De Persoonlijke Generatie van de Energie met Thermo-elektrische Materialen: Een Gesprek met Prof. Robert Dorey

Professor Robert Dorey, Stoel in Nanomaterials, Universiteit Cranfield.
Overeenkomstige Auteur: r.a.dorey@cranfield.ac.uk

Professor Robert Dorey leidt een onderzoeksteam bij Universiteit Cranfield die de toepassing van nanomaterials in de energie en milieusectoren onderzoeken. In dit gesprek van de „Gedachte Leider“, spreekt hij aan Zal Soutter over zijn werk aangaande de persoonlijke technologieën van de energiegeneratie, die vele toepassingen in de militaire sector, evenals in de apparaten van de consument zullen hebben.

WS: Kunt u de soorten de persoonlijke alstublieft schetsen technologieën van de energiegeneratie u hebben gewerkt aan?

RD: Er zijn vele soorten de verschillende persoonlijke technologieën van de energiegeneratie - piezoelectrics, brandstofcellen, enz. - de belangrijkste die werken met op het ogenblik is gebaseerd op thermo-elektrische materialen en zonne absorberende materialen, die elkaar op een werkelijk nuttige manier aanvullen.

Een thermo-elektrisch materiaal kan elektromacht van een temperatuurverschil produceren, en de zonne absorberende materialen staan ons toe om zonlicht in hitte om te zetten - zij staan ons temperatuurreservoir toe om omhoog effectiever te verwarmen. Zo wanneer u twee in één apparaat bijeenbrengt, kunt u macht van het thermo-elektrische effect efficiënt produceren.

Het thermo-elektrische materiaal is met de interessantste wetenschap achter het, en dat de mensen niet kunnen voordien overgekomen zijn. Als u omhoog om het even welk materiaal verwarmt, wekt u lastencarriers in de geleidingsband op - of elektronen of gaten. Als u verwarmend omhoog één eind van een metaalbar veronderstelt en houdend de andere eindkoude, zou het hete eind meer lastencarriers moeten produceren dan het koude eind, zodat beëindigt u omhoog aan de ene kant met meer last van het materiaal dan andere - u hebt een voltage. De Aard probeert dan om tot een meer eenvormige lastendistributie te leiden. Dat betekent die lastencarriers door het materiaal zullen migreren, en dan u een stroom hebt.

Gebruikend deze algemene benadering, kunnen wij elektromacht enkel van een temperatuurverschil produceren. Alle materialen zullen dit in zekere mate doen; het gebeurt enkel dat de overgrote meerderheid van materialen het ongelooflijk slecht doet, zodat merken wij het niet op. Maar er is een bepaalde selectie van halfgeleidermaterialen die het vrij goed doen, en wij kunnen beginnen van die macht gebruik te maken.

Als wij die halfgeleidermaterialen nemen en hen door additieven aan te brengen wijzigen, kunnen wij p-type halfgeleiders maken die heel wat gaten (positieve lasten) produceren wanneer verwarmde, en n-type halfgeleiders die elektronen produceren. Als wij deze twee types in reeks, verbinden en een temperatuurverschil over allebei van die materialen zetten, kunnen wij beginnen hogere voltages te krijgen. Enkel één materiaal zal 10 aan 100's van millivolts over het produceren, die nauwelijks om het even wat is. Maar enkel als omhoog het stapelen van vele batterijen, als u aan madeliefjeketting deze p en n-type materialen samen begint, kunt u nuttige voltages produceren.

WS: Zo hoe helpt de nanotechnologie om deze materialen efficiënter te maken?

RD: Er zijn twee verschillende manieren om energie door uw systeem te leiden. Men is thermische energieoverdracht via fononen, die trillingen van het kristalrooster zijn, en andere is via elektronen die door uw materiaal reizen. Zo voor een goed thermo-elektrisch materiaal wilt u het een zeer slecht warmtegeleidingsvermogen, maar een zeer goed elektrogeleidingsvermogen hebben.

Nochtans, als u over koper, bijvoorbeeld denkt, heeft het een goed elektrogeleidingsvermogen, dat is waarom wij het in draden gebruiken, maar wij gebruiken het ook in ketels, omdat het eveneens een goede thermische leider is, en dat is eigenlijk werkelijk slecht voor het thermo-elektrische effect. En als u de andere manier, naar isolatie zoals keramiek en glazen gaat, zijn zij goed bij het isoleren van thermische energie, maar zij zijn ook goede elektroisolatie. Zo u altijd een slag proberend bestrijdt om een materiaal te vinden dat de juiste reeks eigenschappen voor het thermo-elektrische effect heeft.

Gelukkig is er een verschil in lengteschalen voor thermische en elektrogeleiding. De Thermische geleiding neigt om over vrij grote afstanden voor te komen, zodat reizen de fonongolven een lange afstand alvorens het wordt verspreid of weerspiegeld, maar de elektronen neigen om rond helemaal over de plaats te stuiteren. Zo als u één of andere nanoscalestructuur in uw materiaal zet, kunt u de fononen onderbreken, omdat uw materiaal genoeg van een periodieke structuur niet heeft een efficiënte golf van trillingen door de kristalstructuur te ontwikkelen, maar de elektronen worden niet beïnvloed, omdat zij zich reeds bij een veel kleinere lengteschaal verspreiden. Zo met nanostructures, kunt u het warmtegeleidingsvermogen verminderen, maar handhaaft een goed elektrogeleidingsvermogen, zodat gaan de prestaties van het thermo-elektrische materiaal uit.

Met de zonne-energieabsorptievaten, proberen wij om een gelijkaardige truc te spelen door de materialen te structureren zodat hebben zij werkelijk reflectievermogen, zodat zeer stuitert weinig van de inherente lichte straling van de oppervlakte, en het allen wordt geabsorbeerd.

Door die twee aspecten van nanotechnologie te combineren samen, gebruikend deze zeer kleine structuren, kunnen wij materialen die zonne-energie werkelijk goed absorberen, en materialen krijgen die goede thermo-elektrische eigenschappen eveneens hebben. En de materialen zelf zijn niet exotisch - het is nanostructure die de materialen betere eigenschappen geeft, die met de zelfde materialen in de bulkfase worden vergeleken.

WS: Hoe deze technologie aan militairen in het slagveld ten goede komen?

RD: Fundamenteel, bekijken wij het verhogen van de waaier van een militair - verhogend de hoeveelheid tijd hij of zij kan vanaf basis, en het verminderen van het bedrag blijven zij moeten rond dragen. De gemiddelde militair heeft rond 70 kg op hun rug in de dienst of uit op patrouille, en heel wat van dat is batterijgewicht. Eigenlijk, heel wat is het vervangingen voor de batterijen die reeds in de apparatuur zijn. Zo als u de batterijen het laatst kunt langer maken, kunnen zij langer uit blijven voor, meer voedsel dragen, meer munitie.

Zo er zijn echte voordelen als u de lading van de opgeslagen energie kunt verminderen zij rond met hen moeten dragen. En u kunt beginnen sommige werkelijk opwindende dingen te doen eveneens, als u van dat aan meer gelokaliseerde energiegeneratie verlaagt. Bijvoorbeeld, zou een sensor, die voor chemische aanvallen of andere gevaren zou kunnen aftasten, door een klein thermo-elektrisch apparatenrecht naast het kunnen worden aangedreven, zodat te hoeven u om geen kabels van het batterijpak aan macht in te passen het.

WS: Hoeveel stroom kon een draagbaar thermo-elektrisch systeem uitvoerbaar produceren?

RD: Goed hangt het af hoe groot de serie, enkel als met zonnecellen is. Met zonnecellen die wij gewoonlijk over „macht per vierkante meter“ hebben gesproken, en het is precies het zelfde met thermoelectrics - groter het gebied waarover het werkt, de meer macht het produceert. Zo de uitdaging is de zelfde soort niveaus te raken die wij van zonnecellen - ongeveer 100 mW/cm2 zien.

Nochtans, met thermo-elektrische systemen, de macht die u ook produceert stijgt met het temperatuurverschil. Zo kon u een groot gebied hebben werkend aan een klein temperatuurverschil - kamertemperatuur aan de het lichaamstemperatuur van een militair, verschil ongeveer 16 °C zeggen.

Alternatief, kon u een kleinere, specifieke zonne absorberende streek hebben die omhoog met blootstelling aan zonlicht verwarmt. Zelfs in Cranfield in Maart, dat wat zonne absorberend materiaal tot 70 of 80 °C te verwarmen enkel door het op de vensterbank in het bureau wordt beheerd te zitten. Zodat u een temperatuurverschil van 60 °C geeft, en dat kan beginnen u aan 10 of 100's van mW/cm2 dichter te worden, die een nuttige hoeveelheid macht is.

WS: Hoe lang denkt u het zal zijn alvorens wij beginnen de persoonlijke technologieën van de energiegeneratie in verbruiksgoederen, evenals in de militaire sector te zien?

RD: Waarschijnlijk minder tijd dan denkt u. In het militaire milieu, als het u is breekt is er ernstige terugslag, zodat moeten de apparaten robuuster zijn en verschillende types van milieu's weerstaan dan zij zouden kunnen moeten voor burgerlijke toepassingen zijn. En het is een werkelijk koel ding voor het laden van gadgets die - enkel over hoeveel gadgetsmensen denken en dragen rond, is het het stuk speelgoed van een typische „jongen“ de oplossing voor het houden van hen allen langer geladen voor. Zodat de markt voor dat soort toepassing hongerig is.

In termen van welke men gaat eerst komen, de militaire of commerciële toepassingen, zou Ik geen geld op het willen zetten. Ik kan zien er zeer duidelijk zijn militaire toepassingen, maar ook heel wat sterke commerciële gebieden, zodat Ik zou denken zij in ongeveer de zelfde tijd zullen verschijnen. Zoals voor de soort periode, beginnen wij dichtbijgelegen-aan-marktproducten te zien reeds komend online, zodat veel weg is het niet zeer. Nochtans, zijn zij gebaseerd op conventionele technologieën - de bestaande thermo-elektrische materialen die niet dat zijn nanostructured bij allen. Zij worden geïntegreerd met het koken van apparatuur om te kamperen, bijvoorbeeld, waar de grote temperatuurgradiënten beschikbaar zijn. Zo er is materiaal daar reeds, maar het zal waarschijnlijk een ander paar van jaren zijn alvorens wij de nano kant van het zien die verschijnen.

WS: Wat zijn enkele volgende grote doorbraken wij mensen het werken waaraan in de volgende jaren zal zien?

RD: Één van de werkelijk opwindende dingen probeert om deze dingen die in textiel en stoffen worden geïntegreerd te krijgen, zodat worden zij een deel van het systeem - wij niet spreken over het hebben van een lucifersdoosje-gerangschikt ding dat aan de kant van uw laag wordt genaaid, zouden deze dingen een integraal deel van het kledingstuk worden.

Zo, kunt u veronderstellen, voor militairen, zou het deel van hun rugzak, bijvoorbeeld worden - de eigenlijke stof hun rugzak waarwordt gemaakt van zou het actieve thermo-elektrische element zijn. Zo probeert u opnieuw om het totale gewicht te verminderen dat de militair rond draagt, en levert een volledig geïntegreerd pakket.

En dat is een echte uitdaging die - deze dingen op een vlak substraat zoals een stuk van silicium proberen te maken daagt genoeg uit. Proberend om het op een 3D structuur te maken, is een geweven structuur zeer opwekkend.

WS: Wat inspireerde u aan thermo-elektrische materialen en andere persoonlijke technologieën van de energiegeneratie te werken beginnen?

RD: Ik ben een materialenwetenschapper door op te leiden, en actieve nanomaterials zijn altijd een opwindend gebied om geweest binnen te werken. Het concept het werken aan persoonlijke energiegeneratie gebeurde in het bijzonder uit een aantal verschillende dingen.

Gedeeltelijk was het frustratie van het doen van veel het reizen, en het hebben van telefoonbatterijen die uit op het meest ongelegen ogenblik in werking worden gesteld, nooit hebbend een het laden punt bij de luchthaven, of het hebben van wringt type van stop.

Dan las Ik sommige artikelen op hoe de telecommunicaties zich in Afrika ontwikkelden - zij hebben net het gehele landline ding, overgeslagen en rechtstreeks naar mobiles gegaan. Het aantal mobiele gebruikers in Afrika is enkel wankelend, en het is hoger dan in Europa of Amerika, omdat wij nog landlines hebben. Zij hebben dat gehele concept het aanbrengen van een vaste architectuur voor telefoons overgeslagen, en kreeg dat me denkend - konden wij het concept het aanbrengen van een vaste architectuur voor machtsdistributie enkel overslaan?

Zelfs in het UK en Europa, waar wij National Grid hebben wat overal wordt verbonden, meer past het werkelijk onze actieve levensstijlen niet aan. Zelfs in een bureau, kunt u machtscontactdozen in de muur naast uw bureau hebben, maar als uw bureau in het midden van een groot bureau is, kan krijgen van macht aan het nog vrij moeilijk zijn - en dat is vermoedelijk overal enkel in uw bureau, met macht.

En het wordt enkel harder aangezien u het gebouw verlaat en buitenkant die gaat - macht krijgen in beweging is vrij uitdagend. Dan buiten de stad, in landelijke omgeving, is de macht absoluut niet altijd rond. En dat is allen in een ontwikkeld land met een machtsinfrastructuur.

Zo denk Ik er een echte markt voor macht bij de watts aan kilowattwaaier - genoeg is om individuen of een huishouden te dienen, misschien aaneenschakeling omhoog en aandrijvend een dorp.

Het is werkelijk een soort „bottom-up“ benadering van macht - die zeer aangewezen is wanneer wij over nanotechnologie en „bottom-up“ productie spreken!

Ongeveer Professor Robert Dorey

Robert Dorey houdt een Stoel in Nanomaterials bij Universiteit Cranfield, en maakt deel uit van het Instituut van de Wetenschap en van de Nanotechnologie van de Oppervlakte. Hij leidt een onafhankelijk onderzoeksteam op nano en microtechnology in energie en het milieu. Zijn onderzoekswerk onderzoekt drie met elkaar in verband gebrachte thema's:

  • De Persoonlijke oplossingen van de energiegeneratie die op functionele materialen en apparaten met inbegrip van de stevige cellen van de oxydebrandstof, thermo-elektrische, ferroelectric, pyroelectric en piezoelectric materialen worden gebaseerd.
  • Milieu en structurele gezondheid controlesensoren
  • Milieuvriendelijke verwerkingsroutes voor het minimaliseren van energie, materieel en chemisch gebruik.


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

Last Update: 16. February 2013 16:45

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit