與熱電材料的私有能源生成: 與羅伯特 Dorey 教授的一次面試

羅伯特 Dorey,在 Nanomaterials 的椅子, Cranfield 大學教授
對應的作者: r.a.dorey@cranfield.ac.uk

羅伯特 Dorey 教授在 Cranfield 大學導致一個研究小組測試 nanomaterials 的應用的在能源和環境部門的。 在此 「認為領導先鋒」面試,他聯繫關於他的工作的 Soutter 在私有能源生成技術,將有在這個軍事部門的許多應用,以及在消費者設備。

WS : 您能否請概述您從事私有能源生成技術的種類?

RD : 有不同的私有能源生成技術 - piezoelectrics、燃料電池等等的許多類型 - 運作與的主要部分當時在熱電材料和太陽引人入勝的材料基礎上,互相補充用一個確實有用的方式。

熱電材料可能產生從溫度區別的電能,并且太陽引人入勝的材料允許我們轉換陽光成熱 - 他們允許我們的溫度水庫更加有效加熱。 因此,當您一起帶領二進入一個設備時,您能高效地產生從這個溫差電效應的功率。

熱電材料是那個與在它後的最有趣的科學和人們可能不以前遇到了的那個。 如果您加熱任何材料,您激發載流子到傳導帶 - 電子或漏洞。 如果您想像加熱金屬棒的一個末端和保留另一結尾感冒,熱末端比冷末端應該生成更多載流子,因此您比其他最終獲得更多充電在材料的一個末端 - 您有電壓。 本質然後設法創建一塊更加統一的電荷分佈。 那意味那些載流子通過材料將移居,您然後有當前。

使用此通用途徑,我們可以產生電能從溫度區別。 所有材料將在某種程度上執行此; 它發生绝大多數的材料難以置信地拙劣地執行它,因此我們不注意它。 但是有的半導體材料某一選擇相當很好執行它,并且我們可以開始利用該功率。

如果我們採取那些半導體材料并且通過放置摻雜物修改他們,我們可以做生成很多漏洞的p 型的半導體 (正電荷),當加熱和生成電子的n 型的半導體。 如果我們連接這兩輸入串聯,并且放置在兩個的一個溫度區別那些材料間,我們可以開始獲得更高的電壓。 一材料將生成 20 世紀 10 年代到 100 在它間的毫伏,是幾乎任何。 但是像堆積許多電池,如果您開始一起連接花環這些 p- 和 n 型的材料,您能生成有用的電壓。

WS : 因此納米技術是否如何幫助使這些材料更加高效?

RD : 有執行能源二個不同的方式通過您的系統。 一个是熱能調用通過聲子,是晶格的振動,并且人一個是通過遊遍您的材料的電子。 因此為好熱電材料您希望它有一種非常粗劣的導熱性,但是非常好電導率。

然而,如果,例如,您考慮銅它有好電導率,是我們為什麼在電匯使用它,但是我們在水壺也使用它,因為它是一個好熱量導體,并且那為這個溫差電效應實際上是確實壞的。 并且,如果您去另一個方式,像陶瓷和玻璃的裝绝緣體工,他們擅長於绝緣從熱能,但是他們也是好電子裝绝緣體工。 因此您總是進行設法的爭鬥查找有正確的套這個溫差電效應的屬性的材料。

幸運地有熱量和電導的長度區別縮放比例。 熱量傳導傾向於發生在相對地大距離,因此聲子通知旅行長途,在分散它或被反射前,但是電子傾向於到處重新啟動。 因此,如果您放一些 nanoscale 結構到您的材料,您能打亂聲子,因為您的材料沒有開發振動一個有效通知的足够一個定期結構通過這種晶體結構,但是電子不受影響,因為他們已經分散在更小的長度等級。 因此與 nanostructures,您可以減少這種導熱性,但是維護好電導率,因此熱電材料的性能上升。

太陽能吸收體,我們設法通過構建材料播放相似的竅門,因此他們真有入射光輻射跳動的反射性,那麼很少表面的,并且它全部獲得吸收。

使用這些非常小的結構,通過一起結合納米技術的那兩個方面,我們可以獲得確實很好吸收太陽能有好熱電屬性的材料和材料。 并且材料不是異乎尋常的 - 它是產生材料改進的屬性的 nanostructure,比較在批量階段的同樣材料。

WS : 此技術如何在這個戰場將有益於戰士?

RD : 基本上,我們查看增加戰士的範圍 - 增加時間他或她可以堅持遠離基礎和減少他們必須運載的金額。 一般的戰士有大約 70 kg 在他們的返回在使用中或在巡邏,并且相當多該是電池重量。 實際上,很多它是已經在設備的電池的替換。 因此,如果您能做電池前更長,他們可以為長期呆在外面,運載更多食物,更多彈藥。

因此有真正益處,如果您可以減少從他們必須運載與他們的儲能的負荷。 如果您從那縮減到局限化的能源生成,并且您能開始做一些確實扣人心弦的事。 例如,傳感器,可能瀏覽化學攻擊或其他危險等級,可能由小的熱電設備在它旁邊,因此您關閉不需要穿線從電池裝箱的電纜關閉它。

WS : 一個可移植的熱電系統能可行生成多少當前?

RD : 很好它取決於這個列陣多大是,像與太陽能電池。 太陽能電池我們通常談論 「功率每平方米」,并且這正確地是一樣對於 thermoelectrics - 越大區它產生的它操作,更多功率。 因此這個挑戰是擊中我們從太陽能電池 - 大約 100 个 mW/cm2 看到的同一類級別。

然而,與熱電系統,您也生成增量有溫度區別的功率。 因此您可能有一大區運作在一個小的溫度區別 - 對戰士的體溫,大約 16 °C 區別說室溫。

或者,您可能有加熱與對陽光的暴露的一個更小,專用的太陽引人入勝的區域。 在 Cranfield 在 3月,設法加熱一些太陽引人入勝的材料至 70 或 80 °C 通過它坐窗臺在辦公室。 因此產生您 60 °C 一個溫度區別和那能開始獲得您離 20 世紀 10 年代較近或 100 mW/cm2,是一個有用的功率。

WS : 您多久認為它,在我們開始看到在消費品前的私有能源生成技術,以及在這個軍事部門?

RD : 較少時間比您很可能認為。 在這個軍事環境裡,如果它中斷您是那裡是嚴重的反映,因此設備比他們也許需要為平民應用需要是環境的更加穩健和承受不同的類型。 并且它是充電的小配件的一件確實冷靜事情 - 認為關於多少個小配件人員擁有和運載,它是一個典型的 「男孩的保持的他們玩具」解決方法所有收費對長期。 因此市場為那餓親切應用。

根據哪個首先來,軍事或商務應用,我在它上不會希望把任何貨幣放。 我能看到有非常清楚軍事應用,而且很多嚴格的商業區,因此我會認為他們同時將出現。 關於類時間範圍,我們開始發現近對市場產品已經在線來,因此它非常很遠不。 然而,他們在常規技術 - 不是 nanostructured 的那的現有的熱電材料基礎上。 例如,他們集成與烹調野營的設備其中大溫度差是可用的。 因此有東西那裡已經,但是它很可能將是另一兩三年,在我們看到納諾端的它出現前。

WS : 某些是什麼下大突破我們將看見人在今後幾年裡從事?

RD : 其中一件確實扣人心弦的事情設法獲得這些事情集成紡織品和織品,因此他們成為這個系統的部分 - 我們談論有一件火柴盒尺寸事情沒有被縫合對您的外套的端,這些事情會成為這套服裝的一個組成部分。

因此,您能為戰士想像,它會成為一部分的他們的背包,例如 - 這種織品他們的背包做從是有效的熱電要素。 因此您再設法減少這位戰士運載的總重量和提供一個充分地集成程序包。

并且那是一個真正的挑戰 - 設法做這些事情在像硅部分的一個平面的基體足够富挑戰性。 設法做它在 3D 結構,一個被編織的結構是非常扣人心弦的。

WS : 什麼啟發您開始從事在熱電材料和其他私有能源生成技術?

RD : 我是材料科學家乘火車,并且有效的 nanomaterials 總是從事的一扣人心弦的區。 從事的概念在私有能源生成特別是來自一定數量不同的事情。

部分它是從執行許多的失敗移動,并且有電話電池不要在這個機場耗盡至多不合時宜的時候,有充電的點或者有插件的絞類型。

然後我讀了有些條款關於怎樣電信在非洲開發 - 他們錯過了全部的輸送路線事情,并且去直接移動電話。 移動用戶的數量在非洲公正猶豫,并且它高於在歐洲或美國,因為我們仍然有輸送路線。 他們錯過了放置的該全部的概念在電話的固定的結構,并且那獲得了我認為 - 我們可能錯過放置的概念在功率分佈的固定的結構?

在英國和歐洲,我們有國家網格被連接得到處,它不再確實配合我們有效的生活方式。 在辦公室,您能在您的服務臺,但是,如果您的服務臺是在一個大辦公室中間,有功率旁邊有在牆壁的電源插座它可以仍然是相當困難的 -,并且那在您的辦公室,有功率的推測到處。

并且它艱苦獲得,當您留下這個大廈并且去外部 - 獲得功率在活動中相當富挑戰性。 然後在這個城市之外,在農村周圍,功率明確地總是不。 并且那全部在有功率基礎設施的一個發達國家。

因此我認為有功率的一個實際市場在瓦特對千瓦範圍 - 足够服務單個或家庭,可能鏈接和關閉村莊的。

它確實是一种 「自下向上」途徑對是非常適當的電源,當我們談論納米技術和 「自下向上」製造時!

關於羅伯特 Dorey 教授

羅伯特 Dorey 在 Cranfield 大學拿著在 Nanomaterials 的一把椅子,并且是表面科學和納米技術學院的一部分。 他導致在納諾的一個獨立在能源和這個環境的研究小組和微型工藝學。 他的研究工作測試三個交關主題:

  • 在功能材料和設備基礎上的私有能源生成解決方法包括固定的氧化物燃料電池,熱電,鐵電, pyroelectric 和壓電材料。
  • 環境和結構上的衛生監測傳感器
  • 使減到最小的能源、材料和化學製品用量的不傷環境的處理途徑。


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

Last Update: 16. February 2013 16:44

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