与热电材料的私有能源生成: 与罗伯特 Dorey 教授的一次面试

罗伯特 Dorey,在 Nanomaterials 的椅子, Cranfield 大学教授
对应的作者: r.a.dorey@cranfield.ac.uk

罗伯特 Dorey 教授在 Cranfield 大学导致一个研究小组测试 nanomaterials 的应用的在能源和环境部门的。 在此 “认为领导先锋”面试,他联系关于他的工作的 Soutter 在私有能源生成技术,将有在这个军事部门的许多应用,以及在消费者设备。

WS : 您能否请概述您从事私有能源生成技术的种类?

RD : 有不同的私有能源生成技术 - piezoelectrics、燃料电池等等的许多类型 - 运作与的主要部分当时在热电材料和太阳引人入胜的材料基础上,互相补充用一个确实有用的方式。

热电材料可能产生从温度区别的电能,并且太阳引人入胜的材料允许我们转换阳光成热 - 他们允许我们的温度水库更加有效加热。 因此,当您一起带领二进入一个设备时,您能高效地产生从这个温差电效应的功率。

热电材料是那个与在它后的最有趣的科学和人们可能不以前遇到了的那个。 如果您加热任何材料,您激发载流子到传导带 - 电子或漏洞。 如果您想象加热金属棒的一个末端和保留另一结尾感冒,热末端比冷末端应该生成更多载流子,因此您比其他最终获得更多充电在材料的一个末端 - 您有电压。 本质然后设法创建一块更加统一的电荷分布。 那意味那些载流子通过材料将移居,您然后有当前。

使用此通用途径,我们可以产生电能从温度区别。 所有材料将在某种程度上执行此; 它发生绝大多数的材料难以置信地拙劣地执行它,因此我们不注意它。 但是有的半导体材料某一选择相当很好执行它,并且我们可以开始利用该功率。

如果我们采取那些半导体材料并且通过放置掺杂物修改他们,我们可以做生成很多漏洞的p 型的半导体 (正电荷),当加热和生成电子的n 型的半导体。 如果我们连接这两输入串联,并且放置在两个的一个温度区别那些材料间,我们可以开始获得更高的电压。 一材料将生成 20 世纪 10 年代到 100 在它间的毫伏,是几乎任何。 但是象堆积许多电池,如果您开始一起连接花环这些 p- 和 n 型的材料,您能生成有用的电压。

WS : 因此纳米技术是否如何帮助使这些材料更加高效?

RD : 有执行能源二个不同的方式通过您的系统。 一个是热能调用通过声子,是晶格的振动,并且人一个是通过游遍您的材料的电子。 因此为好热电材料您希望它有一种非常粗劣的导热性,但是非常好电导率。

然而,如果,例如,您考虑铜它有好电导率,是我们为什么在电汇使用它,但是我们在水壶也使用它,因为它是一个好热量导体,并且那为这个温差电效应实际上是确实坏的。 并且,如果您去另一个方式,象陶瓷和玻璃的装绝缘体工,他们擅长于绝缘从热能,但是他们也是好电子装绝缘体工。 因此您总是进行设法的争斗查找有正确的套这个温差电效应的属性的材料。

幸运地有热量和电导的长度区别缩放比例。 热量传导倾向于发生在相对地大距离,因此声子通知旅行长途,在分散它或被反射前,但是电子倾向于到处重新启动。 因此,如果您放一些 nanoscale 结构到您的材料,您能打乱声子,因为您的材料没有开发振动一个有效通知的足够一个定期结构通过这种晶体结构,但是电子不受影响,因为他们已经分散在更小的长度等级。 因此与 nanostructures,您可以减少这种导热性,但是维护好电导率,因此热电材料的性能上升。

太阳能吸收体,我们设法通过构建材料播放相似的窍门,因此他们真有入射光辐射跳动的反射性,那么很少表面的,并且它全部获得吸收。

使用这些非常小的结构,通过一起结合纳米技术的那两个方面,我们可以获得确实很好吸收太阳能有好热电属性的材料和材料。 并且材料不是异乎寻常的 - 它是产生材料改进的属性的 nanostructure,比较在批量阶段的同样材料。

WS : 此技术如何在这个战场将有益于战士?

RD : 基本上,我们查看增加战士的范围 - 增加时间他或她可以坚持远离基础和减少他们必须运载的金额。 一般的战士有大约 70 kg 在他们的返回在使用中或在巡逻,并且相当多该是电池重量。 实际上,很多它是已经在设备的电池的替换。 因此,如果您能做电池前更长,他们可以为长期呆在外面,运载更多食物,更多弹药。

因此有真正益处,如果您可以减少从他们必须运载与他们的储能的负荷。 如果您从那缩减到局限化的能源生成,并且您能开始做一些确实扣人心弦的事。 例如,传感器,可能浏览化学攻击或其他危险等级,可能由小的热电设备在它旁边,因此您关闭不需要穿线从电池装箱的电缆关闭它。

WS : 一个可移植的热电系统能可行生成多少当前?

RD : 很好它取决于这个列阵多大是,象与太阳能电池。 太阳能电池我们通常谈论 “功率每平方米”,并且这正确地是一样对于 thermoelectrics - 越大区它产生的它操作,更多功率。 因此这个挑战是击中我们从太阳能电池 - 大约 100 个 mW/cm2 看到的同一类级别。

然而,与热电系统,您也生成增量有温度区别的功率。 因此您可能有一大区运作在一个小的温度区别 - 对战士的体温,大约 16 °C 区别说室温。

或者,您可能有加热与对阳光的暴露的一个更小,专用的太阳引人入胜的区域。 在 Cranfield 在 3月,设法加热一些太阳引人入胜的材料至 70 或 80 °C 通过它坐窗台在办公室。 因此产生您 60 °C 一个温度区别和那能开始获得您离 20 世纪 10 年代较近或 100 mW/cm2,是一个有用的功率。

WS : 您多久认为它,在我们开始看到在消费品前的私有能源生成技术,以及在这个军事部门?

RD : 较少时间比您很可能认为。 在这个军事环境里,如果它中断您是那里是严重的反映,因此设备比他们也许需要为平民应用需要是环境的更加稳健和承受不同的类型。 并且它是充电的小配件的一件确实冷静事情 - 认为关于多少个小配件人员拥有和运载,它是一个典型的 “男孩的保持的他们玩具”解决方法所有收费对长期。 因此市场为那饿亲切应用。

根据哪个首先来,军事或商务应用,我在它上不会希望把任何货币放。 我能看到有非常清楚军事应用,而且很多严格的商业区,因此我会认为他们同时将出现。 关于类时间范围,我们开始发现近对市场产品已经在线来,因此它非常很远不。 然而,他们在常规技术 - 不是 nanostructured 的那的现有的热电材料基础上。 例如,他们集成与烹调野营的设备其中大温度差是可用的。 因此有东西那里已经,但是它很可能将是另一两三年,在我们看到纳诺端的它出现前。

WS : 某些是什么下大突破我们将看见人在今后几年里从事?

RD : 其中一件确实扣人心弦的事情设法获得这些事情集成纺织品和织品,因此他们成为这个系统的部分 - 我们谈论有一件火柴盒尺寸事情没有被缝合对您的外套的端,这些事情会成为这套服装的一个组成部分。

因此,您能为战士想象,它会成为一部分的他们的背包,例如 - 这种织品他们的背包做从是有效的热电要素。 因此您再设法减少这位战士运载的总重量和提供一个充分地集成程序包。

并且那是一个真正的挑战 - 设法做这些事情在象硅部分的一个平面的基体足够富挑战性。 设法做它在 3D 结构,一个被编织的结构是非常扣人心弦的。

WS : 什么启发您开始从事在热电材料和其他私有能源生成技术?

RD : 我是材料科学家乘火车,并且有效的 nanomaterials 总是从事的一扣人心弦的区。 从事的概念在私有能源生成特别是来自一定数量不同的事情。

部分它是从执行许多的失败移动,并且有电话电池不要在这个机场耗尽至多不合时宜的时候,有充电的点或者有插件的绞类型。

然后我读了有些条款关于怎样电信在非洲开发 - 他们错过了全部的输送路线事情,并且去直接移动电话。 移动用户的数量在非洲公正犹豫,并且它高于在欧洲或美国,因为我们仍然有输送路线。 他们错过了放置的该全部的概念在电话的固定的结构,并且那获得了我认为 - 我们可能错过放置的概念在功率分布的固定的结构?

在英国和欧洲,我们有国家网格被连接得到处,它不再确实配合我们有效的生活方式。 在办公室,您能在您的服务台,但是,如果您的服务台是在一个大办公室中间,有功率旁边有在墙壁的电源插座它可以仍然是相当困难的 -,并且那在您的办公室,有功率的推测到处。

并且它艰苦获得,当您留下这个大厦并且去外部 - 获得功率在活动中相当富挑战性。 然后在这个城市之外,在农村周围,功率明确地总是不。 并且那全部在有功率基础设施的一个发达国家。

因此我认为有功率的一个实际市场在瓦特对千瓦范围 - 足够服务单个或家庭,可能链接和关闭村庄的。

它确实是一 “自下向上”途径对是非常适当的电源,当我们谈论纳米技术和 “自下向上”制造时!

关于罗伯特 Dorey 教授

罗伯特 Dorey 在 Cranfield 大学拿着在 Nanomaterials 的一把椅子,并且是表面科学和纳米技术学院的一部分。 他导致在纳诺的一个独立在能源和这个环境的研究小组和微型工艺学。 他的研究工作测试三个交关主题:

  • 在功能材料和设备基础上的私有能源生成解决方法包括固定的氧化物燃料电池,热电,铁电, pyroelectric 和压电材料。
  • 环境和结构上的卫生监测传感器
  • 使减到最小的能源、材料和化学制品用量的不伤环境的处理途径。


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

Last Update: 16. February 2013 16:44

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