi que dans le secteur militaire ?

RD : Moins de temps que vous pensent Probablement. Dans l'environnement militaire, s'il se brise vous êtes là êtes des répercussions sérieuses, ainsi les dispositifs doivent être différents des types plus robustes et de tenues d'environnements qu'ils pourraient devoir être pour des applications civiles. Et c'est une chose réellement fraîche pour les gadgets de remplissage - juste pensant au sujet combien de gens de gadgets possèdent et transportent autour, c'est la solution typique « du jouet d'un garçon » pour les maintenir tout facturés plus longtemps. De sorte que le marché ait faim pour celui aimable de l'application.

En termes desquels va venir d'abord, les applications commerciales militaires ou, Je ne voudrais pas ne mettre aucun argent là-dessus. Je peux voir il y a des applications militaires très claires, mais également beaucoup de zones commerciales intenses, ainsi Je penserais qu'elles apparaîtront à la même heure. Quant au tri de la période, nous commençons à voir des produits de proche-à-marché venir en ligne déjà, ainsi il n'est pas très loin. Cependant, ils sont basés sur des technologies conventionnelles - les matériaux thermoélectriques existants qui ne sont pas cela nanostructured du tout. Ils sont intégrés avec faire cuire le matériel pour camper, par exemple, où les grands gradients de température sont disponibles. Donc il y a substance à l'extérieur là déjà, mais ce sera probablement des autres années avant que nous voyions le côté nano de lui apparaissant.

LE WS : Quelles sont certaines des prochaines grandes découvertes que nous verrons des gens travailler en circuit dans les prochaines années ?

RD : Une des choses excitantes réellement essaye d'obtenir ces choses intégrées dans des textiles et des tissus, ainsi elles deviennent une pièce du système - nous parlant ayant une chose de taille d'une boîte d'allumettes ne sommes pas cousus au côté de votre couche, ces choses deviendrions une partie intégrante du vêtement.

Ainsi, vous pouvez l'imaginer, pour des soldats, deviendriez une partie de leur sac à dos, par exemple - le tissu même que leur sac à dos est effectué à partir serait l'élément thermoélectrique actif. Ainsi vous essayez de nouveau de réduire tout le grammage que le soldat transporte autour, et de fournir entièrement un progiciel intégré.

Et c'est un vrai défi - l'essai d'effectuer ces choses sur un substrat plat comme une pièce de silicium est assez provocant. Essayant de l'effectuer sur une structure 3D, une structure tissée est très passionnante.

LE WS : Que vous a inspiré commencer à travailler aux matériaux thermoélectriques et à d'autres technologies personnelles de rétablissement d'énergie ?

RD : Je suis un scientifique de matériaux par chemin de fer, et les nanomaterials actifs ont toujours été une zone passionnante à fonctionner dedans. Le concept de travailler au rétablissement personnel d'énergie est en particulier venu environ d'un certain nombre de différentes choses.

En Partie c'était frustration de faire un bon nombre de déplacement, et en ayant des batteries de téléphone épuisez-vous tout au plus le moment inopportun, en n'ayant jamais une remarque de remplissage à l'aéroport, ou en ayant le type d'extorsion de fiche.

Alors J'ai affiché quelques articles sur la façon dont la télécommunication se développait en Afrique - elles ont juste manqué à l'extérieur la chose entière de lignes terrestres, et le droit allé aux mobiles. Le nombre d'utilisateurs nomades en Afrique est simplement staggering, et il est plus élevé qu'en Europe ou Amérique, parce que nous avons toujours les lignes terrestres. Elles ont manqué à l'extérieur ce concept entier de la mise dans une architecture fixe pour des téléphones, et est-ce que cela m'a obtenu pensant - pourrions-nous juste manquer à l'extérieur le concept de la mise dans une architecture fixe pour la distribution d'énergie ?

Même le R-U et en Europe, où nous avons National Grid qui est connecté partout, elle n'adapte plus réellement à nos modes de vie actifs. Même dans un bureau, vous pouvez avoir des sockets d'alimentation électrique dans la paroi à côté de votre bureau, mais si votre bureau est au milieu d'un grand bureau, de lui obtenir l'alimentation électrique pouvez être toujours tout à fait difficile - et c'est juste dans votre bureau, avec l'alimentation électrique prétendu partout.

Et elle obtient juste plus dur pendant que vous laissez le bâtiment et allez extérieur - l'obtention de l'alimentation électrique sur le mouvement est tout à fait provocante. Alors en dehors de la ville, dans des environs ruraux, l'alimentation électrique n'est pas réellement toujours autour. Et c'est tout dans un pays développé avec une infrastructure d'alimentation électrique.

Ainsi Je pense qu'il y a un marché réel pour l'alimentation électrique au watt au domaine de kilowatt - assez pour servir des personnes ou une famille, reliant peut-être et actionnant un village.

C'est réellement un genre d'élan « ascendant » à actionner - qui est très approprié quand nous parlons de la nanotechnologie et de la fabrication « ascendante » !

Au Sujet de Professeur Robert Dorey

Robert Dorey retient une Présidence en Nanomaterials à l'Université de Cranfield, et fait partie de l'Institut Extérieur de la Science et de Nanotechnologie. Il aboutit un groupe de principale recherche sur le nano et le microtechnology dans l'énergie et l'environnement. Son travail de recherches explore trois thèmes en corrélation :

  • Solutions Personnelles de rétablissement d'énergie basées sur les matériaux et les dispositifs fonctionnels comprenant les matériaux de cellules à combustible d'oxyde, thermoélectriques, ferroélectriques, pyroelectric et piézoélectriques solides.
  • Senseurs Environnementaux et structurels de surveillance de la santé
  • Artères de traitement Favorables à l'environnement pour l'usage réduisant à un minimum d'énergie, de matériau et de produit chimique.


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

Last Update: 16. February 2013 16:45

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