CN108599625B - 保温外墙内外表面温差能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
一种保温外墙内外表面温差能量收集装置，所述能量收集装置包括由室内侧到室外侧依次布置的室内侧电路板、斜孔保温砖、穿孔保温层和室外侧电路板，所述斜孔保温砖和穿孔保温层中倾斜布置P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒。本发明提供了一种便捷、持久和环保地给无线传感网络供电的保温外墙内外表面温差能量收集装置。
Description
技术领域
本发明涉及智能建筑中的能量收集装置，尤其是涉及利用一种智能建筑保温外墙的室内外表面温差进行能量收集的装置，用于为低功耗的智能建筑无线传感器节点供电。
背景技术
未来智能建筑中分布大量传感器节点，例如室内外的温度、湿度、照度、风速、风向传感器，均需解决节点供电问题，通常有两种选择，筑晃动能量收集和屋顶降水能量收集可利用的时段较上述几种方式第一，布线实现供电以及测量信号的传递，考虑到传感器数量繁多、围护结构体量巨大并可能存在的活动部件，布线设计和施工代价较大；第二，电池供电，测量信号无线传输，即构建无线传感网络，避免前种方法布线的困扰，但仍存在某些负面影响：a)电池电量有限，限制节点使用寿命，b)节点往往不回收，化学电池引起的二次污染。
针对上述问题，希望实现中无线传感网络节点的自供电，因此能量收集技术在智能建筑有了用武之地。该技术致力于收集自然环境中无处不在的可再生能源，如风能、太阳能、温差、各种物体的动能，为低功耗的无线传感网络节点供电。能量收集技术与发电有些区别，能量收集往往意味着仅仅获取较为微弱的能量为低功耗或超低功耗的用电设备供电，而发电通常要求为外界提供强劲的动力。
目前，能量收集技术这一新型环保供电技术受到学术界和产业界的共同关注，正越来越接近应用水平；该技术在智能建筑上的应用出现喜人的萌芽态势。
近年来智能建筑中的能量收集成为国内外研究的一个热点，大致分为如下几种类型：建筑光伏能量收集；混凝土温差能量收集；屋顶降水能量收集，在高层建筑屋顶蓄积雨水，冲击水泵叶轮收集能量；高层建筑晃动能量收集；风能收集。
然而智能建筑中的能量收集技术仍有如下问题和挑战：
1)均专注于能量收集技术本身，在智能建筑结构、部件设计上如何适应和配合能量收集装置和无线传感网络节点的功能发挥方面，相应的研发仍显不足，有待加强。
2)上述每一种能量收集方法均存在时间上、空间上不可完全覆盖性。时间上看，夜间无法利用光伏太阳能；阴天往往室内外温差很小无法利用混凝土温差能量收集；风能收集依赖于气象条件；高层建更为短暂。空间上看，屋顶降水能量收集、高层建筑晃动能量收集的分布性不佳，能量收集区位集中；风力收集装置通常有旋转部件，其安装位置大为受限。
针对以上存在的问题，认识到为智能建筑的无线传感网络提供可靠能源，必须拓展能量收集在所处位置上、时段上的限制，唯此能无线传感网络才能发挥全天候的功效。
发明内容
为了克服已有智能建筑的无线传感网络提供可靠能源受到所处位置上、时段上的限制，无法发挥全天候的功效的不足，本发明提供了一种便捷、持久和环保地给无线传感网络供电的保温外墙内外表面温差能量收集装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种保温外墙内外表面温差能量收集装置，所述能量收集装置包括由室内侧到室外侧依次布置的室内侧电路板、斜孔保温砖、穿孔保温层和室外侧电路板，所述斜孔保温砖和穿孔保温层中倾斜布置P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒。
进一步，所述室内侧电路板呈矩形薄板，外形为四周有翻边的矩形薄板，套在斜孔保温砖的阶梯型收口内，室内侧电路板在与斜孔保温砖接触的一侧的表面嵌入多排微微凸起的金属帽，实现与P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒的电连通。
再进一步，所述室内侧电路板为印刷电路板，在厚度方向的中间为印刷电路层，印刷电路与板表面的金属帽电连通；室内侧电路板的另一侧表面，即与建筑墙体内表面同侧齐平的一侧，到其中间的印刷电路层仅隔半层室内侧电路板的厚度，该表面可作拉毛处理以涂附与普通内墙相同的涂料。
所述斜孔保温砖的外形为长方体，两侧均设有台阶型收口，较短小收口插入室内侧电路板的翻边内，端面与室内侧电路板贴合。从此安装位置看，斜孔保温砖有上下方向的通孔，也有贯通斜孔保温砖内外壁的通孔，此通孔为不垂直于斜孔保温砖面的斜向贯通孔，上述两方向的通孔中的任意两个无空间上的交汇。
每一个斜向贯通孔内正好嵌入一个室内侧电路板表面凸起的金属帽，孔内可安置P型水泥基Seebeck效应材料和N型水泥基Seebeck效应材料。
所述斜孔保温砖的外侧为穿孔保温层，穿孔保温层的一侧有翻边插入双向多孔砖较宽大的收口中，穿孔保温层的另一侧有阶梯型收口；从安装位置看，斜孔保温砖内安置P型水泥基Seebeck效应材料和N型水泥基Seebeck效应材料的通孔，延伸并穿透穿孔保温层。
所述穿孔保温层的外侧为室外侧电路板，室外侧电路板外形为四周有翻边的矩形薄板，插入穿孔保温层的阶梯型收口内。
所述室外侧电路板为印刷电路板，其翻边一侧与穿孔保温层外表面紧贴，并且在每一个穿孔保温层通孔位置处有一个微微凸起的金属帽嵌入于室外侧电路板表面，实现与P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒的电连通；室外侧电路板厚度方向的中间为印刷电路层，印刷电路与板表面的金属帽电连通，室外侧电路板的外表面作拉毛处理以涂附与普通外墙相同的涂料。
所述斜孔保温砖和穿孔保温层的贯穿斜孔的位置对应且连贯，以便于P型水泥基Seebeck效应材料和N型水泥基Seebeck效应材料的安置。在贯穿斜孔保温砖和穿孔保温层的孔内，注入相应的P型半导体性质的碳纤维水泥基复合材料以及N型半导体性质的碳纤维水泥基复合材料，凝固分别形成P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒，上述每一个水泥基Seebeck效应棒两端分别与烟道侧电路板表面的一个凸起金属帽和室外侧电路板表面的一个凸起金属帽实现电连通。
将所有P型水泥基Seebeck效应棒两端的温度电动势正向串接，每一N型水泥基Seebeck效应棒与每一P型水泥基Seebeck效应棒反向串接，如此水泥基Seebeck效应棒数量愈多，所获温差电动势愈高。另一方面，为使用和维护方便，所有水泥基Seebeck效应棒串接后的两个总引出端应布置在室外侧电路板，储能电路模块、传感器模块、无线传输模块也均应布置在室外侧电路板；
取P型水泥基Seebeck效应棒与N型水泥基Seebeck效应棒的数量相同，并在空间上交错排布，并加以编号，所有奇数编号为P型水泥基Seebeck效应棒，偶数编号为N型水泥基Seebeck效应棒，二者数量相等；对编号(1)的P型水泥基Seebeck效应棒其外墙侧电路板一端接触的金属帽为一个总引出端，室内侧电路板一端接触的金属帽通过室内侧电路板的印刷电路引向编号(2)的N型水泥基Seebeck效应棒接触的金属帽，室外侧电路板一侧上与编号(2)的N型水泥基Seebeck效应棒接触的金属帽与通过室外侧电路板的印刷电路引向编号(3)的P型水泥基Seebeck效应棒接触的金属帽，依次类推，直到最大编号的N型水泥基Seebeck效应棒接触的室外侧电路板上的金属帽为另一个总引出端。
本发明将给出一种混凝土温差能量收集在智能建筑中的应用技术。温差能量收集的材料通常有金属、半导体和明胶等，上述材料与智能建筑结构和材料的结合上存在一定困难，于是，有学者开始研究混凝土材料的温差能量收集性能。纯水泥基体是电不良导体，也无法进行温差能量收集，掺入碳纤维后可显著增强水泥基材料电导率，形成碳纤维水泥基复合材料(Carbon fiber reinforcedcement-based composites，简写为CFRC)，其高电导率是载流子经由碳纤维网络和多种类型缺陷界面共同输运的结果，同时材料也出现了Seeback效应，具备温差能量收集的条件。碳纤维水泥基复合材料中，当载流子为空穴时，在低温端产生正的温差电动势,表现为P型半导体性质；当载流子为电子时，在低温端产生负的温差电动势，表现为N型半导体性质。碳纤维水泥基复合材料本身变现为P型半导体性质，通过进一步掺杂不同材料，可以增强其P型半导体性质，也可使其变性为N型半导体性质。碳纤维水泥基复合材料所产生电动势仍属微量，一般在几十μV/K级别，目前不少材料学者正致力于提高这一关键指标，最高已达几千μV/K。
材料学者主要从减小热岛效应，缓解建筑能源消耗，有效利用夏季室外存在的大量热能的角度，研究碳纤维水泥基复合材料的应用，见综述性文献：魏剑等.碳纤维水泥基复合材料Seebeck效应研究现状.材料导报,2017,31(1):84-89。
当建筑室内外存在温差时，由于斜孔保温砖和穿孔保温层的保温作用，外墙的内外表面存在温差。P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒的室内侧电路板一侧的温度接近于外墙内表面温度。同样，P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒的室外侧电路板一侧的温度接近于外墙外表面温度。从而，在每个P型水泥基Seebeck效应棒或者N型水泥基Seebeck效应棒两端存在较为明显的温差，将产生一定的温度电动势。
由于P型水泥基Seebeck效应棒两端的温度电动势方向上与N型水泥基Seebeck效应棒的温度电动势相反，为叠加所有水泥基Seebeck效应棒的电动势，室内侧电路板和室外侧电路板需要实现将所有P型水泥基Seebeck效应棒两端的温度电动势正向串接，每一N型水泥基Seebeck效应棒与每一P型水泥基Seebeck效应棒反向串接，如此水泥基Seebeck效应棒数量愈多，所获温差电动势愈高。另一方面，为使用和维护方便，所有水泥基Seebeck效应棒串接后的两个总引出端应布置在室外侧电路板，储能电路模块、传感器模块、无线传输模块也均应布置在室外侧电路板，考虑到斜孔保温砖的存在，室外侧电路板上有足够的空余面积用于实现上述电路模块。如果外立面为铝板可适当开孔以利于传感器工作以及进行无线传输，并与孔内填充适当材料。
本发明的有益效果主要表现在：从智能建筑中无线传感器节点的能量收集需求与碳纤维水泥基复合材料的功能有机结合的角度，利用智能建筑中保温外墙的内外表面存在的温差，充分考虑与保温外墙的建筑构造和建筑材料的融合，设计了一种利用碳纤维水泥基复合材料进行温差能量收集的保温外墙内外表面温差能量收集装置，替代电池为无线传感器节点供电，避免大量布线，避免了电池的使用，从而避免电池电量和寿命对传感器节点寿命的限制，避免化学电池引起的污染，构建智能建筑传感器的便捷，持久和环保的供电方式。
附图说明
图1是保温外墙内外表面温差能量收集装置的示意图。
图2是去除斜孔保温砖的装置的示意图
图3是斜孔保温砖与穿孔保温层。
图4是室外侧电路板。
图5是室内侧电路板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图5，一种保温外墙内外表面温差能量收集装置，利用保温外墙内外表面存在的温差，通过能量收集装置将材料的Seebeck效应叠加，获取电能，可为超低功耗的能建筑传感器节点供电。
所述能量收集装置由室内侧到室外侧依次为：室内侧电路板4，斜孔保温砖3，穿孔保温层2和室外侧电路板1，其中斜孔保温砖和穿孔保温层中倾斜布置了P型水泥基Seebeck效应棒5以及N型水泥基Seebeck效应棒6。
室内侧电路板呈矩形薄板，外形为四周有翻边的矩形薄板，套在斜孔保温砖的阶梯型收口内，见图1和图5。室内侧电路板在与斜孔保温砖接触的一侧，表面嵌入多排微微凸起的金属帽，实现与P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒的电连通；室内侧电路板为印刷电路板，在厚度方向的中间为印刷电路层，印刷电路与板表面的金属帽电连通。室内侧电路板的另一侧表面，即与建筑墙体内表面同侧齐平的一侧，到其中间的印刷电路层仅隔半层室内侧电路板的厚度，该表面可作拉毛处理以涂附与普通内墙相同的涂料。
斜孔保温砖，见图1和图3，外形大致为长方体，两侧均设有台阶型收口，较短小收口插入室内侧电路板的翻边内，端面与室内侧电路板贴合。从此安装位置看，斜孔保温砖有上下方向的通孔，其功能与普通多孔砖相同，起保温和轻质的作用；也有贯通斜孔保温砖内外壁的通孔，此通孔为不垂直于斜孔保温砖面的斜向贯通孔。每一个通孔内正好嵌入一个室内侧电路板表面凸起的金属帽，孔内可安置P型水泥基Seebeck效应材料和N型水泥基Seebeck效应材料。上述两方向的通孔中的任意两个无空间上的交汇。
斜孔保温砖的外侧为穿孔保温层，穿孔保温层的一侧有翻边插入双向多孔砖较宽大的收口中，穿孔保温层的另一侧有阶梯型收口，见图1和图3。从安装位置看，斜孔保温砖内安置P型水泥基Seebeck效应材料和N型水泥基Seebeck效应材料的通孔，延伸并穿透穿孔保温层。穿孔保温层可实现外墙保温，减少室内外热量交换。
穿孔保温层的外侧为室外侧电路板，室外侧电路板外形为四周有翻边的矩形薄板，插入穿孔保温层的阶梯型收口内，见图1和图4。室外侧电路板为印刷电路板，其翻边一侧与穿孔保温层外表面紧贴，并且在每一个穿孔保温层通孔位置处有一个微微凸起的金属帽嵌入于室外侧电路板表面，实现与P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒的电连通；室外侧电路板厚度方向的中间为印刷电路层，印刷电路与板表面的金属帽电连通。室外侧电路板的外表面无印刷电路，外表面可作拉毛处理以涂附与普通外墙相同的涂料；鉴于铝板可做智能建筑外立面材料，也可在室外侧电路板的外表面附铝板，在提高传热效率的同时也统一了外立面。
斜孔保温砖和穿孔保温层的贯穿斜孔的位置对应且连贯，以便于P型水泥基Seebeck效应材料和N型水泥基Seebeck效应材料的安置。在贯穿斜孔保温砖和穿孔保温层的孔内，注入相应的P型半导体性质的碳纤维水泥基复合材料以及N型半导体性质的碳纤维水泥基复合材料，凝固分别形成P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒，上述每一个水泥基Seebeck效应棒两端分别与烟道侧电路板表面的一个凸起金属帽和室外侧电路板表面的一个凸起金属帽实现电连通，见图1和图2。
当建筑室内外存在温差时，由于斜孔保温砖和穿孔保温层的保温作用，外墙的内外表面存在温差。P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒的室内侧电路板一侧的温度接近于外墙内表面温度。同样，P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒的室外侧电路板一侧的温度接近于外墙外表面温度。从而，在每个P型水泥基Seebeck效应棒或者N型水泥基Seebeck效应棒两端存在较为明显的温差，将产生一定的温度电动势。
由于P型水泥基Seebeck效应棒两端的温度电动势方向上与N型水泥基Seebeck效应棒的温度电动势相反，为叠加所有水泥基Seebeck效应棒的电动势，室内侧电路板和室外侧电路板需要实现将所有P型水泥基Seebeck效应棒两端的温度电动势正向串接，每一N型水泥基Seebeck效应棒与每一P型水泥基Seebeck效应棒反向串接，如此水泥基Seebeck效应棒数量愈多，所获温差电动势愈高。另一方面，为使用和维护方便，所有水泥基Seebeck效应棒串接后的两个总引出端应布置在室外侧电路板，储能电路模块、传感器模块、无线传输模块也均应布置在室外侧电路板，考虑到斜孔保温砖的存在，室外侧电路板上有足够的空余面积用于实现上述电路模块。如果外立面为铝板可适当开孔以利于传感器工作以及进行无线传输，并与孔内填充适当材料。
为此，取P型水泥基Seebeck效应棒与N型水泥基Seebeck效应棒的数量相同，并在空间上交错排布，并加以编号。不失一般性地，设编号(1)为P型水泥基Seebeck效应棒，编号(2)为N型水泥基Seebeck效应棒，如此，所有奇数编号为P型水泥基Seebeck效应棒，偶数编号为N型水泥基Seebeck效应棒，二者数量相等。对编号(1)的P型水泥基Seebeck效应棒其外墙侧电路板一端接触的金属帽为一个总引出端，室内侧电路板一端接触的金属帽通过室内侧电路板的印刷电路引向编号(2)的N型水泥基Seebeck效应棒接触的金属帽，室外侧电路板一侧上与编号(2)的N型水泥基Seebeck效应棒接触的金属帽与通过室外侧电路板的印刷电路引向编号(3)的P型水泥基Seebeck效应棒接触的金属帽，依次类推，直到最大编号的N型水泥基Seebeck效应棒接触的室外侧电路板上的金属帽为另一个总引出端。
本实施例从智能建筑中无线传感器节点的能量收集需求与碳纤维水泥基复合材料的功能有机结合的角度，利用智能建筑保温外墙的内外表面温差，充分考虑与建筑外墙材料和构造的融合，设计了一种利用碳纤维水泥基复合材料进行温差能量收集的保温外墙内外表面温差能量收集装置，替代电池为无线传感器节点供电，避免大量布线，避免了电池的使用，从而避免电池电量和寿命对传感器节点寿命的限制，避免化学电池引起的污染，构建智能建筑传感器的便捷，持久和环保的供电方式。
Claims (6)
1.一种保温外墙内外表面温差能量收集装置，其特征在于：所述能量收集装置包括由室内侧到室外侧依次布置的室内侧电路板、斜孔保温砖、穿孔保温层和室外侧电路板，所述斜孔保温砖和穿孔保温层中倾斜布置P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒；
所述室内侧电路板呈矩形薄板，外形为四周有翻边的矩形薄板，套在斜孔保温砖的阶梯型收口内，室内侧电路板在与斜孔保温砖接触的一侧的表面嵌入多排微微凸起的金属帽，实现与P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒的电连通；
所述斜孔保温砖的外形为长方体，两侧均设有台阶型收口，较短小收口插入室内侧电路板的翻边内，端面与室内侧电路板贴合；从此安装位置看，斜孔保温砖有上下方向的通孔，也有贯通斜孔保温砖内外壁的通孔，此通孔为不垂直于斜孔保温砖面的斜向贯通孔，上述两方向的通孔中的任意两个无空间上的交汇；
所述穿孔保温层的外侧为室外侧电路板，室外侧电路板外形为四周有翻边的矩形薄板，插入穿孔保温层的阶梯型收口内；
所述室外侧电路板为印刷电路板，其翻边一侧与穿孔保温层外表面紧贴，并且在每一个穿孔保温层通孔位置处有一个微微凸起的金属帽嵌入于室外侧电路板表面，实现与P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒的电连通；室外侧电路板厚度方向的中间为印刷电路层，印刷电路与板表面的金属帽电连通，室外侧电路板的外表面作拉毛处理以涂附与普通外墙相同的涂料。
2.如权利要求1所述的保温外墙内外表面温差能量收集装置，其特征在于：所述室内侧电路板为印刷电路板，在厚度方向的中间为印刷电路层，印刷电路与板表面的金属帽电连通；室内侧电路板的另一侧表面，即与建筑墙体内表面同侧齐平的一侧，到其中间的印刷电路层仅隔半层室内侧电路板的厚度，该表面可作拉毛处理以涂附与普通内墙相同的涂料。
3.如权利要求1所述的保温外墙内外表面温差能量收集装置，其特征在于：每一个斜向贯通孔内正好嵌入一个室内侧电路板表面凸起的金属帽，孔内可安置P型水泥基Seebeck效应材料和N型水泥基Seebeck效应材料。
4.如权利要求1所述的保温外墙内外表面温差能量收集装置，其特征在于：所述斜孔保温砖的外侧为穿孔保温层，穿孔保温层的一侧有翻边插入双向多孔砖较宽大的收口中，穿孔保温层的另一侧有阶梯型收口；从安装位置看，斜孔保温砖内安置P型水泥基Seebeck效应材料和N型水泥基Seebeck效应材料的通孔，延伸并穿透穿孔保温层。
5.如权利要求4所述的保温外墙内外表面温差能量收集装置，其特征在于：所述斜孔保温砖和穿孔保温层的贯穿斜孔的位置对应且连贯，以便于P型水泥基Seebeck效应材料和N型水泥基Seebeck效应材料的安置；在贯穿斜孔保温砖和穿孔保温层的孔内，注入相应的P型半导体性质的碳纤维水泥基复合材料以及N型半导体性质的碳纤维水泥基复合材料，凝固分别形成P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒，上述每一个水泥基Seebeck效应棒两端分别与烟道侧电路板表面的一个凸起金属帽和室外侧电路板表面的一个凸起金属帽实现电连通。
6.如权利要求5所述的保温外墙内外表面温差能量收集装置，其特征在于：将所有P型水泥基Seebeck效应棒两端的温度电动势正向串接，每一N型水泥基Seebeck效应棒与每一P型水泥基Seebeck效应棒反向串接，如此水泥基Seebeck效应棒数量愈多，所获温差电动势愈高；另一方面，为使用和维护方便，所有水泥基Seebeck效应棒串接后的两个总引出端应布置在室外侧电路板，储能电路模块、传感器模块、无线传输模块也均应布置在室外侧电路板；
取P型水泥基Seebeck效应棒与N型水泥基Seebeck效应棒的数量相同，并在空间上交错排布，并加以编号，所有奇数编号为P型水泥基Seebeck效应棒，偶数编号为N型水泥基Seebeck效应棒，二者数量相等；对编号(1)的P型水泥基Seebeck效应棒其外墙侧电路板一端接触的金属帽为一个总引出端，室内侧电路板一端接触的金属帽通过室内侧电路板的印刷电路引向编号(2)的N型水泥基Seebeck效应棒接触的金属帽，室外侧电路板一侧上与编号(2)的N型水泥基Seebeck效应棒接触的金属帽与通过室外侧电路板的印刷电路引向编号(3)的P型水泥基Seebeck效应棒接触的金属帽，依次类推，直到最大编号的N型水泥基Seebeck效应棒接触的室外侧电路板上的金属帽为另一个总引出端。
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