Personlig EnergiUtveckling med Thermoelectric Material: En Intervju med Prof. Robert Dorey

Professor Robert Dorey, Stol i Nanomaterials, Cranfield Universitetar.
Motsvarande Författare: r.a.dorey@cranfield.ac.uk

Professorn Robert Dorey leder en forskninggrupp på den Cranfield Universitetar som undersöker applikationen av nanomaterials i energi- och miljösektorerna. I denna ”Tänkte Ledare” intervju honom talar för att Ska Soutter om hans arbete på personliga energiutvecklingsteknologier, som ska har många applikationer i den militära sektoren såväl som i konsumentapparater.

WS: Kan du behaga skisserar typerna av personliga energiutvecklingsteknologier dig att ha varit funktionsduglig på?

RD: Det finns många typer av olika personliga energiutvecklingsteknologier - piezoelectrics, tanka celler, Etc. - de huvudsakliga som är funktionsdugliga med på ögonblicket, baseras på thermoelectric material och sol- absorbing material, som kompletterar varje annat i ett egentligen användbart långt.

Ett thermoelectric materiellt kan frambringa elektriskt driver från en temperaturskillnad, och de sol- absorbing materialen låter oss konvertera solljus in i värmer - de låter vår temperaturbehållare värma upp effektivare. , när Så du kommer med tvåna tillsammans in i en apparat, kan du effektivt frambringa driver från det thermoelectric verkställer.

Det thermoelectric materiellt är det med den mest intressant vetenskapen bak den och det som folket inte kan ha kommit across för. Om du värmer upp any materiellt, upphetsar spela golfboll i hål du laddningsbärare in i ledningsmusikbandet - endera elektroner eller. Om du föreställer att värma upp en för att avsluta av en belägga med metall bomma för och, hålla annat avsluta förkylning, hoade avslutar bör frambringa mer laddningsbärare, än förkylningen avslutar, så du avslutar med mer laddning på en avslutar upp av det materiellt än annan - you've fick en spänning. Försök för Natur därefter att skapa en mer enhetlig laddningsfördelning. De ska laddningsbärare migrate till och med det materiellt Att hjälpmedel som och därefter you've, fick en ström.

Genom Att Använda denna general att närma sig, oss kan frambringa elektriskt driver precis från en temperaturskillnad. Alla ska material gör detta till någon grad; den händer precis att stora majoriteten av material gör den incredibly dåligt, så vi märker inte den. Men det finns ett bestämt val av halvledarematerial som gör det ganska väl, och vi kan starta danandebruk av det för att driva.

Om vi tar de halvledarematerial och ändrar dem, genom att sätta dopants in, kan vi göra p-typ halvledare som frambringar en radda spela golfboll i hål (realitetladdningar) när värmde och n-typ halvledare som frambringar elektroner. Om vi förbinder dessa två typer i serier och sätter en temperaturskillnad över båda av de material, kan vi starta att få högre spänningar. Precis ett ska materiellt frambringar 10's till 100s av millivolt över den, som är knappt något. Men gilla precis att stapla upp många batterier, om du startar till tusenskönan kedjar dessa p, och n-typ material tillsammans, dig kan frambringa användbara spänningar.

WS: Hur Så hjälper nanotechnology att göra dessa material effektivare?

RD: Det finns två olika väg av att föra energi till och med ditt system. En är överföringen för termisk energi via phonons, som är vibrationer av det crystal gallret, och annan är via elektroner som reser till och med ditt materiellt. Så för ett bra thermoelectric materiellt önskar du att det ska ha en mycket fattig termisk conductivity, men en mycket bra elektrisk conductivity.

Emellertid om du funderare förkopprar omkring, för, anföra som exempel, det har en bra elektrisk conductivity, som är därför vi använder den binder in, men vi använder också den i kettles, därför att det är en bra termisk ledare som väl, och det är faktiskt bjöd egentligen för det thermoelectric verkställer. Och, om du går annan långt, till lik keramik för isolatorer och exponeringsglas, är de bra på att isolera från termisk energi, men de är också bra elektriska isolatorer. Så slåss du alltid en pröva strid för att finna ett materiellt som har den högra uppsättningen av rekvisita för det thermoelectric att verkställa.

Lyckligtvis det finns en skillnad i längdfjäll för termisk och elektrisk ledning. Termisk ledning ansar för att uppstå över förhållandevis stort distanserar, så phononen vinkar reser ett långdistans-, för den sprids eller reflekteras, men elektroner ansar för att studsa runt om all över förlägga. , om Så du sätter någon nanoscale, strukturera in i ditt materiellt, dig kan avbryta phononsna, därför att ditt materiellt inte har nog av ett periodiskt att strukturera för att framkalla ett effektivt vinkar av vibrationer till och med kristallen strukturerar, men elektronerna inte påverkas, därför att de är redan spridningen på ett mycket mindre längdfjäll. Så med nanostructures, kan underhåller du förminska den termiska conductivityen, men en bra elektrisk conductivity, så kapaciteten av det thermoelectric materiellt går upp.

Med de sol- energinågot som absorberar någonting är vi prövas att leka ett liknande trick, genom att strukturera materialen, så de har egentligen reflexionsförmåga, så mycket lite av utstrålningsdunen för incidentet lätt av ytbehandla, och all den får absorberad.

Genom att kombinera de två aspekter av nanotechnology tillsammans som använder dessa mycket lilla, strukturerar, kan vi få material, som absorberar den sol- brunnen för energi egentligen, och material som har bra thermoelectric rekvisita som väl. Och materialen sig själv är inte exotiska - det är nanostructuren, som ger den material förbättrade rekvisitan som jämförs med de samma materialen i ien stora partier, arrangerar gradvis.

WS: Hur ska denna teknologi gynnar soldater i slagfältet?

RD: I stort ser vi ökande spänna av en ökande soldat - tidsperioden honom, eller hon kan staget i väg från basera, och minska beloppet som de måste att bära omkring. Den genomsnittliga soldaten har omkring 70 kg på deras baksida i tjänste- eller ut på patrull, och ganska väger en radda, som är batteriet. Faktiskt en radda är det utbyten för batterierna som är i utrustningen redan. , om Så du kan göra batterierna sist längre, kan de staget ut för longer, att bära mer mat, mer ammunition.

Så det finns verkligt gynnar, om du kan förminska ladda från den lagrade energin som de måste att bära omkring med dem. Och du kan starta att göra någon egentligen spännande saker som väl, om du fjäll besegrar från det till mer lokaliserad energiutveckling. Till exempel kunde en avkännare, som kunde avläsa för kemiska attacker, eller annan äventyrar, drivas av en liten thermoelectric apparat rätt bredvid den, så dig behöver inte att draga kablar från batteripacken för att driva den.

WS: Hur mycket kunde strömmen ett bärbart thermoelectric system feasibly frambringa?

RD: Brunnen beror den, hur stort samlingen är, precis att gilla med sol- celler. Med sol- celler som vi talar vanligt om ”, driva per kvadrerar mäter”, och den är exakt samma med thermoelectrics - större området, som det fungerar över, mer driver det frambringar. Så är utmaningen att slå samma sorterar av jämnar att vi ser från sol- celler - omkring 100 mW/cm2.

Emellertid med thermoelectric system, driva som du frambringar också förhöjningar med temperaturskillnaden. Så kunde du ha ett arbete för stort område på en liten temperaturskillnad - något att sägarumstemperatur till en soldat att förkroppsliga temperaturen, skillnad för omkring 16 °C.

Alternativt kunde du ha mindre hängivet sol- absorbera zonplanerar som värmer upp med exponering till solljus. Även i Cranfield i Mars som klaras av för att värma någon sol- absorberande materiell upp till °C 70 eller 80 precis av sammanträde det på fönsterbrädan i kontoret. Så att ger dig en temperaturskillnad av °C 60, och det kan starta att få dig närmare 10's, eller 100s av mW/cm2, som är ett användbart belopp av, driver.

WS: Hur long är du funderare ska det, för vi startar att se personliga energiutvecklingsteknologier i konsumtionsprodukter, såväl som i den militära sektoren?

RD: Antagligen mindre tid än dig funderare. I den militära miljön om den bryter, är du där är allvarliga återverkningar, så apparaterna behöver att vara för mer robustt och motståndskraft olika typer av miljöer, än de kan behov att vara för civila applikationer. Och det är egentligen ett kylating för laddande grejer - som precis är tänkande om, hur många grejfolket äger och bär omkring, är det en typisk ”pojke den toy” lösningen för att hålla dem all laddade för longer. Så att marknadsföra är hungrigt för den sort av applikationen.

I benämner av vilket går att komma först, militären, eller reklamfilmapplikationer, skulle Jag inte likt att sätta några pengar på den. Jag kan se att det finns mycket klara militära applikationer, men också områden för en reklamfilm för radda starka, så Jag skulle funderare som de ska syns på omkring den samma tiden. Som för sortera av tid spänna över, är vi början som ska ses för near-till-att marknadsföra kommande on-line för produkter redan, så det är inte mycket långväga. Emellertid baseras de på konventionella teknologier - existerande thermoelectric material som inte är det nanostructured alls. De integreras med matlagningutrustning för att campa, till exempel, var stora temperaturlutningar är tillgängliga. Så det finns stoppar ut där redan, men det ska är antagligen another kopplar ihop av år, för vi ser den nano sidan av den som syns.

WS: Är Vad några av de nästa stora genombrotten som vi ska ser folk som var funktionsdugligt på i de nästa få åren?

RD: En av den egentligen spännande saker är pröva att få dessa saker integrerad in i textilar och tyger, så de blir en del av systemet - vi inte talar om att ha ettstorleksanpassat ting att sys till sidan av ditt täcker, dessa skulle saker blir en integraldel av plagget.

Så kan du föreställa, för soldater, det skulle bliven del av deras ryggsäck, för anföra som exempel - det very tyget, att deras ryggsäck göras från skulle, är den thermoelectric beståndsdelen för aktivet. Så är du igen pröva att förminska slutsumman väger, att soldaten bär omkring, och att leverera ett fullständigt inbyggt paketerar.

Och det är en pröva verklig utmaning - är att göra dessa saker på en lägenhetsubstrate att gilla en lappa av silikoner utmana nog. Pröva att göra det på en 3D att strukturera, vävd strukturerar är mycket spännande.

WS: Vilket inspirerat dig som startar arbetet på thermoelectric material och andra personliga energiutvecklingsteknologier?

RD: Jag förmiddagen en materialforskare, genom att utbilda och aktivnanomaterials har alltid varit ett spännande område som in fungerar. Begreppet av arbetet på den personliga energiutvecklingen kom i synnerhet omkring från ett nummer av olik saker.

Delvis var det frustration från att göra raddor som reser, och ha ringa batterier som ut körs på det mest inopportune ögonblicket och aldrig att ha en uppladdning peka på flygplatsen, eller ha wringtypen av plugga.

Därefter läste Jag några artiklar på hur telekommunikationar framkallade i Afrika - de har missa precis ut det hela landlinetinget och borta raksträcka till mobiler. Numrera av mobila användare i Afrika vacklar precis, och den är högre, än i Europa eller Amerika, därför att vi stillar, ha landlinesna. De har missa ut att det hela begreppet av att sätta i en fixad arkitektur för ringer, och att fånget mig som var tänkande - kunde oss missa precis ut begreppet av att sätta i en fixad arkitektur för driver fördelning?

Även i UKEN och Europa, var vi har MedborgareRastret, som förbinds överallt, passar den inte egentligen våra något mera aktivlivsstilar. Även i ett kontor, kan du ha att driva håligheter i väggen bredvid ditt skrivbord, men, om ditt skrivbord är i en mitt av ett stort kontor, att få driver till den kan stilla är ganska svår - och det är precis i ditt kontor, med driver förmodligen överallt.

Och det får precis mer hård, som du lämnar byggnaden och går yttersidan - få driva på flyttningen är ganska utmana. Driva är bestämt inte alltid omkring, Därefter utanför staden, i lantlig omgivning. Och allt det är i ett framkallat land med en drivainfrastruktur.

Så är Jag funderare där ett verkligt marknadsför för driver på watten till kW spänner - nog till serveindivider eller ett hushåll som kanske anknyter upp och driver en by.

Det är en sort av ”botten-upp” att närma sig egentligen för att driva - som är anslår mycket när vi talar om fabriks- nanotechnology och ”botten-upp”!

Om Professorn Robert Dorey

Robert Dorey rymmer en Stol i Nanomaterials på den Cranfield Universitetar och är delen av YtbehandlaVetenskaps- och NanotechnologyInstitutet. Han leder en oberoende forskninggrupp på nano och microtechnologyen i energi och miljön. Hans forskningarbete undersöker tre interrelated teman:

  • Personliga energiutvecklingslösningar som baseras på funktionella material och den inklusive fasta oxiden för apparater, tankar thermoelectric, ferroelectric, pyroelectric och piezoelectric material för celler.
  • Miljö- och strukturella vård- övervakningavkännare
  • Miljövänliga bearbeta ruttar för att minimera materiell och kemisk användning för energi.


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

Last Update: 16. February 2013 16:48

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