Geração Pessoal da Energia com Materiais Termoelétricos: Uma Entrevista com Prof. Robert Dorey

Professor Robert Dorey, Cadeira nos Nanomaterials, Universidade de Cranfield.
Autor Correspondente: r.a.dorey@cranfield.ac.uk

O Professor Robert Dorey conduz um grupo de investigação na Universidade de Cranfield que explora a aplicação dos nanomaterials nos sectores da energia e do ambiente. Nesta “Pensou entrevista do Líder”, ele fala Para Querer Soutter sobre seu trabalho nas tecnologias pessoais da geração da energia, que terão muitas aplicações no sector militar, assim como em dispositivos do consumidor.

WS: Pode você por favor esboçar os tipos de tecnologias que pessoais da geração da energia você tem trabalhado sobre?

RD: Há muitos tipos das tecnologias pessoais diferentes da geração da energia - piezoelectrics, células combustíveis, Etc. - principais que trabalham com é baseado neste momento nos materiais termoelétricos e nos materiais absorventes solares, que se complementam em uma maneira realmente útil.

Um material termoelétrico pode gerar a corrente eléctrica de uma diferença da temperatura, e os materiais absorventes solares permitem nós convertam a luz solar no calor - permitem que nosso reservatório da temperatura aqueça-se acima mais eficazmente. Assim quando você traz os dois junto em um dispositivo, você pode eficientemente gerar a potência do efeito termoelétrico.

O material termoelétrico é esse com a ciência a mais interessante atrás dele, e esse que os povos não podem ter vindo transversalmente antes. Se você aquece acima algum material, você excita portador de carga na faixa de condução - elétrons ou furos. Se você imagina aquecer acima uma extremidade de uma barra de metal e manter o outro frio do fim, a extremidade quente deve gerar mais portador de carga do que a extremidade fria, assim que você termina acima com mais carga em uma extremidade do material do que a outro - o you've obteve uma tensão. A Natureza tenta então criar uma distribuição de carga mais uniforme. Isso significa que aqueles portador de carga migrarão através do material, e então o you've obteve uma corrente.

Usando esta aproximação geral, nós podemos gerar a corrente eléctrica apenas de uma diferença da temperatura. Todos Os materiais farão este em certa medida; apenas acontece que a grande maioria dos materiais a faz incredibly deficientemente, assim que nós não a observamos. Mas há uma determinada selecção dos materiais do semicondutor que a fazem bastante bem, e nós podemos começar utilizar essa potência.

Se nós tomamos aqueles materiais do semicondutor e os alteramos pondo entorpecentes dentro, nós podemos fazer o p-tipo semicondutores que geram muitos furos (cargas positivas) quando calorosos, e n-tipo semicondutores que geram elétrons. Se nós conectamos estes dois tipos em série, e pomos uma diferença da temperatura através de ambos aqueles materiais, nós podemos começar obter umas mais altas tensões. Apenas um material gerará 10's a 100 dos milivolts através dele, que é mal qualquer coisa. Mas apenas como o empilhamento acima de muitas baterias, se você começa à corrente de margarida esta p e n-tipo materiais junto, você pode gerar tensões úteis.

WS: Assim como a nanotecnologia ajuda a fazer estes materiais mais eficientes?

RD: Há duas maneiras diferentes de conduzir a energia através de seu sistema. Um é transferência de energia térmica através dos fonão, que são vibrações da estrutura de cristal, e outra é através dos elétrons que viajam através de seu material. Assim para um bom material termoelétrico você quer o ter uma condutibilidade térmica muito deficiente, mas uma condutibilidade elétrica muito boa.

Contudo, se você pensa sobre o cobre, por exemplo, tem uma boa condutibilidade elétrica, que seja porque nós a usamos nos fios, mas nós igualmente usamo-la nas chaleiras, porque é um bom condutor térmico também, e aquele é realmente realmente ruim para o efeito termoelétrico. E se você vai a outra maneira, aos isoladores como a cerâmica e os vidros, são bons no isolamento da energia térmica, mas são igualmente bons isoladores elétricos. Assim você está lutando sempre uma batalha que tenta encontrar um material que tenha o grupo direito de propriedades para o efeito termoelétrico.

Felizmente há escalas de uma diferença de comprimento para a condução térmica e elétrica. A condução Térmica tende a ocorrer sobre distâncias relativamente grandes, assim que o curso das ondas do fonão uma grande distância antes que esteja dispersada ou reflectida, mas os elétrons tendem a saltar ao redor todos os lados. Assim se você põe alguma estrutura do nanoscale em seu material, você pode interromper os fonão, porque seu material não tem bastante de uma estrutura periódica para desenvolver uma onda eficaz das vibrações através da estrutura de cristal, mas os elétrons não são afetados, porque já estão dispersando em uma escala muito menor do comprimento. Assim com nanostructures, você pode reduzir a condutibilidade térmica, mas mantem uma boa condutibilidade elétrica, assim que o desempenho do material termoelétrico vai acima.

Com os "absorber" de energia solar, nós estamos tentando jogar um truque similar estruturando os materiais assim que têm realmente a reflectividade, tão muito pouco dos saltos da radiação da luz de incidente fora da superfície, e toda obtem absorvida.

Combinando aqueles dois aspectos da nanotecnologia junto, usando estas estruturas muito pequenas, nós podemos obter os materiais que absorvem a energia solar realmente bem, e os materiais que têm boas propriedades termoelétricos também. E os materiais eles mesmos não são exóticos - é o nanostructure que dá as propriedades melhoradas materiais, comparado com os mesmos materiais na fase maioria.

WS: Como esta tecnologia beneficiará soldados no campo de batalha?

RD: Basicamente, nós estamos olhando crescentes a escala de um soldado - aumentando a quantidade de tempo ele ou pode ficar longe da base, e de diminuir a quantidade que têm que levar ao redor. O soldado médio tem ao redor 70 quilogramas em sua parte traseira no serviço ou para fora na patrulha, e bastante muito que está a um peso da bateria. Realmente, muito é substituições para as baterias que estão no equipamento já. Assim se você pode fazer às baterias último mais longo, pode ficar para fora para mais por muito tempo, leva mais alimento, mais munição.

Tão há uns benefícios reais se você pode reduzir a carga da energia que armazenada têm que levar ao redor com ele. E você pode começar fazer algumas coisas realmente emocionantes também, se você reduz proporcionalmente daquele à geração mais localizada da energia. Por exemplo, um sensor, que poderia fazer a varredura para ataques químicos ou outros perigos, poderia ser posto por um direito termoelétrico pequeno do dispositivo ao lado dele, assim que por você não precisa de rosquear cabos do bloco da bateria para pô-lo.

WS: Quanto corrente podia um sistema termoelétrico portátil praticàvel gerar?

RD: Bem depende como grande a disposição é, apenas como com células solares. Com células solares nós falamos geralmente sobre a “potência pelo medidor quadrado”, e é exactamente o mesmo com thermoelectrics - mais grande a área sobre que se opera, mais a potência que gera. Assim o desafio é bater meio o mesmos os níveis que nós estamos vendo das células solares - aproximadamente 100 mW/cm2.

Contudo, com sistemas termoelétricos, a potência que você gera igualmente aumentos com a diferença da temperatura. Assim você poderia ter uma grande área trabalhar em uma diferença pequena da temperatura - para dizer a temperatura ambiente à temperatura corporal de um soldado, uma diferença de aproximadamente 16 °C.

Alternativamente, você poderia ter uma zona absorvente solar menor, dedicada que se aquecesse acima com exposição à luz solar. Mesmo em Cranfield em março, controlado aquecer algum material absorvente solar até o °C 70 ou 80 apenas sentando o na soleira no escritório. De modo que dê a lhe uma diferença da temperatura do °C 60, e àquele pode começar obter o mais perto dos 10's ou 100 de mW/cm2, que é uma quantidade de potência útil.

WS: Quanto tempo você o pensa estará antes que nós comecemos ver tecnologias pessoais da geração da energia nos produtos de consumo, assim como no sector militar?

RD: Provavelmente menos tempo do que você pensa. No ambiente militar, se quebra você é lá é repercussões sérias, assim que os dispositivos precisam de ser uns tipos diferentes dos mais robustos e withstand de ambientes do que puderam precisar de ser para aplicações civis. E é uma coisa realmente fresca para os dispositivos cobrando - apenas pensando sobre quantos povos dos dispositivos possuem e estão levando ao redor, é solução do brinquedo de um “menino típico” para mantê-los cobrados toda para mais por muito tempo. De modo que o mercado esteja com fome para aquele amável da aplicação.

Em termos de qual está indo vir primeiramente, as aplicações militares ou comerciais, Eu não gostaria de pôr nenhum dinheiro sobre ele. Eu posso ver há umas aplicações militares muito claras, mas igualmente muitas áreas comerciais fortes, assim que Eu pensaria que aparecerão aproximadamente ao mesmo tempo. Como para meio o prazo, nós estamos começando a ver produtos do próximo-à-mercado vir em linha já, assim que não está muito longe. Contudo, são baseados em tecnologias convencionais - os materiais termoelétricos existentes que não são aquele nanostructured de todo. Estão sendo integrados com cozimento do equipamento para acampar, por exemplo, onde os grandes inclinações de temperatura estão disponíveis. Tão há material lá fora já, mas será provavelmente um outro par de anos antes que nós ver o lado nano dele que aparece.

WS: Que são algumas das descobertas grandes seguintes que nós veremos povos trabalhar sobre nos próximos anos?

RD: Uma das coisas realmente emocionantes está tentando obter estas coisas integradas em matérias têxteis e em telas, assim que transformam-se uma parte do sistema - nós não estamos falando sobre ter uma coisa caixa de fósforos-feita sob medida costurada ao lado de seu revestimento, estas coisas transformarí-nos-amos uma parte integrante do vestuário.

Assim, você pode imaginá-lo, para soldados, transformar-se-ia peça de sua trouxa, por exemplo - a tela mesma que sua trouxa está feita de seria o elemento termoelétrico activo. Assim você está tentando outra vez reduzir o peso total que o soldado está levando ao redor, e entregar um pacote inteiramente integrado.

E aquele é um desafio real - tentar fazer estas coisas em uma carcaça lisa como uma parte de silicone é desafiante bastante. Tentando fazê-la em uma estrutura 3D, uma estrutura tecida é muito emocionante.

WS: Que o inspirou começar trabalhar em materiais termoelétricos e em outras tecnologias pessoais da geração da energia?

RD: Eu sou um cientista dos materiais treinando, e os nanomaterials activos foram sempre uma área emocionante a trabalhar dentro. O conceito do trabalho na geração pessoal da energia veio em particular aproximadamente de um número de coisas diferentes.

Em Parte era frustração de fazer lotes da viagem, e tendo baterias do telefone execute para fora no máximo o momento inoportuno, nunca tendo um ponto cobrando no aeroporto, ou tendo o tipo torcer-se de tomada.

Então Eu li alguns artigos em como as telecomunicações se estavam tornando em África - apenas faltaram para fora a coisa inteira da linha terrestre, e foram em linha recta aos móbeis. O número de usuários móveis em África é apenas staggering, e é mais alto do que em Europa ou em América, porque nós ainda temos as linha terrestres. Faltaram para fora esse conceito inteiro da colocação em uma arquitetura fixa para telefones, e aquela obteve-me que pensa - poderíamos nós apenas faltar para fora o conceito da colocação em uma arquitetura fixa para a distribuição de potência?

Mesmo no REINO UNIDO e na Europa, onde nós temos National Grid que é conectado em toda parte, não sere realmente nossos estilos de vida activos any more. Mesmo em um escritório, você pode ter os soquetes de potência na parede ao lado de sua mesa, mas se sua mesa é no meio de um grande escritório, de obter-lhe a potência pode ainda ser bastante difícil - e aquela está apenas em seu escritório, com potência suposta em toda parte.

E apenas obtem mais duramente enquanto você deixa a construção e vai parte externa - obter a potência no movimento é bastante desafiante. Então fora da cidade, em arredores rurais, a potência não está definida sempre ao redor. E aquele está todo em um país desenvolvido com uma infra-estrutura da potência.

Assim Eu penso que há um mercado real para a potência no watt à escala do quilowatt - bastante para servir indivíduos ou um agregado familiar, ligando talvez acima e pondo uma vila.

É realmente um tipo da aproximação “de baixo para cima” a pôr - que é muito apropriada quando nós estamos falando sobre a nanotecnologia e a fabricação “de baixo para cima”!

Sobre o Professor Robert Dorey

Robert Dorey guardara uma Cadeira nos Nanomaterials na Universidade de Cranfield, e é parte do Instituto De Superfície da Ciência e da Nanotecnologia. Conduz um grupo de investigação independente em nano e a microtecnologia na energia e no ambiente. Seu trabalho de pesquisa explora três temas relacionados:

  • Soluções Pessoais da geração da energia baseadas em materiais funcionais e nos dispositivos que incluem materiais contínuos das células combustíveis do óxido, os termoelétricos, os ferroelectric, os pyroelectric e os piezoeléctricos.
  • Sensores Ambientais e estruturais da monitoração de saúde
  • Rotas de processamento A favor do meio ambiente para o uso de minimização da energia, do material e do produto químico.


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

Last Update: 16. February 2013 16:47

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